Hur 4-20 mA-kretsen fungerar

"Strömslingan" användes som ett dataöverföringsgränssnitt på 1950-talet. Till en början var gränssnittets driftsström 60 mA, och senare, med början 1962, blev 20 mA-strömslingans gränssnitt utbredd i teletypen.

På 1980-talet, när olika sensorer, automationsutrustning och ställdon började introduceras i stor utsträckning i teknisk utrustning, minskade gränssnittet för "strömkretsen" intervallet för dess driftsströmmar - det började variera från 4 till 20 mA.

Den ytterligare spridningen av «strömslinga» började sakta ner från 1983, med tillkomsten av RS-485-gränssnittsstandarden, och idag används «strömslinga» nästan aldrig i ny utrustning som sådan.

En strömslingasändare skiljer sig från en RS-485-sändare genom att den använder en strömkälla snarare än en spänningskälla.

Strömmen, till skillnad från spänningen, som rör sig från källan längs kretsen, ändrar inte sitt nuvarande värde beroende på belastningsparametrarna. Därför är "strömslingan" inte känslig för varken kabelresistans, belastningsresistans eller ens induktivt brus EMF.

Dessutom är slingströmmen inte beroende av själva strömkällans matningsspänning, utan kan bara ändras på grund av läckage genom kabeln, som vanligtvis är obetydliga. Denna egenskap hos den nuvarande cykeln bestämmer helt sätten för dess genomförande.

Det bör noteras att EMF för den kapacitiva pickupen appliceras här parallellt med strömkällan, och avskärmningen används för att försvaga dess parasitiska effekt.

Av denna anledning är signalöverföringsledningen vanligtvis ett skärmat tvinnat par, som tillsammans med en differentialmottagare ensamt dämpar common mode och induktivt brus.

På den mottagande sidan av signalen omvandlas slingströmmen till spänning med hjälp av ett kalibrerat motstånd. Och vid en ström på 20 mA erhålls en spänning av standardserien 2,5 V; 5V; 10V; — det räcker att endast använda ett motstånd med ett resistans på 125, 250 respektive 500 Ohm.

Den första och största nackdelen med "strömslinga"-gränssnittet är dess låga hastighet, begränsad av hastigheten för laddning av överföringskabelns kapacitet från den ovan nämnda strömkällan som är placerad på sändningssidan.

Så när du använder en kabel som är 2 km lång, med en linjär kapacitans på 75 pF / m, kommer dess kapacitans att vara 150 nF, vilket innebär att det tar 38 μs att ladda denna kapacitans till 5 volt vid en ström på 20 mA, vilket motsvarar till en dataöverföringshastighet på 4,5 kbps.

Nedan visas ett grafiskt beroende av den maximala tillgängliga dataöverföringshastigheten genom «strömslingan» på längden av kabeln som används vid olika nivåer av distorsion (jitter) och vid olika spänningar, utvärderingen utfördes på samma sätt som för RS-gränssnitt -485.

En annan nackdel med "strömslingan" är avsaknaden av en specifik standard för utformningen av kontakter och för kablarnas elektriska parametrar, vilket också begränsar den praktiska tillämpningen av detta gränssnitt. I rättvisans namn kan det noteras att de allmänt accepterade faktiskt sträcker sig från 0 till 20 mA och från 4 till 20 mA. Området 0 - 60 mA används mycket mindre ofta.

De mest lovande utvecklingarna som kräver användning av "current loop"-gränssnittet använder för det mesta idag endast 4 ... 20 mA-gränssnittet, vilket gör det möjligt att enkelt diagnostisera ett linjebrott. Dessutom "current loop" " kan vara digital eller analog, beroende på utvecklarens krav (mer om det senare).

Den praktiskt taget låga datahastigheten för alla typer av «strömslingor» (analog eller digital) gör att den kan användas samtidigt med flera seriekopplade mottagare, och ingen matchning av långa linjer krävs.

Analog version av "aktuell cykel"

Den analoga "strömslingan" har funnit tillämpning inom teknik där det är nödvändigt att till exempel överföra signaler från givare till regulatorer eller mellan regulatorer och ställdon. Här ger den nuvarande cykeln flera fördelar.

Först och främst låter variationsområdet för det uppmätta värdet, när det reduceras till standardintervallet, dig ändra komponenterna i systemet. Möjligheten att sända en signal med hög noggrannhet (inte mer än + -0,05 % fel) över ett stort avstånd är också anmärkningsvärt. Slutligen stöds den nuvarande cykelstandarden av de flesta industriautomationsleverantörer.

Strömslingan på 4 … 20 mA har en minsta ström på 4 mA som signalreferenspunkt.Således, om kabeln är bruten, kommer strömmen att vara noll. När du använder en 0 … 20 mA strömslinga blir det svårare att diagnostisera ett kabelbrott, eftersom 0 mA helt enkelt kan indikera minimivärdet för den överförda signalen. En annan fördel med 4 … 20 mA-området är att även vid en nivå av 4 mA är det möjligt att driva sensorn utan problem.

Nedan finns två analoga strömdiagram. I den första versionen är strömförsörjningen inbyggd i sändaren, medan i den andra versionen är strömförsörjningen extern.

Den inbyggda strömförsörjningen är bekväm när det gäller installation, och den externa låter dig ändra dess parametrar beroende på syftet och driftsförhållandena för enheten med vilken den aktuella slingan används.

Funktionsprincipen för strömslingan är densamma för båda kretsarna. Helst har en op-amp ett oändligt stort internt motstånd och noll ström vid sina ingångar, vilket innebär att spänningen över dess ingångar också initialt är noll.

Således kommer strömmen genom motståndet i sändaren endast att bero på värdet på inspänningen och kommer att vara lika med strömmen i hela slingan, medan den inte kommer att bero på belastningsresistansen. Därför kan mottagarens inspänning lätt bestämmas.

Op-amp-kretsen har fördelen att du kan kalibrera sändaren utan att behöva ansluta en mottagarkabel till den, eftersom felet som introduceras av mottagaren och kabeln är mycket litet.

Utspänningen väljs baserat på behoven hos transmissionstransistorn för dess normala drift i aktivt läge, såväl som med villkoret för att kompensera spänningsfallet på ledningarna, själva transistorn och motstånden.

Säg att motstånden är 500 ohm och kabeln är 100 ohm. Sedan, för att få en ström på 20 mA, krävs en spänningskälla på 22 V. Den närmaste standardspänningen väljs — 24 V. Överskottseffekten från spänningsgränsen kommer helt enkelt att försvinna på transistorn.

Observera att båda diagrammen visar galvanisk isolering mellan sändarsteget och sändarens ingång. Detta görs för att undvika falsk anslutning mellan sändaren och mottagaren.

Som ett exempel på en sändare för att bygga en analog strömslinga kan vi nämna en färdig produkt NL-4AO med fyra analoga utgångskanaler för att ansluta en dator med ett ställdon med hjälp av 4 ... 20 mA eller 0 ... 20 mA » aktuell cykel « protokoll.

Modulen kommunicerar med datorn via RS-485-protokoll. Enheten är aktuellt kalibrerad för att kompensera för konverteringsfel och exekverar kommandon från datorn. Kalibreringskoefficienterna lagras i enhetens minne. Digital data omvandlas till analog med en DAC.

Digital version av "aktuell cykel"

Den digitala strömslingan fungerar som regel i 0 ... 20 mA-läget, eftersom det är lättare att reproducera den digitala signalen i denna form. Noggrannheten i de logiska nivåerna är inte så viktig här, så slingströmkällan kan ha ett inte särskilt högt internt motstånd och relativt låg noggrannhet.

I diagrammet ovan, med en matningsspänning på 24 V, tappas 0,8 V vid mottagarens ingång, vilket innebär att med ett motstånd på 1,2 kΩ blir strömmen 20 mA. Spänningsfallet i kabeln, även om dess resistans är 10 % av det totala slingmotståndet, kan försummas, liksom spänningsfallet över optokopplaren.I praktiken, under dessa förhållanden, kan sändaren betraktas som en strömkälla.