4-20 mA 電路的工作原理

“電流迴路”在 1950 年代被用作數據傳輸接口。起初，接口的工作電流為60毫安，後來，從1962年開始，20毫安電流環接口在電傳打字機中得到普遍應用。

20 世紀 80 年代，當各種傳感器、自動化設備和執行器開始廣泛引入科技設備時，“電流電路”接口縮小了其工作電流的範圍——開始從 4 毫安到 20 毫安不等。

隨著 RS-485 接口標準的出現，“電流環路”的進一步傳播從 1983 年開始放緩，如今，“電流環路”幾乎從未在新設備中使用過。

電流環路發送器與 RS-485 發送器的不同之處在於它使用電流源而不是電壓源。

與電壓不同，電流從電源沿電路移動，不會根據負載參數改變其電流值。因此，“電流環路”對電纜電阻、負載電阻甚至感應噪聲 EMF 都不敏感。

此外，環路電流不依賴於電流源本身的供電電壓，而只能由於電纜的洩漏而變化，這通常是微不足道的。當前循環的這一特點完全決定了其實現方式。

需要注意的是電容式拾音器的EMF在這裡是與電流源並聯施加的，屏蔽是用來削弱它的寄生效應的。

出於這個原因，信號傳輸線通常是屏蔽雙絞線，它與差分接收器一起工作，單獨衰減共模和感應噪聲。

在信號的接收端，環路電流通過校準電阻轉換為電壓。並在 20 mA 電流下，獲得標準系列 2.5 V 的電壓； 5V; 10V; — 僅使用阻值分別為 125、250 或 500 歐姆的電阻器就足夠了。

«電流環路»接口的第一個也是主要的缺點是它的低速，受到從位於傳輸側的上述電流源為傳輸電纜容量充電的速度的限制。

因此，當使用 2 公里長的電纜時，線性電容為 75 pF / m，其電容將為 150 nF，這意味著以 20 mA 的電流將此電容充電至 5 伏需要 38 μs，這對應到 4.5 kbps 的數據傳輸速率。

下面是通過“電流迴路”的最大可用數據傳輸速率與在不同失真（抖動）水平和不同電壓下使用的電纜長度的圖形依賴性，評估的執行方式與RS 接口 -485。

«電流環路»的另一個缺點是缺乏針對連接器設計和電纜電氣參數的特定標準，這也限制了該接口的實際應用。公平地說，可以注意到，實際上，普遍接受的範圍是 0 到 20 mA 和 4 到 20 mA。範圍 0 — 60 mA 的使用頻率要低得多。

需要使用“電流環路”接口的最有前途的開發，如今大部分僅使用 4 ... 20 mA 接口，這使得可以輕鬆診斷斷線。此外，“電流環路” " 可以是數字的或模擬的，具體取決於開發人員的要求（稍後會詳細介紹）。

任何類型的“電流環路”（模擬或數字）的實際低數據傳輸速率允許它與多個串聯的接收器同時使用，並且不需要匹配長線。

«當前週期»的模擬版本

模擬“電流迴路”已在需要的技術中得到應用，例如，將信號從傳感器傳輸到控制器或在控制器和執行器之間傳輸。在這裡，當前的周期提供了幾個優勢。

首先，測量值的變化範圍，當它減小到標準範圍時，允許您更改系統的組件。在相當長的距離內以高精度（誤差不超過 + -0.05%）傳輸信號的能力也很出色。最後，當前的循環標準得到大多數工業自動化供應商的支持。

4 … 20 mA 電流迴路以 4 mA 的最小電流作為信號參考點。因此，如果電纜斷了，電流將為零。使用 0 … 20 mA 電流環路時，診斷電纜斷裂會更加困難，因為 0 mA 可能只是表示傳輸信號的最小值。 4 … 20 mA 範圍的另一個優點是即使在 4 mA 的水平下也可以毫無問題地為傳感器供電。

下面是兩個模擬電流圖。在第一個版本中，電源內置於變送器中，而在第二個版本中，電源在外部。

內置電源在安裝方面方便，外置電源允許您根據使用電流環的設備的用途和操作條件更改其參數。

兩個電路的電流環路工作原理相同。理想情況下，運算放大器的輸入端具有無限大的內阻和零電流，這意味著其輸入端的電壓最初也為零。

因此，通過變送器電阻器的電流將僅取決於輸入電壓的值，並且等於整個迴路中的電流，而不取決於負載電阻。因此，可以很容易地確定接收器輸入電壓。

運算放大器電路的優點是無需連接接收器電纜即可校準發射器，因為接收器和電纜引入的誤差非常小。

輸出電壓的選擇基於傳輸晶體管在有源模式下正常工作的需要，以及補償導線、晶體管本身和電阻器上的電壓降的條件。

假設電阻器為 500 歐姆，電纜為 100 歐姆。然後，要獲得 20 mA 的電流，需要 22 V 的電壓源。選擇最接近的標準電壓 — 24 V。電壓限制的多餘功率將簡單地耗散在晶體管上。

請注意，兩個圖表都顯示 電流隔離 發射器級和發射器的輸入之間。這樣做是為了避免發射器和接收器之間的任何錯誤連接。

作為用於構建模擬電流迴路的變送器示例，我們可以舉出帶有四個模擬輸出通道的成品 NL-4AO，用於使用 4 ... 20 mA 或 0 ... 20 mA 連接計算機和執行器 »當前週期 « 協議。

模塊通過RS-485協議與計算機進行通信。該設備經過電流校準以補償轉換錯誤並執行計算機提供的命令。校準係數存儲在設備內存中。使用 DAC 將數字數據轉換為模擬數據。

«當前週期»的數字版本

數字電流迴路通常在 0 ... 20 mA 模式下工作，因為以這種形式更容易再現數字信號。邏輯電平的精度在這裡並不那麼重要，因此環路電流源可以具有不太高的內阻和相對較低的精度。

在上圖中，電源電壓為 24 V，接收器輸入端的壓降為 0.8 V，這意味著使用 1.2 kΩ 的電阻器時，電流將為 20 mA。電纜中的電壓降，即使它的電阻是總迴路電阻的 10%，也可以忽略不計，光耦合器兩端的電壓降也是如此。實際上，在這些條件下，發射器可以被認為是電流源。