Perché un segnale di corrente è preferito a un segnale di tensione per una lunga trasmissione analogica?

Alcuni sensori si comportano come fonti attuali, e l'ho visto più volte, soprattutto per fili molto lunghi anche in esterni come le pale del vento. Ad esempio, vengono utilizzati loop di corrente da 4-20 mA invece di 0-10 V di tensione.

Quale può essere la spiegazione fisica per questo? In che modo la corrente è più vantaggiosa?

(Mi chiedo anche in termini di interferenza EMI se un segnale di loop di corrente è più immune e perché.)

Spiegare questo concetto utilizzando gli schemi circuitali, le fonti di corrente in tensione con alcuni componenti. In che modo le interferenze di modo comune sono accoppiate in entrambi i casi, ecc. E perché un loop di corrente è immune al rumore.

MODIFICARE:

Dopo aver letto le risposte, ecco quello che ho capito (clicca per vedere i diagrammi di simulazione e i grafici corrispondenti):

Applico l'interferenza Vcm di modo comune in tutti gli scenari.

Nella prima figura in alto una sorgente di corrente con impedenza di 1 Giga Ohm viene trasmessa tramite un cavo sbilanciato / sbilanciato e anche il ricevitore è a terminazione singola, l'uscita è immune al rumore. (1G Ohm riduce il rumore, minore è questo Rcur maggiore è il rumore sul ricevitore)

Nella figura centrale una sorgente di tensione viene trasmessa tramite un cavo sbilanciato e il ricevitore è single-ended , l'uscita è molto rumorosa.

Nella figura in basso una sorgente di tensione viene trasmessa tramite un cavo bilanciato e il ricevitore ha un'estremità differenziale e il rumore di modo comune viene eliminato.

La mia conclusione / simulazione è corretta per rappresentare questa domanda?

In realtà ciò che conta per l'immunità contro il rumore è il potere necessario per disturbare il singal.

Vale a dire un segnale di corrente su un ingresso con impedenza quasi zero è altrettanto grave di un segnale di tensione su un ingresso con impedenza quasi infinita.

Ciò che serve è un ricevitore con impedenza diversa da zero e non infinita, in modo che il segnale implichi una certa potenza .
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• se le informazioni sono codificate come tensione, dovrebbe esserci ancora della corrente che scorre nel ricevitore e
• se le informazioni sono codificate come correnti, dovrebbe esserci ancora una certa tensione sul ricevitore.

Quindi entrambi i casi sono simili, ma devi solo decidere se è meglio codificare il segnale come tensione o come corrente (un'altra alternativa sarebbe codificata come potenza). Ai fini della misurazione, i segnali di tensione o corrente sono i più appropriati.

Un buon filo per un segnale di corrente deve solo garantire che nessuna corrente venga persa (o inserita), cioè idealmente nessuna perdita, cioè un perfetto isolamento. Questo può essere realizzato in pratica abbastanza bene.

Un buon filo per un segnale di tensione deve garantire che non si perda alcuna tensione, cioè idealmente nessuna caduta di tensione, conduttanza perfetta lungo il filo. A meno che non si stia utilizzando un superconduttore, ciò è quasi impossibile da realizzare in pratica.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

In ogni caso la resistenza del ricevitore dovrebbe essere ben al di sopra di 0 e ben al di sotto dell'infinito.
È facile avere la resistenza di isolamento praticamente infinita.
È praticamente impossibile avere la resistenza in serie 0.

Pertanto, se il segnale deve essere inviato a una certa distanza lungo un filo, è meglio utilizzare un segnale di corrente piuttosto che un segnale di tensione.

La corrente è grande in quanto è uguale in tutte le parti di un conduttore. Vale a dire se stai spingendo in 15 mA da un lato, l'altro lato sta vedendo 15 mA anche se è a 200 m di distanza. Questo è molto facile da rilevare e rende affidabile la trasmissione dei dati.

Lo stesso non vale per la tensione. Se il conduttore ha un'alta impedenza e presenta interferenze elettriche, il segnale della tensione di ingresso si degraderà e una tensione valida potrebbe non raggiungere l'altro lato.

L'immunità al rumore deriva dal fatto che i circuiti di corrente sono un sistema a bassa impedenza. Vedi qui perché questo è importante: perché i circuiti ad alta impedenza sono più sensibili al rumore?

La segnalazione attuale presenta diversi vantaggi in diverse situazioni, quindi esistono diverse risposte.

In caso di segnalazione a bassa frequenza.

Una sorgente di corrente costante (mittente) ha un'impedenza molto elevata (e una CV ha un'impedenza molto bassa). Quindi, quando si inserisce una resistenza in serie abbastanza elevata, non ha alcun effetto: la sorgente CC è già super elevata, quale effetto produrrà qualche centinaio / ohm extra? Allo stesso modo quando si accoppia il rumore nel cavo (C1,2) l'alta sorgente R significa che entrambi i fili vanno su e giù insieme - è un rumore di modo comune e non ha alcun effetto sulla corrente. Nel frattempo l'estremità di ricezione ha un basso R. Questo smorza qualsiasi rumore accoppiato in modo capacitivo ed è robusto.

Un sistema di tensione è l'opposto. La sorgente dovrebbe avere un'impedenza molto bassa. La serie R avrà importanza. L'rx deve avere un'impedenza di ingresso molto elevata o si ottiene un divisore di tensione. Raccoglierà in modo capacitivo il rumore e sarà soggetto a danni. Il rumore iniettato in modo capacitivo fluisce attraverso RSource e si ricevono tensioni differenziali sul ricevitore.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

In caso di segnalazione ad alta frequenza (ad es. Video)

Il circuito di corrente ha una tensione sostanzialmente costante su entrambi i lati del cavo. Pertanto, la capacità attraverso il cavo non passa corrente e non ha alcun effetto. Il segnale è immune al cavo C ed è immune all'aggiunta di C aggiuntiva per proteggere da rumore ed emi. Viene utilizzata molta meno energia in quanto non è necessario guidare C.

Per quanto mi riguarda, questi sono i due motivi principali per scegliere i loop attuali in diversi casi:

• Non ti interessa la lunghezza / resistenza dei tuoi fili. Puoi cambiare un filo da 3m in uno da 50m, cambiando la sua resistenza, il segnale sarà lo stesso (finché la sorgente può fornire abbastanza tensione / potenza, ovviamente).
• È possibile rilevare danni e guasti. Se ottieni 0 mA, il sensore o il filo sono rotti. Con i loop di tensione non è così facile da capire.

A proposito dell'IME, non influirà sulla maggior parte delle volte. L'IME di solito arriva a (molto) alte frequenze, molto più velocemente delle variazioni del segnale, quindi puoi filtrarlo.

Inoltre, sembra che ciò sia correlato ai vecchi sistemi di controllo pneumatico, in cui veniva utilizzato un intervallo di 3-15 psi.

Qualcos'altro da ricordare riguardo ai segnali analogici è la possibilità di integrare il protocollo di comunicazione HART. HART (Highway Addressable Remote Transmitter) è un segnale digitale sovrapposto al segnale analogico che consente l'invio di ulteriori informazioni tramite lo stesso cablaggio. Oggigiorno la maggior parte degli strumenti industriali intelligenti opera con funzionalità HART. Quindi i vantaggi sono molto maggiori della semplice caduta di tensione ed EMI.