Comment fonctionne le circuit 4-20 mA

La "boucle de courant" a été utilisée comme interface de transmission de données dans les années 1950. Au début, le courant de fonctionnement de l'interface était de 60 mA, et plus tard, à partir de 1962, l'interface à boucle de courant de 20 mA s'est généralisée dans le téléimprimeur.

Dans les années 1980, lorsque divers capteurs, équipements d'automatisation et actionneurs ont commencé à être largement introduits dans les équipements technologiques, l'interface «circuit de courant» a réduit la plage de ses courants de fonctionnement - elle a commencé à varier de 4 à 20 mA.

La diffusion de la «boucle de courant» a commencé à ralentir à partir de 1983, avec l'avènement de la norme d'interface RS-485, et aujourd'hui la «boucle de courant» n'est presque jamais utilisée dans les nouveaux équipements en tant que tels.

Un émetteur à boucle de courant diffère d'un émetteur RS-485 en ce qu'il utilise une source de courant plutôt qu'une source de tension.

Le courant, contrairement à la tension, se déplaçant de la source le long du circuit, ne change pas sa valeur actuelle en fonction des paramètres de charge. Par conséquent, la « boucle de courant » n'est sensible ni à la résistance du câble, ni à la résistance de la charge, ni même au bruit inductif EMF.

De plus, le courant de boucle ne dépend pas de la tension d'alimentation de la source de courant elle-même, mais ne peut changer qu'en raison des fuites à travers le câble, qui sont généralement insignifiantes. Cette caractéristique du cycle actuel détermine complètement les modalités de sa mise en œuvre.

Il convient de noter que la FEM du capteur capacitif est appliquée ici en parallèle avec la source de courant, et le blindage est utilisé pour affaiblir son effet parasite.

Pour cette raison, la ligne de transmission du signal est généralement une paire torsadée blindée qui, associée à un récepteur différentiel, atténue à elle seule le mode commun et le bruit inductif.

Du côté réception du signal, le courant de boucle est converti en tension à l'aide d'une résistance calibrée. Et à un courant de 20 mA, on obtient une tension de la série standard 2,5 V ; 5V; 10 V ; — il suffit d'utiliser une résistance d'une résistance de 125, 250 ou 500 Ohm respectivement.

Le premier et principal inconvénient de l'interface «boucle de courant» est sa faible vitesse, limitée par la vitesse de chargement de la capacité du câble de transmission à partir de la source de courant précitée située côté émission.

Ainsi, lors de l'utilisation d'un câble de 2 km de long, avec une capacité linéaire de 75 pF/m, sa capacité sera de 150 nF, ce qui signifie qu'il faut 38 μs pour charger cette capacité à 5 volts sous un courant de 20 mA, ce qui correspond à un taux de transfert de données de 4,5 kbps.

Vous trouverez ci-dessous une dépendance graphique du débit de transmission de données maximal disponible à travers la «boucle de courant» sur la longueur du câble utilisé à différents niveaux de distorsion (jitter) et à différentes tensions, l'évaluation a été effectuée de la même manière que pour le Interface RS-485.

Un autre inconvénient de la « boucle de courant » est l'absence de norme spécifique pour la conception des connecteurs et pour les paramètres électriques des câbles, ce qui limite également l'application pratique de cette interface. En toute justice, on peut noter qu'en fait, ceux généralement acceptés vont de 0 à 20 mA et de 4 à 20 mA. La plage 0 à 60 mA est beaucoup moins utilisée.

Les développements les plus prometteurs qui nécessitent l'utilisation de l'interface "boucle de courant", n'utilisent pour la plupart aujourd'hui que l'interface 4...20 mA, ce qui permet de diagnostiquer facilement une coupure de ligne. De plus, l'interface "boucle de courant " peut être numérique ou analogique, selon les exigences du développeur (nous en reparlerons plus tard).

Le débit de données pratiquement faible de tout type de «boucle de courant» (analogique ou numérique) permet de l'utiliser simultanément avec plusieurs récepteurs connectés en série, et aucune adaptation de longues lignes n'est nécessaire.

Version analogique du « cycle en cours »

La "boucle de courant" analogique a trouvé une application dans la technologie où il est nécessaire, par exemple, de transmettre des signaux de capteurs à des contrôleurs ou entre des contrôleurs et des actionneurs. Ici, le cycle actuel offre plusieurs avantages.

Tout d'abord, la plage de variation de la valeur mesurée, lorsqu'elle est réduite à la plage standard, permet de changer les composants du système. La capacité de transmettre un signal avec une grande précision (pas plus de + -0,05% d'erreur) sur une distance considérable est également remarquable. Enfin, la norme de cycle actuelle est prise en charge par la plupart des fournisseurs d'automatisation industrielle.

La boucle de courant 4 … 20 mA a un courant minimum de 4 mA comme point de référence du signal.Ainsi, si le câble est rompu, le courant sera nul. En utilisant une boucle de courant 0 … 20 mA, il sera plus difficile de diagnostiquer une rupture de câble, car 0 mA peut simplement indiquer la valeur minimale du signal transmis. Un autre avantage de la gamme 4 … 20 mA est que même à un niveau de 4 mA, il est possible d'alimenter le capteur sans aucun problème.

Vous trouverez ci-dessous deux diagrammes de courant analogiques. Dans la première version, l'alimentation est intégrée à l'émetteur, tandis que dans la seconde version, l'alimentation est externe.

L'alimentation intégrée est pratique en termes d'installation, et l'alimentation externe vous permet de modifier ses paramètres en fonction de l'objectif et des conditions de fonctionnement de l'appareil avec lequel la boucle de courant est utilisée.

Le principe de fonctionnement de la boucle de courant est le même pour les deux circuits. Idéalement, un amplificateur opérationnel a une résistance interne infiniment grande et un courant nul à ses entrées, ce qui signifie que la tension à ses entrées est également initialement nulle.

Ainsi, le courant traversant la résistance dans l'émetteur ne dépendra que de la valeur de la tension d'entrée et sera égal au courant dans toute la boucle, alors qu'il ne dépendra pas de la résistance de charge. Par conséquent, la tension d'entrée du récepteur peut être facilement déterminée.

Le circuit amplificateur opérationnel a l'avantage de vous permettre de calibrer l'émetteur sans avoir à y connecter un câble de récepteur, car l'erreur introduite par le récepteur et le câble est très faible.

La tension de sortie est choisie en fonction des besoins du transistor de transmission pour son fonctionnement normal en mode actif, ainsi qu'avec la condition de compensation de la chute de tension sur les fils, le transistor lui-même et les résistances.

Disons que les résistances sont de 500 ohms et que le câble est de 100 ohms. Ensuite, pour obtenir un courant de 20 mA, il faut une source de tension de 22 V. La tension standard la plus proche est choisie - 24 V. La puissance excédentaire de la limite de tension sera simplement dissipée sur le transistor.

Notez que les deux graphiques montrent Isolation galvanique entre l'étage de l'émetteur et l'entrée de l'émetteur. Ceci est fait pour éviter toute fausse connexion entre l'émetteur et le récepteur.

Comme exemple de transmetteur pour la construction d'une boucle de courant analogique, on peut citer un produit fini NL-4AO avec quatre canaux de sortie analogiques pour connecter un ordinateur avec un actionneur utilisant le 4 ... 20 mA ou 0 ... 20 mA » cycle en cours « protocole.

Le module communique avec l'ordinateur via le protocole RS-485. L'appareil est calibré en courant pour compenser les erreurs de conversion et exécute les commandes fournies par l'ordinateur. Les coefficients d'étalonnage sont stockés dans la mémoire de l'appareil. Les données numériques sont converties en analogiques à l'aide d'un DAC.

Version numérique du « cycle en cours »

La boucle de courant numérique fonctionne, en règle générale, en mode 0 ... 20 mA, car il est plus facile de reproduire le signal numérique sous cette forme. La précision des niveaux logiques n'est pas si importante ici, de sorte que la source de courant de boucle peut avoir une résistance interne pas très élevée et une précision relativement faible.

Dans le schéma ci-dessus, avec une tension d'alimentation de 24 V, 0,8 V chute à l'entrée du récepteur, ce qui signifie qu'avec une résistance de 1,2 kΩ, le courant sera de 20 mA. La chute de tension dans le câble, même si sa résistance est de 10 % de la résistance totale de la boucle, peut être négligée, tout comme la chute de tension aux bornes de l'optocoupleur.En pratique, dans ces conditions, l'émetteur peut être considéré comme une source de courant.