Stromsignalsysteme: Der 4–20-mA-Stromkreis erklärt

Stromquellen-Grundlagen

Mithilfe elektronischer Verstärker kann ein Kreis so entworfen werden, dass er einen konstanten Strom liefert, unabhängig von der an seinen Anschlüssen erforderlichen Spannung. Solche Baugruppen werden gemeinsam als Stromquelle bezeichnet, und ihr Schaltbildsymbol ist unten dargestellt:

Eine Stromquelle hält einen festen Strom aufrecht, indem sie die Spannung so anpasst, dass dieser Strom durch ihre Last fließt. Dies ist das logische Gegenstück zu einer idealen Spannungsquelle (einer perfekten Batterie), die ihre Spannung konstant hält, während der Strom als Reaktion auf den externen Kreis variiert.

Moderne Messtechnik nutzt oft variable Stromquellen, was hochpräzise und reproduzierbare Signalpegel ermöglicht. Ersetzt man in einem Messumformer-Design die variable Spannungsquelle durch eine variable Stromquelle, erhält man ein Signalsystem, das auf Strom statt Spannung basiert:

Die interne Schaltung des Messumformers ist sekundär zu seinem externen Verhalten: Der Ausgangsstrom ändert sich proportional zur Schwimmerposition, analog dazu, wie ein Potentiometer in einem Spannungssystem die Ausgangsspannung anpasst.

In dieser Konfiguration ist der Anzeiger ein Amperemeter statt eines Voltmeters, dessen Skala kalibriert ist, um den Wasserstand in Zoll, Fuß oder Metern widerzuspiegeln. Da der Kreis ein Reihenschaltkreis ist, bleibt der Strom in jedem Bauteil identisch – Kabelwiderstand inklusive – was sicherstellt, dass der am Anzeiger gemessene Strom dem am Messumformer erzeugten entspricht. Dies eliminiert die Signalverschlechterung, die spannungsbasierte Systeme plagen kann, und ist ein primärer Vorteil der Stromschleifen-Signalgebung.

Der 4–20-mA-Stromkreis

Der Industriestandard-Stromkreis ist 4 bis 20 mA. In diesem Bereich entspricht 4 mA 0 % der gemessenen Größe, 20 mA 100 %, und Zwischenwerte linear (z. B. 12 mA = 50 %). Ein wesentlicher Vorteil des 4–20-mA-Standards ist seine einfache Umwandlung in ein 1–5-V-Signal: Ein präziser 250-Ω-Widerstand in Reihe erzeugt einen Spannungsfall von 1 V bei 4 mA, 5 V bei 20 mA und proportionale Werte dazwischen.

Der 4–20-mA-Stromkreis ist zum dominierenden Standard für analoge Stromsignalgebung geworden, maßgeblich aufgrund seines Sicherheitsprofils. Im Vergleich zum älteren 10–50-mA-Bereich reduzieren die niedrigeren Spannungs- und Strompegel das Risiko von Stromschlägen und Funkenbildung in gefährlichen Industrieumgebungen, entsprechend IEC/ISA-Sicherheitsrichtlinien.

Kernaussagen

• Eine Stromquelle liefert einen gleichmäßigen Strom, analog dazu, wie eine Spannungsquelle eine gleichmäßige Spannung hält.
• In einem Stromschleifen-System garantiert die Reihenschaltung identischen Strom durch alle Komponenten, was Fehler durch Kabelwiderstand eliminiert.
• Der 4–20-mA-Stromkreis bleibt der vorherrschende analoge Stromstandard in der industriellen Messtechnik.