Stromschleife

Eine Stromschleife überträgt einen Messwert als Stromstärke statt als Spannung — üblicherweise im Bereich 4 bis 20 mA. Sie ist das verbreitetste analoge Signal der Industrie- und Gebäudetechnik und seit Jahrzehnten unverändert in Gebrauch.

Warum Strom und nicht Spannung

Der Grund liegt im Verhalten langer Leitungen.

Ein Spannungssignal wird durch den Leitungswiderstand verfälscht: Je länger die Leitung, desto mehr Spannung fällt auf dem Weg ab, und der Empfänger misst zu wenig. Bei hundert Metern Kabel ist das kein Randeffekt mehr.

Ein Strom dagegen ist in einer Reihenschaltung überall gleich groß. Der Leitungswiderstand verändert nicht den Strom, sondern nur die Spannung, die die Quelle aufbringen muss — und solange sie das kann, kommt am Empfänger derselbe Wert an. Die Leitungslänge geht nicht in die Messung ein.

Dazu kommt die Störfestigkeit: Eine eingestreute Spannung aus einem benachbarten Starkstromkabel verfälscht ein Spannungssignal unmittelbar. In eine niederohmige Stromschleife kann sie kaum einspeisen.

Live Zero: warum 4 mA und nicht 0

Der Messbereichsanfang liegt bewusst nicht bei null, und das ist der eigentliche Trick an diesem Signal.

 4 mA = Messbereichsanfang (z. B. 0 bar, 0 °C)
20 mA = Messbereichsende
 0 mA = Leitungsbruch oder Gerätefehler

Ein Signal von 0 mA ist damit kein gültiger Wert, sondern eine Fehlermeldung. Bricht die Leitung, fällt ein Gerät aus oder verliert es seine Versorgung, erkennt das die Gegenseite sofort — ohne eigene Überwachungsleitung.

Bei einem Bereich von 0 bis 20 mA, der ebenfalls existiert, wäre das nicht unterscheidbar: Leitungsbruch und Messbereichsanfang sähen identisch aus. Deshalb ist diese Variante im sicherheitsrelevanten Einsatz unüblich.

Der untere Wert dient zugleich der Versorgung: 4 mA fließen immer und reichen aus, um die Elektronik eines sparsamen Messumformers zu betreiben.

Zwei-, Drei- und Vierdrahtanschluss

Zweidraht ist der Regelfall: Zwei Adern führen Versorgung und Signal gemeinsam. Das Gerät entnimmt seine Energie aus derselben Schleife, deren Strom es moduliert. Weniger Kupfer, weniger Klemmen, kein separates Netzteil am Messort.

Dreidraht trennt die Versorgung vom Signal und teilt eine gemeinsame Masse — nötig bei Geräten, die mehr Leistung brauchen als 4 mA hergeben.

Vierdraht trennt beides vollständig und ist bei höherem Leistungsbedarf oder gefordertem Potentialausgleich im Einsatz.

Die Bürde

Die Spannungsquelle in der Schleife muss den gesamten Widerstand treiben: Messumformer, Leitung und den Messwiderstand am Empfänger. Die Summe heißt Bürde, und sie ist begrenzt.

Bei 24 V Versorgung bleibt nach Abzug der Mindestspannung des Messumformers ein Rest für Leitung und Empfänger — typischerweise erlaubt das einige hundert Ohm. Wer mehrere Empfänger in Reihe schaltet oder sehr lange Leitungen verwendet, stößt an diese Grenze: Die Schleife bricht ein, und die Werte werden falsch oder null.

Wo digitale Zusatzsignale per HART auf dieselbe Schleife aufmoduliert werden, ist die Bürde zusätzlich nach unten begrenzt, weil der Messwiderstand die Modulation sichtbar machen muss.

Die 20-mA-Schnittstelle

Ein verwandtes, älteres Verfahren übertrug nicht Messwerte, sondern Zeichen: Die 20-mA-Schnittstelle, auch als Current Loop bezeichnet, schaltete den Strom im Takt der Datenbits ein und aus. Sie war bei Fernschreibern und frühen Terminals verbreitet und aus demselben Grund beliebt — große Reichweite, hohe Störfestigkeit, Potentialtrennung über Optokoppler.

Beide Verfahren teilen das Prinzip und sind dennoch zu unterscheiden: Das eine überträgt einen analogen Messwert, das andere serielle Daten.

Abgrenzung

0 bis 10 V ist das Spannungssignal als Gegenstück — einfacher zu erzeugen, aber nur für kurze Strecken brauchbar.

HART überlagert der analogen Schleife ein digitales Signal und erlaubt damit Parametrierung und Diagnose, ohne die Verkabelung zu ändern.

Feldbusse und Industrial Ethernet ersetzen die Punkt-zu-Punkt-Verkabelung durch ein Netz. Die Stromschleife hat sich daneben gehalten, weil sie ohne Konfiguration funktioniert und ein Gerät nicht ausfällt, weil ein Protokoll nicht passt.

Quellen

• IEC 60381-1: Analoge Signale für Regel- und Steuerungssysteme
• IEC 61158: Industrielle Kommunikationsnetze — Feldbusse
• DIN 66258: 20-mA-Stromschnittstelle