Een current loop bestaat uit

• Een spanningsbron van 24V die minstens 20mA per loop kan leveren. In de industrie gebruikt men voedingsblokken die stroom kunnen leveren aan talrijke loops. De spanning moet niet perfect gestabiliseerd zijn, maar mag geen brom vertonen. Per loop moet er een stroombeveiliging zijn (ingesteld op bijvoorbeeld 25mA).

• Een sensor die stroom van de spanningsbron ontvangt en de loop moduleert. Het apparaat moet genoeg hebben aan 4mA voor zijn werking. De sensor werkt als een instelbare stroombron.

• Een meetapparaat die de stroom meet. Het kan bijvoorbeeld een aangepaste mA-meter zijn. In sommige gevallen voorziet het meettoestel zelf in de stroom van de lus (de spanningsbron kan dus vervallen), dit is bijvoorbeeld het geval bij registratieapparaten die over een eigen voeding beschikken.

De benaming "dry loop" is afkomstig van de telefoonwereld, waar een droge lus een gehuurde lijn zonder stroomvoorziening betekende. De "natte lus" verwees naar de batterijen die in de tijd gebruikt werden om stroom op de (meer klassieke) telefoonnlijn te zetten. Men kon een droge lus huren bij de telefoonmaatschappij (bijvoorbeeld om de waterstand van een rivier door te geven aan de electriciteitscentrale een tiental km stroomafwafwaarts).

Deze interface voldoet aan alle eisen:

• De sensor kan spanning betrekken uit de lus. Er moet geen aparte voeding voorzien worden. Er bestaan ook current loops van 10-50mA, maar die worden minder gebruikt.

• Fouten in de bekabeling worden automatisch opgemerkt: onderbreking (geen stroom of stroom lager dan 4mA) en kortsluiting (stroom hoger dan 20mA, beperkt door de spanningsbron)

• Verliezen in de leiding worden automatisch gecompenseerd: een kabelweerstand van 250Ω kan opgevangen worden. De stroomlus is relatief ongevoelig voor storingen.

• Het is een heel soepel systeem, men kan bijvoorbeeld meerdere aanduiders in de lus plaatsen (analoge meter, alarmsysteem, enz). De meeste modeules hebben een voedingsbron die al dan niet gebruikt kan worden. Bij marine-applicaties en dergelijke kan de voedingsspanning die niet gestabiliseerd moet worden uit het boordnet betrokken worden (24-28V).

De current loop wordt ook gebruikt om bijvoorbeeld regelkleppen in te stellen (4mA: gesloten, 20mA open). De regelklep beschikt natuurlijk over een eigen voeding wegens het hoge vermogen die nodig is om de klep de bedienen. Bij lusonderbreking of kortsluiting kan de klep automatisch naar een veilige positie gaan (bij een normale stuurspanning kan de klep niet merken dat de lus onderbroken is).

In Amerika werd de loop gebruikt voor radiocommunicatie (bijvoorbeeld taxibedrijven). De zender stond opgesteld op een hoog gebouw en de basisstation stond opgesteld in het kantoor van het bedrijf, misschien een paar huizenblokken verder. Er werd een droge lus gehuurd. De basisstation zette een lage of hoge stroom op de lus (ontvangen of zenden) en de spraak werd overgebracht als modulatie van de stroom (zoals bij gewone telefonie). Door de polariteit om te schakelen werd er overgeschakeld op een tweede frekwentie. De zender-ontvanger installatie beschikte hier natuurlijk over een eigen stroomvoorziening.

De 4-20mA stroomlus is zo gestandardiseerd, dat aanpassingen aan de norm er altijd van uitgaan dat de stroomlus blijft bestaan. Het HART protocol (overdracht van digitale signalen over de lus) gaat ervan uit dat er een stroomlus aktief is. De stroomlus blijft aktief en kan gebruikt worden om één parameter analoog door te sturen, terwijl de digitale communicatie bijvoorbeeld gebruikt kan worden om apparaten te schakelen.

Dit is een panelmeter die gebruikt wordt voor het meten van een processvariabele (bijvoorbeeld een bandsnelheid in de staalindustrie). Waarden beneden 4mA hebben geen betekenis en geven een foutconditie aan. De weerstand van de meter bedraagt 100Ω (ruim binnen de grenzen) en de stroomlus wordt aangeduid door de parameters rechts. De wijzerplaat wordt gewoon vervangen als men een andere processvariabele moet weergeven.

Er bestond vroeger een digitale current loop (60 en later 20mA) die later vervangen werd door de meer klassieke RS232 interface. Deze current loop werd bij de eerste microcomputers gebruikt en maakte verbindingen over meerdere kilometers mogelijk (meer dan wat mogelijk was met een RS-232 verbinding). De originele IBM PC kon uitgerust worden met een dergelijke current loop.

De schakeling heeft een ingang en een uitgang: een Pt100 als ingang en een loop als uitgang. Zoals je al weet zorgt de loop ook voor de voedingsspanning.

Er worden twee LM10 gebruikt: deze hebben een 200mV spanningsreferentie met opamp die je voor allerlei doeleinden kan gebruiken. Dankzij de weerstand van 220Ω zorgt de eerste spanningsreferentie voor een stroom van 0.91mA door de Pt100. De 2N6660 stabiliseert de stroom: deze transistor is niet echt nodig (de opamp kan de nodige stroom leveren), maar de transistor zorgt voor een kleine spanningsval die dan gebruikt wordt voor de offsetregeling.

De echte opamp voert de meting uit. De spanning over de 220Ω is constant, waardoor de spanning aan de andere kant van de Pt100 een maatstaf voor de temperatuur is. We moeten d'er een stroomversterker van maken, waardoor de spanning vergeleken wordt ten opzichte van een spanning over een 10Ω weerstand. Hoe hoger de spanning over de Pt100, hoe hoger de spanning over de 10Ω weerstand moet zijn.

De tweede 2N6660 werkt in feite als een regelbare stroombron. Er bestaan ontwerpen waarbij er geen transistor gebruikt wordt als stroombron, maar dan mag de voedingsspanning niet boven de 15V komen wegens de vermogensdiddipatie die anders te hoog zou worden. De LM10 werd trouwens specifiek ontworpen voor dergelijke toepassingen (waarbij ook een thermokoppel in plaats van een Pt100 gebruikt wordt).

Met een 2N6660 kan de voedingsspanning tot 24V gaan (met koelvin over de transistor). Is de voedingsspanning nog wat hoger, dan kan je gewoon meerdere transistoren in parallel zetten: het voordeel van mosfets is dat ze zich automatisch equilibreren (emitterweerstanden zijn dus niet nodig).

Met de offset regel je de kring zodanig dat bij 0°C de stroom 4mA bedraagt, met de gain zorg je ervoor dat bij 100°C de stroom 20mA bedraagt. Het is geen perfekte regeling, je moet dus de afregelingen meermalen uitvoeren.

Is de weerstand in kortsluiting, dan is de enige stroom de voedingsstroom van beide LM10 (minder dan 2mA in totaal, dus een duidelijke foutconditie).

De tweede op amp zorgt voor de stroombeperking bij open Pt100. We gebruiken hier de "gewone" 200mV die we vergelijken met de stroom over de belastingsweerstand van 10Ω. Komt de stroom boven de 25mA, dan treedt de op amp in werking via de diode om de stroom te beperken. Een hogere stroom dan 20mA is mogelijk als de Pt100 opgewarmd wordt boven de 100° of als die onderbroken is. De stroom van 25mA zorgt hier ook voor een duidelijke (maar veilige) foutindicatie.

De demonstratieschakeling hierboven opgebouwd uit discrete componenten wordt verkocht in de vorm van een kleine module die in de "bol" van de sensor past. Deze omvormer (twee foto's) is geschikt voor een Pt100 met een temperatuurbereik van 0 tot 600° (de omvormer zelf kan slechts gebruikt worden bij maximaal 50°).

De uitgang is een stroomlus van 4..20mA en heeft minstens een spanning nodig van 7.5V (spanningsval in de lus om een correcte werking te verzekeren). De maximale voedingsspanning bedraagt 36V.

De tweede omvormer is programeerbaar en kan gebruikt worden voor een Pt100, maar ook voor een thermokoppel. De thermokoppel wordt aangesloten tussen 4 (+) en 6 (-), de Pt100 tussen 3 en 6. Bij een driedraadsverbinding gebruikt men ook aansluiting 5 en bij vierdraads aansluiting 4.

Het instellen van de omzetter gebeurt met een computer aangesloten via een speciale connector.

De laatste foto rechts toont een niet-programmeerbare signaalomvormer voor een Pt100. De stroom gaat van 4 tot 20mA voor een temperatuur van 0 à 40°. De aansluiting is met 2 of 4 draden om de weerstand van de probe te compenseren.

Hieronder een Pt-100 naar 4-20mA current loop zoals in de industrie gebruikt. Men ziet de transistor die als programeerbare stroombron gebruikt wordt en de LM10 als op amp. De gebruikte schakeling komt redelijk goed overeen met mijn ontwerp.

De 4-20mA current loop is een gestandardiseerd protocol. Het is een analoog protocol (zoals bijvoorbeeld de oude telefoon (POTS) of de AM/FM radio). Tegenwoordig zijn de meeste communicatieprotocollen digitaal (het analoog signaal wordt zo snel mogelijk omgezet naar digitaal) om fouten beter te kunnen detecteren. Een van de meest gebruikte digitale communicatieprotocollen is de RS-232 die in verschillende versies bestaat.