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Émetteur de Boucle 4–20 mA

Calcule le budget de tension de la boucle de courant 4–20 mA, la valeur du capteur à partir du courant et la résistance maximale de boucle pour les transmetteurs industriels.

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Formule

I = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − X_min) mA

I— Loop current (mA)
X— Process variable (eng units)

Comment ça marche

La boucle de courant de 4 à 20 mA est la norme dominante pour la transmission des capteurs de contrôle des processus industriels. Un transmetteur convertit une variable de procédé (pression, température, débit, niveau) en un courant proportionnel compris entre 4 et 20 mA. Le courant est constant n'importe où dans la boucle en série, ce qui la rend insensible aux chutes de tension sur les longs câbles (contrairement aux signaux de tension). Le zéro en temps réel (4 mA à l'entrée zéro, et non 0 mA) permet de détecter un fil cassé (0 mA) par rapport à une véritable lecture de zéro. Le mappage est linéaire : I = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − X_min) mA, où X est la variable de processus. Le récepteur convertit le courant en tension aux bornes d'une résistance de charge (généralement 250 Ω, soit 1 à 5 V) pour l'entrée ADC. Le bilan de tension nécessite : V_Supply ≥ V_Transmitter_min + I × R_loop_total. Avec une alimentation de 24 V et une tension d'émetteur minimale de 12 V, la résistance de boucle maximale est de (24 − 12) /0,02 = 600 Ω, ce qui est suffisant pour environ 300 m de câble 24 AWG. Le protocole HART (Highway Addressable Remote Transducer) superpose un signal FSK de ±0,5 mA au courant de 4 à 20 mA sans perturber le signal de processus, ce qui permet une configuration et des diagnostics numériques.

Exemple Résolu

Problème : Un transmetteur de pression est étalonné pour 0 à 500 kPa (4 à 20 mA). L'entrée du PLC utilise une résistance de charge de 250 Ω. L'alimentation 24 V alimente 120 m de câble 22 AWG (0,054 Ω/m × 2 = 10,8 Ω). Quelle est la tension de l'émetteur à 200 kPa ? Solution : 1. Courant de boucle à 200 kPa : I = 4 + 16 × (200/500) = 4 + 6,4 = 10,4 mA 2. Résistance de boucle : R_loop = 250 (charge) + 10,8 (câble) = 260,8 Ω 3. Tension aux bornes de la boucle : V_loop = 10,4 × 10₂³ × 260,8 = 2,71 V 4. Tension de l'émetteur : V_tx = 24 − 2,71 = 21,29 V (bien au-dessus de 12 V minimum ✓) 5. Entrée ADC : v_ADC = 10,4 × 10 ³ × 250 = 2,60 V → 200 kPa Résultat : 10,4 mA à 200 kPa, 2,60 V à ADC, 21,3 V disponibles pour l'émetteur.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez un câble 24 AWG ou à paire torsadée plus lourd avec blindage global pour les trajets de 4 à 20 mA ; mettez le blindage à la terre à une seule extrémité pour éviter les courants de boucle de terre.
  • ✓Ajoutez une diode de protection contre les transitoires (par exemple, 1N4007) en parallèle à la résistance de charge pour bloquer les pointes inductives dues à la déconnexion du câble.
  • ✓Pour les émetteurs compatibles HART, la charge minimale pour les communications HART est de 230 Ω ; utilisez toujours une charge d'au moins 250 Ω pour vous assurer que les signaux HART FSK sont détectables.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Connecter plusieurs récepteurs en série et oublier de additionner leurs résistances de charge : si deux entrées de 250 Ω sont en série, la charge totale est de 500 Ω, ce qui réduit de moitié la tolérance de résistance maximale du câble.
  • ✗Utiliser le courant de 4 mA pour la détection de « zéro » plutôt que de « défaut » : 4 mA représente une entrée de processus nulle ; une vraie rupture de fil produit 0 à 1 mA, ce qui est l'indication du défaut.
  • ✗Mesurer 4 à 20 mA avec un voltmètre en travers de la boucle : vous devez mesurer aux bornes d'une résistance de charge connue ; la mesure de la tension en circuit ouvert de la boucle donne la tension d'alimentation, pas le signal.

Foire Aux Questions

Le zéro actif de 4 mA a trois objectifs : il alimente les émetteurs à deux fils (l'émetteur utilise au moins 4 mA de la boucle pour fonctionner), il distingue un véritable zéro d'un défaut de câblage (0 à 1 mA indique un circuit ouvert ou un émetteur en court-circuit) et il permet aux émetteurs d'être connectés à une seule alimentation 24 V sans câblage d'alimentation séparé.
Cela dépend de la résistance du câble et de la tension de l'émetteur requise. Avec une alimentation 24 V, une charge de 250 Ω et une tension d'émetteur minimale de 12 V : résistance externe maximale = (24 − 12) /0,02 = 600 Ω. La soustraction de la charge de 250 Ω laisse 350 Ω pour le câble. À 0,11 Ω/m pour 22 AWG, cela permet d'obtenir 350/0,11 = 3180 m de câble. La limite pratique est généralement de 1 000 à 1 500 m avec un bon câble.
HART module un signal FSK de ±0,5 mA à 1200 bits/s sur le courant continu de 4 à 20 mA en utilisant la modulation Bell 202 (marque = 2200 Hz, espace = 1200 Hz). La valeur moyenne de la composante AC étant nulle, la lecture des variables de processus n'est pas affectée. La résistance de charge d'au moins 230 Ω convertit la modulation du courant en une tension que le modem HART peut détecter et démoduler.

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