Concevoir un récepteur boucle de courant 4-20 mA avec le minimum de composants

J’ai toujours été fan de Gordon Ramsay. 

Il ne manque jamais de m’étonner avec ses jurons colorés lorsque les coquilles Saint-Jacques sont servies en continu par les malheureux concurrents de son émission Hell’s Kichten. 

Mais ce qui m’a vraiment amusé, c’est quand il a tenté sa chance avec la cuisine asiatique. 

Les rôles ont été inversés, et il a appris à ses dépens que la bonne cuisine asiatique n'avait rien à voir avec son habituel bœuf Wellington.

Contrôle de processus : le domaine de suprématie du 4-20 mA.

J’ai vécu une expérience similaire quand je suis passé à la conception analogique dans un secteur dominé par les automates programmables industriels (API), après avoir passé 5 ans à concevoir des circuits électroniques purement numériques.

J’ai goûté pour la première fois à l’« incursion de Ramsay dans les délices asiatiques » lorsque je travaillais sur mon premier projet impliquant plusieurs récepteurs boucle de courant de 4-20 mA.

Je voulais alors réaliser un microcontrôleur 8 bits moins coûteux que les PLC. Pour un expert en contrôle des processus analogiques, cela aurait été un jeu d’enfant, mais je me suis écarté de mon objectif en essayant d’appliquer au flux de courant toutes les données familières du numérique que je connaissais parfaitement et que j’adorais.

Qu'est-ce qu'une boucle de courant 4-20 mA ?

Si vous êtes aussi ignorant que je l’étais, 4-20 mA est une norme assez commune dans le secteur des commandes d’appareils.

Vous trouverez de nombreux transducteurs 4-20 mA dans les systèmes de l’HVAC, de la fabrication, dans les centres de données ou n’importe quel secteur où les automates programmables sont rois. C’est une norme de l’industrie selon laquelle les paramètres mesurés par un capteur sont représentés par un courant continu allant de 4 mA à 20 mA.

Lorsque vous avez passé toute votre carrière de concepteur à jouer avec l’électronique numérique pure, un jour, vous allez vous demander pourquoi nous n’utilisons pas la tension pour transmettre un signal mesuré. 

Et pourquoi ne pas utiliser la plage de 0 à 20 mA ?

Tout d’abord, vous devez comprendre que le processus de contrôle et d’automatisation s’appuie fortement sur la précision des paramètres mesurés et que les cartes fonctionnent souvent dans des environnements électriques contraignants.

Les signaux de tension analogiques qui fonctionnent bien dans le cadre d’une électronique numérique confinée peuvent subir des interférences électriques provenant de relais et de solénoïdes ou chuter en intensité quand les lignes de transmission sont longues. 

De retour aux principes essentiels avec la loi d’Ohm

Vous devez revenir aux principes essentiels pour comprendre la transmission dans une boucle de courant 4-20 mA. N’oubliez pas la loi d’Ohm et la célèbre équation U = RI ! 

La tension peut chuter lorsqu’elle se déplace dans les câbles des capteurs, mais le courant qui circule dans ces câbles reste constant. 

Par conséquent, le courant est un paramètre de mesure bien plus stable et constant.

Quant à la raison pour laquelle les paramètres commencent à 4 mA au lieu de 0 mA, c’est tout simplement parce que la détection des défauts est bien plus simple. Tout courant inférieur à 4 mA indique un capteur défectueux ou un câble cassé.

Un récepteur boucle de courant 4-20 mA simple et efficace avec le minimum de composants

Avant de commencer à installer ma petite société de sous-traitance en fabrication, j’étais un concepteur d’électronique pure.

À l’époque, si j’avais eu besoin de convertir un courant en tension, j’aurais utilisé n’importe quelle solution basée sur un circuit intégré (CI) pour faire le travail rapidement. La solution la plus évidente aurait été d’utiliser un récepteur amplificateur 4-20 mA de précision, puisque je n’aurais considéré ni son coût, ni sa facilité de mise en œuvre.

Pour les concepteurs qui ne sont pas familiers avec la conception analogique, voilà un monde tout nouveau. Vous travaillerez avec des bruits de signaux, des interférences et des boucles de terre. Un CI de précision et spécialisé peut être une solution attrayante, mais il ajoutera un coût considérable au projet lui-même.

Maintenant que je suis propriétaire d’une petite société, je dois aussi tenir compte de ce qui facilite les ventes et la production. Je réduis les coûts tout en gardant mes conceptions fonctionnelles. Pour convertir le courant en tension, la meilleure solution s’aligne avec ma philosophie qui consiste à simplifier au maximum les choses, comme l’utilisation d’une résistance à faible tolérance.

J’ai découvert que la solution la plus avantageuse pour concevoir le récepteur 4-20 mA se résumait une fois de plus à la loi d’Ohm, assortie de quelques qualités dans la conception du plan de masse d’un circuit intégré et de l’aptitude à maintenir l’intégrité du signal. 

Les solutions simples fonctionnent toujours bien mieux

Pour convertir un courant en tension mesurable, il suffit de faire passer le courant 4-30 mA à travers une résistance de haute précision avant qu’il ne retourne à la masse. Une résistance de 250 ohms donne une lecture de 5 V à 20 mA. Dans mon cas, j’ai utilisé une résistance de 165 ohms pour une pleine lecture de 3,3 V, puisque c’était la tension de fonctionnement de mon microcontrôleur.

Une fois que vous avez sélectionné la bonne valeur de résistance, il suffit de connecter la résistance à la broche du convertisseur analogique numérique (CAN/ADC) du microcontrôleur pour convertir les lectures en valeurs numériques.

Est-ce qu’une seule résistance de précision est suffisante pour les applications de contrôle de processus actuelles ?

Franchement, j’ai eu du mal à croire qu’une seule résistance de précision, qui représente environ 1 % du coût d’un CI de haute précision spécialisé, convienne à toutes les applications. Ces CI sont là pour une bonne raison : produire des lectures précises des capteurs.

Mais en séparant les masses analogiques et numériques avec un point unique et en isolant les signaux analogiques des données à haut débit, vous pouvez obtenir une lecture fiable avec une seule résistance.

Personnellement, j’ai produit des circuits intégrés utilisant uniquement des résistances de haute précision pour plusieurs récepteurs 4-20 mA, comme des régulateurs de séchoir industriel et des commandes de systèmes de surveillance environnementale de théâtres. Quant au filtrage et au traitement supplémentaires du signal, de nos jours, les microcontrôleurs sont dotés de puissants CAN/ADC.

Maintenant que vous savez comment accélérer la conception de votre récepteur de boucle de courant 4-20 mA, vous avez besoin du logiciel adéquat pour le réaliser. CircuitStudio peut vous aider à concevoir des circuits imprimés professionnels tout en minimisant les coûts.

Vous avez d’autres questions concernant les récepteurs de boucle de courant de 4-20 mA ? Contactez aujourd’hui même un expert d’Altium.