Come progettare un ricevitore a loop di corrente a 4-20mA con pochissimi componenti

CircuitStudio

Sono sempre stato un fan di Gordon Ramsay. Mi piace guardare come perde le staffe, in maniera colorita, mentre i partecipanti del programma “Hell’s Kitchen” servono capesante crude. Ma la cosa che mi ha più fatto divertire è stato vederlo alle prese con i cibi asiatici. Quella volta era stato lui a soffrire ed ha imparato nel modo più difficile che cucinare piatti asiatici di qualità è totalmente diverso che cuocere il filetto alla Wellington a cui è abituato.

Processo di controllo: dove 4-20mA regna supremo.

Ho avuto un’esperienza simile quando sono passato a progettare dispositivi analogici in un settore industriale dominato dai PLC (controllori logici programmabili) e dopo aver passato 5 anni progettando pura elettronica digitale. Ho avuto un primo assaggio di quello che ha dovuto passare Ramsay quando si è dedicato al cibo asiatico, quando ho iniziato al lavorare sul mio primo progetto che riguardava ricevitori a loop di corrente a 4-20mA con un microcontrollore a 8 bit come opzione a basso costo. Per chi è esperto di controlli di processo analogici questo è un compito molto facile ma nel mio caso mi ero trovato in sera difficoltà cercando di applicare a questa nuova situazione quello che conoscevo e che amavo del mondo digitale.

Loop di corrente a 4-20mA in sintesi.

Se non siete esperti del ramo, come non lo ero io allora, probabilmente non sapete che il range 4-20mA è uno standard del settore. Potete trovare trasduttori a 4-20mA nell’HVAC, nella produzione, nei centri dati e in generale in tutti i settori dominati dai PLC. Questo standard industriale sta ad indicare che i parametri misurati da un sensore sono rappresentati da una corrente diretta compresa tra 4mA e 20mA.

Se avete passato la vostra intera carriera di progettisti nel campo dell'elettronica digitale pura potreste chiedervi perché non usare il voltaggio per trasmettere il segnale di tensione misurato. E perché non farlo per il range 0-20mA?

In primo luogo il controllo del processo e dell’automazione dipende fortemente dalla precisione dei parametri misurati e le schede spesso operano in condizioni ambientali difficili a livello elettrico. Segnali di tensione analogici che funzionano bene in ambienti protetti basati sull’elettronica digitale possono subire interferenze elettriche  dovute a relè e solenoidi o subire cali dovuti a linee di trasmissione particolarmente lunghe.  

 

Tornare agli elementi essenziali con la legge di Ohm

Per comprendere il loop di trasmissione a 4-20mA occorre tornare ai concetti di base. Vi ricordate della legge di Ohm e della famosa equazione I = V/R? Il voltaggio può subire dei cali quando viaggia attraverso i cavi del sensore ma il flusso di corrente rimane costante. Per questo il flusso di corrente è un parametro di misura migliore in termini di stabilità e costanza. Il motivo per cui i parametri iniziano da 4mA anziché da 0mA è semplicemente perché è più facile rilevare problemi. Un valore inferiore a 4mA indica la presenza di un sensore difettoso o di un cavo danneggiato.

Un ricevitore a loop di corrente a 4-20mA semplice ed efficace con pochissimi componenti.

Prima che iniziassi la mia attività di produzione su piccola scala mi occupavo esclusivamente di progettazione di circuiti elettronici. In quella fase se avessi dovuto convertire la corrente in tensione avrei utilizzato una soluzione basata su un circuito integrato (IC) per raggiungere lo scopo velocemente. Sarebbe stata una scelta facile utilizzare un amplificatore sintoamplificatore a 4-20mA tenendo in considerazione il fattore costo e semplicità di utilizzo. Ma per i progettisti che non hanno familiarità con il mondo analogico questi sono dispositivi misteriosi. Occorre anche avere a che fare con disturbi, interferenze e anelli di terra. Un circuito specializzato di precisione può sembrare una scelta più semplice ma aumenta notevolmente i costi del progetto.

Ora che sono un piccolo imprenditore faccio molta più attenzione a fattori importanti nel processo di produzione e vendita. Uno dei miei obiettivi è ridurre i costi mantenendo il progetto funzionale e di buona qualità. Per convertire la corrente in tensione la migliore soluzione, che applica anche la filosofia del “mantenere le cose semplici”, è semplicemente quella di usare una singola resistenza a bassa tolleranza. Ho scoperto che la risposta al problema di progettare un ricevitore a 4-20mA il più semplice possibile risiede, nuovamente, nella legge di Ohm combinata all’abilità di progettare buoni piani di massa e con la capacità di preservare l’integrità del segnale.

Le soluzioni semplici sono sempre le migliori

Per convertire il segnale di corrente in una tensione misurabile basta semplicemente far transitare la corrente 4-30mA attraverso una resistenza ad elevata precisione prima che ritorni a terra. Una resistenza da 250 Ohm fornisce un valore di 5V a 20mA. Nel mio caso ho utilizzato una resistenza da 165 Ohm per un valore di 3,3V che era la tensione che veniva utilizzata dal microcontrollore. Una volta scelta la giusta resistenza basta solo collegarla al convertitore analogico-digitale (ADC) del microcontrollore per convertire i valori rilevati in valori digitali.

Basta davvero una singola resistenza di precisione nelle applicazioni reali?

Per essere onesto dubitavo anche io che una singola resistenza di precisione, il cui costo è pari forse all’1% di quello di un IC specializzato ad alta precisione, fosse sufficiente in tutte le applicazioni. Questo tipo di circuiti integrati, d’altra parte, esistono per una ragione ben precisa, ovvero per produrre letture di precisione dai sensori. Tuttavia, se si mantengono i segnali di terra analogici e digitali separati e se si isolano i segnali analogici dai dati ad alta velocità è davvero possibile ottenere letture affidabili solo con una semplice resistenza.

Personalmente ho prodotto PCB affidabili che utilizzano resistenze ad alta precisione per ricevitori a 4-20mA multipli in applicazioni come controller per asciugatrici industriali o sistemi per il monitoraggio delle condizioni ambientali delle sale operatorie. Se si vuole processare o filtrare il segnale ulteriormente i microcontrollori odierni sono dotati di convertitori analogico-digitali estremamente potenti che è comodo utilizzare.

Ora che avete la giusta base di conoscenza per il progetto del ricevitore a loop di corrente a 4-20mA dovete dotarvi di un software adeguato. CircuitStudio può aiutarvi a progettare efficacemente circuiti stampati a livello professionale riducendo i costi.

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