Transmisor de Lazo 4–20 mA
Calcula el presupuesto de voltaje del lazo de corriente 4–20 mA, valor del sensor a partir de la corriente y resistencia máxima del lazo para transmisores industriales.
Fórmula
I = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − X_min) mA
Cómo Funciona
El bucle de corriente de 4 a 20 mA es el estándar dominante para la transmisión de sensores de control de procesos industriales. Un transmisor convierte una variable de proceso (presión, temperatura, flujo, nivel) en una corriente proporcional en el rango de 4 a 20 mA. La corriente es constante en cualquier parte del bucle en serie, lo que lo hace inmune a las caídas de tensión en los tendidos de cable largos (a diferencia de las señales de tensión). El cero activo (4 mA con entrada cero, no 0 mA) permite detectar un cable roto (0 mA) en lugar de una lectura de cero real. El mapeo es lineal: I = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − X_min) mA, donde X es la variable del proceso. El receptor convierte la corriente en voltaje a través de una resistencia de carga (normalmente de 250 Ω, lo que da de 1 a 5 V) para la entrada ADC. El balance de tensión requiere: V_supply ≥ V_Transmitter_min + I × R_LOOP_total. Con una alimentación de 24 V y una tensión mínima del transmisor de 12 V, la resistencia máxima del bucle es de (24 − 12) /0,02 = 600 Ω, suficiente para unos 300 m de cable de 24 AWG. El protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) superpone una señal FSK de ±0,5 mA a la corriente de 4 a 20 mA sin alterar la señal del proceso, lo que permite la configuración y el diagnóstico digitales.
Ejemplo Resuelto
Problema: Un transmisor de presión está calibrado para 0—500 kPa (4—20 mA). La entrada del PLC utiliza una resistencia de carga de 250 Ω. La alimentación de 24 V alimenta 120 m de cable de 22 AWG (0,054 Ω/m × 2 = 10,8 Ω). ¿Cuál es la tensión del transmisor a 200 kPa? Solución: 1. Corriente de bucle a 200 kPa: I = 4 + 16 × (200/500) = 4 + 6,4 = 10,4 mA 2. Resistencia de bucle: R_loop = 250 (carga) + 10,8 (cable) = 260,8 Ω 3. Voltaje a través del bucle: V_loop = 10,4 × 10-1 × 260,8 = 2,71 V 4. Voltaje del transmisor: V_tx = 24 − 2,71 = 21,29 V (muy por encima del mínimo de 12 V ✓) 5. Entrada ADC: V_adc = 10,4 × 10 × 250 = 2,60 V → 200 kPa Resultado: 10,4 mA a 200 kPa, 2,60 V en ADC, 21,3 V disponibles para el transmisor.
Consejos Prácticos
- ✓Utilice un cable de par trenzado de 24 AWG o más pesado con blindaje total para tramos de 4 a 20 mA; conecte a tierra el blindaje solo en un extremo para evitar corrientes de bucle de tierra.
- ✓Agregue un diodo de protección transitoria (por ejemplo, 1N4007) en paralelo con la resistencia de carga para evitar que los picos inductivos se desconecten del cable.
- ✓Para los transmisores compatibles con HART, la carga mínima para la comunicación HART es de 230 Ω; utilice siempre una carga de al menos 250 Ω para garantizar que las señales HART FSK sean detectables.
Errores Comunes
- ✗Conectar varios receptores en serie y olvidar sumar sus resistencias de carga: si dos entradas de 250 Ω están en serie, la carga total es de 500 Ω, lo que reduce a la mitad la resistencia máxima permitida del cable.
- ✗Utilizando la corriente de 4 mA para detectar «cero» en lugar de «fallos»: 4 mA representan una entrada de proceso nula; una verdadera interrupción de cable emite de 0 a 1 mA, que es la indicación de fallo.
- ✗Medición de 4 a 20 mA con un voltímetro a través del circuito: debe medir a través de una resistencia de carga conocida; medir la tensión de circuito abierto del bucle proporciona la tensión de alimentación, no la señal.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué el live zero es de 4 mA en lugar de 0 mA?
El cero vivo de 4 mA tiene tres propósitos: alimenta transmisores de dos hilos (el transmisor extrae 4 mA como mínimo del bucle para funcionar), distingue una lectura de cero genuina de un fallo de cableado (de 0 a 1 mA indica un circuito abierto o un cortocircuito en el transmisor) y permite transmitir transmisores con una sola fuente de 24 V sin cableado de alimentación separado.
¿Cuál es la longitud máxima del cable para un bucle de 4 a 20 mA?
Depende de la resistencia del cable y del voltaje requerido del transmisor. Con una alimentación de 24 V, una carga de 250 Ω y una tensión mínima del transmisor de 12 V: resistencia externa máxima = (24 − 12) /0,02 = 600 Ω. Al restar la carga de 250 Ω, quedan 350 Ω para el cable. Con 0,11 Ω/m para 22 AWG, esto permite 350/0,11 = 3180 m de cable. El límite práctico suele ser de 1000 a 1500 m con un buen cable.
¿Cómo coexiste HART con la señal de 4 a 20 mA?
HART modula una señal FSK de ±0,5 mA a 1200 bps en una corriente continua de 4 a 20 mA mediante la modulación Bell 202 (marca = 2200 Hz, espacio = 1200 Hz). El valor medio del componente de corriente alterna es cero, por lo que la lectura de la variable de proceso no se ve afectada. La resistencia de carga de al menos 230 Ω convierte la modulación de corriente en un voltaje que el módem HART puede detectar y demodular.
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