Ao projetarmos um transmissor para ser alimentado em loop de corrente , torna-se possível transmitir energia elétrica e simultaneamente enviar os valores medidos através de sinais analógicos de corrente contínua varia de 4 a 20 miliampères utilizando um único par de fios. Nesse contexto o transmissor é alimentado em malha interligando-o em série a outros instrumento(s) receptor(es) (indicador, registrador, controlador de processo ou CLP) com uso de apenas dois fios, permitindo o estabelecendo uma conexão eficiente e segura.
Por essa razão, os transmissores alimentados em loop são comumente chamador de transmissores de 2 fios, destacando sua capacidade de realizar ambos os processos por meio do mesmo par de condutores.
1- Neste artigo, estamos considerando a configuração na qual controladores, fundamentados em microcontroladores simples, estão interligados a transmissores de 2 fios.
2- Nos sistemas PLC/DCS, é comum encontrar resistores padrão e Conversores Analógico-Digitais (ADC) integrados nos Cartões de Entrada Analógica (AI).
Em um sistema de instrumentação, o transmissor de 2 fios difere significativamente de um transmissor de 4 fios no que diz respeito à sua função como fonte de corrente. Enquanto um transmissor de 4 fios opera como uma fonte de corrente independente, fornecendo diretamente a corrente necessária para o loop. O transmissor de 2 fios atua mais como uma fonte reguladores de corrente . Ele ajusta a corrente que flui através do loop para representar a variável do processo medida, mas faz isso enquanto depende de uma fonte externa de energia.
É importante notar a direção da seta no símbolo do transmissor de corrente dependente e como ela se alinha com as marcas de polaridade de tensão. Isso contrasta com o transmissor de 4 fios, onde a fonte de corrente é uma verdadeira fonte elétrica que impulsiona o loop. No caso do transmissor de 2 fios, a ‘fonte’ de corrente age mais como uma carga elétrica no circuito, controlando a corrente em função da energia fornecida pela fonte externa.
Para uma compreensão mais clara, compare esta explicação com a ilustração de um circuito de transmissor de 4 fios, onde a fonte de corrente é autônoma e não depende de uma fonte externa para operar.
Um transmissor alimentado em loop deriva sua potência operacional da tensão e corrente mínimas disponíveis em seus dois terminais. Com uma tensão típica de fonte de 24 volts DC e a máxima queda de tensão através do resistor de 250 ohms do controlador limitada a 5 volts DC, é garantido que o transmissor sempre terá pelo menos 19 volts disponíveis em seus terminais. Considerando a extremidade inferior da faixa de sinal de 4-20 mA, o transmissor deve manter uma corrente mínima de 4 mA para operar de maneira eficiente. Portanto, o transmissor sempre possui uma quantidade mínima de energia elétrica disponível para operar, ao mesmo tempo em que regula a corrente para transmitir a medição do processo ao instrumento receptor.
Internamente, a configuração eletrônica de uma circuitaria de transmissor de 2 fios se assemelha ao diagrama (simplificado) apresentado a seguir. É importante observar que todos os elementos mostrados dentro do retângulo sombreado correspondem ao círculo identificado como “transmissor de 2 fios” no diagrama anterior:
Para ilustrar, consideremos o caso em que a corrente de operação interna do transmissor é apenas 3,8 mA. No entanto, para representar com precisão uma condição de medição de processo correspondente a 75%, é necessário ajustar a corrente de loop para um valor de 16 mA. Nesse cenário, o transistor de derivação entra em ação, sendo controlado pelo amplificador operacional (opamp). O papel desse transistor é desviar exatamente 12,2 mA de corrente (pois 3,8 mA + 12,2 mA resulta em 16,0 mA). Essa manipulação precisa é essencial para garantir que a corrente total no loop seja indicativa da medição de processo desejada.
No entanto, é importante observar que a quantidade extremamente reduzida de energia elétrica disponível nos terminais de um transmissor de 2 fios impõe limitações significativas à sua funcionalidade. Essa restrição energética representa um desafio na operação eficiente do dispositivo, destacando a importância de estratégias de projeto que otimizem o consumo de energia, como o uso cuidadoso de transistores de derivação acionados por opamps para gerenciar a corrente de loop de maneira eficaz.
CURIOSIDADE
Nos estágios iniciais do desenvolvimento, os transmissores industriais baseados em corrente enfrentavam desafios significativos ao operar em níveis tão baixos de energia elétrica. Nesse contexto, esses dispositivos adotavam um padrão de sinal de corrente diferente, oscilando entre 10 e 50 mA de corrente contínua (CC). As fontes de alimentação de loop projetadas para suportar esses transmissores frequentemente ultrapassavam os 90 volts, visando fornecer a quantidade necessária de energia ao dispositivo.
Contudo, a adoção generalizada do padrão de 10-50 mA enfrentou críticas relacionadas à segurança em algumas instalações industriais. Preocupações surgiram devido aos riscos associados à manipulação de correntes mais elevadas, levando a uma busca por alternativas mais seguras e eficientes.
A evolução da tecnologia, especialmente no campo da microeletrônica, desempenhou um papel crucial nesse cenário. A introdução de circuitaria microeletrônica moderna trouxe consigo a capacidade de reduzir significativamente o consumo de energia. Esse avanço tornou viável o estabelecimento do padrão de 4-20 mA, que se revelou prático e eficiente para quase todos os tipos de transmissores de processos. Essa transição não apenas resolveu questões de segurança, mas também proporcionou uma maior flexibilidade e eficácia no gerenciamento de corrente em aplicações industriais.
Como funciona um transmissor de 4-20mA – Dicas de Instrumentação (dicasdeinstrumentacao.com)