Οι σχεδιαστές συνήθως χρησιμοποιούν ρυθμιστές χαμηλής τάσης εγκατάλειψης (LDOs) για την τροφοδοσία βιομηχανικών συστημάτων ανίχνευσης και IoT που έχουν σχεδιαστεί με βρόχους ρεύματος 4-20 mA. Ωστόσο, για εφαρμογές που εστιάζουν στην κατανάλωση ενέργειας και στον περιορισμένο χώρο, το LDO γίνεται ολοένα και πιο μη πρακτικό. Σε αυτό το σημείο, οι σχεδιαστές θα πρέπει να εξετάσουν το ενδεχόμενο μετάβασης σε ρυθμιστές τάσης (γνωστοί και ως μετατροπείς buck), ειδικά για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ενεργειακή απόδοση, απόδοση απαγωγής θερμότητας και εκτεταμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Ο βρόχος ρεύματος 4-20 mA είναι μια ισχυρή και αξιόπιστη μέθοδος για τη μετάδοση των αποτελεσμάτων μετρήσεων από τους αισθητήρες σε έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC) και τη μετάδοση της εξόδου ελέγχου του PLC στον εξοπλισμό διαμόρφωσης διεργασίας. Αυτό το σύστημα εξασφαλίζει ακριβή και ανθεκτική στο θόρυβο μετάδοση σήματος σε μεγάλες αποστάσεις χρησιμοποιώντας καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους, καθιστώντας το ιδανική επιλογή για διάφορα βιομηχανικά περιβάλλοντα. Ανεξάρτητα από το μήκος του καλωδίου, το ρεύμα παραμένει σταθερό, καθιστώντας το μια τυπική διαμόρφωση για εργοστάσια, εργαστήρια και εφαρμογές απομακρυσμένης παρακολούθησης.
Η αξιολόγηση της αντιστάθμισης μεταξύ LDO και ρυθμιστών μεταγωγής στους τρέχοντες βρόχους μπορεί να βοηθήσει στην επίτευξη εξυπνότερων και πιο βιώσιμων σχεδίων.
Το LDO εξακολουθεί να έχει τη θέση του σε ορισμένες ειδικές καταστάσεις, όπου μπορεί να προσφέρει πλεονεκτήματα όπως εξαιρετικά χαμηλό θόρυβο, απλοποιημένη λίστα υλικών ή ελάχιστο περιθώριο ρύθμισης τάσης. Ωστόσο, έχουν χαμηλότερη εγγενή απόδοση επειδή διαχέουν τη διαφορά μεταξύ των τάσεων εισόδου και εξόδου ως θερμότητα. Αυτές οι σπαταλημένες ενέργειες μπορούν να οδηγήσουν σε αύξηση του θερμικού φορτίου στις εφαρμογές και να μειώσουν σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας σε φορητές ή απομακρυσμένες εφαρμογές.
Όταν η απόδοση, η απόδοση απαγωγής θερμότητας ή ο χρόνος λειτουργίας της μπαταρίας είναι ζωτικής σημασίας, η σύγχρονη μείωση τάσης μπορεί να είναι καλύτερη επιλογή. Ακόμη και υπό συνθήκες φορτίου milliampere, η σύγχρονη τεχνολογία σύγχρονης μείωσης τάσης μπορεί να προσφέρει απόδοση από 85% έως 95%, μειώνοντας σημαντικά την παραγωγή θερμότητας και τώρα παρέχει επίσης στατικό ρεύμα χαμηλής περιοχής μικροαμπέρ. Το LDO θα διαχέει την περίσσεια τάση ως θερμότητα, ενώ οι ρυθμιστές τάσης μπορούν να μετατρέψουν αποτελεσματικά την επιπλέον τάση σε χρησιμοποιήσιμο ρεύμα, επιτυγχάνοντας έτσι περισσότερες λειτουργίες κατανάλωσης ενέργειας χωρίς υπερθέρμανση ή σπατάλη ενέργειας.
Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τους ρυθμιστές τάσης την προτιμώμενη λύση για οποιονδήποτε βρόχο 4-20 mA (όπως αισθητήρες που τροφοδοτούνται από μπαταρία) με περιθώρια εισόδου που υπερβαίνουν μερικά βολτ, απαιτούν θερμική απόδοση ή απαιτούν μακροχρόνια λειτουργία με περιορισμένη ισχύ.
Εάν η σχεδιασμένη τάση τροφοδοσίας είναι περίπου 6 V υψηλότερη από την τάση που απαιτείται από τον πομπό βρόχου ρεύματος και υπάρχει χώρος στην πλακέτα κυκλώματος για να φιλοξενήσει μικρούς επαγωγείς και πυκνωτές εξόδου, τότε ένας αποτελεσματικός σύγχρονος ρυθμιστής buck είναι συνήθως η καλύτερη επιλογή. Μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά την τάση, να ελαχιστοποιήσει τη σπατάλη θερμότητας και να εξασφαλίσει επαρκές ρεύμα για την τροφοδοσία άλλων λειτουργιών στον βρόχο 4-20 mA. Ως εκ τούτου, αποτελεί ιδανική επιλογή για σύγχρονους πομπούς που απαιτούν αξιοπιστία και ενεργειακή απόδοση σε βιομηχανικά περιβάλλοντα.
Το πλεονέκτημα απαγωγής θερμότητας των ρυθμιστών τάσης μειώνει σημαντικά τις απαιτήσεις για ψύκτες θερμότητας σε βιομηχανικές μονάδες υψηλού ρεύματος και υψηλής θερμοκρασίας. Ακόμη και ένα κύκλωμα buck 5 μΑ έχει υψηλότερη απόδοση από το LDO, καθώς το τελευταίο μετατρέπει ένα σημαντικό μέρος της τάσης της μπαταρίας σε θερμότητα.
Βρόχος κίνησης
Ο βρόχος ρεύματος 4-20 mA είναι ένας από τους πιο συνηθισμένους τρόπους αποστολής πληροφοριών μεταξύ των επιτόπιων αισθητήρων και των συστημάτων ελέγχου που χρησιμοποιούν τα δεδομένα τους. Τα σήματα μπορούν να αντιπροσωπεύουν θερμοκρασία, πίεση, ρυθμό ροής, ακόμη και οδηγίες για την κίνηση των βαλβίδων. Είναι απλό, αξιόπιστο και αποτελεσματικό για χρήση σε μεγάλες αποστάσεις.
Ο βρόχος ρεύματος (Εικόνα 1) μπορεί να μεταδίδει σήματα μέτρησης από όργανα όπως αισθητήρες θερμοκρασίας ή πίεσης ή σήματα ελέγχου σε συσκευές που κινούν ή ρυθμίζουν μηχανισμούς όπως οι ρυθμιστές θέσης βαλβίδων.
Σχηματικό διάγραμμα βρόχου ρεύματος 4-20 mA
Εικόνα 1: Ένα σχηματικό διάγραμμα ενός βρόχου ρεύματος 4-20 mA απεικονίζει τον τρόπο χρήσης ρεύματος αντί τάσης για τη μετάδοση αναλογικών σημάτων σε βιομηχανικούς αυτοματισμούς, συστήματα αισθητήρων και εφαρμογές ελέγχου διεργασιών. (Πηγή εικόνας: Analog Devices, Inc.)
Ο τρέχων βρόχος αποτελείται από τέσσερα κύρια στοιχεία:
Τροφοδοτικό DC: Ανάλογα με τις ρυθμίσεις, μπορεί να είναι 9 V, 12 V, 24 V ή υψηλότερη. Η τάση που παρέχεται από το τροφοδοτικό πρέπει να είναι υψηλότερη - τουλάχιστον 10% υψηλότερη, η οποία είναι επίσης η ποσότητα τάσης που όλα τα εξαρτήματα (πομπός, δέκτης, καλωδίωση) στον βρόχο «μειώνονται» όταν ρέει ρεύμα. Στη συνέχεια, ο τοπικός ρυθμιστής το κατεβάζει για να τροφοδοτήσει τους αισθητήρες και τις ηλεκτρονικές συσκευές.
Ο πομπός στη μία πλευρά του αισθητήρα μεταδίδει ηλεκτρικά σήματα που αντιπροσωπεύουν τον φυσικό κόσμο: ο αισθητήρας παράγει ακατέργαστα σήματα που σχετίζονται με τη θερμοκρασία, την πίεση, την απόσταση ή άλλες φυσικές μετρήσεις. Εάν πρόκειται για αναλογική τάση, ο μετατροπέας ρεύματος τάσης του πομπού θα τη μετατρέψει σε αναλογικό ρεύμα 4 mA έως 20 mA. Εάν πρόκειται για ψηφιακό αισθητήρα, η έξοδος μετατρέπεται σε αναλογικό ρεύμα μέσω DAC. Ο πομπός έχει τη δική του τροφοδοσία, όπως LDO ή ρυθμιστή τάσης.
Δέκτης στο άκρο ελέγχου: Ο δέκτης διαβάζει το σήμα 4-20 mA και το μετατρέπει σε τάση που το σύστημα ελέγχου μπορεί να μετρήσει, να εμφανίσει ή να εκτελέσει.
Η καλωδίωση βρόχου συνδέει το τροφοδοτικό, τον πομπό και τον δέκτη σε σειρά: ο βρόχος μπορεί να έχει μήκος έως και χιλιάδες πόδια. Σε ένα σύστημα διπλού καλωδίου, τα ίδια δύο καλώδια μεταδίδουν ταυτόχρονα ρεύματα ισχύος και σήματος. Το σύστημα 4 καλωδίων χρησιμοποιεί διαφορετικά ζεύγη καλωδίων για τη μετάδοση ισχύος και σημάτων.
Ακόμη και σε σκληρά βιομηχανικά περιβάλλοντα με θερμοκρασίες που κυμαίνονται από -40 °C έως +105 °C, τα εξαρτήματα του βρόχου ρεύματος πρέπει να είναι ακριβή, ενεργειακά αποδοτικά και αξιόπιστα. Επιπλέον, πρέπει επίσης να υποστηρίζουν τις απαραίτητες λειτουργίες ασφάλειας και επιπέδου συστήματος για να διασφαλίζουν την ασφάλεια και την αξιοπιστία του βρόχου.