4-20 mA devresi nasıl çalışır?

"Mevcut döngü", 1950'lerde bir veri aktarım arayüzü olarak kullanıldı. İlk başta arayüzün çalışma akımı 60 mA idi ve daha sonra 1962'den başlayarak 20 mA akım döngüsü arayüzü teletipte yaygınlaştı.

1980'lerde, çeşitli sensörler, otomasyon ekipmanları ve aktüatörler teknolojik ekipmanlarda yaygın olarak kullanılmaya başladığında, “akım devresi” arayüzü çalışma akımlarının aralığını daralttı - 4 ila 20 mA arasında değişmeye başladı.

"Akım döngüsünün" daha fazla yayılması, 1983'ten itibaren RS-485 arayüz standardının ortaya çıkmasıyla yavaşlamaya başladı ve bugün "akım döngüsü" yeni ekipmanlarda neredeyse hiç kullanılmıyor.

Bir akım döngüsü vericisi, bir voltaj kaynağı yerine bir akım kaynağı kullanması bakımından bir RS-485 vericisinden farklıdır.

Devre boyunca kaynaktan hareket eden akım, gerilimden farklı olarak, yük parametrelerine bağlı olarak akım değerini değiştirmez. Bu nedenle, "akım döngüsü" kablo direncine, yük direncine ve hatta endüktif gürültü EMF'ye duyarlı değildir.

Ek olarak, döngü akımı, akım kaynağının kendisinin besleme voltajına bağlı değildir, ancak yalnızca kablodaki genellikle önemsiz olan kaçaklar nedeniyle değişebilir. Mevcut döngünün bu özelliği, uygulama yollarını tamamen belirler.

Kapasitif başlatmanın EMF'sinin burada akım kaynağına paralel olarak uygulandığına ve korumanın parazitik etkisini zayıflatmak için kullanıldığına dikkat edilmelidir.

Bu nedenle, sinyal iletim hattı genellikle, bir diferansiyel alıcı ile birlikte çalışarak tek başına ortak modu ve endüktif gürültüyü azaltan korumalı bir bükümlü çifttir.

Sinyalin alıcı tarafında, döngü akımı kalibre edilmiş bir direnç kullanılarak gerilime dönüştürülür. Ve 20 mA'lık bir akımda, standart seri 2,5 V'luk bir voltaj elde edilir; 5V; 10V; — sırasıyla 125, 250 veya 500 Ohm dirençli bir direnç kullanmak yeterlidir.

"Akım döngüsü" arayüzünün ilk ve ana dezavantajı, iletim tarafında bulunan yukarıda belirtilen akım kaynağından iletim kablosunun kapasitesini şarj etme hızı ile sınırlı olan düşük hızıdır.

Bu nedenle, 2 km uzunluğunda, 75 pF / m doğrusal kapasitansa sahip bir kablo kullanıldığında, kapasitansı 150 nF olacaktır, yani bu kapasitansı 20 mA akımda 5 volta şarj etmek 38 μs sürer, bu da karşılık gelir 4,5 kbps veri aktarım hızına.

Aşağıda, "akım döngüsü" boyunca mevcut maksimum veri aktarım hızının, farklı bozulma seviyelerinde (titreşim) ve farklı voltajlarda kullanılan kablonun uzunluğuna grafiksel bir bağımlılığı yer almaktadır; değerlendirme, aynı şekilde gerçekleştirilmiştir. RS Arayüzü -485.

"Akım döngüsünün" diğer bir dezavantajı, konektörlerin tasarımı ve kabloların elektriksel parametreleri için özel bir standardın bulunmamasıdır, bu da bu arayüzün pratik uygulamasını sınırlar. Adil olmak gerekirse, aslında genel kabul görmüş olanların 0 ila 20 mA ve 4 ila 20 mA arasında değiştiği belirtilebilir. 0 — 60 mA aralığı çok daha az kullanılır.

"Akım döngüsü" arabiriminin kullanılmasını gerektiren en umut verici gelişmeler, günümüzde çoğunlukla yalnızca 4 ... 20 mA arabirimini kullanır, bu da bir hat kesintisini kolayca teşhis etmeyi mümkün kılar. Ek olarak, "akım döngüsü" ", geliştiricinin gereksinimlerine bağlı olarak dijital veya analog olabilir (daha sonra buna daha fazla değineceğiz).

Herhangi bir "akım döngüsünün" (analog veya dijital) pratik olarak düşük veri hızı, seri bağlı birkaç alıcıyla aynı anda kullanılmasına izin verir ve uzun hatların eşleşmesi gerekmez.

«Mevcut döngü»nün analog versiyonu

Analog "akım döngüsü", örneğin sensörlerden kontrolörlere veya kontrolörler ile aktüatörler arasında sinyallerin iletilmesinin gerekli olduğu teknolojide uygulama bulmuştur. Burada, mevcut döngü birkaç avantaj sağlar.

Her şeyden önce, ölçülen değerin değişim aralığı, standart aralığa düşürüldüğünde, sistemin bileşenlerini değiştirmenize olanak tanır. Önemli bir mesafe boyunca yüksek doğrulukta (en fazla + -%0,05 hata) bir sinyal iletme yeteneği de dikkat çekicidir. Son olarak, mevcut döngü standardı çoğu endüstriyel otomasyon satıcısı tarafından desteklenmektedir.

4 … 20 mA akım döngüsü, sinyal referans noktası olarak minimum 4 mA akıma sahiptir.Böylece kablo koparsa akım sıfır olur. 0 … 20 mA akım döngüsü kullanırken, 0 mA iletilen sinyalin minimum değerini gösterebileceğinden, bir kablo kopmasını teşhis etmek daha zor olacaktır. 4 … 20 mA aralığının bir başka avantajı da, 4 mA seviyesinde bile sensöre sorunsuz bir şekilde güç verilmesinin mümkün olmasıdır.

Aşağıda iki analog akım diyagramı bulunmaktadır. İlk versiyonda, güç kaynağı vericinin içine yerleştirilmiştir, ikinci versiyonda ise güç kaynağı haricidir.

Yerleşik güç kaynağı kurulum açısından uygundur ve harici güç kaynağı, akım döngüsünün kullanıldığı cihazın amacına ve çalışma koşullarına bağlı olarak parametrelerini değiştirmenize olanak tanır.

Akım döngüsünün çalışma prensibi her iki devre için de aynıdır. İdeal olarak, bir op-amp, girişlerinde sonsuz büyük bir iç dirence ve sıfır akıma sahiptir; bu, girişlerindeki voltajın da başlangıçta sıfır olduğu anlamına gelir.

Böylece, vericideki dirençten geçen akım, yalnızca giriş voltajının değerine bağlı olacak ve yük direncine bağlı olmayacakken tüm döngüdeki akıma eşit olacaktır. Bu nedenle, alıcı giriş voltajı kolayca belirlenebilir.

Op-amp devresi, alıcı ve kablonun neden olduğu hata çok küçük olduğundan, vericiye bir alıcı kablosu bağlamak zorunda kalmadan vericiyi kalibre etmenize izin verme avantajına sahiptir.

Çıkış voltajı, iletim transistörünün aktif modda normal çalışması için ihtiyaçlarına ve ayrıca teller, transistörün kendisi ve dirençler üzerindeki voltaj düşüşünü telafi etme koşuluna göre seçilir.

Dirençlerin 500 ohm ve kablonun 100 ohm olduğunu varsayalım. Daha sonra, 20 mA'lık bir akım elde etmek için 22 V'luk bir voltaj kaynağı gerekir.En yakın standart voltaj seçilir - 24 V. Voltaj sınırından gelen fazla güç, transistörde basitçe dağıtılacaktır.

Her iki grafiğin de gösterdiğine dikkat edin Galvanik izolasyon Verici aşaması ile vericinin girişi arasında. Bu, verici ve alıcı arasında herhangi bir yanlış bağlantıyı önlemek için yapılır.

Bir analog akım döngüsü oluşturmak için bir verici örneği olarak, 4 ... 20 mA veya 0 ... 20 mA kullanarak bir bilgisayarı bir aktüatöre bağlamak için dört analog çıkış kanalına sahip bitmiş bir ürün NL-4AO'dan bahsedebiliriz » geçerli döngü « protokol.

Modül bilgisayar ile RS-485 protokolü üzerinden haberleşir. Aygıt, dönüştürme hatalarını telafi etmek için geçerli olarak kalibre edilmiştir ve bilgisayar tarafından sağlanan komutları yürütür. Kalibrasyon katsayıları cihaz hafızasında saklanır. Dijital veriler bir DAC kullanılarak analoğa dönüştürülür.

«Mevcut döngü»nün dijital versiyonu

Dijital akım döngüsü, kural olarak, 0 ... 20 mA modunda çalışır, çünkü dijital sinyali bu formda yeniden üretmek daha kolaydır. Mantık seviyelerinin doğruluğu burada o kadar önemli değildir, bu nedenle döngü akım kaynağı çok yüksek olmayan bir iç dirence ve nispeten düşük bir doğruluğa sahip olabilir.

Yukarıdaki şemada, 24 V'luk bir besleme voltajı ile alıcının girişinde 0,8 V düşer, bu da 1,2 kΩ'luk bir dirençle akımın 20 mA olacağı anlamına gelir. Kablodaki voltaj düşüşü, direnci toplam döngü direncinin %10'u olsa bile, optokuplördeki voltaj düşüşü gibi ihmal edilebilir.Uygulamada, bu koşullar altında, verici bir akım kaynağı olarak kabul edilebilir.