Cómo diseñar un receptor de bucle de corriente de 4-20 mA con un mínimo de componentes

August 6, 2019 CircuitStudio

Siempre he sido fanático de Gordon Ramsay. Nunca falla en asombrarme con sus obscenidades tan coloridas mientras los concursantes desafortunados de Hell’s Kitchen continuamente sirven vieiras crudas. Pero lo que verdaderamente encontré divertido fue cuando probó suerte con la cocina asiática. Pero la situación dio un giro y él aprendió de la manera más dura que la buena cocina asiática es una bestia completamente diferente a sus habituales bistecs Wellington.

 

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Control de procesos: Donde reinan 4-20mA.   

Tuve una experiencia similar cuando me cambié al diseño analógico en una industria dominada por controladores lógicos programables (PLC, por sus siglas en inglés), después de pasar cinco años diseñando pura electrónica digital. Sentí por primera vez “la aventura de Ramsay con las delicias asiáticas” mientras trabajaba en mi primer proyecto que tenía que ver con múltiples receptores de bucle de corriente de 4-20 mA con un microcontrolador de 8 bits como una opción localizada de bajo costo para los PLC. Para un experto en control de procesos analógicos, esto sería cosa fácil, pero quedé fuera de juego al intentar convertir el flujo de corriente en las lecturas digitales familiares que conocía y adoraba.

Bucle de corriente de 4-20 mA en pocas palabras

Si eres tan ignorante como yo lo fui, 40-20 mA es un estándar bastante común en la industria del control. Encontrará transductores de 4-20 mA en la climatización (HVAC), la manufactura, los centros de datos o cualquier industria en la que dominen los PLC. Es un estándar industrial donde los parámetros medidos por un sensor son representados por una corriente directa que alcanza de 4 mA hasta 20 mA.

Cuando ha pasado su carrera entera de diseño metido con pura electrónica digital, comenzará a preguntarse, ¿por qué no estamos utilizando el voltaje para transmitir la señal de tensión medida? Y, ¿por qué no usar 0-20 mA?

En primer lugar, debe entender que el control de procesos y la automatización depende en gran medida de la precisión de los parámetros medidos y que las tablas a menudo operan en ambientes eléctricos hostiles. Las señales analógicas de tensión que funcionan bien en un espacio limitado de electrónica digital pueden experimentar  interferencias eléctricas de los relés y solenoides o pueden sufrir caídas a través de largas líneas de transmisión.

 
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Volver a lo básico con la ley de Ohm

Debe volver a lo básico para comprender la transmisión de bucle de corriente de 4-20 mA. ¿Recuerda la ley de Ohm con la famosa ecuación de I = V / R? El voltaje puede caer mientras viaja por los cables del sensor, pero la corriente que fluye por ellos permanece constante. Esto hace que el flujo de corriente sea un mejor parámetro de medición en cuanto a estabilidad y consistencia. En cuanto a la razón por la cual los parámetros comienzan en 4 mA en lugar de 0 mA, simplemente es porque es más fácil detectar fallos. Cualquier cosa inferior a 4 mA es una indicación de un sensor defectuoso o un cable roto.

Un receptor de bucle de corriente de 4-20 mA simple y efectivo con un mínimo de componentes

Antes de comenzar mi pequeño negocio de fabricación bajo contrato, era un diseñador de pura electrónica. En ese entonces, si tenía que convertir la corriente en voltaje, utilizaba cualquier solución de circuito integrado para poder completar el trabajo rápidamente. Hubiera sido pan comido utilizar un receptor amplificador de 4-20 mA de precisión, ya que no hubiera tomado en cuenta el coste y la facilidad de aplicación. Para los diseñadores que no están familiarizados con el diseño analógico, es un mundo nuevo y valiente. Estará trabajando con ruidos de señal, interferencias y bucles de tierra. Un circuito integrado especializado de precisión puede ser una solución atractiva, pero aumentará un costo importante al proyecto en sí.

Ahora que soy propietario de pequeña empresa, también debo tomar en cuenta lo que beneficia las ventas y la producción. Me complace reducir costes y a la vez mantener funcionales mis diseños. Para convertir la corriente a voltaje, la mejor solución se alinea con mi filosofía de mantener las cosas simples: utilizar una única resistencia de baja tolerancia. Descubrí que la respuesta al diseño de un receptor mínimo de 4-20 mA se basa una vez más en la ley de Ohm, en conjunto con unas buenas habilidades de diseño de planos de tierra para circuito impreso y la habilidad de mantener la integridad de la señal.

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Las soluciones simples siempre funcionan mejor

Para convertir la señal de corriente en un voltaje medible, debe simplemente pasar la señal de corriente 4-20 mA a través de una resistencia de alta precisión antes de que regrese a tierra. Un resistor de 250 ohmios da una lectura de 5V al llegar a 20 mA. En mi caso, utilicé un resistor de 165 ohmios para una lectura completa de suministro de 3.3V, ya que este es el voltaje con el cual mi microcontrolador operaba. Una vez que haya seleccionado el valor correcto de la resistencia, solo es cuestión de conectar la resistencia al pin del convertidor analógico-digital (ADC, en inglés) del microcontrolador para convertir las lecturas en valores digitales.

¿Es suficiente una resistencia de precisión simple en las aplicaciones de control de procesos de la vida real?

Para ser sincero, dudaba que una sola resistencia de precisión simple, que cuesta aproximadamente ~1% del coste de un circuito integrado especializado de alta precisión, sería suficiente en todas las aplicaciones. Estos circuitos integrados existen por una razón, para producir lecturas precisas de los sensores. Pero al mantener las bases analógicas y las bases digitales separadas por un solo punto, y al aislar las señales analógicas de los datos de alta velocidad, puede obtener una lectura confiable de manera consistente con una sola resistencia.

Yo, personalmente, he producido placas de circuito impreso fiables, que solo utilizan resistencias de alta precisión para receptores múltiples de 4-20 mA, para los controladores de dispositivos de secadoras industriales y para operar los sistemas que controlan el ambiente en los quirófanos. En cuanto al procesamiento y filtrado adicional de señales, los microcontroladores de hoy en día tienen un convertidor analógico a digital que usted debería aprovechar.

Ahora que sabe cómo aumentar la velocidad de su diseño de receptor de bucle de corriente de 4-20 mA, necesita el software correcto para realizarlo. CircuitStudio le puede ayudar a diseñar placas de circuito impreso profesionales y a la vez mantener los costes bajo control.

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Si da la casualidad que está leyendo ésto pero aún no utiliza Altium, asegúrese de revisar su propia prueba gratuita para ver por usted mismo por qué Altium es el mejor software de diseño de placas de circuito impreso profesional.

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