Hoe het 4-20 mA circuit werkt

De "stroomlus" werd in de jaren vijftig gebruikt als interface voor gegevensoverdracht. Aanvankelijk was de bedrijfsstroom van de interface 60 mA, en later, vanaf 1962, werd de 20 mA stroomlusinterface wijdverbreid in het teletype.

In de jaren tachtig, toen verschillende sensoren, automatiseringsapparatuur en actuatoren op grote schaal werden geïntroduceerd in technologische apparatuur, vernauwde de "stroomcircuit" -interface het bereik van zijn bedrijfsstromen - het begon te variëren van 4 tot 20 mA.

De verdere verspreiding van «current loop» begon te vertragen vanaf 1983, met de komst van de RS-485-interfacestandaard, en tegenwoordig wordt «current loop» als zodanig bijna nooit gebruikt in nieuwe apparatuur.

Een stroomluszender verschilt van een RS-485-zender doordat deze een stroombron gebruikt in plaats van een spanningsbron.

De stroom, in tegenstelling tot de spanning, die van de bron langs het circuit beweegt, verandert de huidige waarde niet, afhankelijk van de belastingsparameters. Daarom is de «stroomlus» niet gevoelig voor kabelweerstand, belastingsweerstand of zelfs inductieve ruis EMF.

Bovendien is de lusstroom niet afhankelijk van de voedingsspanning van de stroombron zelf, maar kan deze alleen veranderen door lekkages door de kabel, die meestal onbeduidend zijn. Dit kenmerk van de huidige cyclus bepaalt volledig de manieren van implementatie.

Opgemerkt moet worden dat de EMF van de capacitieve pick-up hier parallel aan de stroombron wordt toegepast en dat de afscherming wordt gebruikt om het parasitaire effect ervan te verzwakken.

Om deze reden is de signaaltransmissielijn meestal een afgeschermd getwist paar, dat, in samenwerking met een differentiële ontvanger, alleen de gemeenschappelijke modus en inductieve ruis dempt.

Aan de ontvangstzijde van het signaal wordt de lusstroom omgezet in spanning met behulp van een gekalibreerde weerstand. En bij een stroom van 20 mA wordt een spanning van de standaardreeks 2,5 V verkregen; 5V; 10V; — het is voldoende om alleen een weerstand te gebruiken met een weerstand van respectievelijk 125, 250 of 500 Ohm.

Het eerste en belangrijkste nadeel van de «stroomlus»-interface is de lage snelheid, beperkt door de snelheid van het opladen van de capaciteit van de transmissiekabel van de bovengenoemde stroombron die zich aan de zendzijde bevindt.

Dus bij gebruik van een kabel van 2 km lang, met een lineaire capaciteit van 75 pF / m, zal de capaciteit 150 nF zijn, wat betekent dat het 38 μs duurt om deze capaciteit op te laden tot 5 volt bij een stroom van 20 mA, wat overeenkomt tot een gegevensoverdrachtsnelheid van 4,5 kbps.

Hieronder ziet u een grafische afhankelijkheid van de maximaal beschikbare datatransmissiesnelheid via de «stroomlus» van de lengte van de gebruikte kabel bij verschillende niveaus van vervorming (jitter) en bij verschillende spanningen, de evaluatie werd op dezelfde manier uitgevoerd als voor de RS-interface -485.

Een ander nadeel van de «current loop» is het ontbreken van een specifieke norm voor het ontwerp van connectoren en voor de elektrische parameters van de kabels, wat ook de praktische toepassing van deze interface beperkt. In alle eerlijkheid kan worden opgemerkt dat de algemeen aanvaarde in feite variëren van 0 tot 20 mA en van 4 tot 20 mA. Het bereik 0...60 mA wordt veel minder gebruikt.

De meest veelbelovende ontwikkelingen die het gebruik van de "current loop"-interface vereisen, gebruiken tegenwoordig grotendeels alleen de 4 ... 20 mA-interface, waardoor een lijnbreuk gemakkelijk kan worden gediagnosticeerd. Bovendien is de "current loop" " kan digitaal of analoog zijn, afhankelijk van de vereisten van de ontwikkelaar (daarover later meer).

De praktisch lage datasnelheid van elk type "current loop" (analoog of digitaal) maakt het mogelijk om het tegelijkertijd te gebruiken met meerdere ontvangers die in serie zijn aangesloten, en er is geen aanpassing van lange lijnen vereist.

Analoge versie van «huidige cyclus»

De analoge "current loop" heeft toepassing gevonden in de technologie waar het bijvoorbeeld nodig is om signalen van sensoren naar controllers of tussen controllers en actuatoren over te dragen. Hier biedt de huidige cyclus verschillende voordelen.

Allereerst kunt u met het variatiebereik van de gemeten waarde, wanneer deze wordt teruggebracht tot het standaardbereik, de componenten van het systeem wijzigen. Opvallend is ook de mogelijkheid om een ​​signaal met hoge nauwkeurigheid (niet meer dan +-0,05% fout) over een behoorlijke afstand te verzenden. Ten slotte wordt de huidige cyclusstandaard ondersteund door de meeste leveranciers van industriële automatisering.

De 4 … 20 mA stroomlus heeft een minimale stroom van 4 mA als signaalreferentiepunt.Dus als de kabel kapot is, is de stroom nul. Bij gebruik van een stroomlus van 0 … 20 mA zal het moeilijker zijn om een ​​kabelbreuk vast te stellen, aangezien 0 mA simpelweg de minimumwaarde van het verzonden signaal aangeeft. Een ander voordeel van het 4 … 20 mA bereik is dat het zelfs bij een niveau van 4 mA probleemloos mogelijk is om de sensor te voeden.

Hieronder staan ​​twee analoge stroomdiagrammen. Bij de eerste versie is de voeding in de zender ingebouwd, bij de tweede versie is de voeding extern.

De ingebouwde voeding is handig qua installatie en met de externe voeding kunt u de parameters ervan wijzigen, afhankelijk van het doel en de bedrijfsomstandigheden van het apparaat waarmee de stroomlus wordt gebruikt.

Het werkingsprincipe van de stroomlus is voor beide circuits hetzelfde. Idealiter heeft een op-amp een oneindig grote interne weerstand en geen stroom aan de ingangen, wat betekent dat de spanning over de ingangen aanvankelijk ook nul is.

De stroom door de weerstand in de zender hangt dus alleen af ​​van de waarde van de ingangsspanning en is gelijk aan de stroom in de hele lus, terwijl deze niet afhangt van de belastingsweerstand. Daarom kan de ingangsspanning van de ontvanger eenvoudig worden bepaald.

Het op-amp-circuit heeft het voordeel dat u de zender kunt kalibreren zonder dat u er een ontvangerkabel op hoeft aan te sluiten, aangezien de fout die wordt veroorzaakt door de ontvanger en kabel zeer klein is.

De uitgangsspanning wordt geselecteerd op basis van de behoeften van de transmissietransistor voor zijn normale werking in actieve modus, evenals met de voorwaarde voor het compenseren van de spanningsval op de draden, de transistor zelf en de weerstanden.

Stel dat de weerstanden 500 ohm zijn en de kabel 100 ohm. Om vervolgens een stroom van 20 mA te verkrijgen, is een spanningsbron vereist van 22 V. De dichtstbijzijnde standaardspanning wordt gekozen - 24 V. Het overtollige vermogen van de spanningslimiet wordt eenvoudigweg op de transistor gedissipeerd.

Merk op dat beide grafieken worden weergegeven galvanische isolatie tussen de zendertrap en de ingang van de zender. Dit wordt gedaan om een ​​verkeerde verbinding tussen de zender en de ontvanger te voorkomen.

Als voorbeeld van een transmitter voor het bouwen van een analoge stroomlus kunnen we een afgewerkt product noemen NL-4AO met vier analoge uitgangskanalen voor het verbinden van een computer met een actuator met behulp van de 4 ... 20 mA of 0 ... 20 mA » huidige cyclus «protocol.

De module communiceert met de computer via het RS-485-protocol. Het apparaat is actueel gekalibreerd om conversiefouten te compenseren en voert opdrachten uit die door de computer worden geleverd. De kalibratiecoëfficiënten worden opgeslagen in het apparaatgeheugen. Digitale data wordt omgezet naar analoog met behulp van een DAC.

Digitale versie van «huidige cyclus»

De digitale stroomlus werkt in de regel in de 0 ... 20 mA-modus, omdat het gemakkelijker is om het digitale signaal in deze vorm weer te geven. De nauwkeurigheid van de logische niveaus is hier niet zo belangrijk, dus de lusstroombron kan een niet erg hoge interne weerstand en een relatief lage nauwkeurigheid hebben.

In bovenstaand schema valt bij een voedingsspanning van 24 V 0,8 V aan de ingang van de ontvanger, wat betekent dat bij een weerstand van 1,2 kΩ de stroom 20 mA zal zijn. De spanningsval in de kabel, zelfs als de weerstand 10% van de totale lusweerstand is, kan worden verwaarloosd, evenals de spanningsval over de optocoupler.In de praktijk kan de zender onder deze omstandigheden als een stroombron worden beschouwd.