Πώς λειτουργεί το κύκλωμα 4-20 mA
Ο "τρέχων βρόχος" χρησιμοποιήθηκε ως διεπαφή μετάδοσης δεδομένων στη δεκαετία του 1950. Αρχικά, το ρεύμα λειτουργίας της διεπαφής ήταν 60 mA και αργότερα, ξεκινώντας το 1962, η διεπαφή βρόχου ρεύματος 20 mA έγινε ευρέως διαδεδομένη στον τηλετύπο.
Στη δεκαετία του 1980, όταν διάφοροι αισθητήρες, εξοπλισμός αυτοματισμού και ενεργοποιητές άρχισαν να εισάγονται ευρέως στον τεχνολογικό εξοπλισμό, η διεπαφή "κυκλώματος ρεύματος" περιόρισε το εύρος των ρευμάτων λειτουργίας της - άρχισε να κυμαίνεται από 4 έως 20 mA.
Η περαιτέρω εξάπλωση του «τρέχοντος βρόχου» άρχισε να επιβραδύνεται από το 1983, με την εμφάνιση του προτύπου διεπαφής RS-485, και σήμερα ο «τρέχων βρόχος» σχεδόν ποτέ δεν χρησιμοποιείται σε νέο εξοπλισμό ως τέτοιο.
Ένας πομπός βρόχου ρεύματος διαφέρει από έναν πομπό RS-485 στο ότι χρησιμοποιεί μια πηγή ρεύματος αντί για μια πηγή τάσης.
Το ρεύμα, σε αντίθεση με την τάση, που κινείται από την πηγή κατά μήκος του κυκλώματος, δεν αλλάζει την τρέχουσα τιμή του ανάλογα με τις παραμέτρους του φορτίου. Επομένως, ο «βρόχος ρεύματος» δεν είναι ευαίσθητος ούτε στην αντίσταση του καλωδίου, ούτε στην αντίσταση φορτίου ή ακόμη και στον επαγωγικό θόρυβο EMF.
Επιπλέον, το ρεύμα βρόχου δεν εξαρτάται από την τάση τροφοδοσίας της ίδιας της πηγής ρεύματος, αλλά μπορεί να αλλάξει μόνο λόγω διαρροών μέσω του καλωδίου, οι οποίες είναι συνήθως ασήμαντες. Αυτό το χαρακτηριστικό του τρέχοντος κύκλου καθορίζει πλήρως τους τρόπους υλοποίησης του.
Πρέπει να σημειωθεί ότι το EMF του χωρητικού pickup εφαρμόζεται εδώ παράλληλα με την πηγή ρεύματος και η θωράκιση χρησιμοποιείται για να αποδυναμώσει την παρασιτική του επίδραση.
Για το λόγο αυτό, η γραμμή μετάδοσης σήματος είναι συνήθως ένα θωρακισμένο συνεστραμμένο ζεύγος, το οποίο, συνεργαζόμενο με έναν διαφορικό δέκτη, από μόνο του εξασθενεί τον κοινό τρόπο λειτουργίας και τον επαγωγικό θόρυβο.
Στην πλευρά λήψης του σήματος, το ρεύμα βρόχου μετατρέπεται σε τάση χρησιμοποιώντας μια βαθμονομημένη αντίσταση. Και σε ρεύμα 20 mA, λαμβάνεται μια τάση της τυπικής σειράς 2,5 V. 5V; 10V; — αρκεί μόνο να χρησιμοποιήσετε μια αντίσταση με αντίσταση 125, 250 ή 500 Ohm αντίστοιχα.
Το πρώτο και κύριο μειονέκτημα της διεπαφής «τρέχοντος βρόχου» είναι η χαμηλή ταχύτητά της, που περιορίζεται από την ταχύτητα φόρτισης της χωρητικότητας του καλωδίου μετάδοσης από την προαναφερθείσα πηγή ρεύματος που βρίσκεται στην πλευρά εκπομπής.
Έτσι, όταν χρησιμοποιείτε ένα καλώδιο μήκους 2 km, με γραμμική χωρητικότητα 75 pF / m, η χωρητικότητά του θα είναι 150 nF, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζονται 38 μs για να φορτιστεί αυτή η χωρητικότητα στα 5 volt σε ρεύμα 20 mA, που αντιστοιχεί σε ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων 4,5 kbps.
Ακολουθεί μια γραφική εξάρτηση του μέγιστου διαθέσιμου ρυθμού μετάδοσης δεδομένων μέσω του «βρόχου ρεύματος» από το μήκος του καλωδίου που χρησιμοποιείται σε διαφορετικά επίπεδα παραμόρφωσης (jitter) και σε διαφορετικές τάσεις, η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε με τον ίδιο τρόπο όπως για το Διασύνδεση RS -485.
Ένα άλλο μειονέκτημα του «τρέχοντος βρόχου» είναι η έλλειψη συγκεκριμένου προτύπου για το σχεδιασμό των συνδετήρων και για τις ηλεκτρικές παραμέτρους των καλωδίων, γεγονός που περιορίζει επίσης την πρακτική εφαρμογή αυτής της διεπαφής. Για να είμαστε δίκαιοι, μπορεί να σημειωθεί ότι στην πραγματικότητα, τα γενικά αποδεκτά κυμαίνονται από 0 έως 20 mA και από 4 έως 20 mA. Η περιοχή 0 - 60 mA χρησιμοποιείται πολύ λιγότερο συχνά.
Οι πιο υποσχόμενες εξελίξεις που απαιτούν τη χρήση της διεπαφής "τρέχοντος βρόχου", ως επί το πλείστον σήμερα χρησιμοποιούν μόνο τη διεπαφή 4 ... 20 mA, η οποία καθιστά δυνατή την εύκολη διάγνωση μιας διακοπής γραμμής. Επιπλέον, ο "τρέχων βρόχος " μπορεί να είναι ψηφιακό ή αναλογικό, ανάλογα με τις απαιτήσεις του προγραμματιστή (περισσότερα για αυτό αργότερα).
Ο πρακτικά χαμηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων οποιουδήποτε τύπου «τρέχοντος βρόχου» (αναλογικός ή ψηφιακός) επιτρέπει τη χρήση του ταυτόχρονα με πολλούς δέκτες συνδεδεμένους σε σειρά και δεν απαιτείται αντιστοίχιση μεγάλων γραμμών.
Αναλογική έκδοση του «τρέχοντος κύκλου»
Ο αναλογικός «βρόχος ρεύματος» έχει βρει εφαρμογή στην τεχνολογία όπου είναι απαραίτητο, για παράδειγμα, να μεταδίδονται σήματα από αισθητήρες σε ελεγκτές ή μεταξύ ελεγκτών και ενεργοποιητών. Εδώ, ο τρέχων κύκλος παρέχει πολλά πλεονεκτήματα.
Πρώτα απ 'όλα, το εύρος διακύμανσης της μετρούμενης τιμής, όταν μειώνεται στο τυπικό εύρος, σας επιτρέπει να αλλάξετε τα στοιχεία του συστήματος. Αξιοσημείωτη είναι και η δυνατότητα μετάδοσης σήματος με υψηλή ακρίβεια (όχι περισσότερο από + -0,05% σφάλμα) σε μεγάλη απόσταση. Τέλος, το τρέχον πρότυπο κύκλου υποστηρίζεται από τους περισσότερους προμηθευτές βιομηχανικών αυτοματισμών.
Ο βρόχος ρεύματος 4 … 20 mA έχει ελάχιστο ρεύμα 4 mA ως σημείο αναφοράς σήματος.Έτσι, εάν το καλώδιο σπάσει, το ρεύμα θα είναι μηδέν. Ενώ χρησιμοποιείτε βρόχο ρεύματος 0 … 20 mA, θα είναι πιο δύσκολο να διαγνώσετε μια θραύση καλωδίου, καθώς το 0 mA μπορεί απλώς να υποδεικνύει την ελάχιστη τιμή του μεταδιδόμενου σήματος. Ένα άλλο πλεονέκτημα της σειράς 4 … 20 mA είναι ότι ακόμη και σε επίπεδο 4 mA είναι δυνατό να τροφοδοτήσετε τον αισθητήρα χωρίς προβλήματα.
Ακολουθούν δύο αναλογικά διαγράμματα ρεύματος. Στην πρώτη έκδοση το τροφοδοτικό είναι ενσωματωμένο στον πομπό, ενώ στη δεύτερη το τροφοδοτικό είναι εξωτερικό.
Το ενσωματωμένο τροφοδοτικό είναι βολικό όσον αφορά την εγκατάσταση και το εξωτερικό σάς επιτρέπει να αλλάξετε τις παραμέτρους του ανάλογα με το σκοπό και τις συνθήκες λειτουργίας της συσκευής με την οποία χρησιμοποιείται ο τρέχων βρόχος.
Η αρχή λειτουργίας του βρόχου ρεύματος είναι η ίδια και για τα δύο κυκλώματα. Στην ιδανική περίπτωση, ένας op-amp έχει μια απείρως μεγάλη εσωτερική αντίσταση και μηδενικό ρεύμα στις εισόδους του, πράγμα που σημαίνει ότι η τάση στις εισόδους του είναι επίσης αρχικά μηδενική.
Έτσι, το ρεύμα μέσω της αντίστασης στον πομπό θα εξαρτάται μόνο από την τιμή της τάσης εισόδου και θα είναι ίσο με το ρεύμα σε ολόκληρο τον βρόχο, ενώ δεν θα εξαρτάται από την αντίσταση φορτίου. Επομένως, η τάση εισόδου του δέκτη μπορεί να προσδιοριστεί εύκολα.
Το κύκλωμα op-amp έχει το πλεονέκτημα ότι σας επιτρέπει να βαθμονομήσετε τον πομπό χωρίς να χρειάζεται να συνδέσετε ένα καλώδιο δέκτη σε αυτόν, καθώς το σφάλμα που εισάγεται από τον δέκτη και το καλώδιο είναι πολύ μικρό.
Η τάση εξόδου επιλέγεται με βάση τις ανάγκες του τρανζίστορ μετάδοσης για την κανονική λειτουργία του σε ενεργή λειτουργία, καθώς και με την προϋπόθεση για την αντιστάθμιση της πτώσης τάσης στα καλώδια, το ίδιο το τρανζίστορ και τις αντιστάσεις.
Ας πούμε ότι οι αντιστάσεις είναι 500 ohms και το καλώδιο είναι 100 ohms. Στη συνέχεια, για να ληφθεί ρεύμα 20 mA, απαιτείται μια πηγή τάσης 22 V. Επιλέγεται η πλησιέστερη τυπική τάση — 24 V. Η υπερβολική ισχύς από το όριο τάσης απλώς θα διαχέεται στο τρανζίστορ.
Σημειώστε ότι εμφανίζονται και τα δύο γραφήματα γαλβανική μόνωση μεταξύ του σταδίου πομπού και της εισόδου του πομπού. Αυτό γίνεται για να αποφευχθεί οποιαδήποτε λανθασμένη σύνδεση μεταξύ του πομπού και του δέκτη.
Ως παράδειγμα πομπού για την κατασκευή ενός βρόχου αναλογικού ρεύματος, μπορούμε να αναφέρουμε ένα τελικό προϊόν NL-4AO με τέσσερα αναλογικά κανάλια εξόδου για τη σύνδεση ενός υπολογιστή με έναν ενεργοποιητή χρησιμοποιώντας τα 4 ... 20 mA ή 0 ... 20 mA » τρέχοντος κύκλου «πρωτόκολλο.
Η μονάδα επικοινωνεί με τον υπολογιστή μέσω πρωτοκόλλου RS-485. Η συσκευή είναι τρέχουσα βαθμονομημένη για να αντισταθμίζει τα σφάλματα μετατροπής και εκτελεί εντολές που παρέχονται από τον υπολογιστή. Οι συντελεστές βαθμονόμησης αποθηκεύονται στη μνήμη της συσκευής. Τα ψηφιακά δεδομένα μετατρέπονται σε αναλογικά χρησιμοποιώντας DAC.
Ψηφιακή έκδοση του «τρέχοντος κύκλου»
Ο βρόχος ψηφιακού ρεύματος λειτουργεί, κατά κανόνα, στη λειτουργία 0 ... 20 mA, καθώς είναι ευκολότερο να αναπαραχθεί το ψηφιακό σήμα σε αυτή τη μορφή. Η ακρίβεια των λογικών επιπέδων δεν είναι τόσο σημαντική εδώ, επομένως η πηγή ρεύματος βρόχου μπορεί να έχει όχι πολύ υψηλή εσωτερική αντίσταση και σχετικά χαμηλή ακρίβεια.
Στο παραπάνω διάγραμμα, με τάση τροφοδοσίας 24 V, πέφτουν 0,8 V στην είσοδο του δέκτη, πράγμα που σημαίνει ότι με αντίσταση 1,2 kΩ, το ρεύμα θα είναι 20 mA. Η πτώση τάσης στο καλώδιο, ακόμη και αν η αντίστασή του είναι 10% της συνολικής αντίστασης βρόχου, μπορεί να παραμεληθεί, όπως και η πτώση τάσης στον οπτικό συζευκτήρα.Στην πράξη, υπό αυτές τις συνθήκες, ο πομπός μπορεί να θεωρηθεί πηγή ρεύματος.