طراحان معمولاً از رگولاتورهای ولتاژ پایین (LDOs) برای تامین انرژی سیستم های سنجش صنعتی و اینترنت اشیا که با حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر طراحی شده اند، استفاده می کنند. با این حال، برای برنامه هایی که بر مصرف انرژی و فضای محدود تمرکز دارند، LDO به طور فزاینده ای غیرعملی می شود. در این مرحله، طراحان باید تغییر به تنظیمکنندههای ولتاژ (همچنین به عنوان مبدلهای باک نیز شناخته میشوند) را در نظر بگیرند، بهویژه برای کاربردهایی که نیاز به راندمان انرژی بالا، عملکرد اتلاف گرما و عمر باتری طولانیتر دارند.
حلقه جریان 4-20 میلی آمپر روشی قوی و قابل اعتماد برای انتقال نتایج اندازه گیری از حسگرها به یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) و انتقال خروجی کنترل PLC به تجهیزات مدولاسیون فرآیند است. این سیستم با استفاده از کابل های جفت تابیده، انتقال دقیق و مقاوم در برابر نویز سیگنال را در فواصل طولانی تضمین می کند و آن را به گزینه ای ایده آل برای محیط های مختلف صنعتی تبدیل می کند. صرف نظر از طول سیم، جریان ثابت باقی می ماند و آن را به یک پیکربندی استاندارد برای کارخانه ها، آزمایشگاه ها و برنامه های نظارت از راه دور تبدیل می کند.
ارزیابی مبادله بین LDO و تنظیم کننده های سوئیچینگ در حلقه های فعلی ممکن است به دستیابی به طرح های هوشمندتر و پایدارتر کمک کند.
LDO هنوز جایگاه خود را در برخی موقعیتهای خاص دارد، جایی که میتواند مزایایی مانند نویز بسیار کم، فهرست مواد ساده شده یا حاشیه تنظیم ولتاژ حداقل را ارائه دهد. با این حال، آنها راندمان ذاتی کمتری دارند زیرا اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی را به عنوان گرما از بین می برند. این انرژی های هدر رفته می تواند منجر به افزایش بار حرارتی در برنامه ها شود و عمر باتری را در برنامه های قابل حمل یا راه دور کاهش دهد.
زمانی که راندمان، عملکرد اتلاف گرما یا زمان کارکرد باتری بسیار مهم است، کاهش ولتاژ سنکرون ممکن است انتخاب بهتری باشد. حتی در شرایط بار میلیآمپر، فناوری مدرن کاهش ولتاژ سنکرون میتواند بازدهی 85% تا 95% را بهطور قابلتوجهی تولید گرما را کاهش دهد و اکنون جریان ساکن با محدوده میکروآمپر کم را نیز ارائه دهد. LDO ولتاژ اضافی را به عنوان گرما از بین می برد، در حالی که تنظیم کننده های ولتاژ می توانند به طور موثر ولتاژ اضافی را به جریان قابل استفاده تبدیل کنند و در نتیجه عملکردهای مصرف انرژی بیشتری را بدون گرم شدن بیش از حد یا هدر دادن انرژی به دست آورند.
این ویژگیها، تنظیمکنندههای ولتاژ را به راهحل ترجیحی برای هر حلقه ۴ تا ۲۰ میلیآمپر (مانند حسگرهای باتریدار) با حاشیههای ورودی بیش از چند ولت، نیاز به راندمان حرارتی یا نیاز به کارکرد طولانیمدت با توان محدود تبدیل میکند.
اگر ولتاژ تغذیه طراحی شده حدود 6 ولت بیشتر از ولتاژ مورد نیاز فرستنده حلقه جریان باشد و فضایی روی برد مدار برای قرار دادن سلف های کوچک و خازن های خروجی وجود داشته باشد، معمولاً یک رگولاتور باک سنکرون کارآمد بهترین انتخاب است. این می تواند به طور موثر ولتاژ را کاهش دهد، اتلاف گرما را به حداقل برساند و جریان کافی برای تامین انرژی سایر عملکردها در حلقه 4-20 میلی آمپر را تضمین کند. بنابراین، این یک انتخاب ایده آل برای فرستنده های مدرن است که هم به قابلیت اطمینان و هم بهره وری انرژی در محیط های صنعتی نیاز دارند.
مزیت اتلاف گرما رگولاتورهای ولتاژ، نیاز به هیت سینک در ماژول های صنعتی با جریان بالا و دمای بالا را تا حد زیادی کاهش می دهد. حتی یک مدار باک 5 µA راندمان بالاتری نسبت به LDO دارد، زیرا دومی بخش قابل توجهی از ولتاژ باتری را به گرما تبدیل میکند.
حلقه درایو
حلقه جریان 4-20 میلی آمپر یکی از رایج ترین راه ها برای ارسال اطلاعات بین سنسورهای موجود در محل و سیستم های کنترلی است که از داده های آنها استفاده می کنند. سیگنال ها می توانند دما، فشار، سرعت جریان و حتی دستورالعمل حرکت شیرها را نشان دهند. برای استفاده در مسافت های طولانی ساده، قابل اعتماد و موثر است.
حلقه جریان (شکل 1) میتواند سیگنالهای اندازهگیری را از ابزارهایی مانند سنسورهای دما یا فشار، یا سیگنالهای کنترلی را به دستگاههایی که مکانیسمهایی مانند موقعیتدهندههای سوپاپ را حرکت میدهند یا تنظیم میکنند، منتقل کند.
نمودار شماتیک حلقه جریان 4-20 میلی آمپر
شکل 1: یک نمودار شماتیک از یک حلقه جریان 4-20 میلی آمپر نحوه استفاده از جریان به جای ولتاژ برای انتقال سیگنال های آنالوگ در اتوماسیون صنعتی، سیستم های حسگر و برنامه های کاربردی کنترل فرآیند را نشان می دهد. (منبع تصویر: Analog Devices, Inc.)
حلقه جاری از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:
منبع تغذیه DC: بسته به تنظیمات، ممکن است 9 ولت، 12 ولت، 24 ولت یا بالاتر باشد. ولتاژ ارائه شده توسط منبع تغذیه باید بیشتر باشد - حداقل 10٪ بیشتر، که همچنین مقدار ولتاژی است که تمام اجزا (فرستنده، گیرنده، سیم کشی) در حلقه "کاهش" می دهند. سپس، تنظیم کننده محلی آن را کاهش می دهد تا حسگرها و دستگاه های الکترونیکی را تغذیه کند.
فرستنده در یک طرف سنسور سیگنال های الکتریکی را ارسال می کند که نشان دهنده دنیای فیزیکی است: سنسور سیگنال های خام مربوط به دما، فشار، فاصله یا سایر اندازه گیری های فیزیکی را تولید می کند. اگر ولتاژ آنالوگ باشد، مبدل جریان ولتاژ فرستنده آن را به جریان متناسب 4 میلی آمپر تا 20 میلی آمپر تبدیل می کند. اگر سنسور دیجیتال باشد، خروجی از طریق DAC به جریان آنالوگ تبدیل می شود. فرستنده منبع تغذیه خود را دارد، مانند LDO یا تنظیم کننده ولتاژ.
گیرنده در انتهای کنترل: گیرنده سیگنال 4-20 میلی آمپر را می خواند و آن را به ولتاژی تبدیل می کند که سیستم کنترل می تواند اندازه گیری، نمایش یا اجرا کند.
سیم کشی حلقه منبع تغذیه، فرستنده و گیرنده را به صورت سری به هم متصل می کند: طول حلقه می تواند تا هزاران فوت باشد. در یک سیستم دو سیم، همان دو سیم به طور همزمان جریان برق و سیگنال را منتقل می کنند. سیستم 4 سیم از جفت سیم های مختلف برای انتقال قدرت و سیگنال استفاده می کند.
حتی در محیطهای صنعتی خشن با دمایی از -40 درجه سانتیگراد تا +105 درجه سانتیگراد، اجزای حلقه فعلی باید دقیق، کم مصرف و قابل اعتماد باشند. علاوه بر این، آنها همچنین باید از ایمنی لازم و عملکردهای سطح سیستم برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان حلقه پشتیبانی کنند.