Un gran número de sensores que toman y traducen datos del mundo real en señales eléctricas son sensores analógicos, y si se enumeran como sensores digitales, es porque tienen convertidores analógicos a digitales integrados. Tradicionalmente, los sensores cableados han alterado una corriente eléctrica en respuesta a las condiciones ambientales. Los sensores van desde ejemplos conocidos como fotodiodos y fotomultiplicadores que producen corriente cuando se exponen a la radiación electromagnética, hasta transductores de presión sumergibles que se utilizan para medir los niveles de fluido. La señal de corriente estándar en uso hoy en día para sensores industriales o ambientales, normalmente cableados a Controladores Lógicos Programables (PLC) es de 4 a 20 Ma, con 4 Ma que representa el cero por ciento (0%) del valor medido y 20 Ma que representa el 100 por ciento (100%) del valor medido.
Otros rangos de corriente se han utilizado históricamente para transmisores de bucle de corriente, pero tienen en común una relación de 1: 5 en mA, o un sesgo del 20%. Por ejemplo, antes del transistor, los bucles de corriente de 10-50 mA eran comunes. Se utilizó un «cero vivo» de 10 Ma, ya que era el nivel más bajo en el que podían operar los instrumentos basados en amplificadores magnéticos, y se utilizó 50 mA para mantener la relación de 1:5. (El cero en vivo se mide como entrada cero, aunque la señal real sea 4mA, no 0mA. Un cero muerto sería 0mA, en cuyo punto tienes un circuito abierto.) Cuando los transistores entraban en uso amplio, funcionaban de manera confiable a un (entonces) bajo valor de 4mA, por lo que el estándar de la industria cambió a 4-20 Ma (manteniendo la relación de 1:5 mA). El estándar para 4-20mA (ISA SP50) se publicó originalmente en 1966.
Las señales de corriente se utilizan a menudo en los sensores porque la respuesta de corriente suele ser más lineal que la respuesta de voltaje. Las señales de corriente también suelen proporcionar una baja impedancia para los sensores, con el beneficio de una mejor inmunidad al ruido. Una consideración práctica es que las señales de corriente pueden extenderse mucho más que las señales de voltaje, lo que permite longitudes de cable de señal robustas de hasta 1.000 metros.
Los voltajes de la fuente de alimentación utilizados con bucles de CC de 4-20 mA varían (9, 12, 24 VCC, etc.) dependiendo de la aplicación. Sin embargo, la fuente de alimentación debe tener un potencial un 10% más alto que la caída de voltaje de los componentes combinados en el circuito (es decir, transmisor, receptor y cable). La mayoría de los bucles de 4 a 20 Ma utilizan dos cables, pero también hay configuraciones de tres y cuatro cables que separan una fuente positiva de la conexión de salida. Los componentes de un bucle de 4-20 Ma incluyen 1) un sensor, 2) un transmisor, 3) una fuente de alimentación, 4) un circuito/bucle (es decir, cableado) y 5) un receptor.
Usar un bucle de corriente de 4 a 20 Ma tiene ventajas y desventajas. Las ventajas son que el bucle de corriente de 4-20 mA es el estándar dominante de la industria, es mejor para largas distancias, es el más simple de conectar y configurar, usa menos cableado que sistemas similares y es muy fácil de solucionar problemas comunes como cables rotos. Las desventajas de usar 4-20 Ma para un bucle de entrada de sensor activo son que los bucles de corriente solo pueden transmitir una señal de proceso, lo que requiere múltiples bucles cuando hay numerosas variables de proceso que deben transmitirse. Además, el uso de múltiples bucles puede provocar problemas de bucles de tierra si los bucles individuales no están aislados.
Otra ventaja de los bucles de corriente de 4-20 Ma es la seguridad. Incluso si la fuente de alimentación es de 24 voltios, el choque no es un peligro ya que la corriente es baja (P=VI). Además, el bucle de corriente de 4 a 20 Ma es intrínsecamente seguro para áreas peligrosas que pueden incluir niveles peligrosos de polvo o vapor porque el bajo consumo de energía no causa combustión si están en juego condiciones normales de funcionamiento o fallas.
Por supuesto, si el uso de sensores inalámbricos continúa creciendo, la distancia de bucle de entrada de 4-20 Ma de 1.000 metros no será tan impresionante como lo era en la década de 1960. Sin embargo, el antiguo bucle de sensores de 4 a 20 Ma es inherentemente inmune a la piratería a través de Internet y siempre será más confiable para el rendimiento en tiempo real que los sensores inalámbricos.