Ontwerpers maken doorgaans standaard gebruik van spanningsregelaars met lage uitval (LDO's) voor het voeden van industriële detectie- en IoT-systemen die zijn ontworpen met stroomlussen van 4-20 mA. Voor toepassingen die zich richten op stroomverbruik en beperkte ruimte wordt LDO echter steeds onpraktischer. Op dit punt zouden ontwerpers moeten overwegen om over te stappen op spanningsregelaars (ook wel buck-converters genoemd), vooral voor toepassingen die een hoge energie-efficiëntie, warmteafvoerprestaties en een langere levensduur van de batterij vereisen.
De 4-20 mA stroomlus is een robuuste en betrouwbare methode voor het verzenden van meetresultaten van sensoren naar een programmeerbare logische controller (PLC) en het verzenden van de besturingsuitgang van de PLC naar procesmodulatieapparatuur. Dit systeem zorgt voor nauwkeurige en ruisbestendige signaaloverdracht over lange afstanden met behulp van twisted pair-kabels, waardoor het een ideale keuze is voor diverse industriële omgevingen. Ongeacht de lengte van de draad blijft de stroom consistent, waardoor het een standaardconfiguratie is voor fabrieken, laboratoria en toepassingen voor bewaking op afstand.
Het evalueren van de afweging tussen LDO en schakelende toezichthouders in huidige lussen kan helpen slimmere en duurzamere ontwerpen te realiseren.
LDO heeft nog steeds zijn plaats in een aantal speciale situaties, waar het voordelen kan bieden zoals ultralaag geluidsniveau, een vereenvoudigde materiaallijst of een minimale marge voor spanningsregeling. Ze hebben echter een lager inherent rendement omdat ze het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanningen als warmte afvoeren. Deze verspilde energie kan leiden tot een toename van de thermische belasting in toepassingen en de levensduur van de batterij in draagbare of externe toepassingen aanzienlijk verkorten.
Wanneer efficiëntie, warmteafvoerprestaties of batterijduur van cruciaal belang zijn, kan synchrone spanningsreductie een betere keuze zijn. Zelfs onder belastingsomstandigheden van milliampère kan de moderne synchrone spanningsreductietechnologie een efficiëntie van 85% tot 95% bieden, waardoor de warmteontwikkeling aanzienlijk wordt verminderd en nu ook statische stroom met een laag microampèrebereik wordt geleverd. LDO zal overtollige spanning afvoeren als warmte, terwijl spanningsregelaars de extra spanning effectief kunnen omzetten in bruikbare stroom, waardoor meer energie verbruikende functies worden bereikt zonder oververhitting of energieverspilling.
Deze kenmerken maken spanningsregelaars tot de voorkeursoplossing voor elke 4-20 mA-lus (zoals sensoren op batterijen) met ingangsmarges van meer dan een paar volt, waarvoor thermische efficiëntie vereist is, of die langdurig gebruik bij een beperkt vermogen vereisen.
Als de ontworpen voedingsspanning ongeveer 6 V hoger is dan de spanning die nodig is voor de stroomluszender, en er ruimte op de printplaat is voor kleine inductoren en uitgangscondensatoren, dan is een efficiënte synchrone buck-regelaar meestal de beste keuze. Het kan de spanning effectief verlagen, warmteverspilling minimaliseren en zorgen voor voldoende stroom om andere functies in de 4-20 mA-lus van stroom te voorzien. Daarom is het een ideale keuze voor moderne zenders die zowel betrouwbaarheid als energie-efficiëntie vereisen in industriële omgevingen.
Het warmtedissipatievoordeel van spanningsregelaars vermindert de vereisten voor koellichamen in industriële modules met hoge stroomsterkte en hoge temperatuur aanzienlijk. Zelfs een circuit van 5 µA heeft een hoger rendement dan LDO, omdat laatstgenoemde een aanzienlijk deel van de batterijspanning in warmte omzet.
Aandrijflus
De stroomlus van 4-20 mA is een van de meest gebruikelijke manieren om informatie te verzenden tussen sensoren op locatie en besturingssystemen die hun gegevens gebruiken. Signalen kunnen temperatuur, druk, debiet en zelfs instructies om kleppen te verplaatsen vertegenwoordigen. Het is eenvoudig, betrouwbaar en effectief voor gebruik over lange afstanden.
De stroomlus (Figuur 1) kan meetsignalen van instrumenten zoals temperatuur- of druksensoren, of besturingssignalen verzenden naar apparaten die mechanismen zoals klepstandstellers bewegen of regelen.
Schematisch diagram van 4-20 mA stroomlus
Figuur 1: Een schematisch diagram van een stroomlus van 4-20 mA illustreert hoe stroom in plaats van spanning kan worden gebruikt om analoge signalen te verzenden in industriële automatisering, sensorsystemen en procesbesturingstoepassingen. (Afbeeldingsbron: Analog Devices, Inc.)
De huidige lus bestaat uit vier hoofdcomponenten:
DC-voeding: Afhankelijk van de instellingen kan deze 9 V, 12 V, 24 V of hoger zijn. De door de voeding geleverde spanning moet hoger zijn - minimaal 10% hoger, wat ook de hoeveelheid spanning is die alle componenten (zender, ontvanger, bedrading) in de lus "afnemen" als er stroom vloeit. Vervolgens verlaagt de lokale toezichthouder het om de sensoren en elektronische apparaten van stroom te voorzien.
De zender aan de ene kant van de sensor zendt elektrische signalen uit die de fysieke wereld vertegenwoordigen: de sensor genereert ruwe signalen die verband houden met temperatuur, druk, afstand of andere fysieke metingen. Als het een analoge spanning betreft, zal de spanningsstroomomvormer van de zender deze omzetten in een proportionele stroom van 4 mA tot 20 mA. Als het een digitale sensor is, wordt de uitvoer via DAC omgezet in analoge stroom. De zender beschikt over een eigen voeding, zoals LDO of spanningsregelaar.
Ontvanger aan de besturingskant: De ontvanger leest het 4-20 mA-signaal en zet dit om in een spanning die het besturingssysteem kan meten, weergeven of uitvoeren.
Lusbedrading verbindt de voeding, zender en ontvanger in serie: de lus kan wel duizenden meters lang zijn. In een dubbeldraadssysteem zenden dezelfde twee draden tegelijkertijd stroom en signaalstromen uit. Het 4-draads systeem maakt gebruik van verschillende draadparen om stroom en signalen over te brengen.
Zelfs in zware industriële omgevingen met temperaturen variërend van -40 ° C tot +105 ° C moeten de componenten van de stroomlus nauwkeurig, energiezuinig en betrouwbaar zijn. Bovendien moeten ze ook de noodzakelijke veiligheids- en systeemniveaufuncties ondersteunen om de veiligheid en betrouwbaarheid van de lus te garanderen.