Les concepteurs utilisent généralement par défaut des régulateurs de basse tension de sortie (LDO) pour alimenter les systèmes de détection industrielle et d'IoT conçus avec des boucles de courant de 4 à 20 mA.pour les applications axées sur la consommation d'énergie et l'espace limitéLes concepteurs devraient à ce stade envisager de passer à des régulateurs de tension (également appelés convertisseurs buck).spécialement pour les applications nécessitant une efficacité énergétique élevée, des performances de dissipation de chaleur et une durée de vie prolongée de la batterie.
La boucle de courant de 4 à 20 mA est une méthode robuste et fiable pour transmettre les résultats des mesures des capteurs à un contrôleur logique programmable (PLC).et transmettre la sortie de commande du PLC à l'équipement de modulation de processusCe système assure une transmission précise et résistante au bruit des signaux sur de longues distances à l'aide de câbles à paires torsadées, ce qui en fait un choix idéal pour divers environnements industriels.Indépendamment de 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 l'ODL et les régulateurs de commutation dans les boucles courantes peut aider à réaliser des conceptions plus intelligentes et plus durables.
L'ODL a encore sa place dans certaines situations particulières, où elle peut offrir des avantages tels qu'un bruit ultra-faible, une liste de matériaux simplifiée ou une marge minimale de régulation de la tension.Ils ont une efficacité inhérente inférieure car ils dissipent la différence entre les tensions d'entrée et de sortie sous forme de chaleurCes énergies gaspillées peuvent entraîner une augmentation de la charge thermique dans les applications et raccourcir considérablement la durée de vie de la batterie dans les applications portables ou à distance.
Lorsque l'efficacité, les performances de dissipation de chaleur ou le temps de fonctionnement de la batterie sont cruciaux, la réduction de tension synchrone peut être un meilleur choix.La technologie de réduction de tension synchrone moderne peut fournir un rendement de 85% à 95%, réduisant considérablement la production de chaleur et fournissant désormais également un courant statique de faible amplitude de microampères.tandis que les régulateurs de tension peuvent efficacement convertir la tension supplémentaire en courant utilisable, ce qui permet d'atteindre des fonctions plus énergivores sans surchauffe ni gaspillage d'énergie.
Ces caractéristiques font des régulateurs de tension la solution préférée pour toute boucle de 4 à 20 mA (comme les capteurs alimentés par batterie) dont les marges d'entrée dépassent quelques volts, nécessitant une efficacité thermique,ou nécessitant un fonctionnement à long terme à puissance limitée.
Si la tension d'alimentation conçue est d'environ 6 V supérieure à la tension requise par l'émetteur de la boucle de courant,et il y a de l'espace sur la carte de circuit pour accueillir de petits inducteurs et condensateurs de sortie, alors un régulateur buck synchrone efficace est généralement le meilleur choix.et assurer un courant suffisant pour alimenter d'autres fonctions dans la boucle 4-20 mAC'est donc un choix idéal pour les émetteurs modernes qui exigent 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 de chaleur dans les modules industriels à courant élevé et à haute température.Même un circuit de 5 μA buck a un rendement supérieur à LDO, car cette dernière convertit une partie significative de la tension de la batterie en chaleur.
Boucle de conduite
La boucle de courant de 4 à 20 mA est l'un des moyens les plus courants d'envoyer des informations entre les capteurs sur place et les systèmes de contrôle qui utilisent leurs données.et même des instructions pour déplacer les vannesIl 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 signaux de commande à des dispositifs qui déplacent ou régulent des mécanismes tels que des positionneurs de vannes.
Diagramme schématique de la boucle de courant de 4 à 20 mA
Figure 1: Un schéma schématique d'une boucle de courant de 4 à 20 mA illustre comment utiliser le courant au lieu de la tension pour transmettre des signaux analogiques dans l'automatisation industrielle, les systèmes de capteurs,et les applications de contrôle de processus. (Source de l'image: Analog Devices, Inc.)
La boucle de courant se compose de quatre composantes principales:
L'alimentation en courant continu: selon les réglages, elle peut être de 9 V, 12 V, 24 V ou supérieure.qui est aussi la quantité de tension que tous les composants (émetteurLe régulateur local le réduit pour alimenter les capteurs et les appareils électroniques.
L'émetteur d'un côté du capteur transmet des signaux électriques représentant le monde physique: le capteur génère des signaux bruts liés à la température, la pression, la distance,ou autres mesures physiquesS'il s'agit d'une tension analogique, le convertisseur de courant de tension de l'émetteur la convertira en un courant proportionnel de 4 mA à 20 mA.la sortie est convertie en courant analogique par DACL'émetteur dispose de sa propre source d'alimentation, telle qu'une LDO ou un régulateur de tension.
Récepteur à l'extrémité de commande: Le récepteur lit le signal de 4 à 20 mA et le convertit en une tension que le système de commande peut mesurer, afficher ou exécuter.
Le câblage en boucle relie l'alimentation, l'émetteur et le récepteur en série: la boucle peut atteindre des milliers de pieds de long.les deux mêmes fils transmettent simultanément la puissance et le signalLe 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.Ils doivent également prendre en charge les fonctions de sécurité et de système nécessaires pour assurer la sécurité et la fiabilité de la boucle..
Surmonter les limites de l'ODL
Les régulateurs linéaires sont faciles à utiliser et présentent un faible bruit, mais ils peuvent convertir l'excès d'énergie en chaleur, ce qui entraîne des déchets, et ont une limite supérieure inférieure du courant disponible.Comme les concepteurs ajoutent plus de fonctionnalités à l'émetteur, tels que les diagnostics, les interfaces numériques ou l'intelligence locale, la demande d'alimentation électrique augmente également, ce qui peut dépasser la puissance qu'un simple LDO peut fournir.Une meilleure option consiste à utiliser des régulateurs de commutation plus efficaces, comme la série LT8618 d'Analog Devices, Inc.
LT8618 est un convertisseur de buck compact mais puissant conçu pour les environnements difficiles, y compris les applications industrielles, automobiles et autres qui nécessitent une puissance imprévisible.Il est particulièrement adapté pour une utilisation dans des systèmes de boucle de courant de 4 à 20 mA, avec un courant statique ultra-faible, un rendement élevé, une large plage d'entrée (3,4 V à 60 V, fonctionnement continu) et des conditions de tension transitoire jusqu'à 65 V.
La série LT8618 fournit des régulateurs de tension multifonctionnels pour diverses applications d'alimentation industrielle et en boucle.
LT8618EDDB-3.3 # TRPBF (voir schéma schématique à la figure 2) fournit une sortie fixe de 3,3 V,ce qui le rend idéal pour les conceptions nécessitant des tensions stables et bien définies pour gérer les rails de tension imprévisibles courants dans les environnements industriels et de terrainSon courant de sortie maximal est de 100 mA, adapté à l'alimentation de capteurs, émetteurs et autres circuits auxiliaires.contribuant à augmenter l'efficacité du système et la durée de vie de la batterie.