То́ковая петля́ (current loop) — способ передачи информации с помощью измеряемых значений силы электрического тока. В настоящее время такой способ более распространён в инженерной практике, чем использование для этой цели напряжения. Для задания измеряемых значений тока используется, как правило, управляемый источник тока. По виду передаваемой информации различаются аналоговая токовая петля и цифровая токовая петля.
История
Токовая петля использовалась задолго до появления стандартов RS-232 и V.24. В 1960-е годы телетайпы начали использовать стандарт токовой петли 60 миллиампер. Последующие модели (одна из первых — Teletype Model ASR-33, вовсю применявшийся в качестве системной консоли ЭВМ PDP-11 фирмы DEC) использовали стандарт 20 мА. Этот стандарт нашел широкое применение в мини-компьютерах, которые первоначально использовали телетайпы для диалога с оператором. Постепенно телетайпы уступили место текстовым видеотерминалам, сохраняя интерфейс токовой петли. Несмотря на динамичное развитие проводных и беспроводных цифровых интерфейсов (Modbus, HART, RS-485, ZigBee и т.п.) самым популярным способом передачи данных от первичных датчиков к вторичным приборам и ПЛК остается аналоговый интерфейс 4-20 мА, потеснивший, в том числе, и другие аналоговые интерфейсы (0-5 мА, 0-20 мА, 0-1В и т.п.).
Стандарт цифровой токовой петли использует отсутствие тока как значение SPACE (низкий уровень, логический ноль) и наличие сигнала — как значение MARK (высокий уровень, логическая единица). Отсутствие сигнала в течение длительного времени интерпретируется как состояние BREAK (обрыв линии). Данные передаются старт-стопным методом, формат посылки совпадает c RS-232, например 8-N-1: 8 бит, без паритета, 1 стоп-бит.
Токовая петля может использоваться на значительных расстояниях (до нескольких километров). Для защиты оборудования применяется гальваническая развязка на оптоэлектронных приборах, например оптронах.
Из-за неидеальности источника тока, максимально допустимая длина линии (и максимальное сопротивление линии) зависит от напряжения, от которого питается источник тока. Например при типичном напряжении питания 12 вольт сопротивление не должно превышать 600 Ом.
Источник тока может располагаться в приёмном или передающем конце токовой петли. Узел с источником тока называют активным. В зависимости от конструкции как передатчик, так и приёмник, могут быть либо активными (питать токовую петлю), так и пассивными (питаться от токовой петли).
Стандартизация
Стандарт ИРПС/IFSS (ОСТ 11 305.916-84) использует токовую петлю 20 мА для передачи данных. Физическое исполнение разъемов ИРПС в стандарте не закреплено, что породило массу вариантов. Часто употребляется разъём СНО53-8-2. В качестве среды передачи чаще всего используется витая пара.
За рубежом токовая петля (Current Loop) специфицирована в стандартах IEC 62056-21 / DIN 66258.
MIDI (Musical Instrument Digital Interface) использует стандарт токовой петли на 5-штырьковом разъеме DIN 41524 со скоростью 31,25 кбит/с.
Для компьютеров IBM PC и IBM PC XT имелась плата IBM Asynchronous Communications Adapter, поддерживающая последовательную передачу по RS-232 или токовой петле. Для передачи сигналов токовой петли используются незадействованные контакты на разъеме DB25. В более поздних разработках остался только RS-232.
Аналоговая токовая петля используется для передачи аналогового сигнала по паре проводов в лабораторном оборудовании, системах управления производством и т. д.
Применяется смещенный диапазон 4—20 мА, то есть наименьшее значение сигнала (например, 0) соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом весь диапазон допустимых значений занимает 16 мА. Нулевое значение тока в цепи означает обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию.
Интерфейс аналоговой токовой петли позволяет использовать разнообразные датчики (давления, потока, кислотности и т. д.) с единым электрическим интерфейсом. Также данный интерфейс может использоваться для управления регистрирующими и исполнительными устройствами: самописцами, заслонками и т. д.
Диапазоны токов и напряжений описаны в ГОСТ 26.011-80 “Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные”.
Основное преимущество токовой петли (по сравнению с более дешёвой параметрической передачей напряжением) — то, что точность не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку управляемый источник тока будет автоматически поддерживать требуемый ток в линии. Такая схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи. Несколько приёмников можно соединять последовательно, источник тока будет поддерживать требуемый ток во всех одновременно (согласно закону Кирхгофа). Но если в цепи появятся утечки, работа токовой петли нарушится, и средствами реализации самой токовой петли это не обнаруживается, что необходимо учитывать при проектировании ответственных производственных участков.
Поверх аналоговой токовой петли можно передавать цифровую информацию. Такой способ передачи данных описан в HART-протоколе. Конкурирующими протоколами, способными в будущем вытеснить HART, являются различные цифровые полевые шины, такие как Foundation fieldbus или PROFIBUS.
Все эти достоинства обеспечивают аналоговому интерфейсу 4-20 мА лидерские позиции в сфере автоматизации и управления технологическими процессами и его широкое применение.