Probador de bucle de corriente 4-20Ma usando op

Los sensores son una parte integral de cualquier sistema de medición, ya que ayudan a convertir los parámetros del mundo real en señales electrónicas que las máquinas puedan entender. En un entorno industrial, el tipo de sensores comúnmente utilizado es el sensor analógico y los sensores digitales. Los sensores digitales se comunican con 0 y 1 siguiendo protocolos como USART, I2C, SPI, etc. Y los sensores analógicos pueden comunicarse a través de corriente variable o voltaje variable. Muchos de nosotros deberíamos estar familiarizados con sensores que generan voltaje variable como LDR, sensor de gas MQ, sensor Flex, etc. Estos sensores de voltaje analógico se acoplan con convertidores de voltaje a corriente para convertir el voltaje analógico en corriente analógica y convertirse en un sensor de corriente variable.

Este sensor de corriente variable sigue el protocolo de 4-20 mA, lo que significa que el sensor emitirá 4 mA cuando los valores medidos sean 0 y 20 mA cuando el valor medido sea el máximo. Si la salida del sensor es inferior a 4 mA o superior a 20 mA, se puede asumir como una condición de falla. El sensor emite la corriente a través de cables de par trenzado, lo que permite que tanto la energía como los datos fluyan a través de solo 2 cables. El valor más bajo o 'cero' es 4mA. Esto se debe a la situación en la que cuando la salida es cero o 4 mA, aún puede alimentar el dispositivo. Además, dado que la señal se transmite como corriente, se puede enviar a larga distancia sin preocuparse por la caída de voltaje debido a la resistencia del cable o la inmunidad al ruido.

En las industrias, la calibración del sensor es un proceso de rutina, y para calibrar el sistema y también para solucionar problemas de resultados de error, se realizan pruebas de bucle de corriente. En las pruebas de bucle de corriente, utiliza un proceso de verificación que verifica la rotura en la línea de comunicación. También verifica la corriente de salida del transmisor. En este proyecto, crearemos un probador de bucle de corriente básico utilizando pocos componentes que nos permite ajustar manualmente la corriente de 4ma a 20mA girando un potenciómetro. Este circuito se puede utilizar como sensor ficticio para emular programas o para depurar.

Requisitos de componentes

1. Un transistor PNP (se utiliza BC557)
2. Un amplificador operacional (se utiliza JRC4558)
3. Resistencia de 300k
4. Resistencia de 1k
5. Potenciómetro de 10 vueltas 50k.
6. 100pF 16V
7. 0.1uF 16V - 2 piezas
8. Resistencia 100R - tolerancia 5%
9. Un LED (cualquier color)
10. Fuente de alimentación 5V
11. Tablero de circuitos
12. Conectar cable
13. Un multímetro para medir la corriente

Echemos un vistazo a los componentes importantes utilizados en este proyecto. En la imagen de abajo, se muestra el transistor PNP, pin de salida BC557.

Este es uno de los transistores PNP de tres pines más comunes. BC557 es el par idéntico de NPN BC547. De izquierda a derecha, los pines son Emisor, Base y Colector. Otros transistores equivalentes son BC556, BC327, 2N3906, etc.

El amplificador operacional utilizado aquí (JRC4558) sigue el mismo diagrama de pines que se utiliza en otros tipos de amplificadores operacionales. El Pin 1, Pin 2, Pin 3 se utilizan para un solo amplificador operacional y los Pin 5, 6, 7 se utilizan para el otro canal. Se puede utilizar cualquier canal para este proyecto. El octavo pin es la fuente de alimentación positiva y el cuarto pin es el GND. El amplificador operacional JRC4558D se utiliza para este proyecto, pero también funcionarán otros amplificadores operacionales. Tales como: TL072, LM258, LM358, etc.

El quinto componente de la lista de piezas, el potenciómetro de 10 vueltas de 50k es de Bourns. El número de pieza es 3590S-2-503L. Sin embargo, es un componente un poco costoso. El potenciómetro de 10 vueltas es el mejor para este propósito, pero otros potenciómetros genéricos también funcionaron bien. La diferencia es que la resolución será menor con el potenciómetro genérico debido a que el incremento o decremento de la fuente de corriente no será uniforme. En este proyecto, se utiliza el potenciómetro de Bourns. Los pines del potenciómetro de Bourns son un poco confusos en comparación con los pines del potenciómetro estándar. En la imagen de abajo, el primer pin de la izquierda es el limpiaparabrisas. Hay que tener cuidado al conectar este potenciómetro en cualquier aplicación.

Diagrama de circuito

El diagrama de circuito completo para el probador de bucle de corriente de 4-20 mA se muestra a continuación.

Como puede ver, el circuito es bastante simple, consiste en un amplificador operacional que impulsa un transistor. La corriente de salida del transistor se alimenta a un LED, esta corriente de salida se puede variar de 0 mA a 20 mA variando el potenciómetro y se puede medir con un amperímetro conectado como se muestra arriba.

El amplificador operacional aquí está diseñado para funcionar como una fuente de corriente con retroalimentación negativa. El voltaje variable de entrada se le da al pin no inversor del amplificador operacional usando un potenciómetro. La corriente de salida máxima (en este caso 20 mA) se establece mediante el uso de la resistencia conectada al pin inversor del amplificador operacional. Ahora, según el voltaje proporcionado al pin no inversor desde la olla, el amplificador operacional desviará el transistor para generar una corriente constante a través del LED. Esta corriente constante se mantendrá independientemente del valor de la resistencia de carga que actúa como fuente de corriente. Este tipo de amplificador se denomina amplificador de transconductancia. El circuito es simple y se puede construir fácilmente en una placa como se muestra a continuación.

Funcionamiento del probador de bucle de corriente de 4-20 mA

El LED aquí actúa como carga y el circuito de bucle de corriente proporciona la corriente requerida a la carga. La corriente de carga es suministrada por el BC557 que es controlado directamente por el amplificador operacional 4558. En la entrada positiva del amplificador, el potenciómetro proporciona un voltaje de referencia. Dependiendo del voltaje de referencia, el amplificador operacional proporciona la corriente de polarización a la base del transistor. La resistencia en serie adicional se agrega a través del potenciómetro para limitar el voltaje de referencia y la salida del amplificador, creando así el límite de 0 mA a 20 mA. El cambio de este valor de resistencia también cambia el límite de salida de corriente mínimo a máximo.

Prueba del circuito

Una vez que el circuito esté construido, enciéndalo usando una fuente regulada de 5V. He usado la fuente de alimentación de la placa de pruebas, similar a la que construimos anteriormente para alimentar el circuito como se muestra a continuación.

Nota: Para la resistencia de 300k, se utilizan dos resistencias en las series 100k y 200k.

Para probar el circuito, utilicé un multímetro en modo Amp y conecté sus sondas en lugar del amperímetro que se muestra en el diagrama del circuito. Puede consultar esta guía de uso de multímetros si es nuevo con los multímetros. A medida que varío el potenciómetro, se puede notar que el valor actual en el multímetro varía de 4 mA a 20 mA. El video completo de trabajo se puede encontrar al final de este.

Aplicaciones del circuito probador de bucle de corriente

La aplicación principal del probador de bucle de corriente de 4-20 mA es probar o calibrar las máquinas PLC que reciben el protocolo de 4-20 mA y proporcionan datos en función de él. Por lo tanto, la calibración incorrecta resultó en un valor de error percibido por el PLC. No solo calibración, sino que también es un proceso conveniente para verificar la rotura del circuito actual.

La aplicación del bucle de corriente de 4-20 mA tiene un gran alcance en el sistema de control y automatización industrial. Como flujo de agua, posición de la válvula, producción de aceite y los sensores asociados que son esenciales para el proceso de producción, todos utilizan una línea de comunicación de 4-20 mA. Depurar y encontrar la condición de falla es un trabajo crucial en la industria para ahorrar tiempo y dinero. Un probador de bucle de corriente de 4-20 mA preciso es una herramienta esencial para resolver los problemas relacionados con el sensor.

Limitaciones del probador de bucle de corriente de 4-20 mA

El circuito tiene ciertas limitaciones. El entorno industrial es muy duro que el entorno de laboratorio. Por lo tanto, el circuito debe constar de varios circuitos de protección como protección contra cortocircuitos y protecciones contra sobretensiones en todas las entradas y salidas que sean adecuadas para su uso en entornos industriales.