Cómo funciona el circuito de 4-20 mA
El "bucle actual" se utilizó como interfaz de transmisión de datos en la década de 1950. En un principio, la corriente de funcionamiento de la interfaz era de 60 mA y, posteriormente, a partir de 1962, la interfaz de bucle de corriente de 20 mA se generalizó en el teletipo.
En la década de 1980, cuando varios sensores, equipos de automatización y actuadores comenzaron a introducirse ampliamente en los equipos tecnológicos, la interfaz del "circuito de corriente" redujo el rango de sus corrientes operativas: comenzó a variar de 4 a 20 mA.
La mayor difusión del «bucle de corriente» comenzó a ralentizarse a partir de 1983, con la llegada del estándar de interfaz RS-485, y en la actualidad el «bucle de corriente» casi nunca se utiliza en equipos nuevos como tal.
Un transmisor de bucle de corriente se diferencia de un transmisor RS-485 en que utiliza una fuente de corriente en lugar de una fuente de voltaje.
La corriente, a diferencia del voltaje, que se mueve desde la fuente a lo largo del circuito, no cambia su valor actual según los parámetros de carga. Por lo tanto, el «bucle de corriente» no es sensible ni a la resistencia del cable, ni a la resistencia de la carga, ni siquiera al ruido inductivo EMF.
Además, la corriente de bucle no depende de la tensión de alimentación de la propia fuente de corriente, sino que solo puede cambiar debido a fugas a través del cable, que suelen ser insignificantes. Esta característica del ciclo actual determina completamente las formas de su implementación.
Cabe señalar que el EMF de la captación capacitiva se aplica aquí en paralelo con la fuente de corriente, y el blindaje se usa para debilitar su efecto parásito.
Por este motivo, la línea de transmisión de la señal suele ser un par trenzado apantallado, que, trabajando junto con un receptor diferencial, atenúa por sí solo el modo común y el ruido inductivo.
En el lado de recepción de la señal, la corriente de bucle se convierte en voltaje mediante una resistencia calibrada. Y a una corriente de 20 mA, se obtiene un voltaje de la serie estándar de 2,5 V; 5V; 10V; — es suficiente usar solamente una resistencia con una resistencia de 125, 250 o 500 Ohm respectivamente.
La primera y principal desventaja de la interfaz de «bucle de corriente» es su baja velocidad, limitada por la velocidad de carga de la capacidad del cable de transmisión desde la fuente de corriente mencionada anteriormente ubicada en el lado de transmisión.
Entonces, al usar un cable de 2 km de largo, con una capacitancia lineal de 75 pF / m, su capacitancia será de 150 nF, lo que significa que se necesitan 38 μs para cargar esta capacitancia a 5 voltios a una corriente de 20 mA, lo que corresponde a una velocidad de transferencia de datos de 4,5 kbps.
A continuación se muestra gráficamente la dependencia de la máxima velocidad de transmisión de datos disponible a través del «bucle de corriente» de la longitud del cable utilizado a diferentes niveles de distorsión (jitter) y a diferentes tensiones, la evaluación se realizó de la misma forma que para el Interfaz RS -485.
Otra desventaja del «bucle de corriente» es la falta de un estándar específico para el diseño de conectores y para los parámetros eléctricos de los cables, lo que también limita la aplicación práctica de esta interfaz. Para ser justos, se puede señalar que, de hecho, los generalmente aceptados van de 0 a 20 mA y de 4 a 20 mA. El rango de 0 a 60 mA se usa con mucha menos frecuencia.
Los desarrollos más prometedores que requieren el uso de la interfaz de "bucle de corriente", en su mayor parte hoy en día usan solo la interfaz de 4 ... 20 mA, lo que permite diagnosticar fácilmente una ruptura de línea. Además, el "bucle de corriente " puede ser digital o analógico, según los requisitos del desarrollador (más sobre esto más adelante).
La tasa de datos prácticamente baja de cualquier tipo de «bucle de corriente» (analógico o digital) permite su uso simultáneo con varios receptores conectados en serie, sin necesidad de emparejar largas líneas.
Versión analógica del «ciclo actual»
El "bucle de corriente" analógico ha encontrado aplicación en tecnología donde es necesario, por ejemplo, transmitir señales de sensores a controladores o entre controladores y actuadores. Aquí, el ciclo actual proporciona varias ventajas.
En primer lugar, el rango de variación del valor medido, cuando se reduce al rango estándar, le permite cambiar los componentes del sistema. También es notable la capacidad de transmitir una señal con alta precisión (no más de + -0,05% de error) a una distancia considerable. Finalmente, el estándar de ciclo actual es compatible con la mayoría de los proveedores de automatización industrial.
El lazo de corriente de 4 … 20 mA tiene una corriente mínima de 4 mA como punto de referencia de la señal.Así, si el cable se rompe, la corriente será cero. Al utilizar un lazo de corriente de 0 … 20 mA, será más difícil diagnosticar una rotura de cable, ya que 0 mA puede indicar simplemente el valor mínimo de la señal transmitida. Otra ventaja del rango de 4 … 20 mA es que incluso a un nivel de 4 mA es posible alimentar el sensor sin ningún problema.
A continuación se muestran dos diagramas de corriente analógica. En la primera versión, la fuente de alimentación está integrada en el transmisor, mientras que en la segunda versión, la fuente de alimentación es externa.
La fuente de alimentación incorporada es conveniente en términos de instalación, y la externa le permite cambiar sus parámetros según el propósito y las condiciones de funcionamiento del dispositivo con el que se utiliza el bucle de corriente.
El principio de funcionamiento del bucle de corriente es el mismo para ambos circuitos. Idealmente, un amplificador operacional tiene una resistencia interna infinitamente grande y cero corriente en sus entradas, lo que significa que el voltaje en sus entradas también es inicialmente cero.
Así, la corriente a través de la resistencia en el transmisor dependerá únicamente del valor del voltaje de entrada y será igual a la corriente en todo el lazo, mientras que no dependerá de la resistencia de carga. Por lo tanto, el voltaje de entrada del receptor se puede determinar fácilmente.
El circuito op-amp tiene la ventaja de permitirle calibrar el transmisor sin tener que conectarle un cable receptor, ya que el error que introducen el receptor y el cable es muy pequeño.
El voltaje de salida se selecciona en función de las necesidades del transistor de transmisión para su funcionamiento normal en modo activo, así como con la condición de compensar la caída de voltaje en los cables, el propio transistor y las resistencias.
Digamos que las resistencias son de 500 ohmios y el cable es de 100 ohmios. Luego, para obtener una corriente de 20 mA, se requiere una fuente de voltaje de 22 V. Se elige el voltaje estándar más cercano: 24 V. El exceso de potencia del límite de voltaje simplemente se disipará en el transistor.
Tenga en cuenta que ambos gráficos muestran aislamiento galvánico entre la etapa del transmisor y la entrada del transmisor. Esto se hace para evitar cualquier conexión falsa entre el transmisor y el receptor.
Como ejemplo de un transmisor para construir un lazo de corriente analógico, podemos citar un producto terminado NL-4AO con cuatro canales de salida analógica para conectar una computadora con un actuador usando el 4 ... 20 mA o 0 ... 20 mA » ciclo actual « protocolo.
El módulo se comunica con la computadora a través del protocolo RS-485. El dispositivo está calibrado actualmente para compensar los errores de conversión y ejecuta los comandos proporcionados por la computadora. Los coeficientes de calibración se almacenan en la memoria del dispositivo. Los datos digitales se convierten a analógicos mediante un DAC.
Versión digital de «ciclo actual»
El bucle de corriente digital funciona, por regla general, en el modo 0 ... 20 mA, ya que es más fácil reproducir la señal digital de esta forma. La precisión de los niveles lógicos no es tan importante aquí, por lo que la fuente de corriente de bucle puede tener una resistencia interna no muy alta y una precisión relativamente baja.
En el diagrama anterior, con una tensión de alimentación de 24 V, se caen 0,8 V en la entrada del receptor, lo que significa que con una resistencia de 1,2 kΩ, la corriente será de 20 mA. La caída de tensión en el cable, incluso si su resistencia es el 10 % de la resistencia total del bucle, puede despreciarse, al igual que la caída de tensión en el optoacoplador.En la práctica, en estas condiciones, el transmisor puede considerarse una fuente de corriente.