Как работает токовая петля 4-20 мА
«Токовая петля» начала применяться в качестве интерфейса передачи данных еще в 50-е годы. Сначала рабочий ток интерфейса составлял 60 мА, а позже, начиная с 1962 года, широкое распространение в телетайпе получил 20 миллиамперный интерфейс токовой петли.
В 80-е, когда началось обширное внедрение в технологическое оборудование разнообразных датчиков, средств автоматики и исполнительных устройств, интерфейс «токовая петля» сузил диапазон своих рабочих токов, — он стал составлять от 4 до 20 мА.
Дальнейшее распространение «токовой петли» стало замедляться начиная с 1983 года, с появлением интерфейсного стандарта RS-485, и на сегодняшний день «токовая петля» почти нигде в новом оборудовании как таковая не применяется.
Передатчик «токовой петли» отличается от передатчика интерфейса RS-485 тем, что в нем используется источник тока, а не источник напряжения.
Ток, в отличие от напряжения, двигаясь из источника по цепи не меняет своего текущего значения в зависимости от параметров нагрузки. Вот почему «токовая петля» не чувствительна ни к сопротивлению кабеля, ни к сопротивлению нагрузки, ни даже к ЭДС индуктивной помехи.
Кроме того ток петли не зависит от напряжения питания самого источника тока, а может изменяться лишь вследствие утечек через кабель, которые обычно пренебрежимо малы. Данная особенность токовой петли полностью определяет способы ее применения.
Стоит отметить, что ЭДС емкостной наводки приложена здесь параллельно источнику тока, и для ослабления ее паразитного действия применяют экранирование.
По этой причине линией передачи сигнала обычно выступает экранированная витая пара, которая, работая совместно с дифференциальным приемником, сама ослабляет синфазную и индуктивную помехи.
На стороне приема сигнала, ток токовой петли при помощи калиброванного резистора преобразуется в напряжение. И при токе в 20 мА получается напряжение из стандартного ряда 2,5 В; 5 В; 10 В; — достаточно лишь использовать резистор с сопротивлением соответственно 125, 250 или 500 Ом.
Первый и главный недостаток интерфейса «токовая петля» заключается в его низком быстродействии, ограниченном скоростью зарядки емкости самого передающего кабеля от упомянутого выше источника тока, расположенного на передающей стороне.
Так, при использовании кабеля длиной в 2 км, с погонной емкостью 75 пФ/м, его емкость составит 150 нФ, а это значит что для зарядки данной емкости до 5 вольт при токе 20 мА потребуется 38 мкс, что соответствует скорости передачи данных 4,5 кбит/с.
Ниже приведена графическая зависимость максимально доступной скорости передачи данных по «токовой петле» от длины применяемого кабеля при различных уровнях искажений (дрожания) и при разных напряжениях, оценка проводилась так же как для интерфейса RS-485.
Еще один недостаток «токовой петли» заключается в отсутствии определенного стандарта на конструктивное исполнение разъемов и на электрические параметры кабелей, что тоже ограничивает практическое применение данного интерфейса. Но справедливости ради можно отметить, что фактически общеприняты диапазоны от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА. Диапазон 0 — 60 мА применяется значительно реже.
Наиболее перспективные разработки, требующие применения интерфейса «токовая петля», в большинстве своем используют сегодня только 4. 20 мА интерфейс, позволяющий легко диагностировать обрыв линии. Кроме того, «токовая петля» может быть цифровой или аналоговой, в зависимости от требований разработчика (об этом — далее).
Практически низкая скорость передачи данных по «токовой петле» любого типа (аналоговой или цифровой) позволяет использовать ее одновременно с несколькими приемниками соединенными последовательно, причем согласование длинной линии не потребуется.
Аналоговая версия «токовой петли»
Аналоговая «токовая петля» нашла применение в технике, где необходимо например передавать сигналы от датчиков к контроллерам или между контроллерами и исполнительными устройствами. Здесь токовая петля обеспечивает некоторые преимущества.
Прежде всего диапазон варьирования измеряемой величины будучи приведен к стандартному диапазону позволяет изменять компоненты системы. Примечательна и возможность высокоточной (не более +-0,05% погрешности) передачи сигнала на значительное расстояние. Наконец, стандарт «токовая петля» поддерживается большинством поставщиков устройств промышленной автоматизации.
Токовая петля 4. 20 мА имеет минимальный ток 4 мА в качестве начала отсчета сигнала. Таким образом при обрыве кабеля ток будет равен нулю. Тогда как при использовании токовой петли 0. 20 мА диагностировать обрыв кабеля будет сложнее, ибо 0 мА может просто обозначать минимальное значение передаваемого сигнала. Еще одно достоинство диапазона 4. 20 мА заключается в том, что уже при уровне 4 мА можно без проблем подводить питание к датчику.
Ниже приведены две схемы аналоговой токовой петли. В первом варианте источник питания встроен в передатчик, тогда как во втором варианте источник питания внешний.
Встроенный источник питания удобен в плане монтажа, а внешний позволяет варьировать его параметры в зависимости от назначения и условий работы устройства, с которым применяется токовая петля.
Принцип действия токовой петли одинаков для обеих схем. Операционный усилитель имеет в идеале бесконечно большое внутреннее сопротивление и нулевой ток входов, и значит напряжение между его входами также изначально равно нулю.
Таким образом, ток через резистор в передатчике будет зависеть только от величины входного напряжения и будет равен току во всей петле, при этом он не будет зависеть от сопротивления нагрузки. Напряжение на входе приемника может быть поэтому легко определено.
Схема с операционным усилителем отличается тем преимуществом, что позволяет калибровать передатчик без необходимости подключать к нему кабель с приемником, ибо погрешность, вносимая приемником и кабелем, очень незначительна.
Напряжение источника выбирается исходя из потребности транзистора передатчика для его нормальной работы в активном режиме, а также с условием компенсации падения напряжения на проводах, на самом транзисторе, и на резисторах.
Допустим, резисторы имеют сопротивления по 500 Ом, а кабель — 100 Ом. Тогда для получения тока в 20 мА потребуется напряжение источника 22 В. Выбирают ближайшее стандартное — 24 В. Избыток мощности от запаса по напряжению будет как раз рассеян на транзисторе.
Обратите внимание, что на обеих схемах изображена гальваническая развязка между передающим каскадом и входом передатчика. Это нужно для того чтобы избежать любых паразитных связей между передатчиком и приемником.
В качестве примера передатчика для построения аналоговой токовой петли можно привести готовое изделие NL-4AO с четырьмя аналоговыми каналами вывода для связи компьютера с исполнительным устройством посредством протокола «токовая петля» 4. 20 мА или 0. 20 мА.
Связь модуля с компьютером осуществляется по протоколу RS-485. Устройство калибруется по току для компенсации погрешностей преобразования и исполняет подаваемые с компьютера команды. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти устройства. Цифровые данные преобразуются в аналоговые при помощи ЦАП.
Цифровая версия «токовой петли»
Цифровая токовая петля работает, как правило, в режиме 0. 20 мА, поскольку цифровой сигнал проще воспроизвести именно в таком виде. Точность логических уровней здесь не так важна, поэтому источник тока петли может обладать не очень большим внутренним сопротивлением и сравнительно низкой точностью.
На приведенной схеме при напряжении питания 24 В на входе приемника падает 0,8 В, значит при сопротивлении резистора 1,2 кОм ток будет равен 20 мА. Падением напряжения на кабеле, даже при его сопротивлении в 10% от общего сопротивления петли, можно пренебречь, как и падением напряжения на оптроне. Практически в данных условиях можно считать передатчик источником тока.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Тестер токовой петли 4-20 мА своими руками
Датчики являются неотъемлемой частью любой измерительной системы, поскольку они помогают преобразовывать параметры реального мира в электронные сигналы, которые могут быть поняты машинами. В промышленной среде обычно используемым типом датчиков являются аналоговые датчики и цифровые датчики. Цифровые датчики обмениваются данными по протоколам, такими как USART, I2C, SPI и т. д. Аналоговые датчики могут обмениваться данными через переменный ток или переменное напряжение.
Многие из нас должны быть знакомы с датчиками, которые выдают переменное напряжение, такими датчик газа MQ, датчик изгиба и т. д. Эти аналоговые датчики напряжения соединены с преобразователями напряжения в ток для преобразования аналогового напряжения в аналоговый ток, чтобы стать датчиком переменного тока.
Такой датчик переменного тока работает по протоколу токовой петли 4-20 мА, то есть датчик выдает 4 мА, когда измеренное значение равно 0, и выдает 20 мА, когда измеренное значение является максимальным. Если выходной сигнал датчика меньше 4 мА или более 20 мА, это может рассматриваться как состояние неисправности. Датчик выводит ток по витой паре, позволяя и электропитанию, и данным проходить только через 2 провода. Наименьшее или нулевое значение составляет 4 мА. Это связано с ситуацией, когда выходной сигнал равен нулю или 4 мА, то он все равно может питать устройство. Кроме того, поскольку сигнал передается в виде тока, его можно отправлять на большие расстояния, не беспокоясь о падении напряжения из-за сопротивления провода или о помехоустойчивости.
В промышленности калибровка датчика является обычным процессом, и для калибровки системы, а также для устранения ошибок, проводится проверка токовой петли. В тестировании токовой петли используется процесс проверки, который проверяет обрыв линии связи. Он также проверяет выходной ток передатчика. В этом проекте мы создадим базовый тестер токовой петли, использующий несколько компонентов, который позволяет вручную регулировать ток от 4 мА до 20 мА, поворачивая потенциометр. Эта схема может использоваться как фиктивный датчик для эмуляции или для отладки.
Давайте рассмотрим важные компоненты, используемые в этом проекте. На изображении ниже показан PNP-транзистор BC557.
Это один из самых распространенных трехвыводных PNP-транзисторов. BC557 является идентичной парой NPN BC547. Другие эквивалентные транзисторы BC556, BC327, 2N3906 и т. д.
Операционный усилитель (ОУ), используемый здесь (JRC4558), следует той же схеме выводов, что и другие популярные типы ОУ. Контакт 1, контакт 2, контакт 3 используются для одного канала операционного усилителя, а контакты 5, 6, 7 – для другого канала. Любой канал может быть использован для этого проекта. 8-й контакт – это источник положительного питания, а 4-й – заземление. Здесь ОУ JRC4558D используется для этого проекта, но другие операционные усилители также будут работать. Такие как, как – TL072, LM258, LM358 и т. д.
Следующий компонент в списке деталей – потенциометр на 50 кОм от Bourns. Наименование компонента: 3590S-2-503L. Тем не менее, это немного дорогостоящий компонент. Лучше всего подходит для этой цели 10-оборотный потенциометр, но другие универсальные потенциометры также могут работать очень хорошо. Разница в том, что разрешение будет меньше с обычным потенциометром, из-за чего приращение или уменьшение источника тока не будет плавным. Распиновка потенциометра Bourns немного запутана по сравнению со стандартными распиновками потенциометра. На изображении ниже первый вывод слева – это выход потенциометра. Нужно быть осторожным при подключении этого потенциометра в любом приложении.
Полная принципиальная схема для тестера токовой петли 4-20 мА показана далее.
Как видите, схема довольно простая, она состоит из операционного усилителя, который управляет транзистором. Выходной ток от транзистора подается на светодиод, этот выходной ток может варьироваться от 0 мА до 20 мА путем изменения потенциометра и может измеряться амперметром, подключенным, как показано выше.
Операционный усилитель предназначен для использования в качестве источника тока с отрицательной обратной связью. Входное переменное напряжение подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя с помощью потенциометра. Максимальный выходной ток (в данном случае 20 мА) устанавливается с помощью резистора, подключенного к инвертирующему выводу операционного усилителя. Теперь, основываясь на напряжении, подаваемом на неинвертирующий вывод, операционный усилитель смещает транзистор для подачи постоянного тока через светодиод. Этот постоянный ток будет поддерживаться независимо от значения сопротивления нагрузки, действующего как источник тока. Этот тип усилителя называется транскондуктивный усилитель. Схема проста и может быть легко собрана на макетной плате.
Здесь светодиод действует как нагрузка, а токовая петля обеспечивает необходимый ток для нагрузки. Ток нагрузки подается от BC557, который непосредственно находится под контролем операционного усилителя 4558. На положительном входе усилителя, опорное напряжение предоставляется с помощью потенциометра. В зависимости от опорного напряжения, операционный усилитель обеспечивает ток смещения на базу транзистора. Дополнительный последовательный резистор добавляется через потенциометр для ограничения опорного напряжения, а также выхода усилителя, создавая тем самым границу изменения тока от 0 мА до 20 мА. Изменение значения этого резистора также изменяет границу минимального и максимального тока на выходе.
Как только цепь будет собрана, подайте на нее питание с использованием регулируемого источника питания 5 В.
Для проверки схемы можно использовать мультиметр в ампер-режиме и подключить его щупы вместо амперметра, показанного на принципиальной схеме. Когда вы изменяете значение потенциометра, можно заметить, что значение тока на мультиметре варьируется от 4 мА до 20 мА.
Основное применение тестера токовой петли 4-20 мА – это тестирование или калибровка устройств ПЛК, которые работают по протоколу 4-20 мА и предоставляют данные в зависимости от тока. Следовательно, неправильная калибровка привела бы к появлению ошибки, воспринимаемой ПЛК. Устройством обеспечивается не только калибровка, но и удобный процесс проверки обрыва токовой петли.
Источник
