Интерфейс «токовая петля»

Интерфейс «токовая петля» первоначально использовался для передачи информации преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах «токовая петля» 4...20 мА начинает широко применяться в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики.

В передатчике «токовой петли» используется источник тока, а не источник напряжения. 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 (рис. 14.1), а также от напряжения питания источника тока (см. рис. 14.2). Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

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.

Рисунок 14.1 – Принцип действия «токовой петли»

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 mА для получения стандартного напряжения 2,5 V, 5 V или 10 V используют резистор сопротивлением 125 W, 250 W или 500 W 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 pF/m и длине 1 km емкость кабеля составит 75 nF. Для заряда такой емкости от источника тока 20 mА до напряжения 5 V необходимо время 19 μs, что соответствует скорости передачи около 9 kbit/s. На рис. 10.3 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания).

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 mА и 4...20 mА; гораздо реже используют 0...60 mА и 0…5 mА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4...20 mА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.

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

Кроме токовой петли в некоторых ситуациях для передачи информации могут быть использованы унифицированные диапазоны напряжения: 0 – 10 V; 0 – 1 V.