I progettisti di solito utilizzano per impostazione predefinita regolatori di bassa tensione di abbandono (LDO) per alimentare sistemi di rilevamento industriale e IoT progettati con circuiti di corrente da 4 a 20 mA.per applicazioni che si concentrano sul consumo di energia e sullo spazio limitato, LDO sta diventando sempre più impraticabile. A questo punto i progettisti dovrebbero prendere in considerazione il passaggio a regolatori di tensione (noto anche come convertitori buck),specialmente per applicazioni che richiedono un'elevata efficienza energetica, prestazioni di dissipazione del calore e durata della batteria prolungata.
Il circuito di corrente da 4 a 20 mA è un metodo robusto e affidabile per trasmettere i risultati delle misurazioni dai sensori a un controller logico programmabile (PLC),e trasmettere l'uscita di controllo del PLC alle apparecchiature di modulazione del processoQuesto sistema garantisce una trasmissione di segnali a lunga distanza precisa e resistente al rumore utilizzando cavi a coppia tortuosa, rendendolo una scelta ideale per vari ambienti industriali.Indipendentemente dalla lunghezza del filo, la corrente rimane costante, rendendola una configurazione standard per fabbriche, laboratori e applicazioni di monitoraggio remoto.
La valutazione del compromesso tra LDO e i regolatori di commutazione nei circuiti correnti può contribuire a realizzare progetti più intelligenti e sostenibili.
La LDO ha ancora un suo posto in alcune situazioni particolari, dove può fornire vantaggi quali il rumore ultra basso, l'elenco dei materiali semplificato o il margine minimo di regolazione della tensione.hanno una minore efficienza intrinseca perché dissipano la differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita come caloreQueste energie sprecate possono portare ad un aumento del carico termico nelle applicazioni e ridurre notevolmente la durata della batteria nelle applicazioni portatili o remote.
Quando l'efficienza, le prestazioni di dissipazione del calore o il tempo di funzionamento della batteria sono cruciali, la riduzione sincrona della tensione può essere una scelta migliore.La tecnologia moderna di riduzione della tensione sincrona può fornire un'efficienza dell'85% al 95%, riducendo significativamente la generazione di calore, e ora fornisce anche corrente statica a basso livello di microampere.mentre i regolatori di tensione possono efficacemente convertire la tensione in corrente utilizzabile, ottenendo così funzioni che consumano più energia senza surriscaldamento o spreco di energia.
Queste caratteristiche rendono i regolatori di tensione la soluzione preferita per qualsiasi circuito da 4 a 20 mA (come i sensori a batteria) con margini di ingresso superiori a pochi volt, che richiedono un'efficienza termica,o che richiedono un funzionamento a lungo termine a potenza limitata.
Se la tensione di alimentazione progettata è superiore di circa 6 V alla tensione richiesta dal trasmettitore a circuito corrente,e c'è spazio sulla scheda per ospitare piccoli induttori e condensatori di uscita, allora un regolatore di buck sincrono efficiente è di solito la scelta migliore.e assicurare una corrente sufficiente per alimentare altre funzioni nel circuito da 4 a 20 mAPertanto, è una scelta ideale per i trasmettitori moderni che richiedono sia affidabilità che efficienza energetica in ambienti industriali.
Il vantaggio di dissipazione del calore dei regolatori di tensione riduce notevolmente i requisiti per i dissipatori di calore nei moduli industriali ad alta corrente e ad alta temperatura.Anche un circuito di 5 μA buck ha un'efficienza superiore a LDO, in quanto quest'ultima converte una parte significativa della tensione della batteria in calore.
Ciclo di trasmissione
Il circuito di corrente da 4 a 20 mA è uno dei modi più comuni per inviare informazioni tra i sensori in loco e i sistemi di controllo che utilizzano i loro dati.e anche istruzioni per spostare le valvoleÈ semplice, affidabile ed efficace per l'uso a lunga distanza.
Il circuito di corrente (figura 1) può trasmettere segnali di misura da strumenti quali sensori di temperatura o di pressione,o segnali di controllo a dispositivi che muovono o regolano meccanismi quali i posizionatori di valvole.
Schema di circuito di corrente da 4 a 20 mA
Figura 1: Schema di un circuito di corrente da 4 a 20 mA che illustra come utilizzare la corrente al posto della tensione per trasmettere segnali analogici in automazione industriale, sistemi di sensori,e applicazioni di controllo dei processi. (Fonte immagine: Analog Devices, Inc.)
Il circuito di corrente è costituito da quattro componenti principali:
Fornitura di corrente continua: a seconda delle impostazioni, può essere di 9 V, 12 V, 24 V o superiore.che è anche la quantità di tensione che tutti i componenti (trasmettitore, ricevitore, cablaggio) nel circuito "diminuisce" quando la corrente scorre.
Il trasmettitore su un lato del sensore trasmette segnali elettrici che rappresentano il mondo fisico: il sensore genera segnali grezzi relativi a temperatura, pressione, distanza,o altre misurazioni fisicheSe si tratta di una tensione analogica, il convertitore di corrente di tensione del trasmettitore la converte in una corrente proporzionale di 4 mA a 20 mA. Se si tratta di un sensore digitale,l'uscita viene convertita in corrente analogica tramite DACIl trasmettitore ha una propria fonte di alimentazione, come LDO o regolatore di tensione.
Ricevitore all'estremità di controllo: il ricevitore legge il segnale da 4 a 20 mA e lo converte in una tensione che il sistema di controllo può misurare, visualizzare o eseguire.
Il cablaggio a ciclo collega l'alimentazione, il trasmettitore e il ricevitore in serie: il ciclo può essere lungo fino a migliaia di piedi.gli stessi due fili trasmettono simultaneamente corrente di potenza e di segnaleIl sistema a 4 fili utilizza diverse coppie di fili per trasmettere potenza e segnali.
Anche in ambienti industriali difficili con temperature comprese tra -40 °C e +105 °C, i componenti del circuito di corrente devono essere precisi, efficienti dal punto di vista energetico e affidabili.devono inoltre supportare le funzioni di sicurezza e di sistema necessarie per garantire la sicurezza e l'affidabilità del circuito.