Mengapa sinyal arus lebih disukai daripada sinyal tegangan untuk transmisi analog yang lama?

Beberapa sensor bertindak seperti sumber saat ini, dan saya telah melihatnya beberapa kali, terutama untuk kabel yang sangat panjang bahkan di luar seperti baling-baling angin. Misalnya loop 4-20 mA digunakan sebagai pengganti tegangan 0-10 V misalnya.

Apa yang bisa menjadi penjelasan fisik untuk ini? Bagaimana saat ini lebih menguntungkan?

(Saya juga bertanya-tanya dalam hal gangguan EMI apakah sinyal loop saat ini lebih kebal dan mengapa.)

Tolong jelaskan konsep ini dengan menggunakan diagram rangkaian, sumber arus tegangan dengan beberapa komponen. Bagaimana interferensi mode umum digabungkan dalam kedua kasus, dll. Dan mengapa loop saat ini kebal terhadap noise.

EDIT:

Setelah membaca jawabannya, inilah yang saya mengerti (klik untuk melihat diagram simulasi dan plot yang sesuai):

Saya menerapkan gangguan Vcm mode umum di semua skenario.

Pada gambar pertama atas sumber arus dengan impedansi 1Giga Ohm ditransmisikan melalui kabel tidak seimbang / tidak seimbang dan bahkan penerima tunggal berakhir outputnya kebal terhadap kebisingan. (1G Ohm membuat noise kecil, semakin sedikit ini akan semakin banyak noise pada receiver)

Pada gambar tengah sumber tegangan ditransmisikan melalui kabel yang tidak seimbang dan penerima tunggal berakhir , outputnya sangat bising.

Pada gambar bawah, sumber tegangan ditransmisikan melalui kabel seimbang dan penerima diakhiri diferensial , dan noise mode umum dihilangkan.

Apakah kesimpulan / simulasi saya benar untuk mewakili pertanyaan ini?

Sebenarnya yang penting bagi kekebalan terhadap kebisingan adalah kekuatan yang dibutuhkan untuk mengganggu suara.

Yaitu sinyal arus pada input dengan impedansi hampir nol sama buruknya dengan sinyal tegangan pada input dengan impedansi hampir tak terbatas.

Yang dibutuhkan adalah penerima dengan impedansi non-nol dan non-tak terbatas sehingga sinyalnya melibatkan daya .
Yaitu

• jika informasi dikodekan sebagai tegangan, masih harus ada arus yang mengalir ke penerima dan
• jika informasi dikodekan sebagai arus, masih harus ada tegangan di penerima.

Jadi kedua kasus serupa, tetapi Anda hanya harus memutuskan apakah lebih baik untuk kode sinyal sebagai tegangan atau arus (alternatif lain akan dikodekan sebagai kekuatan). Untuk keperluan pengukuran, tegangan atau sinyal arus paling tepat.

Kabel yang baik untuk sinyal arus hanya perlu memastikan bahwa tidak ada arus yang hilang (atau dimasukkan), yaitu idealnya tidak ada kebocoran, yaitu isolasi sempurna. Ini bisa dicapai dalam praktik dengan cukup baik.

Kawat yang baik untuk sinyal tegangan perlu memastikan bahwa tidak ada tegangan yang hilang, yaitu idealnya tidak ada penurunan tegangan, konduktansi sempurna di sepanjang kawat. Kecuali Anda menggunakan superkonduktor, ini hampir tidak mungkin dilakukan dalam praktek.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Bagaimanapun resistansi penerima harus jauh di atas 0 dan jauh di bawah tak terhingga.
Sangat mudah untuk memiliki resistansi isolasi yang praktis tak terbatas.
Secara praktis tidak mungkin untuk memiliki resistansi seri 0.

Oleh karena itu jika sinyal harus diturunkan jarak tertentu di sepanjang kawat, lebih baik menggunakan sinyal saat ini daripada sinyal tegangan.

Arus sangat bagus karena sama di semua bagian konduktor. Yaitu jika Anda mendorong 15 mA dari satu sisi, sisi lain melihat 15 mA bahkan jika 200 m jauhnya. Ini sangat mudah dirasakan dan membuat transmisi data dapat diandalkan.

Hal yang sama tidak berlaku untuk voltase. Jika konduktor Anda memiliki impedansi tinggi dan memiliki gangguan listrik, maka sinyal tegangan input Anda akan menurun dan tegangan yang valid mungkin tidak mencapai sisi lain.

Imunitas kebisingan berasal dari fakta bahwa loop saat ini adalah sistem impedansi rendah. Lihat di sini mengapa ini penting: Mengapa sirkuit impedansi tinggi lebih sensitif terhadap kebisingan?

Pensinyalan saat ini memiliki keunggulan berbeda dalam situasi yang berbeda, sehingga ada beberapa jawaban berbeda.

Dalam hal pensinyalan frekuensi rendah.

Sumber arus konstan (pengirim) memiliki impedansi yang sangat tinggi (dan CV yang memiliki impedansi sangat rendah). Jadi, ketika Anda menempatkan resistansi seri cukup tinggi, itu tidak berpengaruh: sumber CC sudah super tinggi, apa efeknya beberapa ratus / ribu ohm ekstra akan membuat? Demikian juga ketika Anda memasangkan suara ke kabel (C1, 2) sumber tinggi R berarti bahwa kedua kabel naik dan turun bersama-sama - itu adalah suara mode umum dan tidak memiliki efek pada arus. Sementara itu ujung penerima memiliki R. rendah. Ini meredam semua gangguan kapasitif ditambah, dan kuat.

Sistem voltase adalah kebalikannya. Sumber harus memiliki impedansi yang sangat rendah. Seri R akan jadi masalah. Rx perlu impedansi input yang sangat tinggi atau Anda mendapatkan pembagi tegangan. Ini akan menangkap suara kapasitif, dan akan rentan terhadap kerusakan. Suara berisik yang mengalir melalui RSource, dan Anda mendapatkan tegangan diferensial pada receiver.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Dalam hal pensinyalan frekuensi tinggi (mis. Video)

Loop saat ini pada dasarnya memiliki tegangan konstan di kedua sisi kabel. Oleh karena itu kapasitansi melintasi kabel tidak melewati arus apa pun, dan tidak memiliki efek apa pun. Sinyal kebal terhadap kabel C, dan kebal terhadap tambahan C yang ditambahkan untuk melindungi dari kebisingan dan emi. Lebih sedikit daya yang digunakan karena C tidak harus didorong.

Sejauh yang saya ketahui, ini adalah dua alasan utama untuk memilih loop saat ini dalam beberapa kasus:

• Anda tidak peduli tentang panjang / ketahanan kabel Anda. Anda dapat mengubah kabel 3m menjadi 50m, mengubah resistansi, sinyalnya akan sama (selama sumbernya dapat memberikan tegangan / daya yang cukup, tentu saja).
• Anda dapat mendeteksi kerusakan dan kegagalan. Jika Anda mendapatkan 0mA, sensor atau kabel Anda rusak. Dengan loop tegangan tidak mudah untuk mencari tahu.

Tentang EMI, itu tidak akan mempengaruhi sebagian besar waktu. EMI biasanya datang pada frekuensi sangat tinggi, jauh lebih cepat daripada perubahan sinyal Anda, sehingga Anda dapat memfilternya.

Juga, tampaknya ini terkait dengan sistem kontrol pneumatik lama, di mana rentang 3-15psi digunakan.

Hal lain yang perlu diingat mengenai sinyal analog adalah kemampuan untuk mengintegrasikan protokol komunikasi HART. HART (Highway Addressable Remote Transmitter) adalah sinyal digital yang dipasang di atas sinyal analog yang memungkinkan informasi tambahan dikirimkan melalui kabel yang sama. Sebagian besar instrumen industri pintar saat ini beroperasi dengan kemampuan HART. Jadi manfaatnya jauh lebih besar dari sekedar drop tegangan dan EMI.