Dispositivos de alta impedancia de entrada - sensibles al ruido inducido

Esto es lo que dice el artículo: -

Mediante el uso de señales de corriente y dispositivos de adquisición de datos de baja impedancia, las aplicaciones industriales se benefician de una mejor inmunidad al ruido y longitudes de cable de transmisión más largas.

El artículo también dice, en relación a los dispositivos que producen señales de voltaje, que: -

Estos dispositivos son sensibles al ruido inducido por motores cercanos, cintas transportadoras y transmisiones de radio.

Básicamente es cierto, pero hay algunas advertencias. Considere el ruido inducido por los motores y, para esto, creo que los motores de inducción son probablemente los culpables. Producen campos magnéticos que pueden inducir una tensión parásita en un cable sea cual sea el tipo de señalización.

Cuando se utiliza la señalización de voltaje, el voltaje de interferencia es aditivo a la señal al igual que las baterías en serie son aditivas. Esto agrega un error.

Cuando se usa la señalización de corriente Y, siempre que el voltaje inducido no sea de varios voltios, la corriente que fluye en el cable (debido a la señal) sigue siendo exactamente esa corriente y no se ve interferencia de voltaje en el extremo receptor; esto se debe a la alta. Cumplimiento de la fuente de corriente 4-20mA: -

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Es de esperar que pueda ver que para una fuente de corriente de alto cumplimiento, los voltajes de interferencia que surgen en serie con el bucle de corriente tienen poco efecto.

¿Dónde empieza esto a salir mal?: -

1. Si la interferencia es lo suficientemente grande como para causar que el transmisor de bucle de corriente caiga fuera del sumidero o fuente de corriente de alto cumplimiento
2. Cuando la frecuencia es alta y la fuente/sumidero actual no puede proporcionar un alto cumplimiento.

(1) La fuente de corriente compatible puede necesitar algunos voltios para mantener el rendimiento y, si el voltaje en serie hace que el voltaje mínimo caiga por debajo de este punto, se introducirán fallas en la señal.

(2) A altas frecuencias, el cumplimiento cambiará de una resistencia teóricamente infinita a más como un capacitor de valor pequeño (debido a los transistores y chips en el dispositivo). Esto permitirá que las interferencias de alta frecuencia hagan circular una corriente a través del receptor de 100 ohmios (R1).

Si se utiliza señalización de baja frecuencia (con un filtrado de paso bajo adecuado en el extremo receptor), la interferencia de alta frecuencia se puede evitar en gran medida y se recomienda utilizar un cable de par trenzado blindado/apantallado.

La interferencia del campo E de alta energía (a diferencia de la interferencia magnética) tiende a verse como un voltaje en paralelo con los dos cables y esto también incide directamente en R1, por lo que se necesita protección y filtrado.

Me gusta dar respuestas simplistas primero. Luego, si se necesitan más detalles técnicos o más, pueden venir más tarde. - - - Imagine que una poderosa fuente externa de energía (magnética, electromagnética, transmisor de radio cercano, lo que sea) tuviera la capacidad de inducir una corriente de 100uA (microamperios) en sus cables de señal. Si tiene una impedancia de entrada alta, digamos 100 K ohmios, el voltaje inducido (ruido) sería de 10 voltios (ley de ohmios). - - - Si tuviera una baja impedancia de entrada (250 ohmios comunes en un sistema de 4-20 mA), los 100 uA generarían 0,025 voltios (ruido de 25 mV) impresos en su señal.

Además, 100uA es solo el 2,5% de su señal más baja de 4mA en un sistema de 4-20mA.

La explicación que te han dado no es muy precisa. Imagine un instrumento típico de salida de voltaje (digamos 1-5V). La impedancia de salida de la fuente puede estar muy por debajo de un ohm, mientras que el receptor puede tener una impedancia de entrada de 1 M ohm. Entonces, los dos en paralelo tienen una impedancia muy baja, pero la resistencia del cable importa poco porque es alta en relación con 1M.

Ahora, echemos un vistazo a su ciclo actual. La fuente, al ser una fuente de corriente, tiene una impedancia muy alta , muy por encima de 1M para un instrumento de precisión. El receptor puede tener 250 ohmios para dar un voltaje de 1-5V. Entonces, los dos en paralelo son 250 ohmios, que es mucho más alto que <1 ohmio. La resistencia del cable no importa mucho hasta que se agote el voltaje de cumplimiento en su fuente actual.

Entonces, ¿qué da?

El circuito de voltaje tiene una impedancia (muy) baja en el transmisor y una impedancia alta en el receptor. El bucle de corriente tiene una impedancia (muy) alta en el transmisor y una impedancia bastante baja en el receptor. En el medio hay una gran cantidad de cables que pueden tener señales de modo común o de modo normal inducidas. Si no hay problemas de bucle de tierra (ambos lados perfectamente aislados), el ruido de modo común en el cable se ignora en ambos casos. El bucle de corriente ignorará el ruido del modo normal, pero el dispositivo de voltaje lo transmitirá directamente. Los pares trenzados tendrán muy poco ruido de modo normal, pero no cero.

El ruido de modo normal es como dos fuentes de voltaje en serie con cada cable (que se suman). El ruido de modo común es el mismo, pero las fuentes de voltaje se cancelan entre sí.

Una razón moderna para usar bucles de corriente de 4 ~ 20 mA es que el transmisor a veces puede alimentarse desde 4 mA (con un poco de sobra) para que solo se requieran dos cables (sin fuente de alimentación adicional). Eso también facilita que el transmisor sea "intrínsecamente seguro" al limitar la energía para que no pueda causar una condición insegura en una atmósfera peligrosa.

La capacitancia de los cables forma un filtro de paso bajo con la alta impedancia de entrada. Cuanto mayor sea la impedancia, mayor será el límite superior de las frecuencias de paso, lo que permite más ruido.