Ein Zweileiter-Drucktransmitter wird mit 24 V DC versorgt und liefert sein Messsignal an einen 4–20-mA-Analogeingang der SPS. Die Messung funktioniert zuverlässig. Anschließend soll zusätzlich eine lokale Digitalanzeige direkt in die Stromschleife eingebaut werden. Die Anzeige benötigt keine separate Spannungsversorgung und wird deshalb scheinbar einfach in Reihe geschaltet. Danach erreicht der Messwert jedoch nur noch etwa 18 mA, obwohl der Prozess eigentlich dem Messbereichsende entsprechen müsste.
Die Ursache kann in der verfügbaren Schleifenspannung liegen. Eine schleifengespeiste Anzeige benötigt zwar keine zusätzliche Versorgungsleitung, sie gewinnt ihre Betriebsenergie aber aus der 4–20-mA-Schleife. Dafür benötigt sie eine bestimmte Spannung. Hinzu kommen die Mindestbetriebsspannung des Zweileitertransmitters, der Spannungsabfall am SPS-Eingang, Leitungsverluste sowie gegebenenfalls weitere Geräte in der Schleife. Reicht die Versorgungsspannung für die Summe dieser Spannungsanteile nicht mehr aus, kann der Transmitter den geforderten Schleifenstrom nicht vollständig treiben.
Entscheidend ist deshalb nicht nur die nominelle Versorgung von beispielsweise 24 V DC, sondern die Spannung, die nach Abzug sämtlicher Verbraucher innerhalb der Schleife tatsächlich noch für den Transmitter zur Verfügung steht. Besonders kritisch wird das bei langen Leitungen, hohen Eingangswiderständen, zusätzlichen Anzeigen oder Trennmodulen sowie Versorgungsspannungen, die am unteren Ende ihrer Toleranz liegen.
Eine 4–20-mA-Stromschleife sollte deshalb als Spannungsbilanz betrachtet werden: Versorgungsspannung minus Mindestspannung des Transmitters minus Spannungsabfälle von Anzeige, Analogeingang und Leitung. Nur wenn anschließend noch ausreichende Reserve vorhanden ist, kann der maximale Schleifenstrom zuverlässig erreicht werden.
Warum benötigt eine 4–20-mA-Schleife überhaupt Spannung?
Bei einem Zweileitertransmitter werden Versorgung und Messsignal über dieselben beiden Leitungen übertragen. Das Netzteil stellt die Schleifenspannung bereit, während der Transmitter den Strom entsprechend dem Prozesswert zwischen typischerweise 4 und 20 mA regelt. Damit diese Stromregelung funktioniert, benötigt die Elektronik des Transmitters eine bestimmte Mindestspannung an seinen eigenen Anschlussklemmen.
Die übrige Versorgungsspannung steht für alle weiteren Komponenten in der Reihenschaltung zur Verfügung. Dazu können ein SPS-Analogeingang, eine lokale Digitalanzeige, ein Sicherheitsbarrieren- beziehungsweise Trennmodul sowie die Widerstände der Anschlussleitungen gehören. Da alle Komponenten in Reihe liegen, fließt durch sie derselbe Strom. Die einzelnen Spannungsabfälle addieren sich.
Vereinfacht lässt sich die erforderliche Versorgungsspannung deshalb so darstellen:
Uversorgung ≥ Utransmitter + Uanzeige + Ueingang + Uleitung + Ureserve
Die entscheidende Frage lautet damit nicht „Hat das Netzteil 24 V?“, sondern „Wie viel von diesen 24 V bleibt nach allen anderen Spannungsabfällen noch am Transmitter übrig?“
Was bedeutet Bürde bei einem 4–20-mA-Signal?
Als Bürde wird bei einem Stromsignal der elektrische Lastwiderstand bezeichnet, den der Stromausgang treiben muss. Bei einem SPS-Analogeingang kann beispielsweise ein Eingangswiderstand von 250 Ω vorhanden sein. Der Spannungsabfall über dieser Bürde ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz:
U = I × R
Bei 20 mA und 250 Ω entstehen damit:
0,020 A × 250 Ω = 5,0 V
| Bürde | Spannungsabfall bei 4 mA | Spannungsabfall bei 20 mA |
|---|---|---|
100 Ω |
0,4 V |
2,0 V |
250 Ω |
1,0 V |
5,0 V |
500 Ω |
2,0 V |
10,0 V |
600 Ω |
2,4 V |
12,0 V |
Damit wird auch deutlich, warum eine Stromschleife bei kleinen Stromwerten funktionieren kann und erst nahe dem Messbereichsende auffällig wird. Der Spannungsbedarf eines ohmschen Widerstandes steigt proportional zum Schleifenstrom. Eine 250-Ω-Bürde benötigt bei 4 mA nur 1 V, bei 20 mA dagegen bereits 5 V.
Warum benötigt eine schleifengespeiste Anzeige Spannung?
Eine schleifengespeiste Digitalanzeige besitzt keine eigene 24-V-Hilfsenergie. Sie wird direkt in Reihe in die Stromschleife eingebaut und versorgt ihre Elektronik aus dem dort fließenden Strom. Dafür benötigt das Gerät einen bestimmten Spannungsabfall zwischen Eingang und Ausgang.
Dieser Spannungsabfall muss genau wie derjenige eines Widerstandes in der Spannungsbilanz berücksichtigt werden. Benötigt eine Anzeige beispielsweise 5 V, stehen diese 5 V nicht mehr für Transmitter, Analogeingang und Leitungen zur Verfügung. Der elektrische Vorteil besteht darin, dass keine zusätzliche Versorgungsleitung zur Anzeige benötigt wird. Die Schleifenspannung muss dafür jedoch ausreichend dimensioniert sein.
Bei der Planung sollte zwischen einem als Widerstand angegebenen Eingang und einem Gerät mit spezifiziertem konstanten beziehungsweise typischen Spannungsabfall unterschieden werden. Ein Analogeingang mit 250 Ω wird mit U = I × R berechnet. Bei einer schleifengespeisten Anzeige wird dagegen der im Datenblatt angegebene Spannungsabfall direkt in die Bilanz eingesetzt.
Schleifenspannung systematisch berechnen
Für eine typische Stromschleife mit 24-V-Versorgung, Zweileitertransmitter, lokaler Anzeige und SPS-Eingang kann zunächst jeder Spannungsanteil einzeln ermittelt werden. Anschließend werden alle Werte addiert und mit der tatsächlich verfügbaren Versorgungsspannung verglichen.
| Komponente | Beispielwert | Spannungsbedarf bei 20 mA |
|---|---|---|
| Zweileitertransmitter | Mindestbetriebsspannung | 10,5 V |
| Schleifengespeiste Anzeige | Spannungsabfall | 5,0 V |
| SPS-Analogeingang | 250 Ω |
5,0 V |
| Leitung | gesamter Schleifenwiderstand | 0,7 V |
| Gesamt | 21,2 V |
Bei exakt 24,0 V Versorgung bleiben in diesem Beispiel noch 2,8 V Reserve. Das klingt zunächst ausreichend. Wird jedoch die Toleranz des Netzteils, die Spannung am Ende einer langen Versorgungskette oder ein möglicher Fehlerstrom oberhalb von 20 mA berücksichtigt, kann diese Reserve schnell verschwinden.
Warum bei maximalem Strom gerechnet werden sollte
Für die Bürdenberechnung ist der ungünstigste vorgesehene Schleifenstrom entscheidend. Wer ausschließlich mit 20 mA rechnet, sollte prüfen, ob der verwendete Transmitter im Fehlerfall beispielsweise 21,5 oder 22 mA liefern kann. Ein ohmscher Eingang verursacht bei 22 mA einen höheren Spannungsabfall als bei 20 mA.
Bei einem Eingang mit 250 Ω ergibt sich bei 22 mA:
0,022 A × 250 Ω = 5,5 V
Auch der Leitungsverlust steigt proportional zum Strom. Besonders bei knapp dimensionierten Schleifen kann deshalb ein Messwert bis 20 mA noch funktionieren, während ein definierter Fehlerstrom nicht mehr korrekt erreicht wird. Für sicherheits- oder diagnosekritische Anwendungen sollte die Auslegung daher auf dem tatsächlich maximal vorgesehenen Schleifenstrom basieren.
Leitungsverluste richtig berücksichtigen
Jede Leitung besitzt einen elektrischen Widerstand. Da eine Stromschleife aus Hin- und Rückleiter besteht, muss für die Widerstandsberechnung die gesamte elektrische Leitungslänge berücksichtigt werden. Bei einer Entfernung von 500 m zwischen Schaltschrank und Transmitter fließt der Strom beispielsweise durch insgesamt etwa 1.000 m Kupferleiter.
Der Leitungswiderstand lässt sich näherungsweise bestimmen mit:
Rleitung = ρ × l / A
Für Kupfer kann näherungsweise mit ρ ≈ 0,0178 Ω mm²/m gerechnet werden. Bei insgesamt 1.000 m Leitung und 0,5 mm² Querschnitt ergibt sich damit ungefähr:
Rleitung = 0,0178 × 1000 / 0,5 ≈ 35,6 Ω
Bei 20 mA beträgt der Spannungsverlust rund:
0,020 A × 35,6 Ω ≈ 0,71 V
Bei kurzen Leitungen ist dieser Wert häufig klein. In weitläufigen Anlagen, bei kleinen Leiterquerschnitten oder mehreren Klemm- und Übergangsstellen kann er für eine ohnehin knapp dimensionierte Stromschleife jedoch entscheidend werden.
Versorgungsspannung und Toleranz berücksichtigen
Eine nominelle 24-V-Versorgung bedeutet nicht automatisch, dass an der Stromschleife unter allen Bedingungen exakt 24,0 V zur Verfügung stehen. Netzteile besitzen einen spezifizierten Ausgangsbereich und die Spannung kann zusätzlich über Sicherungen, Leitungslängen, Verteilerklemmen oder Entkopplungselemente abfallen.
Für eine robuste Auslegung sollte deshalb mit der kleinsten Spannung gerechnet werden, die am Anfang der tatsächlichen Stromschleife auftreten kann. Liegen beispielsweise im ungünstigsten Betriebszustand nur noch 21,6 V an, sieht die zuvor noch komfortabel wirkende Spannungsbilanz bereits anders aus.
Eine gute Planung enthält daher bewusst Reserve. Diese ist nicht dazu gedacht, einen falschen Aufbau zu kaschieren, sondern Bauteiltoleranzen, Versorgungsschwankungen, Leitungsverluste und zusätzliche kleine Übergangswiderstände aufzunehmen.
Praxisbeispiel: 24-V-Schleife mit Anzeige und SPS
Ein Drucktransmitter benötigt laut Auslegung mindestens 10,5 V an seinen Klemmen. Eine lokale schleifengespeiste Anzeige benötigt weitere 5 V. Der SPS-Eingang besitzt 250 Ω Eingangswiderstand und die lange Anschlussleitung verursacht bei 20 mA ungefähr 0,7 V Spannungsabfall.
Bei 20 mA ergibt sich:
10,5 V + 5,0 V + 5,0 V + 0,7 V = 21,2 V
Bei einer realen Versorgung von 24 V bleiben damit 2,8 V Reserve. Sinkt die tatsächlich verfügbare Versorgung jedoch auf 21,6 V, bleiben nur noch 0,4 V. Soll der Transmitter im Fehlerfall 22 mA ausgeben, steigt zusätzlich der Spannungsabfall am 250-Ω-Eingang auf 5,5 V und auch der Leitungsverlust nimmt leicht zu.
Die Schleife kann dann an ihre Grenze kommen. Der Transmitter besitzt nicht mehr genügend Klemmenspannung, um den geforderten Strom einzustellen. Statt beispielsweise 22 mA werden möglicherweise nur noch 19 oder 20 mA erreicht. Das eigentliche Problem liegt dann weder in der Skalierung noch in der SPS, sondern in der fehlenden Spannungsreserve der Stromschleife.
Genau deshalb sollte eine zusätzliche schleifengespeiste Anzeige nicht einfach nachträglich in eine vorhandene 4–20-mA-Schleife eingebaut werden, ohne vorher die Spannungsbilanz erneut zu berechnen.
Wie zeigt sich eine zu hohe Gesamtbürde?
Eine zu hohe Gesamtbürde zeigt sich häufig nicht als vollständiger Ausfall. Bei kleinen Ausgangsströmen benötigt ein ohmscher Lastanteil nur wenig Spannung und die Messstelle funktioniert scheinbar normal. Erst mit zunehmendem Prozesswert steigt der Spannungsbedarf so weit an, dass der Stromausgang seine Regelgrenze erreicht.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| 4 mA korrekt, 20 mA werden nicht erreicht | Zu geringe Schleifenspannung beziehungsweise zu hohe Bürde | Klemmenspannung am Transmitter bei hohem Strom messen |
| Fehler erst nach Einbau einer Anzeige | Zusätzlicher Spannungsabfall der Anzeige | Spannungsbilanz vor und nach Einbau vergleichen |
| Fehler nur bei langen Leitungen | Leitungswiderstand reduziert Spannungsreserve | Schleifenwiderstand und Spannungsabfall berechnen |
| Messung funktioniert bei 24 V, nicht bei niedrigerer Versorgung | Zu geringe Spannungsreserve | Mit minimaler zulässiger Versorgungsspannung rechnen |
| Signal bleibt am oberen Bereich „hängen“ | Transmitter erreicht Compliance-Grenze | Spannung direkt am Transmitter prüfen |
Was ist bei HART-Kommunikation zu beachten?
Bei einer HART-Stromschleife kommen zusätzliche Anforderungen hinzu. Für die Kommunikation muss eine geeignete Schleifenimpedanz vorhanden sein. Gleichzeitig dürfen eingeschleifte Anzeigen, Trenner oder andere Geräte das auf das 4–20-mA-Signal aufmodulierte Kommunikationssignal nicht unzulässig dämpfen.
Eine lokale Anzeige für eine HART-Anwendung sollte deshalb ausdrücklich für diese Betriebsart geeignet beziehungsweise HART-transparent sein. Auch ein zusätzlich erforderlicher Kommunikationswiderstand erhöht die Bürde der Schleife und muss in der Spannungsbilanz berücksichtigt werden.
Entscheidend bleibt damit dasselbe Grundprinzip: Jede zusätzlich in Reihe liegende Komponente kann Spannung benötigen. Kommunikationsfähigkeit und Spannungsbudget sollten deshalb gemeinsam geplant werden.
Stromschleife systematisch auslegen
- Tatsächlich verfügbare Versorgungsspannung bestimmen: Nicht nur den nominellen Wert des Netzteils verwenden.
- Mindestbetriebsspannung des Zweileitertransmitters ermitteln: Maßgeblich ist die konkrete Geräteausführung.
- Spannungsabfall aller schleifengespeisten Geräte addieren: Anzeigen, Trenner, Barrieren und weitere Komponenten berücksichtigen.
- Ohmsche Bürden mit dem maximal vorgesehenen Schleifenstrom berechnen: Analogeingänge und zusätzliche Widerstände einbeziehen.
- Hin- und Rückleitung berücksichtigen: Leitungswiderstand aus Länge und Querschnitt bestimmen.
- Versorgungstoleranzen und sinnvolle Reserve einplanen.
- Nach dem Aufbau bei hohem Schleifenstrom kontrollieren: Spannung direkt an den Transmitterklemmen messen.
Häufige Fehler
- Schleifengespeiste Anzeige als spannungsfrei betrachten: Sie benötigt keine separate Hilfsenergie, verursacht aber einen Spannungsabfall in der Schleife.
- Nur mit 4 mA prüfen: Viele Bürdenprobleme treten erst bei 20 mA beziehungsweise beim maximalen Fehlerstrom auf.
- Nominelle 24 V ungeprüft einsetzen: Am tatsächlichen Schleifenanschluss kann die Spannung geringer sein.
- Nur den SPS-Eingang als Bürde betrachten: Leitungen, Anzeigen, Trenner und Barrieren gehören ebenfalls zur Spannungsbilanz.
- Leitungslänge nur einfach rechnen: Der Schleifenstrom fließt über Hin- und Rückleiter.
- Nachträglich Geräte in Reihe einbauen: Jede zusätzliche Komponente reduziert die verbleibende Spannung am Transmitter.
- Keine Reserve einplanen: Eine Schleife, die rechnerisch exakt aufgeht, ist unter realen Toleranzen unnötig störanfällig.
Schleifengespeiste Anzeigen und Stromversorgung
Für eine lokale Anzeige direkt innerhalb einer 4–20-mA-Schleife stehen unterschiedliche Bauformen zur Verfügung. Schleifengespeiste Feldanzeigen eignen sich besonders, wenn am Einbauort keine zusätzliche Hilfsenergie zur Verfügung steht. Für Schaltschrankanwendungen stehen wiederum kompakte Einbauanzeigen zur Verfügung, die direkt in die 4–20-mA-Schleife eingeschleift werden können.
Bei der Auswahl sollte nicht nur auf Anzeigegröße und Skalierung geachtet werden. Für die elektrische Auslegung der Stromschleife ist insbesondere der erforderliche Spannungsabfall der Anzeige relevant. Dieser Wert muss zusammen mit Mindestspannung des Transmitters, Eingangsbürde der Auswertung und Leitungsverlusten gegen die verfügbare Versorgungsspannung gerechnet werden.
Passende Netzteile und weitere Komponenten finden Sie unter Stromversorgung bei ICS Schneider. Schleifengespeiste beziehungsweise für 4–20-mA-Signale geeignete Digitalanzeigen finden Sie außerdem im Bereich der elektrischen Anzeige- und Schaltschrankmesstechnik.
Fazit
Eine schleifengespeiste 4–20-mA-Anzeige benötigt keine separate Versorgungsleitung, aber trotzdem elektrische Leistung. Diese wird der Stromschleife entnommen und führt zu einem zusätzlichen Spannungsabfall. Genau dieser Wert muss bei der Auslegung berücksichtigt werden.
Die verfügbare Versorgungsspannung muss mindestens ausreichen, um die Mindestbetriebsspannung des Transmitters, den Spannungsabfall der Anzeige, die Bürde des Analogeingangs und den Leitungsverlust gleichzeitig abzudecken. Für ohmsche Bürden steigt der benötigte Spannungsanteil mit dem Schleifenstrom, weshalb die kritischste Situation typischerweise am oberen Ende des Strombereiches liegt.
Besonders wichtig ist außerdem, nicht ausschließlich mit nominellen 24 V zu rechnen. Versorgungstoleranzen, lange Leitungen und weitere in Reihe geschaltete Komponenten reduzieren die reale Reserve. Eine knapp ausgelegte Schleife kann deshalb bei 4 oder 12 mA vollkommen unauffällig arbeiten und erst bei 20 mA beziehungsweise einem Fehlerstrom in die Begrenzung geraten.
Für eine zuverlässige 4–20-mA-Schleife gilt daher: jeden Spannungsabfall einzeln erfassen, ohmsche Bürden beim maximal vorgesehenen Strom berechnen, Leitungsverluste und minimale Versorgungsspannung berücksichtigen und ausreichend Spannungsreserve für den Transmitter vorsehen.
FAQ: Bürde und Spannung in der 4–20-mA-Stromschleife
Was bedeutet Bürde bei einem 4–20-mA-Signal?
Die Bürde ist der elektrische Lastwiderstand, gegen den ein Stromausgang den Schleifenstrom treiben muss. Bei einem 250-Ω-Eingang entstehen bei 20 mA beispielsweise 5 V Spannungsabfall.
Warum benötigt eine schleifengespeiste Anzeige keine eigene Stromversorgung?
Sie entnimmt die benötigte Energie direkt aus der 4–20-mA-Stromschleife. Dafür entsteht jedoch ein Spannungsabfall über der Anzeige, der bei der Schleifenauslegung berücksichtigt werden muss.
Kann eine zusätzliche Anzeige dazu führen, dass 20 mA nicht mehr erreicht werden?
Ja. Wenn durch die Anzeige nicht mehr genügend Spannung für den Transmitter übrig bleibt, erreicht dieser seine Regelgrenze und kann den erforderlichen Schleifenstrom nicht mehr vollständig einstellen.
Wie berechnet man die erforderliche Schleifenspannung?
Die Mindestspannung des Transmitters, die Spannungsabfälle aller in Reihe liegenden Geräte, die Spannung über ohmschen Bürden sowie die Leitungsverluste werden addiert. Zusätzlich sollte eine angemessene Spannungsreserve vorgesehen werden.
Wie viel Spannung fallen an 250 Ω bei 20 mA ab?
Nach U = I × R ergeben sich 0,020 A × 250 Ω = 5 V.
Warum sollte die Bürde bei maximalem Schleifenstrom berechnet werden?
Der Spannungsabfall an ohmschen Widerständen steigt proportional zum Strom. Die höchste Belastung der Spannungsbilanz tritt deshalb normalerweise beim maximal vorgesehenen Schleifenstrom auf.
Spielt der Kabelwiderstand bei 4–20 mA eine Rolle?
Ja. Aufgrund des kleinen Stroms sind die Verluste häufig moderat, können bei langen Leitungen und kleinen Leiterquerschnitten aber einen relevanten Teil der verfügbaren Schleifenspannung verbrauchen.
Warum funktioniert eine Stromschleife manchmal bei 4 mA, aber nicht bei 20 mA?
Bei ohmschen Bürden ist der Spannungsabfall bei 20 mA fünfmal so groß wie bei 4 mA. Eine knapp dimensionierte Schleife kann deshalb bei kleinen Messwerten funktionieren und erst am oberen Messbereichsende in die Spannungsbegrenzung geraten.
Wie erkennt man eine zu geringe Schleifenspannung?
Typische Hinweise sind ein Stromsignal, das den oberen Sollwert nicht erreicht, oder ein Fehler, der erst bei großen Prozesswerten auftritt. Besonders aussagekräftig ist die Messung der tatsächlichen Spannung direkt an den Transmitterklemmen bei hohem Schleifenstrom.
Was muss bei einer HART-Schleife zusätzlich berücksichtigt werden?
Neben der Spannungsbilanz muss eine geeignete Schleifenimpedanz für die Kommunikation vorhanden sein. Eingeschleifte Geräte müssen außerdem mit dem HART-Signal kompatibel beziehungsweise entsprechend transparent sein.