Beschaltung von 0/4..20 mA Differenzeingängen

Technischer Hintergrund

Die interne Eingangselektronik der o.g. Klemmen verfügt über folgende charakteristische Eigenschaften (s. Abb. Interne Anschlussschaltung 0/4..20 mA Eingänge):

• differenzielle Messung des Stromes, d.h. ein konkreter Potenzialbezug ist primär nicht erforderlich.
  Als Systemgrenze gilt hierbei die einzelne Klemme EL30xx/EL31xx.
• Strommessung über eine 33 Ω-Shunt je Kanal, daraus folgend ein maximaler Spannungsabfall von 660 mV über den Shunt
• interne Widerstandsanordnung mit GND-Punkt (A) mittig zum Shunt
  Dabei ist die Auslegung der Widerstände derart symmetrisch, dass das Potenzial von (A) mittig zum Spannungsabfall über den Shunt zu liegen kommt.
• dieses GND-Potenzial GND_int ist für alle in der Klemme realisierten Kanäle gemeinsam
• das gemeinsame GND_int-Potenzial (A) ist
• bei 1- und 2-kanaligen Klemmen auf einen Klemmpunkt geführt und nicht mit GND_PC (Powerkontakt) verbunden
• bei 4-kanaligen Klemmen mit GND_PC verbunden
• der Mittelpunkt der über den 33 Ω-Shunt abfallenden Spannung ist der sog. Common-Mode-Messmittelpunkt (CMP).
  Die max. zulässige U_CM-Spannung (common mode) laut den technischen Daten des Produkts bezieht sich auf das Potenzial zwischen dem CMP eines Kanals zum internen GND bzw. auf das Potenzial zwischen den CMP von 2 Kanälen innerhalb einer Klemme.
  Sie darf die angegebene Grenze (typischerweise ±10 oder ±35 V) nicht überschreiten.

Demzufolge sind bei mehrkanaligen Messungen U_CM-Vorgaben zu beachten.

Am Prinzipschaltbild einer 2-kanaligen Klemme sind die verbundenen GND-Punkte innerhalb der Klemme zu sehen (Abb. Interne Anschlussschaltung 0/4..20 mA Eingänge einer EL3xx2):

Bei allen Kanälen innerhalb der Klemme darf U_CM-max nicht überschritten werden.

UCM bei 0/4..20 mA Eingängen Wenn UCM eines analogen Eingangskanals überschritten wird, kommt es zu erheblichen Fehlmessungen durch interne Ausgleichsströme. Bei den 1- und 2-kanaligen Klemmen ist genau deshalb der interne GND an einen Klemmpunkt herausgeführt, damit durch applikationsgerechte Beschaltung dieses GND-Punktes die UCM-Vorgabe auch bei atypischer Sensorbeschaltung eingehalten werden kann.

Beispiel 1

Die 2-kanalige EL3012 wird mit 2 Sensoren beschaltet, die von 5 und 24 V gespeist werden. Beide Strommessungen sind als Low-Side-Messung ausgeführt. Diese Anschlussform ist zulässig, denn CMP_ch1 und CMP_ch2 liegen jeweils bei I_max ca. 330 mV über 0 V, U_CM ist somit immer < 0,5 V. Somit ist U_CM < 10 V (gültig für EL30xx) eingehalten.

Wird GND_int bei den EL30x1/EL30x2 bzw. EL31x1/EL31x2 nicht extern beschaltet, kann sich das Potenzial auf GND_int nach Erfordernis einstellen, es "floatet". Allerdings ist dann mit reduzierter Messgenauigkeit zu rechnen.

Beispiel 1a

Entsprechendes gilt auch, wenn der frei schwebende Punkt GND_int auf ein anderes Potential gezogen wird.

Beispiel 2

Die gleiche EL3012 wird nun wieder mit den beiden 20 mA-Sensoren beschaltet, diesmal aber einmal in Low-Side-Messung an 5 V, einmal in High-Side-Messung an 12 V. Damit ergeben sich erhebliche Potenzialunterschiede U_CM > 10 V (gültig für EL30xx) beider Kanäle. Dies ist nicht zulässig.

Zur Abhilfe kann GND_int in diesem Fall extern mit einem Hilfs-Potenzial von 6 V gegenüber "0 V" verbunden werden. Damit stellt sich A/GND_int ca. mittig zwischen 0,3 V bzw. 11,6 V ein.

Beispiel 3

Bei den EL3xx4 ist GND_int intern mit dem negativen Powerkontakt verbunden. Deshalb gilt hier die Freiheit der Potenzialwahl nicht.

Es stellt sich ein CMP = 23,6 V und damit >> 10 V (gültig für EL30xx) ein. Bei den Klemmen EL30x4/EL31x4 ist deshalb die Beschaltung so zu wählen, dass CMP < U_CM,max eingehalten wird.

Zusammenfassung

Daraus ergeben sich einige konkrete Vorgaben für die externe Beschaltung mit 0/4..20 mA Sensoren:

• Es wird empfohlen, GND_int mit einem niederimpedanten Potenzial zu verbinden, da die Messgenauigkeit der EL30xx/31xx damit erheblich verbessert wird.
  Die Hinweise zum Potenzialbezug U_CM sind zu beachten!
• Der Potenzialbezug U_CM muss eingehalten werden, und zwar sowohl zwischen CMP ↔ GND_int als auch CMP_ch(x) ↔ CMP_ch(y).
  Kann dies nicht gewährleistet werden, ist die 1-kanalige Variante einzusetzen.
• Ausprägung bei den Klemmen:
• EL3xx1/EL3xx2: GND_int ist auf Klemmpunkt zur externen Beschaltung geführt.
  GND_int soll extern derart angeschlossen werden, dass Pkt. 2 erfüllt ist.
• EL3xx4: GND ist mit dem negativen Powerkontakt verbunden.
  Die externe Beschaltung ist so zu wählen, dass Pkt. 2 erfüllt ist.

Falls die Sensorleitung mit einer Schirmung versehen ist, ist diese nicht mit der GND_int-Klemmstelle zu verbinden sondern auf einer dafür vorgesehenen niederimpedanten Schirmstelle aufzulegen.

• Werden Klemmstellen mehrerer EL30xx/EL31xx-Klemmen miteinander verbunden, ist insbesondere auf die Einhaltung von Pkt. 2 zu achten.

Anschluss von GNDint Bei den EL30x1/EL30x2 und EL31x1/EL31x2 wird das interne GND, GNDint auf Klemmkontakte herausgeführt. Zur Erzielung eines genauen Messergebnisses ist GNDint unter Beachtung der Vorgaben für UCM mit einem geeigneten externen niederohmigen Potenzial zu verbinden.