Como funciona o circuito de 4-20 mA

O "loop atual" foi usado como uma interface de transmissão de dados na década de 1950. A princípio, a corrente operacional da interface era de 60 mA e, posteriormente, a partir de 1962, a interface de loop de corrente de 20 mA tornou-se difundida no teletipo.

Na década de 1980, quando vários sensores, equipamentos de automação e atuadores começaram a ser amplamente introduzidos em equipamentos tecnológicos, a interface “circuito de corrente” estreitou a faixa de suas correntes de operação - passou a variar de 4 a 20 mA.

A expansão do «loop de corrente» começou a desacelerar a partir de 1983, com o advento do padrão de interface RS-485, e hoje o «loop de corrente» quase nunca é usado em novos equipamentos como tal.

Um transmissor de loop de corrente difere de um transmissor RS-485 porque usa uma fonte de corrente em vez de uma fonte de tensão.

A corrente, ao contrário da tensão, movendo-se da fonte ao longo do circuito, não altera seu valor atual dependendo dos parâmetros de carga. Portanto, o «loop de corrente» não é sensível à resistência do cabo, à resistência da carga ou mesmo ao ruído indutivo EMF.

Além disso, a corrente do loop não depende da tensão de alimentação da própria fonte de corrente, mas só pode mudar devido a vazamentos pelo cabo, que geralmente são insignificantes. Essa característica do ciclo atual determina completamente as formas de sua implementação.

Deve-se notar que o EMF do captador capacitivo é aplicado aqui em paralelo com a fonte de corrente, e a blindagem é usada para enfraquecer seu efeito parasita.

Por esta razão, a linha de transmissão do sinal é geralmente um par trançado blindado, que, trabalhando em conjunto com um receptor diferencial, atenua sozinho o modo comum e o ruído indutivo.

No lado receptor do sinal, a corrente do loop é convertida em tensão usando um resistor calibrado. E a uma corrente de 20 mA, obtém-se uma tensão da série padrão de 2,5 V; 5V; 10V; — basta usar apenas um resistor com resistência de 125, 250 ou 500 Ohm, respectivamente.

A primeira e principal desvantagem da interface «current loop» é a sua baixa velocidade, limitada pela velocidade de carregamento da capacidade do cabo de transmissão da fonte de corrente acima mencionada localizada no lado transmissor.

Assim, ao usar um cabo de 2 km de comprimento, com capacitância linear de 75 pF / m, sua capacitância será de 150 nF, o que significa que são necessários 38 μs para carregar essa capacitância para 5 volts a uma corrente de 20 mA, o que corresponde a uma taxa de transferência de dados de 4,5 kbps.

Abaixo está uma dependência gráfica da taxa máxima de transmissão de dados disponível através do «loop de corrente» no comprimento do cabo usado em diferentes níveis de distorção (jitter) e em diferentes tensões, a avaliação foi realizada da mesma forma que para o Interface RS-485.

Outra desvantagem do «loop de corrente» é a falta de um padrão específico para o projeto de conectores e para os parâmetros elétricos dos cabos, o que também limita a aplicação prática dessa interface. Para ser justo, pode-se notar que, de fato, os geralmente aceitos variam de 0 a 20 mA e de 4 a 20 mA. A faixa de 0 a 60 mA é usada com muito menos frequência.

Os desenvolvimentos mais promissores que exigem o uso da interface "loop de corrente", em sua maioria, hoje usam apenas a interface 4 ... 20 mA, o que permite diagnosticar facilmente uma quebra de linha. Além disso, o "loop de corrente " pode ser digital ou analógico, dependendo dos requisitos do desenvolvedor (mais sobre isso depois).

A taxa de dados praticamente baixa de qualquer tipo de «loop de corrente» (analógico ou digital) permite que seja usado simultaneamente com vários receptores conectados em série, não sendo necessária a correspondência de linhas longas.

Versão analógica do «ciclo atual»

O "loop de corrente" analógico encontrou aplicação em tecnologia onde é necessário, por exemplo, transmitir sinais de sensores para controladores ou entre controladores e atuadores. Aqui, o ciclo atual oferece várias vantagens.

Em primeiro lugar, a faixa de variação do valor medido, quando reduzida à faixa padrão, permite alterar os componentes do sistema. A capacidade de transmitir um sinal com alta precisão (não mais que + -0,05% de erro) a uma distância considerável também é notável. Finalmente, o padrão de ciclo atual é suportado pela maioria dos fornecedores de automação industrial.

O loop de corrente de 4 … 20 mA tem uma corrente mínima de 4 mA como ponto de referência do sinal.Assim, se o cabo for rompido, a corrente será zero. Ao usar um loop de corrente de 0 … 20 mA, será mais difícil diagnosticar uma ruptura de cabo, pois 0 mA pode simplesmente indicar o valor mínimo do sinal transmitido. Outra vantagem da faixa de 4 … 20 mA é que mesmo em um nível de 4 mA é possível alimentar o sensor sem problemas.

Abaixo estão dois diagramas de corrente analógica. Na primeira versão, a fonte de alimentação é embutida no transmissor, enquanto na segunda versão, a fonte de alimentação é externa.

A fonte de alimentação embutida é conveniente em termos de instalação, e a externa permite alterar seus parâmetros dependendo da finalidade e das condições de operação do dispositivo com o qual o loop de corrente é usado.

O princípio de operação do loop de corrente é o mesmo para ambos os circuitos. Idealmente, um amplificador operacional tem uma resistência interna infinitamente grande e corrente zero em suas entradas, o que significa que a tensão em suas entradas também é inicialmente zero.

Assim, a corrente no resistor do transmissor dependerá apenas do valor da tensão de entrada e será igual à corrente em todo o loop, enquanto não dependerá da resistência da carga. Portanto, a tensão de entrada do receptor pode ser facilmente determinada.

O circuito op-amp tem a vantagem de permitir calibrar o transmissor sem ter que conectar um cabo receptor a ele, pois o erro introduzido pelo receptor e cabo é muito pequeno.

A tensão de saída é selecionada com base nas necessidades do transistor de transmissão para seu funcionamento normal no modo ativo, bem como com a condição de compensar a queda de tensão nos fios, no próprio transistor e nos resistores.

Digamos que os resistores sejam de 500 ohms e o cabo seja de 100 ohms. Então, para obter uma corrente de 20 mA, é necessária uma fonte de tensão de 22 V. A tensão padrão mais próxima é escolhida - 24 V. O excesso de energia do limite de tensão será simplesmente dissipado no transistor.

Note que ambos os gráficos mostram Isolamento galvânico entre o estágio do transmissor e a entrada do transmissor. Isso é feito para evitar qualquer conexão falsa entre o transmissor e o receptor.

Como exemplo de transmissor para construir um loop de corrente analógico, podemos citar um produto acabado NL-4AO com quatro canais de saída analógica para conectar um computador com um atuador usando o 4 ... 20 mA ou 0 ... 20 mA » ciclo atual « protocolo.

O módulo se comunica com o computador via protocolo RS-485. O dispositivo é calibrado para compensar erros de conversão e executa comandos fornecidos pelo computador. Os coeficientes de calibração são armazenados na memória do dispositivo. Os dados digitais são convertidos em analógicos usando um DAC.

Versão digital do «ciclo atual»

O loop de corrente digital funciona, via de regra, no modo 0 ... 20 mA, pois é mais fácil reproduzir o sinal digital dessa forma. A precisão dos níveis lógicos não é tão importante aqui, então a fonte de corrente do loop pode ter uma resistência interna não muito alta e uma precisão relativamente baixa.

No diagrama acima, com uma tensão de alimentação de 24 V, cai 0,8 V na entrada do receptor, o que significa que com um resistor de 1,2 kΩ, a corrente será de 20 mA. A queda de tensão no cabo, mesmo que sua resistência seja 10% da resistência total do loop, pode ser desprezada, assim como a queda de tensão no optoacoplador.Na prática, nessas condições, o transmissor pode ser considerado uma fonte de corrente.