Los diseñadores normalmente utilizan reguladores de voltaje de baja caída (LDO) para alimentar sistemas de detección industrial y de IoT diseñados con bucles de corriente de 4-20 mA. Sin embargo, para aplicaciones que se centran en el consumo de energía y el espacio limitado, LDO se está volviendo cada vez más impráctico. En este punto, los diseñadores deberían considerar cambiar a reguladores de voltaje (también conocidos como convertidores reductores), especialmente para aplicaciones que requieren alta eficiencia energética, rendimiento de disipación de calor y mayor duración de la batería.
El bucle de corriente de 4-20 mA es un método robusto y confiable para transmitir resultados de medición desde sensores a un controlador lógico programable (PLC) y transmitir la salida de control del PLC al equipo de modulación de procesos. Este sistema garantiza una transmisión de señales de larga distancia precisa y resistente al ruido mediante cables de par trenzado, lo que lo convierte en una opción ideal para diversos entornos industriales. Independientemente de la longitud del cable, la corriente permanece constante, lo que la convierte en una configuración estándar para fábricas, laboratorios y aplicaciones de monitoreo remoto.
Evaluar el equilibrio entre LDO y reguladores de conmutación en los bucles actuales puede ayudar a lograr diseños más inteligentes y sostenibles.
LDO todavía tiene su lugar en algunas situaciones especiales, donde puede proporcionar ventajas como ruido ultrabajo, lista de materiales simplificada o margen mínimo de regulación de voltaje. Sin embargo, tienen una eficiencia inherente más baja porque disipan la diferencia entre los voltajes de entrada y salida en forma de calor. Estas energías desperdiciadas pueden provocar un aumento de la carga térmica en las aplicaciones y acortar considerablemente la vida útil de la batería en aplicaciones portátiles o remotas.
Cuando la eficiencia, el rendimiento de la disipación de calor o el tiempo de funcionamiento de la batería son cruciales, la reducción de voltaje sincrónico puede ser una mejor opción. Incluso en condiciones de carga de miliamperios, la tecnología moderna de reducción de voltaje síncrono puede proporcionar una eficiencia del 85% al 95%, lo que reduce significativamente la generación de calor y ahora también proporciona corriente estática en un rango bajo de microamperios. LDO disipará el exceso de voltaje en forma de calor, mientras que los reguladores de voltaje pueden convertir efectivamente el voltaje adicional en corriente utilizable, logrando así funciones que consumen más energía sin sobrecalentarse ni desperdiciar energía.
Estas características hacen que los reguladores de voltaje sean la solución preferida para cualquier bucle de 4-20 mA (como sensores alimentados por batería) con márgenes de entrada que exceden unos pocos voltios, que requieren eficiencia térmica o que requieren un funcionamiento a largo plazo con potencia limitada.
Si el voltaje de suministro diseñado es aproximadamente 6 V más alto que el voltaje requerido por el transmisor de bucle de corriente, y hay espacio en la placa de circuito para acomodar pequeños inductores y capacitores de salida, entonces un regulador reductor síncrono eficiente suele ser la mejor opción. Puede reducir eficazmente el voltaje, minimizar el desperdicio de calor y garantizar suficiente corriente para alimentar otras funciones en el bucle de 4-20 mA. Por lo tanto, es una opción ideal para transmisores modernos que requieren confiabilidad y eficiencia energética en entornos industriales.
La ventaja de disipación de calor de los reguladores de voltaje reduce en gran medida los requisitos de disipadores de calor en módulos industriales de alta corriente y alta temperatura. Incluso un circuito reductor de 5 µA tiene mayor eficiencia que el LDO, ya que este último convierte una parte importante del voltaje de la batería en calor.
Bucle de conducción
El bucle de corriente de 4-20 mA es una de las formas más comunes de enviar información entre sensores en sitio y sistemas de control que utilizan sus datos. Las señales pueden representar temperatura, presión, caudal e incluso instrucciones para mover válvulas. Es simple, confiable y eficaz para uso a larga distancia.
El bucle de corriente (Figura 1) puede transmitir señales de medición desde instrumentos como sensores de temperatura o presión, o señales de control a dispositivos que mueven o regulan mecanismos como posicionadores de válvulas.
Diagrama esquemático del bucle de corriente de 4-20 mA
Figura 1: Un diagrama esquemático de un bucle de corriente de 4-20 mA ilustra cómo utilizar corriente en lugar de voltaje para transmitir señales analógicas en automatización industrial, sistemas de sensores y aplicaciones de control de procesos. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
El bucle actual consta de cuatro componentes principales:
Fuente de alimentación CC: Dependiendo de la configuración, puede ser de 9 V, 12 V, 24 V o superior. El voltaje proporcionado por la fuente de alimentación debe ser mayor, al menos un 10% más alto, que es también la cantidad de voltaje que todos los componentes (transmisor, receptor, cableado) en el circuito "disminuyen" cuando fluye la corriente. Luego, el regulador local lo reduce para alimentar los sensores y dispositivos electrónicos.
El transmisor en un lado del sensor transmite señales eléctricas que representan el mundo físico: el sensor genera señales sin procesar relacionadas con la temperatura, la presión, la distancia u otras mediciones físicas. Si se trata de un voltaje analógico, el convertidor de corriente de voltaje del transmisor lo convertirá en una corriente proporcional de 4 mA a 20 mA. Si es un sensor digital, la salida se convierte en corriente analógica a través de DAC. El transmisor tiene su propia fuente de alimentación, como LDO o regulador de voltaje.
Receptor en el extremo de control: el receptor lee la señal de 4-20 mA y la convierte en un voltaje que el sistema de control puede medir, mostrar o ejecutar.
El cableado del bucle conecta la fuente de alimentación, el transmisor y el receptor en serie: el bucle puede tener hasta miles de pies de largo. En un sistema de dos cables, los mismos dos cables transmiten simultáneamente corrientes de potencia y señal. El sistema de 4 cables utiliza diferentes pares de cables para transmitir energía y señales.
Incluso en entornos industriales hostiles con temperaturas que oscilan entre -40 °C y +105 °C, los componentes del circuito de corriente deben ser precisos, energéticamente eficientes y fiables. Además, también deben admitir las funciones necesarias a nivel de sistema y de seguridad para garantizar la seguridad y confiabilidad del circuito.