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

Рисунок 14.2 – Два варианта построения аналоговой «токовой петли»: а – со встроенным в передатчик источником питания; б – выносным

На рис. 14.2 показаны два варианта построения аналоговой «токовой петли». В варианте а используется встроенный незаземленный источник питания , в варианте б 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 равен , а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток через резистор строго равен току в петле и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки. Поэтому напряжение на выходе приемника определяется как .

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

Рисунок 14.3 – Зависимость максимальной скорости передачи «токовой петли» от длины неэкранированной витой пары при токе петли 20 мА

Напряжение источника выбирается такой, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика в активном (ненасыщенном) режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях , . Для этого выбирают , где – напряжение насыщения транзистора (1...2 V). Например, при типовых значениях 500 W и сопротивлении кабеля 100 W (при длине 1 km) получим напряжение источника питания петли 22 V; ближайшее стандартное значение равно 24 V. 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.

В схемах на рис. 14.2 используется гальваническая развязка между входом передатчика и передающим каскадом. Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником.