Projektanci zazwyczaj domyślnie używają regulatorów niskiego napięcia (LDO) do zasilania przemysłowych systemów wykrywania i IoT zaprojektowanych z pętlami prądowymi 4–20 mA. Jednak w przypadku zastosowań, które koncentrują się na zużyciu energii i ograniczonej przestrzeni, LDO staje się coraz bardziej niepraktyczne. W tym momencie projektanci powinni rozważyć przejście na regulatory napięcia (znane również jako przetwornice buck), szczególnie w zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności energetycznej, wydajności rozpraszania ciepła i wydłużonej żywotności baterii.
Pętla prądowa 4–20 mA to solidna i niezawodna metoda przesyłania wyników pomiarów z czujników do programowalnego sterownika logicznego (PLC) oraz przesyłania sygnału wyjściowego sterującego sterownika PLC do sprzętu modulującego proces. System ten zapewnia precyzyjną i odporną na zakłócenia transmisję sygnału na duże odległości za pomocą skrętki komputerowej, co czyni go idealnym wyborem dla różnych środowisk przemysłowych. Niezależnie od długości przewodu prąd pozostaje stały, co czyni go standardową konfiguracją dla fabryk, laboratoriów i zastosowań zdalnego monitorowania.
Ocena kompromisu między LDO a regulatorami przełączającymi w pętlach prądowych może pomóc w opracowaniu inteligentniejszych i bardziej zrównoważonych projektów.
LDO nadal ma swoje miejsce w niektórych szczególnych sytuacjach, gdzie może zapewnić korzyści, takie jak bardzo niski poziom szumów, uproszczona lista materiałów lub minimalny margines regulacji napięcia. Mają jednak niższą sprawność naturalną, ponieważ rozpraszają różnicę między napięciem wejściowym i wyjściowym w postaci ciepła. Te zmarnowane energie mogą prowadzić do wzrostu obciążenia termicznego w zastosowaniach i znacznie skrócić żywotność baterii w zastosowaniach przenośnych lub zdalnych.
Gdy wydajność, wydajność rozpraszania ciepła lub czas pracy akumulatora mają kluczowe znaczenie, lepszym wyborem może być synchroniczna redukcja napięcia. Nawet w warunkach obciążenia miliamperowego nowoczesna technologia synchronicznej redukcji napięcia może zapewnić wydajność od 85% do 95%, znacznie zmniejszając wytwarzanie ciepła, a teraz zapewniając także prąd statyczny o niskim zakresie mikroamperów. LDO rozproszy nadmiar napięcia w postaci ciepła, podczas gdy regulatory napięcia mogą skutecznie przekształcić dodatkowe napięcie w użyteczny prąd, uzyskując w ten sposób więcej funkcji zużywających energię bez przegrzania i marnowania energii.
Te cechy sprawiają, że regulatory napięcia są preferowanym rozwiązaniem dla każdej pętli 4-20 mA (takiej jak czujniki zasilane bateryjnie) z marginesami wejściowymi przekraczającymi kilka woltów, wymagającymi sprawności cieplnej lub wymagającej długotrwałej pracy przy ograniczonej mocy.
Jeśli zaprojektowane napięcie zasilania jest o około 6 V wyższe niż napięcie wymagane przez przetwornik pętli prądowej, a na płytce drukowanej jest miejsce na małe cewki indukcyjne i kondensatory wyjściowe, wówczas zazwyczaj najlepszym wyborem jest wydajny synchroniczny regulator buck. Może skutecznie obniżyć napięcie, zminimalizować straty ciepła i zapewnić wystarczający prąd do zasilania innych funkcji w pętli 4-20 mA. Dlatego jest idealnym wyborem dla nowoczesnych przetworników, które wymagają zarówno niezawodności, jak i efektywności energetycznej w środowiskach przemysłowych.
Zaletą regulatorów napięcia w zakresie rozpraszania ciepła znacznie zmniejsza wymagania dotyczące radiatorów w modułach przemysłowych o wysokim prądzie i wysokiej temperaturze. Nawet obwód buck o natężeniu 5 µA ma wyższą wydajność niż LDO, ponieważ ten ostatni przekształca znaczną część napięcia akumulatora w ciepło.
Pętla napędowa
Pętla prądowa 4-20 mA jest jednym z najpowszechniejszych sposobów przesyłania informacji pomiędzy czujnikami znajdującymi się na miejscu a systemami sterowania wykorzystującymi ich dane. Sygnały mogą reprezentować temperaturę, ciśnienie, natężenie przepływu, a nawet instrukcje dotyczące poruszania zaworami. Jest prosty, niezawodny i skuteczny w użyciu na duże odległości.
Pętla prądowa (rysunek 1) może przesyłać sygnały pomiarowe z przyrządów, takich jak czujniki temperatury lub ciśnienia, lub sygnały sterujące do urządzeń poruszających lub regulujących mechanizmy, takich jak pozycjonery zaworów.
Schemat ideowy pętli prądowej 4-20 mA
Rysunek 1: Schemat ideowy pętli prądowej 4–20 mA ilustruje sposób wykorzystania prądu zamiast napięcia do przesyłania sygnałów analogowych w automatyce przemysłowej, systemach czujników i zastosowaniach związanych ze sterowaniem procesami. (Źródło obrazu: Analog Devices, Inc.)
Pętla prądowa składa się z czterech głównych elementów:
Zasilanie DC: W zależności od ustawień może to być napięcie 9 V, 12 V, 24 V lub wyższe. Napięcie dostarczane przez zasilacz musi być wyższe – co najmniej o 10% wyższe, co jest jednocześnie wartością napięcia, o jaką wszystkie elementy składowe (nadajnik, odbiornik, okablowanie) w pętli „spadają” pod wpływem przepływu prądu. Następnie lokalny regulator zmniejsza napięcie, aby zasilić czujniki i urządzenia elektroniczne.
Nadajnik po jednej stronie czujnika przesyła sygnały elektryczne reprezentujące świat fizyczny: czujnik generuje nieprzetworzone sygnały związane z temperaturą, ciśnieniem, odległością lub innymi pomiarami fizycznymi. Jeżeli jest to napięcie analogowe, przetwornik napięciowo-prądowy przetwornika przetworzy je na prąd proporcjonalny o wartości od 4 mA do 20 mA. Jeśli jest to czujnik cyfrowy, sygnał wyjściowy jest przekształcany na prąd analogowy za pomocą przetwornika DAC. Przetwornik posiada własne zasilanie, takie jak LDO lub regulator napięcia.
Odbiornik po stronie sterującej: Odbiornik odczytuje sygnał 4–20 mA i przetwarza go na napięcie, które system sterowania może zmierzyć, wyświetlić lub wykonać.
Okablowanie pętli łączy zasilacz, nadajnik i odbiornik szeregowo: pętla może mieć długość do tysięcy stóp. W systemie dwuprzewodowym te same dwa przewody jednocześnie przesyłają prąd zasilający i sygnałowy. System 4-przewodowy wykorzystuje różne pary przewodów do przesyłania mocy i sygnałów.
Nawet w trudnych warunkach przemysłowych, w których panuje temperatura od -40°C do +105°C, elementy pętli prądowej muszą być precyzyjne, energooszczędne i niezawodne. Ponadto muszą także obsługiwać niezbędne funkcje bezpieczeństwa i poziomu systemu, aby zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność pętli.