Как работает токовая петля 4-20 мА

«Токовая петля» стала использоваться в качестве интерфейса передачи данных еще в 50-е годы. Сначала рабочий ток интерфейса составлял 60 мА, а позднее, начав с 1962 года, большое распространение в телетайпе получил 20 миллиамперный интерфейс токовой петли.

В 80-е, когда настало обширное внедрение в технологическое оборудование самых разных датчиков, средств автоматики и исполнительных устройств, интерфейс «токовая петля» сузил диапазон собственных рабочих токов, — он стал составлять от 4 до 20 мА.

Токовая петля

Последующее распространение «токовой петли» стало замедляться начав с 1983 года, с возникновением интерфейсного стандарта RS-485, и в наше время «токовая петля» практически нигде в новом оборудовании как таковая не используется.
Передатчик «токовой петли» разнится от передатчика интерфейса RS-485 тем, что в нем применяется источник тока, а не источник напряжения.

Ток, в отличии от напряжения, двигаясь из источника по цепи не меняет собственного текущего значения в зависимости от показателей нагрузки. Вот почему «токовая петля» не чувствительна ни к сопротивлению кабеля, ни к сопротивлению нагрузки, ни даже к ЭДС индуктивной помехи.

Стоит еще сказать что ток петли не зависит от напряжения питания самого источника тока, а может меняться лишь вследствие утечек через провод, которые в большинстве случаев пренебрежимо малы. Эта характерность токовой петли полностью определяет способы ее использования.

Необходимо выделить, что ЭДС емкостной наводки приложена тут параллельно источнику тока, и для ослабления ее паразитного действия используют экранирование.
Из-за этой причины линией передачи сигнала в большинстве случаев выступает экранированная витая пара, которая, работая одновременно с дифференциальным приемником, сама ослабляет синфазную и индуктивную помехи.

На стороне приема сигнала, ток токовой петли с помощью калиброванного резистора превращается в напряжение. И при токе в 20 мА выходит напряжение из обычного ряда 2,5 В; 5 В; 10 В; — нужно только применять резистор с сопротивлением исходя из этого 125, 250 или 500 Ом.

Первый и основной минус интерфейса «токовая петля» состоит в его невысоком быстродействии, ограниченном скоростью зарядки емкости самого передающего кабеля от вышеупомянутого источника тока, находящегося на передающей стороне.
Так, во время использования кабеля длиной в 2 км, с погонной емкостью 75 пФ/м, его емкость будет составлять 150 нФ, а это означает что для зарядки этой емкости до 5 вольт при токе 20 мА потребуется 38 мкс, что отвечает скорости передачи данных 4,5 кбит/с.

Ниже приведена графическая зависимость максимально доступной скорости передачи данных по «токовой петле» от длины используемого кабеля при разных уровнях искажений (дрожания) и при самых разнообразных напряжениях, оценка проводилась также как для интерфейса RS-485.

Токовая петля

Дополнительный минус «токовой петли» состоит в отсутствии конкретного стандарта на конструктивное исполнение разъемов и на электрические параметры кабелей, что тоже уменьшает использование на практике данного интерфейса. Но ради справедливости можно подчеркнуть, что практически общеприняты диапазоны от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА. Диапазон 0 — 60 мА применяется очень редко.

Наиболее перспективные разработки, просящие использования интерфейса «токовая петля», в своем большинстве применяют сегодня только 4. 20 мА интерфейс, дающий возможность легко определять обрыв линии. Более того, «токовая петля» может быть цифровой или аналоговой, в зависимости от требований разработчика (об этом — дальше).

Сравнительно низкая скорость передачи данных по «токовой петле» разного типа (аналоговой или цифровой) дает возможность применять ее вместе с несколькими приемниками соединенными постепенно, причем согласование длинной линии не понадобится.

Токовая петля

Аналоговая версия «токовой петли»
Аналоговая «токовая петля» нашла использование в технике, где нужно к примеру передавать сигналы от датчиков к контроллерам или между контроллерами и исполнительными устройствами. Тут токовая петля обеспечивает определенные преимущества.

Прежде всего диапазон варьирования измеряемой величины будучи приведен к типовому диапазону дает возможность менять элементы системы. Примечательна и возможность высокоточной (не больше +-0,05% неточности) передачи сигнала на внушительное расстояние. Напоследок, стандарт «токовая петля» поддерживается большинством поставщиков устройств промышленной автоматизации.

Токовая петля 4. 20 мА имеет номинальный ток 4 мА в качестве начала отсчета сигнала. Аналогичным образом при обрыве кабеля ток будет равным нулю.

В то время как во время использования токовой петли 0. 20 мА определять обрыв кабеля будет тяжелее, потому что 0 мА может просто классифицировать небольшое значение передаваемого сигнала. Еще один плюс диапазона 4. 20 мА состоит в том, что уже при уровне 4 мА можно без проблем подводить питание к датчику.

Ниже приведены две схемы аналоговой токовой петли. В варианте который был первым источник питания вмонтирован в передатчик, в то время как в другом варианте источник питания внешний.

Встроенный источник питания удобен в плане монтажа, а внешний позволяет варьировать его параметры в зависимости от назначения и рабочих условий устройства, с которым применяется токовая петля.

Токовая петля

Рабочий принцип токовой петли одинаков для двух схем. Операционный усилитель имеет в совершенстве бесконечно большое внутреннее сопротивление и нулевой ток входов, и значит напряжение между его входами также с самого начала равно нулю.

Аналогичным образом, ток через резистор в передатчике зависит лишь от величины входного напряжения и будет равным току во всей петле, он при этом не зависит от сопротивления нагрузки. Напряжение при входе приемника может быть благодаря этому легко определено.

Токовая петля

Схема с операционным усилителем отличается тем преимуществом, что дает возможность калибровать передатчик без надобности подсоединять к нему провод с приемником, потому что погрешность, вносимая приемником и кабелем, очень незначительна.
Напряжение источника выбирают исходя из потребности транзистора передатчика для его правильной работы в активном режиме, а еще с требованием компенсации падения напряжения на проводах, на самом транзисторе, и на резисторах.

Допустим, резисторы имеют сопротивления по 500 Ом, а провод — 100 Ом. Тогда для получения тока в 20 мА потребуется напряжение источника 22 В. Подбирают ближайшее стандартное — 24 В. Излишек мощности от запаса по напряжению будет как раз рассеян на транзисторе.
Стоит обратить внимание, что на двух схемах показана гальваническая развязка между передающим каскадом и входом передатчика.

Это необходимо Для того чтобы избежать любых паразитных связей между передатчиком и приемником.

Токовая петля

Как пример передатчика для построения аналоговой токовой петли можно привести готовое изделие NL-4AO с четырьмя аналоговыми каналами вывода для связи компьютера с исполнительным устройством при помощи протокола «токовая петля» 4. 20 мА или 0. 20 мА.
Связь модуля с компьютером выполняется по протоколу RS-485. Устройство калибруется по току для компенсации огрехов изменения и исполняет подаваемые с компьютера команды.

Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти устройства. Цифровые данные преобразовуются в аналоговые с помощью ЦАП.
Цифровая версия «токовой петли»
Цифровая токовая петля работает, в основном, в режиме 0. 20 мА, так как цифровой сигнал легче воссоздать собственно в подобном виде.

Точность логических уровней тут не так значительна, благодаря этому источник тока петли может владеть не достаточно высоким внутренним сопротивлением и сравнительно невысокой точностью.

На приведенной схеме при напряжении питания 24 В при входе приемника падает 0,8 В, значит при сопротивлении резистора 1,2 кОм ток будет равным 20 мА. Падением напряжения на кабеле, даже при его сопротивлении в 10% от всего сопротивления петли, можно пренебречь, как и падением напряжения на оптроне.

Фактически в этих условиях можно считать передатчик источником тока.

Токовая петля

Токовая петля – это двухпроводной интерфейс передачи информации, где данные закладываются в значение тока.

Благодарности

Большое благодарю Михаилу Гуку за забавные книги. Когда то авторы начинали изучение сегодняшней электроники с энциклопедией и изданий этого идеального человека.

Без интернета учебники случалось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.
Компания muRata регулярно снабжает читателей свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей окажутся и читатели.

Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Необходимость токовой петли

Токовая петля 4-20 мА считается распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто появляется необходимость измерения физических показателей, например:
Необходимость появляется регулярно, когда информацию необходимо передать на расстояния в сотни метров и более.

Токовая петля считается небыстрым цифровым интерфейсом, и вызвано это зарядом ёмкости кабеля от источника (что вырисовывается с ростом частоты), для аналоговых или дискретных устройств возможностей абсолютно достаточно. Передатчики снабжены аккумуляторами на 12 (реже) либо 24 В (чаще).

Последние дают возможность дальше передать информацию, значащим параметром становится ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем ощутимее падение потенциала.

У приведённого технического решения есть пара минусов. Во-первых, необходимо применять экранированные провода, второе, увеличение дальности приводит к резкому уменьшению КПД.

Стереотипная токовая петля состоит из четырёх элементов:

  1. Источник питания. Расположение произвольное.
  2. Приёмник или дисплей.
  3. Передатчик (сенсор).
  4. Инвертор в ток.
Токовая петля

Сенсоры предоставляют информацию, пропорциональную измеряемому параметру, представленному напряжением. Стало быть, необходимо заняться преобразованием в ток.

Потом информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника информация расшифровывается.

Поклонники цифровых технологий говорят о невысоком быстродействии токовой петли. На самом деле, при погонной ёмкости в 75 пФ/м километровый отрез провода образовывает конденсатор с номиналом 75 нФ. С ростом частоты сопротивление падает, эффект сглаживания и фильтрации не даёт правильно работать с информацией.

За 19 мкс конденсатор наполняется полностью от напряжения 5 В, обусловливая замеченное ограничение в 9,6 кбит/сек.
Собственно токовая петля считается отжившим протоколом, на её место готовы прийти другие, массово применяемые, например, MIDI и практически неизвестный средь широкой публики заводской интерфейс HART.

Общая информация

Первым сюрпризом становится отсутствие единых параметров. Преобладающими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил нет. В токовой петле может передаваться любая информация.

Если это двоичный код, единице отвечает наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие сигнала либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, это обязательно опознаётся через стоп-байт.
Интерфейс применялся с 50-х годов, сначала единица кодировалась как 60 мА постоянного тока.

Стало быть, КПД системы оказывался ощутимо ниже. Петля на 20 мА возникла в первой половине 60-ых годов двадцатого века как сигнал для телетайпов – для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С самим началом 80-х ток попытались сделать меньше, не всегда удачно.

Захотели выполнить компромисс:

  1. 4 мА значит «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не случился ли в сети обрыв.
  2. Единицей остаётся 20 мА.

Главным ограничением служит расстояние передачи информации. На параметр оказывает влияние битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек.

Выше 19,2 кбит/сек линию не применяют. В конце концов на дальность оказывают влияние электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю планировалось заменить по задумкам Fieldbus, в реальности в обиход вошёл типовый сегодня RS-485 (1983 год) – вариант COM-порта.

И до этого времени терминалы по протоколу RS-232 подсоединяются с помощью токовой петли, а на приёмной стороне выполняется необходимое переустройство. Иногда по протоколу работают избранные принтеры.

Пускай теоретический предел тут составляет 115 кбис/с, в работе применяется 9600.
Характерность токовой петли – в передатчике не внимание обращают на напряжение.

Мощность может быть самой разной. Главное – выдерживать значение тока, 20 мА.

Стало быть, чем линия длиннее, тем меньше КПД. Это обязательно исполняемое правило.

Иногда встречается токовая петля с гальванической развязкой. Чтобы это сделать применяются оптопары и такие же полупроводниковые конструкции.

В основном, провод применяется экранированный, во избежание параллельных ёмкостных помех, которые не удаётся возместить или проследить. Для создания сети хорошо подходит экранированная витая пара.

Благодаря тесному переплетению проводов, она спасает от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала применяют две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF.

Достойные специальные приложения обходят затруднение разработкой предварительных запросов на передачу и ответов.
На приёмнике ток преобразуют в напряжение с помощью резистивного делителя. В зависимости от вольтажа используются сопротивления 125 – 500 Ом.

Иногда на стороне передатчика или приёмника ставится адаптер (преобразователь сигнала) к последовательному интерфейсу COM-порта. Падение напряжения на резисторе высчитывается Согласно закону Ома, например, для номинала 250 Ом это будет составлять 250 х 0,02 = 5 В. Исходя из этого, приёмник возможно откалибровать если понадобится на необходимый уровень.

Где используется токовая петля

  1. Контроль тех. процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА является основным аналоговым интерфейсом. Применяется «живой» нуль, когда полное отсутствие сигнала значит обрыв линии. Ток в 4 мА иногда применяется как питание для передатчика либо входящий сигнал модулируется датчиком и возвращается в виде информации. Встречаются цепи, где батарея Стоит отдельно, тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не расходуют свою энергию.
  2. В период аналоговой телефонии токовая петля оставалась любимым интерфейсом для подсоединения. И сейчас ещё находятся бьющиеся током провода в квартирах. Тут телефон питается от станции и модулирует сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, вышеописанным. Эти линии остались в качестве наследства прежних времён. Например, компания Система Белла использует питание постоянным током до 125 В.
  3. Токовая петля иногда применяется для передачи информации уровнем сигнала. Например, 15 мА значит «горим!», 6 мА – «все в хорошо», 0 мА — обрыв линии. Любой местечковый изготовитель устанавливает свои правила и пользуется протоколом.
  4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называют «дистанционный контроль постоянным током». Например, Motorola MSF-5000 применяет частые токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Пример аналогичного протокола:
  • Нет тока – вести приём на 1 канале.
  • +6 мА – передавать на 1 канале.
  • -6 мА – принять информацию на 2 канале.
  • -12 мА – передать на 2 канале.

Интерфейс MIDI

MIDI формат популярен среди музыкантов, это специальный протокол цифровой звукозаписи. На физическом уровне он организован по схеме токовой петли 5 мА. Конечно, из-за разницы уровней единиц напрямую два стандарта передачи не совместимы.

Согласно Михаилу Гуку, MIDI разработан в первой половине 80-ых годов двадцатого века и стал правилом де-факто подсоединения синтезаторов.
Википедия сообщает, что в июне 1981 года корпорация Роланд подала крупному изготовителю синтезаторов – Обергейм Электроникс – идею обычного интерфейса.

Уже в октябре Смит, Обергейм и Какихаши обговорили это с правлением Ямаха, Корг и Каваи, а в ноябре на выставке общества AES показали первый трудоспособный вариант.
2 года интерфейс располагался на доработке, и в январе 1983-го Смит соединил через MIDI два аналоговых синтезатора.

Это дало возможность напрямую перекачивать аранжировки и создавать новые музыкальные композиции. Позже файлы MIDI введены в поддержку ОС Windows, давая возможность авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми эффектами, отсутствующими в неповторимых синтезаторах.

Внедрение сэмплов разных инструментов позволяло исполнителю воссоздавать сопровождение музыки разной сложности.

Использование MIDI

В MIDI применяются физические линии на 5 мА. Реже встречается 10.

Гальваническая развязка выполняется через оптрон. Отличительной чертой признано инвертирование сигнала:
Благодаря этому MIDI напрямую не совместим с обыкновенной токовой петлёй.

Физический интерфейс видели многие, однако не знали наименование. Зрительно розетка собой представляет диск диэлектрика с боковым вырезом, вдоль периметра размещены 5 отверстий (DIN). Конструкция охвачена по кругу экраном.

Музыканты насчитывают 3 вида интерфейса:

Токовая петля

Порт MIDI иногда стоит на материнской плате личного компьютера. Физически применяются в нормальном режиме не применяемые контакты 12 и 15 порта игрового адаптера DB-15S.

Применяемая тут логика ТТЛ требует наличия адаптера для стыковки с классическими синтезаторами по протоколу токовой петли. Микросхема преобразователя не очень непростая, включает оптрон, диод, ряд логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART как методичный COM-порт. В продаже имеется звуковые карты с MIDI либо отдельные платы увеличения на свободные слоты.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, массово применяемое в промышленности. Подосновой становится токовая петля 4-20 мА, а это означает, может применять витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов.

Сначала стандарт считался укзоспециализированным связным интерфейсом, однако в 1986 году вышел на повальное обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими состав:

  1. Преамбула – 5-20 байт. Служит для синхронизации и определения несущей.
  2. Старт-байт – 1 байт. Указывает номер хозяина шины.
  3. Адрес – от 1 до 5 байт. Присваивается владельцу, слуге и служит специализированным признаком пакетного режима.
  4. Расширение – от 0 до 3 байт. Его длина указывается в старт-байте.
  5. Команда – 1 байт. То, что слуга должен исполнить.
  6. Число байтов данных – 1 байт. Размер поля данных в байтах.
  7. Данные – от 0 до 255 байтов. Данные, помогающие расшифровать порядок действий.
  8. Проверочная сумма – 1 байт. Содержит результат логической операции XOR для абсолютно всех байтов, не считая стартового и последнего в блоке данных.

Конечно, пакетная структура специфична для цифровых устройств, нуждается в расшифровке для правильного выполнения команды.

Электроника для абсолютно всех

Блог о электронике

Токовая петля

Иногда приходится передавать сигнал на большое расстояние (десятки метров, а то и километры). Основная трудность при этом в том, что через линию может пронестись электромагнитная волна (преграда) и попытаться индуцировать в ней ток. Ток будет мизерным, но так как входы в большинстве случаев высокоомные, в сотни килоом, то даже от подобных несущественных наводок при входе может появиться перенапряжение.

Ведь Согласно закону Ома U = I * R. R входа у нас может быть и под ГигаОм, при этом наводка тока даже в 0.001мА может раскачать напругу до киловольта. Вход вынесет за милую душу, хотя энергия там и невелика, но много ли нужно тонкопленочному затвору транзистора?

Решение здесь одно — уменьшать входное сопротивление.
Неплохим способом решение данной проблемы считается смена сигнала с напряжения, на ток. Т.е. за уровни мы принимаем не наличие каких-нибудь стрессов, а значения тока в цепи.

Навести помеху здесь будет сложнее, ведь два провода линии идут параллельно, а это означает преграда будет наводиться в них одновременно и гасить сама себя, вычитаясь на дифференциальном входе приемника.

Токовая петля

Ток будем вдувать в линию при помощи источника тока, радующего нас тем, что ему плевать какое сопротивление у линии, он будет обеспечивать установленный ток до той поры, пока мощи хватит.

Цифровая линия
Здесь все просто, в большинстве случаев по токовой петле развязывают RS232 и им такие же интерфейсы с независимыми каналами на прием/передачу.
Плюсом токовой петли считается то, что она легко развязывается оптикой, ведь светоизлучающий диод, который считантся главным передатчиком оптопары, питается током.
Схема выглядит так:

Токовая петля

Когда подаем единичку на вход, то она зажигает светоизлучающий диод, транзистор оптопары открывается и пускает ток в петлю. Это ток зажигает светоизлучающий диод во второй оптопаре, ее транзистор открывается и жмет линию к земля.

Линия при этом выходит инвертирующейся. Но если есть желание это легко решается одним транзистором.
Оптопарой здесь можно подобрать что то вроде SFH610A

Токовая петля

. Основное, чтобы максимальное напряжение, какое может выдерживать транзистор, было выше чем может развить источник тока, ведь он будет пытаться продавить транюзк когда тот закрыт. Для этой оптопары это Vceo = 70V.

В большинстве случаев же напряжение источника нечасто превосходит 24 вольта. А еще следует поглядеть на ток колектора для оптопары, чтобы он был не меньше, чем выдаёт источник тока.

Для этой оптопары он составляет 50мА.
Если еще взять источник питания линии внешний, то схема выходит вообще неубиваемой. Т.к.

приемник, передатчик и линия не между собой связаны вообще.
Как источник тока я в большинстве случаев втыкаю здесь NSI45020 . Вообще это линейный драйвер светоизлучающих диодов. Фиговина размером с резистор 1206, на выходе имеет строго установленный ток — 20мА.

Токовая петля

Можно вкатывать напряжение питания аж до 45 вольт, можно параллелить, чтобы ток был поболее. При цене в 5 рублей штука — очень классная вещь.

Советую держать в обиходе.
А для консерваторов — LM317 в режиме стабилизатора тока еще не отменял никто. Правда намного более громоздко выходит и стоит в большинстве случаев дороже.

Зато достается без проблем в любом радио ларьке.
Минус оптической развязки — ограничение скорости. У оптопары, особенно ширпотребной, очень посредственные частотные характеристики. Однако для какого-либо UART хватит.

Также на скорость оказывает влияние тот момент, что длинная линия обладает приличной емкостью, а зарядка ее происходит источником тока, т.е. чем дальше, тем больше емкость линии и медленней передача.
А если нужно вынуть данные с какого-либо удалённого аналогового датчика? Здесь тоже поможет токовая петля, правда конструкция будет несколько сложнее.
Нам потребуется выполнить источник, превращающий напряжение в ток. С линейной зависимостью, скажем вкатили мы на вход 5 вольт, а наша схема вдула в линию 50мА.

Выполняется это на операционном усилителе. Приблизительно вот по такой схеме:

Токовая петля

Работает она просто. Т.к.

ОУ, охваченный обратной связью, стремиться уравнять собственные входы, т.е. напряжение между прямым и инверсным входом равно нулю, то можно считать, что Uin засажен напрямую на R0. И ток через R0 выходит равным Uin/R0.

Ведь сопротивление входов ОУ Довольное крупное, настолько большое, что мы можем смело считать, что ток туда не втекает. А так как R0 часть петли, то ток в петле будет равным току R0, не зависимо от сопротивления линии и сопротивления нагрузки, конечно если источник питания может продавить эти сопротивления, а транзистор не выходит в изобилие, оставаясь в линейном режиме.

Как источник питания здесь можно взять самостоятельный стабилизированный источник, вольт так на 12.
На оборотной стороне петли достаточно снять падение напряжения на резисторе нагрузки Rн.
Вот здесь, ради лулзов, собрал на макетном поле Pinboard II данную конструкцию. Т.к. задающий резистор R0 у меня вышел в 10кОм (такой стоит рядом с макетным полем), то соотношение напряжение/ток вышло 1:10000 т.е. на 1 вольт приходится 0.1мА в петле.

Нифига не стандарт, да и вообще мало чрезмерно, но рабочий принцип показывает хорошо.
И видео работы:
Есть более тяжелый и большой, но и намного более точный способ:

Токовая петля

Здесь мы заводим специализированный измерительный резистор Rs и на нем операционником отмеряем падение, а потом результат загоняем во второй операционник. Т.к. конструкция из OP1 считается для OP2 обратной связью, а он выводит разница на собственных входах в ноль, то приобретаем, что:
Приобретаем зависимость Is = Uin/100 с хорошей такой линейностью, тем более если взять прецезионные усилки с Rail-2-Rali выходом.
Если необходима самая большая точность, то лучше применить готовую микросхему. Есть и масса спекциализированных формирователей токовой петли.

К примеру MAX15500. Включаешь по даташиту и радуешься 🙂
Гальваническую развязку аналоговой токовой петли можно создать на изолирующих усилителях. Вроде ISO124

Токовая петля

Показатель усилениея у него 1. Т.е. 1 вольт вошел — 1 вышел.

Никаких заморочек с обратной связью и прочим. Два независимых входа питания, с двух сторон.

Единственный минус — стоит она дорого. Та же ISO124 от 15 баксов за штуку.
Также прикольное свойство токовой петли в том, что можно питать удалённое устройство через эту же петлю. Т.к. источник тока возмещает употребление.

Конечно в разумных пределах, однако для каких-нибудь датчиков удалённых вариант очень даже не плохой.
Нормы
Единого стандарта на токовую петлю, величины токов и разьемы, как к примеру с RS232, нет. Однако в промышленности более-менее устоялся стандарт аналоговой токовой петли 4…20мА, т.е. очень маленький уровень это 4мА, а самый большой 20мА.

Нулевой ток считается обрывом линии. Для цифровой петли чаще используют диапазон 0…20мА.

Также иногда встречается вариант 0…60мА, однако это экзотика.

41 thoughts on “Токовая петля

А можно ли применять стабилитрон для гашения бросков напряжения на цифровой линии? Воткнуть по штуке на каждый конец.
Правильно ли мне стало плнятно, что токовая петля просто намного лучше защищена от обыкновенных помех, в том ее выгода?
Стабилитроны и так ставят. Только не стабилитроны, а супрессоры.

Они мощнее и способны рассять большую энергию. Превосходство петли в том, что там меньшее влияние на аналоговый сигнал и ее легко развязывать.
И стабилитроны, и супрессоры (правильнее, все же речь вести о супрессорах) включают в цепь для ее защиты от статики (нано- и микросекунды) от вывода входных цепей из строя. К защите от помех они отношения не имеют: если на линии с логическим «0» наведется преграда выше уровня супрессора, он, лишь, откроется, шунтируя ее до собственного уровня.

Иначе говоря закономерная схема все равно воспримет помеху, если ее продолжительность ложится в характеристики логики.
При цифровой дифф линии синфазная преграда вычтется. Плюс CRC не отменял никто.
Это Ваш совет борьбы с помехой и ошибками. Никто с этим не спорит. Но иной раз: на коротких расстояниях, нечетное число сигнальных линий, ограничение числа проводников, — нет возможности применять витую пару…
Я, лишь, обозначил назначение супрессора как близкого человека варистора.
Дак оно же гавно! Оно же греет и ток жрёт.
Люди уже достаточно давно используют развязывающие преобразователи электрической энергии, они и быстрее, и надёжнее будут. см. ethernet.
Токовая петля применяется когда приходится передавать сигнал по проводам на большое расстояние десятки метров, а то и километры. Что бы передать на подобные длинные расстояния и освободится от действия помех и выдумали подобный подход.
Да бы сделать лучше энергетические характеристики, что бы не грелось и не жрало ток, можно попробовать применять импульсные источники тока.
Да неужели? Нука кинь эзернет на пару-тройку километров одним куском.

А если аналог плюс ко всему еще и затрах будет с преобразованием и паковкой все в цифру.
та який килоОметр
там ста метров хватит чтобы увидеть косяк
мы кидали 300 через доп хаб
и то: когда работает, когда нет
на сколько мне известно эзернет можно кидать максимум на 300м при 10 мбит, и на 100м при 100 мбит
для постоянной работы так все равно не нужно шутить
у нас был навык протяжки кабеля метров 150
себе интеренет заводили
там была какая-нибудь мега пара(экран и канат стальной в середине)
и даже что-то там мегапупер поставили(тогда не вдавался в подробности)
а хорошо работало лишь то, что короче 50 метров
как-то так
Эзернет на пару километров? Да хоть на несколько десятков, это все пыль для моряка! Не забудьте, что по стеклу эзернет тоже бегает 🙂
А вообщетоковая петля это частный случай дифф-линии, и активно используется в промышленности. Разные датчики индустриального выполнения имеют выход 4-20ма, от него же и питаются.
Интересно. У нас на жд для связи установок со станционным оборудованием (по обычной медной паре длиной до тридцати километров) применяется интерфейс V23 — полудуплекс с частотной модуляцией, скорость 1200 бод.

Хреновый протокол разумеется, устарел давно, и затухание с расстоянием растет достойно, и помеху ловит будь здоров, однако у него есть один значимый в нашей специфике плюс — его слышно :). С помощью говна и палок, как то обычная телефонная трубка, наушник или стрелочный вольтметр (редкие кодовые пачки вполне отчетливо видны на глаз, т. к. амплитуда у них около 4-х вольт) можно быстро определить место порыва, до куда сигнал еще «добивает» и там уже принимать меры по восстановлению связи.
А вот от приемопередатчика на станции до спец. платы в компе, обрабатывающем поступающую информацию, связь из-за чего то выполняется токовой петлей, хотя там кабель длиной метра полтора максимум. Для чего так сделано — непонятно.
ПОНАБ?
Главное что работает блин, и через пупины проходит.
xDSL на высокоомное ухо кстати тоже услышать можно, правда посылок уже не различишь.
>>ПОНАБ?
КТСМ 🙂 Как правило к ПОНАБам в широком смысле, как к классу устройств диагностики относится.
Старожилы говорили, что старинная аппаратура ПОНАБ-3 (отдельная разновидность), вообще обладала «волшебными» качествами. За счёт амплитудной модуляции сигналов в физическом канале связи, способна была работать даже при полном (!) обрыве кабеля — сигнал прошивал через почву. Дескать, был настоящий случай, когда связь сохранялась при полутораметровом разрыве между кусками кабеля, понадобилось только выкрутить усиление на максимум.

Не знаю уж правда либо нет, я тогда еще не работал по этой профессии.
Просто привязанность так именовать, как плис (а их различных много fpga, cpld и тд.)
На Украине тоже собственный понаб давно запили, АСДК-Б именуется, хотя и ктсм есть (друг на их обслуживании работал).
О стандартах токовой петли.
4-20мА активно используется в современном КИПе, а конкретно при передаче нормированного аналогового сигнала с удалённых измерительных преобразователей (температуры, давления и др.) на систему управления/контроля процессом и с системы на механизмы исполнения (задвижки/заслонки и др.), часто комбинирована и с параметрирующей цифрой (HART).
0-20мА «цифра» применялась, например, в устаревшем PLC SIMATIC S5 для связи с программатором, операторской панелью и т.п. периферией. Теперь вытеснена RS485, Ethernet и другими.
Разумеется для каждой определенной задачи подбирать нужно хорошее решение. Но осветить еще применяющийся (физический) связной канал широкой публике, считаю не лишним.

Об этом наверное можно найти много инфы на просторах и-нета, однако она вероятнее всего будет изложена довольно сухо.
Можно считать стандартом. Могу лишь доказать что в промышленности применяется достаточно широко. Бывают варианты:
0-60 (редкость)
0-40
0-20
4-20 (очень популярен т.к. дает возможность осуществить аналоговый 1-Wire и выявлять обрыв)
Практически все современные аналоговые датчики применяют собственно 4-20.
Кроме того поверх токовой петли работают такие протоколы как HART.
….Также иногда встречается вариант 0…60мА, однако это экзотика. …
В общем то никакой экзотики! Работая на перед началом 90-х на телеграфе, чинил оборудование в котором как раз применялась токовая петля 0…60мА . Разумеется его поубивали перед началом столетия однако не факт, что оно где то ещё работает.

Надёжное было оборудование, убить можно было, только выбросив из окна. Да и то не факт 🙂
Извиняюсь что не очень по теме. По молодости обслуживал пульты сигнализации с элементами охраны — работали по аналогичному принципу только в качестве гальванической развязки стояли реле. При определенном токе реле притянуты, ток меньше либо больше — реле отпадает.

Ну а так как в середине 90-х качество телефонных линий было не на высоте… А кстати как этот вариант поведет себе при пробое изоляции и утечке на «землю»?
Если утечка после резистора нагрузки и утечка меньше чем может обеспечить выход ОУ, то пофигу вообще — ток в петле остается прежним. Если же до, то петля даст сбой, т.к. до нагруки дойдет меньше.

Но здесь, для хорошей надежности можно создать петлю так, чтобы замерялся ток при входе и на выходе.

Токовая петля 20 мА. Вопросы и ответы

Что сделать, если Вам нужно считывать показания термопреобразователя, работающего в условиях товарного производства и находящегося на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и щепетильного изучения существующих решений, Вы наверное подберёте не Вай-фай, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая успешно используется уже больше 50 лет.

Не обращая внимания на видимую архаичность этого интерфейса, подобный выбор, в действительности, считается оправданным в большинстве случаев.
В этой статье, выстроенной в виде вопросов и ответов, открываются характерности применения токовой петли для сбора данных и управления.

В статье также говорится о разных улучшениях и типах токовой петли, которые были выполнены за всю историю ее применения на практике.

Что такое токовая петля 20 мА?

Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА собой представляет стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА отвечает очень маленькому значению сигнала, а ток 20 мА отвечает самому большому значению сигнала (рис.

1). В стандартном приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) превращается в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА.

Токовая петля применялась во всех аналоговых системах еще до возникновения цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.

Токовая петля

Рис. 1. Во время работы с датчиком токовая петля включает пять важных элементов: измеритель, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник

Может ли токовая петля применяться одновременно с цифровыми сигналами?

Да, может. Как правило для представления логического «0» применяется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» применяется токовый сигнал 20 мА.

Детальнее об этом говорится дальше.

Где применяется интерфейс токовой петли 4-20 мА?

Он применяется как правило в промышленных приложениях, в которых измеритель и контроллер или контроллер и актуатор размещены на большом удалении один от одного, а коммуникационные кабели располагаются в помещениях с высоким уровнем электро-магнитных помех.

Почему применяют токовую петлю, а не обычные интерфейсы, к примеру, RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?

Есть 2 уважительные причины.
Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает большую устойчивость к внешним шумам.

В согласии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. Из-за этой причины в токовой петле нереально ослабление или усиление тока (рис.

2). В работе питание токовой петли выполняется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика видоизменяет напряжение в ток.

С другой стороны, интерфейсы, применяющие сигналы напряжения, сооружаются на основе высокоомных контуров, которые оказываются очень чувствительными к помехам.
Второе, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается – ток падает до нуля, что автоматично определяется схемой.

Потом вырабатывается аварийное предупреждение и выполняется локализация разрыва.

Токовая петля

Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю

Как токовая петля реализовывается на стороне датчика и на стороне актуатора?

Устройства, подключаемые к токовой петле, можно поделить на две главные группы: датчики и актуаторы. В датчиках реализовывается схема передатчика, который образовывает линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА.

В актуаторах применяется схема приемника, который видоизменяет ток в управляющее напряжение. Допустим, для задания небольшой частоты вращения мотора контроллер образовывает токовый сигнал 4 мА, а для задания самой большой скорости – сигнал 20 мА.

Почему взамен токовой петли не применять беспроводной интерфейс, к примеру, Вай-фай или остальной проводной интерфейс, к примеру, Ethernet?

Выше уже было сказано, что токовая петля обладает 2-мя главными преимуществами: большой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики. Более того, данный интерфейс имеет и остальные положительные качества, в том числе: низкую цену реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, большую надежность, возможность создания длинных линий связи аж до нескольких сотен метров (к примеру, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).
Иные проводные нормы тяжелее настраивать и эксплуатировать, они восприимчивы к шуму, слабо защищены от взламывания и выделяются большой ценой реализации.

Создать беспроводную связь в промышленной обстановке вполне реально, если речь идет о маленьких расстояниях. Но во время работы на больших дистанциях появляются проблемы, связнные с необходимостью многоярусной фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных.

Все это поднимает цену и риск разрыва связи. Подобное решение навряд ли резонно, если требуется только подключить простой температурный датчик или контроллер клапана/мотора.

Как сигнал токового контура превращается в напряжение?

Все очень легко: ток идет через резистор, а получаемое падение напряжения увеличивается при помощи операционного или дифференциального усилителя. Из-за разных причин для резистора токовой петли было подобрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Аналогичным образом, сигналу 4 мА отвечает напряжение 1 В, а сигналу 20 мА отвечает напряжение 5 В. Напряжение 1 В оказывается очень большим если сравнивать с фоновыми шумом и может быть легко вымерено.

Напряжение 5 В также считается достаточно хорошим и находится в диапазоне допустимых значений для многих аналоговых схем. В то же время, самая большая мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I 2 R), составляет всего 0,1 Вт, что допустимо даже для устройств с небольшими возможностями по отводу тепла.

На самом деле ли токовая петля 20 мА считается пережитком прошлого и применяется только в устаревших электронных приборах?

Как провести измерение петли фаза-ноль, прибором ИФН-300. Розетки.

Абсолютно нет.

Производственники интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.

Как аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?

Как говорили выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Измерительные результаты от датчика можно высылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов.

Стандартная разрядность данных при этом может составлять от 12 до 16 бит. Иногда применяют разрядность 18 бит, но это быстрее считается исключением, так как для обыкновенных промышленных систем абсолютно достаточно и 16 бит.

Аналогичным образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.

Что еще требуется для передачи цифровых данных?

Для выполнения обмена цифровыми данными будет мало простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Нужно каким-нибудь образом сообщать пользователю, когда начинается и завершается пакет данных.

Более того, требуется контролировать возникновение ошибок и исполнять некоторые прочие функции. Аналогичным образом, для передачи цифровых данных при помощи токовой петли необходимо определить формат кадров и осуществить подходящий протокол передачи.

Что такое стандарт HART?

HART – общепризнанный стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. К примеру, в формате кадра применяются разные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее кол-во байтов данных, фактические данные и, напоследок, контрольная сумма.
Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто.

Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для применения в странах Европы. HART претерпел три ключевых вариации, но сберег обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что считается очень важным для рынка промышленной электроники.

Добавочной спецификой HART считается включение информации об изготовителе электронного устройства в поле команды. Данная информация дает возможность избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как есть намного 100 поставщиков HART-совместимых устройств.

Какие еще улучшения даёт HART?

Применение байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с большим количеством подключенных датчиков, так как каждому датчику может быть присвоен оригинальный номер. Это приводит к большой экономии средств, расходуемых на прокладку проводов и монтаж если сравнивать с соединением точка-точка.

Подключение большинства устройств к одной общей токовой петле значит, что продуктивная скорость передачи данных для любого отдельного устройства уменьшается. Однако практически всегда это не проблема.

А дело все в том, что во множестве промышленных приложений оновление данных и передача команд происходит нечасто – порядка одного раза в секунду. К примеру, температура — очень часто измеряемая физическая величина- в основном, меняется достаточно плавно.

Аналогичным образом, стандарт HART выполняет токовую петлю 20 мА популярной даже в век цифровых технологий.

Есть ли какие-нибудь иные улучшения, которые увеличивают востребованность данного интерфейса?

Протокол MODBUS, очень понятное объяснение

Да, другое важное усовершенствование касается питания.

Отметим, что токовая петля применяет диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может быть в передатчике или приемнике.

В то же время и датчику, и актуатору требуется еще один хороший источник для питания своей электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.
Но по мере развития интегральных технологий употребление приемников и передатчиков уменьшалось.

В результате возникла реальная возможность питания устройств конкретно от токовой петли. Если употребление элементов электроники, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет надобности в добавочном источнике питания.

Пока напряжение сигнального контура очень велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.

Есть ли какие-нибудь прочие положительные качества у устройств с питанием от токовой петли?

Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны содержать разрешение на применение во взрывоопасных зонах.

К примеру, они обязаны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств любого из данных классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не было достаточно для загорания как при нормальных эксплуатационных условиях, так и при авариях.

Мощность потребления устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они в большинстве случаев без проблем проходят данную сертификацию.

Что делают производственники ИС для упрощения работы с токовой петлей?

Они выполняют то же, что и всегда: формируют ИС, которые предоставляют реализацию не только базового функционала, но большинства остальных дополнительных возможностей. К примеру, Maxim Integrated MAX12900 собой представляет малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис.

3).

Токовая петля

Рис. 3. MAX12900 – малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а еще большинства дополнительных полезных возможностей, в том числе питание прямо от токовой петли

MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание прямо от токовой петли. Микросхема соединяет в одном корпусе много практичных блоков: стабилизатор электрического напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым сдвигом; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для оснащения плавного включения; источники опорного напряжения с очень маленьким дрейфом.

Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?

Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 – референсную схему термопреобразователя с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема выстроена на базе микроконтроллера MSP430 и собой представляет недорогое решение с очень маленьким набором элементов.

Токовая петля

Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 собой представляет температурный датчик (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема выстроена на базе нескольких ИС, которые предоставляют обработку показаний датчика и взаимное действие с токовой петлей

В TIDM-01000 для управления током применяется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Аналогичным образом, отдельный ЦАП не требуется.

Схема имеет 12-битное разрешение с шажком квантования выходного тока 6 мкА. Предложенное решение гарантирует защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис.

5).

Токовая петля

Рис. 5. Передатчик, выстроенный с применением TIDM-01000, умещается на маленький монтажной плате.

Компактность считается дополнительным плюсом токовой петли

Заключение

В статье были рассмотрены ключевые вопросы, посвященные применению токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Не обращая внимания на то, что этот интерфейс считается настоящей «античностью» по размерам электроники, но все таки, его все также активно применяют, в том числе в современных цифровых устройствах.

В статье также рассказывалось о том, как питание от токового контура дополнительно увеличивает возможности данного интерфейса.

Аналоговые полевые интерфейсы: токовая петля 4-20 мА – от обычного к сложному

Токовая петля

Интерфейс токовая петля 4-20 мА – один из наиболее старых, и одновременно наиболее надёжных и помехоустойчивых параметров передачи информации на длинные расстояния. Ключевым его использованием являются промышленные системы автоматики.

В наше время, в связи с распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных параметров для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer). О физических основах токовой петли, характерностях ее реализации и разновидностях интерфейса призвана напомнить данная статья.

Любая система управления кроме электроники и исполнительных устройств в себя включает набор интерфейсов, благодаря которым происходит соединение всех ее элементов в одно целое. Собственно интерфейсы предоставляют надежное функционирование оборудования в настоящих, иногда очень жёстких условиях.

Анализ самых распространенных аналоговых и цифровых вариантов обмена информацией с удалёнными элементами показывает, что большинство из них базируются на применении токовой петли (Current Loop). За счёт простоты, высокой помехозащищенности и ряду остальных достоинств, токовая петля, особенно интерфейс 4-20 мА, по праву оказалась одной из очень распространенных основ для передачи информации на длинные расстояния.

Впрочем на данный момент, благодаря уважаемому возрасту этого способа, истоки которого необходимо искать в технической литературе середины 20 века, некоторые разработчики, особенно начинающие, не до конца осознают всех его свойств, что приводит к возникновению глупых ошибок во время проектирования. Благодаря этому базовую информацию о данном методе передачи данных нужно иногда оновлять, что и оказывается поводом данной публикации.

Почему ток, а не напряжение?

Как понятно из школьного курса физики, рабочий режим участка электрической цепи (двухполюсника) определяется 2-мя важными параметрами: напряжением U – разностью потенциалов на его концах, и током I, протекающим через него (рисунок 1). В общем случае связь между значениями U и I может быть довольно сложной, ведь она подчиняется от внутренней начинки двухполюсника, который может содержать все все что угодно, в том числе и источники электроэнергии.

Но в простейшем случае, – для резистора с сопротивлением R, – эти два параметра связаны законом Ома: U = I ? R.

Токовая петля

Рис. 1. Ключевые соотношения для резистивного двухполюсника
Аналогичным образом, во время использования на приемной стороне резистора в качестве датчика входного сигнала, в теории все равно между способами передачи сигнала – при помощи напряжения или при помощи тока, ведь эти два параметра связаны.

Кроме того, с технической точки зрения передавать информацию при помощи напряжения легче, чем при помощи тока, ведь большинство существующих источников электроэнергии считается источниками напряжения, да и приборов, в том числе и полупроводниковых, способных контролировать или настраивать напряжение, значительно больше. Плюс ко всему, система, передающая информацию при помощи напряжения при бесконечно большом сопротивлении измерительного элемента (R ? ?) почти не потребляет тока (I ? 0).

Это значит, что в теории она может быть гораздо экономичней, ведь в данном варианте мощность сигнала P, а значит, и расходы энергии на его передачу могут быть сколь угодно малыми (P = U ? I ? 0).
И на самом деле, навряд ли кто-нибудь будет применять токовую петлю для связи, к примеру, 2-ух микроконтроллеров, размещенных на одной плате в нескольких сантиметрах один от одного.

Впрочем когда заходит речь о расстояниях более 10 метров или о передаче информации в сложной электромагнитной обстановке, главные минусы токовой петли во время работы на малых расстояниях превращаются в ее положительные качества, и она становится одним из самых надежных и прекрасных способов передачи информации.
Важным плюсом токовой петли считается большая точность передачи информации.

В реальной системе связи на величину напряжения сигнала на приемной стороне оказывают влияние физические параметры линии, первым делом – активное сопротивление ее проводников RЛ1 и RЛ2 (рисунок 2). На самом деле, согласно второму закону Кирхгофа, сумма стрессов в замкнутом контуре должна быть равна нулю, благодаря этому напряжение UВЫХ, генерируемое передатчиком, равно сумме падений стрессов на сопротивлениях проводов линии связи UЛ1, UЛ2 и входном сопротивлении приемника UВХ.

Это значит, что для точной передачи сигнала, особенно аналогового, при помощи напряжения нужно каждый раз подстраивать систему под определенную линию связи. Если учесть, что активные сопротивления проводников RЛ1 и RЛ2 физической линии зависят от большого количества самых разных факторов, первым делом от температуры, такую настройку придется проводить постоянно, в зависимости от времени суток и атмосферных условий.

Токовая петля

Рис. 2. Системы связи на основе передачи напряжения и тока

Датчик Pt100 0-300гр 4-20мА

В отличии от напряжения, величина которого отличается для любого участка, ток в каждом элементе неразветвленной электрической цепи одинаков. Это значит, что качество передаваемой информации (силу тока) можно контролировать не только на приемной, но и на передающей стороне, таким образом подстраиваясь под все изменения показателей линии.

Аналогичным образом, система передачи данных на основе токовой петли не требует каких нибудь дополнительных инструментов калибровки или автоподстройки под определенную линию связи – подобную функцию автоматично делает передатчик.
Влияние показателей линии связи в системе, передающей информацию при помощи напряжения, в теории можно сделать меньше, увеличив внутреннее сопротивление приемника (в замечательном случае R ? ?).

В данном варианте случится уменьшение тока в линии, а значит, и падение напряжения на сопротивлениях RЛ1 и RЛ2. Однако во время работы с длинными линиями это может привести к ухудшению качества связи, так как не считая сигнала в системе еще существуют и помехи.
Преграда считается аналогичный обязательной частью систем передачи данных как передатчик, приемник и линия связи.

В аналоговых системах наличие помех приводит к уменьшению соотношения «сигнал/шум», а в цифровых – к увеличению допустимости ошибки. В системе на основе передачи напряжения напряжение, создаваемое помехой UПОМ, суммируется с анодным напряжением передатчика UВЫХ (рисунок 3), благодаря этому на приемной стороне их зонирование очень трудно.

А вот в системе на основе передачи тока любые отклонения выходного сигнала, в том числе и вызванные помехой, могут быть скомпенсированы на передающей стороне. Влияние помехи в данном варианте обнаружиться в виде колебания напряжения на выходе передатчика на величину -UПОМ, но ток в линии остается постоянным.

Токовая петля

Рис. 3. Влияние помехи на самые разнообразные системы связи
Это также можно объяснить иначе: в системе на основе передачи напряжения энергия помехи выделится при входе приемника, где она причинит самый большой вред, а в системе на основе передачи тока – на выходе передатчика, где эффект от ее воздействия будет очень маленьким.

На самом деле, так как падение напряжения на участке резистивной цепи пропорционально ее сопротивлению, энергия помехи должна отличиться на участке, имеющем максимальное сопротивление. В системе на основе передачи напряжения внутреннее сопротивление передатчика RПЕР (источника напряжения) должно быть очень мало, а приемника (вольтметра) – максимально большим (рисунок 3). В системе на основе передачи тока все наоборот: внутреннее сопротивление передатчика (источника тока) должно быть максимально большим, а приемника (амперметра) – очень маленьким.

Аналогичным образом, в теории (и фактически) системы связи на основе токовой петли имеют больший уровень помехозащищенности, чем системы связи на основе передачи напряжения.

Интерфейс 4-20 мА

В основе интерфейса 4-20 мА лежит токовая петля с рабочими значениями токов в диапазоне 4…20 мА. Изменение значения тока до значения менее 3,8 мА говорит об обрыве линии, а выше 20,5 мА – о коротком замыкании.

Аналогичным образом, этот интерфейс дает возможность контролировать цельность физических соединений в системе.
В общем случае логическое соответствие уровней тока может быть самым разным, впрочем классически небольшой уровень отвечает невысокому уровню контролируемой величины, а большой – высокому.

Так, к примеру, выходной сигнал аналогового датчика, контролирующего уровень наполнения бака, равный 4 мА, будет отвечать пустому баку, а 20 мА – полному. Если же бак будет заполнен частично, то измеритель сформирует ток 12 мА (4 + (20 – 4)/2 = 12 мА). В цифровых двоичных системах ток, равный 4 мА, в большинстве случаев отвечает уровню логического нуля, а 20 мА – логической единице.

Прототипом электрического интерфейса 4-20 мА считается его пневматический аналог с уровнями давлений 3…15 фунтов на квадратный дюйм (0,2…1 бар). До массового распространения электроники именно данный стандарт был преобладающим в промышленности.

Собственно в нем появился «смещенный ноль», когда невысокий уровень сигнала выделялся от нулевого значения. В свое время это было с тем связано, что, во-первых, давление меньше 0,2 бар было технически трудно выявить, а второе – уменьшение давления ниже данной величины говорило о наличии повреждений.

По мере развития электроники, тем более в области микроконтроллеров, пневматические системы управления понемногу вытеснялись электронной автоматикой. Впрочем даже в наше время выпускается много устройств с пневматическими интерфейсами управления, к примеру, регулирующая трубопроводная арматура. Связывают это с тем, что применение в них электроприводов технически трудно или дорого.

В данном варианте применяются специальные преобразователи интерфейсов «токовая петля 4-20 мА» в «давление 3-15 фунтов на квадратный дюйм» (и наоборот), предназначающиеся для сопряжения электронной и пневматической частей системы управления (рисунок 4).

Токовая петля

Рис. 4. Преобразователи электрического интерфейса «токовая петля 4-20 мА» в пневматический «3-15 фунтов на квадратный дюйм»

Важными достоинствами интерфейса 4-20 мА считаются:

  • простота – в самом простейшем случае удалённое устройство можно подключить при помощи всего 2-ух проводов;
  • большая точность передачи сигнала – так как ток одинаков в каждом элементе системы передачи, передатчик всегда знает, какой уровень сигнала получит приемник;
  • высокая помехозащищенность за счёт двойного контроля тока (и на стороне передачи, и на стороне приема), позволяющая подсоединять удалённые (иногда до десятков километров) объекты, к примеру, при помощи типовых телефонных линий;
  • независимость качества связи от длины линии, которая оказывает влияние исключительно на самую большую скорость передачи данных;
  • возможность самодиагностики как обрыва, так и короткого замыкания линии;
  • в теории неограниченная дальность связи – практически самая большая длина соединительного кабеля ограничена лишь электрической прочностью его изоляции и скоростью передачи данных.

Все это стало причиной большому распространению данного интерфейса в работе, тем более в промышленных системах, и поддержке приличным числом изготовителей, что считается дополнительным, наверное, самым главным его преимуществом.
Но, как и любой иной интерфейс, токовая петля имеет ряд минусов и ограничений, на которые необходимо обратить внимание при разрабатывании. Важным из них считается возможность передачи по одному кабелю всего одного сигнала.

При большом количестве устройств это может стать трудностью, так как не считая увеличения количества кабелей могут появиться нежелательные паразитные контуры в цепи заземления, что плохо отобразится на помехоустойчивости системы. Также при большом количестве одновременно применяемых интерфейсов следует уделить большое внимание качеству и состоянию кабелей, так как все плюсы токовой петли исчезают при нарушении изоляции передающих линий.
Очередным минусом токовой петли считается сравнительно низкая (по сегодняшним меркам) скорость передачи информации, напрямую зависящая от длины линии.

В отличии от систем на основе передачи напряжения, для которых скорость перезаряда паразитной емкости кабеля можно увеличить, к примеру, увеличением мощности передатчика (ведь его непродолжительный самый большой выходной ток в теории абсолютно не ограничен), выходной ток передатчика для токовой петли не должен быть больше 20 мА. Пускай в системе связи применяется стандартной провод с погонной емкостью, равной 75 пФ/м.

В данном варианте отрезок линии длиной 1 км станет иметь емкость 75 нФ. Пускай входное сопротивление приемника равно 250 Ом, что при выходном токе 20 мА обеспечивает напряжение при входе приемника 5 B. В данном варианте для заряда паразитной емкости линии до подобного напряжения потребуется около 18,5 мкс.

Легко подсчитать, что самая большая скорость передачи в данном варианте не может быть больше 54 кбит/с, и она будет пропорционально уменьшаться по мере увеличения длины кабеля. В настоящих системах скорость передачи данных по интерфейсу 4-20 мА как правило не больше 9600 кбит/с.

Но все таки, для многих систем управления этого оказывается будет достаточно.

Ключевые узлы интерфейса 4-20 мА

В замечательном случае для создания информационного сигнала следовало бы применять специальный управляемый генератор тока. Впрочем технически оказалось легче поделить функции электрического питания и формирования сигнала и применять в системе два некоторых узла: источник питания, обеспечивающий систему электроэнергией, и управляемый стабилизатор тока, исполняющий функцию генератора (передатчика) сигнала.

Это дало возможность:

  • подключить приемопередающую часть системы к обычным шинам питания (9 В, 12 В, 24 В и так дальше);
  • гибко подбирать нужный уровень рабочего напряжения;
  • освободится от привязки источника электроэнергии к передающему узлу.

С подобным подходом источник питания для приемопередающей части в общем случае может быть в одной из частей системы: как в локальном, так и в удаленном оборудовании, а еще подключаться в виде отдельного устройства конкретно в разрыв кабеля линии связи (рисунок 5).

Токовая петля

Рис. 5. Варианты построения системы связи на основе интерфейса 4-20 мА
Напряжение питания приемопередающей части зависит от падения напряжения в линии связи.

Чем длиннее линия связи и чем тоньше кабель, тем выше должен быть этот показатель. Для объектов, размещенных на приличном расстоянии, напряжение питания достигает 120 В и более.

В общем напряжение источника питания должно быть примерно на 10% больше общего падения напряжения на всех элементах приемопередающего тракта при высоком токе (20 мА). Если напряжение питания окажется ниже, то из-за высокого сопротивления контура управляемый стабилизатор тока просто не сможет обеспечить необходимый ток.

Очень высокое же значение данного параметра в худшем случае, к примеру, при обрыве кабеля, может привести к выходу оборудования из строя.

Дистанционное питание удалённого оборудования

Время-токовые характеристики автоматических выключателей. Выбор, селективность, испытание SE EASY 9

Так как падение напряжения в линии не оказывает влияние на качество передачи информации, то напрашивается вопрос: а можно ли его дополнительно расширить, отобрав часть энергии сигнала для питания удалённого оборудования? Оказывается, в большинстве случаев это вполне реально.

К примеру, если на приемной стороне прибавить в линию дополнительное сопротивление 500 Ом (рисунок 6), то при протечке тока на нем будет развиваться падение напряжения от 2 В (при токе 4 мА) до 10 В (при токе 20 мА), что будет достаточно для питания маломощных измерительных узлов (в этом случае мощность при токе 4 мА будет равна 8 мВт). Понятно, что введение дополнительного падения напряжения в линии должно быть скомпенсировано соответствующим увеличением напряжения источника питания.

Токовая петля

Рис. 6. Дистанционное питание удалённого датчика при помощи токовой петли
Во многих случаях мощности сигнала, снимаемого с токовой петли интерфейса 4-20 мА, достаточно для питания большинства датчиков, к примеру, термопреобразователей или влаги, положения ротора электрического двигателя и остальных малопотребляющих устройств.

Но если разработчику нужно на расстоянии питать устройства, содержащие намного мощнее приборы, к примеру, реле или жидкокристаллический экран с Светодиодной подсветкой, тогда нужно применять другие варианты: либо отдельный источник питания, либо иные разновидности интерфейса 4-20 мА.

Разновидности интерфейсов 4-20 мА

Все рассмотренные выше варианты применения интерфейса 4-20 мА относились к его двухпроводной версии, которая считается очень простой и бюджетной. Как говорили выше, одним минусом двухпроводного соединения считается небольшая мощность питания удалённого оборудования, которая связана с конечным значением как самого большого тока в линии (20 мА), так и самого большого падения напряжения на приемной стороне.

Данный недостаток полностью устранен в четырехпроводной версии рассматриваемого интерфейса, в которой для питания удалённого оборудования применяется отдельный узел, подключаемый при помощи отдельного электрокабеля (рисунок 7). С подобным подходом информационная часть системы оказывается изолированной от всех других цепей (при условиях, что передатчик и приемник интерфейса 4-20 мА тоже содержат необходимые изолирующие элементы), что обеспечивает самый высокий защитный уровень от электро-магнитных помех. Напряжение питания удалённого оборудования в общем случае может быть самым разным.

Очень часто применяются частые (12, 24 или 48 В) или переменое (220 В, 50 Гц) напряжения, что дает возможность применять для этой цели типовые шины и источники питания.

Токовая петля

Рис. 7. Четырехпроводная версия интерфейса 4-20 мА
Понятно, что этот вариант подсоединения является очень сложным и дорогим, однако он дает возможность на расстоянии питать оборудование в теории любой мощности и передавать информацию с самым высоким уровнем помехозащищенности.

Разумеется, в работе реальная мощность подключаемого оборудования ограничена пропускной способностью электрокабеля, да и к интерфейсу 4-20 мА, откровенно говоря, этот метод соединения относится лишь де-юре, ведь в этом случае речь идет практически о 2-ух параллельно работающих независимых системах: системе питания и системе передачи информации.
Несущественно облегчить систему можно путем замены 2-ух двухпроводных кабелей одним четырехпроводным. Однако данный вариант во многих случаях будет компромиссным, так как жилы проводников электрической части кабеля очень часто должны содержать большее сечение, а при больших питающих напряжениях – и высокопрочность изоляции, если сравнивать с проводами его информационной части.

Да и вероятность ошибочного подсоединения оборудования во время использования четырехпроводного кабеля существенно увеличивается.
Если дают возможность техусловия, тогда можно применить переходный – трехпроводный вариант интерфейса. Его потенциальные возможности (большая мощность дистанционного подключаемого оборудования и уровень помехозащищенности) за счёт некоторых линий питания и передачи информации сходственны четырехпроводной версии, но, за счёт исключения электрической изоляции между различными частями системы, эта версия интерфейса оказывается легче и бюджетней.

К примеру, в трехпроводной версии интерфейса 4-20 мА приемопередающие узлы и все другое оборудование можно питать от одного источника (рисунок 8).

Токовая петля

Рис. 8. Трехпроводная версия интерфейса 4-20 мА
Аналогичным образом, трех- и четырехпроводные версии 4-20 мА дают возможность сделать больше мощность на расстоянии подключаемого оборудования, но при этом увеличивается как сложность, так и цена системы.

Плюс ко всему, во время использования систем на опасных объектах увеличение уровня мощности, подаваемой к удалённому узлу, может вызвать проблемы с обеспечением необходимого уровня искро-, взрыво- и пожарной безопасности. Необходимо также отметить, что во время использования двухпроводной версии интерфейса 4-20 мА трудностей с сертификацией оборудования для работы во взрывоопасных средах почти не появляется, другими словами, на удалённое оборудование подается настолько мало энергии, что там даже нет условий для появления искры.

Нормы и варианты использования токовой петли

За все время существования токовой петли было разработано пару вариантов ее использования на практике, которые получили очень большое распространение. С самого начала (в 50-х годах 20 века) токовая петля с уровнями сигналов 0-60 мА применялась в телеграфии, но из-за непозволительно высокого (даже В то время) потребления энергии уже с начала 60-х годов высочайший уровень тока был уменьшен до 20 мА.

В наше время 20 мА считается предельным значением тока для многих интерфейсов, хотя, согластно ГОСТа 26.011-80, значение данной величины, по согласованию с заказчиком, достигает 100 мА.
Токовая петля упоминается во многих отечественных параметров, к примеру, ИРПС/IFSS (ОСТ 11 305.916-84), ГОСТ 27696-88 или ГОСТ 28854-90 и заграничных, к примеру, IEC 62056-21/DIN 66258. Впрочем ни один из них не считается спецификацией конкретно токовой петли.

К примеру, IEC 62056-21 стандартизирует протокол связи с электрическими счетчиками, ГОСТ 27696-88 – интерфейсы, используемые в промышленных роботах, а ИРПС – интерфейс соединения компьютеров с периферийными устройствами (принтерами, телетайпами и прочим). Аналогичным образом, многие производители применяет уровни сигналов токовой петли, ставшие обычными, хотя, уровни сигналов 4-20 мА (однако, как и 0-5 мА и 0-20 мА) конкретно указаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации.

Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».
В общем современные интерфейсы, применяющие токовую петлю для передачи данных, выделяются лишь довольно низким уровнем допустимого сигнала, который вероятно будет равен либо 0, либо 4 мА. Во многих случаях для передачи информации может применяться электрический ток в диапазоне -5…+5 мА (при маленьких расстояниях) или -20…+20 мА.

Все попытки сделать меньше максимальное значение тока для уменьшения потребления энергии увенчались успехом лишь на коротких линиях, так как при малом токе и большой длине кабеля катастрофически падает скорость передачи данных.
Пик популярности токовой петли пришелся на эру аналоговой телефонии, ведь конкретно данный способ связи применялся для соединений проводных телефонов с АТС. В телефонных системах нужная дальность связи, достигающая нескольких десятков километров, обеспечивается применением очень высокого напряжения питания (24…125 В).

Типовая полоса частот при этом составляет 0,3…3,4 кГц, а самый большой ток в линии как правило не больше 20 мА.
Токовая петля с уровнями 0-5 мА считается физическим уровнем стандарта MIDI (Musical Instrument Digital Interface), широко применяемого для обмена данными между электронными музыкальными инструментами.

Это формат обеспечивает передачу данных со скоростью 31,25 кбит/с на маленькие расстояния (в границах студии или концертной площадки).
Ключевым использованием токовой петли с уровнями сигнала 4-20 мА являются промышленные системы автоматики, для которых нужна большая надежность, благодаря этому в них и применяется «смещенный ноль», чтобы вовремя выявить неисправность системы управления и принять подобающие меры для устранения появления непредвиденной ситуации.

В наше время, в связи с повсеместным распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных параметров для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer). Проводная версия данного протокола практически считается надстройкой над аналоговым интерфейсом 4-20 мА и дает возможность применять одну и ту же линию связи для одновременной передачи и аналогового (при сокращении полосы до 25 Гц) и цифрового сигналов.

Передача цифровых данных обеспечивается путем подмешивания в аналоговый сигнал высокочастотных несущих с амплитудой ±0,5 мА, модулированных по частоте (1200/2200 Гц) или фазе (3200 Гц). Во время использования частотной модуляции пропускная способность цифрового канала равна 1200 бит/с, а фазовая модуляция, благодаря применению 8-позиционной действия, дает возможность повысить этот показатель до 9600 бит/с. На момент написания статьи последней считается 7-я версия протокола (HART 7), описанная в документе HCF-SPEC-13.

Некоторые части проводной версии данного интерфейса вошли в стандарт IEC 61158-CPF9, а беспроводной – в IEC 62591:2010.

Заключение

Уважаемый возраст токовой петли абсолютно не считается основой для ее забвения. Не обращая внимания на то, что некоторые разработчики считают этот интерфейс отжившим собственное, он, но все таки, продолжает активно формироваться.

И вдобавок нужно понимать, что рабочие принципы любой, даже очень современной системы связи остаются постоянными, так как они базируются на фундаментальных физических законах, исправлять которые человек пока еще не выучился. Это значит, что любой разработчик обязан знать основы – физику явлений в системах передачи данных, так как в другом случае даже самое новейшее оборудование будет вести себя абсолютно непредсказуемым образом.

И наоборот – глубокое осознание тонкостей всех процессов, происходящих в системе, даст возможность принять верное решение в любой, даже самой проблемной ситуации.