Kako deluje tokokrog 4-20 mA

"Tokovna zanka" je bila uporabljena kot vmesnik za prenos podatkov v petdesetih letih prejšnjega stoletja. Sprva je bil delovni tok vmesnika 60 mA, kasneje, od leta 1962, pa je vmesnik tokovne zanke 20 mA postal razširjen v teletipu.

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so se v tehnološko opremo začeli široko uvajati različni senzorji, oprema za avtomatizacijo in aktuatorji, je vmesnik "trenutni tokokrog" zožil obseg svojih delovnih tokov - začel se je spreminjati od 4 do 20 mA.

Nadaljnje širjenje "tokovne zanke" se je začelo upočasnjevati od leta 1983, s prihodom standarda vmesnika RS-485, in danes se "tokovna zanka" skoraj nikoli ne uporablja v novi opremi kot taki.

Oddajnik s tokovno zanko se od oddajnika RS-485 razlikuje po tem, da uporablja vir toka namesto vira napetosti.

Tok, za razliko od napetosti, ki se premika od vira vzdolž vezja, ne spremeni svoje trenutne vrednosti glede na parametre obremenitve. Zato "tokovna zanka" ni občutljiva na upor kabla, upor obremenitve ali celo induktivni šum EMF.

Poleg tega tok zanke ni odvisen od napajalne napetosti samega tokovnega vira, ampak se lahko spremeni le zaradi uhajanja skozi kabel, ki je običajno nepomembno. Ta značilnost trenutnega cikla v celoti določa načine njegovega izvajanja.

Upoštevati je treba, da se EMF kapacitivnega prevzema tukaj uporablja vzporedno s tokovnim virom, zaščita pa se uporablja za oslabitev njegovega parazitskega učinka.

Zaradi tega je vod za prenos signala običajno zaščiten sukani par, ki v sodelovanju z diferencialnim sprejemnikom sam duši skupni način in induktivni šum.

Na sprejemni strani signala se tok zanke pretvori v napetost s pomočjo kalibriranega upora. In pri toku 20 mA dobimo napetost standardne serije 2,5 V; 5V; 10V; — dovolj je le, da uporabite upor z uporom 125, 250 ali 500 Ohm.

Prva in glavna pomanjkljivost vmesnika "tokovne zanke" je njegova nizka hitrost, omejena s hitrostjo polnjenja zmogljivosti prenosnega kabla iz zgoraj omenjenega tokovnega vira, ki se nahaja na oddajni strani.

Torej, pri uporabi kabla, dolgega 2 km, z linearno kapacitivnostjo 75 pF / m, bo njegova kapacitivnost 150 nF, kar pomeni, da traja 38 μs, da se ta kapacitivnost napolni na 5 voltov pri toku 20 mA, kar ustreza do hitrosti prenosa podatkov 4,5 kbps.

Spodaj je prikazana grafična odvisnost največje razpoložljive hitrosti prenosa podatkov skozi «tokovno zanko» od dolžine uporabljenega kabla pri različnih stopnjah popačenja (trepetanja) in pri različnih napetostih, ocena je bila izvedena na enak način kot za RS vmesnik -485.

Druga pomanjkljivost "tokovne zanke" je pomanjkanje posebnega standarda za načrtovanje konektorjev in za električne parametre kablov, kar prav tako omejuje praktično uporabo tega vmesnika. Po pravici povedano je mogoče opozoriti, da se dejansko splošno sprejeti gibljejo od 0 do 20 mA in od 4 do 20 mA. Območje 0-60 mA se uporablja veliko manj pogosto.

Najbolj obetavni dogodki, ki zahtevajo uporabo vmesnika "tokovne zanke", večinoma danes uporabljajo samo vmesnik 4 ... 20 mA, kar omogoča enostavno diagnosticiranje prekinitve linije. Poleg tega "tokovna zanka" " je lahko digitalno ali analogno, odvisno od zahtev razvijalca (več o tem pozneje).

Praktično nizka hitrost prenosa podatkov katere koli vrste "tokovne zanke" (analogne ali digitalne) omogoča hkratno uporabo z več sprejemniki, povezanimi zaporedno, in ni potrebno ujemanje dolgih linij.

Analogna različica "trenutnega cikla"

Analogna "tokovna zanka" je našla uporabo v tehnologiji, kjer je potrebno na primer prenašati signale od senzorjev do krmilnikov ali med krmilniki in aktuatorji. Trenutni cikel ponuja številne prednosti.

Prvič, obseg variacije izmerjene vrednosti, ko se zmanjša na standardno območje, vam omogoča spreminjanje komponent sistema. Izjemna je tudi zmožnost oddajanja signala z visoko natančnostjo (ne več kot + -0,05% napake) na veliko razdaljo. Končno, trenutni standard cikla podpira večina prodajalcev industrijske avtomatizacije.

Tokovna zanka 4 … 20 mA ima kot referenčno točko signala najmanjši tok 4 mA.Torej, če je kabel pretrgan, bo tok enak nič. Pri uporabi tokovne zanke 0 … 20 mA bo težje diagnosticirati prekinitev kabla, saj lahko 0 mA preprosto označuje najmanjšo vrednost oddanega signala. Druga prednost območja 4 … 20 mA je, da je mogoče senzor brez težav napajati tudi pri ravni 4 mA.

Spodaj sta dva analogna tokovna diagrama. Pri prvi izvedbi je napajalnik vgrajen v oddajnik, pri drugi različici pa je napajalnik zunanji.

Vgrajeni napajalnik je priročen v smislu namestitve, zunanji pa vam omogoča spreminjanje njegovih parametrov glede na namen in pogoje delovanja naprave, s katero se uporablja tokovna zanka.

Načelo delovanja tokovne zanke je enako za obe vezji. V idealnem primeru ima operacijski ojačevalnik neskončno velik notranji upor in ničelni tok na svojih vhodih, kar pomeni, da je tudi napetost na njegovih vhodih na začetku enaka nič.

Tako bo tok skozi upor v oddajniku odvisen le od vrednosti vhodne napetosti in bo enak toku v celotni zanki, medtem ko ne bo odvisen od upora bremena. Zato je mogoče enostavno določiti vhodno napetost sprejemnika.

Prednost vezja operacijskega ojačevalnika je, da vam omogoča umerjanje oddajnika, ne da bi morali nanj priključiti kabel sprejemnika, saj je napaka, ki jo povzročata sprejemnik in kabel, zelo majhna.

Izhodna napetost je izbrana glede na potrebe prenosnega tranzistorja za njegovo normalno delovanje v aktivnem načinu, pa tudi s pogojem za kompenzacijo padca napetosti na žicah, samem tranzistorju in uporih.

Recimo, da so upori 500 ohmov in kabel 100 ohmov. Nato je za pridobitev toka 20 mA potreben vir napetosti 22 V. Izberemo najbližjo standardno napetost - 24 V. Odvečna moč iz mejne napetosti se preprosto razprši na tranzistorju.

Upoštevajte, da oba grafikona prikazujeta galvanska izolacija med stopnjo oddajnika in vhodom oddajnika. S tem se izognemo morebitni lažni povezavi med oddajnikom in sprejemnikom.

Kot primer oddajnika za izgradnjo analogne tokovne zanke lahko navedemo končni izdelek NL-4AO s štirimi analognimi izhodnimi kanali za povezavo računalnika z aktuatorjem s pomočjo 4 ... 20 mA ali 0 ... 20 mA » trenutni cikel « protokol.

Modul komunicira z računalnikom preko RS-485 protokola. Naprava je trenutno kalibrirana za kompenzacijo napak pri pretvorbi in izvaja ukaze, ki jih posreduje računalnik. Kalibracijski koeficienti so shranjeni v pomnilniku naprave. Digitalni podatki se pretvorijo v analogne s pomočjo DAC.

Digitalna različica "trenutnega cikla"

Digitalna tokovna zanka deluje praviloma v načinu 0 ... 20 mA, saj je v tej obliki lažje reproducirati digitalni signal. Natančnost logičnih ravni tukaj ni tako pomembna, zato ima lahko tokovni vir zanke ne zelo visok notranji upor in relativno nizko natančnost.

V zgornjem diagramu pri napajalni napetosti 24 V na vhodu sprejemnika pade 0,8 V, kar pomeni, da bo pri uporu 1,2 kΩ tok 20 mA. Padec napetosti v kablu, tudi če je njegov upor 10 % skupnega upora zanke, lahko zanemarimo, prav tako kot padec napetosti na optičnem sklopniku.V praksi se pod temi pogoji oddajnik lahko šteje za vir toka.