Cara kerja rangkaian 4-20 mA

The "loop saat ini" digunakan sebagai antarmuka transmisi data pada 1950-an. Pada awalnya, arus operasi antarmuka adalah 60 mA, dan kemudian, mulai tahun 1962, antarmuka loop arus 20 mA tersebar luas di teletype.

Pada 1980-an, ketika berbagai sensor, peralatan otomasi, dan aktuator mulai diperkenalkan secara luas dalam peralatan teknologi, antarmuka "sirkuit arus" mempersempit kisaran arus operasinya - mulai bervariasi dari 4 hingga 20 mA.

Penyebaran lebih lanjut dari «loop saat ini» mulai melambat sejak tahun 1983, dengan munculnya standar antarmuka RS-485, dan saat ini «loop saat ini» hampir tidak pernah digunakan dalam peralatan baru seperti itu.

Pemancar loop arus berbeda dari pemancar RS-485 karena menggunakan sumber arus daripada sumber tegangan.

Arus, tidak seperti tegangan, bergerak dari sumber sepanjang rangkaian, tidak mengubah nilai arusnya tergantung pada parameter beban. Oleh karena itu, «loop arus» tidak peka terhadap resistansi kabel, resistansi beban, atau bahkan EMF derau induktif.

Selain itu, arus loop tidak bergantung pada tegangan suplai dari sumber arus itu sendiri, tetapi hanya dapat berubah karena kebocoran melalui kabel, yang biasanya tidak signifikan. Karakteristik siklus saat ini sangat menentukan cara pelaksanaannya.

Perlu dicatat bahwa EMF dari pickup kapasitif diterapkan di sini secara paralel dengan sumber arus, dan pelindung digunakan untuk melemahkan efek parasitnya.

Untuk alasan ini, saluran transmisi sinyal biasanya merupakan pasangan terpilin berpelindung, yang bekerja sama dengan penerima diferensial, sendirian meredam mode umum dan derau induktif.

Di sisi penerima sinyal, arus loop diubah menjadi tegangan menggunakan resistor yang dikalibrasi. Dan pada arus 20 mA, diperoleh tegangan seri standar 2,5 V; 5V; 10V; — cukup menggunakan resistor dengan resistansi masing-masing 125, 250 atau 500 Ohm.

Kerugian pertama dan utama dari antarmuka «loop saat ini» adalah kecepatannya yang rendah, dibatasi oleh kecepatan pengisian kapasitas kabel transmisi dari sumber arus yang disebutkan di atas yang terletak di sisi transmisi.

Jadi, ketika menggunakan kabel sepanjang 2 km, dengan kapasitansi linier 75 pF / m, kapasitansinya akan menjadi 150 nF, yang berarti dibutuhkan 38 μs untuk mengisi kapasitansi ini hingga 5 volt pada arus 20 mA, yang sesuai dengan kecepatan transfer data 4,5 kbps.

Di bawah ini adalah ketergantungan grafis dari laju transmisi data maksimum yang tersedia melalui «loop arus» pada panjang kabel yang digunakan pada tingkat distorsi (jitter) yang berbeda dan pada tegangan yang berbeda, evaluasi dilakukan dengan cara yang sama seperti untuk Antarmuka RS -485.

Kerugian lain dari «loop saat ini» adalah kurangnya standar khusus untuk desain konektor dan parameter listrik kabel, yang juga membatasi aplikasi praktis dari antarmuka ini. Dalam keadilan, dapat dicatat bahwa pada kenyataannya, yang diterima secara umum berkisar dari 0 hingga 20 mA dan dari 4 hingga 20 mA. Kisaran 0 — 60 mA lebih jarang digunakan.

Perkembangan paling menjanjikan yang membutuhkan penggunaan antarmuka "loop saat ini", sebagian besar saat ini hanya menggunakan antarmuka 4 ... 20 mA, yang memungkinkan untuk mendiagnosis pemutusan baris dengan mudah. ​​Selain itu, "loop saat ini " bisa digital atau analog, tergantung kebutuhan developer (lebih lanjut nanti).

Tingkat data yang praktis rendah dari semua jenis «loop saat ini» (analog atau digital) memungkinkannya untuk digunakan secara bersamaan dengan beberapa penerima yang terhubung secara seri, dan tidak diperlukan pencocokan saluran panjang.

Versi analog «siklus saat ini»

"Loop arus" analog telah menemukan aplikasi dalam teknologi yang diperlukan, misalnya, untuk mengirimkan sinyal dari sensor ke pengontrol atau antara pengontrol dan aktuator. Di sini, siklus saat ini memberikan beberapa keuntungan.

Pertama-tama, rentang variasi dari nilai terukur, bila direduksi menjadi rentang standar, memungkinkan Anda untuk mengubah komponen sistem. Kemampuan untuk mengirimkan sinyal dengan akurasi tinggi (tidak lebih dari + -0,05% kesalahan) pada jarak yang cukup jauh juga luar biasa. Terakhir, standar siklus saat ini didukung oleh sebagian besar vendor otomasi industri.

Loop arus 4 … 20 mA memiliki arus minimum 4 mA sebagai titik referensi sinyal.Jadi, jika kabel putus, arus akan menjadi nol. Saat menggunakan loop arus 0 … 20 mA, diagnosis putus kabel akan lebih sulit, karena 0 mA mungkin hanya menunjukkan nilai minimum dari sinyal yang ditransmisikan. Keuntungan lain dari rentang 4 … 20 mA adalah bahkan pada level 4 mA dimungkinkan untuk menyalakan sensor tanpa masalah.

Di bawah ini adalah dua diagram arus analog. Pada versi pertama, catu daya terpasang di pemancar, sedangkan pada versi kedua, catu daya eksternal.

Catu daya internal nyaman dalam hal pemasangan, dan catu daya eksternal memungkinkan Anda untuk mengubah parameternya tergantung pada tujuan dan kondisi pengoperasian perangkat yang digunakan loop saat ini.

Prinsip operasi loop saat ini sama untuk kedua sirkuit. Idealnya, op-amp memiliki resistansi internal yang sangat besar dan arus nol pada inputnya, yang berarti tegangan pada inputnya juga pada awalnya nol.

Dengan demikian, arus yang melalui resistor di pemancar hanya akan bergantung pada nilai tegangan input dan akan sama dengan arus di seluruh loop, sementara itu tidak bergantung pada resistansi beban. Oleh karena itu, tegangan masukan penerima dapat dengan mudah ditentukan.

Sirkuit op-amp memiliki keuntungan karena memungkinkan Anda untuk mengkalibrasi pemancar tanpa harus menyambungkan kabel penerima, karena kesalahan yang ditimbulkan oleh penerima dan kabel sangat kecil.

Tegangan keluaran dipilih berdasarkan kebutuhan transistor transmisi untuk operasi normalnya dalam mode aktif, serta kondisi untuk mengkompensasi penurunan tegangan pada kabel, transistor itu sendiri, dan resistor.

Katakanlah resistornya 500 ohm dan kabelnya 100 ohm. Kemudian, untuk mendapatkan arus 20 mA, diperlukan sumber tegangan 22 V. Tegangan standar terdekat dipilih - 24 V. Kelebihan daya dari batas tegangan hanya akan dihamburkan pada transistor.

Perhatikan bahwa kedua bagan ditampilkan isolasi galvanik antara tahap pemancar dan masukan dari pemancar. Ini dilakukan untuk menghindari koneksi palsu antara pemancar dan penerima.

Sebagai contoh pemancar untuk membangun loop arus analog, kami dapat mengutip produk jadi NL-4AO dengan empat saluran keluaran analog untuk menghubungkan komputer dengan aktuator menggunakan 4 ... 20 mA atau 0 ... 20 mA » siklus saat ini « protokol.

Modul berkomunikasi dengan komputer melalui protokol RS-485. Perangkat saat ini dikalibrasi untuk mengkompensasi kesalahan konversi dan menjalankan perintah yang diberikan oleh komputer. Koefisien kalibrasi disimpan dalam memori perangkat. Data digital diubah menjadi analog menggunakan DAC.

Versi digital «siklus saat ini»

Loop arus digital biasanya bekerja dalam mode 0 ... 20 mA, karena lebih mudah untuk mereproduksi sinyal digital dalam bentuk ini. Keakuratan level logika tidak begitu penting di sini, sehingga sumber arus loop dapat memiliki resistansi internal yang tidak terlalu tinggi dan akurasi yang relatif rendah.

Pada diagram di atas, dengan tegangan suplai 24 V, 0,8 V dijatuhkan pada input penerima, yang berarti dengan resistor 1,2 kΩ, arus akan menjadi 20 mA. Penurunan tegangan pada kabel, meskipun resistansinya 10% dari total resistansi loop, dapat diabaikan, seperti halnya penurunan tegangan pada optocoupler.Dalam prakteknya, dalam kondisi ini, pemancar dapat dianggap sebagai sumber arus.