So funktioniert die 4-20-mA-Schaltung
Die „Stromschleife“ wurde in den 1950er Jahren als Datenübertragungsschnittstelle genutzt. Der Betriebsstrom der Schnittstelle betrug zunächst 60 mA, später, ab 1962, verbreitete sich die 20-mA-Stromschleifenschnittstelle im Fernschreiber.
In den 1980er Jahren, als verschiedene Sensoren, Automatisierungsgeräte und Aktoren in technologischen Geräten weit verbreitet eingeführt wurden, schränkte die Schnittstelle „Stromkreis“ den Bereich ihrer Betriebsströme ein – sie begann zwischen 4 und 20 mA zu variieren.
Die weitere Verbreitung der „Stromschleife“ begann ab 1983 mit der Einführung des RS-485-Schnittstellenstandards zu verlangsamen, und heute wird die „Stromschleife“ in neuen Geräten als solche fast nie mehr verwendet.
Ein Stromschleifensender unterscheidet sich von einem RS-485-Sender dadurch, dass er eine Stromquelle anstelle einer Spannungsquelle verwendet.
Im Gegensatz zur Spannung ändert der Strom, der sich von der Quelle entlang des Stromkreises bewegt, seinen Stromwert nicht in Abhängigkeit von den Lastparametern. Daher ist die „Stromschleife“ unempfindlich gegenüber Kabelwiderstand, Lastwiderstand oder sogar induktivem Rauschen EMF.
Darüber hinaus hängt der Schleifenstrom nicht von der Versorgungsspannung der Stromquelle selbst ab, sondern kann sich nur aufgrund von Leckagen durch das Kabel ändern, die normalerweise unbedeutend sind. Dieses Merkmal des aktuellen Zyklus bestimmt vollständig die Art und Weise seiner Umsetzung.
Es ist zu beachten, dass die EMK des kapazitiven Aufnehmers hier parallel zur Stromquelle angelegt wird und die Abschirmung dazu dient, dessen parasitäre Wirkung abzuschwächen.
Aus diesem Grund handelt es sich bei der Signalübertragungsleitung üblicherweise um ein abgeschirmtes verdrilltes Leitungspaar, das im Zusammenspiel mit einem Differentialempfänger allein Gleichtakt- und induktives Rauschen dämpft.
Auf der Empfangsseite des Signals wird der Schleifenstrom mithilfe eines kalibrierten Widerstands in Spannung umgewandelt. Und bei einem Strom von 20 mA erhält man eine Spannung der Normreihe 2,5 V; 5V; 10V; — Es reicht aus, nur einen Widerstand mit einem Widerstandswert von 125, 250 oder 500 Ohm zu verwenden.
Der erste und größte Nachteil der „Stromschleifen“-Schnittstelle ist ihre geringe Geschwindigkeit, die durch die Ladegeschwindigkeit der Kapazität des Übertragungskabels von der oben genannten Stromquelle auf der Sendeseite begrenzt wird.
Wenn also ein 2 km langes Kabel mit einer linearen Kapazität von 75 pF/m verwendet wird, beträgt seine Kapazität 150 nF, was bedeutet, dass es 38 μs dauert, diese Kapazität bei einem Strom von 20 mA auf 5 Volt aufzuladen, was entspricht auf eine Datenübertragungsrate von 4,5 kbps.
Nachfolgend ist eine grafische Abhängigkeit der maximal verfügbaren Datenübertragungsrate durch die „Stromschleife“ von der Länge des verwendeten Kabels bei unterschiedlichen Verzerrungen (Jitter) und bei unterschiedlichen Spannungen dargestellt, die Auswertung erfolgte analog zur RS-Schnittstelle -485.
Ein weiterer Nachteil der „Stromschleife“ ist das Fehlen einer spezifischen Norm für das Design von Steckverbindern und für die elektrischen Parameter der Kabel, was auch die praktische Anwendung dieser Schnittstelle einschränkt. Der Fairness halber kann man anmerken, dass die allgemein akzeptierten Werte tatsächlich zwischen 0 und 20 mA und zwischen 4 und 20 mA liegen. Der Bereich 0 … 60 mA wird deutlich seltener genutzt.
Die vielversprechendsten Entwicklungen, die den Einsatz der „Current Loop“-Schnittstelle erfordern, verwenden heute größtenteils nur noch die 4 ... 20 mA-Schnittstelle, was eine einfache Diagnose eines Leitungsbruchs ermöglicht. Darüber hinaus wird die „Current Loop“-Schnittstelle verwendet " kann je nach Anforderungen des Entwicklers digital oder analog sein (dazu später mehr).
Die praktisch niedrige Datenrate jeder Art von „Stromschleife“ (analog oder digital) ermöglicht den gleichzeitigen Einsatz mehrerer in Reihe geschalteter Empfänger, ohne dass lange Leitungen angepasst werden müssen.
Analoge Version von «aktueller Zyklus»
Die analoge „Stromschleife“ findet in der Technik Anwendung, wo beispielsweise Signale von Sensoren an Steuerungen oder zwischen Steuerungen und Aktoren übertragen werden müssen. Hier bietet der aktuelle Zyklus mehrere Vorteile.
Erstens ermöglicht der Variationsbereich des Messwerts, wenn er auf den Standardbereich reduziert wird, die Änderung der Komponenten des Systems. Bemerkenswert ist auch die Fähigkeit, ein Signal mit hoher Genauigkeit (nicht mehr als + -0,05 % Fehler) über eine beträchtliche Entfernung zu übertragen. Schließlich wird der aktuelle Zyklusstandard von den meisten Anbietern industrieller Automatisierung unterstützt.
Die 4 … 20 mA-Stromschleife hat als Signalbezugspunkt einen Mindeststrom von 4 mA.Wenn also das Kabel gebrochen ist, ist der Strom Null. Bei Verwendung einer 0 … 20 mA-Stromschleife wird es schwieriger, einen Kabelbruch zu diagnostizieren, da 0 mA lediglich den Minimalwert des übertragenen Signals anzeigen kann. Ein weiterer Vorteil des 4 … 20 mA-Bereichs besteht darin, dass selbst bei einem Pegel von 4 mA eine problemlose Stromversorgung des Sensors möglich ist.
Nachfolgend finden Sie zwei analoge Stromdiagramme. Bei der ersten Version ist die Stromversorgung im Sender integriert, während bei der zweiten Version die Stromversorgung extern erfolgt.
Das eingebaute Netzteil ist einfach zu installieren und das externe Netzteil ermöglicht die Änderung seiner Parameter je nach Verwendungszweck und Betriebsbedingungen des Geräts, mit dem die Stromschleife verwendet wird.
Das Funktionsprinzip der Stromschleife ist für beide Stromkreise gleich. Im Idealfall hat ein Operationsverstärker einen unendlich großen Innenwiderstand und einen Strom von Null an seinen Eingängen, was bedeutet, dass die Spannung an seinen Eingängen zunächst ebenfalls Null ist.
Somit hängt der Strom durch den Widerstand im Sender nur vom Wert der Eingangsspannung ab und ist gleich dem Strom in der gesamten Schleife, während er nicht vom Lastwiderstand abhängt. Daher kann die Empfängereingangsspannung leicht bestimmt werden.
Die Operationsverstärkerschaltung hat den Vorteil, dass Sie den Sender kalibrieren können, ohne ein Empfängerkabel daran anschließen zu müssen, da der durch den Empfänger und das Kabel verursachte Fehler sehr gering ist.
Die Ausgangsspannung wird basierend auf den Anforderungen des Übertragungstransistors für seinen normalen Betrieb im aktiven Modus sowie unter der Bedingung zum Ausgleich des Spannungsabfalls an den Drähten, dem Transistor selbst und den Widerständen ausgewählt.
Angenommen, die Widerstände haben 500 Ohm und das Kabel 100 Ohm. Um dann einen Strom von 20 mA zu erhalten, ist eine Spannungsquelle von 22 V erforderlich. Die nächstgelegene Standardspannung wird gewählt – 24 V. Die überschüssige Leistung aus der Spannungsgrenze wird einfach über den Transistor abgeleitet.
Beachten Sie, dass beide Diagramme angezeigt werden galvanische Isolierung zwischen der Senderstufe und dem Eingang des Senders. Dies geschieht, um eine falsche Verbindung zwischen Sender und Empfänger zu vermeiden.
Als Beispiel für einen Sender zum Aufbau einer analogen Stromschleife können wir das fertige Produkt NL-4AO mit vier analogen Ausgangskanälen zum Anschluss eines Computers mit einem Aktor über 4 ... 20 mA oder 0 ... 20 mA nennen » aktueller Zyklus « Protokoll.
Das Modul kommuniziert mit dem Computer über das RS-485-Protokoll. Das Gerät ist stromkalibriert, um Konvertierungsfehler zu kompensieren und vom Computer bereitgestellte Befehle auszuführen. Die Kalibrierkoeffizienten werden im Gerätespeicher gespeichert. Digitale Daten werden mithilfe eines DAC in analoge umgewandelt.
Digitale Version von «aktueller Zyklus»
Die digitale Stromschleife arbeitet in der Regel im 0 ... 20 mA-Modus, da sich das digitale Signal in dieser Form besser reproduzieren lässt. Die Genauigkeit der Logikpegel ist hier nicht so wichtig, daher kann die Schleifenstromquelle einen nicht sehr hohen Innenwiderstand und eine relativ geringe Genauigkeit haben.
Im obigen Diagramm fallen bei einer Versorgungsspannung von 24 V 0,8 V am Eingang des Empfängers ab, was bedeutet, dass bei einem Widerstand von 1,2 kΩ der Strom 20 mA beträgt. Der Spannungsabfall im Kabel, selbst wenn sein Widerstand 10 % des gesamten Schleifenwiderstands beträgt, kann ebenso vernachlässigt werden wie der Spannungsabfall am Optokoppler.In der Praxis kann der Sender unter diesen Bedingungen als Stromquelle betrachtet werden.