Mạch 4-20 mA hoạt động như thế nào

"Vòng lặp hiện tại" được sử dụng làm giao diện truyền dữ liệu vào những năm 1950. Lúc đầu, dòng điện hoạt động của giao diện là 60 mA và sau đó, bắt đầu từ năm 1962, giao diện vòng lặp dòng điện 20 mA đã trở nên phổ biến trong máy điện báo.

Vào những năm 1980, khi các cảm biến, thiết bị tự động hóa và bộ truyền động khác nhau bắt đầu được giới thiệu rộng rãi trong các thiết bị công nghệ, giao diện “mạch hiện tại” đã thu hẹp phạm vi dòng điện hoạt động của nó - nó bắt đầu thay đổi từ 4 đến 20 mA.

Sự lan rộng hơn nữa của «vòng lặp hiện tại» bắt đầu chậm lại từ năm 1983, với sự ra đời của tiêu chuẩn giao diện RS-485 và ngày nay «vòng lặp hiện tại» hầu như không bao giờ được sử dụng trong các thiết bị mới như vậy.

Bộ phát vòng lặp dòng điện khác với bộ phát RS-485 ở chỗ nó sử dụng nguồn dòng điện thay vì nguồn điện áp.

Dòng điện, không giống như điện áp, di chuyển từ nguồn dọc theo mạch, không thay đổi giá trị hiện tại của nó tùy thuộc vào các tham số tải. Do đó, «vòng lặp hiện tại» không nhạy cảm với điện trở của cáp, điện trở tải hoặc thậm chí là nhiễu cảm ứng EMF.

Ngoài ra, dòng điện vòng không phụ thuộc vào điện áp cung cấp của chính nguồn hiện tại mà chỉ có thể thay đổi do rò rỉ qua cáp, thường không đáng kể. Đặc điểm này của chu kỳ hiện tại hoàn toàn xác định cách thực hiện của nó.

Cần lưu ý rằng EMF của bộ thu điện dung được áp dụng ở đây song song với nguồn hiện tại và lớp che chắn được sử dụng để làm suy yếu hiệu ứng ký sinh của nó.

Vì lý do này, đường truyền tín hiệu thường là một cặp xoắn được che chắn, hoạt động cùng với bộ thu vi sai, một mình làm giảm chế độ chung và nhiễu cảm ứng.

Ở phía nhận tín hiệu, dòng vòng được chuyển đổi thành điện áp bằng điện trở đã hiệu chuẩn. Và ở dòng điện 20 mA, thu được điện áp của chuỗi tiêu chuẩn 2,5 V; 5V; 10V; — chỉ cần sử dụng điện trở có điện trở lần lượt là 125, 250 hoặc 500 Ohm.

Nhược điểm đầu tiên và chính của giao diện «vòng lặp hiện tại» là tốc độ thấp, bị giới hạn bởi tốc độ sạc dung lượng của cáp truyền từ nguồn dòng nói trên nằm ở phía truyền.

Vì vậy, khi sử dụng cáp dài 2 km, có điện dung tuyến tính 75 pF / m, điện dung của nó sẽ là 150 nF, nghĩa là phải mất 38 μs để sạc điện dung này lên 5 vôn ở dòng điện 20 mA, tương ứng với tốc độ truyền dữ liệu là 4,5 kbps.

Dưới đây là sự phụ thuộc đồ họa của tốc độ truyền dữ liệu khả dụng tối đa thông qua «vòng lặp hiện tại» vào chiều dài của cáp được sử dụng ở các mức độ biến dạng khác nhau (jitter) và ở các điện áp khác nhau, việc đánh giá được thực hiện theo cách tương tự như đối với Giao diện RS -485.

Một nhược điểm khác của «vòng lặp hiện tại» là thiếu tiêu chuẩn cụ thể cho thiết kế đầu nối và cho các thông số điện của cáp, điều này cũng hạn chế ứng dụng thực tế của giao diện này. Công bằng mà nói, có thể lưu ý rằng trên thực tế, những cái thường được chấp nhận nằm trong khoảng từ 0 đến 20 mA và từ 4 đến 20 mA. Phạm vi 0 - 60 mA được sử dụng ít thường xuyên hơn.

Những phát triển hứa hẹn nhất yêu cầu sử dụng giao diện "vòng lặp hiện tại", phần lớn hiện nay chỉ sử dụng giao diện 4 ... 20 mA, giúp dễ dàng chẩn đoán ngắt dòng. Ngoài ra, "vòng lặp hiện tại " có thể là kỹ thuật số hoặc tương tự, tùy thuộc vào yêu cầu của nhà phát triển (sẽ nói thêm về điều đó sau).

Tốc độ dữ liệu thực tế thấp của bất kỳ loại «vòng lặp hiện tại» nào (analog hoặc kỹ thuật số) cho phép nó được sử dụng đồng thời với một số máy thu được kết nối nối tiếp và không cần kết hợp các đường dây dài.

Phiên bản tương tự của «chu kỳ hiện tại»

Ví dụ, "vòng lặp hiện tại" tương tự đã tìm thấy ứng dụng trong công nghệ khi cần thiết để truyền tín hiệu từ cảm biến đến bộ điều khiển hoặc giữa bộ điều khiển và bộ truyền động. Ở đây, chu kỳ hiện tại cung cấp một số lợi thế.

Trước hết, phạm vi biến thiên của giá trị đo được, khi nó được giảm xuống phạm vi tiêu chuẩn, cho phép bạn thay đổi các thành phần của hệ thống. Khả năng truyền tín hiệu với độ chính xác cao (sai số không quá +-0,05%) trong một khoảng cách đáng kể cũng rất đáng chú ý. Cuối cùng, tiêu chuẩn chu trình hiện tại được hỗ trợ bởi hầu hết các nhà cung cấp tự động hóa công nghiệp.

Vòng dòng điện 4 … 20 mA có dòng điện tối thiểu là 4 mA làm điểm tham chiếu tín hiệu.Do đó, nếu cáp bị đứt, dòng điện sẽ bằng không. Trong khi sử dụng vòng lặp dòng điện 0 … 20 mA, sẽ khó chẩn đoán đứt cáp hơn, vì 0 mA có thể chỉ đơn giản là giá trị tối thiểu của tín hiệu truyền đi. Một ưu điểm khác của dải 4 … 20 mA là ngay cả ở mức 4 mA, bạn vẫn có thể cấp nguồn cho cảm biến mà không gặp bất kỳ sự cố nào.

Dưới đây là hai sơ đồ dòng điện tương tự. Ở phiên bản đầu tiên, nguồn điện được tích hợp trong máy phát, trong khi ở phiên bản thứ hai, nguồn điện ở bên ngoài.

Nguồn điện tích hợp thuận tiện cho việc lắp đặt và nguồn điện bên ngoài cho phép bạn thay đổi các thông số của nó tùy thuộc vào mục đích và điều kiện hoạt động của thiết bị sử dụng vòng lặp hiện tại.

Nguyên tắc hoạt động của vòng lặp hiện tại là giống nhau cho cả hai mạch. Lý tưởng nhất là một op-amp có điện trở trong lớn vô hạn và dòng điện ở đầu vào bằng không, điều đó có nghĩa là điện áp trên các đầu vào của nó ban đầu cũng bằng không.

Do đó, dòng điện qua điện trở trong máy phát sẽ chỉ phụ thuộc vào giá trị của điện áp đầu vào và sẽ bằng dòng điện trong toàn bộ vòng lặp, trong khi nó sẽ không phụ thuộc vào điện trở tải. Do đó, có thể dễ dàng xác định điện áp đầu vào máy thu.

Mạch op-amp có lợi thế là cho phép bạn hiệu chỉnh bộ phát mà không cần phải kết nối cáp bộ thu với nó, vì lỗi do bộ thu và cáp gây ra là rất nhỏ.

Điện áp đầu ra được chọn dựa trên nhu cầu của bóng bán dẫn truyền tải để nó hoạt động bình thường ở chế độ hoạt động, cũng như với điều kiện bù điện áp rơi trên dây dẫn, bản thân bóng bán dẫn và điện trở.

Giả sử các điện trở là 500 ohms và cáp là 100 ohms. Sau đó, để có được dòng điện 20 mA, cần có nguồn điện áp 22 V. Điện áp tiêu chuẩn gần nhất được chọn — 24 V. Công suất dư thừa từ giới hạn điện áp sẽ đơn giản bị tiêu tán trên bóng bán dẫn.

Lưu ý rằng cả hai biểu đồ hiển thị cách ly điện giữa giai đoạn máy phát và đầu vào của máy phát. Điều này được thực hiện để tránh mọi kết nối sai giữa máy phát và máy thu.

Để làm ví dụ về bộ phát để xây dựng vòng lặp dòng điện tương tự, chúng ta có thể trích dẫn thành phẩm NL-4AO với bốn kênh đầu ra tương tự để kết nối máy tính với bộ truyền động sử dụng 4 ... 20 mA hoặc 0 ... 20 mA » chu kỳ hiện tại « giao thức.

Module giao tiếp với máy tính thông qua giao thức RS-485. Thiết bị được hiệu chỉnh hiện tại để bù cho các lỗi chuyển đổi và thực thi các lệnh do máy tính cung cấp. Các hệ số hiệu chỉnh được lưu trong bộ nhớ thiết bị. Dữ liệu kỹ thuật số được chuyển đổi thành tương tự bằng cách sử dụng DAC.

Phiên bản kỹ thuật số của «chu kỳ hiện tại»

Theo quy luật, vòng lặp dòng kỹ thuật số hoạt động ở chế độ 0 ... 20 mA, vì việc tái tạo tín hiệu kỹ thuật số ở dạng này sẽ dễ dàng hơn. Độ chính xác của các mức logic không quá quan trọng ở đây, vì vậy nguồn dòng điện vòng lặp có thể có điện trở trong không cao và độ chính xác tương đối thấp.

Trong sơ đồ trên, với điện áp nguồn 24 V, 0,8 V bị giảm ở đầu vào của máy thu, nghĩa là với điện trở 1,2 kΩ, dòng điện sẽ là 20 mA. Điện áp rơi trong cáp, ngay cả khi điện trở của nó bằng 10% tổng điện trở vòng lặp, có thể được bỏ qua, cũng như điện áp rơi trên bộ ghép quang.Trong thực tế, trong những điều kiện này, máy phát có thể được coi là một nguồn hiện tại.