Какие основные петли тока пути прохождения. Пути прохождения электрического тока по организму человека (петли тока)

Иногда приходится передавать сигнал на большое расстояние (десятки метров, а то и километры). Главная проблема при этом в том, что через линию может пронестись электромагнитная волна (помеха) и попытаться индуцировать в ней ток. Ток будет мизерным, но так как входы обычно высокоомные, в сотни килоом, то даже от таких незначительных наводок на входе может возникнуть перенапряжение. Ведь по закону Ома U = I * R. R входа у нас может быть и под ГигаОм, при этом наводка тока даже в 0.001мА может раскачать напругу до киловольта. Вход вынесет за милую душу, хотя энергия там и невелика, но много ли надо тонкопленочному затвору транзистора? Решение тут одно — снижать входное сопротивление.

Хорошим способом решение этой проблемы является смена сигнала с напряжения, на ток. Т.е. за уровни мы принимаем не наличие каких-либо напряжений, а значения тока в цепи. Навести помеху тут будет сложней, ведь два провода линии идут параллельно, а значит помеха будет наводиться в них одновременно и гасить сама себя, вычитаясь на дифференциальном входе приемника.

Ток будем вдувать в линию посредством источника тока, радующего нас тем, что ему плевать какое сопротивление у линии, он будет обеспечивать заданный ток до тех пор, пока мощи хватит.

Цифровая линия
Тут все просто, обычно по токовой петле развязывают RS232 и им подобные интерфейсы с независимыми каналами на прием/передачу.
Плюсом токовой петли является то, что она легко развязывается оптикой, ведь светодиод, являющийся основным передатчиком оптопары, питается током.

Схема может выглядеть следующим образом:


Когда подаем единичку на вход, то она зажигает светодиод, транзистор оптопары открывается и пускает ток в петлю. Это ток зажигает светодиод во второй оптопаре, ее транзистор открывается и прижимает линию к земле. Линия при этом получается инвертирующейся. Но при желании это легко решается одним транзистором.

Оптопарой тут можно выбрать что то вроде SFH610A

. Главное, чтобы предельное напряжение, которое может выдержать транзистор, было выше чем может развить источник тока, ведь он будет пытаться продавить транюзк когда тот закрыт. Для данной оптопары это Vceo = 70V. Обычно же напряжение источника редко превышает 24 вольта. А также следует поглядеть на ток колектора для оптопары, чтобы он был не меньше, чем выдает источник тока. Для данной оптопары он составляет 50мА.

Если еще взять источник питания линии внешний, то схема получается вообще неубиваемой. Т.к. приемник, передатчик и линия не связаны между собой вообще.

В качестве источника тока я обычно втыкаю тут NSI45020 . Вообще это линейный драйвер светодиодов. Фиговина размером с резистор 1206, на выходе имеет строго заданный ток — 20мА.

Можно вкатывать напряжение питания вплоть до 45 вольт, можно параллелить, чтобы ток был поболее. При цене в 5 рублей штука — очень клевая вещь. Рекомендую держать в хозяйстве.

А для консерваторов — LM317 в режиме стабилизатора тока еще никто не отменял. Правда гораздо более громоздко выходит и стоит обычно дороже. Зато достается без проблем в любом радио ларьке.

Недостаток оптической развязки — ограничение скорости. У оптопары, особенно ширпотребной, весьма посредственные частотные характеристики. Но для какого-нибудь UART хватит. Также на скорость влияет тот факт, что длинная линия обладает большой емкостью, а зарядка ее происходит источником тока, т.е. чем дальше, тем больше емкость линии и медленней передача.

Аналоговая линия

А если надо вытащить данные с какого-нибудь удаленного аналогового датчика? Тут тоже на помощь придет токовая петля, правда конструкция будет несколько сложней.

Нам нужно будет сделать источник, превращающий напряжение в ток. С линейной зависимостью, скажем вкатили мы на вход 5 вольт, а наша схема вдула в линию 50мА. Делается это на операционном усилителе. Примерно вот по такой схеме:

Работает она просто. Т.к. ОУ, охваченный обратной связью, стремиться уравнять свои входы, т.е. напряжение между прямым и инверсным входом равно нулю, то можно считать, что Uin засажен напрямую на R0. И ток через R0 получается равным Uin/R0. Ведь сопротивление входов ОУ ОЧЕНЬ большое, настолько большое, что мы можем смело считать, что ток туда не втекает. А так как R0 часть петли, то ток в петле будет равен току R0, вне зависимости от сопротивления линии и сопротивления нагрузки, разумеется если источник питания может продавить эти сопротивления, а транзистор не выходит в насыщение, оставаясь в линейном режиме. В качестве источника питания тут можно взять независимый стабилизированный источник, вольт так на 12.

На другой стороне петли достаточно снять падение напряжения на резисторе нагрузки Rн.

Вот тут, ради лулзов, собрал на макетном поле Pinboard II эту конструкцию. Т.к. задающий резистор R0 у меня получился в 10кОм (такой стоит рядом с макетным полем), то соотношение напряжение/ток получилось 1:10000 т.е. на 1 вольт приходится 0.1мА в петле. Нифига не стандарт, да и вообще мало слишком, но принцип работы показывает хорошо.

И видео работы:

Есть более громоздкий, но и гораздо более точный способ:


Тут мы заводим специальный измерительный резистор Rs и на нем операционником замеряем падение, а потом результат загоняем во второй операционник. Т.к. конструкция из OP1 является для OP2 обратной связью, а он выводит разность на своих входах в ноль, то получаем, что:

Uin = R2/R1*Is*Rs
При
R2 = 10k
R1 = 1k
Rs = 10

Получаем зависимость Is = Uin/100 с хорошей такой линейностью, особенно если взять прецезионные усилки с Rail-2-Rali выходом.

Если нужна максимальная точность, то лучше применить готовую микросхему. Существует и масса спекциализированных формирователей токовой петли. Например MAX15500. Включаешь по даташиту и радуешься:)

Гальваническую развязку аналоговой токовой петли можно сделать на изолирующих усилителях. Вроде ISO124

Коэффициент усилениея у него 1. Т.е. 1 вольт вошел — 1 вышел. Никаких заморочек с обратной связью и прочим. Два независимых входа питания, с одной и с другой стороны. Один недостаток — стоит она недешево. Та же ISO124 от 15 баксов за штуку.

Также прикольное свойство токовой петли в том, что можно питать удаленное устройство через эту же петлю. Т.к. источник тока компенсирует потребление. Разумеется в разумных пределах, но для каких-нибудь датчиков удаленных вполне неплохой вариант.

Стандарты
Единого стандарта на токовую петлю, величины токов и разьемы, как например с RS232, нет. Но в промышленности более менее устоялся стандарт аналоговой токовой петли 4…20мА, т.е. минимальный уровень это 4мА, а максимальный 20мА. Нулевой ток считается обрывом линии. Для цифровой петли чаще применяют диапазон 0…20мА. Также иногда встречается вариант 0…60мА, но это экзотика.

Наиболее опасно прохождение тока через дыхательные мышцы и сердце. Пути:

«рука-рука» через сердце проходит 3,3% общего тока,

«левая рука - ноги» через сердце проходит 3,7% общего тока,

«правая рука - ноги» через сердце проходит 6,7% общего тока,

«нога - нога» через сердце проходит 0,4% общего тока,

«голова - ноги» через сердце проходит 6,8% общего тока,

«голова - руки» через сердце проходит 7% общего тока.

Наиболее тяжелое поражение вероятно, если на пути тока оказывается сердце, легкие, грудная клетка, головной или спинной мозг, поскольку ток воздействует непосредственно на эти органы. Если ток проходит иными путями, то воздействие его на органы может быть рефлекторным,а не непосредственным. При этом опасность тяжелого поражения хотя и сохраняется, но вероятность ее резко снижается.

Наиболее опасными являются петли голова – руки и голова - ноги, когда ток может проходить через головной и спинной мозг (но эти петли возникают относительно редко).

Наименее опасен путь «нога – нога», который именуется нижней петлей и возникает при воздействии на человека так называемого напряжения шага.В этом случае через сердце проходит, очевидно, небольшой ток. Но надо иметь в виду, что имелись факты смертельного исхода при протекании тока через палец руки, с одной его стороны на другую.

По данным статистики потеря трудоспособности на 3 дня и более при пути тока « рука-рука» в 83% случаев, « левая рука - ноги» в 80%, «правая рука-ноги»-87%, « нога-нога» в 15%. Таким образом, путь тока влияет на исход поражения; ток в теле человека проходит не обязательно по кратчайшему пути, что объясняется большой разницей в удельном сопротивлении

Рис.1 Пути прохождения тока: а) левая рука – ноги; б) рука – рука; в) правая рука – ноги; г) нога - нога

Влияние постоянного и переменного тока различной частоты на исход поражения

При быстром разрыве цепи даже небольшой постоянный ток (ниже порога ощущения) дает очень резкие удары, иногда вызывающие судороги мышц рук. Наиболее опасен ток частотой 50-60 Гц. Опасность действия тока снижается с увеличением частоты, но ток в 500 Гц не менее опасен, чем в 50Гц.

Эффект действия тока высокого напряжения на организм

Давно были отмечены поразительные случаи выживания людей, подвергшихся действию тока большой силы при высоком напряжении. Основоположник науки об опасности электричества австрийский ученый Еллинек в начале 20 столетия описал случай выздоровления пострадавшего после поражения, которое привело к сгоранию предохранителя на 40А.

Такое парадоксальное несоответствие между силой тока и результатами его действия на организм нашло, однако, исчерпывающее объяснение при испытании действия сильного тока на животных.

Эти испытания показали, что действие тока высокого напряжения вызывает не фибрилляцию, и лишь временную остановку сердца, которое после выключения тока возобновляет свою нормальную деятельность. Измерение силы тока, протекающего непосредственно через сердце (в опытах на собаках), показало, что ток 10-15мА вызывает фибрилляцию; ток 0,8А (через широкие электроды, наложенные по обеим сторонам сердца) фибрилляции не вызывает, а ток силой более 1А способен прекратить фибрилляцию сердца. Способность тока указанной (И большей) величины прекратить фибрилляцию широко используется в настоящее время в клиниках для восстановления деятельности сердца, нарушенной во время операции и от других причин.

Таким образом, выживание людей, оказавшихся под высоким напряжением и подвергшихся действию тока в десятки А, можно объяснить тем, что под действием такого тока не возникает фибрилляции сердца. Столь противоречивые на первый взгляд последствия действия слабого и сильного тока на организм связаны с особенностями реакции сердца на действие тока различной силы.

Прохождение тока 0,1-5А через организм вызывает фибрилляцию сердца и нарушает его работу; более сильный ток не вызывает такого нарушения работы сердца. Кратковременное действие сильного тока вызывает нарушение функции нервной системы, что приводит к длительной остановке дыхания. Однако пострадавший может остаться в живых, если своевременно начать проводить искусственное дыхание.

При более продолжительном действии тока высокого напряжения может наступить смерть из-за физических повреждений, причиняемых таким током (обширные и глубокие ожоги, а также разрушение внутренней структуры тканей организма). Однако известны случаи выздоровления людей после электротравм, вызывающих даже обугливание и последующее выпадение значительных участков костей черепа.

Болезненное состояние организма человека как отягощающий фактор электротравм

Болезненное состояние организма человека вызывает изменения в течение биохимических, биофизических, физиологических и др. процессов, что не может не влиять на исход поражения при электротравме.

Для возникновения поражений электрическим током большое значение имеют пути, по которым проходит электрический ток, так называемые петли тока. На рис. 2.3 приведены возможные пути распространения тока в организме человека.

Основное различие между электротравмами при разных петлях состоит в том, через какие органы прошел ток. Главными проводниками тока в организме являются не крупные сосуды, а мышечные массы вместе с питающей их капиллярной сетью. Следует учитывать, что в ряде случаев (например при падении пострадавшего) может происходить изменение положения конечностей и, соответственно, изменение первоначального пути распространения тока на другой. Опасность для жизни пострадавшего во многом зависит от петли тока. Например, нижняя петля, проходящая через нижние конечности, менее опасна, чем верхняя, когда ток проходит через обе верхние конечности и туловище.

Механизмы повреждающего действия электрического тока

При повреждении организма электрическим током выделяют специфическое и неспецифическое действие тока. Специфическое действие тока проявляется в биологическом, электрохимическом, тепловом и механическом эффектах.

Биологигеское действие тока разнообразно. В результате действия тока происходит раздражение гладкой и скелетной мускулатуры, эндокринной и нервной системы, внутренних органов. В результате тонического сокращения диафрагмы и спазма голосовых связок нарушается функция внешнего дыхания. Действие тока на сердечную мышцу приводит к развитию фибрилляции желудочков сердца. Спазм мускулатуры артерий приводит к резкому повышению артериального давления. Органы внутренней секреции отвечают выбросом гормонов (в первую очередь - катехоламинов). Электрический ток оказывает разнообразное действие на нервные рецепторы и проводники.

Электрохимигеское действие тока проявляется в расхождении ионов и концентрации их у разных полюсов. В результате у анода возникает коагуляционный некроз, а у катода - колликвационный. Образующиеся при электролизе газы и пары воды нередко придают тканям ячеистое строение. В ряде случаев происходит импрегнация кожи металлом проводника (эффект металлизаци и).

Тепловому действию тока в большей степени подвержены ткани с низкой удельной электропроводностью. Именно в тканях, обладающих высоким сопротивлением (прежде всего - в коже и костях), в соответствии с законом Джоуля-Ленца происходит выделение наибольшего количества тепла. Количество выделяющегося тепла прямо пропорционально зависит от силы тока, электрического сопротивления тканей и длительности контакта. Чем выше напряжение - тем больше выделяется тепла в местах контакта, где и возникают ожоги. В результате прохождения тока через кожу возникают ожоги кожного покрова и подлежащих тканей, вплоть до обугливания. В костной ткани могут образовываться жемчужные бусы, представляющие собой расплавленный и затем застывший фосфорнокислый кальций в виде белых шариков с пустотами, образовавшимися при испарении находившейся в костях жидкости.

Механигеское действие тока приводит к расслоению и разрывам тканей. Прохождение токов высокого напряжения через ткани сопровождается мгновенным выделением большого количества тепла и механической энергии. При быстром выделении большого количества тепловой энергии имеет место взрывоподобный эффект, в результате чего человека может отбросить в сторону или произойти отрыв конечности. Механическое действие тока тем выше, чем больше напряжение в электрической сети.

Неспецифигеское действие электригеского тока обусловлено выделением других видов энергии, в которые преобразуется электричество вне пределов организма. В частности, от вспышки вольтовой дуги или от раскаленных (при прохождении по ним электрического тока) проводников возникают термические ожоги кожных покровов. Вспышка вольтовой дуги сопровождается излучением световой энергии. В результате действия светового излучения (видимого, ультрафиолетового и инфракрасного спектра) могут развиться различные виды поражения органа зрения (ожоги роговицы, электроофтальмия и другие). Поражение человека высоковольтным электричеством может сопровождаться взрывом, в результате чего возникают поражения органа слуха (разрывы барабанной перепонки, тугоухость). Разбрызгивание и сгорание при высокой температуре металлических частиц от проводников электричества может обусловить металлизацию кожи.

Нередким явлением являются механические повреждения, развившиеся в результате падения пострадавшего с высоты или попадания частей тела между движущимися механизмами. При падении в воду пострадавший может утонуть. От воспламенения одежды, пропитанной маслами, бензином или другими горючими жидкостями пострадавший может получить термические ожоги. Кроме того, при прохождении электрического тока (низкого напряжения - менее 1000 В) через ткани организма в результате резкого сокращения мышц могут щюисходить вывихи, отрывные и компрессионные переломы. Настоящее явление имеет место в местах, где прикрепляются большие массивы мышц. Электротравма вызывает выраженные нарушения в функционировании внутренних органов, нередко способствует обострению заболеваний.

Важнейшим условием поражения человека электрическим током является путь этого тока. Если на пути оказываются жизненно важные органы (сердце, легкие, головной мозг), то опасность смертельного поражения очень велика. Если же ток проходит иными путями, то воздействие его на жизненно важные органы может быть лишь рефлекторным. При этом опасность смертельного поражения хотя и сохраняется, но вероятность ее резко снижается.

Ток протекает только в замкнутой цепи. Поэтому имеет место как входная точка тела человека, так и точка выхода электрического тока. Возможных путей тока в теле человека неисчислимое количество. Однако характерными можно считать следующие:

рука-нога; рука-рука; нога-нога; голова-рука; нога-голова и т.д.

степень опасности различных петель тока можно оценить по относительному количеству случаев потери сознания, а также по значению тока, проходящего через область сердца.

Наиболее опасными являются петли: «голова-рука» и «голова-нога», когда ток может проходить не только через сердце, но и через головной и спинной мозг.

Билет №14

Какие электроприемники в отношении обеспечения надежности относятся к электроприемникам второй категории, допустимые перерывы в электроснабжении?

ПУЭ (п.1.2.18-1.2.21)

Электроприёмники II категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей;

Для электроприемников II категории при нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

За что несут персональную ответственность работники, проводящие ремонт электроустановки?

ПТЭЭП п.1.2.9

За нарушения в работе электроустановок, персональную ответственность несут: работники, проводящие ремонт оборудования, - за нарушения в работе, вызванные низким качеством ремонта.

Периодичность проверки знаний у административно-технического персонала.

ПТЭЭП п.1.4.20-1.4.21

1.4.20. Очередная проверка должна производиться в следующие сроки:

• для электротехнического персонала, непосредственно организующего и проводящего работы по обслуживанию действующих электроустановок или выполняющего в них наладочные, электромонтажные, ремонтные работы или профилактические испытания, а также для персонала, имеющего право выдачи нарядов, распоряжений, ведения оперативных переговоров, - 1 раз в год;
• для административно-технического персонала, не относящегося к предыдущей группе, а также для специалистов по охране труда, допущенных к инспектированию электроустановок, - 1 раз в 3 года.

1.4.21. Время следующей проверки устанавливается в соответствии с датой последней проверки знаний.

4. Что понимается под распоряжением? Срок его действия, порядок оформления.

ПОТЭЭ (п. 7.1-7.7)

Распоряжение- этописьменное задание на производство работы, определяющее ее содержание, место, время, мерыбезопасности (если они требуются) иработников, которым поручено ее выполнение, суказанием группы по электробезопасности.

Распоряжение имеет разовый характер, срок его действия определяется продолжительностью рабочего дня или смены исполнителей.

При необходимости продолжения работы, при изменении условий работы или состава бригады распоряжение должно отдаваться заново.

При перерывах в работе в течение одного дня повторный допуск осуществляется производителем работ.

7.2. Распоряжение отдается производителю работ и допускающему. В электроустановках, не имеющих местного оперативного персонала, в тех случаях, когда допуск к работам на рабочем месте не требуется, распоряжение отдается непосредственно работнику, выполняющему работу.

7.4. Распоряжение допускается выдавать для работы поочередно на нескольких электроустановках (присоединениях).

7.5. Допуск к работам по распоряжению должен быть оформлен в журнале учета работ по нарядам и распоряжениям.

Токовая петля – это двухпроводной интерфейс передачи информации, где данные закладываются в значение тока.

Благодарности

Большое спасибо Михаилу Гуку за интересные книги. Некогда авторы начинали изучение современной электроники с энциклопедией и изданий этого замечательного человека. Без интернета учебники приходилось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.

Компания muRata постоянно снабжает читателей свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей окажутся и читатели. Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Необходимость токовой петли

Токовая петля 4-20 мА считается распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто возникает необходимость измерения физических параметров, к примеру:

• Давление;
• Температура;
• Поток жидкости.

Потребность возникает постоянно, когда информацию нужно передать на расстояния в сотни метров и более. Токовая петля считается медленным цифровым интерфейсом, и обусловлено это зарядом ёмкости кабеля от источника (что проявляется с ростом частоты), для аналоговых или дискретных устройств возможностей вполне хватает. Передатчики снабжаются аккумуляторами на 12 (реже) либо 24 В (чаще). Последние позволяют дальше передать информацию, значащим параметром становится ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем ощутимее падение потенциала.

У приведённого технического решения есть пара недостатков. Во-первых, приходится использовать экранированные провода, во-вторых, увеличение дальности приводит к резкому снижению КПД. Типичная токовая петля состоит из четырёх компонентов:

1. Источник питания. Месторасположение произвольное.
2. Приёмник или монитор.
3. Передатчик (сенсор).
4. Преобразователь напряжения в ток.

Сенсоры выдают информацию, пропорциональную измеряемому параметру, представленному напряжением. Следовательно, нужно заняться преобразованием в ток. Потом информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника информация расшифровывается.

Поклонники цифровых технологий заявляют о низком быстродействии токовой петли. Действительно, при погонной ёмкости в 75 пФ/м километровый отрез провода образует конденсатор с номиналом 75 нФ. С ростом частоты сопротивление падает, эффект сглаживания и фильтрации не даёт правильно работать с информацией. За 19 мкс конденсатор наполняется полностью от напряжения 5 В, обусловливая замеченное ограничение в 9,6 кбит/сек.

Собственно токовая петля считается отжившим протоколом, на её место готовы прийти прочие, массово используемые, к примеру, MIDI и малоизвестный средь широкой публики промышленный интерфейс HART.

Общая информация

Первым сюрпризом становится отсутствие единых стандартов. Доминирующими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил нет. В токовой петле может передаваться любая информация. Если это двоичный код, единице соответствует наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие сигнала либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, это непременно опознаётся через стоп-байт.

Интерфейс применялся с 50-х годов, первоначально единица кодировалась как 60 мА постоянного тока. Следовательно, КПД системы оказывался намного ниже. Петля на 20 мА появилась в 1962 году как сигнал для телетайпов – для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С началом 80-х ток попытались уменьшить, не всегда успешно. Решили сделать компромисс:

1. 4 мА означает «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не произошёл ли в сети обрыв.
2. Единицей остаётся 20 мА.

Основным ограничением служит расстояние передачи информации. На параметр влияет битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек. Выше 19,2 кбит/сек линию не используют. В итоге на дальность влияют электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю предполагалось заменить по задумкам Fieldbus, в действительности в обиход вошёл стандартный сегодня RS-485 (1983 год) – вариант COM-порта. И поныне терминалы по протоколу RS-232 присоединяются при помощи токовой петли, а на приёмной стороне производится нужное преобразование. Иногда по протоколу работают избранные принтеры. Пусть теоретический предел здесь составляет 115 кбис/с, на практике применяется 9600.

Особенность токовой петли – в передатчике не обращают внимание на напряжение. Мощность бывает разной. Главное – выдержать значение тока, 20 мА. Следовательно, чем линия длиннее, тем меньше КПД. Это неукоснительно исполняемое правило. Периодически встречается токовая петля с гальванической развязкой. Для этого используются оптопары и подобные полупроводниковые конструкции.

Как правило, кабель используется экранированный, чтобы избежать параллельных ёмкостных помех, которые не удаётся компенсировать или отследить. Для создания сети неплохо подходит экранированная витая пара. Благодаря тесному переплетению проводов, она избавляет от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала используют две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF. Достойные специализированные приложения обходят затруднение созданием предварительных запросов на передачу и ответов.

На приёмнике ток преобразуют в напряжение при помощи резистивного делителя. В зависимости от вольтажа применяются сопротивления 125 – 500 Ом. Иногда на стороне передатчика или приёмника ставится адаптер (преобразователь сигнала) к последовательному интерфейсу COM-порта. Падение напряжения на резисторе высчитывается по закону Ома, к примеру, для номинала 250 Ом это составит 250 х 0,02 = 5 В. Соответственно, приёмник возможно откалибровать при необходимости на нужный уровень.

Где применяется токовая петля

1. Контроль технологических процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА считается главным аналоговым интерфейсом. Используется «живой» нуль, когда полное отсутствие сигнала означает обрыв линии. Ток в 4 мА иногда используется как питание для передатчика либо входящий сигнал модулируется датчиком и возвращается в виде информации. Встречаются цепи, где батарея стоит отдельно, тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не тратят собственную энергию.
2. Во времена аналоговой телефонии токовая петля оставалась излюбленным интерфейсом для подключения. И сегодня ещё находятся бьющиеся током провода в квартирах. Здесь телефон питается от станции и модулирует сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, описанным выше. Эти линии остались в качестве наследия былых времён. К примеру, компания Система Белла применяет питание постоянным током до 125 В.
3. Токовая петля иногда используется для передачи информации уровнем сигнала. К примеру, 15 мА означает «горим!», 6 мА – «все в порядке», 0 мА - обрыв линии. Любой местечковый производитель устанавливает собственные правила и пользуется протоколом.
4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называется «дистанционный контроль постоянным током». К примеру, Motorola MSF-5000 использует постоянные токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Пример подобного протокола:

• Нет тока – вести приём на 1 канале.
• +6 мА – передавать на 1 канале.
• -6 мА – принять информацию на 2 канале.
• -12 мА – передать на 2 канале.

Интерфейс MIDI

MIDI формат популярен среди музыкантов, это специализированный протокол цифровой звукозаписи. На физическом уровне он организован по схеме токовой петли 5 мА. Разумеется, из-за разницы уровней единиц напрямую два стандарта передачи не совместимы. Согласно Михаилу Гуку, MIDI разработан в 1983 году и стал правилом де-факто подключения синтезаторов.

Википедия сообщает, что в июне 1981 года корпорация Роланд подала крупному производителю синтезаторов – Обергейм Электроникс – идею стандартного интерфейса. Уже в октябре Смит, Обергейм и Какихаши обсудили это с правлением Ямаха, Корг и Каваи, а в ноябре на выставке общества AES продемонстрировали первый работоспособный вариант.

Два года интерфейс находился на доработке, и в январе 1983-го Смит объединил через MIDI два аналоговых синтезатора. Это позволило напрямую перекачивать аранжировки и создавать новые музыкальные композиции. Позднее файлы MIDI введены в поддержку операционной системы Windows, позволяя авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми спецэффектами, отсутствующими в оригинальных синтезаторах. Внедрение сэмплов различных инструментов позволяло исполнителю воспроизводить музыкальное сопровождение любой сложности.

Применение MIDI

В MIDI используются физические линии на 5 мА. Редко встречается 10. Гальваническая развязка осуществляется через оптрон. Характерной чертой признано инвертирование сигнала:

1. Есть ток.
2. Нет тока.

Поэтому MIDI напрямую не совместим с обычной токовой петлёй. Физический интерфейс видели многие, но не знали название. Визуально розетка представляет собой диск диэлектрика с боковым вырезом, по периметру расположены 5 отверстий (DIN). Конструкция охвачена по кругу экраном. Музыканты насчитывают три вида интерфейса:

1. MIDI-In.
2. MIDI-Out.
3. MIDI-Thru.

Порт MIDI иногда стоит на материнской плате персонального компьютера. Физически задействуются в нормальном режиме не используемые контакты 12 и 15 порта игрового адаптера DB-15S. Используемая здесь логика ТТЛ требует наличия адаптера для стыковки со стандартными синтезаторами по протоколу токовой петли. Микросхема преобразователя не слишком сложная, включает оптрон, диод, ряд логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART как последовательный COM-порт. В продаже есть звуковые карты с MIDI либо отдельные платы расширения на свободные слоты.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, массово применяемое в промышленности. Подосновой становится токовая петля 4-20 мА, а значит, может использовать витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов. Поначалу стандарт считался укзоспециализированным связным интерфейсом, но в 1986 году вышел на всеобщее обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими состав:

1. Преамбула – 5-20 байт. Служит для синхронизации и определения несущей.
2. Старт-байт – 1 байт. Указывает номер хозяина шины.
3. Адрес – от 1 до 5 байт. Присваивается хозяину, слуге и служит специальным признаком пакетного режима.
4. Расширение – от 0 до 3 байт. Его длина указывается в старт-байте.
5. Команда – 1 байт. То, что слуга должен исполнить.
6. Число байтов данных – 1 байт. Размер поля данных в байтах.
7. Данные – от 0 до 255 байтов. Данные, помогающие расшифровать порядок действий.
8. Проверочная сумма – 1 байт. Содержит результат логической операции XOR для всех байтов, кроме стартового и заключительного в блоке данных.

Разумеется, пакетная структура характерна для цифровых устройств, нуждается в расшифровке для правильного исполнения команды.