Sinais analógicos 4-20 mA e 0-10 V: diferenças e quando usar cada um

Um transmissor de pressão a 150 metros do painel e um potenciômetro de ajuste de velocidade na porta do mesmo painel resolvem problemas diferentes, e é por isso que a instrumentação convive há décadas com dois padrões de sinal analógico. A escolha entre 4-20 mA ou 0-10 V não é questão de preferência: cada um se comporta de um jeito diante de ruído, de distância, de fio rompido e de diferenças de potencial entre terras. Entender essas diferenças evita leituras instáveis, valores "congelados" em zero e horas de investigação em campo.

Como cada sinal transporta a informação

Laço de corrente 4-20 mA

No 4-20 mA, a grandeza medida é representada pela corrente que circula em um laço fechado. O transmissor ajusta essa corrente entre 4 mA (início da faixa) e 20 mA (fim da faixa), e o cartão de entrada do CLP a mede, normalmente sobre um resistor interno. Como a corrente é a mesma em todos os pontos de um circuito em série, a resistência do cabo não altera o valor lido, desde que a fonte tenha tensão suficiente para empurrar a corrente pelo laço inteiro.

Com um resistor de 250 ohms, a faixa de 4 a 20 mA vira uma tensão de 1 a 5 V, conversão muito usada em entradas que só leem tensão.

Sinal de tensão 0-10 V

No 0-10 V, a informação está na tensão entre o fio de sinal e o comum. A entrada do receptor tem alta impedância e consome corrente muito pequena. Isso torna o circuito simples e barato, mas deixa o valor lido sujeito a tudo o que se soma a essa tensão no caminho: ruído induzido, queda no condutor comum e diferença de potencial entre o terra do sensor e o do painel.

A série de normas IEC 60381 trata justamente dos sinais analógicos de corrente e de tensão usados em sistemas de controle de processo.

Imunidade a ruído

O ruído elétrico chega ao cabo por acoplamento capacitivo e indutivo, vindo de cabos de motor, inversores de frequência, contatores e soldas. Em um sinal de tensão de alta impedância, uma pequena corrente induzida já produz variação perceptível na leitura. No laço de corrente, a baixa impedância do circuito faz com que a mesma interferência produza variação muito menor.

Por isso o 4-20 mA é a escolha natural em campo, com cabos longos passando por eletrocalhas compartilhadas. O 0-10 V funciona bem em trechos curtos, dentro do painel ou entre painéis vizinhos, quando o cabo é blindado, passa longe da potência e o comum é bem aterrado.

Distância

Não existe um número único de metros para cada padrão, porque depende da bitola, do ambiente e do equipamento. O raciocínio, porém, é claro:

• 4-20 mA: o limite é a resistência total do laço. A tensão da fonte menos a tensão mínima exigida pelo transmissor, dividida pela corrente máxima de 20 mA, dá a resistência que o laço suporta. Com fonte de 24 V e transmissor que exige 12 V, sobram 12 V, ou seja, 600 ohms. Tirando os 250 ohms da entrada, restam 350 ohms para o cabo, o que permite centenas de metros com condutores comuns de instrumentação.
• 0-10 V: o limite é o ruído e a queda de tensão no comum. Quanto mais longo o cabo, maior a antena e maior a chance de o terra das duas pontas não estar no mesmo potencial. Em distâncias maiores, a prática é converter para corrente ou usar rede digital.

Detecção de fio rompido

Aqui está a vantagem mais prática do 4-20 mA. O início da faixa em 4 mA, chamado de zero vivo, permite distinguir "valor mínimo" de "sem sinal". Se o cabo rompe, a corrente cai a zero e o controlador sabe que há falha, não que o tanque esvaziou.

A recomendação NAMUR NE 43, adotada por muitos fabricantes de transmissores, padronizou essa leitura: a faixa de medição vai de 3,8 a 20,5 mA, e valores de 3,6 mA ou menos, ou de 21 mA ou mais, indicam falha do instrumento. Configurando o cartão de entrada e a lógica do CLP para tratar essas faixas, o sistema separa medição fora de escala de defeito real.

No 0-10 V, zero volt é um valor válido. Um fio solto aparece como leitura mínima, e a falha só é percebida pelo efeito no processo. A variante de 2 a 10 V recupera o zero vivo e é usada em alguns equipamentos de climatização e atuadores.

Ligação correta

Dois, três ou quatro fios no 4-20 mA

• Dois fios: o transmissor é alimentado pelo próprio laço. Usa menos de 4 mA para funcionar e modula o restante. É o arranjo mais comum em pressão, temperatura e nível.
• Três fios: alimentação e sinal compartilham o comum. Frequente em sensores com consumo maior.
• Quatro fios: alimentação separada do sinal, típica de analisadores e medidores de vazão que consomem mais energia.

O ponto que mais causa erro é saber quem alimenta o laço. Entradas "ativas" fornecem a tensão do laço; entradas "passivas" esperam que alguém a forneça. Transmissor de dois fios em entrada passiva sem fonte no laço não liga; transmissor de quatro fios em entrada ativa pode ficar com duas fontes em conflito. A folha de dados do cartão e do instrumento responde a essa pergunta antes da montagem.

Cuidados no 0-10 V

• Leve o comum do sinal junto com o fio de sinal, no mesmo cabo, em vez de usar o terra do painel como retorno.
• Use cabo blindado e aterre a malha em um único ponto, no lado do receptor.
• Evite ligar o mesmo sinal a várias entradas em paralelo sem conferir a impedância total.

Isoladores e conversores

Quando o sensor e o receptor estão em terras diferentes, ou quando um mesmo sinal precisa ir a dois sistemas, os isoladores galvânicos e divisores de sinal eliminam laços de terra e protegem o cartão de entrada. Conversores de tensão para corrente permitem levar um sinal de 0-10 V por distâncias maiores.

Escala e leitura no CLP

A conversão do sinal em unidade de engenharia é linear. No 4-20 mA:

valor = mínimo da faixa + (corrente − 4) ÷ 16 × (máximo − mínimo)

Um transmissor de 0 a 10 bar em 12 mA indica 5 bar, metade da faixa. No 0-10 V, a conta é direta: 5 V na mesma faixa também indicam 5 bar.

A resolução depende do conversor analógico-digital do cartão e de quantas contagens ele entrega na faixa útil. No 4-20 mA, os 4 mA iniciais consomem parte das contagens, detalhe que só pesa em medições de altíssima resolução.

Protocolo HART sobre o 4-20 mA

Uma vantagem extra do laço de corrente é o protocolo HART, que sobrepõe um sinal digital de baixa amplitude ao 4-20 mA sem alterar o valor analógico. Com ele é possível ler diagnóstico, faixa configurada e identificação do instrumento pelo mesmo par de fios, usando comunicador portátil ou cartões compatíveis. Não há equivalente difundido para o 0-10 V.

Quando usar cada um

Prefira 4-20 mA quando:

• o cabo é longo ou passa por ambiente com inversores, motores e soldas;
• é preciso detectar fio rompido ou falha do instrumento;
• o instrumento é de processo (pressão, nível, vazão, temperatura) e pode ter diagnóstico via HART;
• o transmissor precisa ser alimentado pelo próprio laço.

Prefira 0-10 V quando:

• a ligação é curta, dentro do painel ou entre equipamentos próximos;
• o sinal é referência de velocidade para inversor, comando de válvula de climatização ou ajuste por potenciômetro;
• o equipamento só oferece essa saída e a distância é pequena;
• o custo e a simplicidade pesam mais que o diagnóstico.

Erros que aparecem em campo

• Duas fontes alimentando o mesmo laço de 4-20 mA, ou nenhuma.
• Cabo de sinal na mesma eletrocalha dos cabos de motor.
• Blindagem aterrada nas duas pontas em sinal analógico, criando laço de terra.
• Sinal de 0-10 V levado por dezenas de metros sem blindagem.
• Lógica que trata 0 mA como "valor mínimo" em vez de falha.
• Escala configurada no CLP diferente da faixa ajustada no transmissor.