Lazo de corriente 4–20 mA: explicado con presupuesto de voltaje

Un transmisor de presión a 200 metros del cuarto de control marca 12 mA, el PLC muestra 50% del rango y nadie necesita saber la resistencia del cable que hay en medio. Esa es la gracia del lazo de corriente 4–20 mA, un estándar de señal que ha sobrevivido décadas de buses de campo digitales porque es simple, robusto y fácil de diagnosticar con un multímetro. En este artículo vemos por qué la corriente funciona mejor que el voltaje en cables largos, qué hace el cero vivo de 4 mA, cómo calcular el presupuesto de un lazo, qué significan los niveles de falla de NAMUR NE 43 y cómo HART agrega comunicación digital sin alterar la señal analógica.

Puntos clave

• En un lazo en serie la corriente es la misma en todos los puntos, así que la resistencia de cables y conectores no cambia la medición, siempre que la fuente tenga voltaje suficiente para hacer pasar la corriente.
• El cero vivo de 4 mA distingue “el proceso está en cero” (4 mA) de “el cable está roto” (0 mA), y permite que un transmisor de dos hilos se alimente del propio lazo.
• El presupuesto de un lazo es un presupuesto de voltaje: el voltaje de la fuente menos el voltaje mínimo de operación del transmisor, dividido entre la corriente más alta que llevará el lazo, da la resistencia máxima del lazo.
• NAMUR NE 43 estandariza la señalización de fallas: información de medición entre 3.8 y 20.5 mA, y falla en 3.6 mA o menos, o en 21 mA o más.
• HART superpone una señal FSK de 1 mA pico a pico (1200 Hz para un 1, 2200 Hz para un 0, 1200 bit/s) cuyo promedio es cero, así que el valor analógico no se altera.

El problema: las señales de voltaje no aguantan cables largos

Un sensor con salida de 0–10 V funciona en el banco. En un cable largo hasta el cuarto de control se topa con tres problemas. El cable tiene resistencia, así que cualquier corriente que tome el receptor provoca una caída de voltaje en el camino. Los potenciales de tierra no son iguales en campo y en el cuarto de control, así que el receptor puede ver un offset. Y un cable largo recoge ruido, que se suma directo al voltaje.

Una señal de corriente evita por completo el primer problema y reduce los otros. El transmisor regula la corriente del lazo para representar la medición. La ley de corrientes de Kirchhoff dice que la corriente es la misma en todo un circuito en serie, así que el receptor, que mide la corriente (normalmente como el voltaje en una resistencia de precisión), obtiene el mismo valor sin importar la resistencia del cable. El lazo además es un circuito de baja impedancia, lo que lo hace menos sensible al ruido acoplado capacitivamente que una entrada de voltaje de alta impedancia.

Lo que definen los estándares

El rango de la señal

El rango 4–20 mA está definido en estándares internacionales y nacionales para señales analógicas entre instrumentos de proceso, entre ellos la IEC 60381-1, Analogue signals for process control systems – Part 1: Direct current signals, y la ANSI/ISA-50.00.01, Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments. Su propósito es la interoperabilidad: un transmisor de un fabricante y un receptor de otro coinciden en lo que significa una corriente.

La relación es lineal. 4 mA es 0% del rango configurado y 20 mA es 100%, así que el span es de 16 mA:

• 8 mA = 25%
• 12 mA = 50%
• 16 mA = 75%

Un transmisor con rango de 0–10 bar que entrega 13.6 mA está reportando (13.6 − 4) / 16 × 10 = 6.0 bar.

Por qué el cero está “vivo”

Empezar el rango en 4 mA en lugar de 0 logra dos cosas. Primero, una lectura de 0 mA solo puede significar una falla (un cable roto, una fuente caída, un transmisor muerto), nunca una medición legítima. Segundo, un transmisor de dos hilos tiene que funcionar con la propia corriente del lazo, y 4 mA le da con qué. La nota de aplicación de TI sobre HART de Joseph Wu (2023) señala que los transmisores alimentados por lazo deben operar con menos de 4 mA, normalmente con menos de 3 mA, y que como las corrientes alrededor de 3.5 mA pueden usarse para señalar errores, el presupuesto práctico es de unos 3 mA para todo el transmisor, incluidos sensor, convertidor, procesador y etapa de salida.

NAMUR NE 43: señalar fallas en la corriente

Antes de la recomendación NE 43 de NAMUR, Standardization of the Signal Level for the Failure Information of Digital Transmitters, cada fabricante señalaba las fallas a su manera, y un sistema de control no podía distinguir con seguridad una lectura baja real de un instrumento descompuesto. La NE 43 (revisada por última vez en 2021) divide el rango de corriente en zonas:

• De 3.8 a 20.5 mA: información de medición, incluido un pequeño margen más allá de 4 y 20 mA para lecturas un poco fuera del span configurado.
• En 3.6 mA o menos, o en 21 mA o más: información de falla.
• Entre 3.6 y 3.8 mA, o entre 20.5 y 21 mA: un margen entre ambas.

Un receptor configurado para NE 43 trata una corriente en la zona de falla como falla del instrumento y no como valor de proceso, y el transmisor se puede configurar para llevar su salida abajo o arriba en caso de falla, según qué sea más seguro para el proceso.

HART: datos digitales en los mismos cables

El protocolo HART, que mantiene el FieldComm Group, superpone comunicación digital sobre el lazo 4–20 mA. Se basa en el estándar de módem Bell 202 y usa modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK): según la descripción de Wu, un tono de 1200 Hz representa un 1 y uno de 2200 Hz un 0, a 1200 bit/s, con una amplitud nominal de 1 mA pico a pico. Como la señal FSK es de fase continua y su promedio es cero, el valor analógico que lee un receptor con el filtrado adecuado no cambia. El FieldComm Group lo describe como dos canales simultáneos: la señal analógica para la variable principal y un canal digital para configuración, diagnóstico y variables adicionales.

HART necesita algo de resistencia en el lazo para generar un voltaje legible a partir de la corriente FSK; la nota de TI da un rango de resistencia de lazo de 230 Ω a 600 Ω, con 250 Ω como valor típico.

Un presupuesto de lazo, paso a paso

La pregunta que todo diseño de lazo tiene que responder es si la fuente puede empujar la corriente más alta a través de todo lo que hay en el lazo y dejarle al transmisor voltaje suficiente para operar. Números ilustrativos:

• Fuente del lazo: 24 V.
• Voltaje mínimo de operación del transmisor (según su hoja de datos (datasheet)): 10.5 V.
• Corriente más alta que debe soportar el lazo: 22 mA (una señal de falla alta por encima de 21 mA, con margen).
• Resistencia de medición del receptor: 250 Ω.
• Cable: 200 m de conductor en total (100 m de ida y 100 m de regreso) a unos 36 Ω/km para cobre de 0.5 mm², unos 7.2 Ω.

Resistencia máxima total del lazo = (24 − 10.5) V / 0.022 A ≈ 614 Ω.

Resistencia real del lazo = 250 + 7.2 ≈ 257 Ω, muy dentro del presupuesto. El voltaje que le queda al transmisor a 22 mA es 24 − 0.022 × 257 ≈ 18.3 V, holgadamente arriba de 10.5 V.

Ahora agrega una barrera de seguridad intrínseca con, digamos, 300 Ω en serie y un indicador de panel de 100 Ω: la resistencia del lazo sube a unos 657 Ω, más que el presupuesto de 614 Ω. Con corrientes altas el transmisor se quedaría sin voltaje y la lectura se recortaría por debajo del valor real, una falla que solo aparece cuando el proceso sube, que suele ser justo cuando importa. Por eso el presupuesto se calcula a la corriente de falla, no a 20 mA.

También vale la pena revisar la resolución. 0.1% del span de 16 mA son 16 µA, que en una resistencia de 250 Ω son 4 mV. El convertidor del receptor y la tolerancia y el coeficiente de temperatura de la resistencia deciden si eso se alcanza a resolver.

4–20 mA frente a otras formas de mandar una medición

Propiedad	Voltaje 0–10 V	Lazo de corriente 4–20 mA	4–20 mA con HART	Bus de campo digital o Ethernet
Efecto de la resistencia del cable	Error proporcional a la caída	Ninguno dentro del presupuesto de voltaje	Igual que 4–20 mA	Ninguno (digital)
Detección de cable roto	Ambigua en 0 V	0 mA es falla clara; NE 43 agrega niveles de falla	Igual, más diagnóstico digital	Se detecta la pérdida de comunicación
Alimentación del sensor	Normalmente por cables aparte	Transmisores de dos hilos alimentados por el lazo	Igual	Depende (algunos alimentan)
Valores por par de cables	Uno	Uno	Uno analógico más varios digitales	Muchos
Diagnóstico	Voltímetro	Multímetro en serie o de gancho	Más un comunicador HART	Herramientas del protocolo
Uso típico	Tramos cortos, tableros	Transmisores y actuadores de proceso	Instrumentos que se configuran a distancia	Plantas nuevas, equipos con muchos datos

Qué hacer en la práctica

Calcula el presupuesto a la corriente de falla

Usa el voltaje mínimo de operación del transmisor según su hoja de datos, la corriente más alta que llevará el lazo (incluido el nivel de falla alta de NE 43 si se usa) y todas las resistencias en serie: resistencia de medición, cable, barreras, indicadores, aisladores.

Configura los receptores para NE 43

Configura la entrada receptora para tratar como falla del instrumento las corrientes de 3.6 mA o menos y de 21 mA o más, y decide para cada lazo si el transmisor debe fallar abajo o arriba.

Toma en cuenta HART al dimensionar resistencias

Si se usa HART o se podría usar después, mantén la resistencia del lazo en el rango que necesitan los equipos HART y evita un filtrado en el receptor que elimine la señal FSK antes de que la vea el módem.

Trata la resistencia del receptor como pieza de precisión

La resistencia de medición convierte corriente en voltaje, así que su tolerancia y su coeficiente de temperatura entran directo en la lectura. Elígela como una referencia, no como un pull-up.

Aterriza y canaliza el lazo una sola vez

Aterriza el lazo en un solo punto (normalmente el receptor), usa cable de par trenzado y llévalo lejos del cableado de potencia. Un lazo de corriente aguanta mucho, pero no una segunda tierra a través de la carcasa del transmisor.

Qué no hacer

No calcules el presupuesto a 20 mA y te quedes ahí. Y no agregues un indicador de panel, un aislador o una barrera a un lazo existente sin recalcular el voltaje que le queda al transmisor.

Cómo aplicarlo

Si tienes una hora

Toma un lazo de tu planta, ya sea en Monterrey, en el Bajío o donde operes, o de tu producto, y anota cada elemento en serie con su resistencia o su caída de voltaje. Calcula el voltaje que le queda al transmisor a 22 mA.

Si tienes un sprint

Revisa la configuración de cada entrada analógica contra NE 43, documenta qué lazos fallan abajo y cuáles arriba, y prueba algunos simulando las corrientes de falla con un calibrador de lazo.

Si quieres que dure toda la vida del producto

Guarda el presupuesto de cada lazo con su documentación y recalcúlalo cada vez que se agregue un elemento. Si fabricas transmisores, publica con claridad en la hoja de datos el voltaje mínimo de operación y el comportamiento de la señal de falla.

La pregunta que debes hacerte: “Cuando este transmisor señale una falla con su corriente más alta, ¿el lazo todavía tiene voltaje suficiente para llevar esa señal al receptor?”

Preguntas frecuentes

¿Por qué se usa 4 mA y no 0 mA?

Para que una lectura de 0 mA solo pueda significar una falla, como un cable roto, y para que un transmisor de dos hilos tenga corriente con qué alimentarse aunque la medición esté en el fondo de su rango.

¿Por qué usar corriente y no voltaje para las señales de sensores?

Porque en un lazo en serie la corriente es la misma en todas partes, y la resistencia de cables y conectores no cambia la lectura mientras la fuente pueda empujar la corriente. Un lazo de corriente también es menos sensible a algunos tipos de ruido y a las diferencias de potencial de tierra.

¿Qué tan lejos puede llegar una señal 4–20 mA?

Hasta donde alcance el presupuesto de voltaje. El límite llega cuando el voltaje de la fuente menos la caída en todas las resistencias en serie, a la corriente más alta, queda por debajo del voltaje mínimo de operación del transmisor. Los tramos largos son comunes en plantas de proceso.

¿Qué es NAMUR NE 43?

Una recomendación de NAMUR que estandariza cómo los transmisores señalan una falla a través de la corriente: información de medición entre 3.8 y 20.5 mA, y falla en 3.6 mA o menos, o en 21 mA o más.

¿HART afecta la lectura de 4–20 mA?

No, si el receptor está diseñado para ello. HART agrega una pequeña señal FSK cuyo promedio es cero, así que el valor analógico no cambia; el receptor debe filtrar las frecuencias FSK de su medición analógica.

Lecturas relacionadas: tierra y blindaje de señales de sensores, calibración de sensores: offset, ganancia y linealidad y Modbus vs OPC UA vs MQTT.

Fuentes

1. IEC 60381-1:1982. Analogue Signals for Process Control Systems – Part 1: Direct Current Signals, Ed. 2.0. https://webstore.iec.ch/publication/1948
2. ISA. ANSI/ISA-50.00.01-1975 (R2012), Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments. https://www.isa.org/products/ansi-isa-50-00-01-1975-r2012-compatibility-of-anal
3. NAMUR (2021). NE 43, Standardization of the Signal Level for the Failure Information of Digital Transmitters (edición revisada). https://www.namur.net/en/publications/news-archive/ne-43-has-been-revised.html
4. Wu, J. (2023). “A Basic Guide to the HART Protocol.” Texas Instruments, nota de aplicación SLAAEH0. https://www.ti.com/lit/pdf/slaaeh0
5. FieldComm Group. “HART Technology Explained.” https://www.fieldcommgroup.org/technologies/hart/hart-technology-explained