كيف تعمل الدائرة 4-20 مللي أمبير

تم استخدام "الحلقة الحالية" كواجهة لنقل البيانات في الخمسينيات من القرن الماضي. في البداية ، كان تيار التشغيل للواجهة 60 مللي أمبير ، وبعد ذلك ، بدءًا من عام 1962 ، أصبحت واجهة الحلقة الحالية 20 مللي أمبير منتشرة على نطاق واسع في teletype.

في الثمانينيات ، عندما بدأت أجهزة الاستشعار المختلفة ومعدات التشغيل الآلي والمشغلات في الظهور على نطاق واسع في المعدات التكنولوجية ، قامت واجهة "الدائرة الحالية" بتضييق نطاق تيارات التشغيل الخاصة بها - وبدأت في التباين من 4 إلى 20 مللي أمبير.

بدأ الانتشار الإضافي لـ "الحلقة الحالية" في التباطؤ منذ عام 1983 ، مع ظهور معيار الواجهة RS-485 ، واليوم لا يتم استخدام "الحلقة الحالية" تقريبًا في المعدات الجديدة على هذا النحو.

يختلف مرسل الحلقة الحالية عن مرسل RS-485 من حيث أنه يستخدم مصدر تيار بدلاً من مصدر جهد.

التيار ، على عكس الجهد ، الذي ينتقل من المصدر على طول الدائرة ، لا يغير قيمته الحالية اعتمادًا على معلمات الحمل. لذلك ، فإن "الحلقة الحالية" ليست حساسة لمقاومة الكابل ، أو مقاومة الحمل ، أو حتى الضوضاء الاستقرائية EMF.

بالإضافة إلى ذلك ، لا يعتمد تيار الحلقة على جهد الإمداد للمصدر الحالي نفسه ، ولكن يمكن أن يتغير فقط بسبب التسرب عبر الكبل ، والذي يكون عادةً غير مهم. تحدد هذه الخاصية للدورة الحالية تمامًا طرق تنفيذها.

وتجدر الإشارة إلى أن المجالات الكهرومغناطيسية الخاصة باللاقط السعوي يتم تطبيقه هنا بالتوازي مع المصدر الحالي ، ويتم استخدام التدريع لإضعاف تأثيره الطفيلي.

لهذا السبب ، عادةً ما يكون خط نقل الإشارة زوجًا ملتويًا محميًا ، والذي يعمل مع مستقبل تفاضلي وحده على تخفيف الوضع الشائع والضوضاء الاستقرائية.

على جانب الاستقبال للإشارة ، يتم تحويل تيار الحلقة إلى جهد باستخدام المقاوم المعاير. وبتيار 20 مللي أمبير ، يتم الحصول على جهد من السلسلة القياسية 2.5 فولت ؛ 5 فولت ؛ 10 فولت ؛ - يكفي فقط استخدام المقاوم بمقاومة 125 أو 250 أو 500 أوم على التوالي.

العيب الأول والرئيسي لواجهة «الحلقة الحالية» هو سرعتها المنخفضة ، والمحدودة بسرعة شحن سعة كابل الإرسال من المصدر الحالي المذكور أعلاه الموجود على جانب الإرسال.

لذلك ، عند استخدام كابل بطول 2 كم ، بسعة خطية 75 بيكو فاراد / م ، فإن سعته ستكون 150 نانو فاراد ، مما يعني أنه يستغرق 38 ميكرو ثانية لشحن هذه السعة إلى 5 فولت عند تيار 20 مللي أمبير ، وهو ما يتوافق مع بمعدل نقل بيانات 4.5 كيلو بت في الثانية.

يوجد أدناه اعتماد رسومي للحد الأقصى لمعدل نقل البيانات المتاح عبر "الحلقة الحالية" على طول الكبل المستخدم عند مستويات مختلفة من التشويه (الارتعاش) وبجهد مختلف ، تم إجراء التقييم بنفس الطريقة المتبعة في واجهة RS -485.

عيب آخر لـ «الحلقة الحالية» هو عدم وجود معيار محدد لتصميم الموصلات وللمعلمات الكهربائية للكابلات ، مما يحد أيضًا من التطبيق العملي لهذه الواجهة. في الإنصاف ، يمكن ملاحظة أنه في الواقع ، تتراوح المقادير المقبولة عمومًا من 0 إلى 20 مللي أمبير ومن 4 إلى 20 مللي أمبير. يتم استخدام النطاق 0-60 مللي أمبير في كثير من الأحيان.

أكثر التطورات الواعدة التي تتطلب استخدام واجهة "الحلقة الحالية" ، في معظمها اليوم ، تستخدم فقط واجهة 4 ... 20 مللي أمبير ، مما يجعل من الممكن تشخيص انقطاع السطر بسهولة. بالإضافة إلى "الحلقة الحالية "يمكن أن يكون رقميًا أو تناظريًا ، اعتمادًا على متطلبات المطور (المزيد عن ذلك لاحقًا).

يسمح معدل البيانات المنخفض عمليًا لأي نوع من "الحلقة الحالية" (تناظرية أو رقمية) باستخدامها في وقت واحد مع عدة أجهزة استقبال متصلة في سلسلة ، ولا يلزم مطابقة الخطوط الطويلة.

نسخة تناظرية من «الدورة الحالية»

وجدت "الحلقة الحالية" التناظرية تطبيقًا في التكنولوجيا حيث يكون من الضروري ، على سبيل المثال ، نقل الإشارات من أجهزة الاستشعار إلى أجهزة التحكم أو بين أجهزة التحكم والمشغلات. هنا ، تقدم الدورة الحالية العديد من المزايا.

بادئ ذي بدء ، يسمح لك نطاق التباين في القيمة المقاسة ، عند تقليله إلى النطاق القياسي ، بتغيير مكونات النظام. القدرة على إرسال إشارة بدقة عالية (لا يزيد عن + -0.05٪ خطأ) على مسافة كبيرة هي أيضًا رائعة. أخيرًا ، يتم دعم معيار الدورة الحالية من قبل معظم بائعي الأتمتة الصناعية.

الحلقة الحالية 4… 20 مللي أمبير لها تيار أدنى يبلغ 4 مللي أمبير كنقطة مرجعية للإشارة.وبالتالي ، إذا تم كسر الكبل ، فسيكون التيار صفراً. أثناء استخدام حلقة تيار 0… 20 مللي أمبير ، سيكون من الصعب تشخيص انقطاع الكابل ، حيث قد يشير 0 مللي أمبير ببساطة إلى الحد الأدنى لقيمة الإشارة المرسلة. ميزة أخرى لنطاق 4… 20 مللي أمبير هي أنه حتى عند مستوى 4 مللي أمبير ، من الممكن تشغيل المستشعر دون أي مشاكل.

يوجد أدناه مخططان تناظريان للتيار. في الإصدار الأول ، يكون مصدر الطاقة مدمجًا في جهاز الإرسال ، بينما في الإصدار الثاني ، يكون مصدر الطاقة خارجيًا.

يعد مصدر الطاقة المدمج مناسبًا من حيث التثبيت ، ويسمح لك المصدر الخارجي بتغيير معلماته وفقًا للغرض وظروف التشغيل للجهاز الذي تستخدم به الحلقة الحالية.

مبدأ تشغيل الحلقة الحالية هو نفسه لكلتا الدائرتين. من الناحية المثالية ، يحتوي جهاز op-amp على مقاومة داخلية كبيرة بشكل لا نهائي ولا يوجد تيار عند مدخلاته ، مما يعني أن الجهد عبر مدخلاته يكون أيضًا في البداية صفرًا.

وبالتالي ، فإن التيار من خلال المقاوم في المرسل سيعتمد فقط على قيمة جهد الدخل وسيكون مساوياً للتيار في الحلقة بأكملها ، بينما لن يعتمد على مقاومة الحمل. لذلك ، يمكن تحديد جهد دخل المستقبِل بسهولة.

تتميز دائرة op-amp بميزة السماح لك بمعايرة جهاز الإرسال دون الحاجة إلى توصيل كبل استقبال به ، نظرًا لأن الخطأ الذي يحدثه جهاز الاستقبال والكابل صغير جدًا.

يتم تحديد جهد الخرج بناءً على احتياجات ترانزستور ناقل الحركة لتشغيله العادي في الوضع النشط ، بالإضافة إلى شرط تعويض انخفاض الجهد على الأسلاك والترانزستور نفسه والمقاومات.

لنفترض أن المقاومات هي 500 أوم وأن الكابل 100 أوم. بعد ذلك ، للحصول على تيار 20 مللي أمبير ، يلزم وجود مصدر جهد قدره 22 فولت ، ويتم اختيار أقرب جهد قياسي - 24 فولت ، وستتبدد الطاقة الزائدة من حد الجهد ببساطة على الترانزستور.

لاحظ أن كلا المخططين يظهران العزلة كلفاني بين مرحلة الارسال ومدخلات المرسل. يتم ذلك لتجنب أي اتصال خاطئ بين المرسل والمستقبل.

كمثال على جهاز إرسال لبناء حلقة تيار تناظرية ، يمكننا الاستشهاد بمنتج نهائي NL-4AO بأربع قنوات إخراج تناظرية لتوصيل جهاز كمبيوتر بمشغل باستخدام 4 ... 20 مللي أمبير أو 0 ... 20 مللي أمبير » الدورة الحالية «البروتوكول.

تتصل الوحدة بالكمبيوتر عبر بروتوكول RS-485. تتم معايرة الجهاز حاليًا للتعويض عن أخطاء التحويل وتنفيذ الأوامر التي يوفرها الكمبيوتر. يتم تخزين معاملات المعايرة في ذاكرة الجهاز. يتم تحويل البيانات الرقمية إلى تمثيلية باستخدام DAC.

النسخة الرقمية من «الدورة الحالية»

تعمل حلقة التيار الرقمي ، كقاعدة عامة ، في الوضع 0 ... 20 مللي أمبير ، لأنه من الأسهل إعادة إنتاج الإشارة الرقمية بهذا الشكل. دقة المستويات المنطقية ليست مهمة جدًا هنا ، لذلك يمكن أن يكون لمصدر الحلقة الحالية مقاومة داخلية ليست عالية جدًا ودقة منخفضة نسبيًا.

في الرسم البياني أعلاه ، بجهد إمداد 24 فولت ، يتم إسقاط 0.8 فولت عند دخل جهاز الاستقبال ، مما يعني أنه مع وجود المقاوم 1.2 كيلو أوم ، سيكون التيار 20 مللي أمبير. يمكن إهمال انخفاض الجهد في الكبل ، حتى لو كانت مقاومته 10٪ من إجمالي مقاومة الحلقة ، كما يمكن أن ينخفض ​​الجهد عبر optocoupler.في الممارسة العملية ، في ظل هذه الظروف ، يمكن اعتبار جهاز الإرسال مصدرًا حاليًا.