Les concepteurs utilisent généralement par défaut des régulateurs de tension à faible chute (LDO) pour alimenter les systèmes de détection industrielle et IoT conçus avec des boucles de courant de 4 à 20 mA. Cependant, pour les applications axées sur la consommation d'énergie et l'espace limité, le LDO devient de plus en plus peu pratique. À ce stade, les concepteurs devraient envisager de passer aux régulateurs de tension (également appelés convertisseurs abaisseurs), en particulier pour les applications nécessitant une efficacité énergétique élevée, des performances de dissipation thermique et une durée de vie prolongée de la batterie.
La boucle de courant 4-20 mA est une méthode robuste et fiable pour transmettre les résultats de mesure des capteurs à un automate programmable (PLC) et transmettre la sortie de contrôle de l'API à l'équipement de modulation de processus. Ce système assure une transmission de signal longue distance précise et résistante au bruit à l'aide de câbles à paires torsadées, ce qui en fait un choix idéal pour divers environnements industriels. Quelle que soit la longueur du fil, le courant reste constant, ce qui en fait une configuration standard pour les usines, les laboratoires et les applications de surveillance à distance.
L'évaluation du compromis entre le LDO et les régulateurs à découpage dans les boucles de courant peut aider à réaliser des conceptions plus intelligentes et plus durables.
Le LDO a toujours sa place dans certaines situations particulières, où il peut offrir des avantages tels qu'un bruit ultra-faible, une liste de matériaux simplifiée ou une marge de régulation de tension minimale. Cependant, leur efficacité inhérente est inférieure car ils dissipent la différence entre les tensions d’entrée et de sortie sous forme de chaleur. Ces énergies gaspillées peuvent entraîner une augmentation de la charge thermique dans les applications et réduire considérablement la durée de vie des batteries dans les applications portables ou distantes.
Lorsque l’efficacité, les performances de dissipation thermique ou la durée de fonctionnement de la batterie sont cruciales, une réduction de tension synchrone peut s’avérer un meilleur choix. Même dans des conditions de charge de l'ordre du milliampère, la technologie moderne de réduction de tension synchrone peut fournir un rendement de 85 % à 95 %, réduisant considérablement la génération de chaleur, et fournissant désormais également un courant statique de faible plage du microampère. Le LDO dissipera l'excès de tension sous forme de chaleur, tandis que les régulateurs de tension peuvent convertir efficacement la tension supplémentaire en courant utilisable, réalisant ainsi davantage de fonctions consommatrices d'énergie sans surchauffe ni gaspillage d'énergie.
Ces caractéristiques font des régulateurs de tension la solution privilégiée pour toute boucle de 4 à 20 mA (telle que les capteurs alimentés par batterie) avec des marges d'entrée dépassant quelques volts, nécessitant une efficacité thermique ou nécessitant un fonctionnement à long terme avec une puissance limitée.
Si la tension d'alimentation conçue est d'environ 6 V supérieure à la tension requise par l'émetteur de boucle de courant et qu'il y a de l'espace sur le circuit imprimé pour accueillir de petites inductances et des condensateurs de sortie, alors un régulateur abaisseur synchrone efficace est généralement le meilleur choix. Il peut réduire efficacement la tension, minimiser les pertes de chaleur et garantir un courant suffisant pour alimenter d'autres fonctions dans la boucle 4-20 mA. C'est donc un choix idéal pour les transmetteurs modernes qui nécessitent à la fois fiabilité et efficacité énergétique dans les environnements industriels.
L'avantage de dissipation thermique des régulateurs de tension réduit considérablement les exigences en matière de dissipateurs thermiques dans les modules industriels à courant élevé et à haute température. Même un circuit abaisseur de 5 µA a un rendement supérieur à celui du LDO, car ce dernier convertit une partie importante de la tension de la batterie en chaleur.
Boucle de conduite
La boucle de courant 4-20 mA est l'un des moyens les plus courants d'envoyer des informations entre les capteurs sur site et les systèmes de contrôle qui utilisent leurs données. Les signaux peuvent représenter la température, la pression, le débit et même des instructions pour déplacer les vannes. Il est simple, fiable et efficace pour une utilisation longue distance.
La boucle de courant (Figure 1) peut transmettre des signaux de mesure provenant d'instruments tels que des capteurs de température ou de pression, ou des signaux de commande vers des dispositifs qui déplacent ou régulent des mécanismes tels que des positionneurs de vannes.
Diagramme schématique de la boucle de courant 4-20 mA
Figure 1 : Un diagramme schématique d'une boucle de courant 4-20 mA illustre comment utiliser le courant au lieu de la tension pour transmettre des signaux analogiques dans les applications d'automatisation industrielle, de systèmes de capteurs et de contrôle de processus. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)
La boucle de courant se compose de quatre éléments principaux :
Alimentation CC : Selon les paramètres, elle peut être de 9 V, 12 V, 24 V ou plus. La tension fournie par l'alimentation doit être plus élevée - au moins 10 % plus élevée, ce qui correspond également à la quantité de tension que tous les composants (émetteur, récepteur, câblage) de la boucle "diminuent" lorsque le courant circule. Ensuite, le régulateur local le réduit pour alimenter les capteurs et les appareils électroniques.
L'émetteur situé sur un côté du capteur transmet des signaux électriques représentant le monde physique : le capteur génère des signaux bruts liés à la température, à la pression, à la distance ou à d'autres mesures physiques. S'il s'agit d'une tension analogique, le convertisseur tension courant de l'émetteur la convertira en un courant proportionnel de 4 mA à 20 mA. S'il s'agit d'un capteur numérique, la sortie est convertie en courant analogique via DAC. L'émetteur dispose de sa propre alimentation, telle qu'un LDO ou un régulateur de tension.
Récepteur côté contrôle : le récepteur lit le signal 4-20 mA et le convertit en une tension que le système de contrôle peut mesurer, afficher ou exécuter.
Le câblage en boucle connecte l’alimentation, l’émetteur et le récepteur en série : la boucle peut mesurer jusqu’à des milliers de pieds de long. Dans un système à deux fils, les deux mêmes fils transmettent simultanément la puissance et les courants de signal. Le système à 4 fils utilise différentes paires de fils pour transmettre la puissance et les signaux.
Même dans des environnements industriels difficiles avec des températures allant de -40°C à +105°C, les composants de la boucle de courant doivent être précis, économes en énergie et fiables. En outre, ils doivent également prendre en charge les fonctions de sécurité et au niveau du système nécessaires pour garantir la sécurité et la fiabilité de la boucle.