긴 아날로그 전송을 위해 전류 신호가 전압 신호보다 선호되는 이유는 무엇입니까?

일부 센서는 전류 소스처럼 작동하며 특히 바람개비와 같은 실외에서도 매우 긴 전선에 사용됩니다. 예를 들어 0-10 V 전압 대신 4-20 mA 전류 루프가 사용됩니다.

이에 대한 물리적 설명은 무엇입니까? 전류가 어떻게 더 유리합니까?

(또한 전류 루프 신호가 더 면역성이 있는지, 왜 그런지 EMI 간섭 측면에서 궁금합니다.)

회로도, 일부 구성 요소가있는 전압 전류 소스를 사용하여이 개념을 설명하십시오. 두 경우 모두에서 공통 모드 간섭이 결합되는 방식과 전류 루프가 노이즈에 영향을받지 않는 이유.

편집하다:

답을 읽은 후 여기에 내가 이해하는 것이 있습니다 (시뮬레이션 다이어그램과 해당 플롯을 보려면 클릭하십시오).

모든 시나리오에서 공통 모드 Vcm 간섭을 적용합니다.

첫 번째 상단 그림에서 1Giga Ohm 임피던스의 전류 소스는 언밸런스 / 밸런스드 케이블을 통해 전송되며 수신기에서도 싱글 엔드 출력은 노이즈에 영향을받지 않습니다. (1G 옴은 잡음을 작게 만들며,이 Rcur가 작을수록 수신기에서 더 많은 잡음을 발생시킵니다)

가운데 그림에서 전압 소스는 불평형 케이블을 통해 전송 되고 수신기는 단일 종단 이며 출력은 노이즈가 심합니다.

아래 그림에서 전압원은 평형 케이블을 통해 전송 되고 수신기는 차동 종단 되며 공통 모드 노이즈가 제거됩니다.

이 질문을 나타내는 내 결론 / 시뮬레이션이 정확합니까?

실제로 소음에 대한 면역에 중요한 것은 단수를 방해하는 데 필요한 힘 입니다.

즉, 거의 제로 임피던스를 갖는 입력에서의 전류 신호는 거의 무한한 임피던스를 갖는 입력에서의 전압 신호만큼 나쁘다.

신호가 약간의 전력을 수반하기 위해 무한대의 임피던스뿐만 아니라 0이 아닌 수신기가 필요하다 .
즉

• 정보가 전압으로 코딩 된 경우에도 수신기에 약간의 전류가 흐르고
• 정보가 전류로 코딩 된 경우에도 수신기 전체에 약간의 전압이 있어야합니다.

따라서 두 경우 모두 비슷하지만 신호를 전압 또는 전류로 코딩 하는 것이 더 좋은지 여부를 결정하기 만하면 됩니다 (다른 대안은 전력으로 코딩됩니다). 측정 목적으로 전압 또는 전류 신호가 가장 적합합니다.

전류 신호에 적합한 와이어는 전류 손실 (또는 삽입)이 없어야합니다. 즉 누설이 없어야합니다. 즉 완벽한 절연입니다. 이것은 실제로 아주 잘 수행 할 수 있습니다.

전압 신호에 적합한 와이어는 전압 손실이 없는지, 즉 전압 강하가없고 와이어를 따라 완벽한 컨덕턴스가 발생하지 않도록해야합니다. 초전도체를 사용하지 않으면 실제로는 거의 불가능합니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

어쨌든 수신기 저항은 0보다 높고 무한대보다 훨씬 낮아야합니다.
절연 저항을 실제로 무한대로 유지하는 것은 쉽습니다.
직렬 저항 0을 갖는 것은 실제로 불가능합니다.

따라서 신호가 전선을 따라 일정 거리 아래로 전송되어야하는 경우 전압 신호보다 전류 신호를 사용하는 것이 좋습니다.

전류는 도체의 모든 부분에서 동일하다는 점에서 우수합니다. 즉, 한쪽에서 15mA를 밀어 넣으면 200m 떨어져 있어도 다른 쪽에서 15mA가 표시됩니다. 이것은 감지하기 쉽고 데이터 전송을 안정적으로 만듭니다.

전압에 대해서도 마찬가지입니다. 도체의 임피던스가 높고 전기적 간섭이있는 경우 입력 전압 신호가 저하되고 유효한 전압이 반대쪽에 도달하지 않을 수 있습니다.

노이즈 내성은 전류 루프가 낮은 임피던스 시스템이라는 사실에서 비롯됩니다. 중요한 이유는 다음과 같습니다. 왜 고 임피던스 회로가 노이즈에 더 민감한가요?

현재 신호는 상황에 따라 다른 장점이 있으므로 몇 가지 다른 대답이 있습니다.

저주파 신호의 경우.

정전류 소스 (발신자)는 임피던스가 매우 높습니다 (CV 소스는 임피던스가 매우 낮습니다). 따라서 매우 높은 직렬 저항을 넣을 때 아무런 영향을 미치지 않습니다. CC 소스가 이미 매우 높으면 몇 백 / 수천 개의 추가 옴이 어떤 영향을 미칩니 까? 마찬가지로 노이즈를 케이블 (C1,2)에 결합 할 때 높은 소스 R은 두 와이어가 모두 위 아래로 함께 올라가는 것을 의미합니다. 이는 공통 모드 노이즈이며 전류에 영향을 미치지 않습니다. 한편 수신단의 R은 낮다. 이는 용량 성 결합 잡음을 감쇠 시키며 강력하다.

전압 시스템은 반대입니다. 소스의 임피던스는 매우 낮아야합니다. 시리즈 R이 중요합니다. rx는 입력 임피던스가 매우 높거나 전압 분배기가 필요합니다. 용량 성 픽업 노이즈가 발생하여 손상되기 쉽습니다. 용량 성 주입 노이즈는 RSource를 통해 흐르며 수신기에서 차동 전압을 얻습니다.

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

고주파 신호 (예 : 비디오)의 경우

전류 루프는 기본적으로 케이블의 양쪽에서 일정한 전압을 갖습니다. 따라서 케이블 전체의 정전 용량은 전류를 통과하지 않으며 아무런 영향을 미치지 않습니다. 이 신호는 케이블 C에 영향을받지 않으며 잡음과 EMI로부터 보호하기 위해 추가 된 C에 영향을받지 않습니다. C를 구동 할 필요가 없기 때문에 훨씬 적은 전력이 사용됩니다.

내가 아는 한, 몇 가지 경우에 전류 루프를 선택하는 두 가지 주요 이유는 다음과 같습니다

• 전선의 길이 / 저항에 대해서는 신경 쓰지 않습니다. 3m 와이어를 50m 와이어로 변경하고 저항을 변경하면 신호는 동일합니다 (소스가 충분한 전압 / 전력을 공급할 수있는 한).
• 손상과 고장을 감지 할 수 있습니다. 0mA가되면 센서 또는 전선이 끊어진 것입니다. 전압 루프를 사용하는 것은 쉽지 않습니다.

EMI에 대해서는 대부분의 시간에 영향을 미치지 않습니다. EMI는 일반적으로 신호 변화보다 훨씬 높은 (매우) 높은 주파수에서 발생하므로 필터링 할 수 있습니다.

또한 이것은 3-15psi 범위가 사용 된 구식 공압 제어 시스템과 관련이있는 것 같습니다.

아날로그 신호와 관련하여 기억해야 할 것은 HART 통신 프로토콜을 통합하는 기능입니다. HART (Highway Addressable Remote Transmitter)는 아날로그 신호 위에 오버레이 된 디지털 신호로 동일한 배선을 통해 추가 정보를 전송할 수 있습니다. 오늘날 대부분의 스마트 산업용 기기는 HART 기능으로 작동합니다. 따라서 전압 강하 및 EMI보다 훨씬 큰 이점이 있습니다.