Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

4. Интерфейс "токовая петля"

Интерфейс "токовая петля" используется для передачи информации с 1950-х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА; позже, с 1962 года, получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться "токовая петля" 4...20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность "токовой петли" начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.) и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется.

В передатчике "токовой петли" используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в "токовой петле" протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля, сопротивления нагрузки и э.д.с. индуктивной помехи, а также от напряжения питания источника тока. Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Принцип действия
Принцип действия "токовой петли".

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка, э.д.с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в "токовой петле" и для ее подавления следует использовать экранирование.

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления . При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2.5 В, 5 В или 10 В используют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом соответственно.

Основным недостатком "токовой петли" является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рисунке ниже приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался также, как и для интерфейса RS-485.

Зависимость максимальной скорости передачи токовой петли от длины неэкранированной витой пары 22 AWG при токе петли 20 мА.
Зависимость максимальной скорости передачи "токовой петли" от длины неэкранированной витой пары 22 AWG при токе петли 20 мА.

Вторым недостатком "токовой петли", ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0...20 мА и 4...20 мА; гораздо реже используют 0...60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4...20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.

Интерфейс "токовая петля" распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.

Аналоговая "токовая петля". Аналоговая версия "токовой петли" используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение "токовой петли" в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность "токовой петли" может быть снижена до ±0.05%). Кроме того, стандарт "токовая петля" поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

В варианте "4...20 мА" в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта "0...20 мА", где величина "0 мА" может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

Вариант построения аналоговой токовой петли со встроенным в передатчик источником питания.
Вариант построения аналоговой "токовой петли" со встроенным в передатчик источником питания.
Вариант построения аналоговой токовой петли с выносным источником питания.
Вариант построения аналоговой "токовой петли" с выносным источником питания.

На рисунках выше показаны два варианта построения аналоговой "токовой петли". В первом варианте используется встроенный незаземленный источник питания , во втором варианте источник питания – внешний. Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний удобен тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зависимости от поставленной задачи.

Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор $R_0$ равен $V_{вх}⁄R_0$ , а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток через резистор строго равен току в петле $I=V_{вх}⁄R_0$ и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки. Поэтому напряжение на выходе приемника определяется как $IR_н=R_н⁄R_0·V_{вх}.

Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала.

Напряжение источника $E_п$ выбирается такой, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика в активном (ненасыщенном) режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях $R_0$, $R_0$. Для этого выбирают $E>I·(R_0+R_{кабеля}+R_н)+V_{нас}$, где $V_{нас}$ – напряжение насыщения транзистора (1...2 В). Например, при типовых значениях $R_0=R_н=500$ Ом и сопротивлении кабеля 100 Ом (при длине 1 км) получим напряжение источника питания петли 22 В; ближайшее стандартное значение равно 24 В. Отметим, что мощность, связанная с избыточным напряжением источника питания по сравнению с рассчитанным значением, будет рассеиваться на транзисторе, что особенно существенно для интегральных передатчиков, не имеющих теплоотвода.

Гальваническая развязка между входом передатчика и передающим каскадом необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником.

Цифровая "токовая тепля". Цифровая "токовая петля" используется обычно в версии "0...20 мА", поскольку она реализуется гораздо проще, чем "4...20 мА". Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рисенке ниже при стандартном значении напряжения питания $E_п=24$ В и падении напряжения на входе приемника 0.8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1.2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0.35 кв. мм и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% от общего сопротивления петли и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3.3% от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Принцип реализации цифровой токовой петли.
Принцип реализации цифровой "токовой петли".

Как аналоговая, так и цифровая "токовая петля" может использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно. Вследствие низкой скорости передачи информации по "токовой петле" согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется.

Схема системы управления.
Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам.