Testador de loop de corrente 4-20Ma usando op

Os sensores são parte integrante de qualquer sistema de medição, pois ajudam a converter os parâmetros do mundo real em sinais eletrônicos que podem ser entendidos por máquinas. Em um ambiente industrial, os tipos de sensores comumente usados são os sensores analógicos e digitais. Os sensores digitais se comunicam com os seguintes protocolos de 0 e 1 como USART, I2C, SPI, etc. E os sensores analógicos podem se comunicar por meio de corrente ou tensão variável. Muitos de nós devem estar familiarizados com sensores que geram tensão variável, como LDR, sensor de gás MQ, sensor Flex, etc. Esses sensores de tensão analógicos são acoplados a conversores de tensão em corrente para converter a tensão analógica em corrente analógica para se tornar um sensor de corrente variável.

Este sensor de corrente variável segue o protocolo de 4-20mA, o que significa que o sensor produzirá 4mA quando os valores medidos forem 0 e produzirá 20mA quando o valor medido for máximo. Se a saída do sensor for inferior a 4mA ou superior a 20mA, isso pode ser considerado uma condição de falha. O sensor envia a corrente por meio de fios de par trançado, permitindo que a energia e os dados fluam por apenas 2 fios. O valor mais baixo ou 'zero' é 4mA. Isso ocorre devido à situação em que quando a saída é zero ou 4 mA, ele ainda pode alimentar o dispositivo. Além disso, como o sinal é transmitido como corrente, ele pode ser enviado para longa distância sem se preocupar com a queda de tensão devido à resistência do fio ou com a imunidade a ruído.

Nas indústrias, a calibração do sensor é um processo de rotina e, para calibrar o sistema e também para solucionar os resultados de erro, são realizados testes de loop de corrente. No teste de loop de corrente, ele usa um processo de verificação que verifica a quebra na linha de comunicação. Ele também verifica a corrente de saída do transmissor. Neste projeto, criaremos um testador de loop de corrente básico usando poucos componentes que nos permite ajustar manualmente a corrente de 4ma a 20mA girando um potenciômetro. Este circuito pode ser usado como um sensor fictício para emular programas ou para depuração.

Requisitos de Componentes

Um transistor PNP (BC557 é usado)
Um Op-Amp (JRC4558 é usado)
Resistor 300k
Resistor 1k
Potenciômetro de 50k 10 voltas.
100pF 16V
0,1uF 16V - 2pcs
Resistor 100R - tolerância 5%
Um LED (qualquer cor)
Fonte de alimentação 5V
Tábua de pão
Fio de conexão
Um multímetro para medir a corrente

Vamos dar uma olhada nos componentes importantes usados neste projeto. Na imagem abaixo, o transistor PNP, pino BC557 é mostrado.

Este é um dos transistores PNP de três pinos mais comuns. BC557 é o par idêntico de NPN BC547. Da esquerda para a direita, os pinos são Emissor, Base e Coletor. Outros transistores equivalentes são BC556, BC327, 2N3906 etc.

O op-amp usado aqui (JRC4558) segue o mesmo diagrama de pinos usado em outros tipos de op-amps. O pino 1, pino 2, pino 3 são usados para um único amplificador operacional e os pinos 5, 6, 7 são usados para o outro canal. Qualquer canal pode ser usado para este projeto. O 8º pino é a fonte de alimentação positiva e o 4º pino é o GND. O Op-Amp JRC4558D é usado para este projeto, mas outros op-amps também funcionarão. Como - TL072, LM258, LM358, etc.

O quinto componente da lista de peças, o potenciômetro de 50k 10 voltas é dos Bourns. O número da peça é 3590S-2-503L. No entanto, é um componente um pouco caro. O potenciômetro de 10 voltas é o melhor para esse propósito, mas outros potenciômetros genéricos também funcionaram bem. A diferença é que a resolução será menor com o potenciômetro genérico, por causa do qual o incremento ou decremento da fonte atual não será suave. Neste projeto, o potenciômetro de Bourns é usado. A pinagem do potenciômetro de Bourns é um pouco confusa em comparação com a pinagem do potenciômetro padrão. Na imagem abaixo, o primeiro pino da esquerda é o pino do limpador. É preciso ter cuidado ao conectar este potenciômetro em qualquer aplicação.

Diagrama de circuito

O diagrama de circuito completo para o testador de loop de corrente de 4-20 mA é mostrado abaixo.

Como você pode ver, o circuito é bastante simples, consiste em um amplificador operacional que aciona um transistor. A corrente de saída do transistor é alimentada a um LED, esta corrente de saída pode ser variada de 0mA a 20mA variando o potenciômetro e pode ser medida por um amperímetro conectado conforme mostrado acima.

O Op-amp aqui é projetado para funcionar como uma fonte de corrente com feedback negativo. A tensão variável de entrada é dada ao pino não inversor do Op-Amp usando um potenciômetro. A corrente de saída máxima (neste caso 20mA) é definida usando o resistor conectado ao pino inversor do op-Amp. Agora, com base na tensão fornecida ao pino não inversor do potenciômetro, o op-amp irá polarizar o transistor para fornecer uma corrente constante através do LED. Esta corrente constante será mantida independentemente do valor da resistência da carga atuando como uma fonte de corrente. Este tipo de amplificador é denominado amplificador de transcondutância. O circuito é simples e pode ser facilmente construído em uma placa de ensaio, conforme mostrado abaixo.

Funcionamento do testador de circuito de corrente de 4-20 mA

O LED aqui atua como a carga e o circuito do loop de corrente está fornecendo a corrente necessária para a carga. A corrente de carga é fornecida pelo BC557 que é controlado diretamente pelo amplificador operacional 4558. Na entrada positiva do amplificador, uma tensão de referência está sendo fornecida pelo potenciômetro. Dependendo da tensão de referência, o op-amp fornece a corrente de polarização para a base do transistor. O resistor em série adicional é adicionado ao potenciômetro para limitar a voltagem de referência, bem como a saída do amplificador, criando assim o limite de 0mA a 20mA. Alterar o valor do resistor também altera o limite de saída de corrente mínimo para máximo.

Teste do circuito

Assim que o circuito estiver montado, ligue-o usando uma fonte 5V regulada. Usei a fonte de alimentação da placa de ensaio, semelhante à que construímos anteriormente para alimentar o circuito, conforme mostrado abaixo.

Nota: Para o resistor de 300k, dois resistores são usados nas séries 100k e 200k.

Para testar o circuito, usei um multímetro no modo Amp e conectei suas pontas de prova no lugar do amperímetro mostrado no diagrama do circuito. Você pode verificar este guia de uso do multímetro se for novo com multímetros. Conforme eu vario o potenciômetro, o valor da corrente no multímetro pode ser notado variando de 4mA a 20mA. O vídeo de trabalho completo pode ser encontrado na parte inferior deste.

Aplicações do circuito de teste de loop atual

A principal aplicação do testador de loop de corrente de 4-20 mA é testar ou calibrar as máquinas PLC que recebem protocolo de 4-20 mA e fornecer dados dependendo dele. Portanto, a calibração errada resultou em valor de erro percebido pelo PLC. Não apenas calibração, mas também é um processo conveniente para verificar a quebra do loop de corrente.

A aplicação do circuito de corrente de 4-20 mA tem um amplo escopo em automação industrial e sistema de controle. Tais como fluxo de água, posição da válvula, produção de óleo e os sensores associados que são essenciais para o processo de produção, todos usam linha de comunicação de 4-20 mA. Depurar e encontrar a condição de falha é um trabalho crucial no setor para economizar tempo e dinheiro. Um testador de loop de corrente de 4-20 mA preciso é uma ferramenta essencial para resolver os problemas relacionados ao sensor.

Limitações do testador de loop de corrente 4-20mA

O circuito tem certas limitações. O ambiente industrial é muito hostil do que o ambiente de laboratório. Portanto, o circuito deve consistir em vários circuitos de proteção, como proteção contra curto-circuito e proteções contra sobretensão em todas as entradas e saídas, adequadas para uso em ambientes industriais.