Wie Sie mit minimalem Bauteileaufwand einen 4-20-mA-Stromschleifenempfänger entwickeln.

Ich bin ein großer Fan von Gordon Ramsay. Er beeindruckt mich immer wieder mit seinen einfallsreichen Flüchen, während die unglücklichen „Hell's Kitchen“-Teilnehmer eine rohe Jakobsmuschel nach der anderen servieren. Besonders habe ich mich jedoch amüsiert, als er sich an asiatischer Kochkunst versuchte. Diesmal wurde der Spieß umgedreht, und er lernte auf die harte Tour, dass gute asiatische Küche ein ganz anderes Kaliber als sein übliches Filet Wellington ist.

^{Prozesssteuerung: Hier hat die 4-20-mA-Technik das Sagen.}

Ich hatte ein ähnliches Erlebnis, als ich in einer von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) dominierten Branche in das Analog-Design einstieg, nachdem ich zuvor 5 Jahre lang rein digitale Elektronik entwickelt hatte. Eine Ahnung davon, wie es Ramsay bei seinem Vorstoß in das Reich des asiatischen Kochens ergangen war, bekam ich, als ich an meinem ersten Projekt mit mehreren 4-20-mA-Stromschleifenempfängern und einem 8-Bit-Mikrocontroller arbeitete, die als günstige SPS-Variante herhalten mussten. Für einen Experten für analoge Prozesssteuerung ist das ein Kinderspiel, aber ich geriet ins Abseits, als ich die Ströme in die vertrauten digitalen Messergebnisse umwandeln wollte, die ich kennen und lieben gelernt hatte.

Das Wichtigste über 4-20-mA-Stromschleifen

Nur für den Fall, dass Sie genauso ignorant sind, wie ich es war: 4-20 mA sind ein recht gebräuchlicher Standard in der Steuerungstechnik. Es gibt 4-20-mA-Messwertumformer in der HLK-Technik, in der Produktion, in Rechenzentren und überall sonst, wo SPS  stark vertreten sind. Bei diesem Industriestandard werden die von einem Sensor gemessenen Größen durch einen Gleichstrom von 4 mA bis 20 mA übermittelt.

Wenn Sie Ihre gesamte Design-Karriere mit purer Digitalelektronik verbracht haben, wundern Sie sich vielleicht, weshalb die Messgröße nicht als Spannung übertragen wird? Und warum eigentlich nicht mit 0-20 mA?

Zuerst einmal muss man wissen, dass es bei der Prozesssteuerung und -automatisierung sehr auf die Genauigkeit der gemessenen Parameter ankommt, und dass die Platinen oft unter rauen elektrischen Bedingungen funktionieren müssen. Analoge Spannungssignale, die in abgeschirmter Digitalelektronik funktionieren, können durch elektrische Störgrößen, die von Relais und Magnetspulen ausgehen, gestört werden oder auf langen Übertragungswegen abfallen.

^{Zurück zu den Grundlagen – mit dem Ohmschen Gesetz}

Sie müssen wieder zu den Grundlagen zurückkehren, um den Grundgedanken der Übertragung per 4-20-mA-Stromschleife zu verstehen. Erinnern Sie sich noch an das Ohmsche Gesetz mit seiner berühmten Gleichung I = U / R? Die Spannung kann auf langen Wegen in den Sensorkabeln abfallen, aber der dadurch fließende Strom bleibt konstant. Damit ist der Stromfluss hinsichtlich Stabilität und Konsistenz eine bessere Messgröße. Und warum fangen die Parameter erst bei 4 mA und nicht bei 0 mA an? Weil alles unter 4 mA auf einen beschädigten Sensor oder ein defektes Kabel hindeutet und somit die Fehlererkennung erleichtert.

Einfacher und effektiver 4-20-mA-Stromschleifenempfänger mit wenigen Bauteilen.

Bevor ich meine kleine Auftragsfertigung aus dem Boden stampfte, entwickelte ich nur Elektronik. Damals griff ich einfach auf eine lösungsspezifische integrierte Schaltung (IC) zurück, um einen Strom in eine Spannung umzuwandeln. Ich hätte natürlich auch einen 4-20-mA-Verstärkerempfänger gewählt, da ich weder die Kosten noch die Anwendungsfreundlichkeit bedacht hätte. Für Designer, die sich mit Analog-Design nicht auskennen, ist es eine schöne neue Welt. Man hat mit Signalrauschen, Interferenzen und Erdschleifen zu tun. Ein spezielles Präzisions-IC mag verlockend wirken, treibt jedoch die Kosten des Projekts in die Höhe.

Nun muss ich als Kleinunternehmer auch bedenken, was gut für den Vertrieb und die Produktion ist. Mir macht es Spaß, die Kosten zu senken, während die Designs weiter gut funktionieren. Für die Umwandlung von Strom in Spannung entspricht die beste Lösung genau meiner Philosophie, Dinge einfach zu halten und einen einzigen eng tolerierten Widerstand zu verwenden. Ich erkannte, dass auch die Antwort auf die Frage nach einem minimalistischen 4-20-mA-Empfänger im Ohmschen Gesetz begründet ist, ergänzt durch Fähigkeiten im Design von PCB-Masseflächen und in der Wahrung der Signalintegrität.

^{Einfache Lösungen funktionieren am besten}

Um einen Strom in eine messbare Spannung umzuwandeln, leiten Sie das 4-20-mA-Stromsignal einfach durch einen hochpräzisen Widerstand, bevor es wieder zur Masse zurückfließt. Ein 250-Ohm-Widerstand liefert bei 20 mA einen Messwert von 5 V. In meinem Fall habe ich einen 165-Ohm-Widerstand benutzt, um einen Messwert von 3,3 V zu erhalten, weil mein Mikrocontroller mit dieser Spannung lief. Sobald Sie den richtigen Widerstandswert ausgewählt haben, müssen Sie nur noch den Widerstand mit dem A/D-Wandler-Pin (ADC) des Mikrocontrollers verbinden, um die Messergebnisse in digitale Werte umzuwandeln.

Reicht ein einziger Präzisionswiderstand für praktische Anwendungen in der Prozesssteuerung aus?

Ehrlich gesagt hatte ich meine Zweifel, ob ein einziger Präzisionswiderstand, der etwa 1 % des Preises eines hochpräzisen Spezial-IC kostet, für alle Anwendungen ausreichen würde. Diese ICs gibt es aus gutem Grund, nämlich um Sensorsignale in präzise Messwerte zu verwandeln. Aber durch die Trennung der analogen und digitalen Massen an einem Punkt und die Isolierung analoger Signale von den Hochgeschwindigkeitsdaten bekommt man auch mit nur einem Widerstand konsistent zuverlässige Werte.

Ich persönlich habe zuverlässige PCBs produziert, die nur mit hochpräzisen Widerständen für 4-20-mA-Empfänger bestückt waren und für industrielle Lufttrocknersteuerungen und Umweltüberwachungssysteme in OP-Sälen vorgesehen waren. Und was die Signalfilterung und -verarbeitung angeht: Die Mikrocontroller von heute haben leistungsfähige AD-Wandler, die Sie nutzen sollten.

Jetzt wissen Sie, wie Sie die Entwicklung Ihrer 4-20-mA-Stromschleifenempfänger beschleunigen können. Die richtige Software dafür heißt CircuitStudio. Damit können Sie professionell PCBs entwickeln und Ihre Kosten kontrollieren.

Haben Sie eine Frage zu 4-20-mA-Stromschleifenempfängern? Dann kontaktieren Sie noch heute einen Experten bei Altium.