Por que um sinal de corrente é preferível a um sinal de tensão para transmissão analógica longa?

Alguns sensores funcionam como fontes de corrente, e eu já o vi várias vezes, especialmente para fios muito longos, mesmo em ambientes externos, como palhetas de vento. Loops de corrente de 4-20 mA são usados ​​em vez da tensão de 0 a 10 V, por exemplo.

Qual pode ser a explicação física para isso? Como a corrente é mais vantajosa?

(Também estou me perguntando em termos de interferência EMI se um sinal de loop atual é mais imune e por quê.)

Por favor, explique esse conceito usando diagramas de circuitos, fontes de corrente de tensão com alguns componentes. Como a interferência no modo comum é acoplada nos dois casos, etc. e por que um loop de corrente é imune ao ruído.

EDITAR:

Depois de ler as respostas, eis o que eu entendo (clique para ver os diagramas de simulação e os gráficos correspondentes):

Aplico a interferência Vcm no modo comum em todos os cenários.

Na primeira figura superior, uma fonte de corrente com impedância de 1Giga Ohm é transmitida através de um cabo desbalanceado / desbalanceado e até o receptor é de extremidade única, a saída é imune a ruídos. (1G Ohm diminui o ruído, quanto menor esse Rcur, mais ruído no receptor)

Na figura do meio, uma fonte de tensão é transmitida através de um cabo desbalanceado e o receptor é de extremidade única , a saída é muito barulhenta.

Na figura inferior, uma fonte de tensão é transmitida através de um cabo balanceado e o receptor possui extremidade diferencial , e o ruído no modo comum é eliminado.

Minha conclusão / simulação está correta para representar esta pergunta?

Na verdade, o que importa para a imunidade contra ruídos é o poder necessário para perturbar o indivíduo.

Ou seja, um sinal de corrente em uma entrada com impedância quase zero é tão ruim quanto um sinal de tensão em uma entrada com impedância quase infinita.

O que é necessário é um receptor com impedância diferente de zero e não infinita, para que o sinal envolva alguma potência .
Ou seja,

• se a informação é codificada como tensão, ainda deve haver alguma corrente fluindo no receptor e
• se a informação é codificada como corrente, ainda deve haver alguma tensão no receptor.

Portanto, os dois casos são semelhantes, mas você apenas decide se é melhor codificar o sinal como tensão ou corrente (outra alternativa seria codificada como potência). Para fins de medição, os sinais de tensão ou corrente são os mais apropriados.

Um bom fio para um sinal de corrente só precisa garantir que nenhuma corrente seja perdida (ou inserida), ou seja, idealmente sem vazamentos, ou seja, isolamento perfeito. Isso pode ser realizado na prática muito bem.

Um bom fio para um sinal de tensão precisa garantir que nenhuma tensão seja perdida, ou seja, idealmente nenhuma queda de tensão, condutância perfeita ao longo do fio. A menos que você esteja usando um supercondutor, isso é quase impossível de realizar na prática.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Em qualquer caso, a resistência do receptor deve estar bem acima de 0 e bem abaixo do infinito.
É fácil ter a resistência de isolamento praticamente infinita.
É praticamente impossível ter a resistência em série 0.

Portanto, se o sinal tiver que ser enviado a certa distância ao longo de um fio, é melhor usar um sinal de corrente do que um sinal de tensão.

A corrente é ótima, pois é igual em todas as partes de um condutor. Ou seja, se você estiver empurrando 15 mA de um lado, o outro lado verá 15 mA, mesmo que esteja a 200 m de distância. Isso é muito fácil de detectar e torna a transmissão de dados confiável.

O mesmo não se aplica à tensão. Se o seu condutor tiver uma alta impedância e interferência elétrica, seu sinal de tensão de entrada será degradado e uma tensão válida poderá não atingir o outro lado.

A imunidade ao ruído vem do fato de que os loops de corrente são um sistema de baixa impedância. Veja aqui por que isso importa: Por que os circuitos de alta impedância são mais sensíveis ao ruído?

A sinalização atual tem vantagens diferentes em situações diferentes, portanto, existem várias respostas diferentes.

No caso de sinalização de baixa frequência.

Uma fonte de corrente constante (remetente) tem uma impedância muito alta (e uma CV tem uma impedância muito baixa). Então, quando você coloca uma resistência de série bastante alta, ela não tem efeito: a fonte CC já é super alta, que efeito algumas centenas / mil ohms extras farão? Da mesma forma, quando você acopla o ruído ao cabo (C1,2), a fonte alta R significa que ambos os fios sobem e descem juntos - é um ruído de modo comum e não afeta a corrente. Enquanto isso, a extremidade de recepção tem um R. baixo. Isso reduz qualquer ruído capacitivamente acoplado e é robusta.

Um sistema de tensão é o oposto. A fonte deve ter impedância muito baixa. A série R vai importar. O rx precisa ter uma impedância de entrada muito alta ou você recebe um divisor de tensão. Ele captará capacitivamente o ruído e estará sujeito a danos. O ruído injetado capacitativamente flui através do RSource, e você obtém tensões diferenciais no receptor.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

No caso de sinalização de alta frequência (por exemplo, vídeo)

O loop de corrente tem basicamente voltagem constante em ambos os lados do cabo. Portanto, a capacitância através do cabo não passa corrente e não tem nenhum efeito. O sinal é imune ao cabo C e é imune ao C extra adicionado para proteger contra ruídos e emi. Muito menos energia é usada, pois C não precisa ser acionado.

Para mim, essas são as duas principais razões para escolher loops atuais em vários casos:

• Você não se importa com o comprimento / resistência de seus fios. Você pode mudar um fio de 3m para um de 50m, mudando sua resistência, o sinal será o mesmo (desde que a fonte possa fornecer tensão / energia suficientes, é claro).
• Você pode detectar danos e falhas. Se você obtiver 0mA, o sensor ou seu fio estão quebrados. Com loops de tensão não é tão fácil de descobrir.

Sobre a EMI, isso não afeta a maioria das vezes. O EMI geralmente vem em frequências (muito) altas, muito mais rapidamente do que o sinal muda, para que você possa filtrá-lo.

Além disso, parece que isso está relacionado aos antigos sistemas de controle pneumático, onde a faixa de 3-15psi foi usada.

Outra coisa a lembrar sobre os sinais analógicos é a capacidade de integrar o protocolo de comunicação HART. O HART (Transmissor remoto endereçável na estrada) é um sinal digital sobreposto ao sinal analógico, permitindo que informações adicionais sejam enviadas pela mesma fiação. Atualmente, a maioria dos instrumentos industriais inteligentes opera com o recurso HART. Portanto, os benefícios são muito maiores do que apenas queda de tensão e EMI.