Kuidas 4-20 mA ahel töötab

"Voolusilmust" kasutati andmeedastusliidesena 1950. aastatel. Algul oli liidese töövool 60 mA ja hiljem, alates 1962. aastast, levis teletüübis 20 mA voolusilmusliides.

1980. aastatel, kui tehnoloogilistes seadmetes hakati laialdaselt kasutusele võtma mitmesuguseid andureid, automaatikaseadmeid ja ajamid, ahendas liides "vooluahela" selle töövoolude ulatust - see hakkas kõikuma 4–20 mA.

Voolusilmuse edasine levik hakkas aeglustuma alates 1983. aastast, RS-485 liidesestandardi tulekuga, ning tänapäeval ei kasutata vooluahelat uutes seadmetes peaaegu kunagi.

Vooluahela saatja erineb RS-485 saatjast selle poolest, et see kasutab pingeallika asemel vooluallikat.

Vool, erinevalt pingest, liikudes allikast mööda vooluringi, ei muuda selle voolu väärtust sõltuvalt koormuse parameetritest. Seetõttu ei ole "vooluahel" tundlik ei kaabli takistuse, koormustakistuse ega isegi induktiivse müra EMF suhtes.

Lisaks ei sõltu ahela vool vooluallika enda toitepingest, vaid võib muutuda ainult kaablit läbivate lekete tõttu, mis on tavaliselt ebaolulised. See praeguse tsükli omadus määrab täielikult selle rakendamise viisid.

Tuleb märkida, et mahtuvusliku pikapi EMF rakendatakse siin paralleelselt vooluallikaga ja varjestust kasutatakse selle parasiitmõju nõrgendamiseks.

Sel põhjusel on signaali edastusliin tavaliselt varjestatud keerdpaar, mis koos diferentsiaalvastuvõtjaga summutab üksi ühisrežiimi ja induktiivmüra.

Signaali vastuvõtupoolel muundatakse ahela vool pingeks, kasutades kalibreeritud takistit. Ja voolutugevusel 20 mA saadakse standardseeria pinge 2,5 V; 5V; 10V; — piisab ainult takisti kasutamisest, mille takistus on vastavalt 125, 250 või 500 oomi.

"Current loop" liidese esimene ja peamine puudus on selle madal kiirus, mida piirab edastuskaabli võimsuse laadimise kiirus ülalmainitud vooluallikast, mis asub saateküljel.

Niisiis, kui kasutate 2 km pikkust kaablit, mille lineaarne mahtuvus on 75 pF / m, on selle mahtuvus 150 nF, mis tähendab, et selle mahtuvuse laadimiseks 5 volti vooluga 20 mA kulub 38 μs, mis vastab andmeedastuskiirusele 4,5 kbps.

Allpool on vooluahela kaudu saadaoleva maksimaalse andmeedastuskiiruse graafiline sõltuvus kaabli pikkusest, mida kasutatakse erinevatel moonutustasemetel (värinate) ja erinevatel pingetel, hindamine viidi läbi samamoodi nagu RS-liides -485.

"Vooluahela" puuduseks on ka konkreetse standardi puudumine pistikute konstruktsiooni ja kaablite elektriliste parameetrite kohta, mis piirab ka selle liidese praktilist rakendamist. Ausalt öeldes võib märkida, et tegelikult on üldiselt aktsepteeritud vahemikus 0–20 mA ja 4–20 mA. Vahemikus 0–60 mA kasutatakse palju harvemini.

Kõige lootustandvamad arendused, mis nõuavad "vooluahela" liidese kasutamist, kasutavad tänapäeval enamasti ainult 4 ... 20 mA liidest, mis võimaldab hõlpsalt diagnoosida liinikatkest. Lisaks on "vooluahel" " võib olla digitaalne või analoog, olenevalt arendaja nõuetest (sellest lähemalt hiljem).

Iga tüüpi "vooluahela" (analoog- või digitaalne) praktiliselt madal andmeedastuskiirus võimaldab seda kasutada samaaegselt mitme järjestikku ühendatud vastuvõtjaga ning pikkade liinide sobitamine pole vajalik.

"Praegune tsükkel" analoogversioon

Analoog "vooluahel" on leidnud rakendust tehnikas, kus on vaja näiteks anduritelt kontrolleritele või kontrollerite ja täiturmehhanismide vahel signaale edastada. Siin pakub praegune tsükkel mitmeid eeliseid.

Esiteks võimaldab mõõdetud väärtuse varieerumisvahemik, kui see on vähendatud standardvahemikku, süsteemi komponente muuta. Märkimisväärne on ka võime edastada signaali suure täpsusega (viga mitte rohkem kui + -0,05%) märkimisväärse vahemaa tagant. Lõpuks toetab praegust tsüklistandardit enamik tööstusautomaatika tarnijaid.

4…20 mA vooluahela minimaalne vool on signaali võrdluspunktiks 4 mA.Seega, kui kaabel on katki, on vool null. 0…20 mA vooluahela kasutamisel on kaabli katkemist raskem diagnoosida, kuna 0 mA võib lihtsalt näidata edastatava signaali minimaalset väärtust. Teine 4…20 mA vahemiku eelis on see, et isegi 4 mA tasemel on võimalik andurit probleemideta toita.

Allpool on kaks analoogvoolu diagrammi. Esimeses versioonis on toiteplokk saatjasse sisse ehitatud, teises versioonis aga väline.

Sisseehitatud toiteallikas on paigaldamise seisukohalt mugav ja väline toiteallikas võimaldab muuta selle parameetreid sõltuvalt seadme eesmärgist ja töötingimustest, millega vooluahelat kasutatakse.

Vooluahela tööpõhimõte on mõlemal vooluringil sama. Ideaalis on operatsioonivõimendil lõpmatult suur sisetakistus ja selle sisendites nullvool, mis tähendab, et ka selle sisendite pinge on algselt null.

Seega sõltub saatja takistit läbiv vool ainult sisendpinge väärtusest ja on võrdne kogu ahela vooluga, samas kui see ei sõltu koormustakistusest. Seetõttu saab vastuvõtja sisendpinget kergesti määrata.

Op-amp ahela eeliseks on see, et saate saatjat kalibreerida ilma vastuvõtjakaablit ühendamata, kuna vastuvõtja ja kaabli tekitatud viga on väga väike.

Väljundpinge valitakse lähtuvalt ülekandetransistori vajadustest selle normaalseks tööks aktiivses režiimis, samuti juhtmete, transistori enda ja takistite pingelanguse kompenseerimiseks.

Ütleme, et takistid on 500 oomi ja kaabel on 100 oomi. Seejärel on 20 mA voolu saamiseks vaja pingeallikat 22 V. Valitakse lähim standardpinge — 24 V. Pingepiiri üleliigne võimsus lihtsalt hajub transistorile.

Pange tähele, et mõlemad diagrammid näitavad galvaaniline isolatsioon saatja astme ja saatja sisendi vahel. Seda tehakse selleks, et vältida valeühendust saatja ja vastuvõtja vahel.

Analoogvooluahela ehitamiseks kasutatava saatja näitena võime tuua valmistoote NL-4AO nelja analoogväljundkanaliga arvuti ühendamiseks täiturmehhanismiga, kasutades 4 ... 20 mA või 0 ... 20 mA » praegune tsükkel « protokoll.

Moodul suhtleb arvutiga RS-485 protokolli kaudu. Seade on praegu kalibreeritud, et kompenseerida teisendusvigu ja see täidab arvuti antud käske. Kalibreerimiskoefitsiendid salvestatakse seadme mällu. Digitaalsed andmed teisendatakse DAC-i abil analoogiks.

"Praegune tsükkel" digitaalne versioon

Digitaalne vooluahel töötab reeglina 0 ... 20 mA režiimis, kuna sellisel kujul on digitaalset signaali lihtsam taasesitada. Loogikanivoode täpsus pole siin nii oluline, seega võib silmusvooluallikal olla mitte väga kõrge sisetakistus ja suhteliselt madal täpsus.

Ülaltoodud diagrammil langeb 24 V toitepinge korral vastuvõtja sisendisse 0,8 V, mis tähendab, et 1,2 kΩ takistiga on vool 20 mA. Kaabli pingelangust, isegi kui selle takistus on 10% ahela kogutakistusest, võib tähelepanuta jätta, nagu ka optroni pingelangust.Praktikas võib nendel tingimustel saatjat pidada vooluallikaks.