Bucles de corriente de 4 a 20ma: ¿mejores prácticas de alimentación y recepción?

Question

Un cliente quiere que añada una placa de expansión a mi plataforma informática industrial para manejar múltiples bucles de 4 a 20ma. Actualmente, quiere alimentar el bucle y recibir datos de los transductores. He investigado un poco y he descubierto que normalmente cada receptor tiene una resistencia de 250 ohmios para convertir el rango de 4-20ma en 1-5V. 12-36V (24V nominal) parece típico para los requisitos de potencia.

Sin embargo, los ejemplos de receptores parecen demasiado simplificados. Por ejemplo, una simple resistencia de 250 ohmios debería tener más de 6 W para manejar una línea de 36 V en cortocircuito.

He aquí las áreas problemáticas tal y como yo las veo:

1) Rendimiento en cortocircuito. Yo esperaría que el sistema manejara cortocircuitos de bucle indefinidos.

2) Aislamiento. ¿Qué importancia tiene el aislamiento? Veo una nota que dice que bucles separados alimentados por la misma fuente podrían inducir bucles de tierra. Esto complicaría el soporte de múltiples canales. Actualmente, estoy ignorando esto.

3) Receptores múltiples. Si quieren encadenar receptores, 250 ohmios parece limitante. ¿Sigue siendo habitual? ¿Podría utilizar, por ejemplo, 50 ohmios para reducir la caída de tensión? Supongo que eso sería reducir mi inmunidad al ruido por un factor de cinco.

4) Sucesos de sobrecarga. Creo que pondré un diodo en serie, un diodo en paralelo y un Supresión de sobretensiones Bourns IC por línea.

Voy a poner una meta y decir 4 canales de hasta 36V de voltaje de bucle.

Estoy tentado de aumentar la entrada de mi sistema de 12-36 V a 40 V y utilizar un amplificador de potencia para bajarla a la corriente de bucle. Podría utilizar un amplificador de potencia como el OPA452 para cada canal, lo que proporcionaría protección contra cortocircuitos y selección de tensión por canal.

¿Lo estoy pensando demasiado? ¿No lo he pensado lo suficiente? ¿Simplemente pongo cuatro resistencias de 250 ohmios y ADCs en paralelo conectados a una fuente de 24V y ya está? (más que nada retórica)

Pregunta extra: ¿Cuál es la mejor manera de transmita ¿Señales de 4 a 20ma? ¿Debería usar algo como un AD421 ?

Answer 1

Tu valor de disipación de potencia no cuadra. A recibiendo sólo ve una corriente de hasta 20 mA. El voltaje que ve depende de lo que haga con esa corriente, pero si se utiliza una resistencia de 250Ω, entonces ese voltaje será de 5V como máximo. 5V * 20mA = 100mW.

En el peor de los casos, todo el bucle sólo llega a 20mA * 36V = 720mW. A remitente disiparía esta cantidad si fuera el único dispositivo en un bucle de 36V y estuviera indicando la escala completa (20mA). Esto se reduce en 100mW por cada receptor en el bucle que cae 5V a escala completa.

Answer 2

1. Cortocircuito. Como menciona Olin Lathrop, la fuente de alimentación (en el receptor) que envía energía a los sensores debe estar limitada en corriente. Digamos que la fuente de alimentación que conduce el bucle es de +40 VDC, pero la corriente limitada a unos 30 mA - tal vez mediante el uso de un LM317 y una resistencia de 47 ohmios en el "circuito "límite de corriente mostrado en la hoja de datos del LM317 y el " Circuito sencillo para limitar la corriente a través de un FET ". (No importa si el límite de corriente está en serie con la línea "hi" que sale hacia el sensor, o en serie con la línea "lo" que vuelve del sensor a la resistencia de 250 Ohm, o ambas). Si algo horrible sucede y las dos líneas que salen al sensor se cortocircuitan, el LM317 limita la corriente a 30 mA a través del cortocircuito y a través de la resistencia de detección de 250 ohmios, lo que resulta en 7,5 V a través de la resistencia de detección (o tal vez sólo 5,6 V a través de la resistencia con una configuración diferente de diodos de protección ADC), cero V a través del cortocircuito, y el resto de los +40 V CC es a través del limitador de corriente LM317. Eso da en el peor de los casos 30 mA * 7,5 V = 0,225 W, por lo que una sola resistencia común de un cuarto de vatio puede (apenas) manejarlo indefinidamente. El LM317 tiene protección térmica contra sobrecargas y puede soportar los 40 VCC y 30 mA de corriente indefinidamente.

2. Aislamiento. Los dos cables que van a cada sensor deben estar aislados, y cada sensor no debe tener ningún otro cable conductor de corriente conectado a él, de modo que cada sensor esté bastante bien aislado de todos los demás (aunque las líneas "hi" de todos los sensores estén conectadas juntas en el receptor). La corriente que entra en cualquier objeto bien aislado debería ser igual a la corriente que sale de ese objeto (los electrones generalmente no saltan de los cables), por lo que no veo ningún camino para "bucles de tierra" en ninguna parte. La principal ventaja de la detección por bucle de corriente es que es mucho más fácil aislar los cables de bucle de corriente para que la corriente de fuga sea prácticamente nula que hacer que los cables de detección de tensión sean altamente conductores para que la caída de tensión sea prácticamente nula.

3. Receptores múltiples. No importa lo que hagas, no puedes tener cientos de receptores a lo largo de un bucle. Supongo que podrías sacrificar algo de rechazo de ruido y usar resistencias de detección de 50 Ohm para tener unos cuantos receptores más antes de que no funcione en absoluto. Pero al final, te ves forzado a (a) usar dispositivos "Current Loop Repeater", o bien (b) usar "zero voltage drop". convertidores de corriente a tensión también conocidos como "amplificadores de transimpedancia". Por desgracia, algunos receptores asumen que pueden conectar un extremo de la resistencia de detección de 250 Ohm a la tierra de seguridad - que funciona bien, siempre y cuando ese es el único receptor que lo hace; la conexión de sólo 2 receptores de este tipo en un bucle a un sensor provoca malos datos.

4. Supresión de sobretensiones. Suena bien, posiblemente ya un poco exagerado. Tal vez añadir un Zener para proteger el ADC de sobretensión y tensión inversa.

Answer 3

Esta respuesta no es ni mucho menos completa, pero es un comienzo cuando se piensa en detectores con aislamiento galvánico:

Este detector es un diseño de Bob Pease y hay una bastante reciente, versión actualizada También.

Esta imagen es sólo un adelanto; consulte el texto completo en el enlace al artículo en línea de la revista electronic design que aparece más arriba.

La mejora con respecto a utilizar sólo una resistencia como convertidor de corriente a tensión y tener que hacer frente a sus importantes pérdidas de potencia es que el circuito sugerido utiliza una referencia de tensión que limita la potencia a través de la resistencia de detección.

He aquí algunas sugerencias de lectura para los transmisores, citadas de la nota de aplicación 300 de National Semiconductor (como la anterior): "Los circuitos para hacer transmisores de 4-20 mA se encuentran en el LM10 , LM163 y LH0045 hojas de datos".

Invitamos a otros a editar esta respuesta y cubrir otros aspectos de la pregunta original.