Come funziona il circuito 4-20 mA

Il "current loop" è stato utilizzato come interfaccia di trasmissione dati negli anni '50. Inizialmente, la corrente operativa dell'interfaccia era di 60 mA e successivamente, a partire dal 1962, l'interfaccia del loop di corrente da 20 mA si è diffusa nella telescrivente.

Negli anni '80, quando vari sensori, apparecchiature di automazione e attuatori iniziarono ad essere ampiamente introdotti nelle apparecchiature tecnologiche, l'interfaccia del "circuito di corrente" ridusse la gamma delle sue correnti operative - iniziò a variare da 4 a 20 mA.

L'ulteriore diffusione del «current loop» iniziò a rallentare dal 1983, con l'avvento dello standard di interfaccia RS-485, e oggi il «current loop» non viene quasi mai utilizzato nelle nuove apparecchiature in quanto tale.

Un trasmettitore ad anello di corrente differisce da un trasmettitore RS-485 in quanto utilizza una sorgente di corrente anziché una sorgente di tensione.

La corrente, a differenza della tensione, spostandosi dalla sorgente lungo il circuito, non cambia il suo valore corrente a seconda dei parametri di carico. Pertanto, il «circuito di corrente» non è sensibile né alla resistenza del cavo, né alla resistenza del carico, né al rumore induttivo EMF.

Inoltre, la corrente di anello non dipende dalla tensione di alimentazione della sorgente di corrente stessa, ma può cambiare solo a causa di perdite attraverso il cavo, che di solito sono insignificanti. Questa caratteristica del ciclo attuale determina completamente le modalità della sua attuazione.

Va notato che l'EMF del pickup capacitivo viene applicato qui in parallelo con la sorgente di corrente e la schermatura viene utilizzata per indebolire il suo effetto parassitario.

Per questo motivo, la linea di trasmissione del segnale è solitamente un doppino schermato che, insieme ad un ricevitore differenziale, attenua da solo il rumore di modo comune e induttivo.

Sul lato ricevente del segnale, la corrente del loop viene convertita in tensione utilizzando un resistore calibrato. E con una corrente di 20 mA si ottiene una tensione della serie standard 2,5 V; 5V; 10V; — è sufficiente utilizzare solo un resistore con una resistenza rispettivamente di 125, 250 o 500 Ohm.

Il primo e principale svantaggio dell'interfaccia «current loop» è la sua bassa velocità, limitata dalla velocità di ricarica della capacità del cavo di trasmissione dalla suddetta sorgente di corrente posta sul lato trasmittente.

Quindi, quando si utilizza un cavo lungo 2 km, con una capacità lineare di 75 pF / m, la sua capacità sarà di 150 nF, il che significa che occorrono 38 μs per caricare questa capacità a 5 volt con una corrente di 20 mA, che corrisponde a una velocità di trasferimento dati di 4,5 kbps.

Di seguito si riporta graficamente la dipendenza della massima velocità di trasmissione dati disponibile attraverso il «current loop» dalla lunghezza del cavo utilizzato a diversi livelli di distorsione (jitter) e a diverse tensioni, la valutazione è stata effettuata con le stesse modalità del Interfaccia RS-485.

Un altro svantaggio del «current loop» è la mancanza di uno standard specifico per la progettazione dei connettori e per i parametri elettrici dei cavi, che limita anche l'applicazione pratica di questa interfaccia. In tutta onestà si può notare che in effetti quelli generalmente accettati vanno da 0 a 20 mA e da 4 a 20 mA. La gamma 0 — 60 mA è usata molto meno spesso.

Gli sviluppi più promettenti che richiedono l'uso dell'interfaccia "current loop", per la maggior parte oggi utilizzano solo l'interfaccia 4 ... 20 mA, che consente di diagnosticare facilmente un'interruzione di linea. Inoltre, il "current loop " può essere digitale o analogico, a seconda dei requisiti dello sviluppatore (ne parleremo più avanti).

Il data rate praticamente basso di qualsiasi tipo di «current loop» (analogico o digitale) ne consente l'utilizzo simultaneo con più ricevitori collegati in serie e non è richiesto alcun accoppiamento di lunghe linee.

Versione analogica di «ciclo attuale»

Il "current loop" analogico ha trovato applicazione nella tecnologia in cui è necessario, ad esempio, trasmettere segnali dai sensori ai controller o tra controller e attuatori. Qui, il ciclo attuale offre diversi vantaggi.

Innanzitutto il campo di variazione del valore misurato, quando viene ridotto al campo standard, consente di modificare i componenti del sistema. Notevole è anche la capacità di trasmettere un segnale con elevata precisione (non più di + -0,05% di errore) su una distanza considerevole. Infine, l'attuale standard del ciclo è supportato dalla maggior parte dei fornitori di automazione industriale.

Il loop di corrente 4 … 20 mA ha una corrente minima di 4 mA come punto di riferimento del segnale.Pertanto, se il cavo è rotto, la corrente sarà nulla. Utilizzando un loop di corrente 0 … 20 mA, sarà più difficile diagnosticare una rottura del cavo, poiché 0 mA può semplicemente indicare il valore minimo del segnale trasmesso. Un altro vantaggio della gamma 4 … 20 mA è che anche a un livello di 4 mA è possibile alimentare il sensore senza problemi.

Di seguito sono riportati due diagrammi di corrente analogica. Nella prima versione l'alimentatore è integrato nel trasmettitore, mentre nella seconda versione l'alimentatore è esterno.

L'alimentatore integrato è conveniente in termini di installazione e quello esterno consente di modificarne i parametri in base allo scopo e alle condizioni operative del dispositivo con cui viene utilizzato il loop di corrente.

Il principio di funzionamento dell'anello di corrente è lo stesso per entrambi i circuiti. Idealmente, un amplificatore operazionale ha una resistenza interna infinitamente grande e corrente zero ai suoi ingressi, il che significa che anche la tensione ai suoi ingressi è inizialmente zero.

Pertanto, la corrente attraverso il resistore nel trasmettitore dipenderà solo dal valore della tensione di ingresso e sarà uguale alla corrente nell'intero loop, mentre non dipenderà dalla resistenza del carico. Pertanto, la tensione di ingresso del ricevitore può essere facilmente determinata.

Il circuito dell'amplificatore operazionale ha il vantaggio di consentire di calibrare il trasmettitore senza dover collegare ad esso un cavo del ricevitore, poiché l'errore introdotto dal ricevitore e dal cavo è molto piccolo.

La tensione di uscita viene selezionata in base alle esigenze del transistor di trasmissione per il suo normale funzionamento in modalità attiva, nonché con la condizione per compensare la caduta di tensione sui fili, sul transistor stesso e sui resistori.

Supponiamo che i resistori siano 500 ohm e il cavo sia 100 ohm. Quindi, per ottenere una corrente di 20 mA, è necessaria una sorgente di tensione di 22 V. Viene scelta la tensione standard più vicina - 24 V. La potenza in eccesso dal limite di tensione verrà semplicemente dissipata sul transistor.

Si noti che entrambi i grafici mostrano isolamento galvanico tra lo stadio del trasmettitore e l'ingresso del trasmettitore. Questo viene fatto per evitare qualsiasi falsa connessione tra il trasmettitore e il ricevitore.

Come esempio di un trasmettitore per la costruzione di un loop di corrente analogico, possiamo citare un prodotto finito NL-4AO con quattro canali di uscita analogici per il collegamento di un computer con un attuatore utilizzando 4 ... 20 mA o 0 ... 20 mA » ciclo attuale «protocollo.

Il modulo comunica con il computer tramite protocollo RS-485. Il dispositivo è calibrato in corrente per compensare gli errori di conversione ed esegue i comandi forniti dal computer. I coefficienti di calibrazione sono memorizzati nella memoria del dispositivo. I dati digitali vengono convertiti in analogici utilizzando un DAC.

Versione digitale del «ciclo attuale»

Il loop di corrente digitale funziona, di norma, nella modalità 0 ... 20 mA, poiché è più facile riprodurre il segnale digitale in questa forma. La precisione dei livelli logici non è così importante qui, quindi la sorgente di corrente di loop può avere una resistenza interna non molto elevata e una precisione relativamente bassa.

Nello schema sopra, con una tensione di alimentazione di 24 V, 0,8 V vengono lasciati cadere all'ingresso del ricevitore, il che significa che con un resistore di 1,2 kΩ, la corrente sarà di 20 mA. La caduta di tensione nel cavo, anche se la sua resistenza è pari al 10% della resistenza totale del circuito, può essere trascurata, così come la caduta di tensione attraverso l'accoppiatore ottico.In pratica, in queste condizioni, il trasmettitore può essere considerato una sorgente di corrente.