วิธีการทำงานของวงจร 4-20 มิลลิแอมป์

"ลูปปัจจุบัน" ใช้เป็นอินเทอร์เฟซการส่งข้อมูลในปี 1950 ในตอนแรก กระแสการทำงานของอินเทอร์เฟซคือ 60 mA และต่อมา เริ่มในปี 1962 อินเทอร์เฟซลูปปัจจุบัน 20 mA แพร่หลายในเทเลไทป์

ในช่วงทศวรรษที่ 1980 เมื่อเซ็นเซอร์ อุปกรณ์อัตโนมัติ และแอคชูเอเตอร์ต่างๆ เริ่มถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เทคโนโลยี อินเทอร์เฟซ "วงจรกระแส" ทำให้ช่วงของกระแสการทำงานแคบลง โดยเริ่มแปรผันตั้งแต่ 4 ถึง 20 มิลลิแอมป์

การแพร่กระจายเพิ่มเติมของ «current loop» เริ่มชะลอตัวลงจากปี 1983 ด้วยการถือกำเนิดของมาตรฐานอินเตอร์เฟส RS-485 และในปัจจุบัน «current loop» แทบไม่ได้ใช้ในอุปกรณ์ใหม่เช่นนี้

เครื่องส่งสัญญาณลูปปัจจุบันแตกต่างจากเครื่องส่งสัญญาณ RS-485 ตรงที่ใช้แหล่งกระแสไฟฟ้าแทนแหล่งจ่ายแรงดัน

กระแสซึ่งแตกต่างจากแรงดันไฟฟ้าที่เคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิดไปตามวงจรจะไม่เปลี่ยนค่าปัจจุบันขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์โหลด ดังนั้น «ลูปกระแส» จึงไม่ไวต่อความต้านทานของสายเคเบิล ความต้านทานโหลด หรือแม้แต่ EMF สัญญาณรบกวนที่เหนี่ยวนำ

นอกจากนี้ กระแสลูปไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงดันแหล่งจ่ายของแหล่งจ่ายกระแส แต่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เนื่องจากการรั่วไหลผ่านสายเคเบิลเท่านั้น ซึ่งโดยปกติจะไม่มีนัยสำคัญ คุณลักษณะของวัฏจักรปัจจุบันนี้กำหนดวิธีการดำเนินการอย่างสมบูรณ์

ควรสังเกตว่า EMF ของปิ๊กอัพแบบคาปาซิทีฟถูกนำไปใช้ที่นี่ควบคู่ไปกับแหล่งกระแส และใช้การป้องกันเพื่อลดผลกระทบจากกาฝาก

ด้วยเหตุนี้ สายส่งสัญญาณมักจะเป็นคู่บิดหุ้มฉนวน ซึ่งทำงานร่วมกับตัวรับดิฟเฟอเรนเชียล เพียงอย่างเดียวจะลดทอนโหมดทั่วไปและสัญญาณรบกวนอุปนัย

ที่ด้านรับสัญญาณ กระแสลูปจะถูกแปลงเป็นแรงดันโดยใช้ตัวต้านทานที่ปรับเทียบแล้ว และที่กระแส 20 mA จะได้รับแรงดันไฟฟ้าของซีรีย์มาตรฐาน 2.5 V 5V; 10V; — แค่ใช้ตัวต้านทานที่มีความต้านทาน 125, 250 หรือ 500 โอห์มตามลำดับก็เพียงพอแล้ว

ข้อเสียข้อแรกและข้อด้อยที่สำคัญของอินเทอร์เฟซ «current loop» คือความเร็วต่ำ ซึ่งจำกัดโดยความเร็วในการชาร์จความจุของสายส่งจากแหล่งจ่ายกระแสที่กล่าวถึงข้างต้นซึ่งอยู่ที่ด้านส่งสัญญาณ

ดังนั้นเมื่อใช้สายเคเบิลยาว 2 กม. ที่มีความจุเชิงเส้น 75 pF / m ความจุของมันจะเป็น 150 nF ซึ่งหมายความว่าจะใช้เวลา 38 μsในการชาร์จความจุนี้เป็น 5 โวลต์ที่กระแส 20 mA ซึ่งสอดคล้องกับ อัตราการถ่ายโอนข้อมูล 4.5 kbps

ด้านล่างนี้เป็นการพึ่งพาแบบกราฟิกของอัตราการส่งข้อมูลสูงสุดที่มีผ่าน «ลูปกระแส» กับความยาวของสายเคเบิลที่ใช้ในระดับความผิดเพี้ยน (Jitter) ต่างๆ และที่แรงดันไฟฟ้าต่างกัน การประเมินได้ดำเนินการในลักษณะเดียวกับสำหรับ RS อินเตอร์เฟส -485.

ข้อเสียอีกประการหนึ่งของ «ลูปปัจจุบัน» คือการขาดมาตรฐานเฉพาะสำหรับการออกแบบตัวเชื่อมต่อและสำหรับพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของสายเคเบิล ซึ่งจำกัดการใช้งานจริงของอินเทอร์เฟซนี้ด้วย ในความเป็นธรรมสามารถสังเกตได้ว่าในความเป็นจริงแล้วค่าที่ยอมรับโดยทั่วไปมีตั้งแต่ 0 ถึง 20 mA และตั้งแต่ 4 ถึง 20 mA ช่วง 0 — 60 mA ใช้บ่อยน้อยกว่ามาก

การพัฒนาที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่ต้องใช้อินเทอร์เฟซ "current loop" ส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้เฉพาะอินเทอร์เฟซ 4 ... 20 mA ซึ่งทำให้สามารถวินิจฉัยตัวแบ่งบรรทัดได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ "ลูปปัจจุบัน " สามารถเป็นดิจิทัลหรืออะนาล็อก ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของผู้พัฒนา (เพิ่มเติมในภายหลัง)

อัตราข้อมูลที่ต่ำของ «current loop» ทุกประเภท (อะนาล็อกหรือดิจิตอล) ช่วยให้สามารถใช้พร้อมกันกับเครื่องรับหลายเครื่องที่เชื่อมต่อเป็นอนุกรมได้ และไม่จำเป็นต้องจับคู่สายยาว

เวอร์ชันอะนาล็อกของ «วงจรปัจจุบัน»

"ลูปปัจจุบัน" แบบอะนาล็อกพบการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีที่จำเป็น เช่น การส่งสัญญาณจากเซ็นเซอร์ไปยังตัวควบคุมหรือระหว่างตัวควบคุมและแอคชูเอเตอร์ ที่นี่ วัฏจักรปัจจุบันมีข้อดีหลายประการ

ประการแรก ช่วงการเปลี่ยนแปลงของค่าที่วัดได้เมื่อลดลงเป็นช่วงมาตรฐาน จะช่วยให้คุณเปลี่ยนส่วนประกอบของระบบได้ ความสามารถในการส่งสัญญาณที่มีความแม่นยำสูง (ข้อผิดพลาดไม่เกิน + -0.05%) ในระยะทางที่มากก็น่าทึ่งเช่นกัน สุดท้าย มาตรฐานวงจรปัจจุบันได้รับการสนับสนุนโดยผู้จำหน่ายระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่

ลูปกระแส 4 … 20 mA มีกระแสต่ำสุด 4 mA เป็นจุดอ้างอิงสัญญาณดังนั้นหากสายเคเบิลขาดกระแสจะเป็นศูนย์ ในขณะที่ใช้ลูปปัจจุบัน 0 … 20 mA การวินิจฉัยการแตกหักของสายเคเบิลจะทำได้ยากขึ้น เนื่องจาก 0 mA อาจระบุค่าต่ำสุดของสัญญาณที่ส่งได้ ข้อดีอีกอย่างของช่วง 4 … 20 mA คือแม้ที่ระดับ 4 mA ก็จ่ายไฟให้เซ็นเซอร์ได้โดยไม่มีปัญหาใดๆ

ด้านล่างนี้เป็นไดอะแกรมกระแสอะนาล็อกสองแบบ ในเวอร์ชันแรก แหล่งจ่ายไฟอยู่ในเครื่องส่งสัญญาณ ในขณะที่เวอร์ชันที่สอง แหล่งจ่ายไฟจะอยู่ภายนอก

แหล่งจ่ายไฟในตัวสะดวกในแง่ของการติดตั้งและแหล่งจ่ายไฟภายนอกช่วยให้คุณสามารถเปลี่ยนพารามิเตอร์ได้ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์และสภาพการทำงานของอุปกรณ์ที่ใช้ลูปปัจจุบัน

หลักการทำงานของลูปปัจจุบันเหมือนกันสำหรับทั้งสองวงจร ตามหลักการแล้ว op-amp มีความต้านทานภายในที่มากเป็นอนันต์และกระแสเป็นศูนย์ที่อินพุต ซึ่งหมายความว่าแรงดันที่ตกคร่อมอินพุตจะเป็นศูนย์เช่นกัน

ดังนั้นกระแสผ่านตัวต้านทานในเครื่องส่งสัญญาณจะขึ้นอยู่กับค่าของแรงดันอินพุตเท่านั้น และจะเท่ากับกระแสในลูปทั้งหมด ในขณะที่จะไม่ขึ้นอยู่กับความต้านทานโหลด ดังนั้นจึงสามารถกำหนดแรงดันไฟฟ้าอินพุตของเครื่องรับได้อย่างง่ายดาย

วงจรออปแอมป์มีข้อดีตรงที่ช่วยให้คุณปรับเทียบเครื่องส่งสัญญาณได้โดยไม่ต้องต่อสายรับสัญญาณ เนื่องจากข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นจากเครื่องรับและสายสัญญาณมีน้อยมาก

แรงดันขาออกถูกเลือกตามความต้องการของทรานซิสเตอร์ส่งกำลังสำหรับการทำงานปกติในโหมดแอคทีฟ รวมถึงเงื่อนไขการชดเชยแรงดันตกที่สายไฟ ทรานซิสเตอร์เอง และตัวต้านทาน

สมมติว่าตัวต้านทานเป็น 500 โอห์มและสายเคเบิลเป็น 100 โอห์ม จากนั้นเพื่อให้ได้กระแส 20 mA จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายแรงดัน 22 V เลือกแรงดันไฟฟ้ามาตรฐานที่ใกล้ที่สุด — 24 V พลังงานส่วนเกินจากขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าจะกระจายไปที่ทรานซิสเตอร์

โปรดทราบว่าแผนภูมิทั้งสองแสดง การแยกด้วยไฟฟ้า ระหว่างระยะเครื่องส่งสัญญาณและอินพุตของเครื่องส่งสัญญาณ สิ่งนี้ทำเพื่อหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อที่ผิดพลาดระหว่างตัวส่งและตัวรับ

ตัวอย่างของเครื่องส่งสัญญาณสำหรับการสร้างลูปปัจจุบันแบบอะนาล็อก เราสามารถอ้างอิงผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป NL-4AO พร้อมช่องสัญญาณเอาต์พุตแบบอะนาล็อกสี่ช่องสำหรับเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์กับแอคชูเอเตอร์โดยใช้ 4 ... 20 mA หรือ 0 ... 20 mA » รอบปัจจุบัน « โปรโตคอล

โมดูลสื่อสารกับคอมพิวเตอร์ผ่านโปรโตคอล RS-485 อุปกรณ์ได้รับการปรับเทียบในปัจจุบันเพื่อชดเชยข้อผิดพลาดในการแปลงและดำเนินการคำสั่งที่จัดทำโดยคอมพิวเตอร์ ค่าสัมประสิทธิ์การสอบเทียบจะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำของอุปกรณ์ ข้อมูลดิจิทัลถูกแปลงเป็นอะนาล็อกโดยใช้ DAC

เวอร์ชันดิจิตอลของ «วงจรปัจจุบัน»

ตามกฎแล้วลูปปัจจุบันแบบดิจิทัลทำงานในโหมด 0 ... 20 mA เนื่องจากการสร้างสัญญาณดิจิทัลในรูปแบบนี้ง่ายกว่า ความแม่นยำของระดับลอจิกไม่สำคัญที่นี่ ดังนั้นแหล่งกระแสลูปอาจมีความต้านทานภายในไม่สูงมากนักและมีความแม่นยำค่อนข้างต่ำ

ในแผนภาพด้านบนด้วยแรงดันไฟฟ้า 24 V, 0.8 V จะลดลงที่อินพุตของเครื่องรับ ซึ่งหมายความว่าด้วยตัวต้านทาน 1.2 kΩ กระแสจะอยู่ที่ 20 mA แรงดันไฟฟ้าตกในสายเคเบิล แม้ว่าความต้านทานจะเป็น 10% ของความต้านทานลูปทั้งหมด ก็สามารถละเลยได้ เช่นเดียวกับแรงดันตกคร่อมออปโตคัปเปลอร์ในทางปฏิบัติ ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ เครื่องส่งสัญญาณสามารถพิจารณาเป็นแหล่งปัจจุบัน