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Os recursos de E/S incorporados na maioria dos microcontroladores facilitam a medição do mundo analógico. Digamos que você queira construir um registrador de dados de temperatura. Tudo o que você precisa fazer é obter algum tipo de sensor que tenha uma saída de tensão linear que represente a faixa de temperatura que você precisa monitorar – zero a cinco volts representando 0° a 100°C, talvez. Conecte o sensor a uma entrada analógica, crie um pequeno código e pronto. Coisas fáceis.

Agora dê uma reviravolta: você precisa montar o sensor longe do microcontrolador. Quanto mais longos forem os fios, maior será a queda de tensão, até que eventualmente a sua oscilação de cinco volts, representando uma faixa de 100°, seja mais parecida com uma oscilação de um volt. Além disso, os longos cabos do sensor funcionarão como uma bela antena para captar todos os tipos de ruído que tornarão ainda mais difícil extrair um sinal de tensão utilizável da linha.

Felizmente, os engenheiros de processos industriais descobriram há muito tempo como lidar com esses problemas, usando circuitos de corrente para detecção e controle. O padrão mais comum é o loop de corrente de 4 mA a 20 mA, e aqui veremos como ele surgiu, como funciona e como você pode aproveitar essa técnica básica de controle de processo para seu microcontrolador projetos.

O agora padrão circuito de corrente de 4-20 mA para controle de processos descende diretamente de uma inovação inicial em automação industrial, o controle pneumático de processos. Antes da difusão dos controles elétricos, quilômetros de linhas pneumáticas serpenteavam pelas fábricas, fornecendo não apenas a energia para mover os atuadores, mas também a capacidade de detectar as condições. Os engenheiros de processo usaram um sistema de sinalização pneumática baseado na pressão – 3 PSI em uma extremidade da faixa de detecção e 15 PSI na outra. Tal sensor variaria a pressão na linha com base na variável do processo e poderia ser usado como entrada para um registrador gráfico, para controlar diretamente uma válvula ou até mesmo atuar em conjunto com outros sensores e atuadores pneumáticos através de sofisticados controladores lógicos pneumáticos.

Embora os sistemas pneumáticos ainda sejam muito utilizados hoje em dia, especialmente em indústrias onde as coisas tendem a crescer em torno da electricidade, os sistemas de circuito de corrente de 4-20 mA tornaram-se um padrão de facto nas décadas de 1940 e 1950. Em sistemas de loop de corrente, um transdutor que monitora alguma variável do processo – temperatura, pressão, vazão, etc. – é conectado a um transmissor. O transmissor é conectado em série com uma fonte de alimentação CC – geralmente 24 volts em ambientes industriais. O transmissor é responsável por converter a saída do transdutor em uma corrente entre 4 mA e 20 mA.

A Lei das Correntes de Kirchhoff nos diz que a corrente será a mesma em todos os pontos do circuito, independentemente da tensão. Portanto, se a tensão cair substancialmente porque os fios do transmissor têm oitocentos metros de comprimento, ou se a tensão do circuito variar porque um motor enorme foi ligado em algum outro lugar da fábrica, não importa - o transmissor mantém a corrente constante. para uma determinada variável de processo.

Os loops de corrente não estão limitados a sensores, é claro. Uma ampla gama de atuadores, desde válvulas até acionamentos de motores, pode ser controlada por um circuito de 4 a 20 mA. A aquisição e exibição de dados também são possíveis, com registradores gráficos, medidores e indicadores, todos disponíveis para o circuito.

Mas por que 4 mA – ou 3 PSI, aliás – é o limite inferior do loop, em vez de zero? Fácil: porque fornece detecção de erros inerentes. Se o valor inferior da corrente do circuito tivesse sido definido como zero, seria impossível saber a diferença entre uma leitura legítima do limite inferior em um sensor e um fio do circuito quebrado.

Então, como você incorpora um dispositivo de 4 a 20 mA em seu projeto Arduino mais recente? Mudar a corrente de volta para uma tensão colocando um resistor no circuito e medindo a queda de tensão nele é realmente o suficiente. [AvE] faz as contas para nos mostrar que um resistor de 250 ohms nos dá uma oscilação de um volt a cinco volts, o que é perfeito para uma entrada analógica do Arduino no vídeo abaixo (aviso – um pouco de linguagem NSFW à frente).

Você pode não ter acesso tão imediato a sensores e atuadores de loop de corrente como alguém que trabalha em automação industrial, e seu projeto pode não aproveitar realmente tudo o que o padrão 4-20 mA tem a oferecer. Mas é bom saber que ele estará disponível quando e se você precisar.