ในการประยุกต์ใช้เพื่อทดสอบประสิทธิภาพการป้องกันการรบกวนของแอคทูเอเตอร์ไฟฟ้า สัญญาณอนาล็อก 4-20mA มีประสิทธิภาพเหนือกว่าสัญญาณอนาล็อก 2-10V อย่างเห็นได้ชัด เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น?

การวิเคราะห์สัญญาณ 2-10V

แผนภาพป้องกันการรบกวนสำหรับสัญญาณ 2-10V (DCL Huayi Intelligent Control)

ดังแสดงในแผนภาพด้านบน:

เมื่อใช้แรงดัน 2-10V เนื่องจากความต้านทานอินพุตที่สูงขึ้นในโมดูล (R=34K) กระแสสัญญาณอินพุตจึงต่ำมาก (0.059mA – 0.29mA) ผลที่ได้คืออัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนตามเส้นทางนี้ต่ำมาก ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพการป้องกันการรบกวนทั้งทางนำและทางแผ่รังสีนั้นแย่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง จากมุมมองของการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์ นี่คือส่วนที่เปราะบางที่สุด

ในเส้นทางสัญญาณ 2-10V อุปกรณ์เอาต์พุตสามารถรับประกันความถูกต้องของแรงดันเอาต์พุต (Vo) ฝั่งตัวควบคุมได้เท่านั้น (เนื่องจากจุดป้อนกลับแรงดันอยู่ใกล้กับขาเอาต์พุต) ในทางกลับกัน ไม่สามารถรับประกันได้ว่าแรงดันอินพุต (Vi) ฝั่งแอคทูเอเตอร์จะถูกต้อง เนื่องจาก Vi = Vo + Vnoise + Vground−diffVi = Vo + V_{noise} + V_{ground-diff}, ที่ไหน VnoiseV_{noise} และ Vground−diffV_{ground-diff} มีความอ่อนไหวต่อการรบกวนสูง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้

ความยาวของสายสัญญาณ 2-10V ความต้านทานภายใน และมาตรการป้องกันสัญญาณรบกวน ล้วนมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการป้องกันสัญญาณรบกวนของสัญญาณ 2-10V ยิ่งสายยาว ความต้านทานภายในยิ่งสูง และการป้องกันยิ่งแย่ลง ความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนของสัญญาณ 2-10V ก็ยิ่งแย่ลง ดังนั้น สัญญาณ 2-10V จึงมักใช้สำหรับการสื่อสารในระยะทางสั้นมาก

การวิเคราะห์สัญญาณ 4-20mA

แผนภาพป้องกันการรบกวนสำหรับสัญญาณ 4-20mA (DCL Huayi Intelligent Control)

เมื่อเปรียบเทียบกับสัญญาณ 2-10V สัญญาณ 4-20mA สามารถแก้ไขจุดอ่อนที่สำคัญสองประการของสัญญาณ 2-10V ได้ ดังแสดงในแผนภาพด้านบน:

เมื่อใช้สัญญาณ 4-20mA เนื่องจากความต้านทานอินพุตที่ต่ำกว่าของโมดูล (R=120 โอห์ม) กระแสสัญญาณอินพุตจึงค่อนข้างสูง (4mA – 20mA) ส่งผลให้มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงขึ้นตามเส้นทางนี้ ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพการป้องกันการรบกวนทั้งแบบนำไฟฟ้าและแบบแผ่รังสีดีขึ้น ดังนั้น สัญญาณ 4-20mA จึงยากต่อการรบกวนมากยิ่งขึ้น

ในเส้นทางสัญญาณ 4-20mA อุปกรณ์เอาต์พุตสามารถรับประกันความถูกต้องของกระแสลูปเอาต์พุตทั้งหมด รวมถึงกระแสที่ด้านเอาต์พุตและกระแสที่อินพุตของแอคทูเอเตอร์ เนื่องจากเป้าหมายการสุ่มตัวอย่างแบบป้อนกลับของวงจรเอาต์พุตคือกระแสที่ปลายเอาต์พุตของลูป 4-20mA และกระแสจะมีค่าเท่ากันตลอดทั้งลูปสัญญาณ ดังนั้นกระแสที่สุ่มตัวอย่างที่ปลายแอคทูเอเตอร์จะต้องเท่ากับกระแสเอาต์พุตจากตัวควบคุม แม้จะมีสัญญาณรบกวนและความไม่สอดคล้องกันของศักย์กราวด์ วงจรเอาต์พุต 4-20mA ก็ยังสามารถรับประกันความถูกต้องของกระแสสัญญาณได้ด้วยการปรับแบบป้อนกลับเชิงลบแบบแอคทีฟ

ความยาวของสายสัญญาณ 4-20mA และความต้านทานภายในของสายนั้นมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพการต้านทานการรบกวนของสัญญาณ 4-20mA น้อยมาก ดังนั้น 4-20mA จึงนิยมใช้สำหรับการสื่อสารทางไกล

บทสรุป

โดยสรุปแล้ว สัญญาณ 4-20mA มีประสิทธิภาพในการต้านทานการรบกวนดีกว่าสัญญาณ 2-10V อย่างเห็นได้ชัดในสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรม และข้อสรุปนี้ก็เป็นจริงเช่นกันสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับแอคทูเอเตอร์ไฟฟ้า