Токовая петля - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Нам нужно сделать источник, который преобразует напряжение в ток. При линейной зависимости, допустим, мы подаем 5 В, и наша схема подает в линию 50 мА. Это делается на операционном усилителе. Это выглядит примерно так:

Содержание

Текущая петля.

Иногда возникает необходимость передать сигнал на большое расстояние (десятки метров или даже километры). Основная проблема заключается в том, что электромагнитная волна (возмущение) может пройти через линию и попытаться вызвать в ней ток. Ток будет незначительным, но поскольку входы обычно имеют высокое сопротивление, сотни килоом, даже при таких малых индукциях может возникнуть перенапряжение на входе. В конце концов, согласно закону Ома U = I * R. R входа может достигать гигаоммы, а ток, потребляемый в 0,001 мА, может повысить напряжение примерно до киловольта. Вход взорвется окончательно, хотя там мало энергии, но сколько ее нужно затвору тонкопленочного транзистора? Решением этой проблемы является уменьшение входного импеданса.

Хорошим способом решения этой проблемы является изменение сигнала с напряжения на ток. То есть в качестве уровней мы берем не напряжения, а значения тока в цепи. Здесь навести помехи будет сложнее, поскольку два провода линии идут параллельно, поэтому помехи будут наводиться в них одновременно и гаситься путем вычитания на дифференциальном входе приемника.

Мы будем подавать ток в линию с помощью источника тока, который будет подавать заданный ток до тех пор, пока у него будет достаточно мощности.

Цифровая линия
Это просто, обычно RS232 и подобные интерфейсы с независимыми каналами передачи/приема изолируются токовой петлей.
Преимущество токовой петли заключается в том, что ее можно легко развязать оптически, поскольку светодиод, который является главным реле оптопары, находится под напряжением.

Схема может выглядеть следующим образом:

При подаче единицы на вход загорается светодиод, открывая транзистор оптопары и подавая ток в контур. Этот ток зажигает диод во второй оптопаре, ее транзистор открывается и переводит линию на землю. В этом случае линия меняется на противоположную. Но при желании это можно легко решить с помощью одного транзистора.

В качестве оптопары здесь можно использовать что-то вроде SFH610A
. Самое главное, чтобы напряжение, которое может выдержать транзистор, было выше, чем у источника тока, потому что он будет пытаться давить на транзистор, когда тот закрыт. Для данной оптопары это Vceo = 70 В. Обычно напряжение источника редко превышает 24 В. Также посмотрите на ток катушки оптопары, чтобы убедиться, что он не меньше, чем выходной ток источника тока. Для данной оптопары он составляет 50 мА.

Если вы используете внешний линейный источник питания, то схема неразрушима. Потому что приемник, передатчик и линия вообще не соединены.

Обычно я подключаю NSI45020 сюда в качестве источника тока. Как правило, это линейный светодиодный драйвер. Он размером с резистор 1206 и имеет строгий токовый выход 20 мА.

Можно вкатить напряжение питания до 45В, можно параллельно, чтобы ток был больше. При цене 5 рублей за штуку это очень крутой набор. Я рекомендую держать его в хозяйстве.

А для консервативных пользователей вы можете использовать LM317 в качестве регулятора тока. Правда, он гораздо более громоздкий и, следовательно, обычно более дорогой. Но вы можете легко приобрести его в любом радиомагазине.

Недостатком оптической изоляции является ограничение скорости. Оптоизоляторы, особенно объемные, имеют очень среднюю частотную характеристику. Но для некоторых видов UART этого вполне достаточно. На скорость также влияет тот факт, что длинная линия имеет большую емкость и заряжается от источника тока, т.е. чем дальше, тем больше емкость линии и тем медленнее передача.

Аналоговая линия

Что если вам нужно получить данные с какого-то удаленного аналогового датчика? Опять же, токовая петля поможет, но конструкция будет немного сложнее.

Нам понадобится источник, который преобразует напряжение в ток. Например, если мы подадим 5 вольт, а наша схема будет подавать в линию 50 мА. Это делается на операционном усилителе. Это выглядит примерно так:

Это работает простым способом. Поскольку ОУ с обратной связью стремится выровнять свои входы, т.е. напряжение между прямым и обратным входом равно нулю, можно предположить, что Uin напрямую оконечен R0. А ток, протекающий через R0, оказывается равным Uin/R0. В конце концов, сопротивление входов ИУ ОЧЕНЬ велико, настолько велико, что можно смело предположить, что ток там не течет. А поскольку R0 является частью контура, ток в контуре будет равен R0 независимо от сопротивления линии и сопротивления нагрузки, конечно, если источник питания может продавить эти сопротивления и транзистор не войдет в насыщение, оставаясь в линейном режиме. Источником питания здесь может быть независимый стабилизированный источник питания 12 В.

На другой стороне контура просто измерьте падение напряжения на нагрузочном резисторе Rn.

Здесь, просто для развлечения, я собрал этот проект на плате Pinboard II. Поскольку установочный резистор R0 в моем случае оказался 10 кОм (такой, который стоит вплотную к плате), отношение напряжения к току оказалось 1:10000, то есть на 1 В в контуре приходится 0,1 мА. Не очень стандартно и совсем не много, но это показывает, как это работает.

Смотрите крупный план

Существует более громоздкий, но и гораздо более точный метод:

Здесь мы используем специальный измерительный резистор Rs и измеряем падение на нем с помощью операционного усилителя, затем подаем результат на другой операционный усилитель. Поскольку конструкция с OP1 является обратной связью для OP2 и выдает на свои входы разность, равную нулю, получаем следующее:

Получаем соотношение Is = Uin/100 с хорошей такой линейностью, особенно если взять прецизионные усилители с выходом Rail-2-Rali.

Если вам нужна максимальная точность, лучше использовать готовые микросхемы. Существует также множество специальных форматеров токовых петель. Например, MAX15500. Просто подключите их в соответствии с техническим заданием и будет вам счастье

Гальваническая развязка аналоговой токовой петли может быть выполнена на разделительных усилителях. Например, ISO124.

Его коэффициент усиления равен 1. Т.е. 1 вольт на входе, 1 вольт на выходе. Нет необходимости возиться с обратной связью и другими вещами. Он имеет два независимых входа питания, один с одной стороны и один с другой. Один недостаток – он не дешевый. Тот же ISO124 от 15 фунтов стерлингов за штуку.

Приятной особенностью токовой петли является также возможность питания удаленного устройства через ту же петлю. Потому что источник тока будет компенсировать потребление. В разумных пределах, конечно, но для некоторых удаленных датчиков это неплохой вариант.

Стандарты
Не существует универсального стандарта для токовой петли, размеров тока и разъемов, например, RS232. Но в промышленности более или менее установленный стандарт для аналоговой токовой петли – 4…20 мА, т.е. минимальный уровень – 4 мА, а максимальный – 20 мА. Нулевой ток рассматривается как разрыв строки. Для цифрового контура чаще всего используется диапазон 0…20 мА. Также иногда встречается вариант 0…60 мА, но это экзотика.

Спасибо. Вы потрясающие ребята! Всего за один месяц мы собрали 500000 на хоккейную коробку для детского дома “Аистенок”. Из них 125000+ поступило от вас, читателей EasyElectronics. Было даже 25000+ переводов и только поток платежей 251 рубль. Это невероятно круто. Подготовка к заключению контракта и строительству уже идет полным ходом!

И я застрял как минимум на три года ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо за такой сильный удар.

Таким образом, при использовании резистора на приемной стороне в качестве входного датчика, теоретически нет разницы между способом передачи сигнала – напряжение или ток, поскольку эти два способа связаны. Кроме того, технически проще передавать информацию, используя напряжение, чем ток, поскольку большинство существующих источников энергии являются источниками напряжения, и существует гораздо больше устройств, включая полупроводники, способных контролировать или регулировать напряжение. Кроме того, система, передающая информацию по напряжению, имеет бесконечно малое сопротивление измерительного элемента (R ⇒ ∞) и практически не потребляет ток (I ⇒ 0). Это означает, что теоретически он может быть гораздо более экономичным, поскольку в этом случае мощность сигнала P, а значит, и затраты энергии на его передачу, могут быть как можно меньше (P = U × I ⇒ 0).

Почему ток, а не напряжение?

Как мы знаем из школьной физики, принцип работы электрической (двухполюсной) цепи определяется двумя основными параметрами: напряжением U – разностью потенциалов на ее концах, и током I, протекающим через нее (рис. 1). В общем, связь между значениями U и I может быть довольно сложной, так как зависит от внутренней работы двухполюсника, который может включать в себя все что угодно, в том числе и источники электроэнергии. Однако в простейшем случае – для резистора с сопротивлением R – эти два параметра связаны законом Ома: U = I × R.

Рисунок 1. Основные соотношения для резистивного биполя

Поэтому, когда мы используем резистор на приемной стороне в качестве входного датчика, теоретически нет никакой разницы между тем, как передается сигнал напряжения или тока, поскольку они связаны между собой. Кроме того, технически проще передавать информацию с помощью напряжения, чем с помощью тока, поскольку большинство существующих источников электроэнергии являются источниками напряжения, и существует гораздо больше устройств, включая полупроводники, способных контролировать или регулировать напряжение. Кроме того, схема, передающая информацию посредством напряжения через бесконечно большое сопротивление измерительного элемента (R ⇒ ∞), практически не потребляет ток (I ⇒ 0). Это означает, что теоретически он может быть гораздо более экономичным, поскольку в этом случае мощность сигнала P, а значит, и энергетические затраты на его передачу, могут быть произвольно малы (P = U × I ⇒ 0).

В реальности мало кто будет использовать токовую петлю для связи, например, двух микроконтроллеров на одной плате, расположенных в нескольких сантиметрах друг от друга. Однако, когда речь идет о расстояниях более десяти метров или о передаче информации в сложной электромагнитной обстановке, основные недостатки токовой петли при работе на коротких расстояниях превращаются в преимущества, и она становится одним из самых надежных и эффективных способов передачи информации.

Основным преимуществом токовой петли является высокая точность передачи информации. В реальной системе связи на напряжение сигнала на приемной стороне влияют физические параметры линии, в основном активное сопротивление ее проводников R_Л1 и Р_Л2 (рис. 2). Действительно, согласно второму закону Кирхгофа, сумма напряжений в замкнутом контуре должна быть равна нулю, поэтому напряжение U_ВЫХОДсоздаваемое передатчиком, равно сумме падений напряжения на сопротивлениях проводов линии связи U_Л1, U_Л2 и входное сопротивление приемника U_{VX .}. Это означает, что для точной передачи сигнала, особенно аналогового, с напряжением, необходимо каждый раз адаптировать систему к конкретной линии связи. Принимая во внимание, что активные сопротивления проводников R_Л1 и Р_Л2 физическая линия зависит от многих факторов, в частности от температуры, такие корректировки должны проводиться регулярно, в зависимости от времени суток и погодных условий.

Рисунок 2: Системы связи, основанные на передаче напряжения и тока

В отличие от напряжения, которое различно для каждого участка, ток во всех элементах неразветвленной электрической цепи одинаков. Это означает, что качество передаваемой информации (сила тока) может контролироваться не только на принимающей, но и на передающей стороне, так что любые изменения параметров линии могут быть скорректированы. Таким образом, система передачи по токовой петле не требует дополнительных инструментов для калибровки или автонастройки канала связи – эта функция автоматически выполняется передатчиком.

Влияние параметров звена в системе напряжения теоретически может быть уменьшено путем увеличения внутреннего сопротивления приемника (оптимально R ⇒ ∞). В этом случае уменьшается ток в сети и, следовательно, падение напряжения на резисторах R_Л1 и Р_Л2. Однако в случае длинных линий это приводит к ухудшению качества связи, поскольку помимо сигнала в системе присутствуют помехи.

Помехи являются такой же неотъемлемой частью систем передачи данных, как передатчик, приемник и канал связи. В аналоговых системах наличие помех снижает отношение сигнал/шум, а в цифровых системах увеличивает вероятность ошибки. В системе передачи напряжения напряжение, создаваемое помехами U_POMдобавляется к выходному напряжению преобразователя U_ВЫХОД (рис. 3), поэтому их трудно разделить на стороне приемника. Однако в системе передачи тока любые изменения выходного сигнала, в том числе вызванные помехами, могут быть компенсированы на стороне передатчика. Влияние помехи в этом случае будет проявляться в изменении выходного напряжения передатчика на величину -U_POMзначение, но ток линии останется неизменным.

Рисунок 3: Влияние помех на различные системы связи

Это можно объяснить и по-другому: в системе, основанной на напряжении, энергия помехи будет высвобождаться на входе приемника, где она нанесет максимальный ущерб, тогда как в системе, основанной на токе, она будет высвобождаться на выходе передатчика, где эффект будет минимальным. Поскольку падение напряжения в цепи резистора пропорционально его сопротивлению, энергия помехи должна высвобождаться в точке с максимальным сопротивлением. В системе передачи напряжения внутреннее сопротивление передатчика, R_ПЕР (источник напряжения) должен быть как можно ниже, а приемник (вольтметр) – как можно выше (рис. 3). В системе, основанной на передаче тока, верно обратное: внутреннее сопротивление передатчика (источника тока) должно быть как можно выше, а приемника (амперметра) – как можно ниже. Таким образом, теоретически (и практически) системы связи на основе токовой петли имеют более высокий уровень помехоустойчивости, чем системы связи на основе напряжения.

Основным ограничением является расстояние передачи. На это влияет скорость передачи данных: для расстояния в километр приемлемая скорость передачи данных составляет 9600 бит/с. При скорости выше 19,2 кбит/с линия не используется. В результате на дальность действия влияют электрические характеристики линии и уровень помех. Токовая петля должна была быть заменена полевой шиной, на самом деле сегодня используется действующий стандарт RS-485 (1983), вариант COM-порта. Даже сегодня терминалы с протоколом RS-232 подключаются через токовую петлю, а необходимое преобразование выполняется на приемной стороне. Иногда отдельные принтеры работают по этому протоколу. Хотя теоретический предел здесь составляет 115 кбит/с, на практике используется 9600.

Общая информация

Первый сюрприз заключается в том, что единых стандартов не существует. Протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА стали доминирующими, без строгих правил. В токовой петле можно передавать любую информацию. В двоичном случае единица означает 20 мА, в зависимости от конфигурации системы, а ноль – отсутствие сигнала или 4 мА. Если во время передачи пакета происходит разрыв строки, он всегда идентифицируется стоп-байтом.

Этот интерфейс используется с 1950-х годов, первоначально он был закодирован как 60 мА постоянного тока. В результате производительность системы была значительно ниже. Петля 20 мА была введена в 1962 году в качестве сигнала телетайпа – для удаленной печати сообщений (соединение двух электрических пишущих машинок). В начале 1980-х годов были предприняты попытки уменьшить ток, не всегда успешные. Они решили пойти на компромисс:

4 мА означает “живой” ноль. Чтобы система точно знала о наличии перебоев в работе сети.
20 мА остается в устройстве.

Основным ограничением является расстояние передачи. На это влияет скорость передачи данных: допустимая скорость передачи данных для километров составляет 9600 бит/с. При скорости выше 19,2 кбит/с линия не используется. В результате на дальность действия влияют электрические характеристики линии и уровень помех. Токовая петля должна была быть заменена полевой шиной, на самом деле сегодня используется действующий стандарт RS-485 (1983), вариант COM-порта. Даже сегодня терминалы с протоколом RS-232 подключаются через токовую петлю, а необходимое преобразование выполняется на приемной стороне. Иногда отдельные принтеры работают по этому протоколу. Предположим, что теоретический предел здесь составляет 115 кбит/с, на практике используется 9600.

Особенностью токовой петли является то, что не уделяется внимание напряжению на преобразователе. Мощность разная. Самое главное – поддерживать значение тока, 20 мА. Следовательно, чем длиннее линия, тем ниже пропускная способность. Этот принцип строго соблюдается. Иногда возникает токовая петля с гальванической развязкой. Для этой цели используются оптопары и аналогичные полупроводниковые конструкции.

Экранированный кабель обычно используется для предотвращения параллельных емкостных помех, которые невозможно компенсировать или контролировать. Экранированная витая пара – хороший выбор для построения сети. Плотное чередование кабелей устраняет внешние помехи в виде индуктивных и синфазных помех. Для формирования дуплексного соединения используются две витые пары, а управление интерфейсом осуществляется по методу XON/XOFF. Приличные специализированные приложения позволяют обойти хлопоты по созданию запросов и ответов на передачу данных заранее.

В приемнике ток преобразуется в напряжение с помощью резистивного делителя. В зависимости от напряжения используются резисторы 125 – 500 Ом. Иногда имеется адаптер (преобразователь сигнала) для последовательного интерфейса COM-порта на стороне передатчика или приемника. Падение напряжения на резисторе рассчитывается по закону Ома, например, для резистора номиналом 250 Ом оно составит 250 x 0,02 = 5 В. Это позволяет при необходимости откалибровать приемник до нужного уровня.

I = ( передатчик U – приемник U w) / ( R пост + линия R )

Урок 52: Интерфейс IRPS (цифровая токовая петля). Принцип работы, параметры, схемная реализация.

В этом уроке я покажу вам простой, но эффективный радиальный интерфейс IRPS. Я уделю больше внимания не самому стандарту, а практической реализации цифровых интерфейсов, основанных на принципе “токовой петли”.

IRPS расшифровывается как “Радиальный последовательный интерфейс”. Другое название – “токовая петля”. Этот интерфейс существовал до появления современных стандартов RS232, RS485 и широко использовался в телетайпах. Позже его параметры несколько изменились, и IRPS попал в компьютерные системы.

IRPS позволяет осуществлять простую аппаратную передачу данных на большие расстояния, вплоть до нескольких километров. Она характеризуется высокой устойчивостью к помехам и, что немаловажно, обеспечивает гальваническую изоляцию абонентов от линии связи.

Благодаря своей простой реализации, IRPS является идеальным решением для недорогих распределенных систем на базе Arduino. Я расскажу о различных его вариантах, которые позволяют значительно увеличить длину линии связи, повысить устойчивость к помехам и использовать для подключения устройств прямые провода вместо витой пары. Используя принцип “токовой петли”, можно построить сеть с магистральной топологией с несколькими абонентами.

Однажды меня снабдили двумя прямыми проводами в высоковольтном кабеле для связи между устройствами на электростанции. Я назвал кабель высоковольтным, а работники ГРЭС назвали его низковольтным. Максимальное напряжение в кабеле составляло 1000 вольт, дикие помехи, длина около 1000 м. В сети было два компьютера и 8 цифровых регистраторов сигналов. Я организовал передачу данных по принципу “токовой петли”, и сеть хорошо работала при скорости 19200 бод. Я не знаю, какой другой интерфейс можно использовать в этих условиях.

В настоящее время IRPS несколько устарела из-за распространения беспроводных технологий. Однако, благодаря своей простоте и надежности, его использование остается оправданным во многих случаях. Например, я использую “токовую петлю” для подключения компьютера, терминала и телеметрии к станции катодной защиты. В разливочном оборудовании периферийные контроллеры также связываются с центральным контроллером через “токовые петли”. Все те же преимущества: простота, помехоустойчивость, гальваническая развязка.

Принцип работы токовой петли.

Основной принцип работы заключен в названии “токовая петля”.

Передатчик и приемник соединены двухпроводной линией связи. Образуется петля передачи.

Преобразователь является не источником напряжения, а источником тока. Информация передается по текущему значению в цикле.

Для источника тока ток в последовательном контуре не зависит от сопротивления цепи. Поэтому ток на входе приемника будет иметь то же значение, что и на выходе передатчика, независимо от:

сопротивление линии связи (R линии);
сопротивление приемника (R в);
индуктивные помехи (E in.);
напряжение питания;
любое падение напряжения в контуре.

Это справедливо для чисто последовательной цепи без утечки тока. Это означает, что передатчик и приемник должны быть гальванически развязаны или приемник должен быть дифференциальным.

Емкостные индуктивности вызваны токами, приложенными параллельно источнику тока преобразователя (E емк.). Текущая петля не подавляет их. По этой причине в качестве линии связи в ИРПС обычно используется витая пара.

Для компенсации емкостного шума ЭДС соседних секций витой пары вычитается друг из друга. Экранирование кабеля витой пары может быть дополнительной мерой защиты.

Еще одной особенностью, повышающей устойчивость IRPS к помехам, является низкий входной импеданс приемника.

Кроме того, помехоустойчивость IRS сильно зависит от тока передатчика. Чем выше сила тока, тем сложнее вызвать помехи или глушение. Ток 60 мА когда-то использовался в телетайпах. С тех пор это значение было уменьшено, и теперь стандартом считаются 20 и 40 мА. Однако ничто не мешает использовать в токовой петле другие значения тока, в зависимости от требований.

“Токовая петля” может быть использована для одновременной передачи данных на несколько приемников.

По токовой петле можно передавать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Эта статья о дискретной передаче данных, или цифровой “токовой петле”.

Цифровой приемник токовой петли срабатывает при определенных пороговых значениях тока. В этом случае требования к точности и выходному сопротивлению преобразователей гораздо ниже, чем для аналоговых сигналов. Следовательно, аппаратная реализация проще.

Скорость передачи данных.

Использование источника тока в качестве передатчика приводит к основному недостатку IRPS – низкой скорости передачи данных. Это происходит потому, что емкость кабеля заряжается источником тока во время коммутации сигнала.

При стабильном токе I, протекающем через конденсатор C, время его зарядки до напряжения U определяется по формуле:

Предположим, у нас есть кабель длиной 1000 м и емкостью 75 нФ (75пкф/м). При токе 20 мА время зарядки кабеля до 5 В составит 18,75 мкс. Если время джиттера асинхронного цифрового сигнала принять равным 25%, то время передачи бита составит 75 мкс, что соответствует скорости около 13 кбод.

Скорость передачи IRPS определяется длиной канала. Стандарт устанавливает скорость передачи данных 9600 бод для линий длиной до 500 м. При увеличении длины кабеля скорость передачи данных пропорционально уменьшается.

Стандартные параметры IRPS.

Параметры интерфейса IRPS описаны в стандарте IRPS/IFFS (ОСТ 11305.916-84).

На международном уровне интерфейс “Петля тока” называется “Петля тока”. Он указан в стандарте IEC 62056-21 / DIN 66258.

Я перечислил основные параметры IRPS в таблице.

Параметр	Значение
Топология	Радиальный интерфейс
Линия связи	4 провода (2 витые пары)
Режим связи	Асинхронный, дуплексный
Гальваническая изоляция	Сторона приемника 500 В
Метод передачи сигнала	Текущая петля.
Логический уровень 1	Текущий 15 … 25 мА (для ИРПС 20 мА) Текущие 30 … 50 мА (для ИРПС 40 мА)
Логический уровень 0	Текущий 0 … 3 мА (для ИРПС 20 мА) Текущий 5 … 10 мА (для ИРПС 40 мА)
Длительность наклона на выходе передатчика	Макс. 1 мкс
Длительность наклона на входе приемника	Макс. 50 мкс
Скорость передачи	Скорость передачи данных 9600, для расстояний до 500 м. Если расстояние больше, то скорость пропорционально уменьшается.
Режим отключения линии связи и короткого замыкания.	В долгосрочной перспективе.
Падение входного напряжения на приемнике	5 В макс. для телетайпа. 2,5 В макс. для других устройств.
Входная емкость приемника	Не более 10 нФ.

Все эти требования могут быть нарушены и часто нарушаются в конкретных конструкциях. Могут быть разные токи, параметры передатчика и приемника. Обычно я использую сигналы на уровнях, противоположных стандартным. То есть, логическая 1 соответствует отсутствию тока, а логический 0 – наличию. В этом случае потребляемый ток ниже. Наиболее важным является принцип “токовой петли”, который обеспечивает свойства IRPS.

Аппаратная реализация ИРПС.

Преобразователь является источником тока. Источник тока представляет собой источник напряжения с высоким выходным сопротивлением, предпочтительно с бесконечным сопротивлением.

Простейший преобразователь IRPS представляет собой транзисторный переключатель с последовательно подключенным резистором.

Ток в цепи определяется:

I = Uпит / (передатчик R + линия R + приемник R)

Если сопротивление линии намного меньше сопротивления передатчика, то ток в цепи очень мало зависит от параметров линии.

Предположим, что сопротивление приемника равно 0. В любом случае, мы его знаем, он стабилен и может быть учтен в расчетах.
Если нам нужен ток 20 мА в цепи с нулевым линейным сопротивлением, импеданс преобразователя должен быть R = 12 В / 0,02 A = 600 Ом.
Сопротивление двойного кабеля длиной 1000 м и сечением 0,35 мм2 составляет 100 Ом. Если мы подключим его к цепи, ток составит I = 12 В / ( 600 + 100 ) = 0,017 мА.

Итог. Если мы изменим сопротивление линии от 0 до 100 Ом, ток в цепи будет изменяться от 20 до 17 мА. Вполне приемлемые значения для цифровой “токовой петли”.

Сопротивление эмиттерного резистора зависит от напряжения питания ключа. Сопротивление резистора должно быть увеличено, чтобы обеспечить одинаковый ток линии при увеличении напряжения питания. Поэтому, чем выше напряжение питания, тем выше может быть сопротивление линии связи.

В качестве приемника обычно используется оптопара. Он сам является токоприемником и обеспечивает гальваническую развязку.

Источник тока может находиться как на приемной, так и на передающей стороне. Узел с источником тока называется активным узлом.

Я объясню все это лучше с помощью практических диаграмм. Их может быть много. Я приведу основные варианты, наиболее распространенные.

Простейшее соединение между двумя платами Arduino с помощью “токовой петли”.

Это, вероятно, проще всего сделать. Источник тока передатчика представляет собой дискретный выход микроконтроллера с последовательно подключенным резистором.

В качестве приемника используется оптопара. Я выбрал PC817. Вы можете ознакомиться с его спецификацией PC817.pdf по этой ссылке.

Вычислить ток в цепи очень просто.

I = (передатчик U – приемник U) / (R1 + линия R)

Применительно к приведенной выше схеме, когда сопротивление линии равно 0:

I = ( 5 В – 1,3 В ) / 360 Ом = 10,2 мА

Основные недостатки схемы:

Низкое напряжение на выходе микроконтроллера и, следовательно, низкое сопротивление последовательного резистора.
Поэтому сопротивление линии должно быть достаточно низким, а линия не должна быть слишком длинной.
Схема не может обеспечить ток более 10-15 мА из-за низкой нагрузочной способности выводов микроконтроллера.

Тем не менее, чип вполне способен обеспечивать связь между устройствами на расстоянии до десятков и даже сотен метров.

С помощью этой схемы можно подключать платы Arduino. Программа из Урока 49 будет выполняться без изменений. Только теперь максимальное расстояние между досками значительно увеличится.

В последней схеме логическая 1 на выходе микроконтроллера соответствует отсутствию тока в линии, а при логическом 0 в контуре протекает ток 10 мА. Если требуется обратная полярность, схема будет выглядеть следующим образом.

Более продвинутые схемы IRPS.

В предыдущих 2 схемах передатчики активны. В приемниках имеется гальваническая развязка. Эти устройства гальванически изолированы как бы параллельно линии связи, что не очень хорошо с точки зрения безопасности.

Любое повреждение кабеля связи может привести к нарушению гальванической развязки.
Да, и основным требованием безопасности является гальваническая изоляция устройства от потенциально опасного кабеля связи между устройствами. Кабель обычно физически располагается в местах, где может возникнуть любое напряжение – от короткого замыкания до опасного для жизни напряжения.

Следующая схема гораздо более совершенна во всех отношениях.

Он обеспечивает гораздо лучшую изоляцию передатчика, приемника и полную гальваническую развязку от линии связи одного устройства. На рисунке устройство показано слева.

В передатчике используется выходной переключатель типа оптопары. В правом устройстве на схеме и приемник, и передатчик активны, а левое устройство пассивно. Получается, что левое устройство гальванически изолировано от линии связи без использования дополнительного источника питания.

Ток в цепи можно упростить по формуле:

I = ( приемник Upit – приемник Uin) / (R6 + Rline)

I = ( 12 – 1,5 ) / 510 = 20,6 мА.

Диоды VD1-VD4 защищают приемники и передатчики от выбросов и перенапряжений от отрицательно поляризованных линий. Еще лучше добавить стабилизаторы неисправности (аттенюаторы) для ограничения сигналов по амплитуде, но это уже другая тема. Но, по крайней мере, диоды на длинных линиях должны быть.

Если вы используете гальванически развязанный источник питания для фактического устройства от микроконтроллера, то оба устройства будут изолированы от линии связи.

В схеме используются оптопары в качестве передатчиков и приемников. Это приводит к двум проблемам.

Выходной ток оптрона связан с входным коэффициентом усиления. Для разных типов оптопар этот параметр имеет разные значения. Однако разработчики оптопар часто стандартизируют его в широком диапазоне. Например, для CNY74-3H коэффициент усиления варьируется от 50 до 600%.

При минимальном коэффициенте усиления 50%, для обеспечения выходного тока 20 мА, входной ток должен быть 40 мА. Это недопустимое значение как для выхода микроконтроллера, так и для светодиода оптопары.

С помощью этой схемы можно увеличить выходной ток оптопары:

Вторичный транзистор вместе с выходным транзистором оптопары образуют составной транзистор.

Вторая проблема находится на стороне приемника. Это ток срабатывания оптопары и, следовательно, приемника. Это также зависит от коэффициента усиления оптопары и может быть очень разным.

Необходимо установить порог тока, ниже которого приемник не будет работать. Это можно сделать, подключив параллельно светодиоду оптопары дополнительный резистор.

Часть тока будет протекать через резистор R1. Ток, протекающий через светодиод оптопары, определяется по формуле:

I-LED = I-line – ( Uпр светодиода / R 1).

Резистор будет “забирать” ток Uпр светодиода / R1. Это порог, к которому необходимо добавить ток оптопары. В данной схеме порог равен 1,3 В / 130 Ом = 10 мА.

Применение регулятора тока в ИРПС.

Во всех предыдущих схемах стабилизация тока на активной стороне ИРПС осуществлялась с помощью резистора, включенного последовательно с источником напряжения. Ток в контуре зависел, помимо прочего, от сопротивления линии связи.

I = ( U передатчика – U приемника ) / ( R столба + R линии )

Поэтому было введено ограничение на сопротивление линии связи. Как правило, она не должна превышать 10-20% от величины обратного потока R.

Влияние сопротивления линии связи может быть полностью устранено при использовании стабилизатора тока. Например, с помощью этой схемы.

Сила тока определяется по формуле:

, а для данной цепи – 20 мА.

Активным течением здесь является передатчик. Однако ничто не мешает использовать стабилизатор тока на приемной стороне.

Такие схемы позволяют передавать данные на большие расстояния. Они компенсируют сопротивление линии связи в широком диапазоне.

Например, в двух последних схемах:

Установлен ток 20 мА;
Напряжение питания 12 В;
Минимальное падение напряжения на передатчике 1,4 В;
падение напряжения на входе приемника 1,5 В;
Максимально допустимый импеданс линии связи
Rmax линии = (12 В – 1,4 В – 1,5 В) / 0,02 A = 455 Ом.
Сопротивление двойного кабеля длиной 1000 м и сечением 0,35 мм2 составляет
R = ρ * L / S = 0,0175 Ом 2 / м * 2000 м / 0,35 мм 2 = 100 Ом.

Две вышеуказанные схемы позволяют использовать кабель длиной до 4,5 км с сечением 0,35 мм2 .

При увеличении напряжения питания этот параметр становится еще больше. Кстати, в системах с регулятором тока питание может не стабилизироваться. Источник тока также компенсирует эту нестабильность.

Другие конфигурации интерфейсов, использующие принцип токовой петли.

Принцип токовой петли может быть использован для создания более сложных конфигураций интерфейса. Например, в системе управления разливочным оборудованием периферийные контроллеры связываются с центральным контроллером по двухпроводной линии связи. Используется принцип токовой петли, но реализована двунаправленная связь.

Со стороны центрального контроллера цепь представляет собой резистор, подключенный к выходу микроконтроллера.

Контроллер периферийных устройств имеет более сложную схему.

Он состоит из оптопары приема, оптопары передачи и оптопары, разрывающей цепь приема во время передачи. При приеме вторая оптопара замыкает цепь приемной оптопары. При передаче он открывает его, позволяя нижней оптопаре передавать данные. Периферийный контроллер гальванически изолирован от линии связи.

Урок закончился редким обилием схем. Я описал основные радиальные интерфейсы. Следующий урок будет посвящен протоколу ModBus.

В этой статье, организованной в форме вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также описаны различные усовершенствования и модификации токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.

Токовая петля 20 мА. Вопросы и ответы

Что делать, если вам нужно считать показания датчика температуры, работающего в промышленной среде на расстоянии 30 метров от контроллера? После тщательного рассмотрения и изучения существующих решений вы, скорее всего, выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая успешно используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, во многих случаях его выбор оправдан.

Эта статья, организованная в виде сессии вопросов и ответов, раскрывает особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также описаны различные усовершенствования и модификации токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.

Что такое токовая петля 20 мА?

Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА – это стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется как аналоговый ток. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА – максимальному значению сигнала (рис. 1). В типичном случае напряжение от датчика (часто в милливольтовом диапазоне) преобразуется в токовый сигнал в диапазоне 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменила пневматическое управление в промышленных приложениях.

Рисунок 1: При работе с датчиками токовая петля состоит из пяти основных компонентов: датчика, передатчика, источника питания, проводящей петли (контура) и приемника

Можно ли использовать токовую петлю в сочетании с цифровыми сигналами?

Да, это возможно. Обычно токовый сигнал 4 мА используется для представления логического “0”, а токовый сигнал 20 мА – для кодирования логической “1”. Более подробную информацию об этом можно найти далее в данном руководстве.

Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?

Он в основном используется в промышленных приложениях, где датчик и контроллер или контроллер и исполнительный механизм расположены на значительном расстоянии друг от друга, а кабели связи проходят в зонах с высоким уровнем электромагнитных помех.

Зачем использовать токовую петлю вместо традиционных интерфейсов, таких как RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?

На это есть две веские причины.

Во-первых, низкий импеданс токовой петли обеспечивает высокую устойчивость к внешним помехам. Согласно закону Кирхгофа, сумма токов в замкнутом контуре равна нулю. По этой причине ослабление или усиление тока в токовой петле невозможно (рис. 2). На практике токовая петля питается от источника напряжения 12-30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. В отличие от этого, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, основаны на высокоомных цепях, которые оказываются очень восприимчивыми к помехам.

Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если петля разорвана, ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. Затем генерируется сигнал тревоги и определяется местонахождение неисправности.

Рисунок 2: Принцип работы токовой петли определяется первым законом Кирхгофа: Сумма токов в замкнутом контуре равна нулю.

Как реализована токовая петля на стороне датчика и привода?

Устройства, подключенные к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и исполнительные механизмы. В передатчиках используется схема передатчика, которая генерирует линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. В приводах используется приемная схема, которая преобразует ток в управляющее напряжение. Например, контроллер генерирует токовый сигнал 4 мА для установки минимальной скорости двигателя и сигнал 20 мА для установки максимальной скорости.

Вместо токовой петли почему бы не использовать беспроводной интерфейс, например Wi-Fi, или другой проводной интерфейс, например Ethernet?

Как упоминалось выше, токовая петля имеет два важных преимущества: высокую помехоустойчивость и встроенную возможность самодиагностики. Этот интерфейс имеет и другие преимущества, к которым относятся низкая стоимость реализации, простота конфигурирования и отладки, простая диагностика, высокая надежность и возможность создания длинных линий связи длиной до нескольких сотен метров (при условии, что источник питания может покрыть падение напряжения на проводах).

Другие проводные стандарты сложнее в настройке и обслуживании, подвержены помехам, имеют низкую защиту от вскрытия и дороги в реализации.

Установление беспроводной связи в промышленной среде возможно, если расстояния небольшие. Однако при работе на больших расстояниях возникают трудности, связанные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализации механизмов обнаружения и исправления ошибок, что также приводит к избыточности данных. Все это увеличивает расходы и риск нарушения связи. Такое решение вряд ли будет оправданным, если все, что требуется, – это простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.

Как сигнал от токовой петли преобразуется в напряжение?

Это довольно просто: ток протекает через резистор, а полученное падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По различным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Так, сигнал 4 мА соответствует напряжению 1 В, а сигнал 20 мА – напряжению 5 В. Напряжение 1 В кажется довольно большим по сравнению с фоновым шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также очень удобно и находится в приемлемом диапазоне для большинства аналоговых схем. В то же время максимальная мощность, рассеиваемая в резисторе токовой петли (I 2 R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченной способностью рассеивать тепло.

Является ли токовая петля 20 мА пережитком прошлого, используемым только в старых электронных устройствах?

Вовсе нет. Производители ИС и устройств продолжают создавать новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.

Как аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?

Как упоминалось выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений с датчика могут передаваться не в виде непрерывного аналогового сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов. Типичные биты данных составляют от 12 до 16 бит. Иногда используется 18 бит, но это скорее исключение, так как для обычных промышленных систем достаточно 16 бит. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.

Что еще необходимо для передачи цифровых данных?

Для осуществления цифрового обмена данными недостаточно просто передавать биты в виде импульсов тока. Вы должны каким-то образом сообщить пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, необходимо отслеживать ошибки и выполнять другие функции. Поэтому для передачи цифровых данных через токовую петлю необходимо определить формат кадра и реализовать подходящий протокол передачи.

Что такое стандарт HART?

HART – это признанный стандарт, который не только определяет физическое кодирование битов, но и определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, собственно данные и, наконец, контрольная сумма.

Разработка HART была начата компанией Rosemount Corp. в 1980-х годах и вскоре стала де-факто промышленным стандартом. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) появилось в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был внедрен в качестве стандарта IEC для использования в Европе. HART претерпел три серьезные модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что чрезвычайно важно для рынка промышленной электроники.

Дополнительной особенностью HART является включение в командное поле информации о производителе электронного устройства. Эта информация позволяет избежать путаницы при установке, отладке и документировании, поскольку существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.

Какие еще усовершенствования предлагает HART?

Использование поля байтового адреса позволяет одной токовой петле поддерживать несколько подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это позволяет значительно сократить расходы на проводку и установку по сравнению с соединением “точка-точка”.

Подключение нескольких устройств к одной общей токовой петле означает снижение эффективной скорости передачи данных для каждого отдельного устройства. Чаще всего, однако, это не является проблемой. Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходят довольно редко – порядка одного раза в секунду. Например, температура – наиболее часто измеряемая физическая величина – имеет тенденцию изменяться довольно медленно.

Поэтому стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в эпоху цифровых технологий.

Есть ли другие улучшения, которые делают этот интерфейс более полезным?

Да, еще одно серьезное улучшение касается блока питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигнала 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и передатчику, и приводу требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилителей, драйверов и т.д.). Это приводит к повышению сложности и стоимости установки.

Однако с развитием интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшилось. В результате появилась возможность питать устройства непосредственно от токовой петли. Если ток потребления электроники датчика или исполнительного механизма не превышает 4 мА, то дополнительный источник питания не нужен. Пока напряжение сигнальной петли достаточно высоко, интерфейс токовой петли может питать сам себя.

Есть ли другие преимущества устройств с питанием от токовой петли?

Да. Многие устройства с питанием от сигнальных шлейфов должны быть одобрены для использования во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств, относящихся к любому из этих классов, требуется, чтобы потребляемая электроникой мощность была настолько мала, что ее недостаточно для возникновения воспламенения, как при нормальных условиях эксплуатации, так и в случае аварии. Энергопотребление устройств с питанием от шлейфа настолько мало, что они обычно без проблем проходят эту сертификацию.

Что делают производители микросхем для упрощения токовой петли?

Они делают то, что делали всегда: разрабатывают ИС, которые обеспечивают не только базовую функциональность, но и множество других дополнительных возможностей. Например, MAX12900 от Maxim Integrated – это низковольтный высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).

Рисунок 3 MAX12900 – это низковольтный высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает базовую функциональность, а также множество дополнительных полезных функций, включая питание непосредственно от токовой петли.

Микросхема MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание непосредственно от токовой петли. Микросхема объединяет несколько функциональных блоков в одном корпусе: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для генерации ШИМ-сигналов; два ОУ общего назначения с низкой мощностью и стабильностью; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схема управления питанием для плавного переключения; источники опорного напряжения с низким дрейфом.

Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?

Texas Instruments предлагает TIDM-01000, микросхему датчика опорной температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Основанный на микроконтроллере MSP430, он является недорогим решением и требует минимального количества компонентов.

Рис. 4 Эталонная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема основана на нескольких интегральных схемах, которые обрабатывают показания датчиков и взаимодействуют с токовой петлей.

Для контроля тока в TIDM-01000 используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Поэтому отдельный ЦАП не требуется. Чип имеет разрешение 12 бит с шагом квантования выходного тока 6 мкА. Предлагаемое решение обеспечивает защиту от обратной полярности и защиту входа токовой петли в соответствии со стандартами IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).

Рисунок 5: Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, помещается на небольшой печатной плате. Компактность – еще одно преимущество текущего контура

Заключение

В этой статье рассмотрены основные вопросы использования токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Хотя этот интерфейс является древним по стандартам электроники, он по-прежнему широко используется, в том числе в современных цифровых устройствах. В статье также объясняется, как питание от токовой петли еще больше расширяет возможности этого интерфейса.

Питание компонентов измерительного тракта может осуществляться непосредственно от петли (через передаваемый токовый сигнал) или от внешнего источника питания. Устройства с питанием от шлейфа должны иметь низкое энергопотребление, поэтому они обычно проще в изготовлении и имеют меньше дополнительных функций.

Основы токовой петли 4-20 мА

В век современных цифровых стандартов связи, таких как Bluetooth или Ethernet, в промышленных системах все еще можно найти гораздо более старые решения, включая токовую петлю 4-20 мА. Этот интерфейс, проверенный годами, по-прежнему считается привлекательным, отчасти благодаря своей надежности и относительно низкой стоимости реализации.

Основы работы с токовой петлей 4-20 мА

Токовая петля 4-20 мА – это простой аналоговый интерфейс связи, который позволяет передавать и считывать один измерительный сигнал. В течение многих лет он является одним из наиболее распространенных стандартов в промышленных системах управления и контроля, известен и используется на протяжении десятилетий. Каждая электронная система, контактирующая с промышленными системами, скорее всего, рано или поздно столкнется с этим решением, поэтому стоит изучить основную информацию о нем и ознакомиться с принципами его работы. домино qiu qiu 99

Основы токовой петли

Рисунок 1: Пример простой токовой петли, состоящей из источника напряжения и трех нагрузок

Для токовой петли 4-20 мА электрической величиной, передающей информацию, является величина имеющегося электрического тока. Пример простой токовой петли показан на рисунке 1. Она состоит из источника напряжения и трех переменных резистивных нагрузок.

Все элементы соединены последовательно, поэтому через каждый из них протекает одинаковый ток, что является наиболее важной характеристикой токовой петли. По этой причине, в отличие от сигналов напряжения, можно передавать информацию на большие расстояния, не беспокоясь о потерях и помехах из-за высокого сопротивления кабелей передачи.

Значение измерения преобразуется в значение тока, при этом предполагается, что значение тока 4 мА представляет 0%, а 20 мА – 100% диапазона измерения. Сдвигая нулевое значение сигнала, можно было не только легко обнаружить ошибки в схеме (значение 0 мА на приемнике позволяет обнаружить обрыв цепи, а значительное превышение 20 мА – короткое замыкание), но и питать элементы схемы непосредственно от сигнальной линии, пока сумма протекающих через них токов питания не превышает примерно 3,5 мА.

Как уже упоминалось, одна токовая петля может использоваться для поддержки только одного измерительного сигнала, т.е. для контроля одного значения. Петля состоит из определенных типов компонентов, которые будут описаны ниже.

Сенсор. Важнейшей частью любого измерительного контура является датчик, который представляет собой цепь, преобразующую измеряемую физическую величину в электрическую величину, такую как сопротивление или напряжение. Датчики могут быть изготовлены различными способами и с использованием различных технологий, в зависимости от измеряемой величины. Типичными величинами, контролируемыми в промышленных системах с помощью токовой петли, являются температура, влажность, давление, расход, перемещение или, например, уровень жидкости в резервуаре.

Преобразователь/передатчик. Задача преобразователя – преобразовать выходной сигнал от датчика в токовый сигнал, совместимый со стандартом токовой петли 4-20 мА. Например, если датчик измеряет уровень жидкости в резервуаре высотой два метра, ему необходимо преобразовать сигнал от датчика на нулевой (минимальной) высоте в ток 4 мА, на половине высоты (1 метр) – в 12 мА, а на максимальной высоте (2 метра) – в 20 мА.

Как правило, преобразователь контролирует сигнал в контуре, изменяя величину сопротивления. В зависимости от конструкции, питание преобразователя может осуществляться непосредственно от токовой петли или от внешнего источника питания. Различия между этими решениями будут описаны ниже.

Электропитание. Важным элементом контура является источник постоянного напряжения. При измерениях используются различные значения напряжения (например, 9, 12, 24 В), хотя 24 В является наиболее распространенным. Значение этого напряжения связано с концепцией бюджета контура, которая будет обсуждаться далее в тексте. Занижение бюджета из-за слишком низкого напряжения питания может привести к отказу системы.

Физически токовая петля состоит из проводов, соединяющих отдельные компоненты. Соединительные кабели также вносят некоторое сопротивление в цепь, но им обычно пренебрегают из-за его малого значения по сравнению с другими компонентами на пути измерения. Для соединений на больших расстояниях, порядка нескольких сотен метров, это совсем другое дело. Поэтому сопротивление кабелей должно быть учтено в расчетах.

Приемник. В петле должно быть устройство для приема и считывания результата измерения, а также для представления его в читаемом виде. Основным элементом приемника является система измерения тока (миллиамперметр), которая обычно работает путем измерения напряжения, приложенного к измерительному резистору известного сопротивления (обычно 250 Ом). Приемник может быть оснащен множеством дополнительных компонентов, таких как дисплей или исполнительные механизмы, и может быть интегрирован в более сложную систему управления и контроля.

Зная сопротивление магнитофона (350 Ом) и приемника (250 Ом), закон Ома можно использовать для расчета падения напряжения на этих компонентах. Это будет 5,75 В (0,023 × 250) для приемника и 8,05 В для регистратора (0,023 × 350 соответственно). Предположим, что минимальное напряжение питания передатчика составляет 8 В, а сопротивление проводов – 10,7 Ом (приблизительно 40 м при 0,445 мм²), поэтому максимальное падение напряжения на них составляет 0,25 В.

Вычтите все полученные значения падения напряжения из напряжения питания, чтобы получить значение бюджета контура. Для приведенного примера (Таблица 1) результат составил 1,95 В, что говорит о том, что токовая петля должна работать правильно в данных условиях.

Преимущества и недостатки контура 4-20 мА

Наиболее важными преимуществами контура 4-20 мА являются:

Токовая петля 4-20 мА является общепринятым промышленным стандартом, поэтому на рынке можно найти множество устройств, отвечающих этим требованиям. Это проверенное решение с высокой надежностью.

Он обеспечивает простоту подключения и настройки.
Требуется минимальное количество кабелей, что значительно снижает затраты на установку системы.
Сигнал тока гораздо лучше сигнала напряжения для передачи на большие расстояния, поскольку он не подвержен помехам от перепадов напряжения на проводах.
Токовая петля облегчает диагностику неисправностей системы, таких как короткое замыкание, поскольку каждый измерительный элемент имеет собственную петлю, а нулевое значение сигнала смещено на 4 миллиампера.

Основным недостатком этого решения является то, что на один цикл может быть подан только один измерительный сигнал. Хотя это облегчает диагностику неисправностей, это требует нескольких путей измерения, если вам нужно считывать измерения с нескольких датчиков.

Большое количество проводов может вызвать проблемы из-за отсутствия достаточной изоляции между ними, например, случайное замыкание на землю. В то же время, с увеличением количества смежных шлейфов повышаются требования к качеству взаимной изоляции проводов.

Пример токовой петли с передатчиком с внешним питанием (4 провода)

Как уже упоминалось, питание отдельных компонентов измерительной цепи может осуществляться извне или непосредственно от тока, протекающего в контуре. Устройства второго типа называются устройствами с питанием от шлейфа или двухпроводными устройствами, поскольку для их подключения требуется только два провода – положительный (+) и отрицательный (-).

Устройства с питанием от шлейфа должны иметь низкое энергопотребление, поэтому они обычно имеют простую конструкцию, без дисплеев и механических переключателей, и довольно ограниченный набор функций. Это также делает их менее дорогими по сравнению с устройствами, требующими дополнительного источника питания.

Основным преимуществом использования питания по шлейфу является простота установки системы, особенно в труднодоступных или удаленных местах. Нет необходимости в прокладке дополнительных кабелей, а питание всей системы может осуществляться от одного источника, например, от аккумулятора или солнечной батареи. Как правило, только излучатель подключается непосредственно к источнику, который действует как источник тока петли.

Некоторые устройства, предназначенные для работы в токовой петле, используют внешний источник питания. Системы такого типа больше не нуждаются в снижении энергопотребления, поэтому они обычно имеют более высокий уровень сложности и большую функциональность, например, дисплеи с графическим интерфейсом пользователя или дополнительные интерфейсы связи для подключения к другим системам. Существует два типа устройств этого типа – полностью (4-проводной) и частично (3-проводной) изолированный источник питания.

Полностью изолированные устройства электропитания иногда называют 4-проводными системами, поскольку они имеют четыре провода – по два для сигнальных и силовых линий. Эти типы систем получают питание от внешнего источника, поэтому они вызывают лишь минимальное падение напряжения в токовой петле.

Они могут питаться как постоянным, так и переменным током непосредственно от сети. В такой конфигурации токовая петля обычно гальванически изолирована от источника питания, и между этими двумя цепями нет постоянного тока.

С внешним источником питания устройства такого типа могут выполнять гораздо более сложные и энергоемкие функции. Настройка измерительной схемы с использованием таких устройств также может быть проще, поскольку не требует знаний, связанных с расчетом энергетического баланса контура.

Несомненным недостатком этого решения является необходимость обеспечения дополнительного источника питания для отдельных элементов шлейфа. Кроме того, 4-проводные кабели обычно дороже, а для установки требуется больше соединительных кабелей.

3-проводные устройства в основном такие же, как и 4-проводные, за исключением того, что источник питания не изолирован. В этом типе решения сигнальные и силовые цепи имеют общую землю и, следовательно, общий путь обратного тока.

По сравнению с вышеупомянутыми 4-проводными системами, 3-проводные устройства имеют более низкую стоимость из-за отсутствия встроенной изоляции, а также проще в установке (меньше соединительных проводов). На них может подаваться только постоянное напряжение, поэтому их нельзя подключать непосредственно к электрической системе. Они также требуют более тщательной установки и подключения, поскольку при неправильной конфигурации петли результат измерения будет зависеть от тока питания.

Выход

Токовая петля 4-20 мА по-прежнему является одним из самых популярных стандартов в промышленных измерительных системах. Он идеально подходит для связи на большие расстояния, так как не чувствителен к помехам от перепадов напряжения в соединительных кабелях, по крайней мере, до тех пор, пока поддерживается положительный энергетический баланс контура. Он также характеризуется простотой установки и эксплуатации.

Питание элементов измерительной цепи может осуществляться непосредственно от контура (через передаваемый токовый сигнал) или от внешнего источника питания. Устройства с питанием от шлейфа должны иметь низкое энергопотребление и поэтому обычно имеют более простую конструкцию и меньшее количество дополнительных функций.

< Назад
Вперед >

Данный ресурс содержит новости об альтернативных и возобновляемых источниках энергии по всему миру. В нем сообщается об основных событиях в более чем 200 странах, включая Россию, Украину и другие страны Советского Союза.

Возобновляемая энергия – это совокупность способов использования неисчерпаемых природных ресурсов для производства электроэнергии или других видов энергии. Большинство возобновляемых источников энергии являются альтернативными, то есть не предполагают использования топливных ископаемых.

На сайте представлены новости о ветровой и солнечной энергии как наиболее развитых и перспективных областях применения возобновляемых источников энергии в мире. В нем также освещаются разработки в области гидроэнергетики, геотермальной и океанической энергии и рассматриваются новые способы получения возобновляемой энергии.

Но рассматриваются и тесно связанные вопросы: развитие электромобилей, предотвращение загрязнения окружающей среды, перенаселение Земли. Ядерная энергия указывается как наиболее спорный способ производства электроэнергии. Одни считают его совершенно безопасным методом производства энергии, другие выступают за отказ от ядерной энергии. Наиболее важные статьи, описывающие общее состояние отрасли, распределены по разделам в меню в левой части сайта.

Авторы сайта считают, что альтернативная и возобновляемая энергия станет решением двух основных проблем, стоящих перед человечеством. Во-первых, они станут источником энергии будущего, когда закончится ископаемое топливо. Во-вторых, они остановят выбросы углекислого газа и глобальное потепление.

Читайте далее: