전류 신호 4 20mA 회로. 전류 루프 인터페이스

26.09.2020

RZU-420 전류 루프 교정기는 자동화 시스템을 테스트하는 과정에서 통합 4~20mA 전류 신호를 설정하고 전류 및 전압 값을 제어하도록 설계되었습니다. 전류 루프는 테스트 중인 시스템과 계측기 모두에서 전원을 공급받을 수 있습니다.

장치 실행 - 배터리의 자율 음식으로 휴대용. 외부 네트워크 어댑터를 사용하여 220V 네트워크에서 장치에 전원을 공급할 수도 있습니다.

이 장치는 직관적인 인터페이스를 가지고 있으며 사용하기 쉽습니다. RZU-420의 광범위한 기능, 인체 공학 및 저렴한 비용은 시운전 중 APCS 조정기에 없어서는 안될 필수 요소입니다. RZU-420을 사용하면 시운전 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

RZU-420 전류 루프 교정기는 실제 작업 조건에서 광범위하게 테스트되었으며 모든 기술 검사 및 테스트에서 긍정적인 점수를 받았습니다.

RZU-420 기능

1/1000 mA의 정확도로 디스플레이에 현재 기준을 동시에 표시하고 1/10의 정확도로 4 ... 20 mA 스케일의 백분율로 출력 기준을 표시합니다.
전류 설정 범위: 0 ... 25 mA(선형 의존성이 있는 스케일에서).
RZU-420은 전류 I 및 전압 U와 같은 전류 루프 매개변수를 측정할 수 있습니다.
장치는 외부 전원과 내장 전원 모두에서 작동할 수 있습니다. 모드 전환은 계기판의 키를 누르면 디스플레이에 선택한 전원 모드가 지속적으로 표시됩니다.
이 장치는 눈금의 0.1% 분해능으로 전류를 부드럽게 설정하고 1mA마다 전류를 단계별로 설정할 수 있습니다. 또한 RZU-420을 사용하면 4 ... 20mA의 신호를 생성할 수 있습니다. 기능 설정 모드: 사행, 톱, 삼각형, 정현파. 작업 모드 전환은 디스플레이에 선택한 모드가 영구적으로 표시되는 장치 전면 패널의 키로 수행됩니다.
장치에 전류 루프를 끊었다는 표시가 있습니다. 현재 루프가 끊어지면 LCD 표시기에 "break" 메시지가 켜집니다.
장치에는 배터리 전원 상태 표시가 있으며 디스플레이에 지속적으로 표시되므로 주어진 배터리 세트에서 예상 작동 시간을 계산할 수 있습니다.
장치의 디스플레이는 저조도 조건에서 작동할 수 있도록 백라이트입니다.
최대 고유 기준/측정 오류는 ±0.1%에 불과합니다.
장치의 케이스는 IP20 먼지 및 습기 보호 수준의 충격 방지 플라스틱으로 만들어졌습니다.
측정기 증명서가 있습니다.

니즈니 노브고로드

이 기사는 *, **, *** ****의 정규화에 전념하는 ISUP 저널의 연속 출판물입니다. "측정 및 제어 시스템에서 유사 항목의 변환"(ISUP. 2012. No. 1) 기사는 통합 입력 신호를 통합 출력 신호로 변환하는 정규화에 전념했습니다.

왜 4…20mA 신호입니까?

현재 통합 신호 4 ... 20mA의 광범위한 분포는 다음과 같은 이유로 설명됩니다.
- 전류 신호의 전송은 연결 와이어의 저항에 의해 영향을 받지 않으므로 연결 와이어의 직경과 길이에 대한 요구 사항 및 그에 따른 비용이 감소됩니다.
- 전류 신호는 낮은 저항(신호 소스의 저항에 비해) 부하에서 작동하므로 전류 회로에서 유도된 전자기 간섭은 전압 신호를 사용하는 유사한 회로에 비해 작습니다.
- 전류 신호 4 ... 20mA의 전송 라인 차단은 회로의 제로 전류 레벨로 시스템을 측정함으로써 명확하고 쉽게 결정됩니다(정상 조건에서는 최소 4mA여야 함).
- 4~20mA의 전류 신호를 통해 유용한 정보 신호를 전송할 수 있을 뿐만 아니라 정규화 변환기 자체에 전원을 공급할 수 있습니다. 최소 허용 수준 4mA는 최신 전자 장치에 전원을 공급하기에 충분합니다.

전류 루프 변환기의 특성 4… 20mA

선택할 때 고려해야 할 주요 특성과 기능을 고려하십시오. 예를 들어 연구 및 생산 회사 "KontrAvt"에서 생산한 정규화 변환기 NPSI-GRTP를 살펴보겠습니다(그림 2).

쌀. 2. NPSI-GRTP의 모양 - 전류 루프의 1, 2, 4 채널의 갈바닉 분리가 있는 NPF "KontrAvt"에서 제조한 변환기

두 가지 주요 기능만 수행하도록 설계되었습니다.
- 1의 변환 계수와 고속으로 활성 전류 신호 4~20mA 및 동일한 활성 전류 신호 4~20mA로의 변환 측정
- 전류 루프의 입력 및 출력 신호의 갈바닉 분리.

NSI-GRTP의 주요 변환 오차는 0.1%, 온도 안정성은 0.005%/°C입니다. 작동 온도 범위 - -40 ~ +70 °C. 절연 전압 - 1500V. 속도 - 5ms.

능동 및 수동 신호 소스에 연결하는 옵션은 그림 1에 나와 있습니다. 3 및 4. 후자의 경우 추가 전원 공급 장치가 필요합니다.

쌀. 삼. NPSI-GRTP 컨버터를 활성 소스에 연결

쌀. 4.추가 전원 공급 장치 BP를 사용하여 NPSI-GRTP 변환기를 수동 소스에 연결

입력 신호를 분리해야 하는 측정 시스템에서 입력 신호의 소스는 일반적으로 측정 센서(MT)이고 수신기는 보조 측정 기기(MT)(조절기, 컨트롤러, 레코더, 등.).

출력 신호의 분리가 필요한 제어 시스템에서 소스는 제어 장치(CU)(레귤레이터, 컨트롤러, 레코더 등)이고 수신기는 전류 제어 기능이 있는 작동 장치(ID)(멤브레인 액츄에이터(MIM), 사이리스터)입니다. 컨트롤러, 주파수 변환기 등).

에서 제조한 NPSI-GRTP 컨버터는 별도의 전원이 필요하지 않다. 입력 활성 전류 소스 4…20mA에 의해 전원이 공급됩니다. 동시에 4…20mA의 활성 신호도 출력에서 형성되며 출력 회로에 추가 소스가 필요하지 않습니다. 따라서 NSI-GRTP에 사용되는 전류 루프 분리기 기반 솔루션은 매우 경제적입니다.

변환기에는 세 가지 수정 사항이 있습니다. . 채널 수(각각 1, 2, 4)와 디자인이 다릅니다(그림 2). 단일 채널 변환기는 폭 8.5mm(치수 91.5 × 62.5 × 8.5mm), 2채널 및 4채널 - 케이스 폭 22.5mm(치수 115 × 105 × 22.5mm)의 소형 좁은 케이스에 들어 있습니다. ). 갈바닉 절연이 있는 컨버터는 수십 및 수백 개의 신호가 있는 시스템에 사용되며, 이러한 시스템의 경우 구조적 쉘(캐비닛)에 이러한 수의 컨버터를 배치하는 것이 주요 문제가 됩니다. 여기서 핵심 요소는 DIN 레일을 따라 있는 변환 채널 하나의 너비입니다. 1-, 2- 및 4-채널 버전에서는 "채널 너비"가 각각 8.5, 11.25 및 5.63mm로 매우 작습니다.

NSI-GRTP2 및 NPSI-GRTP4의 다중 채널 수정에서 모든 채널은 서로 완전히 관련이 없습니다. 이러한 관점에서 채널 중 하나의 성능은 다른 채널의 작동에 어떤 영향도 미치지 않습니다. 이것이 다중 채널 변환기에 대한 논쟁 중 하나인 "하나의 채널이 소진되고 전체 다중 채널 장치가 작동을 멈추고 이로 인해 시스템의 안전과 안정성이 크게 감소합니다" - 작동하지 않는 이유입니다. 그러나 더 낮은 "채널 가격"과 같은 다중 채널 시스템의 중요한 긍정적 특성은 완전히 나타납니다. 변환기의 2채널 및 4채널 수정에는 나사 커넥터가 장착되어 있어 설치, 유지보수 및 수리(교체)가 용이합니다.

여러 작업에서 4 ... 20 mA 신호를 여러 갈바닉 절연 수신기에 적용해야 합니다. 이렇게하려면 단일 채널 변환기 NPSI-GRTP1과 다중 채널 NPSI-GRTP2 및 NPSI-GRTP4를 모두 사용할 수 있습니다. 연결 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 5.

쌀. 5.신호 곱셈 "1 ~ 2"를 위한 단일 채널 및 2채널 변환기 사용

설치 및 유지 보수의 용이성을 위해 단일 채널 수정의 외부 연결 연결은 스프링 터미널 커넥터로 이루어지며 2 및 4 채널 수정은 분리 가능한 나사 커넥터로 이루어집니다.

쌀. 6.착탈식 단자 커넥터를 이용한 외부 라인 연결

따라서 KontrAvt Research and Production Company에서 제공하는 4…20mA 전류 루프를 분리하기 위한 새로운 컨버터 라인은 해당 수입 제품과 특성 면에서 경쟁할 수 있는 컴팩트하고 경제적인 솔루션이라고 할 수 있습니다. 변환기는 시운전용으로 제공되므로 사용자는 작동 중인 장치를 테스트하고 특성을 평가하며 사용 적합성에 대해 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.
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그리고 이전 섹션에서 처리되지 않은 것이 분명합니다. 신호매우 다양하고 변화의 범위는 몇 밀리볼트(열전대의 경우)에서 회전 속도 발생기의 경우 100볼트 이상까지 확장됩니다. 또한 DC 전압, AC 전압 또는 저항의 변화로 인해 발생할 수 있습니다. 따라서 아날로그 입력 보드가 신호 범위에만 있는 경우 일부 .

입력 신호의 원점은 그림 1과 같이 나타낼 수 있습니다. 4.13. 현장 센서의 1차 신호는 다음과 같이 변환됩니다. 표준 신호, 그리고 센서와 이 장치의 조합을 송신기 또는 . 그 후 측정된 변수에 대한 정보를 전달하는 표준화된 신호를 기존의 아날로그 입력 보드에 적용할 수 있습니다.

자연스러운 질문이 생깁니다. 이 표준화된 신호는 무엇이어야 합니까? 아날로그 신호는 낮은 수준의 신호이므로 간섭(또는 가장 일반적으로 불리는 노이즈)의 영향을 받습니다. 전류로 표시되는 신호는 전압으로 표시되는 신호보다 노이즈의 영향을 덜 받으므로 일반적으로 전류 루프를 선택합니다. 변환기와 수신 장치는 그림에 표시된 구성표에 따라 연결됩니다. 4.14와 같이 수신측의 전류 신호를 안정기 저항을 이용하여 전압으로 변환한다. 전류 루프는 직렬로 연결된 여러 수신기(미터, 차트 레코더 또는 PLC 입력과 같은)와 함께 사용할 수 있습니다.

가장 일반적인 표준은 4mA가 최소 신호 레벨이고 20mA가 최대 신호 레벨인 4-20mA 범위의 전류로 아날로그 신호를 나타냅니다. 예를 들어 압력 트랜스미터가 0-10bar 범위의 압력을 나타내는 4-20mA 신호를 제공하면 8bar는 8 x (20-4)/10 + 4 = 16.8mA의 전류에 해당합니다. 4-20mA 신호는 종종 250옴 안정기 저항을 사용하여 1-5V 신호로 변환됩니다.

4mA "제로" 신호(바이어스라고 함)는 두 가지 용도로 사용됩니다. 첫째, 변환기 또는 케이블 코드의 손상으로 사용됩니다. 변환기 또는 코드 파손이 발생하거나 통신 라인에서 단락이 발생하면 안정기 저항을 통과하는 전류는 0이 되며 이는 수신 측에서 0V의 "음수" 신호에 해당합니다. 이것은 매우 쉽게 감지되어 "인버터 고장" 경보로 사용할 수 있습니다.

4mA 바이어스 전류는 또한 레이아웃을 단순화합니다. 무화과에. 4.14 변환기는 로컬

쌀. 4.15. 2-와이어 트랜스미터 4-20mA

전원을 공급하고 전류 신호를 제공했습니다. 유사한 배열이 가능하지만 그림 3에 표시된 더 일반적인(그리고 더 간단한) 배열입니다. 4.15. 여기에서 전원 공급 장치(일반적으로 24-30VDC)는 수신 장치 측면에 배치되고 신호 라인은 변환기에 전원을 공급하고 전류를 전달하는 역할을 합니다. 변환기는 측정된 신호에 따라 4-20mA 범위의 전원 공급 장치에서 전류를 끌어옵니다. 이 전류는 이전과 마찬가지로 안정기 저항을 사용하여 전압으로 변환됩니다.

4mA 오프셋은 정상 작동을 위해 트랜스미터에 필요한 전류를 제공합니다. 분명히 신호 범위가 0-20mA이면 달성할 수 없습니다. 그림의 구성표에 포함된 변환기. 4.15는 일반적으로 2선식이라고 합니다.

4..20mA 전류 루프 작동의 기본 사항

1950년대부터 전류 루프는 모니터링 및 제어 프로세스에서 변환기에서 데이터를 전송하는 데 사용되었습니다. 낮은 구현 비용, 높은 노이즈 내성 및 장거리 신호 전송 기능을 통해 전류 루프는 특히 산업 환경에 적합한 것으로 입증되었습니다. 이 자료는 전류 루프의 기본 원리, 설계의 기본, 구성에 대한 설명에 전념합니다.

전류를 사용하여 변환기에서 데이터 전송

산업용 등급 센서는 전압 신호를 사용하는 열전대 또는 스트레인 게이지와 같은 대부분의 다른 변환기와 달리 전류 신호를 사용하여 데이터를 전송하는 경우가 많습니다. 전압을 통신 매개변수로 사용하는 컨버터는 실제로 많은 산업 응용 분야에서 효과적이지만 전류 특성을 사용하는 것이 바람직한 응용 프로그램이 많이 있습니다. 산업 조건에서 신호 전송을 위해 전압을 사용할 때 중요한 단점은 유선 통신 라인에 저항이 있기 때문에 장거리 전송 시 신호가 약해진다는 것입니다. 물론 신호 손실을 피하기 위해 높은 입력 임피던스 장치를 사용할 수 있습니다. 그러나 이러한 장치는 근처의 모터, 구동 벨트 또는 방송 송신기에서 발생하는 소음에 매우 민감합니다.

Kirchhoff의 첫 번째 법칙에 따르면 노드로 흐르는 전류의 합은 노드에서 흐르는 전류의 합과 같습니다.
이론적으로 회로의 시작 부분에 흐르는 전류는 끝까지 도달해야 하며,
그림 1과 같이. 하나.

그림 1. Kirchhoff의 첫 번째 법칙에 따르면 회로의 시작 부분의 전류는 끝 부분의 전류와 같습니다.

이것이 측정 루프가 동작하는 기본 원리이며 전류 루프(측정 루프)의 어느 곳에서나 전류를 측정해도 동일한 결과를 얻을 수 있습니다. 전류 신호와 저임피던스 데이터 수집 수신기를 사용함으로써 산업용 애플리케이션은 향상된 노이즈 내성과 증가된 링크 길이의 이점을 크게 누릴 수 있습니다.

전류 루프 구성 요소
전류 루프의 주요 구성 요소는 그림 2와 같이 DC 소스, 센서, 데이터 수집 장치 및 이들을 연속적으로 연결하는 와이어를 포함합니다.

그림 2. 전류 루프의 기능 다이어그램.

DC 소스는 시스템에 전원을 제공합니다. 트랜스미터는 4mA에서 20mA까지 전선의 전류를 조절합니다. 여기서 4mA는 활성 0이고 20mA는 최대 신호입니다.
0mA(전류 없음)는 개방 회로를 의미합니다. 데이터 수집 장치는 조정된 전류를 측정합니다. 전류를 측정하는 효율적이고 정확한 방법은 데이터 수집 장치(그림 2)의 측정 증폭기 입력에 정밀 션트 저항기를 설치하여 전류를 측정 전압으로 변환하여 궁극적으로 다음과 같은 결과를 얻는 것입니다. 변환기의 출력에서 신호를 명확하게 반영합니다.

전류 루프가 어떻게 작동하는지 더 잘 이해할 수 있도록 다음 사양의 컨버터가 있는 시스템 설계를 예로 들어 보겠습니다.

변환기는 압력을 측정하는 데 사용됩니다.
송신기는 측정 장치에서 2000피트 떨어져 있습니다.
데이터 수집 장치에 의해 측정된 전류는 작업자에게 변환기에 적용된 압력의 양에 대한 정보를 제공합니다.

예를 고려하여 적절한 변환기를 선택하는 것으로 시작합니다.

현재 시스템 설계

변환기 선택

현재 시스템을 설계하는 첫 번째 단계는 변환기를 선택하는 것입니다. 측정된 양의 유형(유량, 압력, 온도 등)에 관계없이 트랜스미터를 선택할 때 중요한 요소는 작동 전압입니다. 변환기에 전원 공급 장치를 연결하기만 하면 통신 라인의 전류량을 조정할 수 있습니다. 전원 공급 장치의 전압 값은 허용 가능한 한계 내에 있어야 합니다. 필요한 최소값 이상, 최대값 미만으로 인버터를 손상시킬 수 있습니다.

예제 전류 시스템의 경우 선택한 변환기는 압력을 측정하고 작동 전압은 12~30V입니다. 변환기를 선택할 때 전류 신호를 정확하게 측정하여 트랜스미터에 가해지는 압력을 정확하게 표시해야 합니다.

전류 측정을 위한 데이터 수집 장치 선택

전류 시스템을 구축할 때 주의해야 할 중요한 측면은 접지 회로에 전류 루프가 나타나지 않도록 하는 것입니다. 이러한 경우의 일반적인 기술은 격리입니다. 절연을 사용하면 접지 루프의 영향을 피할 수 있으며, 그 발생은 그림 3에 설명되어 있습니다.

그림 3. 접지 루프

접지 루프는 두 개의 단자가 서로 다른 전위 위치에서 회로에 연결될 때 형성됩니다. 이 차이로 인해 통신 라인에 추가 전류가 발생하여 측정 오류가 발생할 수 있습니다.
데이터 수집 절연은 그림 4와 같이 장비 입력 증폭기 접지에서 신호 소스 접지의 전기적 분리를 나타냅니다.

전류가 절연 장벽을 통해 흐를 수 없기 때문에 증폭기와 신호 소스의 접지 지점은 동일한 전위에 있습니다. 이것은 실수로 접지 루프를 생성할 가능성을 제거합니다.

그림 4. 절연 회로의 공통 모드 전압 및 신호 전압

절연은 또한 높은 공통 모드 전압이 존재할 때 DAQ 디바이스의 손상을 방지합니다. 공통 모드는 계측 증폭기의 두 입력 모두에 존재하는 동일한 극성의 전압입니다. 예를 들어, 그림 4에서. 증폭기의 양극(+) 및 음극(-) 입력에는 모두 +14V 공통 모드 전압이 있습니다. 많은 데이터 수집 장치의 최대 입력 범위는 ±10V입니다. 데이터 수집 장치가 절연되어 있지 않고 공통 모드 전압이 최대 입력 범위를 벗어나면 장치가 손상될 수 있습니다. 그림 4에서 증폭기 입력의 정상(신호) 전압은 +2V에 불과하지만 +14V를 추가하면 +16V의 전압이 발생할 수 있습니다.
(신호 전압은 증폭기의 "+"와 "-" 사이의 전압이고, 작동 전압은 일반 모드 전압과 공통 모드 전압의 합입니다.) 이는 더 낮은 작동 전압을 가진 장치에 대한 위험한 전압 레벨입니다.

절연을 통해 증폭기의 공통 지점은 접지 제로와 전기적으로 분리됩니다. 그림 4의 회로에서 증폭기 공통점의 전위는 +14V로 "상승"됩니다. 이 기술은 입력 전압 값을 16V에서 2V로 떨어뜨립니다. 이제 데이터가 수집되고 있으므로 장치는 더 이상 과전압 손상의 위험이 없습니다. (절연체에는 거부할 수 있는 최대 공통 모드 전압이 있습니다.)

데이터 수집기가 분리되고 보호되면 전류 루프를 구성하는 마지막 단계는 적절한 전원을 선택하는 것입니다.

전원 선택

요구 사항에 가장 적합한 전원 공급 장치를 쉽게 결정할 수 있습니다. 전류 루프에서 작동할 때 전원 공급 장치는 시스템의 모든 요소에 걸쳐 전압 강하의 합보다 크거나 같은 전압을 제공해야 합니다.

이 예의 데이터 수집 장치는 정밀 분로를 사용하여 전류를 측정합니다.
이 저항의 전압 강하를 계산해야 합니다. 일반적인 션트 저항의 저항은 249Ω입니다. 전류 루프 전류 범위 4 .. 20 mA에 대한 기본 계산
다음을 보여줍니다.

I*R=U
0.004A*249Ω=0.996V
0.02A*249Ω=4.98V

249Ω 션트를 사용하면 데이터 수집기 입력의 전압 값을 압력 변환기의 출력 신호 값과 연결하여 1~5V 범위의 전압을 제거할 수 있습니다.
이미 언급했듯이 압력 트랜스미터에는 최대 30V의 최소 작동 전압 12V가 필요합니다. 정밀 분로 저항기의 전압 강하를 트랜스미터의 작동 전압에 추가하면 다음이 제공됩니다.

12V+ 5V=17V

언뜻보기에는 17V의 전압으로 충분하지만 전기 저항이있는 전선에 의해 생성되는 전원 공급 장치의 추가 부하를 고려해야합니다.
센서가 측정 기기에서 멀리 떨어져 있는 경우 전류 루프를 계산할 때 와이어 저항 계수를 고려해야 합니다. 구리 와이어는 길이에 정비례하는 DC 저항을 가지고 있습니다. 이 예에서 압력 변환기를 사용하면 전원 공급 장치의 작동 전압을 결정할 때 2000피트의 통신 라인을 고려해야 합니다. 단일 코어 구리 케이블의 선형 저항은 2.62Ω/100피트입니다. 이 저항에 대한 설명은 다음을 제공합니다.

2000피트 길이의 한 가닥의 저항은 2000 * 2.62 / 100 = 52.4m입니다.
한 코어의 전압 강하는 0.02 * 52.4 = 1.048V입니다.
회로를 완성하기 위해서는 2개의 전선이 필요하며, 통신선의 길이는 2배가 되며,
총 전압 강하는 2.096볼트가 되며 컨버터가 2차측에서 2000피트 떨어져 있기 때문에 총 전압은 약 2.1볼트가 됩니다. 회로의 모든 요소에서 전압 강하를 요약하면 다음을 얻습니다.
2.096V+12V+5V=19.096V

17V를 사용하여 해당 회로에 전원을 공급했다면 와이어 저항 및 션트 저항의 강하로 인해 압력 변환기에 적용된 전압이 최소 작동 전압 미만이 됩니다. 일반적인 24V 전원 공급 장치를 선택하면 인버터의 전원 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 또한 압력 센서를 더 먼 거리에 배치하기 위한 전압 여유가 있습니다.

변환기, 데이터 수집 장치, 케이블 길이 및 전원 공급 장치를 올바르게 선택하면 간단한 전류 루프 설계가 완료됩니다. 더 복잡한 애플리케이션의 경우 시스템에 추가 측정 채널을 포함할 수 있습니다.

Yuri Kurtsevoi(맥심 통합)

고도로 통합된 아날로그 전류 루프 신호 조절기 4-20mA 최대12900 생산격언 통합 PWM을 변환할 수 있습니다— 루프 4 신호에 내장 DAC가 없는 마이크로컨트롤러 신호… 20mA둘-, 삼-또는네유선 구성 .

4…20mA 전류 루프는 오늘날 많은 산업 분야에서 가장 널리 사용되는 데이터 전송 방법 중 하나입니다. 송신기에서 수신기로 신호를 전송할 때 간섭에 대한 저항으로 인해 이러한 애플리케이션에 이상적입니다. 또 다른 장점은 방법의 상대적 단순성과 예산입니다. 물론 회로의 일부 섹션과 기타 여러 매개변수에서 전압 강하를 제어해야 하기 때문에 회로가 더 복잡해지고 솔루션 비용이 증가하는 경우가 많습니다. 표 1은 4…20mA 전류 루프 통신 방식의 장단점을 요약한 것입니다.

표 1. 4…20mA 전류 루프의 장단점

장점	단점
많은 산업 분야의 기본 표준	하나의 전류 루프는 하나의 데이터 채널에만 해당합니다. 하나의 변수에만 값을 전달하는 기능
간편한 연결 및 설정	여러 데이터 채널의 동시 작동(여러 변수의 값 전송)의 경우 동일한 수의 전류 루프를 생성해야 합니다. 그러나 독립 루프가 제대로 절연되지 않은 경우 너무 많은 와이어를 사용하면 접지 루프 문제가 발생할 수 있습니다.
거리가 멀어져도 신호가 저하되지 않음	채널 수에 따라 채널 격리 문제 증가
간섭에 대한 취약성 감소	–
전류가 없음은 데이터 링크에 오류가 있음을 나타냅니다.	–

4…20mA 인터페이스가 있는 모든 센서는 구성에 따라 세 그룹으로 나눌 수 있습니다.

2선식(루프 전원) 센서 4… 20mA;
3선식 센서 4… 20mA;
4선식 센서 4… 20mA.

가장 편리한 구성은 루프 전원 솔루션입니다. 그러나 센서 자체가 4~20mA 루프 예산에서 3~4mA 이상을 소비하는 경우 작동을 위해 추가 전원 공급 장치를 사용해야 합니다. 이러한 센서를 연결할 때는 4선식 구성을 사용해야 합니다. 3-와이어 구성은 센서의 양극 전원 리드와 전류 루프를 결합한 이전 구성의 단순화된 버전입니다(그림 1b). 그림 1은 위에서 설명한 모든 구성을 보여줍니다. 표 2는 각각의 장점과 단점을 나열합니다.

표 2. 연결 방식이 다른 센서의 장단점

구성	2선	3선식	4선
장점	로컬 전원 공급 장치가 필요하지 않습니다. 저렴한 비용; 공격적인 환경에 적합	4선식 옵션보다 경제적입니다. 구현 용이성; 추가 전원이 필요한 디스플레이 장치 및 기타 장치를 사용하는 능력; 강력한 출력, 릴레이를 사용하는 능력	외부 전원; 가변 신호를 전송하는 능력; 전원 회로 절연; 추가 전원이 필요한 디스플레이 장치 및 기타 장치를 사용하는 능력; 강력한 출력, 릴레이를 사용하는 능력
단점	루프 섹션의 전압 강하는 문제를 일으킬 수 있습니다. 회로의 소비에 제한이 있습니다	전력 루프 절연 부족; 전력선 및 루프는 신중하게 구현해야 합니다.	더 높은 비용; 더 많은 전선; 공격적인 환경에는 적용되지 않음

2, 3 또는 4와이어 전류 루프 구성의 센서 회로에서 MAX12900 사용

MAX12900은 2~20mA 송신기가 있는 센서용 고집적 초저전력 아날로그 신호 조절기입니다. 10개의 모듈이 컴팩트한 본체에 내장되어 있습니다.

입력 전압 범위가 넓은 LDO 컨버터;
2개의 입력에 대한 PWM 변조 신호를 처리하기 위한 회로;
2개의 저전력, 저 드리프트 연산 증폭기;
오프셋 전압 드리프트가 낮고 대역폭이 넓은 연산 증폭기 1개;
2개의 진단 비교기;
좋은 전원 품질 표시 출력(power-good 출력)이 있는 전원 켜기 컨트롤러;
낮은 드리프트 전압 기준.

MAX12900의 주요 장점은 온보드 DAC가 없는 마이크로컨트롤러의 PWM 신호를 2선, 3선 또는 4선 구성을 위한 4…20mA 루프 신호로 변환할 수 있다는 것입니다. 따라서 이는 저전력, 고해상도 DAC, PWM 신호 프로세서, 2개의 처리 회로 및 통합 저전력 연산 증폭기가 있는 능동 필터의 조합과 동일합니다. 2개의 신호 처리 회로는 신호 진폭, 온도 및 공급 전압 변화의 변동에도 불구하고 안정적인 PWM 진폭을 보장합니다. 개별 트랜지스터와 결합된 광대역 증폭기는 입력 전압을 출력 전류로 변환하고 HART® 및 FOUNDATION Fieldbus H1 신호 변조를 허용합니다. 낮은 바이어스 연산 증폭기와 낮은 드리프트 전압 레퍼런스는 넓은 온도 범위에서 오류를 최소화합니다. 저전력 연산 증폭기와 비교기는 고급 진단 시스템의 구성 요소입니다. 전력 레일 모니터링, 출력 전류 측정 및 개방 회로 감지는 이러한 시스템의 진단 기능의 몇 가지 예입니다. 이 모든 것은 높은 정확도와 낮은 전체 전력 소비와 함께 MAX12900을 스마트 전류 루프 센서에 이상적인 장치로 만듭니다.

MAX12900을 2선식 송신기로 사용(루프 전원 공급)

그림 2는 MAX12900을 루프 전원 센서의 일부로 구성할 수 있는 방법에 대한 단순화된 블록 다이어그램 및 모델을 보여줍니다. 이 구성은 열악한 환경에서 작동하는 시스템에 필요하며 ATEX 지침 94/9/EC를 준수하고 IECEx 인증을 받아야 합니다. 이러한 센서 회로의 구현은 트랜스미터가 4mA 미만을 소비하는 경우에만 가능합니다. 마이크로컨트롤러에서 생성된 PWM 신호는 MAX12900에 내장된 특수 PWM 신호 조절 및 처리 회로에 공급됩니다. 내장 연산 증폭기 중 하나와 외부 RC 회로를 사용하여 저역 통과 필터를 만들 수 있습니다. 외부 트랜지스터는 전압을 전류로 변환하는 데 사용됩니다.

그림 3은 센서에 전원을 공급하는 2선식 전류 루프의 전기 회로 수준 구현을 보여줍니다(청록색으로 강조 표시된 전체 블록은 MAX12900에 통합되어 있음).

이 유형의 가장 일반적인 센서 중 하나는 온도 센서입니다. 정밀 열전대와 전용 열전대 신호 변환기(MAX31856)를 사용하여 MAX12900 온도 센서 송신기를 설계해 보겠습니다. MAX31856은 열전대 신호를 처리하고 SPI 인터페이스를 통해 데이터를 전송합니다. 따라서 센서를 읽고 MAX12900에 대한 PWM 신호를 생성하려면 마이크로컨트롤러를 사용해야 합니다. MAX12900EVKIT는 이 작업을 위해 STM32L071 마이크로컨트롤러를 사용합니다. 이 설계의 핵심은 최악의 전력 예산(모든 작동 온도 및 전압에 대한 최대 전류 소모)을 추정하는 것입니다. 이를 기반으로 전류 루프의 하나 또는 다른 구성(2선, 3선 또는 4선)의 사용에 대한 결정을 내릴 수 있습니다.

MAX12900EV 데이터시트에 따르면 저전력 마이크로컨트롤러와 MAX12900의 총 소비 전력은 최악의 경우 3.5mA입니다. MAX31856은 3.3V 공급 전압에서 최대 2mA를 소비합니다(표 3). 따라서 총 소비량이 4mA를 초과하므로 2선식 송신기를 구현할 수 없습니다.

표 3. 온도 센서 부품의 소비량

3선 송신기 회로에서 MAX12900 사용

2선식 솔루션을 사용할 가능성을 배제하고 3선식 회로를 설계할 수 있는 가능성은 무엇인지 살펴보겠습니다. 명심해야 할 첫 번째 사항은 데이터 전송과 회로 전원 모두에 하나의 양극 전원 핀만 사용할 수 있다는 것입니다. 24V(PLC에서)는 동작하는 데 3.3V가 필요한 마이크로컨트롤러 및 MAX31856에 비해 너무 높으므로 이 문제를 해결하기 위한 여러 가지 접근 방식이 있습니다. 첫 번째는 그림 4와 같이 MAX17550과 같은 DC/DC 컨버터를 사용하여 24V를 3.3V로 변환하는 것입니다. MAX17550은 최대 25mA 출력 전류를 제공하는 초소형 고효율 동기식 DC/DC 벅 컨버터입니다. MAX12930 디지털 이중 채널 절연기는 MAX12900과 센서/MCU PWM 인터페이스를 분리하는 데 사용됩니다. 그림 4에서 점선 상자의 구성 요소는 PLC 접지와 다른 부동 접지가 있는 절연된 전원 도메인에 있습니다.

전력 문제를 해결하기 위한 또 다른 접근 방식은 그림 5와 같이 최대 50mA의 부하 전류로 3.3V를 제공할 수 있는 MAX15006AATT+ 초저전류 선형 전압 컨버터를 사용하는 것입니다.

이러한 센서를 설계할 때 염두에 두어야 할 두 번째 문제는 트랜스미터의 부동 접지입니다. 센서 자체, 마이크로컨트롤러 및 MAX12900(통신용 송신기)은 공통 접지 버스를 공유해야 합니다. 동시에 이 접지의 전위는 PLC 접지에 대한 부동 전위입니다. 부동 접지의 상태는 전송된 데이터와 루프의 부하 수준에 따라 다릅니다. 이 문제를 해결하기 위해 듀얼 채널, 저전력 MAX12930(그림 4 참조)을 사용하여 PWMA 및 PWMB 입력을 송신기에서 분리하는 등 여러 접근 방식이 취해졌습니다.

다른 접근 방식은 마이크로컨트롤러와 센서의 공통 접지 레벨을 지속적으로 모니터링하고 제어하는 능동 회로를 사용하는 것입니다. 이 구현 옵션은 MAX12900에 통합된 범용 연산 증폭기, 즉 OP2로 인해 가능하고 편리해졌습니다. 이 회로는 또한 외부 저전압 n채널 MOSFET Q3과 범용 PNP 트랜지스터 Q4를 사용하여 RLOAD와 RSENSE에 걸친 전압 강하를 일치시켜야 합니다.