Com funciona el circuit de 4-20 mA
El "bucle actual" es va utilitzar com a interfície de transmissió de dades a la dècada de 1950. Al principi, el corrent de funcionament de la interfície era de 60 mA, i més tard, a partir de 1962, la interfície de bucle de corrent de 20 mA es va estendre en el teletip.
A la dècada de 1980, quan diversos sensors, equips d'automatització i actuadors van començar a introduir-se àmpliament en equips tecnològics, la interfície del "circuit de corrent" va reduir el rang dels seus corrents de funcionament: va començar a variar de 4 a 20 mA.
La difusió del "bucle de corrent" va començar a disminuir a partir de 1983, amb l'arribada de l'estàndard d'interfície RS-485, i avui en dia el "bucle de corrent" gairebé mai no s'utilitza en equips nous com a tal.
Un transmissor de bucle de corrent es diferencia d'un transmissor RS-485 perquè utilitza una font de corrent en lloc d'una font de tensió.
El corrent, a diferència del voltatge, que es mou des de la font al llarg del circuit, no canvia el seu valor actual en funció dels paràmetres de càrrega. Per tant, el "bucle de corrent" no és sensible ni a la resistència del cable, ni a la resistència a la càrrega, ni fins i tot a EMF de soroll inductiu.
A més, el corrent del bucle no depèn de la tensió d'alimentació de la pròpia font de corrent, sinó que només pot canviar a causa de les fuites a través del cable, que solen ser insignificants. Aquesta característica del cicle actual determina completament les vies de la seva implantació.
Cal tenir en compte que l'EMF de la captació capacitiva s'aplica aquí en paral·lel amb la font de corrent, i el blindatge s'utilitza per afeblir el seu efecte paràsit.
Per aquest motiu, la línia de transmissió del senyal sol ser un parell trenat apantallat, que, treballant juntament amb un receptor diferencial, atenua per si sol el mode comú i el soroll inductiu.
Al costat receptor del senyal, el corrent del bucle es converteix en tensió mitjançant una resistència calibrada. I amb un corrent de 20 mA, s'obté una tensió de la sèrie estàndard de 2,5 V; 5V; 10V; — N'hi ha prou amb utilitzar una resistència amb una resistència de 125, 250 o 500 Ohm respectivament.
El primer i principal desavantatge de la interfície de «bucle de corrent» és la seva baixa velocitat, limitada per la velocitat de càrrega de la capacitat del cable de transmissió des de la font de corrent esmentada anteriorment situada al costat de la transmissió.
Així, quan s'utilitza un cable de 2 km de llarg, amb una capacitat lineal de 75 pF/m, la seva capacitat serà de 150 nF, el que significa que es necessita 38 μs per carregar aquesta capacitat a 5 volts a un corrent de 20 mA, que correspon a una velocitat de transferència de dades de 4,5 kbps.
A continuació es mostra una dependència gràfica de la velocitat màxima de transmissió de dades disponible a través del «bucle de corrent» de la longitud del cable utilitzat a diferents nivells de distorsió (jitter) i a diferents voltatges, l'avaluació es va realitzar de la mateixa manera que per al Interfície RS -485.
Un altre inconvenient del «bucle de corrent» és la manca d'un estàndard específic per al disseny de connectors i per als paràmetres elèctrics dels cables, que també limita l'aplicació pràctica d'aquesta interfície. Per ser justos, es pot assenyalar que, de fet, els generalment acceptats van de 0 a 20 mA i de 4 a 20 mA. El rang 0 - 60 mA s'utilitza molt menys sovint.
Els desenvolupaments més prometedors que requereixen l'ús de la interfície de "bucle de corrent", en la seva majoria utilitzen avui en dia només la interfície de 4 ... 20 mA, que permet diagnosticar fàcilment un trencament de línia. A més, el "bucle de corrent". " pot ser digital o analògic, depenent dels requisits del desenvolupador (més informació més endavant).
La velocitat de dades pràcticament baixa de qualsevol tipus de «bucle de corrent» (analògic o digital) permet utilitzar-lo simultàniament amb diversos receptors connectats en sèrie, i no cal fer coincidir línies llargues.
Versió analògica de «cicle actual»
El "bucle de corrent" analògic ha trobat aplicació en tecnologia on és necessari, per exemple, transmetre senyals de sensors a controladors o entre controladors i actuadors. Aquí, el cicle actual ofereix diversos avantatges.
En primer lloc, el rang de variació del valor mesurat, quan es redueix al rang estàndard, permet canviar els components del sistema. També és notable la capacitat de transmetre un senyal amb una alta precisió (no més de + -0,05% d'error) a una distància considerable. Finalment, l'estàndard de cicle actual és compatible amb la majoria de proveïdors d'automatització industrial.
El llaç de corrent de 4 … 20 mA té un corrent mínim de 4 mA com a punt de referència del senyal.Així, si el cable es trenca, el corrent serà zero. Quan s'utilitza un bucle de corrent de 0 … 20 mA, serà més difícil diagnosticar una ruptura de cable, ja que 0 mA pot indicar simplement el valor mínim del senyal transmès. Un altre avantatge del rang 4 … 20 mA és que fins i tot a un nivell de 4 mA és possible alimentar el sensor sense cap problema.
A continuació es mostren dos diagrames de corrent analògic. A la primera versió, la font d'alimentació està integrada al transmissor, mentre que a la segona versió, la font d'alimentació és externa.
La font d'alimentació integrada és convenient pel que fa a la instal·lació, i la externa permet canviar els seus paràmetres en funció de la finalitat i les condicions de funcionament del dispositiu amb què s'utilitza el bucle de corrent.
El principi de funcionament del bucle de corrent és el mateix per als dos circuits. Idealment, un amplificador operatiu té una resistència interna infinitament gran i un corrent zero a les seves entrades, el que significa que la tensió a les seves entrades també és inicialment zero.
Així, el corrent a través de la resistència del transmissor només dependrà del valor de la tensió d'entrada i serà igual al corrent de tot el bucle, mentre que no dependrà de la resistència de càrrega. Per tant, la tensió d'entrada del receptor es pot determinar fàcilment.
El circuit d'amplificador operacional té l'avantatge de permetre calibrar el transmissor sense haver de connectar-hi un cable receptor, ja que l'error introduït pel receptor i el cable és molt petit.
La tensió de sortida es selecciona en funció de les necessitats del transistor de transmissió per al seu funcionament normal en mode actiu, així com amb la condició de compensar la caiguda de tensió als cables, el transistor en si i les resistències.
Diguem que les resistències són de 500 ohms i el cable és de 100 ohms. Aleshores, per obtenir un corrent de 20 mA, cal una font de tensió de 22 V. Es tria la tensió estàndard més propera: 24 V. L'excés de potència del límit de tensió es dissiparà simplement al transistor.
Tingueu en compte que els dos gràfics mostren aïllament galvànic entre l'etapa del transmissor i l'entrada del transmissor. Això es fa per evitar qualsevol connexió falsa entre l'emissor i el receptor.
Com a exemple d'un transmissor per construir un bucle de corrent analògic, podem citar un producte acabat NL-4AO amb quatre canals de sortida analògics per connectar un ordinador amb un actuador mitjançant el 4 ... 20 mA o 0 ... 20 mA » cicle actual « protocol.
El mòdul es comunica amb l'ordinador mitjançant el protocol RS-485. El dispositiu està calibrat actualment per compensar els errors de conversió i executa les ordres subministrades per l'ordinador. Els coeficients de calibratge s'emmagatzemen a la memòria del dispositiu. Les dades digitals es converteixen en analògiques mitjançant un DAC.
Versió digital de «cicle actual»
El bucle de corrent digital funciona, per regla general, en el mode 0 ... 20 mA, ja que és més fàcil reproduir el senyal digital d'aquesta forma. La precisió dels nivells lògics no és tan important aquí, de manera que la font de corrent de bucle pot tenir una resistència interna no molt alta i una precisió relativament baixa.
Al diagrama anterior, amb una tensió d'alimentació de 24 V, es cauen 0,8 V a l'entrada del receptor, el que significa que amb una resistència d'1,2 kΩ, el corrent serà de 20 mA. La caiguda de tensió del cable, fins i tot si la seva resistència és del 10% de la resistència total del bucle, es pot descuidar, així com la caiguda de tensió a través de l'optoacoblador.A la pràctica, en aquestes condicions, el transmissor es pot considerar una font de corrent.