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Hoje, o especialista em controle de instrumentos discute com todos vocês os sistemas de dois fios, três fios e quatro fios. Estes referem-se às diferenças no princípio de funcionamento e na estrutura dos transmissores que emitem sinais de corrente contínua analógica, e não apenas ao modo de conexão dos mesmos. Primeiramente, vamos ver suas definições. Sistema de duas linhas: são utilizadas duas linhas para transmitir tanto a energia elétrica quanto o sinal. Ou seja, a carga gerada pelo sensor e a fonte de energia estão conectadas em série. A fonte de energia é fornecida de fora e, juntamente com a carga, aciona esta última. Sistema de três fios: Um sensor de sistema de três fios possui um terminal positivo de alimentação e um terminal positivo de saída de sinal separados, mas eles compartilham um mesmo terminal COM. Sistema de quatro fios: dois fios para a alimentação e dois fios para o sinal. A fonte de alimentação e o sinal operam separadamente. Os termos relacionados a sistemas de várias linhas surgiram somente após o desenvolvimento dos transmissores de dois linhas. Isso é resultado da ampla utilização de amplificadores eletrônicos em instrumentos. A essência da amplificação é um processo de conversão de energia, o que, por sua vez, depende de alimentação elétrica. Portanto, o primeiro a ser desenvolvido foi o transmissor de quatro fios ； Ou seja, dois fios são responsáveis pelo fornecimento de energia, enquanto os outros dois fios são responsáveis pela saída do sinal amplificado e convertido (como tensão, corrente, etc.). Mas, atualmente, muitos transmissores utilizam o sistema de dois fios. A seguir, vamos analisar mais detalhadamente quais são as diferenças entre os transmissores de diferentes tipos Diferenças entre transmissores de diferentes sistemas de linha I. Sistema de duas linhas Para que um transmissor funcione no sistema de duas linhas, é necessário que sejam satisfeitas as seguintes condições: 1. V ≤ Emin – Imax·RLmax. A tensão de saída do transmissor, V, é igual à tensão de alimentação mínima especificada, menos a queda de tensão causada pela corrente nos resistores da carga e nas condutas de transmissão. 2. I ≤ Imin: A corrente de funcionamento normal do transmissor, I, deve ser menor ou igual à corrente de saída do transmissor. 3. P＜Imin(Emin-IminRLmax): A potência mínima de consumo do transmissor, P, não pode exceder o valor indicado na equação acima; geralmente, esse valor é menor que 90 mW. Na fórmula: Emin = Tensão de alimentação mínima. Para a maioria dos instrumentos, Emin = 24(1-5%) = 22,8 V. O valor de 5% representa a variação negativa permitida na tensão de 24 V ； Imax=20mA ； Imin=4mA ； RLmax=250Ω+resistência dos fios de transmissão. Se o transmissor atender às três condições mencionadas em seu design, será possível realizar a transmissão em dois fios. O chamado sistema de duas linhas consiste em ter a fonte de alimentação e a carga conectadas em série, com um ponto comum. A comunicação de sinais entre o transmissor local e os instrumentos na sala de controle, bem como o fornecimento de energia, são feitos por meio de apenas dois fios. Esses dois fios funcionam tanto como fios de alimentação quanto como fios de sinal. Os transmissores de dois fios possuem uma corrente de partida do sinal de 4 mA DC, o que fornece uma corrente de funcionamento estática ao transmissor. Além disso, o ponto zero elétrico do instrumento é de 4 mA DC, o que não coincide com o ponto zero mecânico. Esse “ponto zero dinâmico” ajuda a identificar falhas como interrupções de energia ou danos nos cabos. Além disso, o sistema de duas linhas também facilita o uso de barreiras de segurança, o que contribui para a proteção contra explosões. Figura 1: Esquema de conexão do transmissor de dois fios. Como mostrado na Figura 1, o transmissor de dois fios funciona com alimentação de 24V DC. O sinal de saída é de 4-20mA DC, e a resistência de carga é de 250Ω. O polo negativo da fonte de 24V tem o potencial mais baixo; esse é o fio comum para o sinal. Nos transmissores inteligentes, é possível adicionar ao sinal de 4-20mA DC um sinal modulado por FSK, de acordo com o protocolo HART. II. Sistema de três fios: Algumas fábricas de instrumentos, com o objetivo de reduzir o tamanho e o peso dos transmissores, além de melhorar sua resistência a interferências e simplificar os cabos necessários para a conexão, substituem a alimentação de 220V CA por uma alimentação em corrente contínua de baixa tensão. Se a fonte de energia for uma caixa de alimentação de 24V DC, a alimentação de baixa tensão permite que as linhas negativas sejam compartilhadas. Assim, surgem os transmissores com sistema de três fios. Figura 2: Esquema de conexão do transmissor de sistema de três fios. Como mostrado na Figura 2, no sistema de três fios, o terminal positivo da fonte de alimentação é conectado por um fio, o terminal positivo de saída de sinal também é conectado por um fio, enquanto o terminal negativo da fonte de alimentação e o terminal negativo de saída de sinal compartilham o mesmo fio. Sua alimentação é, em sua maioria, de 24V DC. O sinal de saída pode ser de 4-20mA DC, com uma resistência de carga de 250Ω; ou então de 0-10mA DC, com uma resistência de carga de 0-1,5KΩ ； Alguns também possuem sinais de mA e mV, mas a resistência de carga ou a resistência de entrada variam dependendo do tipo de circuito de saída. III. Sistema de quatro fios: Devido à popularização e ao uso do sinal de 4-20mA DC (1-5V DC), nos sistemas de controle é necessário que haja uniformidade no tipo de sinal utilizado, a fim de facilitar as conexões. Por isso, é preciso que alguns instrumentos que não são eletrônicos, como aqueles utilizados para análise em tempo real, medição de grandezas mecânicas e elétricas, possam emitir sinais no formato de 4-20mA DC. No entanto, devido à complexidade dos circuitos de conversão e ao alto consumo de energia, é difícil satisfazer todas as condições necessárias para o funcionamento de um transmissor de dois fios. Portanto, é preciso utilizar uma fonte de alimentação externa para que o transmissor funcione no formato de quatro fios, com saída de 4-20mA DC. Figura 3: Esquema de conexão do transmissor de quatro fios. O transmissor de quatro fios, como mostrado na Figura 3, geralmente é alimentado por 220V AC; no entanto, também existem modelos que são alimentados por 24V DC. O sinal de saída pode ser de 4-20mA DC, com resistência de carga de 250Ω, ou de 0-10mA DC, com resistência de carga de 0-1,5KΩ ； Alguns também possuem sinais de mA e mV, mas a resistência de carga ou a resistência de entrada variam dependendo do tipo de circuito de saída. Nos três gráficos acima, o sinal de entrada no instrumento de medição é um sinal de corrente. No entanto, se uma resistência RL for conectada em paralelo, o sinal recebido será um sinal de tensão. Como pode ser visto na descrição acima, devido às diferentes principais de funcionamento e estruturas dos vários transmissores, surgem produtos distintos. Isso, por sua vez, determina as formas de conexão dos transmissores: dois fios, três fios ou quatro fios. Para os usuários, a escolha do modelo deve ser feita levando em consideração as condições reais da própria organização, como a uniformidade do sistema de sinais, os requisitos de segurança contra explosões, as necessidades dos equipamentos de recepção e os custos envolvidos. Cabe ressaltar que os sinais DC de 4-20mA emitidos pelos transmissores de sistema de três fios e quatro fios, devido às diferenças em seu princípio de funcionamento e estrutura em relação aos transmissores de sistema de dois fios, fazem com que seja necessário questionar se o terminal negativo de sua saída pode ser conectado ao fio negativo da fonte de alimentação de 24V É possível compartilhar o mesmo espaço? Isso é algo que deve ser levado em consideração; se necessário, podem ser adotadas medidas de isolamento, como o uso de distribuidores de energia e barreiras de segurança, a fim de permitir que os outros instrumentos compartilhem a mesma fonte de energia e o mesmo terra, evitando assim a geração de interferências adicionais. Conversão entre sistema de dois fios e sistema de quatro fios: Se for necessário transformar um transmissor de sistema de quatro fios, que transmite sinais na faixa de 0-10 mA DC, em um transmissor de sistema de dois fios, o primeiro problema que surge é o fato de a corrente inicial ser zero. Quando a corrente é zero, o amplificador eletrônico do transmissor não consegue estabelecer seu ponto de operação, tornando difícil que o dispositivo funcione normalmente. Se for utilizada uma fonte de alimentação contínua, e se for mantida a característica de corrente constante do instrumento, então, quando a resistência de carga do transmissor está entre 0 e 1,5 KΩ, a resistência de realimentação em série com ele fica em torno de 2 KΩ. Nesse caso, quando a corrente de saída é de 10 mA, a queda de tensão nessas duas partes será maior que 24 V. Ou seja, ao utilizar uma fonte de alimentação de 24 V DC, com uma carga entre 0 e 1,5 KΩ, não é possível manter a característica de corrente constante. Portanto, não é viável utilizar o sistema de transmissão de dois fios nesse cenário. Na década de 70, algumas fábricas de instrumentos realizaram trabalhos para transformar transmissores de sistema quatro fios, que operavam com tensão de 0-10mA DC, em transmissores de sistema dois fios. A abordagem utilizada foi aprimorar o circuito do transmissor original e aumentar a tensão de alimentação para 48VDC. No entanto, a corrente inicial do transmissor ainda não podia ser zero. Para compensar isso, foi utilizada uma corrente negativa para neutralizar a corrente inicial de 4mA na resistência de carga. Mas esses produtos também não conseguiram ser divulgados e aplicados. Se se deseja mudar de um sistema de dois fios para um sistema de quatro fios, não há necessidade alguma disso; além disso, trata-se de um retrocesso técnico.