4 ～ 20 mA 回路の仕組み
「電流ループ」は 1950 年代にデータ伝送インターフェースとして使用されました。当初、インターフェイスの動作電流は 60 mA でしたが、その後、1962 年から 20 mA の電流ループ インターフェイスがテレタイプで普及しました。
1980 年代に、さまざまなセンサー、自動化機器、アクチュエーターが技術機器に広く導入され始めたとき、「電流回路」インターフェースの動作電流の範囲は狭まり、4 ～ 20 mA の範囲で変化し始めました。
「電流ループ」のさらなる普及は、RS-485 インターフェース規格の出現により 1983 年から減速し始め、現在では新しい機器自体で「電流ループ」が使用されることはほとんどありません。
電流ループ トランスミッタは、電圧源ではなく電流源を使用するという点で RS-485 トランスミッタとは異なります。
電圧とは異なり、回路に沿ってソースから流れる電流は、負荷パラメータに応じて電流値が変化しません。したがって、«電流ループ»は、ケーブル抵抗、負荷抵抗、さらには誘導ノイズEMFのいずれにも影響されません。
さらに、ループ電流は電流源自体の供給電圧には依存せず、ケーブルを介した漏れによってのみ変化しますが、これは通常は重要ではありません。現在のサイクルのこの特性は、その実装方法を完全に決定します。
ここでは、容量性ピックアップのEMFが電流源と並列に印加され、その寄生効果を弱めるためにシールドが使用されることに注意してください。
このため、信号伝送ラインは通常、シールド付きツイストペアであり、差動レシーバーと連携して単独でコモンモードと誘導ノイズを減衰します。
信号の受信側では、校正された抵抗を使用してループ電流が電圧に変換されます。そして、20 mAの電流では、標準シリーズの電圧2.5 Vが得られます。 5V; 10V; — それぞれ 125、250、または 500 オームの抵抗を持つ抵抗器を使用するだけで十分です。
「電流ループ」インターフェースの最初の主な欠点は、速度が遅いことであり、送信側にある前述の電流源から送信ケーブルの容量を充電する速度によって制限されます。
したがって、75 pF / m の線形静電容量を持つ長さ 2 km のケーブルを使用する場合、その静電容量は 150 nF になります。これは、この静電容量を 20 mA の電流で 5 ボルトに充電するのに 38 μs かかることを意味します。データ転送速度は 4.5 kbps です。
以下は、さまざまなレベルの歪み (ジッター) およびさまざまな電圧で使用されるケーブルの長さに対する、«電流ループ» を介した利用可能な最大データ伝送速度のグラフ依存性です。評価は、前述の場合と同じ方法で実行されました。 RSインターフェース-485。
「電流ループ」のもう 1 つの欠点は、コネクタの設計とケーブルの電気パラメータに関する特定の規格がないことであり、このインターフェースの実際の応用も制限されます。公平を期すために、実際、一般に受け入れられている値の範囲は 0 ～ 20 mA および 4 ～ 20 mA であることに注意してください。 0 ～ 60 mA の範囲はあまり使用されません。
「電流ループ」インターフェースの使用を必要とする最も有望な開発では、現在ほとんどの場合、4 ～ 20 mA インターフェースのみが使用されており、これにより断線を簡単に診断できます。また、「電流ループ」 」は、開発者の要件に応じて、デジタルまたはアナログにすることができます (詳細は後ほど)。
あらゆるタイプの「電流ループ」(アナログまたはデジタル) は実質的にデータレートが低いため、直列に接続された複数の受信機と同時に使用することができ、長いラインのマッチングは必要ありません。
«現在のサイクル» のアナログバージョン
アナログ「電流ループ」は、たとえばセンサーからコントローラーへ、またはコントローラーとアクチュエーターの間で信号を送信する必要がある技術に応用されています。ここで、現在のサイクルにはいくつかの利点があります。
まず、測定値の変動範囲が標準範囲にまで縮小されると、システムのコンポーネントを変更できるようになります。かなりの距離にわたって信号を高精度 (±0.05% 以下の誤差) で送信できる能力も注目に値します。最後に、現在のサイクル標準は、ほとんどの産業オートメーション ベンダーによってサポートされています。
4 ～ 20 mA 電流ループの信号基準点としての最小電流は 4 mA です。したがって、ケーブルが断線すると、電流はゼロになります。 0 ～ 20 mA の電流ループを使用している場合、0 mA は単に送信信号の最小値を示す可能性があるため、ケーブル断線を診断することはより困難になります。 4 ～ 20 mA 範囲のもう 1 つの利点は、4 mA のレベルでも問題なくセンサーに電力を供給できることです。
以下に 2 つのアナログ電流図を示します。最初のバージョンでは電源が送信機に組み込まれていますが、2 番目のバージョンでは電源が外部にあります。
内蔵電源は設置に便利で、外部電源は電流ループを使用するデバイスの目的や動作条件に応じてパラメータを変更できます。
電流ループの動作原理はどちらの回路でも同じです。理想的には、オペアンプの内部抵抗は無限に大きく、入力電流はゼロです。これは、入力両端の電圧も最初はゼロであることを意味します。
したがって、送信機の抵抗を流れる電流は入力電圧の値のみに依存し、ループ全体の電流と等しくなりますが、負荷抵抗には依存しません。したがって、受信機の入力電圧を簡単に決定できます。
オペアンプ回路には、レシーバーとケーブルによって生じる誤差が非常に小さいため、レシーバー ケーブルを接続することなくトランスミッターを校正できるという利点があります。
出力電圧は、アクティブ モードでの通常動作に対する送信トランジスタのニーズに基づいて、また、ワイヤ、トランジスタ自体、および抵抗器での電圧降下を補償する条件に基づいて選択されます。
抵抗が 500 オーム、ケーブルが 100 オームだとします。次に、20 mA の電流を得るには、22 V の電圧源が必要です。最も近い標準電圧である 24 V が選択されます。電圧制限からの余剰電力は、トランジスタで単純に消費されます。
どちらのグラフにも次のことが示されていることに注意してください。 ガルバニック絶縁 送信段と送信機の入力の間。これは、送信機と受信機の間の誤った接続を避けるために行われます。
アナログ電流ループを構築するためのトランスミッタの例として、4 ... 20 mA または 0 ... 20 mA を使用してコンピュータとアクチュエータを接続するための 4 つのアナログ出力チャネルを備えた完成品 NL-4AO を挙げることができます。現在のサイクル « プロトコル。
モジュールは RS-485 プロトコル経由でコンピュータと通信します。デバイスは変換誤差を補正するために現在調整されており、コンピュータから供給されたコマンドを実行します。校正係数はデバイスのメモリに保存されます。デジタルデータはDACを使用してアナログに変換されます。
«現在のサイクル» のデジタル版
デジタル電流ループは、一般に 0 ～ 20 mA モードで動作します。これは、この形式でデジタル信号を再現する方が簡単であるためです。ここではロジック レベルの精度はそれほど重要ではないため、ループ電流源の内部抵抗はそれほど高くなく、精度が比較的低くてもかまいません。
上の図では、電源電圧が 24 V の場合、レシーバーの入力で 0.8 V が降下します。これは、1.2 kΩ の抵抗を使用すると、電流が 20 mA になることを意味します。ケーブルの電圧降下は、たとえケーブルの抵抗が合計ループ抵抗の 10% であっても、フォトカプラ両端の電圧降下と同様に無視できます。実際には、このような条件下では、送信機は電流源と見なすことができます。