Hogyan működik a 4-20 mA-es áramkör
Az „áramhurkot” az 1950-es években adatátviteli interfészként használták. Az interfész üzemi árama eleinte 60 mA volt, majd 1962-től kezdődően a 20 mA-es áramhurok interfész terjedt el a teletípusban.
Az 1980-as években, amikor a különféle érzékelőket, automatizálási berendezéseket és aktuátorokat széles körben bevezették a technológiai berendezésekben, az „áramköri” interfész leszűkítette működési áramainak tartományát - 4 és 20 mA között kezdett változni.
Az „áramhurok” további terjedése 1983-tól, az RS-485 interfészszabvány megjelenésével lassulni kezdett, és ma az „áramhurkot” szinte soha nem használják új berendezésekben.
Az áramhurok távadó abban különbözik az RS-485 jeladótól, hogy feszültségforrás helyett áramforrást használ.
Az áram, a feszültségtől eltérően, a forrásból az áramkör mentén haladva nem változtatja meg az áramértékét a terhelési paraméterektől függően. Ezért az „áramhurok” nem érzékeny sem a kábelellenállásra, sem a terhelési ellenállásra, de még az induktív zajra sem.
Ezenkívül a hurokáram nem függ magának az áramforrásnak a tápfeszültségétől, hanem csak a kábelen keresztüli szivárgások miatt változhat, amelyek általában jelentéktelenek. A jelenlegi ciklus ezen jellemzője teljes mértékben meghatározza a megvalósítás módjait.
Megjegyzendő, hogy a kapacitív hangszedő EMF-je itt párhuzamosan kerül alkalmazásra az áramforrással, és az árnyékolást a parazita hatás gyengítésére használják.
Emiatt a jelátviteli vonal általában árnyékolt csavart érpár, amely egy differenciálvevővel együtt működik, önmagában csillapítja a közös módusú és induktív zajt.
A jel vevő oldalán a hurokáramot egy kalibrált ellenállás segítségével feszültséggé alakítják. És 20 mA áram mellett 2,5 V szabványos sorozatú feszültséget kapunk; 5V; 10V; — elég csak 125, 250 vagy 500 ohm ellenállású ellenállást használni.
Az „áramhurok” interfész első és fő hátránya az alacsony sebesség, amelyet az átviteli kábel kapacitásának az adó oldalon található fent említett áramforrásról való feltöltésének sebessége korlátoz.
Tehát, ha egy 2 km hosszú, 75 pF / m lineáris kapacitású kábelt használ, a kapacitása 150 nF lesz, ami azt jelenti, hogy 38 μs szükséges ennek a kapacitásnak az 5 V-ra való feltöltéséhez 20 mA áram mellett, ami megfelel 4,5 kbps adatátviteli sebességre.
Az alábbiakban az "áramhurokon" keresztül elérhető maximális adatátviteli sebesség grafikus függőségét mutatjuk be a különböző torzítási (jitter) és különböző feszültségeknél használt kábel hosszától, a kiértékelést ugyanúgy végeztük el, mint a RS interfész -485.
Az „áramhurok” másik hátránya, hogy nincs külön szabvány a csatlakozók kialakítására és a kábelek elektromos paramétereire vonatkozóan, ami szintén korlátozza ennek az interfésznek a gyakorlati alkalmazását. Az igazság kedvéért megjegyzendő, hogy valójában az általánosan elfogadottak 0 és 20 mA és 4 és 20 mA között vannak. A 0–60 mA tartományt sokkal ritkábban használják.
A legígéretesebb fejlesztések, amelyek az "áramhurok" interfész használatát igénylik, manapság többnyire csak a 4 ... 20 mA-es interfészt használják, amely lehetővé teszi a vezetékszakadás egyszerű diagnosztizálását. Ezen kívül az "áramhurok" " lehet digitális vagy analóg, a fejlesztő követelményeitől függően (erről később).
Bármilyen típusú (analóg vagy digitális) "áramhurok" gyakorlatilag alacsony adatsebessége lehetővé teszi több sorba kapcsolt vevő egyidejű használatát, és nincs szükség hosszú vonalak illesztésére.
Az "aktuális ciklus" analóg változata
Az analóg "áramhurok" alkalmazásra talált a technológiában, ahol például jelek továbbítására van szükség az érzékelőktől a vezérlőkhöz vagy a vezérlők és az aktuátorok között. Itt a jelenlegi ciklus számos előnnyel jár.
Először is, a mért érték változási tartománya, amikor azt a standard tartományra csökkenti, lehetővé teszi a rendszer összetevőinek megváltoztatását. Figyelemre méltó az a képesség is, hogy a jelet nagy pontossággal (legfeljebb + -0,05% hiba) továbbítjuk jelentős távolságra. Végül, a jelenlegi ciklusszabványt a legtöbb ipari automatizálási gyártó támogatja.
A 4…20 mA-es áramhurok minimális áramerőssége 4 mA a jel referenciapontja.Így, ha a kábel elszakad, az áram nulla lesz. 0 … 20 mA áramhurok használatakor nehezebb lesz a kábelszakadást diagnosztizálni, mivel a 0 mA egyszerűen a továbbított jel minimális értékét jelzi. A 4…20 mA-es tartomány másik előnye, hogy már 4 mA-es szinten is gond nélkül meg lehet táplálni az érzékelőt.
Az alábbiakban két analóg áram diagram látható. Az első változatban a tápegység az adóba van beépítve, míg a második változatban a tápegység külső.
A beépített tápegység kényelmes a telepítés szempontjából, a külső pedig lehetővé teszi paramétereinek megváltoztatását az áramhurkot használó eszköz céljától és működési feltételeitől függően.
Az áramhurok működési elve mindkét áramkörnél azonos. Ideális esetben egy op-amp végtelenül nagy belső ellenállással és nulla árammal rendelkezik a bemenetein, ami azt jelenti, hogy a bemenetein a feszültség is kezdetben nulla.
Így az adóban lévő ellenálláson áthaladó áram csak a bemeneti feszültség értékétől függ, és egyenlő lesz a teljes hurok áramával, míg nem függ a terhelési ellenállástól. Ezért a vevő bemeneti feszültsége könnyen meghatározható.
Az op-amp áramkör előnye, hogy lehetővé teszi az adó kalibrálását anélkül, hogy vevőkábelt kellene csatlakoztatni hozzá, mivel a vevő és a kábel által okozott hiba nagyon kicsi.
A kimeneti feszültséget az átviteli tranzisztor aktív üzemmódban történő normál működéséhez szükséges szükségletei alapján választják ki, valamint a vezetékek, a tranzisztor és az ellenállások feszültségesésének kompenzálására vonatkozó feltételek alapján.
Tegyük fel, hogy az ellenállások 500 ohmosak, a kábel pedig 100 ohmos. Ezután a 20 mA áramerősség eléréséhez 22 V feszültségforrásra van szükség. A legközelebbi szabványos feszültséget választjuk – 24 V. A feszültséghatár túlzott teljesítménye egyszerűen eloszlik a tranzisztoron.
Vegye figyelembe, hogy mindkét diagram mutatja galvanikus leválasztás az adó fokozata és az adó bemenete között. Ezzel elkerülhető a hamis kapcsolat az adó és a vevő között.
Példaként az analóg áramhurok építésére szolgáló távadóra említhetünk egy készterméket, az NL-4AO-t, négy analóg kimeneti csatornával a számítógép és a 4 ... 20 mA vagy 0 ... 20 mA-es működtetőelem csatlakoztatásához » aktuális ciklus « protokoll.
A modul RS-485 protokollon keresztül kommunikál a számítógéppel. Az eszköz aktuálisan úgy van kalibrálva, hogy kompenzálja az átalakítási hibákat, és végrehajtja a számítógép által adott parancsokat. A kalibrációs együtthatók a készülék memóriájában tárolódnak. A digitális adatokat DAC segítségével analóggá alakítják.
Az „aktuális ciklus” digitális változata
A digitális áramhurok általában 0 ... 20 mA üzemmódban működik, mivel ebben a formában könnyebb reprodukálni a digitális jelet. A logikai szintek pontossága itt nem annyira fontos, így a hurokáramforrás nem túl nagy belső ellenállású és viszonylag kis pontosságú lehet.
A fenti diagramon 24 V tápfeszültség mellett 0,8 V esik a vevő bemenetére, ami azt jelenti, hogy 1,2 kΩ ellenállásnál az áram 20 mA lesz. A kábel feszültségesése, még akkor is, ha az ellenállása a teljes hurokellenállás 10%-a, elhanyagolható, akárcsak az optocsatoló feszültségesése.A gyakorlatban ilyen feltételek mellett az adó áramforrásnak tekinthető.