Warum wird für lange analoge Übertragungen ein Stromsignal einem Spannungssignal vorgezogen?

Einige Sensoren wirken wie Stromquellen, und ich habe es mehrmals gesehen, insbesondere bei sehr langen Drähten, auch im Freien wie Windfahnen. Beispielsweise werden 4-20 mA Stromschleifen anstelle von 0-10 V Spannung verwendet.

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

(Ich frage mich auch im Hinblick auf EMI-Störungen, ob ein Stromschleifensignal immuner ist und warum.)

Bitte erläutern Sie dieses Konzept anhand von Schaltplänen, Spannungsstromquellen mit einigen Bauteilen. Wie Gleichtaktstörungen in beiden Fällen usw. gekoppelt sind und warum eine Stromschleife unempfindlich gegen Rauschen ist.

BEARBEITEN:

Nachdem ich die Antworten gelesen habe, ist hier, was ich verstehe (klicken Sie, um die Simulationsdiagramme und die entsprechenden Diagramme zu sehen):

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

In der ersten oberen Figur ist eine Stromquelle mit 1Giga Ohm Impedanz über ein übertragene unsymmetrischen / inbalanced Kabel und auch der Empfänger Eintakt des Ausgang immun gegen Rauschen ist. (1G Ohm macht das Rauschen klein, je geringer diese Rcur, desto stärker das Rauschen am Empfänger)

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

In der unteren Abbildung wird eine Spannungsquelle über ein symmetrisches Kabel übertragen und der Empfänger ist differentiell abgeschlossen , und Gleichtaktstörungen werden eliminiert.

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

Tatsächlich ist für die Störfestigkeit die Kraft entscheidend , die benötigt wird, um den Gesang zu stören.

Das heißt, ein Stromsignal an einem Eingang mit einer Impedanz von nahezu Null ist genauso schlecht wie ein Spannungssignal an einem Eingang mit einer Impedanz von nahezu unendlich.

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

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

Also beide Fälle sind ähnlich, aber Sie müssen nur entscheiden , ob sie besser ist , ist Code das Signal als Spannung oder als Strom ( eine andere Alternative als Energie codiert werden würde). Für Messzwecke sind Spannungs- oder Stromsignale am besten geeignet.

Eine gute Leitung für ein Stromsignal muss nur sicherstellen, dass kein Strom verloren geht (oder eingefügt wird), dh im Idealfall keine Leckage, dh eine perfekte Isolation. Dies kann in der Praxis recht gut erreicht werden.

Eine gute Leitung für ein Spannungssignal muss sicherstellen, dass keine Spannung verloren geht, dh im Idealfall kein Spannungsabfall, perfekte Leitfähigkeit entlang der Leitung. In der Praxis ist dies fast unmöglich, es sei denn, Sie verwenden einen Supraleiter.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

In jedem Fall sollte der Empfängerwiderstand deutlich über 0 und deutlich unter unendlich liegen.
Es ist einfach, den Isolationswiderstand praktisch unendlich zu haben.
Es ist praktisch unmöglich, den Serienwiderstand 0 zu haben.

Daher ist es besser, ein Stromsignal als ein Spannungssignal zu verwenden, wenn das Signal in einiger Entfernung entlang einer Leitung gesendet werden muss.

Die Strömung ist insofern groß, als sie in allen Teilen eines Leiters gleich ist. Das heißt, wenn Sie 15 mA von einer Seite einschieben, werden auf der anderen Seite 15 mA angezeigt, auch wenn diese 200 m entfernt ist. Dies ist sehr einfach zu erkennen und macht die Datenübertragung zuverlässig.

Gleiches gilt nicht für die Spannung. Wenn Ihr Leiter eine hohe Impedanz und elektrische Störungen aufweist, verschlechtert sich das 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 hochohmige Schaltkreise empfindlicher gegen Rauschen?

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 eine sehr niedrige Impedanz). Wenn Sie also einen relativ hohen Serienwiderstand einstellen, hat dies keine Auswirkung: Die CC-Quelle ist bereits sehr hoch. Welche Auswirkung werden einige hunderttausend zusätzliche Ohm haben? 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 einen niedrigen R-Wert. Dies dämpft kapazitiv gekoppeltes 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 Empfang muss eine sehr hohe Eingangsimpedanz haben, sonst erhalten Sie einen Spannungsteiler. Es nimmt kapazitiv Geräusche auf und ist anfällig für Beschädigungen. Kapazitiv eingespeistes Rauschen fließt durch RSource und Sie erhalten Differenzspannungen am Empfänger.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Bei hochfrequenten Signalen (zB Video)

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

Aus meiner Sicht sind dies in mehreren Fällen die beiden Hauptgründe für die Auswahl aktueller Schleifen:

• Sie interessieren sich nicht für die Länge / den Widerstand Ihrer Drähte. Sie können eine 3-m-Leitung durch eine 50-m-Leitung ersetzen, wobei der Widerstand geändert wird. Das Signal ist dasselbe (sofern die Quelle natürlich genügend Spannung / Leistung liefern kann).
• Sie können Schäden und Ausfälle erkennen. Wenn Sie 0mA erhalten, ist entweder Ihr Sensor oder Ihr Kabel gebrochen. Mit Spannungsschleifen ist das nicht so einfach herauszufinden.

Über EMI wird es die meiste Zeit nicht betreffen. 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 der 3-15psi-Bereich verwendet wurde.

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