ในระบบส่งสัญญาณ ไฟฟ้า วงจรกระแสอนาล็อกถูกใช้ในกรณีที่ต้องตรวจสอบหรือควบคุมอุปกรณ์จากระยะไกลผ่านตัวนำคู่หนึ่ง โดยจะมีระดับกระแสไฟฟ้าได้เพียงระดับเดียวในแต่ละครั้ง

การใช้งานหลักของวงจรไฟฟ้ากระแสตรงคือวงจรไฟฟ้ากระแสตรง4–20 mA ซึ่ง เป็นมาตรฐานที่ใช้ กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม สำหรับการควบคุมกระบวนการผลิต โดยใช้ในการส่งสัญญาณจาก อุปกรณ์วัด ในกระบวนการผลิต ไปยังตัวควบคุมแบบสัดส่วน-อินทิกรัล-อนุพันธ์ (PID) ระบบควบคุม และเก็บข้อมูลแบบรวมศูนย์ (SCADA)และตัวควบคุมลอจิกแบบโปรแกรมได้ (PLC)นอกจากนี้ยังใช้ในการส่งสัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมไปยังอุปกรณ์ภาคสนามที่ปรับเปลี่ยนได้ เช่นวาล์วควบคุม วงจรเหล่านี้มีข้อดีคือความเรียบง่ายและทนทานต่อสัญญาณรบกวน และมีฐานผู้ใช้และผู้ผลิตอุปกรณ์จำนวนมากในระดับนานาชาติ อุปกรณ์ภาคสนาม 4–20 mA บางชนิดสามารถใช้พลังงานจากวงจรไฟฟ้ากระแสตรงได้โดยตรง ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟแยกต่างหาก และโปรโตคอล HART (Highway Addressable Remote Transducer) แบบ "อัจฉริยะ" ก็ใช้วงจรนี้สำหรับการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ภาคสนามและตัวควบคุม โปรโตคอล การทำงานอัตโนมัติ ต่างๆ อาจเข้ามาแทนที่วงจรไฟฟ้ากระแสตรงแบบอนาล็อกได้ แต่ 4–20 mA ยังคงเป็นมาตรฐานหลักในอุตสาหกรรม

ในการควบคุมกระบวนการ ทางอุตสาหกรรม วงจร ควบคุมกระแส แบบอนาล็อก 4–20 มิลลิแอมป์ มักใช้สำหรับการส่งสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ โดยค่า 4 และ 20 มิลลิแอมป์ แทนช่วงการวัดหรือการควบคุม 0–100% วงจรเหล่านี้ใช้ทั้งในการส่งข้อมูลเซ็นเซอร์จากเครื่องมือวัดภาคสนาม และส่งสัญญาณควบคุมไปยังอุปกรณ์ปรับเปลี่ยนกระบวนการ เช่น วาล์ว

ข้อดีหลักของวงจรปัจจุบันมีดังนี้:

• โดยทั่วไปแล้ว วงจรดังกล่าวสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ระยะไกลได้ โดยพลังงานจะมาจากตัวควบคุม จึงไม่จำเป็นต้องใช้สายไฟ ผู้ผลิตอุปกรณ์วัดหลายรายผลิตเซ็นเซอร์ขนาด 4–20 mA ที่ใช้พลังงานจากวงจรได้
• กระแสไฟศูนย์ "สด" หรือ "สูง" ที่ 4 mA ช่วยให้สามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ได้แม้ว่าจะไม่มีสัญญาณกระบวนการใดๆ ออกมาจากตัวส่งสัญญาณภาคสนามก็ตาม
• ความแม่นยำของสัญญาณจะไม่ได้รับผลกระทบจากการลดลงของแรงดันไฟฟ้าในสายเชื่อมต่อ
• วงจรนี้มีภูมิคุ้มกันต่อสัญญาณรบกวนสูง เนื่องจากเป็นวงจรที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ โดยปกติจะใช้ตัวนำแบบคู่บิดเกลียว
• เป็นการตรวจสอบตัวเอง โดยกระแสไฟฟ้าที่น้อยกว่า 3.8 mA หรือมากกว่า 20.5 mA จะบ่งชี้ถึงความผิดปกติ^{[ 1 ]}
• สามารถส่งผ่านสายเคเบิลยาวได้ โดยไม่เกินขีดจำกัดความต้านทานสำหรับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้
• สามารถเสียบจอแสดงผลแบบอินไลน์และจ่ายไฟผ่านวงจรได้ ตราบใดที่ค่าความต้านทานรวมของวงจรไม่เกินค่าที่อนุญาต
• แปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าได้ง่ายโดยใช้ตัวต้านทาน
• ตัวแปลง "I to P" (กระแสไฟฟ้าเป็นความดัน) ที่ใช้พลังงานจากลูป สามารถแปลงสัญญาณ 4–20 mA เป็นเอาต์พุตนิวแมติก 3–15 psi สำหรับวาล์วควบคุม ทำให้สามารถรวมสัญญาณ 4–20 mA เข้ากับระบบนิวแมติกที่มีอยู่ได้อย่างง่ายดาย

การวัดค่าด้วยเครื่องมือภาคสนาม ได้แก่ความดันอุณหภูมิระดับการไหล ค่า pH หรือตัวแปรกระบวนการอื่นๆ วงจรวัดกระแสไฟฟ้ายังสามารถใช้ควบคุมตำแหน่งวาล์วหรือตัวกระตุ้น เอาต์พุตอื่นๆ ได้ เนื่องจากขั้วต่ออินพุตของเครื่องมืออาจมีด้านหนึ่งของอินพุตวงจรวัดกระแสไฟฟ้าต่อกับกราวด์ของตัวเครื่อง (สายดิน) จึงอาจจำเป็นต้องใช้ตัวแยกสัญญาณอนาล็อกเมื่อเชื่อมต่อเครื่องมือหลายตัวแบบอนุกรม

ความสัมพันธ์ระหว่างค่ากระแสไฟฟ้าปัจจุบันและ การวัด ตัวแปรของกระบวนการถูกกำหนดโดยการสอบเทียบ ซึ่งจะกำหนดช่วงหน่วยทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันให้กับช่วงระหว่าง 4 ถึง 20 มิลลิแอมป์ การจับคู่ระหว่างหน่วยทางวิศวกรรมและกระแสไฟฟ้าสามารถกลับด้านได้ ดังนั้น 4 มิลลิแอมป์จึงแทนค่าสูงสุดและ 20 มิลลิแอมป์แทนค่าต่ำสุด

ขึ้นอยู่กับแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าสำหรับวงจร อุปกรณ์อาจถูกจัดประเภทเป็นแบบแอคทีฟ (จ่ายไฟหรือ "จัดหา" พลังงาน) หรือแบบพาสซีฟ (รับพลังงานจากวงจร) ตัวอย่างเช่นเครื่องบันทึกกราฟอาจจ่ายไฟให้กับตัวส่งสัญญาณความดัน ตัวส่งสัญญาณความดันจะปรับกระแสไฟฟ้าในวงจรเพื่อส่งสัญญาณไปยังเครื่องบันทึกกราฟ แต่ตัวมันเองไม่ได้จ่ายไฟให้กับวงจร ดังนั้นจึงเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟ วงจรอีกวงหนึ่งอาจประกอบด้วยเครื่องบันทึกกราฟแบบพาสซีฟสองเครื่อง ตัวส่งสัญญาณความดันแบบพาสซีฟ และแบตเตอรี่ 24 โวลต์ (แบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์แอคทีฟ) โปรดทราบว่า เครื่องมือ แบบ 4 สายจะมีอินพุตแหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากจากวงจรไฟฟ้า

จอแสดงผลแบบติดตั้งบนแผงควบคุมและเครื่องบันทึกกราฟมักเรียกว่า "อุปกรณ์แสดงผล" หรือ "เครื่องตรวจสอบกระบวนการ" อุปกรณ์แสดงผลแบบพาสซีฟหลายตัวอาจเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมได้ แต่ในวงจรจะต้องมีอุปกรณ์ส่งสัญญาณเพียงตัวเดียวและแหล่งจ่ายไฟเพียงแหล่งเดียว (อุปกรณ์แอคทีฟ)

มาตรฐาน 4–20 mA เกิดขึ้นในทศวรรษ 1950 โดยพัฒนามาจากมาตรฐานสัญญาณควบคุมแรงดันลม 3–15 psi ที่ประสบความสำเร็จอย่างมากในอดีต เมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีราคาถูกและเชื่อถือได้มากพอที่จะจำลองมาตรฐานเก่าทางไฟฟ้าได้ มาตรฐาน 3–15 psi มีคุณสมบัติเช่นเดียวกันคือสามารถจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ระยะไกลบางอย่างได้ และมีจุดเริ่มต้นที่ "ใช้งานได้จริง" (ศูนย์) อย่างไรก็ตาม มาตรฐาน 4–20 mA เหมาะสมกว่าสำหรับตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่กำลังพัฒนาอยู่ในขณะนั้น

การเปลี่ยนแปลงเป็นไปอย่างค่อยเป็นค่อยไปและขยายไปจนถึงศตวรรษที่ 21 เนื่องจากการติดตั้งอุปกรณ์แรงดัน 3–15 psi จำนวนมาก เนื่องจากการทำงานของวาล์วแบบนิวแมติกมีข้อดีด้านต้นทุนและความน่าเชื่อถือมากกว่าวาล์วแบบมอเตอร์ การทำงานแบบนิวแมติกจึงยังคงเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม เพื่อให้สามารถสร้างระบบไฮบริดได้ โดยที่กระแส 4–20 mA ถูกสร้างขึ้นโดยตัวควบคุม แต่ยังคงอนุญาตให้ใช้วาล์วแบบนิวแมติกได้ จึงมีตัวแปลงกระแสเป็นแรงดัน (I to P) หลายแบบจากผู้ผลิต โดยปกติแล้วตัวแปลงเหล่านี้จะอยู่ใกล้กับวาล์วควบคุมและแปลงกระแส 4–20 mA เป็นแรงดัน 3–15 psi (หรือ 0.2–1.0 บาร์) จากนั้นสัญญาณนี้จะถูกส่งไปยังตัวขับวาล์ว หรือที่พบได้บ่อยกว่าคือตัวกำหนดตำแหน่งแบบนิวแมติก ตัวกำหนดตำแหน่งเป็นตัวควบคุมเฉพาะที่มีการเชื่อมต่อทางกลกับการเคลื่อนที่ของตัวขับ ซึ่งช่วยให้สามารถเอาชนะปัญหาแรงเสียดทานและทำให้องค์ประกอบควบคุมวาล์วเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้ นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถใช้แรงดันอากาศที่สูงขึ้นสำหรับการขับวาล์วได้

ด้วยการพัฒนาไมโครโปรเซสเซอร์อุตสาหกรรมราคาถูก ทำให้ตัวควบคุมตำแหน่งวาล์ว "อัจฉริยะ" เริ่มมีวางจำหน่ายตั้งแต่กลางทศวรรษ 1980 และได้รับความนิยมอย่างมากสำหรับการติดตั้งใหม่ อุปกรณ์เหล่านี้ประกอบด้วยตัวแปลง I เป็น P รวมถึงการตรวจสอบตำแหน่งและสภาพของ วาล์ว ข้อมูลเหล่านี้จะถูกส่งกลับไปยังตัวควบคุมผ่านวงจรไฟฟ้ากระแสตรง โดยใช้โปรโตคอล ต่างๆ เช่นHART

ในอดีต วงจรไฟฟ้ากระแสตรงแบบอนาล็อกถูกส่งผ่านระหว่างอาคารโดยใช้สายคู่แห้งในสายโทรศัพท์ที่เช่าจากบริษัทโทรศัพท์ท้องถิ่น วงจรขนาด 4–20 มิลลิแอมป์นั้นพบได้บ่อยกว่าในยุคโทรศัพท์อนาล็อก วงจรเหล่านี้ต้องการความต่อเนื่องของกระแสตรง (DC) จากต้นทางถึงปลายทาง และเว้นแต่จะมีการติดตั้งสายคู่เฉพาะ การใช้งานก็ยุติลงเมื่อมีการนำระบบสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์มาใช้ ความต่อเนื่องของกระแสตรงไม่สามารถใช้งานได้กับวิทยุไมโครเวฟ ใยแก้วนำแสง หรือการเชื่อมต่อวงจรโทรศัพท์แบบมัลติเพล็กซ์ ทฤษฎีวงจรไฟฟ้ากระแสตรงพื้นฐานแสดงให้เห็นว่ากระแสไฟฟ้ามีค่าเท่ากันตลอดสาย เป็นเรื่องปกติที่จะเห็นวงจรขนาด 4–20 มิลลิแอมป์ที่มีความยาวเป็นไมล์ หรือวงจรที่ทำงานบนสายโทรศัพท์ที่มีความยาวมากกว่าหมื่นฟุตจากต้นทางถึงปลายทาง ปัจจุบันยังมีระบบเก่าที่ใช้เทคโนโลยีนี้อยู่ ใน วงจร ของระบบเบลล์มีการใช้แรงดันไฟฟ้าสูงถึง 125 โวลต์ DC

ฟังก์ชันควบคุมแบบแยกส่วนสามารถแสดงได้ด้วยระดับกระแสไฟฟ้าที่ส่งผ่านวงจร ซึ่งจะช่วยให้สามารถควบคุมฟังก์ชันควบคุมหลายฟังก์ชันได้ด้วยสายไฟเพียงคู่เดียว กระแสไฟฟ้าที่ต้องการสำหรับฟังก์ชันเฉพาะจะแตกต่างกันไปตามการใช้งานหรือผู้ผลิตแต่ละราย ไม่มีกระแสไฟฟ้าเฉพาะที่ผูกติดกับความหมายเดียว โดยทั่วไปแล้ว 0 mA แสดงว่าวงจรล้มเหลว ในกรณีของสัญญาณเตือนไฟไหม้ 6 mA อาจเป็นเรื่องปกติ 15 mA อาจหมายถึงตรวจพบไฟไหม้ และ 0 mA จะแสดงสัญญาณผิดปกติ แจ้งให้ไซต์ตรวจสอบทราบว่าวงจรสัญญาณเตือนล้มเหลว อุปกรณ์บางอย่าง เช่น คอนโซลควบคุมระยะไกล วิทยุสองทางสามารถกลับขั้วกระแสไฟฟ้าและสามารถรวมสัญญาณเสียงเข้ากับกระแสไฟฟ้ากระแสตรงได้

อุปกรณ์เหล่านี้สามารถนำไปใช้สำหรับการควบคุมระยะไกลทุกรูปแบบที่นักออกแบบนึกคิดได้ ตัวอย่างเช่น วงจรควบคุมกระแสไฟฟ้าสามารถใช้ในการเปิดเสียงไซเรน เตือนภัย หรือควบคุมสัญญาณไฟจราจร ที่ทำงานประสานกัน ได้

วงจรลูปกระแสไฟฟ้าเป็นวิธีหนึ่งที่เป็นไปได้ในการควบคุมสถานีฐาน วิทยุ ในสถานที่ห่างไกล อุตสาหกรรมวิทยุสองทางเรียกการควบคุมระยะไกลประเภทนี้ว่า รีโมทDCชื่อนี้มาจากความจำเป็นในการต่อเนื่องของวงจร DC ระหว่างจุดควบคุมและสถานีฐาน วิทยุ การควบคุมระยะไกลแบบลูปกระแสไฟฟ้าช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายของสายไฟเพิ่มเติมระหว่างจุดใช้งานและเครื่องรับส่งสัญญาณวิทยุ อุปกรณ์บางอย่าง เช่น สถานีฐาน Motorola MSF-5000 ใช้กระแสไฟฟ้าต่ำกว่า 4 mA สำหรับบางฟังก์ชันรีโมทแบบโทนเสียงเป็นอีกประเภทหนึ่งที่ซับซ้อนกว่า แต่ต้องการเพียงเส้นทางเสียงระหว่างจุดควบคุมและสถานีฐาน^{[ 2 ]}

ตัวอย่างเช่น สถานีควบคุม การเรียกรถแท็กซี่ อาจตั้งอยู่บนดาดฟ้าของอาคารแปดชั้น ในขณะที่สำนักงานของบริษัทแท็กซี่อาจอยู่ที่ชั้นใต้ดินของอาคารอีกหลังที่อยู่ใกล้เคียง สำนักงานจะมีหน่วยควบคุมระยะไกลที่ใช้ควบคุมสถานีควบคุมการเรียกรถแท็กซี่ผ่านวงจรไฟฟ้าแบบวนรอบ วงจรนี้โดยปกติจะอยู่บนสายโทรศัพท์หรือสายไฟที่คล้ายกัน กระแสไฟฟ้าสำหรับควบคุมการทำงานจะมาจากคอนโซลควบคุมระยะไกลที่ปลายวงจรของสำนักงานควบคุมการเรียกรถแท็กซี่ ในการใช้งานวิทยุสองทาง วงจรที่ไม่ได้ใช้งานโดยปกติจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

ใน การใช้งาน วิทยุสื่อสารสองทางผู้ผลิตวิทยุจะใช้กระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันสำหรับฟังก์ชันเฉพาะต่างๆ มีการสลับขั้วเพื่อให้ได้ฟังก์ชันที่หลากหลายมากขึ้นในวงจรเดียว ตัวอย่างเช่น ลองนึกภาพรูปแบบหนึ่งที่การมีอยู่ของกระแสไฟฟ้าเหล่านี้ทำให้สถานีฐานเปลี่ยนสถานะ:

• ไม่มีกระแสไฟฟ้า หมายถึงรับสัญญาณผ่านช่องสัญญาณที่ 1 (ค่าเริ่มต้น)
• +6 mA อาจหมายถึงการส่งสัญญาณบนช่องสัญญาณที่ 1
• −6 mA อาจหมายถึงการคงอยู่ในโหมดรับสัญญาณ แต่เปลี่ยนไปใช้ช่องสัญญาณที่ 2ตราบใดที่กระแส −6 mA ยังคงอยู่ สถานีฐานระยะไกลก็จะยังคงรับสัญญาณบนช่องสัญญาณที่ 2 ต่อไป
• −12 mA อาจสั่งให้สถานีฐานส่งสัญญาณบนช่องสัญญาณที่ 2

วงจรนี้ไวต่อขั้วไฟฟ้า หากช่างต่อสายเคเบิลของบริษัทโทรศัพท์ต่อตัวนำสลับขั้วโดยไม่ตั้งใจ การเลือกช่องสัญญาณที่ 2 จะทำให้เครื่องส่งสัญญาณทำงานค้างอยู่

ระดับกระแสไฟฟ้าแต่ละระดับสามารถปิดหน้าสัมผัสชุดหนึ่ง หรือใช้งานวงจรลอจิกแบบโซลิดสเตทที่ปลายอีกด้านของวงจรได้ การปิดหน้าสัมผัสดังกล่าวทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะบนอุปกรณ์ที่ถูกควบคุม อุปกรณ์ควบคุมระยะไกลบางชนิดอาจมีตัวเลือกที่ตั้งค่าไว้เพื่อให้สามารถใช้งานร่วมกันได้ระหว่างผู้ผลิตต่างๆ กล่าวคือ สถานีฐานที่กำหนดค่าให้ส่งสัญญาณด้วยกระแสไฟฟ้า +18 mA อาจมีการเปลี่ยนแปลงตัวเลือก (แทน) เพื่อให้ส่งสัญญาณเมื่อมีกระแสไฟฟ้า +6 mA อยู่

ในการใช้งานวิทยุสองทาง สัญญาณ AC ก็มีอยู่ในวงจรคู่ด้วยเช่นกัน หากสถานีฐานอยู่ในสถานะว่าง สัญญาณเสียงที่รับได้จะถูกส่งผ่านสายจากสถานีฐานไปยังห้องควบคุม ในกรณีที่มีกระแสคำสั่งส่งสัญญาณ คอนโซลควบคุมระยะไกลจะส่งสัญญาณเสียงเพื่อส่งไปยังอุปกรณ์อื่น เสียงของผู้ใช้ในห้องควบคุมจะถูกปรับความถี่และซ้อนทับกับกระแส DC ที่ทำให้เครื่องส่งสัญญาณทำงาน

• แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า – ตัวส่งสัญญาณแบบลูปกระแสไฟฟ้า
• ตัวแปลงกระแสเป็นแรงดัน
• โปรโตคอลทรานสดิวเซอร์ระยะไกลที่สามารถระบุตำแหน่งบนทางหลวงได้
• NAMUR  – องค์กรกำหนดมาตรฐานอุตสาหกรรมของเยอรมนีที่กำหนดระดับความผิดพลาดสำหรับกระแสไฟฟ้า 4–20 mA
• แผนภาพการวางท่อและอุปกรณ์  – แสดงแผนผังการควบคุมและท่อและภาชนะที่เกี่ยวข้อง

• Lipták, Béla G. คู่มือวิศวกรเครื่องมือวัด การวัดและการวิเคราะห์กระบวนการ CRC Press. 2003. ปกแข็ง. ISBN 0-8493-1083-0

• หลักการพื้นฐาน การออกแบบระบบ และการตั้งค่าสำหรับวงจรควบคุมกระแส 4 ถึง 20 mA
• "คู่มือเบื้องต้นเกี่ยวกับวงจรวัดกระแส 4–20 mA" (PDF) . สืบค้นเมื่อ10 กันยายน 2017 .
• ฉันต้องใช้แรงดันไฟฟ้าเท่าไหร่ในการใช้งานทรานสดิวเซอร์ 4...20 mA ของฉัน?
• ระบบสัญญาณปัจจุบัน
• วิธีอ่านค่ากระแสไฟฟ้าในลูปโดยใช้ Arduino
• ประเภทของวงจรลูปกระแส 4-20 mA