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.
   

Аналоговая линия
   
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:
   

Uin = R2/R1*Is*Rs
При
R2 = 10k
R1 = 1k
Rs = 10

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.

40 thoughts on “Токовая петля”

  1. 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?

    1. 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.

      1. 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.

          1. 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.

    1. 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.

    2. 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.

          1. 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

      1. 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.

  2. 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.

      1. >>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.

        1. 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).

  3. 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.

    1. 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.

  4. ….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 :)

  5. 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»?

    1. 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.

  6. За NSI45020 спасибо.
    Как-то раз была потребность связи на большое расстояние. Я использовал готовый драйвер http://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cts=1331085664025&sqi=2&ved=0CC8QFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.platan.ru%2Fpdf%2Fdatasheets%2Fanalogdevices%2FADM485_e.pdf&ei=WMFWT_G6OKbi4QTdkZmlCg&usg=AFQjCNG8asOyUrGRgc9cwJ3rJBnOxGjo-Q&sig2=hzSX70fhNUFw4sp4YJmhsA

    на 500м работало стабильно. В теории до 3км должно обеспечить стабильную связь, но я не пробовал, хотя думаю что инженеры болида проверяли (я с их железок схему содрал).

  7. Опторазвязка- прошлый век, юзайте развязку на магниторезистивных элементах- IL710 например или ADUM*** от AD. Большие частоты, малое потребление, логические уровни.

  8. 1) Цифровая токовая петля очень стойкий к помехам интерфейс. Нетребовательный к линии связи — телефонная лапша работает даже очень хорошо. Возможно использовать 2-х проводную линию для полудуплексной связи. Возможно использовать несколько последовательно соединённых устройств.
    2) Обычно для токовой петли оговаривают максимальное напряжение на линии. (Классика — 30 В, хотя могут быть и другие напряжения).
    3) Оптроны SFH обеспечивают высокую прочность изоляции испытательное напряжение 5300В RMS 60 Гц. Скорость передачи — реально достигается 38400 бит (правда схема передатчика и приёмника сложнее) при 100 м линии.
    4) Линия связи (особенно длинная) нуждается в электростатическом заземлении — резистор 10 кОм в одной точке петли на заземление. Если используется воздушная линия связи — требование практически телефонные — разрядники с обоих сторон линии на землю и т.д.
    5) Использование NSI45020 при максимальном напряжении 30 В видится проблематичным по причине большой рассеиваемой мощности.
    6) ADUM не подходит для использования в каналах передачи, особенно там где требуется получение большой электрической прочности изоляции.

      1. Коллеги, а кто подскажет, как в случае 4-20 ма лучше организовывать нижний уровень? 20 — понятно, спасибо Ди за наводку, и впрямь ценная вещь. Но в каталоге тех же on semi отсутствует аналогичный драйвер на 4mA, а cобирать такой же регулятор на транзисторе — подбирать его употеешь.
        Как в таком лучше организовать минимальный ток петли 4мА, подскажите? Не все ж 0..20, контроля линии хочется.

  9. DiHALT, здравствуй!
    а что мешает использовать выходную оптопару с резистором в низу? тогда инверсии не будет!
    т.е. коллектор оптотранзистора на плюс, с эмиттера выход и резистор до земли.
    зы. я понимаю, что схема становится зависимой от сопротивления входа уже дальнейшей схемы, но в целом — вполне сойдёт за решение.

  10. Есть подозрение, что в схеме с двумя операционниками нижний операционник должен быть включен в дифференциальном режиме, поэтому направление тока должно быть выбрано от неинвертирующего входа к инвертирующему. Следовательно, входы надо махнуть местами, но при этом оставив отрицательную обратную связь. По крайней мере, для однополярного питания так точно.

  11. А как простым образом, пусть не особо точным, можно реализовать на микроконтроллере регулировку ограничения тока в диапазоне, например, 0..180мА?
    Стандартные драйверы для этого случая не подходят, а если LM317 использовать, то в ступор вводит то, что он управляется изменением сопротивления. Это что же, надо на вход ADJ подавать ШИМ, прошедший через RC фильтр?

  12. Добрый день.
    Уважаемый DI HALT, подскажите пожалуйста, какой блок питания надо брать для первой (цифровая линия) и второй (аналоговая линия) схем? Вот такой: http://radiodetali.by/blok-pitanija-lpc-20-350-0-35a-16-8vt.html
    или можно вот такой:http://radiodetali.by/rid-65a.html
    За ранее спасибо.

    1. НУ который дырявый это источник напряжения. А который мелкий — источник тока. В тех схемах что указаны у меня используются источники напряжения. А ток задается уже отдельным элементом.

  13. А если у нас фантомное питание через туже аналоговую токовую петлю, как подключить операционник? Ведь он тоже ест ток, а значит будет вносить лишний ток в токовую петлю? как быть?

Добавить комментарий