4-20 mA 电路的工作原理

“电流回路”在 1950 年代被用作数据传输接口。起初，接口的工作电流为60毫安，后来，从1962年开始，20毫安电流环接口在电传打字机中得到普遍应用。

20 世纪 80 年代，当各种传感器、自动化设备和执行器开始广泛引入科技设备时，“电流电路”接口缩小了其工作电流的范围——开始从 4 毫安到 20 毫安不等。

随着 RS-485 接口标准的出现，“电流环路”的进一步传播从 1983 年开始放缓，如今，“电流环路”几乎从未在新设备中使用过。

电流环路发送器与 RS-485 发送器的不同之处在于它使用电流源而不是电压源。

与电压不同，电流从电源沿电路移动，不会根据负载参数改变其电流值。因此，“电流环路”对电缆电阻、负载电阻甚至感应噪声 EMF 都不敏感。

此外，环路电流不依赖于电流源本身的供电电压，而只能由于电缆的泄漏而变化，这通常是微不足道的。当前循环的这一特点完全决定了其实现方式。

需要注意的是电容式拾音器的EMF在这里是与电流源并联施加的，屏蔽是用来削弱它的寄生效应的。

出于这个原因，信号传输线通常是屏蔽双绞线，它与差分接收器一起工作，单独衰减共模和感应噪声。

在信号的接收端，环路电流使用校准电阻器转换为电压。在 20 mA 电流下，获得标准系列 2.5 V 的电压； 5V; 10V; — 仅使用阻值分别为 125、250 或 500 欧姆的电阻器就足够了。

«电流环路»接口的第一个也是主要的缺点是它的低速，受到从位于传输侧的上述电流源为传输电缆容量充电的速度的限制。

因此，当使用 2 公里长的电缆时，线性电容为 75 pF / m，其电容将为 150 nF，这意味着以 20 mA 的电流将此电容充电至 5 伏需要 38 μs，这对应到 4.5 kbps 的数据传输速率。

下面是通过“电流回路”的最大可用数据传输速率与在不同失真（抖动）水平和不同电压下使用的电缆长度的图形依赖性，评估的执行方式与RS 接口 -485。

“电流环”的另一个缺点是连接器的设计和电缆的电气参数缺乏特定的标准，这也限制了该接口的实际应用。公平地说，可以注意到，实际上，普遍接受的范围是 0 到 20 mA 和 4 到 20 mA。范围 0 — 60 mA 的使用频率要低得多。

需要使用“电流环路”接口的最有前途的开发，如今大部分仅使用 4 ... 20 mA 接口，这使得可以轻松诊断断线。此外，“电流环路” " 可以是数字的或模拟的，具体取决于开发人员的要求（稍后会详细介绍）。

任何类型的“电流环路”（模拟或数字）的实际低数据传输速率允许它与多个串联的接收器同时使用，并且不需要匹配长线。

«当前周期»的模拟版本

模拟“电流回路”已在需要的技术中得到应用，例如，将信号从传感器传输到控制器或在控制器和执行器之间传输。在这里，当前的周期提供了几个优势。

首先，测量值的变化范围，当它减小到标准范围时，允许您更改系统的组件。在相当长的距离内以高精度（误差不超过 + -0.05%）传输信号的能力也很出色。最后，当前的循环标准得到大多数工业自动化供应商的支持。

4 … 20 mA 电流回路以 4 mA 的最小电流作为信号参考点。因此，如果电缆断了，电流将为零。使用 0 … 20 mA 电流环路时，诊断电缆断裂会更加困难，因为 0 mA 可能只是表示传输信号的最小值。 4 … 20 mA 范围的另一个优点是即使在 4 mA 的水平下也可以毫无问题地为传感器供电。

下面是两个模拟电流图。在第一个版本中，电源内置于变送器中，而在第二个版本中，电源在外部。

内置电源在安装方面方便，外置电源允许您根据使用电流环的设备的用途和操作条件更改其参数。

两个电路的电流环路工作原理相同。理想情况下，运算放大器的输入端具有无限大的内阻和零电流，这意味着其输入端的电压最初也为零。

因此，通过变送器电阻器的电流将仅取决于输入电压的值，并且等于整个回路中的电流，而不取决于负载电阻。因此，可以很容易地确定接收器输入电压。

运算放大器电路的优点是无需连接接收器电缆即可校准发射器，因为接收器和电缆引入的误差非常小。

输出电压的选择基于传输晶体管在有源模式下正常工作的需要，以及补偿导线、晶体管本身和电阻器上的电压降的条件。

假设电阻器为 500 欧姆，电缆为 100 欧姆。然后，要获得 20 mA 的电流，需要 22 V 的电压源。选择最接近的标准电压 — 24 V。电压限制的多余功率将简单地耗散在晶体管上。

请注意，两个图表都显示 电流隔离 发射器级和发射器的输入之间。这样做是为了避免发射器和接收器之间的任何错误连接。

作为构建模拟电流回路的变送器示例，我们可以举出带有四个模拟输出通道的成品 NL-4AO，用于使用 4 ... 20 mA 或 0 ... 20 mA 连接计算机和执行器 »当前周期 « 协议。

模块通过RS-485协议与计算机进行通信。该设备经过电流校准以补偿转换错误并执行计算机提供的命令。校准系数存储在设备内存中。使用 DAC 将数字数据转换为模拟数据。

«当前周期»的数字版本

数字电流回路通常在 0 ... 20 mA 模式下工作，因为以这种形式更容易再现数字信号。逻辑电平的精度在这里并不那么重要，因此环路电流源可以具有不太高的内阻和相对较低的精度。

在上图中，电源电压为 24 V，接收器输入端的压降为 0.8 V，这意味着使用 1.2 kΩ 的电阻器时，电流将为 20 mA。电缆中的电压降，即使其电阻是总回路电阻的 10%，也可以忽略不计，光耦合器两端的电压降也是如此。实际上，在这些条件下，发射器可以被认为是电流源。