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

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.

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.

Entrada analógica protegida

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.

Protetor DPS para entradas analógicas

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

PCI – SS2701