Los diseñadores suelen usar por defecto reguladores de voltaje de baja salida (LDO) para alimentar sistemas de detección industrial e IoT diseñados con bucles de corriente de 4-20 mA.para aplicaciones que se centran en el consumo de energía y el espacio limitadoEn este punto, los diseñadores deben considerar el cambio a reguladores de voltaje (también conocidos como convertidores de buck),especialmente para aplicaciones que requieren una alta eficiencia energética, el rendimiento de disipación de calor, y la duración de la batería.
El circuito de corriente de 4-20 mA es un método robusto y fiable para transmitir los resultados de medición de los sensores a un controlador lógico programable (PLC),y transmitiendo la salida de control del PLC al equipo de modulación de procesosEste sistema garantiza una transmisión de señales de larga distancia precisa y resistente al ruido mediante cables de pares retorcidos, por lo que es una opción ideal para diversos entornos industriales.Independientemente de la longitud del alambre, la corriente sigue siendo constante, por lo que es una configuración estándar para fábricas, laboratorios y aplicaciones de monitoreo remoto.
La evaluación de la compensación entre LDO y los reguladores de conmutación en los circuitos actuales puede ayudar a lograr diseños más inteligentes y sostenibles.
El LDO todavía tiene su lugar en algunas situaciones especiales, donde puede proporcionar ventajas tales como ruido ultra bajo, lista de materiales simplificada o margen mínimo de regulación de voltaje.Tienen una eficiencia inherente más baja porque disipan la diferencia entre los voltajes de entrada y salida como calorEstas energías desperdiciadas pueden conducir a un aumento de la carga térmica en las aplicaciones y acortar en gran medida la duración 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 síncrona puede ser una mejor opción.La tecnología de reducción de voltaje sincrónica moderna puede proporcionar una eficiencia del 85% al 95%, reduciendo significativamente la generación de calor, y ahora también proporcionando corriente estática de bajo rango de microampere.mientras que los reguladores de voltaje pueden convertir eficazmente el voltaje extra en corriente utilizable, logrando así funciones que consumen más energía sin sobrecalentamiento ni desperdicio de energía.
Estas características hacen que los reguladores de voltaje sean la solución preferida para cualquier bucle de 4-20 mA (como los sensores alimentados por baterías) con márgenes de entrada superiores a unos pocos voltios, que requieren eficiencia térmica,o que requieren un funcionamiento a largo plazo a potencia limitada.
Si la tensión de alimentación diseñada es aproximadamente 6 V superior a la tensión requerida por el transmisor de circuito de corriente,y hay espacio en la placa de circuito para acomodar pequeños inductores y condensadores de salida, entonces un regulador de buck sincrónico eficiente es generalmente la mejor opción.y garantizar una corriente suficiente para alimentar otras funciones en el bucle de 4-20 mAPor lo tanto, es una opción ideal para los transmisores modernos que requieren fiabilidad y eficiencia energética en entornos industriales.
La ventaja de la disipación de calor de los reguladores de voltaje reduce en gran medida los requisitos de los disipadores de calor en los módulos industriales de alta corriente y alta temperatura.Incluso un circuito de 5 μA buck tiene una eficiencia superior a la LDO, ya que esta última convierte una parte significativa del voltaje de la batería en calor.
Circuito de accionamiento
El circuito de corriente de 4-20 mA es una de las formas más comunes de enviar información entre sensores in situ y sistemas de control que utilizan sus datos.e incluso instrucciones para mover las válvulasEs simple, fiable y eficaz para uso a larga distancia.
El circuito de corriente (figura 1) puede transmitir señales de medición de instrumentos como sensores de temperatura o presión,o señales de control a los dispositivos que mueven o regulan mecanismos tales como posicionadores de válvulas.
Diagrama esquemático del bucle de corriente de 4-20 mA
Figura 1: Un diagrama esquemático de un circuito de corriente de 4 a 20 mA ilustra cómo utilizar la corriente en lugar del voltaje para transmitir señales analógicas en la automatización industrial, los sistemas de sensores,y aplicaciones de control de procesos. (Fuente de imagen: Analog Devices, Inc.)
El circuito de corriente consta de cuatro componentes principales:
Fuente de alimentación de corriente continua: dependiendo de la configuración, puede ser de 9 V, 12 V, 24 V o superior.que es también la cantidad de voltaje que todos los componentes (transmisorEl regulador local lo reduce para alimentar los sensores y los dispositivos electrónicos.
El transmisor en un lado del sensor transmite señales eléctricas que representan el mundo físico: el sensor genera señales en bruto relacionadas con la temperatura, la presión, la distancia,o otras mediciones físicasSi 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.la salida se convierte en corriente analógica a través de DACEl 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 en bucle conecta la fuente de alimentación, el transmisor y el receptor en serie: el bucle puede tener hasta miles de pies de largo.los mismos dos cables transmiten simultáneamente corrientes de potencia y señalEl sistema de 4 cables utiliza diferentes pares de cables para transmitir energía y señales.
Incluso en ambientes industriales duros con temperaturas que oscilan entre -40 °C y +105 °C, los componentes del circuito de corriente deben ser precisos, energéticamente eficientes y fiables.También deben soportar las funciones de seguridad y de sistema necesarias para garantizar la seguridad y fiabilidad del bucle..
Superar las limitaciones de la ODL
Los reguladores lineales son fáciles de usar y tienen bajo ruido, pero pueden convertir el exceso de energía en calor, lo que resulta en residuos, y tienen un límite superior inferior de la corriente disponible.A medida que los diseñadores añaden más características al transmisor, como el diagnóstico, las interfaces digitales o la inteligencia local, la demanda de suministro de energía también aumenta, lo que puede exceder la potencia que un simple LDO puede proporcionar.Una mejor opción es utilizar reguladores de conmutación más eficientes, como la serie LT8618 de Analog Devices, Inc.
LT8618 es un convertidor de buck compacto pero potente diseñado para entornos duros, incluidas las aplicaciones industriales, automotrices y otras que requieren una potencia impredecible.Es particularmente adecuado para su uso en sistemas de circuito de corriente de 4-20 mA, con corriente estática ultrabaja, alta eficiencia, amplio rango de entrada (3,4 V a 60 V, funcionamiento continuo) y condiciones de voltaje transitorio de hasta 65 V.
La serie LT8618 proporciona reguladores de voltaje multifuncionales para diversas aplicaciones industriales y de suministro de energía en bucle.
LT8618EDDB-3.3 # TRPBF (véase el diagrama esquemático de la figura 2) proporciona una salida fija de 3,3 V,lo que lo hace ideal para diseños que requieren voltajes estables y bien definidos para manejar rieles de voltaje impredecibles comunes en entornos industriales y de campoSu corriente de salida máxima es de 100 mA, adecuada para alimentar sensores, transmisores y otros circuitos auxiliares.ayuda a ampliar la eficiencia del sistema y la duración de la batería.