Dlaczego sygnał prądowy jest lepszy od sygnału napięciowego dla długiej transmisji analogowej?

Niektóre czujniki działają jak źródła prądu i widziałem to kilka razy, szczególnie w przypadku bardzo długich przewodów, nawet na zewnątrz, takich jak wiatraczki. Na przykład stosuje się pętle prądowe 4-20 mA zamiast napięcia 0-10 V.

Jakie może być fizyczne wytłumaczenie tego? W jaki sposób prąd jest bardziej korzystny?

(Zastanawiam się również, jeśli chodzi o interferencje EMI, czy sygnał pętli prądowej jest bardziej odporny i dlaczego).

Proszę wyjaśnić tę koncepcję za pomocą schematów obwodów, źródeł prądu napięciowego z niektórymi elementami. Jak sprzężone są zakłócenia trybu wspólnego w obu przypadkach itp. I dlaczego pętla prądowa jest odporna na zakłócenia.

EDYTOWAĆ:

Po przeczytaniu odpowiedzi, oto co rozumiem (kliknij, aby zobaczyć schematy symulacji i odpowiadające im wykresy):

Stosuję interferencję Vcm w trybie wspólnym we wszystkich scenariuszach.

Na pierwszym górnym obrazie źródło prądu o impedancji 1 Giga Ohm jest przesyłane przez niezrównoważony / niezrównoważony kabel, a nawet odbiornik jest jednokierunkowy, wyjście jest odporne na zakłócenia. (1G Ohm zmniejsza hałas, im mniejszy ten Rcur, tym więcej hałasu w odbiorniku)

Na środkowej ilustracji źródło napięcia jest przesyłane przez niezrównoważony kabel, a odbiornik jest single-ended , a wyjście jest bardzo głośne.

Na dolnej ilustracji źródło napięcia jest przesyłane przez kabel zrównoważony, a odbiornik jest zakończony różnicowo , a szumy w trybie wspólnym są wyeliminowane.

Czy moja konkluzja / symulacja jest odpowiednia do przedstawienia tego pytania?

W rzeczywistości dla odporności na hałas liczy się moc potrzebna do zakłócania śpiewu.

Tj. Sygnał prądowy na wejściu o impedancji prawie zerowej jest tak samo zły jak sygnał napięciowy na wejściu o impedancji prawie nieskończonej.

Potrzebny jest odbiornik o niezerowej i nieskończonej impedancji, aby sygnał wymagał pewnej mocy .
To znaczy

• jeśli informacja jest zakodowana jako napięcie, nadal powinien płynąć pewien prąd do odbiornika i
• jeśli informacja jest zakodowana jako prąd, nadal powinno być pewne napięcie na odbiorniku.

Oba przypadki są podobne, ale po prostu zdecydujesz, czy lepiej zakodować sygnał jako napięcie, czy jako prąd (inna alternatywa byłaby kodowana jako moc). Do celów pomiarowych najbardziej odpowiednie są sygnały napięciowe lub prądowe.

Dobry przewód dla sygnału prądowego musi po prostu zapewnić, że prąd nie zostanie utracony (lub włożony), tj. Idealnie nie ma wycieku, tj. Idealnej izolacji. Można to osiągnąć w praktyce całkiem dobrze.

Dobry przewód dla sygnału napięciowego musi zapewnić, że nie nastąpi utrata napięcia, tzn. Idealnie nie spadnie napięcie, idealna przewodność wzdłuż przewodu. O ile nie używasz nadprzewodnika, jest to praktycznie niemożliwe do osiągnięcia w praktyce.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

W każdym razie rezystancja odbiornika powinna być znacznie powyżej 0 i znacznie poniżej nieskończoności.
Rezystancja izolacji jest praktycznie nieskończona.
Rezystancja szeregowa 0 jest praktycznie niemożliwa.

Dlatego jeśli sygnał musi zostać wysłany na pewną odległość wzdłuż przewodu, lepiej jest użyć sygnału prądowego niż sygnału napięciowego.

Prąd jest wielki, ponieważ jest równy we wszystkich częściach przewodnika. Tzn. Jeśli wpychasz 15 mA z jednej strony, druga strona widzi 15 mA, nawet jeśli znajduje się w odległości 200 m. Jest to bardzo łatwe do wykrycia i zapewnia niezawodność transmisji danych.

To samo nie dotyczy napięcia. Jeśli Twój przewodnik ma wysoką impedancję i zakłócenia elektryczne, wówczas sygnał napięcia wejściowego obniży się, a prawidłowe napięcie może nie dotrzeć na drugą stronę.

Odporność na hałas wynika z faktu, że pętle prądowe są systemem o niskiej impedancji. Zobacz, dlaczego to ma znaczenie: dlaczego obwody o wysokiej impedancji są bardziej wrażliwe na zakłócenia?

Obecna sygnalizacja ma różne zalety w różnych sytuacjach, więc istnieje kilka różnych odpowiedzi.

W przypadku sygnalizacji niskiej częstotliwości.

Źródło prądu stałego (nadajnik) ma bardzo wysoką impedancję (a CV ma bardzo niską impedancję). Kiedy więc włożysz dość wysoką oporność szeregową, nie ma to żadnego wpływu: źródło CC jest już bardzo wysokie, jaki efekt przyniesie kilkaset / tysięcy dodatkowych omów? Podobnie, gdy połączysz szum z kablem (C1,2), wysokie źródło R oznacza, że ​​oba przewody idą w górę i w dół razem - jest to szum w trybie wspólnym i nie ma wpływu na prąd. Tymczasem koniec odbiorczy ma niski R. To tłumi wszelkie sprzężone pojemnościowo szumy i jest solidne.

System napięcia jest odwrotny. Źródło powinno mieć bardzo niską impedancję. Seria R będzie miała znaczenie. Rx musi mieć bardzo wysoką impedancję wejściową, inaczej otrzymasz dzielnik napięcia. Będzie pojemnościowo odbierać hałas i będzie podatny na uszkodzenia. Szum pojemnościowo wstrzykiwany przepływa przez RSource, a odbiornik otrzymuje napięcia różnicowe.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

W przypadku sygnalizacji wysokiej częstotliwości (np. Wideo)

Pętla prądowa ma zasadniczo stałe napięcie po obu stronach kabla. Dlatego pojemność na kablu nie przepuszcza żadnego prądu i nie ma żadnego wpływu. Sygnał jest odporny na kabel C i jest odporny na dodatkowe C dodane w celu ochrony przed hałasem i emi. Zużywa się znacznie mniej energii, ponieważ C nie musi być napędzany.

Moim zdaniem są to dwa główne powody, dla których wybrałem bieżące pętle w kilku przypadkach:

• Nie zależy ci na długości / rezystancji przewodów. Możesz zmienić przewód o długości 3 m na 50 m, zmieniając jego rezystancję, sygnał będzie taki sam (o ile źródło może oczywiście zapewnić wystarczające napięcie / moc).
• Możesz wykryć uszkodzenia i awarie. Jeśli uzyskasz 0 mA, albo czujnik, albo przewód jest uszkodzony. Z pętlami napięciowymi nie jest łatwo zrozumieć.

W przypadku EMI nie wpłynie to w większości przypadków. EMI zwykle przychodzi na (bardzo) wysokie częstotliwości, znacznie szybciej niż zmienia się twój sygnał, więc możesz go filtrować.

Wydaje się również, że jest to związane ze starymi pneumatycznymi układami sterowania, w których stosowano zakres 3-15 psi.

Kolejną rzeczą do zapamiętania dotyczącą sygnałów analogowych jest możliwość zintegrowania protokołu komunikacyjnego HART. HART (Highway Addressable Remote Transmitter) to sygnał cyfrowy nakładany na sygnał analogowy, umożliwiający przesyłanie dodatkowych informacji za pomocą tego samego okablowania. Obecnie większość inteligentnych instrumentów przemysłowych działa z funkcją HART. Korzyści są więc znacznie większe niż tylko spadek napięcia i zakłócenia elektromagnetyczne.