4-20mA 회로 작동 방식

"전류 루프"는 1950년대에 데이터 전송 인터페이스로 사용되었습니다. 처음에는 인터페이스의 작동 전류가 60mA였으며 이후 1962년부터 20mA 전류 루프 인터페이스가 텔레타이프에 널리 보급되었습니다.

1980년대에 다양한 센서, 자동화 장비 및 액추에이터가 기술 장비에 널리 도입되기 시작했을 때 "전류 회로" 인터페이스는 작동 전류 범위를 좁혔습니다. 즉, 4mA에서 20mA까지 다양해지기 시작했습니다.

«전류 루프»의 추가 확산은 RS-485 인터페이스 표준의 출현과 함께 1983년부터 느려지기 시작했으며 오늘날 «전류 루프»는 새로운 장비에 거의 사용되지 않습니다.

전류 루프 송신기는 전압 소스가 아닌 전류 소스를 사용한다는 점에서 RS-485 송신기와 다릅니다.

전압과 달리 소스에서 회로를 따라 이동하는 전류는 부하 매개 변수에 따라 현재 값을 변경하지 않습니다. 따라서 «전류 루프»는 케이블 저항, 부하 저항 또는 유도 노이즈 EMF에도 민감하지 않습니다.

또한 루프 전류는 전류 소스 자체의 공급 전압에 의존하지 않고 일반적으로 중요하지 않은 케이블을 통한 누설로 인해 변경될 수 있습니다. 현재주기의 이러한 특성은 구현 방법을 완전히 결정합니다.

용량성 픽업의 EMF는 여기에서 전류 소스와 병렬로 적용되며 차폐는 기생 효과를 약화시키는 데 사용됩니다.

이러한 이유로 신호 전송 라인은 일반적으로 차동 수신기와 함께 작동하는 차폐 연선으로 단독으로 공통 모드 및 유도 노이즈를 감쇠시킵니다.

신호 수신 측에서 루프 전류는 보정된 저항을 사용하여 전압으로 변환됩니다. 그리고 20mA의 전류에서 표준 시리즈 2.5V의 전압을 얻습니다. 5V; 10V; — 저항이 각각 125, 250 또는 500 옴인 저항을 사용하는 것으로 충분합니다.

«전류 루프» 인터페이스의 첫 번째 및 주요 단점은 전송 측에 위치한 위에서 언급한 전류 소스에서 전송 케이블의 용량을 충전하는 속도에 의해 제한되는 저속입니다.

따라서 선형 커패시턴스가 75pF/m인 2km 길이의 케이블을 사용하면 커패시턴스가 150nF가 됩니다. 데이터 전송 속도는 4.5kbps입니다.

아래는 다양한 수준의 왜곡(지터) 및 다양한 전압에서 사용되는 케이블 길이에 대한 «전류 루프»를 통한 최대 사용 가능한 데이터 전송 속도의 그래픽 종속성입니다. 평가는 다음과 같은 방식으로 수행되었습니다. RS 인터페이스 -485.

«전류 루프»의 또 다른 단점은 커넥터 설계 및 케이블의 전기 매개변수에 대한 특정 표준이 없다는 점이며, 이는 이 인터페이스의 실제 적용을 제한하기도 합니다. 공정하게 말하면 실제로 일반적으로 허용되는 값의 범위는 0~20mA, 4~20mA입니다. 0 - 60mA 범위는 훨씬 덜 자주 사용됩니다.

"전류 루프" 인터페이스를 사용해야 하는 가장 유망한 개발은 오늘날 대부분 4 ... 20 mA 인터페이스만 사용하므로 라인 끊김을 쉽게 진단할 수 있습니다. 또한 "전류 루프"는 "는 개발자의 요구 사항에 따라 디지털 또는 아날로그가 될 수 있습니다(자세한 내용은 나중에 설명).

모든 유형의 «전류 루프»(아날로그 또는 디지털)의 실질적으로 낮은 데이터 전송 속도로 인해 직렬로 연결된 여러 수신기와 동시에 사용할 수 있으며 긴 라인의 일치가 필요하지 않습니다.

«현재 주기»의 아날로그 버전

아날로그 "전류 루프"는 예를 들어 센서에서 컨트롤러로 또는 컨트롤러와 액추에이터 간에 신호를 전송하는 데 필요한 기술 분야에서 응용 프로그램을 찾았습니다. 여기에서 현재 주기는 몇 가지 이점을 제공합니다.

우선, 측정값의 변동 범위는 표준 범위로 축소되었을 때 시스템의 구성 요소를 변경할 수 있습니다. 상당한 거리에 걸쳐 높은 정확도(오류 + -0.05% 이하)로 신호를 전송하는 능력도 뛰어납니다. 마지막으로 현재 주기 표준은 대부분의 산업 자동화 공급업체에서 지원합니다.

4 … 20mA 전류 루프는 신호 기준점으로 최소 4mA의 전류를 가집니다.따라서 케이블이 끊어지면 전류는 0이 됩니다. 0 ~ 20mA 전류 루프를 사용하는 동안 0mA는 단순히 전송된 신호의 최소값을 나타낼 수 있으므로 케이블 파손을 진단하기가 더 어렵습니다. 4 ~ 20 mA 범위의 또 다른 장점은 4 mA 수준에서도 아무런 문제 없이 센서에 전원을 공급할 수 있다는 것입니다.

아래는 두 개의 아날로그 전류 다이어그램입니다. 첫 번째 버전에서는 전원 공급 장치가 송신기에 내장되어 있고 두 번째 버전에서는 전원 공급 장치가 외부에 있습니다.

내장 전원 공급 장치는 설치 측면에서 편리하며 외부 전원 공급 장치를 사용하면 전류 루프가 사용되는 장치의 목적 및 작동 조건에 따라 매개 변수를 변경할 수 있습니다.

전류 루프의 작동 원리는 두 회로 모두 동일합니다. 이상적으로 연산 증폭기는 내부 저항이 무한히 크고 입력에서 전류가 0입니다. 즉, 입력 양단의 전압도 처음에는 0입니다.

따라서 송신기의 저항을 통과하는 전류는 입력 전압 값에만 의존하며 전체 루프의 전류와 동일하지만 부하 저항에는 의존하지 않습니다. 따라서 수신기 입력 전압을 쉽게 결정할 수 있습니다.

연산 증폭기 회로는 수신기와 케이블에 의해 발생하는 오류가 매우 작기 때문에 수신기 케이블을 연결하지 않고도 송신기를 교정할 수 있는 이점이 있습니다.

출력 전압은 활성 모드에서 정상 작동을 위한 전송 트랜지스터의 요구 사항과 와이어, 트랜지스터 자체 및 저항의 전압 강하를 보상하기 위한 조건에 따라 선택됩니다.

저항이 500옴이고 케이블이 100옴이라고 가정합니다. 그런 다음 20mA의 전류를 얻으려면 22V의 전압원이 필요하며 가장 가까운 표준 전압인 24V가 선택됩니다.

두 차트 모두 갈바닉 절연 송신기 스테이지와 송신기의 입력 사이. 이것은 송신기와 수신기 사이의 잘못된 연결을 피하기 위해 수행됩니다.

아날로그 전류 루프를 구축하기 위한 트랜스미터의 예로 4 ... 20 mA 또는 0 ... 20 mA를 사용하여 컴퓨터와 액추에이터를 연결하기 위한 4개의 아날로그 출력 채널이 있는 완제품 NL-4AO를 인용할 수 있습니다. » 현재 주기 « 프로토콜.

모듈은 RS-485 프로토콜을 통해 컴퓨터와 통신합니다. 이 장치는 변환 오류를 보상하기 위해 현재 보정되어 있으며 컴퓨터에서 제공하는 명령을 실행합니다. 교정 계수는 장치 메모리에 저장됩니다. 디지털 데이터는 DAC를 사용하여 아날로그로 변환됩니다.

«현재 주기»의 디지털 버전

디지털 전류 루프는 일반적으로 0 ... 20 mA 모드에서 작동합니다. 이 형식으로 디지털 신호를 재생하는 것이 더 쉽기 때문입니다. 여기서 로직 레벨의 정확도는 그다지 중요하지 않으므로 루프 전류원의 내부 저항은 그다지 높지 않고 정확도는 상대적으로 낮을 수 있습니다.

위의 다이어그램에서 공급 전압이 24V이면 수신기 입력에서 0.8V가 떨어집니다. 즉, 저항이 1.2kΩ이면 전류가 20mA가 됩니다. 케이블의 전압 강하는 그 저항이 총 루프 저항의 10%인 경우에도 무시할 수 있으며 옵토커플러 전체의 전압 강하도 무시할 수 있습니다.실제로 이러한 조건에서 송신기는 전류 소스로 간주될 수 있습니다.