Kuinka 4-20 mA piiri toimii

"Virtasilmukkaa" käytettiin tiedonsiirtorajapintana 1950-luvulla. Aluksi rajapinnan käyttövirta oli 60 mA ja myöhemmin vuodesta 1962 alkaen 20 mA virtasilmukkaliitäntä yleistyi teletypessä.

1980-luvulla, kun erilaisia ​​antureita, automaatiolaitteita ja toimilaitteita alettiin ottaa laajalti käyttöön teknologisissa laitteissa, "virtapiirin" rajapinta kavensi käyttövirtojensa aluetta - se alkoi vaihdella välillä 4-20 mA.

«Virtasilmukan» leviäminen alkoi hidastua vuodesta 1983 lähtien, kun RS-485-liitäntästandardi syntyi, ja nykyään «virtasilmukkaa» ei juuri koskaan käytetä uusissa laitteissa sellaisenaan.

Virtasilmukkalähetin eroaa RS-485-lähettimestä siinä, että se käyttää virtalähdettä jännitelähteen sijaan.

Virta, toisin kuin jännite, joka liikkuu lähteestä piiriä pitkin, ei muuta sen virta-arvoa kuormitusparametreista riippuen. Siksi «virtasilmukka» ei ole herkkä kaapelin resistanssille, kuormitusvastukselle tai edes induktiiviselle kohinalle EMF:lle.

Lisäksi silmukkavirta ei riipu itse virtalähteen syöttöjännitteestä, vaan voi muuttua vain kaapelin läpi tapahtuvien vuotojen takia, jotka ovat yleensä merkityksettömiä. Tämä nykyisen syklin ominaisuus määrittää täysin sen toteutustavat.

On huomattava, että kapasitiivisen poiminnan EMF:ää käytetään tässä rinnakkain virtalähteen kanssa ja suojausta käytetään heikentämään sen loisvaikutusta.

Tästä syystä signaalinsiirtolinja on yleensä suojattu kierretty pari, joka yhdessä differentiaalivastaanottimen kanssa vaimentaa yksinään yhteismuotoista ja induktiivista kohinaa.

Signaalin vastaanottopuolella silmukkavirta muunnetaan jännitteeksi kalibroidun vastuksen avulla. Ja virralla 20 mA saadaan vakiosarjan jännite 2,5 V; 5V; 10V; — Riittää vain käyttää vastusta, jonka resistanssi on 125, 250 tai 500 ohmia.

Ensimmäinen ja tärkein "virtasilmukka"-liitännän haittapuoli on sen alhainen nopeus, jota rajoittaa siirtokaapelin kapasiteetin latausnopeus edellä mainitusta lähetyspuolella sijaitsevasta virtalähteestä.

Joten käytettäessä 2 km pitkää kaapelia, jonka lineaarinen kapasitanssi on 75 pF / m, sen kapasitanssi on 150 nF, mikä tarkoittaa, että tämän kapasitanssin lataaminen 5 volttiin 20 mA:n virralla kestää 38 μs. 4,5 kbps:n tiedonsiirtonopeuteen.

Alla on graafinen riippuvuus suurimmasta käytettävissä olevasta tiedonsiirtonopeudesta «virtasilmukan» kautta käytetyn kaapelin pituudesta eri särötasoilla (värinä) ja eri jännitteillä, arviointi suoritettiin samalla tavalla kuin RS-liitäntä -485.

Toinen «virtasilmukan» haittapuoli on erityisen standardin puute liittimien suunnittelulle ja kaapeleiden sähköisille parametreille, mikä myös rajoittaa tämän liitännän käytännön käyttöä. Oikeudenmukaisuuden vuoksi voidaan todeta, että itse asiassa yleisesti hyväksytyt vaihtelevat välillä 0 - 20 mA ja 4 - 20 mA. Aluetta 0–60 mA käytetään paljon harvemmin.

Lupaavimmat kehityssuunnat, jotka vaativat "virtasilmukka" -liitännän käyttöä, käyttävät nykyään suurimmaksi osaksi vain 4 ... 20 mA liitäntää, mikä mahdollistaa linjakatkon helpon diagnosoinnin. Lisäksi "virtasilmukka" " voi olla digitaalinen tai analoginen, riippuen kehittäjän vaatimuksista (lisätietoja myöhemmin).

Kaikentyyppisten «virtasilmukan» (analogisten tai digitaalisten) käytännöllisesti katsoen alhainen tiedonsiirtonopeus mahdollistaa sen käytön samanaikaisesti useiden sarjaan kytkettyjen vastaanottimien kanssa, eikä pitkiä linjoja tarvita.

Analoginen versio "nykyisestä syklistä"

Analoginen "virtasilmukka" on löytänyt sovelluksen tekniikassa, jossa on tarpeen esimerkiksi lähettää signaaleja antureista säätimille tai säätimien ja toimilaitteiden välillä. Tässä nykyinen sykli tarjoaa useita etuja.

Ensinnäkin mitatun arvon vaihteluväli, kun se pienennetään vakioalueelle, mahdollistaa järjestelmän komponenttien muuttamisen. Kyky lähettää signaali suurella tarkkuudella (enintään + -0,05 % virhe) huomattavan etäisyyden päähän on myös merkittävä. Lopuksi useimmat teollisuusautomaatiotoimittajat tukevat nykyistä syklistandardia.

4 … 20 mA virtasilmukan minimivirta signaalin vertailupisteenä on 4 mA.Näin ollen, jos kaapeli on rikki, virta on nolla. Käytettäessä 0…20 mA virtasilmukkaa kaapelin katkeamisen diagnosointi on vaikeampaa, koska 0 mA voi yksinkertaisesti osoittaa lähetettävän signaalin minimiarvon. Toinen 4 … 20 mA alueen etu on, että jopa 4 mA:n tasolla anturi on mahdollista saada virtaa ilman ongelmia.

Alla on kaksi analogista virtakaaviota. Ensimmäisessä versiossa virtalähde on sisäänrakennettu lähettimeen, kun taas toisessa versiossa virtalähde on ulkoinen.

Sisäänrakennettu virtalähde on kätevä asennuksen kannalta, ja ulkoisen avulla voit muuttaa sen parametreja riippuen sen laitteen tarkoituksesta ja käyttöolosuhteista, jonka kanssa virtasilmukkaa käytetään.

Virtasilmukan toimintaperiaate on sama molemmissa piireissä. Ihannetapauksessa operaatiovahvistimella on äärettömän suuri sisäinen resistanssi ja nollavirta sen tuloissa, mikä tarkoittaa, että sen tulojen jännite on myös aluksi nolla.

Siten lähettimen vastuksen läpi kulkeva virta riippuu vain tulojännitteen arvosta ja on yhtä suuri kuin koko silmukan virta, kun taas se ei riipu kuormitusresistanssista. Siksi vastaanottimen tulojännite voidaan määrittää helposti.

Op-amp-piirin etuna on, että voit kalibroida lähettimen ilman, että siihen tarvitsee kytkeä vastaanotinkaapelia, koska vastaanottimen ja kaapelin aiheuttama virhe on hyvin pieni.

Lähtöjännite valitaan perustuen siirtotransistorin tarpeisiin sen normaalia toimintaa varten aktiivisessa tilassa, sekä edellytyksenä johtojen, itse transistorin ja vastusten jännitehäviön kompensoimiseksi.

Oletetaan, että vastukset ovat 500 ohmia ja kaapeli 100 ohmia. Sitten 20 mA virran saamiseksi tarvitaan jännitelähde 22 V. Lähin standardijännite valitaan — 24 V. Jänniterajan ylijäämäteho yksinkertaisesti häviää transistorilla.

Huomaa, että molemmat kaaviot näyttävät galvaaninen eristys lähettimen asteen ja lähettimen tulon välillä. Tämä tehdään väärän yhteyden välttämiseksi lähettimen ja vastaanottimen välillä.

Esimerkkinä analogisen virtasilmukan rakentamiseen tarkoitetusta lähettimestä voimme mainita valmiin tuotteen NL-4AO, jossa on neljä analogista lähtökanavaa tietokoneen kytkemiseksi toimilaitteeseen käyttämällä 4 ... 20 mA tai 0 ... 20 mA » nykyinen sykli « protokolla.

Moduuli kommunikoi tietokoneen kanssa RS-485-protokollan kautta. Laite on tällä hetkellä kalibroitu kompensoimaan muunnosvirheet ja suorittaa tietokoneen antamia komentoja. Kalibrointikertoimet tallennetaan laitteen muistiin. Digitaalinen data muunnetaan analogiseksi DAC:n avulla.

Digitaalinen versio "nykyisestä syklistä"

Digitaalinen virtasilmukka toimii pääsääntöisesti 0 ... 20 mA tilassa, koska digitaalinen signaali on helpompi toistaa tässä muodossa. Logiikkatasojen tarkkuus ei ole tässä niin tärkeä, joten silmukkavirtalähteellä voi olla ei kovin suuri sisäinen resistanssi ja suhteellisen pieni tarkkuus.

Yllä olevassa kaaviossa 24 V:n syöttöjännitteellä vastaanottimen sisäänmenoon pudotetaan 0,8 V, mikä tarkoittaa, että 1,2 kΩ:n vastuksella virta on 20 mA. Kaapelin jännitehäviö, vaikka sen resistanssi on 10 % silmukan kokonaisresistanssista, voidaan jättää huomiotta, kuten myös optoerottimen jännitehäviö.Käytännössä näissä olosuhteissa lähetintä voidaan pitää virtalähteenä.