Geräte mit hoher Eingangsimpedanz – empfindlich gegenüber induziertem Rauschen

So steht es im Artikel: -

Durch die Verwendung von Stromsignalen und niederohmigen Datenerfassungsgeräten profitieren industrielle Anwendungen von einer besseren Störfestigkeit und längeren Übertragungskabellängen.

Der Artikel sagt auch in Bezug auf Geräte, die Spannungssignale erzeugen, dass: -

Diese Geräte reagieren empfindlich auf Geräusche, die von in der Nähe befindlichen Motoren, Förderbändern und Funkübertragungen verursacht werden.

Grundsätzlich ist es wahr, aber es gibt einige Vorbehalte. Betrachten Sie die von Motoren verursachten Geräusche, und ich denke, dass Induktionsmotoren ein wahrscheinlicher Schuldiger sind. Sie erzeugen Magnetfelder, die unabhängig von der Art der Signalübertragung in einem Kabel eine Störspannung induzieren können.

Wenn Spannungssignalisierung verwendet wird, addiert sich die Störspannung zum Signal, genau wie Batterien in Reihe addiert werden. Dies fügt einen Fehler hinzu.

Wenn Stromsignalisierung verwendet wird UND, vorausgesetzt, dass die induzierte Spannung nicht mehrere Volt beträgt, bleibt der im Kabel fließende Strom (aufgrund des Signals) genau dieser Strom, und am Empfängerende ist keine Spannungsstörung zu sehen - dies liegt an der hohen Konformität der 4-20mA Stromquelle: -

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Sie können hoffentlich sehen, dass bei einer Stromquelle mit hoher Compliance Störspannungen, die in Reihe mit der Stromschleife auftreten, wenig Einfluss haben.

Wo fängt das an schief zu gehen: -

1. Wenn die Interferenz groß genug ist, um einen Ausfall des Stromschleifensenders durch hochkonformes Senken oder Quellen von Strom zu verursachen
2. Wenn die Frequenz hoch ist und die Stromquelle/-senke keine hohe Kompatibilität bieten kann.

(1) Die konforme Stromquelle benötigt möglicherweise einige Volt, um die Leistung aufrechtzuerhalten, und wenn die Reihenspannung dazu führt, dass die Mindestspannung unter diesen Punkt abfällt, wird das Signal mit Störimpulsen versehen.

(2) Bei hohen Frequenzen ändert sich die Nachgiebigkeit von einem theoretisch unendlichen Widerstand zu einem Kondensator mit kleinem Wert (aufgrund der Transistoren und Chips im Gerät). Dadurch können hochfrequente Störer einen Strom durch den 100-Ohm-Empfänger (R1) zirkulieren lassen.

Bei Verwendung von Niederfrequenzsignalisierung (mit geeigneter Tiefpassfilterung auf der Empfangsseite) können HF-Störungen weitgehend vermieden werden, und es wird empfohlen, abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel zu verwenden.

Hochenergetische E-Feld-Interferenzen (im Gegensatz zu magnetischen Interferenzen) werden tendenziell als Spannung parallel zu den beiden Drähten wahrgenommen, die auch direkt auf R1 einwirkt, sodass eine Abschirmung und Filterung erforderlich ist.

Ich mag es, zuerst einfache Antworten zu geben. Wenn dann mehr Technik oder Details benötigt werden, können sie später kommen. - - - Stellen Sie sich vor, dass eine starke externe Energiequelle (magnetisch, elektromagnetisch, ein nahe gelegener Funksender, was auch immer) die Fähigkeit hätte, einen Strom von 100 uA (Mikroampere) auf Ihre Signalleitungen zu induzieren. Wenn Sie eine hohe Eingangsimpedanz haben, sagen wir 100 K Ohm, wäre die induzierte Spannung (Rauschen) 10 Volt (Ohmsches Gesetz). - - - Wenn Sie eine niedrige Eingangsimpedanz hätten (250 Ohm, üblich in einem 4-20-mA-System), würden die 100 uA zu 0,025 Volt (25 mV Rauschen) führen, die Ihrem Signal aufgeprägt werden.

Außerdem sind 100 uA nur 2,5 % Ihres niedrigsten Signals von 4 mA in einem 4-20-mA-System.

Die Erklärung, die Sie erhalten haben, ist nicht sehr genau. Stellen Sie sich ein typisches Instrument mit Spannungsausgang vor (z. B. 1-5 V). Die Ausgangsimpedanz der Quelle kann weit unter einem Ohm liegen, während der Empfänger eine Eingangsimpedanz von 1 M Ohm haben kann. Die beiden Parallelschaltungen sind also tatsächlich sehr niederohmig, der Drahtwiderstand spielt jedoch keine Rolle, da er im Verhältnis zu 1 M hoch ist.

Sehen wir uns nun Ihre aktuelle Schleife an. Die Quelle, die eine Stromquelle ist, hat eine sehr hohe Impedanz, weit über 1 M für ein Präzisionsinstrument. Der Empfänger könnte 250 Ohm haben, um eine Spannung von 1-5 V zu liefern. Die beiden parallel sind also 250 Ohm, was viel höher ist als < 1 Ohm. Der Drahtwiderstand spielt keine große Rolle, bis Ihnen an Ihrer Stromquelle die Konformitätsspannung ausgeht.

Also, was gibt?

Der Spannungskreis ist am Sender (sehr) niederohmig und am Empfänger hochohmig. Die Stromschleife hat am Sender eine (sehr) hohe Impedanz und am Empfänger eine ziemlich niedrige Impedanz. Dazwischen befindet sich eine Menge Draht, der Gleichtakt- oder Normalmodussignale induziert haben kann. Wenn es keine Erdschleifenprobleme gibt (beide Seiten perfekt isoliert), wird das Gleichtaktrauschen im Kabel in beiden Fällen ignoriert. Gegentaktrauschen wird von der Stromschleife ignoriert, aber direkt vom Spannungsgerät weitergeleitet. Verdrillte Paare haben sehr wenig Normalmodusrauschen, aber nicht null.

Normalmodusrauschen ist wie zwei Spannungsquellen in Reihe mit jedem Draht (die addieren). Das Gleichtaktrauschen ist das gleiche, aber die Spannungsquellen löschen sich gegenseitig aus.

Ein moderner Grund für die Verwendung von 4-20-mA-Stromschleifen ist, dass der Sender manchmal mit 4 mA betrieben werden kann (mit etwas Reserve), sodass nur zwei Drähte erforderlich sind (keine zusätzliche Stromversorgung). Das erleichtert auch, den Sender "eigensicher" zu machen, indem die Energie so begrenzt wird, dass sie keinen unsicheren Zustand in einer gefährlichen Atmosphäre verursachen kann.

Die Kapazität der Kabel bildet mit der hohen Eingangsimpedanz einen Tiefpassfilter. Je höher die Impedanz, desto höher ist die Obergrenze für die Durchgangsfrequenzen, wodurch mehr Rauschen zugelassen wird.