Conversão de sinais analógicos — 0-10 V, 4-20 mA, 1-5 V e raw de CLP

Como converter sinais analógicos na mão

Todos os sinais analógicos industriais padronizados — 4-20 mA, 0-20 mA, 0-10 V, 1-5 V, 0-5 V — são lineares. Isso significa que o valor não é nada além da posição na régua entre o mínimo e o máximo da faixa. Converter um sinal em outro, ou em uma unidade de processo (bar, °C, Hz, %), é sempre a mesma operação: encontrar essa posição em uma escala e projetá-la na outra. É por isso que uma única fórmula resolve todos os casos:

Saída = (Entrada − Emín) ÷ (Emáx − Emín) × (Smáx − Smín) + Smín

Essa é exatamente a lógica das instruções de escalonamento dos CLPs — o par NORM_X + SCALE_X do TIA Portal (Siemens), o bloco SCALE do Allen-Bradley e as funções equivalentes do GX Works (Mitsubishi). A primeira parte, (Entrada − Emín) ÷ (Emáx − Emín), normaliza o valor para uma fração de 0 a 1 (o percentual de escala). A segunda parte aplica essa fração à faixa de saída e soma o offset do mínimo. Veja com o exemplo que a ferramenta já traz, um sinal de 12 mA em 4-20 mA representando um processo de 0-10 bar:

fração = (12 − 4) ÷ (20 − 4) = 8 ÷ 16 = 0,50 (50% da escala)
PV = 0,50 × (10 − 0) + 0 = 5,00 bar

O caminho inverso (processo → sinal) é a mesma régua lida ao contrário: para representar 5 bar em um sinal 4-20 mA, a fração é 5 ÷ 10 = 0,50, e o sinal é 0,50 × 16 + 4 = 12 mA. A ferramenta cobre os dois sentidos e a conversão direta entre duas faixas elétricas (por exemplo 4-20 mA → 0-10 V), sempre mostrando a conta.

As faixas padronizadas: corrente e tensão

A automação industrial brasileira trabalha com um punhado de faixas padronizadas, divididas em dois grandes grupos: sinais de corrente (em miliampères) e sinais de tensão (em volts). A diferença entre elas não é estética — tem consequência direta na confiabilidade da medição, como a próxima seção mostra. A tabela a seguir reúne as faixas que a ferramenta converte, com o valor mínimo, o máximo e o uso típico de cada uma.

Por que 4 mA e não 0 mA: live zero contra zero morto

O ponto mais importante de toda a instrumentação está embutido na escolha entre 4-20 mA e as faixas que começam no zero. O sinal de 4-20 mA tem um zero vivo (live zero): mesmo com o processo no mínimo, há 4 mA circulando no cabo. Isso traz duas vantagens que tornaram esse padrão a referência da medição crítica:

• Alimenta o transmissor pelo próprio cabo de sinal. Transmissores de dois fios não precisam de cabo extra de energia — os 4 mA de repouso bastam para manter o circuito ativo. Dois fios fazem tudo: levam a alimentação e trazem a medida.
• Detectam rompimento de fio. Se o CLP lê menos de cerca de 3,8 mA, é falha de continuidade — cabo partido ou transmissor sem alimentação, nunca processo em zero. O sistema sabe que perdeu a medida e pode entrar em modo seguro.

Já o 0-10 V e o 0-20 mA têm zero morto (dead zero): 0 no cabo pode ser processo em mínimo ou cabo desconectado — indistinguível sem lógica de supervisão extra no programa. É por isso que sistemas instrumentados de segurança e medição crítica usam 4-20 mA, e não tensão, nos pontos onde uma medida perdida silenciosamente seria perigosa. A ferramenta sinaliza essa diferença: ao escolher uma faixa de zero morto, aparece o aviso de que o diagnóstico automático de fio rompido não é possível.

Raw counts de CLP: o erro do raw_min igual a zero

O CLP não enxerga miliampères nem volts diretamente: o conversor analógico-digital traduz o sinal em um número inteiro, o raw count. Escalar esse número de volta para a unidade de processo é a tarefa que mais gera erro silencioso em campo, por causa de uma armadilha: 4 mA não corresponde a raw 0 no modo 4-20 mA. A fórmula é a mesma interpolação linear, mas o raw mínimo precisa ser o correto para a plataforma:

PV = (Raw − Raw_mín) ÷ (Raw_máx − Raw_mín) × (PV_máx − PV_mín) + PV_mín

O efeito de errar isso é grande. Suponha um CLP Siemens S7-1200 em 4-20 mA lendo raw 16384. Com o raw mínimo correto (5530), a conta dá (16384 − 5530) ÷ (27648 − 5530) × 16 + 4 ≈ 11,84 mA. Se o programador assume, errado, que 4 mA é raw 0, a mesma leitura vira 16384 ÷ 27648 × 16 + 4 ≈ 13,5 mA — um erro de cerca de 15% que se propaga para todo o controle. O modo Raw do CLP da ferramenta já traz a tabela por plataforma para que esse valor nunca seja chutado. O número da Allen-Bradley fica marcado para verificação, porque varia por módulo e firmware.

O resistor de interface: 500 Ω dá 2-10 V, não 0-10 V

Quando é preciso ligar uma saída de corrente 4-20 mA a uma entrada de tensão, a tentação é colocar um resistor e pronto. O detalhe que pega muita gente é o offset. Pela lei de Ohm, a tensão sobre o resistor é V = I × R. Com um resistor de 500 Ω: no mínimo, 4 mA × 500 Ω = 2 V; no máximo, 20 mA × 500 Ω = 10 V. Ou seja, o resistor de 500 Ω entrega 2-10 V, não 0-10 V. Para 1-5 V, use 250 Ω (4 mA = 1 V, 20 mA = 5 V). Para conseguir 0-10 V de verdade a partir de 4-20 mA é necessário um conversor ativo com offset; o resistor sozinho não remove o zero vivo. A ferramenta avisa isso sempre que você converte de corrente para tensão.

Inversor de frequência: a referência analógica

Um caso de uso campeão é a referência de velocidade de um inversor. O inversor recebe um sinal analógico na entrada AI e o interpreta como percentual da frequência de saída. Nos inversores WEG da linha CFW, o tipo de sinal da entrada AI1 é selecionado por parâmetro (no CFW300/CFW11, o parâmetro de tipo de AI1 oferece 0-10 V / 0-20 mA, 4-20 mA e as duas variantes invertidas). Se a referência é 4-20 mA e o processo é 0-60 Hz, então 12 mA pedem (12 − 4) ÷ 16 × 60 = 30 Hz. Se a entrada do inversor estiver configurada como 0-10 V, o mesmo 50% da escala vira 5 V. Confira sempre o parâmetro de tipo de sinal antes de comissionar — um inversor esperando 0-10 V e recebendo 4-20 mA lê escala errada e o motor não acompanha o setpoint.

Diagnóstico de campo: lendo a falha pelo sinal

O live zero transforma o próprio sinal em uma ferramenta de diagnóstico. A ferramenta usa essa lógica para colorir o resultado e, em malha 4-20 mA, distinguir três situações:

• Sinal normal. O valor está dentro da faixa, entre 4 e 20 mA (mais uma pequena folga). O resultado sai verde.
• Borda da faixa. O sinal está pouco abaixo de 4 mA ou pouco acima de 20 mA — transmissor descalibrado, saturação de processo ou início de problema. Aviso amarelo.
• Fora de faixa. Em 4-20 mA, leitura bem abaixo de 4 mA é falha de continuidade do loop (cabo rompido ou transmissor sem alimentação). Em raw, abaixo do raw mínimo da plataforma, o mesmo diagnóstico. Alerta vermelho.

No zero morto (0-10 V, 0-20 mA) esse diagnóstico não existe automaticamente, e a ferramenta deixa isso explícito — uma decisão honesta, porque prometer detecção de fio onde ela não é possível seria perigoso.

Os quatro modos da ferramenta

A calculadora cobre os quatro caminhos do dia a dia de quem comissiona e mantém malhas de instrumentação:

• Sinal → Processo: você tem o sinal elétrico (mA ou V) e quer a unidade de engenharia (bar, °C, Hz, %). É o caminho da leitura de campo.
• Processo → Sinal: você sabe o valor de processo desejado e quer o sinal correspondente — útil para calibrar e gerar setpoints.
• Sinal → Sinal: converte direto entre duas faixas elétricas, por exemplo 4-20 mA → 0-10 V, com o aviso de resistor de interface quando vai de corrente para tensão.
• Raw do CLP: parte do número inteiro do conversor do CLP, com a tabela de raw por plataforma, e devolve o miliampère equivalente e a unidade de processo.

Em todos eles, a fórmula aparece com os números reais (anti-caixa-preta), e a tabela de cinco pontos mostra a escala de ponta a ponta para conferência rápida.

Erros comuns ao escalar sinais analógicos

• Assumir raw 0 = 4 mA no modo 4-20 mA. No Siemens, 4 mA = 5530; no Mitsubishi FX, 800. Usar zero introduz erro de cerca de 15%.
• Esperar 0-10 V de um resistor de 500 Ω. Ele entrega 2-10 V; o zero vivo permanece sem um conversor com offset.
• Confundir o tipo de sinal do inversor. Entrada configurada como 0-10 V recebendo 4-20 mA (ou o contrário) lê a escala errada.
• Tratar 0 V no zero morto como fio rompido. Em 0-10 V, 0 pode ser processo mínimo; o diagnóstico de cabo aberto exige supervisão extra.
• Inverter mínimo e máximo do processo. A régua fica de cabeça para baixo e o sinal anda no sentido errado — comum em transmissores de nível por pressão diferencial.
• Ignorar a blindagem e o aterramento do cabo. Em sinal de tensão, ruído e queda em cabo longo corrompem a leitura; é uma das razões para preferir corrente em distâncias grandes.

Quando a conversão vira projeto: a Token monta a malha com ART

Converter um sinal é uma conta de apoio — e para isso esta ferramenta existe e é gratuita. Mas quando a malha de instrumentação precisa ser dimensionada, montada ou auditada, entra a engenharia: a escolha do tipo de sinal por ponto, a blindagem e o aterramento do cabo de instrumentação, a parametrização do CLP e do inversor, a montagem do painel de automação e o laudo das instalações elétricas com responsável técnico e ART. A Token Engenharia atua em montagem industrial e eletromecânica em todo o Brasil — do projeto da malha ao comissionamento em campo, com rastreabilidade dos sinais analógicos e documentação técnica assinada.

Perguntas frequentes

Como converter 4-20 mA em 0-10 V?

Os dois sinais são lineares, então é uma regra de três: V = (I − 4) ÷ 16 × 10. Para 12 mA, V = (12 − 4) ÷ 16 × 10 = 5,0 V. Atenção ao hardware: um resistor de 500 Ω gera 2-10 V, não 0-10 V; para 0-10 V real é preciso um conversor ativo com offset.

Por que o padrão usa 4 mA e não 0 mA?

O zero vivo de 4 mA alimenta o transmissor de dois fios pelo próprio cabo e permite detectar fio rompido: abaixo de cerca de 3,8 mA é falha de continuidade, não processo em zero. As faixas de zero morto (0-10 V, 0-20 mA) não distinguem zero de cabo aberto.

Como escalar o sinal a partir do raw count do CLP?

PV = (Raw − Raw_mín) ÷ (Raw_máx − Raw_mín) × (PV_máx − PV_mín) + PV_mín. O erro comum é assumir raw 0 = 4 mA: no Siemens S7-1200/1500 em 4-20 mA, 4 mA = 5530 (escala até 27648); no Mitsubishi FX, 800 (escala 0-4000).

O resistor de 500 Ω transforma 4-20 mA em 0-10 V?

Não. Por Ohm, 4 mA × 500 Ω = 2 V e 20 mA × 500 Ω = 10 V, ou seja 2-10 V. Para 1-5 V use 250 Ω. Para 0-10 V real é necessário um conversor com offset.

Qual a diferença entre escala de corrente e de tensão?

A corrente (4-20 mA) é imune à queda no cabo e detecta fio rompido — domina a medição crítica e o cabo longo. A tensão (0-10 V, 1-5 V) é simples e barata, comum em inversor e automação predial, mas sofre com ruído e queda em distância grande.

Qual norma define os sinais analógicos de processo?

Os sinais de corrente são tratados na IEC 60381-1 e os de tensão na IEC 60381-2. A boa prática usa 4-20 mA em medição crítica e cabo longo. Para documentar a instalação, a Token Engenharia emite o laudo das instalações elétricas com responsável técnico e ART.

Quando a conversão de sinais vira projeto de engenharia?

Quando a malha precisa ser dimensionada, montada ou auditada: tipo de sinal, blindagem e aterramento do cabo, parametrização do CLP e do inversor, painel e laudo de conformidade com ART. A Token Engenharia executa essa montagem e esse laudo em todo o Brasil.