¿Por qué se prefiere una señal de corriente a una señal de voltaje para una transmisión analógica larga?

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Algunos sensores actúan como fuentes de corriente, y lo he visto varias veces, especialmente para cables muy largos, incluso en exteriores, como veletas. Se utilizan bucles de corriente de 4-20 mA en lugar de un voltaje de 0-10 V, por ejemplo.

¿Cuál puede ser la explicación física de esto? ¿Cómo es actual más ventajoso?

(También me pregunto en términos de interferencia EMI si una señal de bucle de corriente es más inmune y por qué).

Explique este concepto utilizando diagramas de circuitos, fuentes de corriente de voltaje con algunos componentes. Cómo se acopla la interferencia en modo común en ambos casos, etc. y por qué un circuito de corriente es inmune al ruido.

EDITAR:

Después de leer las respuestas, esto es lo que entiendo (haga clic para ver los diagramas de simulación y las parcelas correspondientes):

Aplico la interferencia Vcm de modo común en todos los escenarios.

En la primera figura superior, una fuente de corriente con impedancia de 1 Giga Ohm se transmite a través de un cable desequilibrado / desequilibrado e incluso el receptor es de un solo extremo, la salida es inmune al ruido. (1G Ohm hace que el ruido sea pequeño, cuanto menor sea este Rcur, mayor será el ruido en el receptor)

En la figura del medio, una fuente de voltaje se transmite a través de un cable desequilibrado y el receptor tiene un solo extremo , la salida es muy ruidosa.

En la figura inferior, una fuente de voltaje se transmite a través de un cable balanceado y el receptor tiene un extremo diferencial y se elimina el ruido de modo común.

¿Mi conclusión / simulación es correcta para representar esta pregunta?

voltage

— cm64
fuente

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Principalmente inmunidad al ruido y tolerancia a la caída de voltaje del cable.

— KalleMP

1

@KalleMP "Utilice los comentarios para solicitar más información o sugerir mejoras. Evite responder preguntas en los comentarios". también se aplica a respuestas cortas.

— tubería

2

Otro punto clave es que 4-20mA siempre tiene 4mA para alimentar el sensor. Es un sensor aislado de 2 cables, alimentado por control remoto. Esto le da ventajas de ruido, aparte del aspecto del bucle actual.

— Henry Crun

1

Otra nota es que puede detectar cuando tiene una rotura de cable con una señal de 4-20ma.

— MadHatter

"¿Es correcta mi conclusión / simulación para representar esta pregunta?" Creo que el tercer ejemplo se ve muy bien porque el CMR de su amplificador receptor es (casi) perfecto. Si el CMR no fuera tan bueno (más realista), su producción sería peor que en el primer ejemplo.

— Cuajada

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En realidad, lo que importa para la inmunidad contra el ruido es el poder que se necesita para perturbar la canción.

Es decir, una señal de corriente en una entrada con una impedancia casi nula es tan mala como una señal de voltaje en una entrada con una impedancia casi infinita.

Lo que se necesita es un receptor con una impedancia distinta de cero e infinita para que la señal implique algo de potencia .
Es decir

Si la información está codificada como voltaje, aún debe haber algo de corriente fluyendo hacia el receptor y
Si la información se codifica como corriente, todavía debe haber algo de voltaje en el receptor.

Entonces, ambos casos son similares, pero solo debe decidir si es mejor codificar la señal como voltaje o como corriente (otra alternativa se codificaría como potencia). Para fines de medición, las señales de voltaje o corriente son las más apropiadas.

Un buen cable para una señal de corriente solo necesita asegurarse de que no se pierda (o inserte) corriente, es decir, idealmente sin fugas, es decir, aislamiento perfecto. Esto se puede lograr en la práctica bastante bien.

Un buen cable para una señal de voltaje necesita asegurarse de que no se pierda voltaje, es decir, idealmente no hay caída de voltaje, conductancia perfecta a lo largo del cable. A menos que esté utilizando un superconductor, esto es casi imposible de lograr en la práctica.

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

En cualquier caso, la resistencia del receptor debe estar muy por encima de 0 y muy por debajo del infinito.
Es fácil tener la resistencia de aislamiento prácticamente infinita.
Es prácticamente imposible tener la resistencia de serie 0.

Por lo tanto, si la señal tiene que enviarse a cierta distancia a lo largo de un cable, es mejor usar una señal de corriente que una señal de voltaje.

— Cuajada
fuente

1

Usted dice que la única razón para usar el bucle de corriente es porque si usamos voltaje, la caída de voltaje será un problema cuando se trata de cables largos. ¿Qué tal en términos de EMI o ruido de modo común? ¿Es uno superior al otro si se usa el mismo par blindado retorcido?

— cm64

1

Si EMI puede inducir un voltaje, la impedancia de los receptores lo convertirá en corriente y afectará la señal de corriente tal como afectaría a un voltaje individual. Lo único que importa es el poder necesario para marcar la diferencia.

— Cuajada

¿Puedes explicar lo que dices usando una fuente de voltaje y una fuente de corriente y algunas resistencias para dos sistemas? Es difícil imaginar las oraciones para mí.

— cm64

Creo que dibujar ambos casos (fuente de corriente / voltaje) no ayuda mucho porque no importa si la fuente de señal es una fuente de corriente o voltaje (fuente de Thevenin o una fuente de Norton) porque ambos son equivalentes. Sin embargo, lo que importa es si la señal está codificada como corriente o voltaje si el cable no tiene resistencia 0.

— Cuajada

¿Es eso una fuente de voltaje? ¿Cuáles son esas resistencias infinitas? ¿Por qué demasiado implícito?

— cm64

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La corriente es excelente porque es igual en todas las partes de un conductor. Es decir, si está presionando 15 mA desde un lado, el otro lado está viendo 15 mA incluso si está a 200 m de distancia. Esto es muy fácil de detectar y hace que la transmisión de datos sea confiable.

Lo mismo no es cierto para el voltaje. Si su conductor tiene una alta impedancia y tiene interferencia eléctrica, su señal de voltaje de entrada se degradará y es posible que un voltaje válido no llegue al otro lado.

La inmunidad al ruido proviene del hecho de que los circuitos de corriente son un sistema de baja impedancia. Vea aquí por qué esto es importante: ¿por qué los circuitos de alta impedancia son más sensibles al ruido?

— Makoto
fuente

¿Será más inmune a todo tipo de interferencia EMI o de modo común mejor que la señal de voltaje?

— cm64

@ cm64 ver mi edición

— Makoto

La corriente de fuga a través del aislamiento del conductor debe ser tan pequeña que no se pueda descuidar.

— Uwe

1

Todavía no entiendo cómo el circuito de corriente es menos inmune al ruido

— cm64

2

Las fuentes de corriente constante @Makato son de alta impedancia. Esto es lo que hace que el bucle sea inmune al cable R. El receptor tiene una R baja y esto ayuda al ruido acoplado capacitivamente

— Henry Crun

7

La señalización actual tiene diferentes ventajas en diferentes situaciones, por lo que hay varias respuestas diferentes.

En el caso de señalización de baja frecuencia.

Una fuente de corriente constante (emisor) tiene una impedancia muy alta (y una CV tiene una impedancia muy baja). Entonces, cuando pones una resistencia en serie bastante alta, no tiene efecto: la fuente CC ya es súper alta, ¿qué efecto producirán unos cientos / mil ohmios adicionales? Del mismo modo, cuando conecta el ruido al cable (C1,2), la fuente alta R significa que ambos cables suben y bajan juntos: es un ruido de modo común y no tiene ningún efecto sobre la corriente. Mientras tanto, el extremo de recepción tiene una R. baja Esto amortigua cualquier ruido acoplado capacitivamente y es robusto.

Un sistema de voltaje es lo opuesto. La fuente debe tener una impedancia muy baja. La serie R va a importar. El rx debe tener una impedancia de entrada muy alta o se obtiene un divisor de voltaje. Recogerá capacitivamente el ruido y será propenso a sufrir daños. El ruido inyectado capacitivamente fluye a través de RSource y obtiene voltajes diferenciales en el receptor.

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

En el caso de señalización de alta frecuencia (p. Ej. Video)

El circuito de corriente tiene básicamente un voltaje constante en ambos lados del cable. Por lo tanto, la capacitancia a través del cable no pasa ninguna corriente y no tiene ningún efecto. La señal es inmune al cable C, y es inmune al C adicional agregado para protegerlo del ruido y la emi. Se usa mucha menos potencia ya que C no tiene que ser conducido.

— Henry Crun
fuente

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Esto es mucho más fácil de seguir. Pero, ¿no debería Rsource en el bucle actual estar en paralelo con la fuente actual? qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-3fdb4e6f9d02023a7235d50600f91031

— cm64

Estoy tratando de entender cómo el ruido en modo común casi se elimina en la configuración de bucle actual. Básicamente enfocándote en tu primer diagrama. Solo quería estar seguro de si Rsource es correcto primero.

— cm64

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Además, una configuración con puente de impedancia como la que describe para la señalización de voltaje ... probablemente cae en conflicto con lo que se dijo en otra respuesta sobre el uso de POWER para obtener una buena SNR.

— rackandboneman

Es solo una idea: Rsource es una propiedad de I1. Es lo que calcula si traza la curva de I vs Rload, y calcula Rsource a partir de la pendiente de la línea. Como siempre soy exactamente el mismo, te queda calcular que Rsource es infinito

— Henry Crun

3

En lo que a mí respecta, estas son las dos razones principales para elegir los bucles actuales en varios casos:

No le importa la longitud / resistencia de sus cables. Puede cambiar un cable de 3 m por uno de 50 m, cambiando su resistencia, la señal será la misma (siempre y cuando la fuente pueda entregar suficiente voltaje / potencia, por supuesto).
Puede detectar daños y fallas. Si obtiene 0 mA, su sensor o su cable está roto. Con los bucles de voltaje no es tan fácil de entender.

Sobre EMI, no afectará la mayoría de las veces. EMI generalmente viene en (muy) altas frecuencias, mucho más rápido que los cambios de señal, para que pueda filtrarlo.

Además, parece que esto está relacionado con los viejos sistemas de control neumático, donde se usaba un rango de 3-15 psi.

— mclopez
fuente

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Algo más para recordar con respecto a las señales analógicas es la capacidad de integrar el protocolo de comunicación HART. El HART (Transmisor remoto direccionable de autopista) es una señal digital que se superpone sobre la señal analógica, lo que permite enviar información adicional a través del mismo cableado. La mayoría de los instrumentos industriales inteligentes actualmente funcionan con la capacidad HART. Por lo tanto, los beneficios son mucho mayores que la simple caída de voltaje y EMI.

— Byron McNeil
fuente