Август 2022 — ООО Промэлектроника

ООО Промэлектроника

Интерфейс токовая петля 4-20 мА – один из самых старых, и в то же время самых надежных и помехоустойчивых стандартов передачи информации на большие расстояния. Основным его применением являются промышленные системы автоматики. В последнее время, в связи с распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer).  Благодаря простоте, высокой помехозащищенности и ряду других положительных качеств, токовая петля, особенно интерфейс 4-20 мА, заслуженно стала одной из самых распространенных основ для передачи информации на большие расстояния. В основе интерфейса 4-20 мА лежит токовая петля с рабочими значениями токов в диапазоне 4…20 мА. Изменение значения тока до значения менее 3,8 мА свидетельствует об обрыве линии, а выше 20,5 мА – о коротком замыкании. Таким образом, этот интерфейс позволяет контролировать целостность физических соединений в системе. В общем случае логическое соответствие уровней тока может быть любым, однако традиционно малый уровень соответствует низкому уровню контролируемой величины, а большой – высокому. Так, например, выходной сигнал аналогового датчика, контролирующего уровень заполнения бака, равный 4 мА, будет соответствовать пустому баку, а 20 мА – полному. Если же бак будет заполнен наполовину, то датчик сформирует ток 12 мА (4 + (20 – 4)/2 = 12 мА). В цифровых двоичных системах ток, равный 4 мА, обычно соответствует уровню логического нуля, а 20 мА – логической единице. Основными преимуществами интерфейса 4-20 мА являются: - простота – в самом простейшем случае удаленное устройство можно подключить с помощью всего двух проводов; - высокая точность передачи сигнала – поскольку ток одинаков во всех элементах системы передачи, передатчик всегда знает, какой уровень сигнала получит приемник; - высокая помехозащищенность за счет двойного контроля тока (и на стороне передачи, и на стороне приема), позволяющая подключать удаленные (порой до десятков километров) объекты, например, с помощью стандартных телефонных линий; -  независимость качества связи от длины линии, которая влияет только на максимальную скорость передачи данных; - возможность самодиагностики как обрыва, так и короткого замыкания линии; - теоретически неограниченная дальность связи – фактически максимальная длина соединительного кабеля ограничена лишь электрической прочностью его изоляции и скоростью передачи данных. Все это привело к широкому распространению данного интерфейса на практике, особенно в промышленных системах, и поддержке большим количеством производителей, что является еще одним, пожалуй, самым главным его преимуществом. Однако, как и любой другой интерфейс, токовая петля имеет ряд недостатков и ограничений, на которые следует обратить внимание при разработке. Основным из них является возможность передачи по одному кабелю только одного сигнала. При большом количестве устройств это может стать проблемой, поскольку кроме увеличения количества кабелей могут возникнуть нежелательные паразитные контуры в цепи заземления, что негативно скажется на помехоустойчивости системы. Также при большом количестве одновременно используемых интерфейсов необходимо уделять особое внимание качеству и состоянию кабелей, поскольку все преимущества токовой петли исчезают при нарушении изоляции передающих линий. Еще одним недостатком токовой петли является относительно низкая (по сегодняшним меркам) скорость передачи информации, напрямую зависящая от длины линии. В отличие от систем на основе передачи напряжения, для которых скорость перезаряда паразитной емкости кабеля можно повысить, например, увеличением мощности передатчика (ведь его кратковременный максимальный выходной ток теоретически ничем не ограничен), выходной ток передатчика для токовой петли не должен превышать 20 мА. Пусть в системе связи используется типовой кабель с погонной емкостью, равной 75 пФ/м. В этом случае отрезок линии длиной 1 км будет иметь емкость 75 нФ. Пусть входное сопротивление приемника равно 250 Ом, что при выходном токе 20 мА обеспечивает напряжение на входе приемника 5 B. В этом случае для заряда паразитной емкости линии до такого напряжения потребуется около 18,5 мкс. Нетрудно подсчитать, что максимальная скорость передачи в этом случае не может превышать 54 кбит/с, и она будет пропорционально уменьшаться по мере увеличения длины кабеля. В реальных системах скорость передачи данных по интерфейсу 4-20 мА обычно не превышает 9600 кбит/с. Тем не менее, для большинства систем управления этого оказывается вполне достаточно.

ООО Промэлектроника

Поскольку мир стремится постепенно отказаться от ископаемого топлива в пользу более чистых возобновляемых источников энергии, все больше усилий прилагается к совершенствованию существующих возобновляемых технологий и созданию устройств, которые могут по-новому использовать возобновляемые источники энергии. Солнечный свет, захваченный солнечными батареями, в настоящее время является одним из наиболее часто используемых возобновляемых источников энергии. Однако существует также ряд других способов использования солнечного света для производства энергии. Учитывая количество солнечного света, падающего на Землю каждый день, у устройств по сбору солнечной энергии есть отличный потенциал, чтобы стать одним из лидеров более чистого и зеленого общества и укрепить свои существующие позиции в качестве одной из ведущих технологий возобновляемых источников энергии. Дизайнеры тестируют и используют 2D-материалы в ряде этих систем сбора солнечной энергии, от широко распространенного использования графена в солнечных элементах до использования различных 2D-материалов в фотокаталитических и фототермических подходах к сбору. Фотовольтаика (солнечные элементы) Из всех существующих методологий и технологий сбора солнечной энергии солнечные батареи являются наиболее коммерциализированным, наиболее популярным и наиболее эффективным выбором. Существует несколько объемных солнечных элементов, состоящих из материалов кремния и перовскита. Кроме того, разрабатывается ряд подходов, в которых 2D-материалы (и другие наноматериалы) используются либо для улучшения характеристик объемных кремниевых солнечных элементов, либо для создания более тонких и/или более гибких солнечных элементов. В последнем уже имеется ряд гибких органических солнечных элементов; однако активные материалы, как правило, имеют гораздо более низкую производительность, чем неорганические материалы, поэтому 2D-материалы предлагают способ создания более тонких солнечных элементов со значительно улучшенными характеристиками. Существует множество устройств, в которых легированный графен использовался в качестве фотоактивного материала в полупроводниковом фотогальваническом переходе в солнечных элементах, иногда сам по себе, а иногда в сочетании с кремнием в более объемных солнечных элементах. Помимо этого, графен и его производные рекламируются как альтернатива транспортному слою дырок вместо дорогих благородных металлов, таких как серебро и золото, в попытке снизить стоимость крупномасштабных солнечных элементов. Графен также используется в сочетании с кремнием в ряде других гибридных устройств, в том числе при создании более тонких, гибких и полупрозрачных солнечных элементов. В то время как графен вызывает наибольший интерес, графен и дихалькогениды переходных металлов (TMDC) интегрируются в различные солнечные элементы — из-за их стабильности и устойчивости к нескольким потенциально разрушающим воздействиям — для улучшения их долгосрочной стабильности и обеспечения их оптимальной работы в течение длительного времени. Эти двумерные материалы интегрируются в широкий спектр объемных солнечных элементов на коммерческом уровне, в том числе в кремниевые и перовскитные солнечные элементы, а также в тандемные солнечные элементы. В последние годы интерес к гибким солнечным элементам значительно вырос, и, хотя графен был первым 2D-материалом, испытанным для солнечных элементов, с тех пор область его применения расширилась и продолжает расширяться. В последние годы TMDC использовались вместе с графеном для создания эффективных, гибких солнечных элементов, а материалы из перовскита в настоящее время превращаются в двумерные листы, чтобы попытаться повторить успех более объемных перовскитных солнечных элементов, но в форме гораздо меньшего и гибкого. солнечная батарея. 2D-перовскитные солнечные элементы еще не смогли достичь высот своих более объемных аналогов, но это гораздо более новое дополнение к семейству 2D-элементов, поэтому у них еще достаточно времени, чтобы сыграть свою роль в 2D-солнечных элементах с усиленным материалом. .