Токовая петля это условное выражение для замкнутой электрической цепи, где контролируется в первую очередь не напряжение, а именно ток, отсюда и наименование связанное с током. Такая необходимость по контролю именно тока может понадобиться в тех случаях, когда напряжение малопредсказуемо и малоуправляем в своем "поведении", то есть зависит от таких факторов как помехи и наводки от электромагнитных волн. Так электромагнитная волна вполне может индуцировать в ней ток, при этом этот ток будет небольшим, так как сопротивление большое, а вот напряжение из известного нам закона Ома U = I * R будет как раз высоким. Если скажем на входе несколько ГОм, то наводка тока даже в 0.001мА может создать напряжение до нескольких киловольт.
Само собой решить эту проблему можно только снижением этого самого сопротивления, тогда и напряжение просто будет "уходить в землю". Тут как раз и реализуется принцип токовой петли, когда начинаем уже контролировать в цепи не напряжение, а ток. В итоге уровень сигнала берется не по напряжению, а по току. Навести помеху тут будет сложней, ведь два провода линии идут параллельно, а значит помеха будет наводиться в них одновременно и гасить сама себя, вычитаясь на дифференциальном входе приемника.
Питать линию будем током ограниченным лишь мощностью источника тока.
Токовой петля для цифровой линии (логика 0 и 1) (RS232)
Обычно по токовой петле развязывают RS232 и им подобные интерфейсы с независимыми каналами на прием/передачу. Плюсом токовой петли является то, что она легко развязывается оптикой, ведь светодиод, являющийся основным передатчиком оптопары, питается током.
Схема может выглядеть следующим образом:
Когда подаем единичку на вход, то она зажигает светодиод, транзистор оптопары открывается и пускает ток в петлю (цепь). Это ток зажигает светодиод во второй оптопаре, с другого конца, транзистор открывается и цепь замыкается. Линия при этом получается инвертирующейся, то есть на входе "+", а на выходе "-" управления. Решается это применением транзистора PNP открывающегося на управляющий минус, а нагрузку ставим ниже эмиттера.
Что на счет прикладных элементов, то можно выбрать оптопару SFH610A. Здесь главное, чтобы предельное напряжение, которое может выдержать транзистор, было выше чем может выдать источник тока, ведь он будет пытаться пробить транзистор при минимальном токе, но своем возможном максимальном напряжении. Для данной оптопары это Vceo = 70V. Обычно же напряжение источника редко превышает 24 вольта. А также следует поглядеть на ток коллектора оптопары, чтобы он был меньше возможного тока от источника. Для данной оптопары он составляет 50мА.
Если еще взять источник питания линии внешний, то схема получается вообще неубиваемой. Т.к. приемник, передатчик и линия не связаны между собой вообще.
В качестве источника тока я обычно втыкаю тут NSI45020. Вообще это линейный драйвер светодиодов. Фиговина размером с резистор 1206, на выходе имеет строго заданный ток — 20мА.
Можно вкатывать напряжение питания вплоть до 45 вольт, можно параллелить, чтобы ток был поболее. При цене в 5 рублей штука — очень клевая вещь. Рекомендую держать в хозяйстве.
А для консерваторов — LM317 в режиме стабилизатора тока еще никто не отменял. Правда гораздо более громоздко выходит и стоит обычно дороже. Зато достается без проблем в любом радио ларьке.
Недостаток оптической развязки — ограничение скорости. У оптопары, особенно ширпотребной, весьма посредственные частотные характеристики. Но для какого-нибудь UART хватит. Также на скорость влияет тот факт, что длинная линия обладает большой емкостью, а зарядка ее происходит источником тока, т.е. чем дальше, тем больше емкость линии и медленней передача.
Токовая петля для аналоговой линии
А если надо вытащить данные с какого-нибудь удаленного аналогового датчика? Тут тоже на помощь придет токовая петля, правда конструкция будет несколько сложней.
Нам нужно будет сделать источник, превращающий напряжение в ток. С линейной зависимостью, скажем вкатили мы на вход 5 вольт, а наша схема вдула в линию 50мА. Делается это на операционном усилителе. Примерно вот по такой схеме:
Работает она просто. Т.к. ОУ, охваченный обратной связью, стремиться уравнять свои входы, т.е. напряжение между прямым и инверсным входом равно нулю, то можно считать, что Uin засажен напрямую на R0. И ток через R0 получается равным Uin/R0. Ведь сопротивление входов ОУ ОЧЕНЬ большое, настолько большое, что мы можем смело считать, что ток туда не втекает. А так как R0 часть петли, то ток в петле будет равен току R0, вне зависимости от сопротивления линии и сопротивления нагрузки, разумеется если источник питания может продавить эти сопротивления, а транзистор не выходит в насыщение, оставаясь в линейном режиме. В качестве источника питания тут можно взять независимый стабилизированный источник, вольт так на 12.
На другой стороне петли достаточно снять падение напряжения на резисторе нагрузки Rн.
Есть более громоздкий, но и гораздо более точный способ:
Тут мы заводим специальный измерительный резистор Rs и на нем операционном усилителе замеряем падение, а потом результат загоняем во второй усилитель. Т.к. конструкция из OP1 является для OP2 обратной связью, а он выводит разность на своих входах в ноль, то получаем, что:
Uin = R2/R1*Is*Rs
При
R2 = 10k
R1 = 1k
Rs = 10
Получаем зависимость Is = Uin/100 с хорошей такой линейностью, особенно если взять прецезионные усилители с Rail-2-Rali выходом.
Если нужна максимальная точность, то лучше применить готовую микросхему. Существует и масса специализированных формирователей токовой петли. Например MAX15500.
Гальваническую развязку аналоговой токовой петли можно сделать на изолирующих усилителях. Вроде ISO124
Коэффициент усиления у него 1. Т.е. 1 вольт вошел — 1 вышел. Никаких заморочек с обратной связью и прочим. Два независимых входа питания, с одной и с другой стороны. Один недостаток — стоит она недешево. Та же ISO 124 от 15 баксов за штуку.
Также прикольное свойство токовой петли в том, что можно питать удаленное устройство через эту же петлю. Т.к. источник тока компенсирует потребление. Разумеется в разумных пределах, но для каких-нибудь датчиков удаленных вполне неплохой вариант.
Стандарты для датчиков работающих с токовой петлей
Единого стандарта на токовую петлю, величины токов и разъемы, как например с RS232, нет. Но в промышленности более менее устоялся стандарт аналоговой токовой петли 4…20 мА, т.е. минимальный уровень это 4 мА, а максимальный 20 мА. Нулевой ток считается обрывом линии. Для цифровой петли чаще применяют диапазон 0…20 мА. Также иногда встречается вариант 0…60 мА, но это экзотика.