Warum wird bei langen analogen Übertragungen ein Stromsignal einem Spannungssignal vorgezogen?

Einige Sensoren wirken wie Stromquellen, und ich habe es mehrmals gesehen, insbesondere für sehr lange Drähte, auch im Freien, wie Windfahnen. Statt 0-10 V Spannung werden beispielsweise 4-20 mA Stromschleifen verwendet.

Was kann die physikalische Erklärung dafür sein? Wie ist Strom vorteilhafter?

(Ich frage mich auch in Bezug auf EMI-Störungen, ob ein Stromschleifensignal immun ist und warum.)

Bitte erläutern Sie dieses Konzept anhand von Schaltplänen, Spannungsstromquellen mit einigen Komponenten. Wie in beiden Fällen Gleichtaktstörungen eingekoppelt werden usw. und warum eine Stromschleife immun gegen Rauschen ist.

BEARBEITEN:

Nachdem ich die Antworten gelesen habe, verstehe ich Folgendes (klicken Sie, um die Simulationsdiagramme und die entsprechenden Diagramme anzuzeigen):

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich wende in allen Szenarien Gleichtakt-Vcm-Interferenzen an.

In der ersten oberen Abbildung wird eine Stromquelle mit 1 Giga Ohm Impedanz über ein unsymmetrisches/unsymmetrisches Kabel übertragen, und selbst der Empfänger ist unsymmetrisch, der Ausgang ist immun gegen Rauschen. (1G Ohm macht das Rauschen klein, je kleiner dieser Rcur, desto mehr Rauschen am Empfänger)

In der mittleren Abbildung wird eine Spannungsquelle über ein unsymmetrisches Kabel übertragen und der Empfänger ist unsymmetrisch , der Ausgang ist sehr verrauscht.

In der unteren Abbildung wird eine Spannungsquelle über ein symmetrisches Kabel übertragen und der Empfänger ist differenziell geerdet , und Gleichtaktrauschen wird eliminiert.

Ist meine Schlussfolgerung / Simulation richtig, um diese Frage darzustellen?

Hauptsächlich Störfestigkeit und Drahtspannungsabfalltoleranz.
@KalleMP "Verwenden Sie Kommentare, um nach weiteren Informationen zu fragen oder Verbesserungen vorzuschlagen. Vermeiden Sie es, Fragen in Kommentaren zu beantworten." gelten auch für Kurzantworten.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass 4-20 mA immer 4 mA zur Stromversorgung des Sensors haben. Es handelt sich um einen 2-adrigen, ferngespeisten, isolierten Sensor. Dies gibt ihm neben dem Stromschleifenaspekt auch Rauschvorteile.
Ein weiterer Hinweis ist, dass Sie einen Drahtbruch mit einem 4-20-mA-Signal erkennen können.
"Ist meine Schlussfolgerung/ Simulation korrekt, um diese Frage darzustellen?" Ich finde das 3. Beispiel deshalb so gut, weil das CMR deines Empfangsverstärkers (fast) perfekt ist. Wenn der CMR nicht so gut (realistischer) wäre, wäre seine Ausgabe schlechter als im 1. Beispiel.
@Curd Ich sehe einen sehr guten Punkt, CMRR ist in Wirklichkeit nicht unendlich. Aber noch eine Frage dazu. Ich habe versucht, realistische Werte für mögliche Szenarien anzunehmen. Was halten Sie in Bezug auf die Stromquelle von einer parallelen Stromquellenimpedanz von 1 G Ohm? Ist G Ohm realistisch? Welcher Beispielwert wäre in Wirklichkeit sinnvoller?
@cm64: 1G erscheint mir hoch. Ich würde im Bereich 10M..100M schätzen
@Curd Danke, es scheint (laut Simulation), wenn man die Stromschleife verwendet, das Rauschen nicht von einer Leitungsunsymmetrie beeinflusst wird. Das einzige, was das Rauschen erhöht, ist das Verringern der parallelen theoretischen Quellenimpedanz der Stromquelle, auch bekannt als Rcur in Diagramm.
Unabhängige Informationen -> Andererseits sagte mir ein Hersteller, dass der Stromausgang seines Sensors mehr Eigenrauschen hat als sein Spannungsausgang. Das hat aber nichts mit der Übertragung zu tun. Vielleicht sind Konstantstromquellen von Natur aus lauter.
In der alten Weltordnung gab es etwas namens MIL-STD-1553. Es war ein Übertragungsleitungs-Datenbus, der an beiden Enden abgeschlossen war. Die Empfänger waren hochohmig, so dass sie keine konzentrierten Lasten auf dem Bus erzeugten. Aber wenn Sie einen Empfänger am Ende einer langen Stichleitung hatten, hatten Sie ein großes Problem. Wir haben dieses Problem gelöst, indem wir das z der Stichleitung kontrolliert und sie richtig abgeschlossen haben, um reflektierte Wellen zu eliminieren. Wenn Sie die Regeln des Mil-Standards befolgen, ist Ihr System in Ordnung. Aber wenn Sie gegen die Regeln verstoßen, müssen Sie weitere Analysen durchführen, um einen robusten Datenbus zu erhalten.

Antworten (5)

Was für die Immunität gegen Rauschen wirklich wichtig ist, ist die Leistung , die benötigt wird, um das Signal zu stören.

Dh ein Stromsignal an einem Eingang mit nahezu Nullimpedanz ist genauso schlecht wie ein Spannungssignal an einem Eingang mit nahezu unendlicher Impedanz.

Was benötigt wird, ist ein Empfänger mit einer Impedanz ungleich Null sowie einer Impedanz, die nicht unendlich ist, so dass das Signal eine gewisse Leistung beinhaltet .
Dh

  • Wenn die Informationen als Spannung codiert sind, sollte immer noch etwas Strom in den Empfänger fließen und
  • Wenn die Informationen als Strom codiert sind, sollte immer noch etwas Spannung am Empfänger anliegen.

Beide Fälle sind also ähnlich, aber Sie müssen nur entscheiden, ob es besser ist, das Signal als Spannung oder als Strom zu codieren (eine andere Alternative wäre als Leistung codiert). Für Messzwecke sind Spannungs- oder Stromsignale am besten geeignet.

Ein guter Draht für ein Stromsignal muss nur sicherstellen, dass kein Strom verloren geht (oder eingefügt wird), dh idealerweise kein Leck, dh perfekte Isolierung. Dies lässt sich in der Praxis recht gut bewerkstelligen.

Ein guter Draht für ein Spannungssignal muss sicherstellen, dass keine Spannung verloren geht, dh idealerweise kein Spannungsabfall, perfekter Leitwert entlang des Drahtes. Wenn Sie keinen Supraleiter verwenden, ist dies in der Praxis fast unmöglich zu bewerkstelligen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Auf jeden Fall sollte der Widerstand des Empfängers deutlich über 0 und deutlich unter unendlich liegen.
Es ist einfach, den Isolationswiderstand praktisch unendlich zu machen.
Es ist praktisch unmöglich, den Serienwiderstand 0 zu haben.

Wenn das Signal also über eine gewisse Entfernung entlang eines Kabels gesendet werden muss, ist es besser, ein Stromsignal als ein Spannungssignal zu verwenden.

Sie sagen, der einzige Grund für die Verwendung einer Stromschleife besteht darin, dass bei Verwendung von Spannung der Spannungsabfall bei langen Kabeln ein Problem darstellt. Wie sieht es mit EMI oder Gleichtaktrauschen aus? Ist eines dem anderen überlegen, wenn dasselbe verdrillte abgeschirmte Paar verwendet wird?
Wenn EMI eine Spannung induzieren kann, wird sie durch die Impedanz des Empfängers in einen Strom umgewandelt und beeinflusst das Stromsignal genauso, wie es ein Spannungssignal beeinflussen würde. Alles, was zählt, ist die Kraft, die nötig ist, um etwas zu bewirken.
Können Sie erklären, was Sie sagen, indem Sie eine Spannungsquelle und eine Stromquelle und einige Widerstände für zwei Systeme verwenden? schwer, mir die Sätze vorzustellen.
Ich denke, das Zeichnen beider Fälle (Strom- / Spannungsquelle) hilft nicht viel, da es keine Rolle spielt, ob die Signalquelle eine Strom- oder Spannungsquelle (Thevenin-Quelle oder eine Norton-Quelle) ist, da beide äquivalent sind. Entscheidend ist jedoch, ob das Signal als Strom oder Spannung kodiert wird, wenn die Leitung nicht 0 Widerstand hat.
Ist das eine Spannungsquelle? Was sind das für unendliche Widerstände? Warum zu implizit?
Egal: Es handelt sich entweder um eine Spannungsquelle mit Vorwiderstand (Thevenin-Quelle) oder um eine Stromquelle mit Parallelwiderstand (Norton-Quelle). Beide sind gleichwertig.
Der unendliche Widerstand sollte anzeigen, dass es einfach ist, einen Draht mit nahezu perfekter Isolierung herzustellen. Eine nicht perfekte Isolierung würde die Qualität eines Stromsignals beeinträchtigen. Der Leitungswiderstand >0 beeinflusst ein Stromsignal nicht.
Bitte sehen Sie sich meine Bearbeitung an
„deutlich über 0 und deutlich unter unendlich“ Bedeutet „deutlich über, deutlich unter“ nicht, dass sich der Wert streng an den verfügbaren Messgeräten orientiert? D. h., ist es für mich einfacher, den Unterschied zwischen beispielsweise 1 und 2 Ohm oder zwischen 10 Megaohm und [einem größeren Wert] zu messen?
Ich bin mir nicht sicher, ob ich deine Frage verstehe. Auch wenn das Messgerät (=Signalquelle) gegeben ist, kann man die Impedanz auf der Empfängerseite wählen. Wenn es beispielsweise eine 4-20-mA-Quelle gibt, würde ich auf der Empfängerseite einen Widerstand im Bereich von 100 Ω und nicht 1 Ω wählen.

Der Strom ist insofern großartig, als er an allen Teilen eines Leiters gleich ist. Dh wenn Sie von einer Seite 15 mA einspeisen, sieht die andere Seite 15 mA, auch wenn sie 200 m entfernt ist. Dies ist sehr gut zu spüren und macht die Datenübertragung zuverlässig.

Dasselbe gilt nicht für die Spannung. Wenn Ihr Leiter eine hohe Impedanz hat und elektrische Interferenzen aufweist, verschlechtert sich Ihr Eingangsspannungssignal und eine gültige Spannung erreicht möglicherweise nicht die andere Seite.

Die Störfestigkeit ergibt sich aus der Tatsache, dass Stromschleifen ein niederohmiges System sind. Sehen Sie hier, warum dies wichtig ist: Warum sind Schaltungen mit hoher Impedanz empfindlicher gegenüber Rauschen?

Wird es besser immun gegen alle Arten von EMI oder Gleichtaktstörungen sein als ein Spannungssignal?
@ cm64 siehe meine Bearbeitung
Der Leckstrom durch die Isolierung des Leiters sollte so klein sein, dass er vernachlässigbar ist.
Ich habe JimmyBs Erklärungskommentar unter dieser Frage nicht erhalten. Ich glaube, er sagt etwas sehr Wahres, aber ich habe es nicht verstanden. Können Sie das näher erläutern?
@ cm64 Sie können es sich so vorstellen: Wenn die Impedanz hoch ist, ist der Strom Ihres Signals niedrig. Das Verhältnis Ihres Signalstroms zu Ihrem Rauschstrom definiert Ihre Signalintegrität. Bei niedrigem Strom bedeutet dies eine niedrige Signalintegrität.
Ich verstehe immer noch nicht, wie die Stromschleife weniger immun gegen Rauschen ist
Immuner. Ich weiß nicht, wie ich es anders erklären könnte. Schauen Sie sich vielleicht die Antwort von Quark an, die sie in Bezug auf die Macht erklärt.
@Makato Konstantstromquellen sind hochohmig. Dies macht die Schleife immun gegen Kabel-R. Der Empfänger hat ein niedriges R, und dies hilft bei kapazitiv gekoppeltem Rauschen
@HenryCrun Kannst du mit einem Schaltplan erklären, was du sagst?
0-10-V-Analogschleifen sind normalerweise auch ziemlich niederohmig. Bei den meisten industriellen Anwendungen zieht eine 0-10-V-Schleife etwa so viel Strom wie eine 4-20-mA-Schleife. Spannungsabfall ist der Hauptgrund für 4-20.
@J ...: Die meisten industriellen Steuereingänge von 0 - 10 V, die ich gesehen habe (meistens Motorantriebe), haben eine Eingangsimpedanz von etwa 10 k und würden 1 mA bei 10 V ziehen.
@Transistor Sie existieren, ja. Ich habe auch viel um 2k oder sogar niedriger gesehen und, ja, einige bleiben immer noch bei >1M oder so etwas Verrücktem. Die meisten 0-10-V-Quellengeräte, die ich sehe, können oft bis zu 20-30 mA liefern, um Empfänger aufzunehmen, die eine große Auslosung wünschen.

Die Stromsignalisierung hat in verschiedenen Situationen unterschiedliche Vorteile, daher gibt es mehrere unterschiedliche Antworten.

Bei niederfrequenter Signalisierung.

Eine Konstantstromquelle (Sender) hat eine sehr hohe Impedanz (und eine CV-Quelle hat eine sehr niedrige Impedanz). Wenn Sie also einen ziemlich hohen Serienwiderstand eingeben, hat dies keine Wirkung: Die CC-Quelle ist bereits super hoch. Welchen Effekt haben ein paar hundert/tausend zusätzliche Ohm? Wenn Sie Rauschen in das Kabel (C1,2) einkoppeln, bedeutet die hohe Quelle R, dass beide Drähte zusammen auf und ab gehen - es handelt sich um Gleichtaktrauschen und hat keinen Einfluss auf den Strom. Währenddessen hat das Empfangsende ein niedriges R. Dies dämpft jedes kapazitiv gekoppelte Rauschen und ist robust.

Ein Spannungssystem ist das Gegenteil. Die Quelle sollte eine sehr niedrige Impedanz haben. Die Serie R wird eine Rolle spielen. Der Empfänger muss eine sehr hohe Eingangsimpedanz haben oder Sie erhalten einen Spannungsteiler. Es nimmt Rauschen kapazitiv auf und ist anfällig für Beschädigungen. Kapazitiv injiziertes Rauschen fließt durch RSource, und Sie erhalten Differenzspannungen am Empfänger.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Bei hochfrequenter Signalisierung (z. B. Video)

Die Stromschleife hat grundsätzlich konstante Spannung auf beiden Seiten des Kabels. Daher lässt die Kapazität über das Kabel keinen Strom durch und hat keine Auswirkung. Das Signal ist immun gegen Kabel C und ist immun gegen zusätzliches C, das zum Schutz vor Rauschen und EMI hinzugefügt wird. Es wird viel weniger Energie verbraucht, da C nicht angetrieben werden muss.

Dies ist viel einfacher zu befolgen. Aber sollte Rsource in der Stromschleife nicht parallel zur Stromquelle sein? qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-3fdb4e6f9d02023a7235d50600f91031
Ich versuche zu verstehen, wie Gleichtaktrauschen in der Stromschleifenkonfiguration fast eliminiert wird. Konzentrieren Sie sich im Wesentlichen auf Ihr erstes Diagramm. Ich wollte nur sicher sein, ob Rsource zuerst richtig ist.
Außerdem verstößt eine impedanzüberbrückte Konfiguration, wie Sie sie für die Spannungssignalisierung beschreiben, wahrscheinlich gegen das, was in einer anderen Antwort über die Verwendung von POWER gesagt wurde, um ein gutes SNR zu erhalten.
Es ist nur eine Idee: Rsource ist eine Eigenschaft von I1 selbst. Es ist das, was Sie berechnen, wenn Sie die Kurve von I gegen Rload zeichnen und Rsource aus der Steigung der Linie berechnen. Da I ​​immer genau gleich ist, müssen Sie berechnen, dass die Rsource unendlich ist

Aus meiner Sicht sind dies die beiden Hauptgründe für die Wahl von Stromschleifen in mehreren Fällen:

  • Sie kümmern sich nicht um die Länge / den Widerstand Ihrer Drähte. Sie können ein 3-m-Kabel in ein 50-m-Kabel ändern, indem Sie seinen Widerstand ändern. Das Signal bleibt dasselbe (sofern die Quelle natürlich genügend Spannung / Leistung liefern kann).
  • Sie können Schäden und Ausfälle erkennen. Wenn Sie 0 mA erhalten, ist entweder Ihr Sensor oder Ihr Kabel defekt. Mit Spannungsschleifen ist das nicht so einfach herauszufinden.

Über EMI wird es die meiste Zeit nicht beeinflussen. EMI tritt normalerweise bei (sehr) hohen Frequenzen auf, viel schneller als sich Ihr Signal ändert, sodass Sie es filtern können.

Es scheint auch, dass dies mit den alten pneumatischen Steuersystemen zusammenhängt, bei denen ein Bereich von 3 bis 15 psi verwendet wurde.

Was bei analogen Signalen noch zu beachten ist, ist die Möglichkeit, das HART-Kommunikationsprotokoll zu integrieren. HART (Highway Addressable Remote Transmitter) ist ein digitales Signal, das dem analogen Signal überlagert wird, sodass zusätzliche Informationen über dieselbe Verkabelung gesendet werden können. Die meisten intelligenten Industrieinstrumente arbeiten heutzutage mit HART-Fähigkeit. Die Vorteile sind also weitaus größer als nur Spannungsabfall und EMI.

Warum wird bei langen analogen Übertragungen ein Stromsignal einem Spannungssignal vorgezogen?
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