Protect the PLC’s 4 to 20 mA analog inputs from surges-edit

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Do you know how the PLC’s 4 to 20 mA analog inputs work and why they are so sensitive?

This article addresses this and proposes a simple solution to protect the 4 to 20 mA analog inputs of the PLC.

How the PLC’s 4 to 20 mA analog inputs work

Most 4 to 20 mA inputs in CLPs have a resistor of about 150 to 200 ohms at their input. See below for a typical circuit.SS2701 - Analog input surge protector

In the example in the picture above, we show a hydrostatic level transmitter.

This type of sensor is widely used to measure the water level in reservoirs belonging to the municipal water supply system.

The hydrostatic level transmitter works submerged, and because it is in direct contact with water, it is a path for electrical surges that normally enter the network and seek ground.

When a hydrostatic level sensor burns out due to a surge, it often ceases to function as a 4 to 20 mA regulator and delivers the unrestricted 24 V at the output.

Whether it is a hydrostatic level transmitter, a pressure sensor, or any other field instrument that, instead of delivering a 4 to 20 mA current, delivers the 24 V of the supply directly to the analog input, this will damage the analog input by the excess voltage and current.

What happens when the sensor shorts out and supplies the 24 V, with no current limit, to the 4 to 20 mA analog input?

Let’s say that the analog input is provided with a 200 ohms resistor. The current over the resistor will be:

I = 24V / 200 ohms = 120 mA and the Power over the resistor P = 24 V x 120 mA = 2.88 W

The resistors used in the analog inputs of the CLP are not sized to withstand this power and fatally burn out.

Solution to protect the analog input against excess current

The solution is simple; we need a voltage limiter and a current limiter working together.

As a voltage limiter we use the TVS diode and as a current limiter we use the PTC thermistor.

SS2701 - Analog input surge protector

Using the solution presented, when the field sensor is shorted, and the 24 V from the source goes straight through, the TVS diode will conduct, limiting the voltage at the analog input to 6 V.

The current on the PTC thermistor trying to exceed 50 mA will cause the PTC to heat up and change its original resistance from about 2 ohms to a resistance that limits the current to 50 mA.

In the case of the circuit shown, the resistance of the PTC will change to about: R = (24 V – 6 V) / 50 mA = 360 ohms.

Over the 200 ohms resistor of the analog input the resulting voltage will be 6 V, and the current 30 mA, resulting in a maximum power of 180 mW, which is not enough to damage the component.

The thermistor works like a resettable fuse, because after the replacement of the damaged (shorted) sensor, and having ceased the excessive current, the PTC will cool down and return to having only 2 ohms of resistance.

The PTC selected is of a type specially designed for overcurrent protection. The Resettable Fuses – Multifuse® PPTC line from Bourns is an example of such components.

The TVS diode is a fast diode specially designed to absorb surge voltages and is widely used in SPD (Surge Protection Device) circuits.

Complete protective circuit for analog 4 to 20 mA PLC inputs

We now present a complete circuit of an SPD for the protection of 4 to 20 mA inputs.

SS2701 - Analog input surge protector

The circuit presented protects not only the analog channel, but also the 24 V supply that is provided to the field sensor.

The protection is in three stages, by means of the three types of surge suppressors:

  • Gas spark gap;
  • Metal oxide varistor;
  • TVS diode.

The inductors that separate each stage of the protection help to delay and dampen the surge.

SPD PCB for analog inputs 4 to 20 mA

SS2701 - Analog input surge protector

QTY DESCRIPTION

  • 4 CN1, CN2 – AKZ-700 – 2
  • 1 D1 – P6KE30A (TVS)
  • 1 D2 – P6KE6A (TVS)
  • 1 F1 – Resetable fuse (PTC) 50 mA
  • 1 F2 – 50 mA resettable fuse (PTC)
  • 4 L1, L2, L3, L4 – Inductor 100uH
  • 2 RV1, RV2 – S10K30 (Varistor)
  • 2 SA1, SA2 – 75V (spark gap)
  • 1 Spacer 15 mm
  • 1 RS75 Female Foot
  • 1 RS75 Male Foot
  • 1 SS2701 PCB

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The module SS2702 module is an analog channel protector against electrical surges caused by over-voltages in the field wiring. Assembled in printed circuit board and housed in a plastic DIN-rail mount, the module incorporates five surge protection circuits, one to prevent surges from damaging the 24V power supply circuit and the other four for protecting analog channels. Each circuit is fitted with a fuse, gas spark gap, metal oxide varistor, suppressor diode, and inductors. The module replaces, with advantages in cost, space, and assembly time, an arrangement of four protectors, five fuses, and sixteen terminal blocks. One of the product’s differentials is the fact that it is the only one in the market equipped with resettable fuses (PTC).

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Proteja as entradas analógicas 4 a 20 mA do CLP contra surtos-edit

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Você sabe como funcionam as entradas analógicas 4 a 20 mA do CLP e o motivo pelo qual as mesmas são tão sensíveis?

Este artigo trata disso e propõe uma solução simples para proteger as entradas analógicas de 4 a 20 mA  do CLP.

Como funcionam a entradas analógicas 4 a 20 mA do CLP

A maioria das entrada 4 a 20 mA dos CLPs de mercado possuem um resistor de cerca de 150 a 200 ohms em sua entrada. Veja abaixo um circuito típico.SS2701 - Protetor contra surtos na entrada analógica

No exemplo da figura acima, mostramos um transmissor hidrostático de nível.

Esse tipo de sensor é muito utilizado para medir nível de água em reservatórios pertencentes ao sistema de abastecimento de água municipal.

O transmissor hidrostático de nível trabalha submerso e, por estar em contato direto com a água, é um caminho para surtos elétricos que normalmente entram pela rede e buscam a terra.

Quando um sensor hidrostático de nível queima por surto, com frequência deixa de funcionar como regulador de 4 a 20 mA e entrega na saída os 24 V sem limitação.

Seja um transmissor hidrostático de nível, um sensor de pressão, ou qualquer outro instrumento de campo que, ao invés de entregar uma corrente de 4 a 20 mA, entrega os 24 V da alimentação diretamente à entrada analógica, isso irá danifica a entrada analógico pelo excesso de tensão e corrente.

O que acontece quando o sensor entra em curto e fornece os 24 V, sem limite de corrente, à entrada analógica 4 a 20 mA?

Digamos que a entrada analógica é dotada de um resistor de 200 ohms. A corrente sobre o resistor será:

I = 24V / 200 ohms = 120 mA e a Potência sobre o resistor P = 24 V x 120 mA = 2,88 W

Os resistores utilizados nas entrada analógica dos CLP não são dimensionados para suportar essa potência e fatalmente queimam.

Solução para proteger a entrada analógica contra o excesso de corrente

A solução é simples; precisamos de um limitador de tensão e de um limitador de corrente trabalhando em conjunto.

Como limitador de tensão utilizamos o diodo TVS e como limitador de corrente utilizamos o termistor PTC.

SS2701 - Protetor contra surtos na entrada analógica

Utilizando a solução apresentada, quando o sensor de campo entra em curto, e os 24 V da fonte passam direto, o diodo TVS irá conduzir, limitando em 6 V a tensão na entrada analógica.

A corrente sobre o termistor PTC ao tentar ultrapassar os 50 mA fará o PTC aquecer e alterar sua resistência original de cerca de 2 ohms para uma resistência que limita a corrente em 50 mA.

No caso do circuito apresentado, a resistência do PTC irá alterar para cerca de: R = (24 V – 6 V) / 50 mA = 360 ohms.

Sobre o resistor de 200 ohms da entrada analógica a tensão resultante será de 6 V, e a corrente de 30 mA, resultando em uma potência máxima de 180 mW, que não é suficiente para danificar o componente.

O Termistor funciona como um fusível rearmável, pois após a substituição do sensor danificado (em curto), e tendo cessada a corrente excessiva, o PTC irá esfriar e voltar a ter apenas 2 ohms de resistência.

O PTC selecionado é do tipo especialmente desenvolvido para proteção contra sobre corrente. A linha Resettable Fuses – Multifuse® PPTC da Bourns é um exemplo desses componentes.

O diodo TVS é um diodo rápido especialmente desenvolvido para absorver surtos de sobretensão e muito utilizado em circuitos DPS (Dispositivo de Proteção Contra Surtos).

Circuito protetor completo para entradas analógicas 4 a 20 mA de CLP

Apresentamos agora um circuito completo de um DPS para a proteção de entradas 4 a 20 mA.

SS2701 - Protetor contra surtos na entrada analógica

O circuito apresentado protege não só canal analógico, mas também a alimentação 24 V que é fornecida ao sensor de campo.

A proteção se dá em três estágios, por meio dos três tipos de supressores de sobretensão:

  • Centelhador a gás;
  • Varistor de óxido metálico;
  • Diodo TVS.

Os indutores que separam cada etapa da proteção ajudam a retardar e amortecer o surto.

Circuito impresso do DPS para entradas analógicas 4 a 20 mA

SS2701 - Protetor contra surtos na entrada analógica

QTD         DESCRIÇÃO

  • 4              CN1, CN2 – AKZ-700 – 2
  • 1              D1 – P6KE30A  (TVS)
  • 1              D2 – P6KE6A  (TVS)
  • 1              F1 – Fusível rearmável (PTC) 50 mA
  • 1              F2 – Fusível rearmável (PTC) 50 mA
  • 4              L1, L2, L3, L4 – Indutor 100uH
  • 2              RV1, RV2 – S10K30 (Varistor)
  • 2              SA1, SA2 – 75V (centelhador a gás)
  • 1              Espaçador 15 mm
  • 1              Pé Fêmea RS75
  • 1              Pé Macho RS75
  • 1              PCI  SS2701

Solicite informações adicionais ou uma cotação do protetor de entradas analógicas

O módulo SS2702 constitui um protetor de canais analógicos contra surtos elétricos causados por sobre tensões na fiação de campo. Montado em circuito impresso e alojado em suporte plástico para fixação em trilho DIN, o módulo incorpora cinco circuitos de proteção contra surtos, sendo um para evitar que surtos danifiquem o circuito de alimentação em 24V e os outros quatro para proteção de canais analógicos. Cada circuito é dotado de fusível, centelhador a gás, varistor de óxido metálico, diodo supressor e indutores. O módulo substitui com vantagens de custo, espaço e tempo de montagem, um arranjo de quatro protetores, cinco fusíveis e dezesseis bornes. Um dos diferenciais do produto é o fato de ser o único do mercado dotado de fusíveis rearmáveis (PTC).

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