長いアナログ伝送で電流信号が電圧信号よりも好ましいのはなぜですか？

一部のセンサーは電流源のように動作し、特に風車のような屋外でも非常に長いワイヤの場合は、何度か見ました。たとえば、0〜10 Vの電圧の代わりに4〜20 mAの電流ループが使用されます。

これの物理的な説明は何ですか？現在はどのように有利ですか？

（EMI干渉の観点から、電流ループ信号がより耐性があるかどうか、またその理由も疑問に思っています。）

回路図、いくつかのコンポーネントの電圧電流源を使用して、この概念を説明してください。両方の場合などでコモンモード干渉がどのように結合されるか、および電流ループがノイズの影響を受けない理由。

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答えを読んだ後、ここに私が理解するものがあります（クリックしてシミュレーション図と対応するプロットを表示します）：

すべてのシナリオで共通モードVcm干渉を適用します。

最初の上の図では、1ギガオームのインピーダンスの電流源が不平衡/不平衡ケーブルを介して送信され、レシーバーがシングルエンドであっても出力はノイズの影響を受けません。（1Gオームはノイズを小さくしますが、このRcurが小さいほど受信機のノイズが大きくなります）

中央の図では、電圧源は不平衡ケーブルを介して送信され、受信機はシングルエンドであり、出力は非常にノイズが多いです。

下の図では、電圧源が平衡ケーブルを介して送信され、レシーバーは差動終端されており、コモンモードノイズが除去されています。

この質問を表すために私の結論/シミュレーションは正しいですか？

実際、ノイズに対する耐性にとって重要なのは、信号を乱すために必要な力です。

すなわち、インピーダンスがほぼゼロの入力での電流信号は、インピーダンスがほぼ無限の入力での電圧信号と同じくらい悪いです。

必要なのは、信号にいくらかの電力が含まれるように、ゼロ以外のインピーダンスと無限でないインピーダンスを持つレシーバーです。
すなわち

• 情報が電圧としてコード化されている場合、レシーバーに流れる電流がまだあるはずです。
• 情報が電流としてコード化されている場合、受信機の両端に電圧が残っているはずです。

そのため、両方のケースは似ていますが、信号を電圧としてコード化するか電流としてコード化する方が良いかを判断するだけです（別の方法は電力としてコード化されます）。測定目的には、電圧または電流信号が最適です。

電流信号に適したワイヤは、電流が失われない（挿入されない）こと、理想的には漏れがないこと、つまり完全な絶縁を確保することだけが必要です。これは実際には非常によく達成できます。

電圧信号に適したワイヤは、電圧が失われないこと、つまり理想的には電圧降下がなく、ワイヤに沿った完全なコンダクタンスを確保する必要があります。超伝導体を使用していない限り、これを実際に達成することはほとんど不可能です。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

いずれにせよ、レシーバーの抵抗は0を大きく上回り、無限大を大きく下回るはずです。
絶縁抵抗を実質的に無限にすることは簡単です。
直列抵抗を0にすることは事実上不可能です。

したがって、信号をワイヤに沿ってある程度の距離で送信する必要がある場合は、電圧信号よりも電流信号を使用することをお勧めします。

電流は、導体のすべての部分で等しいという点で優れています。つまり、片側から15 mAを押し込んでいる場合、反対側には200 m離れていても15 mAが見えます。これは非常に簡単に検知でき、データ送信の信頼性が高まります。

電圧についても同様です。導体のインピーダンスが高く、電気的干渉がある場合、入力電圧信号が低下し、有効な電圧が反対側に届かないことがあります。

ノイズ耐性は、電流ループが低インピーダンスシステムであるという事実から生じます。なぜこれが重要なのかをご覧ください：なぜ高インピーダンス回路はノイズに敏感ですか？

現在のシグナリングには、状況によって異なる利点があるため、いくつかの異なる答えがあります。

低周波信号の場合。

定電流源（送信側）は非常に高いインピーダンスを持っています（CVのものは非常に低いインピーダンスを持っています）。したがって、かなり高い直列抵抗を入れても効果はありません。CCソースはすでに非常に高いのですが、数百/千オームの効果はどのようなものでしょうか？同様に、ノイズをケーブル（C1,2）に結合すると、高いソースRは両方のワイヤが一緒に上下することを意味します。これはコモンモードノイズであり、電流には影響しません。一方、受信端のRは低くなります。これにより、容量結合ノイズが減衰され、堅牢になります。

電圧システムは反対です。ソースのインピーダンスは非常に低くする必要があります。シリーズRが重要になります。rxは非常に高い入力インピーダンスである必要があります。そうでない場合、分圧器を使用します。容量的にノイズを拾い、損傷を受けやすくなります。容量的に注入されたノイズはRSourceを流れ、レシーバで差動電圧を取得します。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

高周波信号（ビデオなど）の場合

電流ループは、ケーブルの両側で基本的に一定の電圧を持っています。したがって、ケーブル全体の静電容量は電流を流さず、影響もありません。信号はケーブルCの影響を受けず、ノイズやEMIから保護するために追加されたCの影響も受けません。Cを駆動する必要がないため、使用される電力ははるかに少なくなります。

私が懸念している限り、これらはいくつかのケースで現在のループを選択する2つの主な理由です。

• あなたはあなたのワイヤーの長さ/抵抗を気にしません。3mのワイヤーを50mのワイヤーに変更し、抵抗を変更すると、信号は同じになります（ソースが十分な電圧/電力を提供できる限り）。
• 損傷と障害を検出できます。0mAを取得する場合、センサーまたはワイヤが破損しています。電圧ループを使用するのは簡単に理解できません。

EMIについては、ほとんどの場合影響しません。EMIは通常（非常に）高い周波数で発生し、信号の変化よりもはるかに高速であるため、フィルタリングできます。

また、これは3〜15psiの範囲が使用されていた古い空気圧制御システムに関連しているようです。

アナログ信号に関して他に覚えておくべきことは、HART通信プロトコルを統合する機能です。HART（Highway Addressable Remote Transmitter）は、アナログ信号の上にオーバーレイされるデジタル信号で、同じ配線を介して追加情報を送信できます。最近のほとんどのスマート産業機器は、HART機能で動作します。そのため、利点は電圧降下とEMIだけではありません。