Kako radi krug 4-20 mA

"Strujna petlja" korištena je kao sučelje za prijenos podataka 1950-ih. Isprva je radna struja sučelja bila 60 mA, a kasnije, počevši od 1962., sučelje strujne petlje od 20 mA postalo je rašireno u teletipu.

U 1980-ima, kada su se različiti senzori, oprema za automatizaciju i aktuatori počeli široko uvoditi u tehnološku opremu, sučelje "strujnog kruga" suzilo je raspon svojih radnih struja - počelo je varirati od 4 do 20 mA.

Daljnje širenje «strujne petlje» počelo je usporavati od 1983. godine, dolaskom standarda RS-485 sučelja, te se danas «strujna petlja» gotovo uopće ne koristi u novoj opremi kao takva.

Odašiljač strujne petlje razlikuje se od RS-485 odašiljača po tome što koristi izvor struje umjesto izvora napona.

Struja, za razliku od napona, koja se kreće od izvora duž kruga, ne mijenja svoju trenutnu vrijednost ovisno o parametrima opterećenja. Stoga «strujna petlja» nije osjetljiva ni na otpor kabela, ni na otpor opterećenja, pa čak ni na induktivni šum EMF.

Osim toga, struja petlje ne ovisi o naponu napajanja samog izvora struje, već se može mijenjati samo zbog curenja kroz kabel, koja su obično beznačajna. Ova karakteristika tekućeg ciklusa u potpunosti određuje načine njegove provedbe.

Treba napomenuti da se EMF kapacitivnog dizača ovdje primjenjuje paralelno s izvorom struje, a oklop se koristi za slabljenje njegovog parazitskog učinka.

Iz tog razloga, linija za prijenos signala obično je oklopljena upredena parica, koja, radeći zajedno s diferencijalnim prijamnikom, sama prigušuje uobičajeni način i induktivni šum.

Na prijemnoj strani signala, struja petlje se pretvara u napon pomoću kalibriranog otpornika. A pri struji od 20 mA dobiva se napon standardne serije 2,5 V; 5V; 10V; — dovoljno je samo koristiti otpornik s otporom od 125, 250 ili 500 Ohma.

Prvi i glavni nedostatak sučelja «strujne petlje» je njegova mala brzina, ograničena brzinom punjenja kapaciteta prijenosnog kabela iz gore navedenog izvora struje koji se nalazi na odašiljačkoj strani.

Dakle, kada se koristi kabel duljine 2 km, s linearnim kapacitetom od 75 pF / m, njegov kapacitet će biti 150 nF, što znači da je potrebno 38 μs da se ovaj kapacitet napuni do 5 volti pri struji od 20 mA, što odgovara do brzine prijenosa podataka od 4,5 kbps.

Ispod je grafička ovisnost najveće dostupne brzine prijenosa podataka kroz «strujnu petlju» o duljini kabela koji se koristi pri različitim razinama izobličenja (jitter) i pri različitim naponima, procjena je provedena na isti način kao za RS sučelje -485.

Još jedan nedostatak «strujne petlje» je nepostojanje specifičnog standarda za dizajn konektora i za električne parametre kabela, što također ograničava praktičnu primjenu ovog sučelja. Iskreno radi, može se primijetiti da se zapravo općeprihvaćeni kreću od 0 do 20 mA i od 4 do 20 mA. Raspon 0 — 60 mA koristi se mnogo rjeđe.

Razvoj koji najviše obećava i zahtijeva korištenje sučelja "strujne petlje", danas uglavnom koristi samo sučelje od 4 ... 20 mA, što omogućuje jednostavno dijagnosticiranje prekida linije. Osim toga, "strujna petlja" " može biti digitalni ili analogni, ovisno o zahtjevima programera (više o tome kasnije).

Praktično niska brzina prijenosa podataka bilo koje vrste «strujne petlje» (analogne ili digitalne) omogućuje istovremenu upotrebu s nekoliko prijamnika spojenih u seriju, a nije potrebno podudaranje dugih linija.

Analogna verzija «tekućeg ciklusa»

Analogna "strujna petlja" našla je primjenu u tehnici gdje je potrebno, na primjer, prenijeti signale od senzora do regulatora ili između regulatora i aktuatora. Ovdje trenutni ciklus pruža nekoliko prednosti.

Prije svega, raspon varijacije izmjerene vrijednosti, kada se smanji na standardni raspon, omogućuje vam promjenu komponenti sustava. Sposobnost prijenosa signala s visokom točnošću (ne više od + -0,05% pogreške) na značajnu udaljenost također je izvanredna. Konačno, trenutni standard ciklusa podržava većina dobavljača industrijske automatizacije.

Strujna petlja od 4 … 20 mA ima minimalnu struju od 4 mA kao referentnu točku signala.Dakle, ako je kabel prekinut, struja će biti nula. Dok koristite strujnu petlju od 0 … 20 mA, bit će teže dijagnosticirati prekid kabela jer 0 mA može jednostavno označavati minimalnu vrijednost odaslanog signala. Još jedna prednost raspona od 4 … 20 mA je da je čak i na razini od 4 mA moguće napajati senzor bez ikakvih problema.

Ispod su dva analogna strujna dijagrama. U prvoj verziji napajanje je ugrađeno u odašiljač, dok je u drugoj verziji napajanje vanjsko.

Ugrađeno napajanje je prikladno u smislu instalacije, a vanjsko vam omogućuje promjenu parametara ovisno o namjeni i uvjetima rada uređaja s kojim se koristi strujna petlja.

Načelo rada strujne petlje je isto za oba kruga. U idealnom slučaju, operacijsko pojačalo ima beskonačno veliki unutarnji otpor i nultu struju na svojim ulazima, što znači da je napon na njegovim ulazima također u početku jednak nuli.

Tako će struja kroz otpornik u transmiteru ovisiti samo o vrijednosti ulaznog napona i bit će jednaka struji u cijeloj petlji, dok neće ovisiti o otporu opterećenja. Stoga se ulazni napon prijemnika može lako odrediti.

Sklop operacijskog pojačala ima prednost što vam omogućuje kalibraciju odašiljača bez potrebe za spajanjem kabela prijemnika na njega, budući da je pogreška koju donose prijemnik i kabel vrlo mala.

Izlazni napon odabire se na temelju potreba prijenosnog tranzistora za njegov normalan rad u aktivnom načinu rada, kao i uz uvjet kompenzacije pada napona na žicama, samom tranzistoru i otpornicima.

Recimo da su otpornici 500 ohma, a kabel 100 ohma. Zatim, da bi se dobila struja od 20 mA, potreban je izvor napona od 22 V. Odabire se najbliži standardni napon - 24 V. Višak snage od granice napona jednostavno će se raspršiti na tranzistoru.

Imajte na umu da oba grafikona pokazuju galvanska izolacija između stupnja predajnika i ulaza predajnika. Ovo se radi kako bi se izbjegla lažna veza između odašiljača i prijamnika.

Kao primjer odašiljača za izgradnju analogne strujne petlje, možemo navesti gotov proizvod NL-4AO s četiri analogna izlazna kanala za povezivanje računala s aktuatorom pomoću 4 ... 20 mA ili 0 ... 20 mA » trenutni ciklus « protokol.

Modul komunicira s računalom putem RS-485 protokola. Uređaj je trenutno kalibriran kako bi kompenzirao pogreške pretvorbe i izvršava naredbe koje daje računalo. Kalibracijski koeficijenti pohranjeni su u memoriji uređaja. Digitalni podaci se pretvaraju u analogne pomoću DAC-a.

Digitalna verzija «tekućeg ciklusa»

Digitalna strujna petlja radi, u pravilu, u načinu rada 0 ... 20 mA, jer je u ovom obliku lakše reproducirati digitalni signal. Točnost logičkih razina ovdje nije toliko važna, tako da izvor struje petlje može imati ne baš visok unutarnji otpor i relativno nisku točnost.

Na gornjem dijagramu, uz napon napajanja od 24 V, na ulazu prijemnika pada 0,8 V, što znači da će uz otpornik od 1,2 kΩ struja biti 20 mA. Pad napona u kabelu, čak i ako je njegov otpor 10% ukupnog otpora petlje, može se zanemariti, kao i pad napona na optokapleru.U praksi se pod ovim uvjetima odašiljač može smatrati izvorom struje.