convertisseur 4-20mA vers 3-5-10v

Ce module convertit un signal de courant de boucle 0-20 mA ou 4-20 mA en une tension continue proportionnelle, reglable sur trois plages : 0-3,3 V, 0-5 V ou 0-10 V. C’est la pièce qui manque quand on veut relire un transmetteur industriel (pression, niveau, débit, température) avec une carte Arduino, un ESP32 ou une entrée analogique de 0 à 3,3 V : la boucle de courant reste la référence pour les longues liaisons, la carte ne voit qu’une tension propre.

Ce que fait exactement ce module

Le courant de boucle traverse une résistance de mesure, est amplifié, puis mis à l’échelle par deux étages d’amplification opérationnelle. Deux potentiomètres multitours permettent de caler la réponse : ZERO règle le point bas, SPAN règle l’amplitude (le gain). Un cavalier sur le connecteur J1 choisit la plage de tension de sortie.

Le module est un récepteur : il mesure un courant, il n’en fournit pas. Il ne remplace donc pas un transmetteur 4-20 mA qui, lui, alimente la boucle.

Caractéristiques techniques

Brochage et raccordement

• IN+ et IN− : la boucle de courant arrive ici. Le module se branche en série dans la boucle, comme un ampèremètre.
• VCC et GND : alimentation du module, 7 à 36 V continu.
• OUT et GND : tension image du courant, à relier à l’entrée analogique de la carte. La masse du module et celle de la carte doivent être communes.
• J1 : cavalier de sélection de la plage de sortie. Réglez d’abord la plage, puis calibrez.

Réglage du zéro et de la plage

La procédure tient en deux points de mesure, faits au multimètre sur la sortie OUT :

1. Placez la boucle au courant minimum (4 mA pour une boucle 4-20 mA) et tournez ZERO jusqu’à obtenir la tension basse voulue.
2. Placez la boucle au courant maximum (20 mA) et tournez SPAN jusqu’à obtenir la tension haute voulue (3,3 V, 5 V ou 10 V).
3. Repassez au courant minimum : le réglage du gain déplace légèrement le zéro. Faites deux allers-retours, c’est plus rapide qu’un calcul.

Notez les deux tensions obtenues : elles servent de constantes de calibration dans le programme ci-dessous. Une boucle 4-20 mA ne part jamais de 0 V à 4 mA, c’est justement ce qui distingue le signal utile (4 à 20 mA) de la coupure de ligne (0 mA).

Mini-projet : relire un transmetteur 4-20 mA avec une carte Arduino

Matériel

• le convertisseur courant-tension 4-20 mA vers 3,3 V / 5 V / 10 V
• une carte Arduino Uno et son câble USB
• une alimentation 12 V continu pour le module
• un multimètre numérique pour la calibration
• le transmetteur 4-20 mA à relire et son alimentation de boucle, plus des fils de liaison

Câblage

1. Alimentez le module en 12 V sur VCC et GND : la LED s’allume.
2. Ouvrez la boucle du transmetteur et insérez-y le module : alimentation de boucle, puis transmetteur, puis IN+ et IN−, puis retour à l’alimentation de boucle.
3. Reliez OUT du module à l’entrée A0 de la carte, et GND du module à GND de la carte.
4. Réglez ZERO et SPAN avec le multimètre, boucle à 4 mA puis à 20 mA, et notez les deux tensions lues.

Programme

Le programme fait la moyenne de dix mesures pour filtrer le bruit, convertit le code du convertisseur en tension, puis la tension en courant de boucle et enfin en grandeur physique. Les deux tensions de calibration sont des constantes à ajuster avec vos propres relevés.

/* Lecture d'un transmetteur 4-20 mA avec le module convertisseur courant-tension
 * Entree : sortie OUT du module sur A0, alimentation du module en 12 V
 * Composants, brochage et fiche complete : www.marocproduits.com
 *
 * Deux constantes a relever au multimetre apres reglage de ZERO et SPAN :
 *   tensionPour4mA  : tension lue sur OUT quand la boucle est a 4 mA
 *   tensionPour20mA : tension lue sur OUT quand la boucle est a 20 mA
 */

const byte brocheSortie = A0;
const byte nbEchantillons = 10;
const float tensionReference = 5.0;   // 5.0 sur Uno, 3.3 sur ESP32 ou STM32
const float tensionPour4mA = 2.50;    // a mesurer, apres reglage
const float tensionPour20mA = 10.00;  // a mesurer, apres reglage
const float valeurMini = 0.0;         // mesure du transmetteur a 4 mA
const float valeurMaxi = 16.0;        // mesure du transmetteur a 20 mA

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

float tensionMoyenne() {
  long somme = 0;
  byte i = 0;
  while (i != nbEchantillons) {
    somme = somme + analogRead(brocheSortie);
    delay(2);
    i = i + 1;
  }
  float code = (float)somme / (float)nbEchantillons;
  return code * tensionReference / 1024.0;
}

void loop() {
  float u = tensionMoyenne();
  float courant = 4.0 + (u - tensionPour4mA) * 16.0 / (tensionPour20mA - tensionPour4mA);
  float mesure = valeurMini + (courant - 4.0) * (valeurMaxi - valeurMini) / 16.0;

  Serial.print("Tension OUT : ");
  Serial.print(u, 2);
  Serial.println(" V");
  Serial.print("Courant de boucle : ");
  Serial.print(courant, 2);
  Serial.println(" mA");
  Serial.print("Mesure : ");
  Serial.print(mesure, 2);
  Serial.println(" bars");
  delay(500);
}

Avec une boucle 4-20 mA, le courant calculé monte à 20 mA : la dernière ligne affiche alors exactement la valeur haute du transmetteur (16 bars dans l’exemple). Un courant proche de 0 mA signale une boucle ouverte ou un transmetteur non alimenté.

Points d’attention

• Ne jamais appliquer une tension directement sur IN+ et IN−. Le module mesure un courant : sans transmetteur en série, la tension d’alimentation passerait dans la résistance de mesure et l’endommagerait.
• Accordez la plage de sortie à l’entrée de votre carte. Une sortie réglée sur 10 V ne se branche pas sur une entrée 3,3 V : choisissez la plage 3,3 V, ou prévoyez un diviseur de tension.
• L’alimentation doit dépasser 12 V pour une sortie 10 V. En dessous, la sortie sature avant la pleine échelle.
• Vérifiez la masse commune entre l’alimentation de boucle et l’alimentation du module avant de conclure à une panne : sans retour de courant, la mesure reste bloquée.
• Le bornier à vis accepte un fil rigide ou étamé : serrez sans forcer, les plots sont petits.

Applications

• relire un transmetteur industriel de pression, de niveau, de débit ou de température sur une carte microcontrôleur ;
• ramener un signal de boucle près de l’électronique de mesure, là où une liaison en tension longue capterait trop de bruit ;
• interfacer un capteur 4-20 mA avec un automate ou une carte d’acquisition qui n’accepte que 0-5 V ou 0-10 V ;
• instrumentation et projets de mesure maison, supervision d’un réservoir ou d’une cuve.

Questions fréquentes

Le module peut-il alimenter la boucle lui-même ?
Non. La boucle est alimentée par l’installation (12 ou 24 V) et traversée par le transmetteur. Le module ne fait que la mesurer.

Puis-je l’utiliser avec un ESP32 ?
Oui, en réglant la sortie sur la plage 3,3 V, qui reste dans les limites de l’entrée analogique. C’est le cas typique d’un relevé envoyé ensuite par WiFi.

Pourquoi ma mesure ne bouge pas ?
Vérifiez dans l’ordre : la LED d’alimentation, la continuité de la boucle (le multimètre doit lire un courant entre 4 et 20 mA en série), puis la masse commune entre les deux alimentations.

Faut-il un blindage sur la liaison ?
Sur une boucle de courant, une paire torsadée suffit dans la plupart des cas : c’est justement le courant qui rend la liaison insensible aux chutes de tension.

À combiner avec

• Carte Arduino Uno R3 — l’entrée analogique qui relit la sortie du module dans le mini-projet ci-dessus.
• Alimentation 12 V 2 A — alimente le module et permet d’atteindre la sortie 10 V.
• Multimètre numérique — indispensable pour le réglage de ZERO et SPAN et pour vérifier le courant de boucle.
• Borniers à vis 2 broches — rechange pour l’entrée de boucle quand les plots d’origine ont été trop serrés.
• Fils Dupont — liaison propre entre la sortie OUT, la masse du module et la carte.
• Convertisseur DC-DC ajustable LM2596 — pour alimenter le module depuis un rail 24 V déjà présent dans l’armoire.
• Carte ESP32 WROOM — la variante 3,3 V pour envoyer la mesure en WiFi.