Как работает токовая петля 4-20 мА

«Токовая петля» начала применяться в качестве интерфейса передачи данных еще в 50-е годы. Сначала рабочий ток интерфейса составлял 60 мА, а позже, начиная с 1962 года, широкое распространение в телетайпе получил 20 миллиамперный интерфейс токовой петли.

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

Дальнейшее распространение «токовой петли» стало замедляться начиная с 1983 года, с появлением интерфейсного стандарта RS-485, и на сегодняшний день «токовая петля» почти нигде в новом оборудовании как таковая не применяется.

Передатчик «токовой петли» отличается от передатчика интерфейса RS-485 тем, что в нем используется источник тока, а не источник напряжения.

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

Кроме того ток петли не зависит от напряжения питания самого источника тока, а может изменяться лишь вследствие утечек через кабель, которые обычно пренебрежимо малы. Данная особенность токовой петли полностью определяет способы ее применения.

Стоит отметить, что ЭДС емкостной наводки приложена здесь параллельно источнику тока, и для ослабления ее паразитного действия применяют экранирование.

По этой причине линией передачи сигнала обычно выступает экранированная витая пара, которая, работая совместно с дифференциальным приемником, сама ослабляет синфазную и индуктивную помехи.

На стороне приема сигнала, ток токовой петли при помощи калиброванного резистора преобразуется в напряжение. И при токе в 20 мА получается напряжение из стандартного ряда 2,5 В; 5 В; 10 В; — достаточно лишь использовать резистор с сопротивлением соответственно 125, 250 или 500 Ом.

Первый и главный недостаток интерфейса «токовая петля» заключается в его низком быстродействии, ограниченном скоростью зарядки емкости самого передающего кабеля от упомянутого выше источника тока, расположенного на передающей стороне.

Так, при использовании кабеля длиной в 2 км, с погонной емкостью 75 пФ/м, его емкость составит 150 нФ, а это значит что для зарядки данной емкости до 5 вольт при токе 20 мА потребуется 38 мкс, что соответствует скорости передачи данных 4,5 кбит/с.

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

Еще один недостаток «токовой петли» заключается в отсутствии определенного стандарта на конструктивное исполнение разъемов и на электрические параметры кабелей, что тоже ограничивает практическое применение данного интерфейса. Но справедливости ради можно отметить, что фактически общеприняты диапазоны от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА. Диапазон 0 — 60 мА применяется значительно реже.

Наиболее перспективные разработки, требующие применения интерфейса «токовая петля», в большинстве своем используют сегодня только 4. 20 мА интерфейс, позволяющий легко диагностировать обрыв линии. Кроме того, «токовая петля» может быть цифровой или аналоговой, в зависимости от требований разработчика (об этом — далее).

Практически низкая скорость передачи данных по «токовой петле» любого типа (аналоговой или цифровой) позволяет использовать ее одновременно с несколькими приемниками соединенными последовательно, причем согласование длинной линии не потребуется.

Аналоговая версия «токовой петли»

Аналоговая «токовая петля» нашла применение в технике, где необходимо например передавать сигналы от датчиков к контроллерам или между контроллерами и исполнительными устройствами. Здесь токовая петля обеспечивает некоторые преимущества.

Прежде всего диапазон варьирования измеряемой величины будучи приведен к стандартному диапазону позволяет изменять компоненты системы. Примечательна и возможность высокоточной (не более +-0,05% погрешности) передачи сигнала на значительное расстояние. Наконец, стандарт «токовая петля» поддерживается большинством поставщиков устройств промышленной автоматизации.

Токовая петля 4. 20 мА имеет минимальный ток 4 мА в качестве начала отсчета сигнала. Таким образом при обрыве кабеля ток будет равен нулю. Тогда как при использовании токовой петли 0. 20 мА диагностировать обрыв кабеля будет сложнее, ибо 0 мА может просто обозначать минимальное значение передаваемого сигнала. Еще одно достоинство диапазона 4. 20 мА заключается в том, что уже при уровне 4 мА можно без проблем подводить питание к датчику.

Ниже приведены две схемы аналоговой токовой петли. В первом варианте источник питания встроен в передатчик, тогда как во втором варианте источник питания внешний.

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

Принцип действия токовой петли одинаков для обеих схем. Операционный усилитель имеет в идеале бесконечно большое внутреннее сопротивление и нулевой ток входов, и значит напряжение между его входами также изначально равно нулю.

Таким образом, ток через резистор в передатчике будет зависеть только от величины входного напряжения и будет равен току во всей петле, при этом он не будет зависеть от сопротивления нагрузки. Напряжение на входе приемника может быть поэтому легко определено.

Схема с операционным усилителем отличается тем преимуществом, что позволяет калибровать передатчик без необходимости подключать к нему кабель с приемником, ибо погрешность, вносимая приемником и кабелем, очень незначительна.

Напряжение источника выбирается исходя из потребности транзистора передатчика для его нормальной работы в активном режиме, а также с условием компенсации падения напряжения на проводах, на самом транзисторе, и на резисторах.

Допустим, резисторы имеют сопротивления по 500 Ом, а кабель — 100 Ом. Тогда для получения тока в 20 мА потребуется напряжение источника 22 В. Выбирают ближайшее стандартное — 24 В. Избыток мощности от запаса по напряжению будет как раз рассеян на транзисторе.

Обратите внимание, что на обеих схемах изображена гальваническая развязка между передающим каскадом и входом передатчика. Это нужно для того чтобы избежать любых паразитных связей между передатчиком и приемником.

В качестве примера передатчика для построения аналоговой токовой петли можно привести готовое изделие NL-4AO с четырьмя аналоговыми каналами вывода для связи компьютера с исполнительным устройством посредством протокола «токовая петля» 4. 20 мА или 0. 20 мА.

Связь модуля с компьютером осуществляется по протоколу RS-485. Устройство калибруется по току для компенсации погрешностей преобразования и исполняет подаваемые с компьютера команды. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти устройства. Цифровые данные преобразуются в аналоговые при помощи ЦАП.

Цифровая версия «токовой петли»

Цифровая токовая петля работает, как правило, в режиме 0. 20 мА, поскольку цифровой сигнал проще воспроизвести именно в таком виде. Точность логических уровней здесь не так важна, поэтому источник тока петли может обладать не очень большим внутренним сопротивлением и сравнительно низкой точностью.

На приведенной схеме при напряжении питания 24 В на входе приемника падает 0,8 В, значит при сопротивлении резистора 1,2 кОм ток будет равен 20 мА. Падением напряжения на кабеле, даже при его сопротивлении в 10% от общего сопротивления петли, можно пренебречь, как и падением напряжения на оптроне. Практически в данных условиях можно считать передатчик источником тока.

Источник

Электроника для всех

Блог о электронике

Токовая петля

Иногда приходится передавать сигнал на большое расстояние (десятки метров, а то и километры). Главная проблема при этом в том, что через линию может пронестись электромагнитная волна (помеха) и попытаться индуцировать в ней ток. Ток будет мизерным, но так как входы обычно высокоомные, в сотни килоом, то даже от таких незначительных наводок на входе может возникнуть перенапряжение. Ведь по 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 надо тонкопленочному затвору транзистора? Решение тут одно — снижать входное сопротивление.

Хорошим способом решение этой проблемы является смена сигнала с напряжения, на ток. Т.е. за уровни мы принимаем не наличие каких-либо напряжений, а значения тока в цепи. Навести помеху тут будет сложней, ведь два провода линии идут параллельно, а значит помеха будет наводиться в них одновременно и гасить сама себя, вычитаясь на дифференциальном входе приемника.

Ток будем вдувать в линию посредством источника тока, радующего нас тем, что ему плевать какое сопротивление у линии, он будет обеспечивать заданный ток до тех пор, пока мощи хватит.

Цифровая линия
Тут все просто, обычно по токовой петле развязывают RS232 и им подобные интерфейсы с независимыми каналами на прием/передачу.
Плюсом токовой петли является то, что она легко развязывается оптикой, ведь светодиод, являющийся основным передатчиком оптопары, питается током.

Схема может выглядеть следующим образом:

Когда подаем единичку на вход, то она зажигает светодиод, транзистор оптопары открывается и пускает ток в петлю. Это ток зажигает светодиод во второй оптопаре, ее транзистор открывается и прижимает линию к земле. Линия при этом получается инвертирующейся. Но при желании это легко решается одним транзистором.

Оптопарой тут можно выбрать что то вроде SFH610A
. Главное, чтобы предельное напряжение, которое может выдержать транзистор, было выше чем может развить источник тока, ведь он будет пытаться продавить транюзк когда тот закрыт. Для данной оптопары это Vceo = 70V. Обычно же напряжение источника редко превышает 24 вольта. А также следует поглядеть на ток колектора для оптопары, чтобы он был не меньше, чем выдает источник тока. Для данной оптопары он составляет 50мА.

Если еще взять источник питания линии внешний, то схема получается вообще неубиваемой. Т.к. приемник, передатчик и линия не связаны между собой вообще.

В качестве источника тока я обычно втыкаю тут NSI45020 . Вообще это линейный драйвер светодиодов. Фиговина размером с резистор 1206, на выходе имеет строго заданный ток — 20мА.

Можно вкатывать напряжение питания вплоть до 45 вольт, можно параллелить, чтобы ток был поболее. При цене в 5 рублей штука — очень клевая вещь. Рекомендую держать в хозяйстве.

А для консерваторов — LM317 в режиме стабилизатора тока еще никто не отменял. Правда гораздо более громоздко выходит и стоит обычно дороже. Зато достается без проблем в любом радио ларьке.

Недостаток оптической развязки — ограничение скорости. У оптопары, особенно ширпотребной, весьма посредственные частотные характеристики. Но для какого-нибудь UART хватит. Также на скорость влияет тот факт, что длинная линия обладает большой емкостью, а зарядка ее происходит источником тока, т.е. чем дальше, тем больше емкость линии и медленней передача.

А если надо вытащить данные с какого-нибудь удаленного аналогового датчика? Тут тоже на помощь придет токовая петля, правда конструкция будет несколько сложней.

Нам нужно будет сделать источник, превращающий напряжение в ток. С линейной зависимостью, скажем вкатили мы на вход 5 вольт, а наша схема вдула в линию 50мА. Делается это на операционном усилителе. Примерно вот по такой схеме:

Работает она просто. Т.к. ОУ, охваченный обратной связью, стремиться уравнять свои входы, т.е. напряжение между прямым и инверсным входом равно нулю, то можно считать, что Uin засажен напрямую на R0. И ток через R0 получается равным Uin/R0. Ведь сопротивление входов ОУ ОЧЕНЬ большое, настолько большое, что мы можем смело считать, что ток туда не втекает. А так как R0 часть петли, то ток в петле будет равен току R0, вне зависимости от сопротивления линии и сопротивления нагрузки, разумеется если источник питания может продавить эти сопротивления, а транзистор не выходит в насыщение, оставаясь в линейном режиме. В качестве источника питания тут можно взять независимый стабилизированный источник, вольт так на 12.

На другой стороне петли достаточно снять падение напряжения на резисторе нагрузки Rн.

Вот тут, ради лулзов, собрал на макетном поле Pinboard II эту конструкцию. Т.к. задающий резистор R0 у меня получился в 10кОм (такой стоит рядом с макетным полем), то соотношение напряжение/ток получилось 1:10000 т.е. на 1 вольт приходится 0.1мА в петле. Нифига не стандарт, да и вообще мало слишком, но принцип работы показывает хорошо.

И видео работы:

Есть более громоздкий, но и гораздо более точный способ:

Тут мы заводим специальный измерительный резистор Rs и на нем операционником замеряем падение, а потом результат загоняем во второй операционник. Т.к. конструкция из OP1 является для OP2 обратной связью, а он выводит разность на своих входах в ноль, то получаем, что:

Получаем зависимость Is = Uin/100 с хорошей такой линейностью, особенно если взять прецезионные усилки с Rail-2-Rali выходом.

Если нужна максимальная точность, то лучше применить готовую микросхему. Существует и масса спекциализированных формирователей токовой петли. Например MAX15500. Включаешь по даташиту и радуешься 🙂

Гальваническую развязку аналоговой токовой петли можно сделать на изолирующих усилителях. Вроде ISO124

Коэффициент усилениея у него 1. Т.е. 1 вольт вошел — 1 вышел. Никаких заморочек с обратной связью и прочим. Два независимых входа питания, с одной и с другой стороны. Один недостаток — стоит она недешево. Та же ISO124 от 15 баксов за штуку.

Также прикольное свойство токовой петли в том, что можно питать удаленное устройство через эту же петлю. Т.к. источник тока компенсирует потребление. Разумеется в разумных пределах, но для каких-нибудь датчиков удаленных вполне неплохой вариант.

Стандарты
Единого стандарта на токовую петлю, величины токов и разьемы, как например с RS232, нет. Но в промышленности более менее устоялся стандарт аналоговой токовой петли 4…20мА, т.е. минимальный уровень это 4мА, а максимальный 20мА. Нулевой ток считается обрывом линии. Для цифровой петли чаще применяют диапазон 0…20мА. Также иногда встречается вариант 0…60мА, но это экзотика.

Спасибо. Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics. Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто. Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок.

41 thoughts on “Токовая петля”

А можно ли использовать стабилитрон для гашения бросков напряжения на цифровой линии? Воткнуть по штуке на каждый конец.

Правильно ли я понял, что токовая петля просто гораздо лучше защищена от обычных помех, в том ее выгода?

Стабилитроны и так ставят. Только не стабилитроны, а супрессоры. Они мощней и способны рассять большую энергию. Преимущество 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 помеха выше уровня супрессора, он, лишь, откроется, шунтируя ее до своего уровня. Другими словами, логическая схема все равно воспримет помеху, если ее длительность укладывается в характеристики логики.

При цифровой дифф линии синфазная помеха вычтется. Плюс CRC никто не отменял.

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 использовать витую пару…
Я, лишь, обозначил предназначение супрессора как родственника варистора.

Дак оно же гавно! Оно же греет и ток жрёт.
Люди уже давно применяют развязывающие трансформаторы, 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 такие большие расстояния и избавиться от действия помех и придумали такой подход.
Да бы улучшить энергетические характеристики, что бы не грелось и не жрало ток, можно попробовать использовать импульсные источники тока.

Да неужели? Нука кинь эзернет на пару-тройку километров одним куском. А если аналог так еще и затрах будет с преобразованием и паковкой все в цифру.

та який килоОметр
там ста метров хватит чтоб 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 стабильной работы так все равно не надо прикалываться
у нас был опыт протяжки кабеля метров 150
себе интеренет заводили
там была какая-то мега пара(экран и трос внутри)
и даже что-то там мегапупер поставили(тогда не вдавался в подробности)
а нормально работало только то, что короче 50 метров
как-то так

Эзернет на пару километров? Да хоть на пару десятков, это всё пыль для моряка! Не забывайте, что по стеклу эзернет тоже бегает 🙂
А вообще — токовая петля это частный случай дифф-линии, и широко применяется в промышленности. Всякие датчики индустриального исполнения имеют выход 4-20ма, от него же и питаются.

Любопытно. У нас на жд для связи установок со станционным оборудованием (по обыкновенной медной паре длиной до 30 км) используется интерфейс V23 — полудуплекс с частотной модуляцией, скорость 1200 бод. Хреновый протокол конечно, устарел давно, и затухание с расстоянием растет прилично, и помеху ловит будь здоров, но есть у него один важный в нашей специфике плюс — его слышно :). При помощи говна и палок, как то обыкновенная телефонная трубка, наушник или стрелочный вольтметр (редкие кодовые пачки вполне различимы на глаз, т. к. амплитуда у них около 4-х вольт) можно оперативно найти 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 поступающие данные, связь почему-то осуществляется токовой петлей, хотя там провод длиной метра полтора максимум. Зачем 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 🙂 В принципе к ПОНАБам в широком смысле, как к классу устройств диагностики относится.

Старожилы рассказывали, что древняя аппаратура ПОНАБ-3 (конкретная разновидность), вообще обладала «волшебными» свойствами. За счет амплитудной модуляции сигналов в физическом канале связи, способна была работать даже при полном (!) обрыве кабеля — сигнал прошивал через почву. Дескать, был реальный случай, когда связь сохранялась при полутораметровом разрыве между кусками кабеля, пришлось только выкрутить усиление на максимум. Не знаю уж правда или нет, я тогда еще не работал по данной профессии.

Просто привычка так называть, как плис (а их разных много fpga, cpld и тд.)
На Украине тоже свой понаб давно запили, АСДК-Б называется, хотя и ктсм есть (друг на их обслуживании работал).

О стандартах токовой петли.
4-20мА широко применяется в современном КИПе, а именно при передаче нормированного аналогового сигнала с удаленных измерительных преобразователей (температуры, давления и пр.) на систему управления/контроля процессом и с системы на исполнительные механизмы (задвижки/заслонки и пр.), часто комбинирована и с параметрирующей цифрой (HART).
0-20мА «цифра» применялась, к примеру, в устаревшем PLC SIMATIC S5 для связи с программатором, операторской панелью и т.п. периферией. Теперь вытеснена RS485, Ethernet и прочими.
Конечно же для каждой конкретной задачи выбирать надо оптимальное решение. Но осветить еще применяющийся (физический) канал связи широкой публике, считаю не лишним. Об этом наверняка можно найти много инфы на просторах и-нета, но она скорее всего будет изложена довольно сухо.

Можно считать стандартом. Могу лишь подтвердить что в промышленности используется очень широко. Есть варианты:
0-60 (редкость)
0-40
0-20
4-20 (наиболее распространен т.к. позволяет реализовать аналоговый 1-Wire и выявлять обрыв)
Почти все современные аналоговые датчики используют именно 4-20.
Помимо того поверх токовой петли работают такие протоколы как HART.

….Также иногда встречается вариант 0…60мА, но это экзотика. …
В общем то никакой экзотики! Работая на в начале 90-х на телеграфе, чинил оборудование в котором как раз использовалась токовая петля 0…60мА . Конечно его поубивали в начале века но 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 совсем по теме. По молодости обслуживал пульты охранной сигнализации — работали по такому же принципу только в качестве гальванической развязки стояли реле. При определенном токе реле притянуты, ток больше или меньше — реле отпадает. Ну а поскольку в середине 90-х качество телефонных линий оставляло желать лучшего… А кстати как данный 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 останется прежним. Если же до, то петля даст сбой, т.к. до нагруки дойдет меньше. Но тут, для большей надежности можно сделать петлю таким образом, чтобы замерялся ток на входе и на выходе.

Источник