כיצד פועל מעגל 4-20 mA

"הלולאה הנוכחית" שימשה כממשק להעברת נתונים בשנות ה-50. בתחילה, זרם ההפעלה של הממשק היה 60 מיליאמפר, ומאוחר יותר, החל משנת 1962, ממשק לולאת הזרם של 20 מיליאמפר הפך לנפוץ בטלטייפ.

בשנות ה-80, כאשר חיישנים שונים, ציוד אוטומציה ומפעילים החלו להיות מוצגים באופן נרחב בציוד טכנולוגי, ממשק "מעגל הזרם" צמצם את טווח זרמי הפעולה שלו - הוא החל לנוע בין 4 ל-20 mA.

ההתפשטות הנוספת של "לולאה נוכחית" החלה להאט משנת 1983, עם הופעתו של תקן ממשק RS-485, וכיום "לולאה נוכחית" כמעט ואינה בשימוש בציוד חדש ככזה.

משדר לולאת זרם שונה ממשדר RS-485 בכך שהוא משתמש במקור זרם ולא במקור מתח.

הזרם, בניגוד למתח, הנע מהמקור לאורך המעגל, אינו משנה את ערכו הנוכחי בהתאם לפרמטרי העומס. לכן, "לולאת הזרם" אינה רגישה להתנגדות כבל, להתנגדות עומס, או אפילו לרעש אינדוקטיבי EMF.

בנוסף, זרם הלולאה אינו תלוי במתח האספקה ​​של מקור הזרם עצמו, אלא יכול להשתנות רק עקב דליפות דרך הכבל, שבדרך כלל אינן משמעותיות. מאפיין זה של המחזור הנוכחי קובע לחלוטין את דרכי היישום שלו.

יש לציין שה-EMF של האיסוף הקיבולי מוחל כאן במקביל למקור הזרם, והמיגון משמש להחלשת האפקט הטפילי שלו.

מסיבה זו, קו העברת האות הוא בדרך כלל זוג מעוות מוגן, אשר פועל יחד עם מקלט דיפרנציאלי, לבדו מחליש מצב משותף ורעש אינדוקטיבי.

בצד המקבל של האות, זרם הלולאה מומר למתח באמצעות נגד מכויל. ובזרם של 20 mA, מתקבל מתח של הסדרה הסטנדרטית 2.5 V; 5V; 10V; - מספיק רק להשתמש בנגד עם התנגדות של 125, 250 או 500 אוהם בהתאמה.

החיסרון הראשון והעיקרי של ממשק "לולאת זרם" הוא המהירות הנמוכה שלו, המוגבלת על ידי מהירות הטעינה של קיבולת כבל השידור ממקור הזרם הנ"ל הממוקם בצד המשדר.

לכן, כאשר משתמשים בכבל באורך 2 ק"מ, עם קיבול ליניארי של 75 pF/m, הקיבול שלו יהיה 150 nF, כלומר נדרשים 38 μs כדי לטעון את הקיבול הזה ל-5 וולט בזרם של 20 mA, המתאים. לקצב העברת נתונים של 4.5 kbps.

להלן תלות גרפית של קצב העברת הנתונים המרבי הזמין דרך «לולאת הזרם» באורך הכבל המשמש ברמות שונות של עיוות (ריצוד) ובמתחים שונים, ההערכה בוצעה באותו אופן כמו עבור ממשק RS -485.

חסרון נוסף של "לולאה הנוכחית" הוא היעדר תקן ספציפי לעיצוב המחברים ולפרמטרים החשמליים של הכבלים, מה שמגביל גם את היישום המעשי של ממשק זה. למען ההגינות, ניתן לציין שלמעשה, המקובלים נעים בין 0 ל-20 mA ובין 4 ל-20 mA. הטווח 0 - 60 mA משמש הרבה פחות.

הפיתוחים המבטיחים ביותר הדורשים שימוש בממשק "לולאה נוכחית", לרוב משתמשים כיום רק בממשק 4 ... 20 mA, המאפשר לאבחן בקלות שבירת קו. בנוסף, "לולאה נוכחית" "יכול להיות דיגיטלי או אנלוגי, בהתאם לדרישות המפתח (עוד על כך בהמשך).

קצב הנתונים הנמוך כמעט של כל סוג של "לולאה נוכחית" (אנלוגית או דיגיטלית) מאפשר להשתמש בו בו-זמנית עם מספר מקלטים המחוברים בסדרה, ולא נדרשת התאמה של קווים ארוכים.

גרסה אנלוגית של "מחזור נוכחי"

"לולאת הזרם" האנלוגית מצאה יישום בטכנולוגיה שבה יש צורך, למשל, להעביר אותות מחיישנים לבקרים או בין בקרים ומפעילים. כאן, המחזור הנוכחי מספק מספר יתרונות.

קודם כל, טווח השונות של הערך הנמדד, כאשר הוא מצטמצם לטווח הסטנדרטי, מאפשר לך לשנות את רכיבי המערכת. גם היכולת לשדר אות עם דיוק גבוה (לא יותר מ-+-0.05% שגיאה) על פני מרחק ניכר. לבסוף, תקן המחזור הנוכחי נתמך על ידי רוב ספקי האוטומציה התעשייתית.

ללולאת הזרם של 4 … 20 mA יש זרם מינימלי של 4 mA כנקודת ייחוס האות.לפיכך, אם הכבל נשבר, הזרם יהיה אפס. בעת שימוש בלולאת זרם של 0 ... 20 mA, יהיה קשה יותר לאבחן שבר בכבל, שכן 0 mA עשוי פשוט להצביע על הערך המינימלי של האות המשודר. יתרון נוסף של טווח 4 ... 20 mA הוא שגם ברמה של 4 mA ניתן להפעיל את החיישן ללא כל בעיה.

להלן שני דיאגרמות זרם אנלוגיות. בגרסה הראשונה, ספק הכוח מובנה במשדר, ואילו בגרסה השנייה, ספק הכוח הוא חיצוני.

ספק הכוח המובנה נוח מבחינת התקנה, והחיצוני מאפשר לך לשנות את הפרמטרים שלו בהתאם למטרה ולתנאי ההפעלה של המכשיר איתו משתמשים בלולאה הנוכחית.

עקרון הפעולה של הלולאה הנוכחית זהה לשני המעגלים. באופן אידיאלי, למגבר יש התנגדות פנימית גדולה לאין שיעור וזרם אפס בכניסות שלו, מה שאומר שגם המתח על הכניסות שלו הוא אפס בהתחלה.

לפיכך, הזרם דרך הנגד במשדר יהיה תלוי רק בערך מתח הכניסה ויהיה שווה לזרם בכל הלולאה, בעוד שלא יהיה תלוי בהתנגדות העומס. לכן, ניתן לקבוע בקלות את מתח הכניסה של המקלט.

למעגל ה-op-amp יתרון בכך שהוא מאפשר לכייל את המשדר מבלי לחבר אליו כבל מקלט, מאחר והשגיאה שמציגים המקלט והכבל קטנה מאוד.

מתח המוצא נבחר על סמך הצרכים של טרנזיסטור השידור לפעולתו הרגילה במצב אקטיבי, כמו גם עם התנאי לפיצוי על ירידת המתח על החוטים, הטרנזיסטור עצמו והנגדים.

נניח שהנגדים הם 500 אוהם והכבל הוא 100 אוהם. לאחר מכן, כדי להשיג זרם של 20 mA, נדרש מקור מתח של 22 V. המתח הסטנדרטי הקרוב ביותר נבחר - 24 V. הכוח העודף ממגבלת המתח פשוט יתפזר על הטרנזיסטור.

שים לב ששני התרשימים מציגים בידוד גלווני בין שלב המשדר לכניסת המשדר. זה נעשה כדי למנוע כל קשר כוזב בין המשדר למקלט.

כדוגמה למשדר לבניית לולאת זרם אנלוגית, נוכל לציין מוצר מוגמר NL-4AO עם ארבעה ערוצי יציאה אנלוגיים לחיבור מחשב עם מפעיל באמצעות 4 ... 20 mA או 0 ... 20 mA » מחזור נוכחי « פרוטוקול.

המודול מתקשר עם המחשב באמצעות פרוטוקול RS-485. המכשיר מכויל עדכני כדי לפצות על שגיאות המרה ומבצע פקודות המסופקות על ידי המחשב. מקדמי הכיול מאוחסנים בזיכרון המכשיר. נתונים דיגיטליים מומרים לאנלוגיים באמצעות DAC.

גרסה דיגיטלית של "מחזור נוכחי"

לולאת הזרם הדיגיטלית פועלת, ככלל, במצב 0 ... 20 mA, מכיוון שקל יותר לשחזר את האות הדיגיטלי בצורה זו. הדיוק של רמות הלוגיקה לא כל כך חשוב כאן, ולכן למקור זרם הלולאה יכולה להיות התנגדות פנימית לא גבוהה במיוחד ודיוק נמוך יחסית.

בתרשים למעלה, עם מתח אספקה ​​של 24 וולט, 0.8 וולט ירד בכניסת המקלט, כלומר עם נגד של 1.2 kΩ, הזרם יהיה 20 mA. ניתן להזניח את ירידת המתח בכבל, גם אם ההתנגדות שלו היא 10% מסך התנגדות הלולאה, וכך גם ירידת המתח על פני המצמד האופטו.בפועל, בתנאים אלו, המשדר יכול להיחשב כמקור זרם.