طراحان به طور معمول از تنظیم کننده های ولتاژ پایین (LDO) برای تغذیه سیستم های سنجش صنعتی و IoT طراحی شده با حلقه های جریان 4-20 mA استفاده می کنند.برای کاربردهایی که بر مصرف برق و فضای محدود تمرکز دارند، LDO به طور فزاینده ای غیر عملی می شود. در این مرحله طراحان باید به تنظیم کننده ولتاژ (همچنین به عنوان تبدیل کننده های بک شناخته می شود) تغییر دهند.به ویژه برای کاربردهایی که نیاز به بهره وری انرژی بالا دارند، عملکرد تبعید گرما، و طول عمر باتری.
حلقه جریان 4-20 mA یک روش قوی و قابل اعتماد برای انتقال نتایج اندازه گیری از سنسورها به یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) است.و انتقال خروجی کنترل PLC به تجهیزات مدولاسیون پردازشاین سیستم انتقال دقیق و مقاوم به سر و صدا سیگنال را با استفاده از کابل های جفت پیچیده تضمین می کند، و آن را به یک انتخاب ایده آل برای محیط های صنعتی مختلف تبدیل می کند.صرف نظر از طول سيم، جریان ثابت باقی می ماند، که آن را به یک پیکربندی استاندارد برای کارخانه ها، آزمایشگاه ها و برنامه های نظارت از راه دور تبدیل می کند.
ارزیابی تعادل بین LDO و تنظیم کننده های تغییر در حلقه های فعلی می تواند به دستیابی به طرح های هوشمندانه تر و پایدارتر کمک کند.
LDO هنوز هم در برخی از موقعیت های خاص جای خود را دارد، جایی که می تواند مزایای مانند سر و صدا بسیار کم، لیست مواد ساده یا حاشیه تنظیم ولتاژ حداقل را ارائه دهد.آنها بهره وری ذاتی کمتری دارند زیرا تفاوت بین ولتاژ ورودی و خروجی را به عنوان گرما از بین می برند.این انرژی هدر رفته می تواند منجر به افزایش بار حرارتی در برنامه ها و کاهش عمر باتری در برنامه های قابل حمل یا از راه دور شود.
هنگامی که بهره وری، عملکرد تبعید گرما یا زمان کار باتری بسیار مهم است، کاهش ولتاژ همزمان ممکن است انتخاب بهتری باشد. حتی در شرایط بار میلی آمپر،تکنولوژی مدرن کاهش ولتاژ همزمان می تواند بهره وری 85 تا 95 درصد را فراهم کند.، تولید گرما را به طور قابل توجهی کاهش می دهد و اکنون همچنین جریان ایستا در محدوده کم میکرو آمپر را فراهم می کند.در حالی که تنظیم کننده ولتاژ می تواند به طور موثر ولتاژ اضافی را به جریان قابل استفاده تبدیل کند، به این ترتیب دستیابی به عملکردهای مصرف کننده انرژی بیشتر بدون گرم شدن بیش از حد یا هدر دادن انرژی.
این ویژگی ها باعث می شود تنظیم کننده های ولتاژ برای هر حلقه 4-20 mA (مانند سنسورهای باتری) با حاشیه ورودی بیش از چند ولت باشند که نیاز به بهره وری حرارتی دارند.یا نیاز به کار طولانی مدت با قدرت محدود.
اگر ولتاژ تغذیه طراحی شده حدود 6 ولت بالاتر از ولتاژ مورد نیاز فرستنده حلقه جریان باشد،و وجود دارد فضای در صفحه مدار برای جای دادن induktor کوچک و خروجی خازن، پس از آن یک تنظیم کننده بخار همزمان کارآمد معمولا بهترین انتخاب است. آن را به طور موثر می تواند ولتاژ را کاهش دهد، به حداقل رساندن اتلاف گرما،و اطمینان از جریان کافی برای تغذیه از سایر توابع در حلقه 4-20 mAبنابراین، این یک انتخاب ایده آل برای فرستنده های مدرن است که نیاز به قابلیت اطمینان و بهره وری انرژی در محیط های صنعتی دارند.
مزیت تبعید گرما تنظیم کننده ولتاژ نیاز به بخاری های گرما در ماژول های صنعتی با جریان بالا و درجه حرارت بالا را به شدت کاهش می دهد.حتی یک مدار 5μA باک دارای بهره وری بالاتر از LDO است، زیرا این آخرین بخش قابل توجهی از ولتاژ باتری را به گرما تبدیل می کند.
حلقه راننده
حلقه جریان 4-20 mA یکی از رایج ترین راه های ارسال اطلاعات بین سنسورهای محل و سیستم های کنترل است که از داده های آنها استفاده می کنند. سیگنال ها می توانند دمای، فشار، سرعت جریان،و حتی دستورالعمل هایی برای حرکت دریچه هابرای استفاده از فاصله های طولانی ساده، قابل اعتماد و موثر است.
حلقه جریان (شکل 1) می تواند سیگنال های اندازه گیری را از ابزارهای مانند سنسورهای دمای یا فشار منتقل کند.یا سیگنال های کنترل به دستگاه هایی که مکانیسم هایی مانند موقعیت دهنده های شیر را حرکت می دهند یا تنظیم می کنند.
نمودار طرحی از حلقه جریان 4-20 mA
شکل 1: یک نمودار طرحی از یک حلقه جریان 4-20 mA نشان می دهد که چگونه از جریان به جای ولتاژ برای انتقال سیگنال های آنالوگ در اتوماسیون صنعتی، سیستم های سنسور،و برنامه های کنترل فرآیند. (منبع تصویر: دستگاه های آنالوگ، Inc.)
حلقه فعلی شامل چهار جزء اصلی است:
منبع برق DC: بسته به تنظیمات، می تواند 9 ولت، 12 ولت، 24 ولت یا بالاتر باشد. ولتاژ ارائه شده توسط منبع برق باید بالاتر باشد - حداقل 10٪ بالاتر،که همچنین مقدار ولتاژ است که تمام اجزای (رسانه)، گیرنده، سیم کشی) در حلقه "کم می شود" زمانی که جریان جریان دارد. سپس، تنظیم کننده محلی آن را برای تغذیه سنسورها و دستگاه های الکترونیکی کاهش می دهد.
فرستنده در یک طرف حسگر سیگنال های الکتریکی را که جهان فیزیکی را نشان می دهد، انتقال می دهد: حسگر سیگنال های خام مربوط به دمای، فشار، فاصله،یا سایر اندازه گیری های فیزیکی. اگر آن یک ولتاژ آنالوگ باشد، تبدیل کننده ولتاژ جریان فرستنده آن را به یک جریان متناسب از 4 mA به 20 mA تبدیل می کند.خروجی به جریان آنالوگ از طریق DAC تبدیل می شودفرستنده دارای منبع برق خود مانند LDO یا تنظیم کننده ولتاژ است.
گیرنده در انتهای کنترل: گیرنده سیگنال 4-20 mA را می خواند و آن را به ولتاژ تبدیل می کند که سیستم کنترل می تواند اندازه گیری، نمایش یا اجرا کند.
سیم کشی حلقه ای منبع برق، فرستنده و گیرنده را به صورت سریال متصل می کند: حلقه می تواند تا هزاران فوت طول داشته باشد.همان دو سیم همزمان جریان قدرت و سیگنال را انتقال می دهند.سیستم 4 سیم از جفت سیم های مختلف برای انتقال قدرت و سیگنال استفاده می کند.
حتی در محیط های سخت صنعتی با دمای بین -40 درجه سانتیگراد تا +105 درجه سانتیگراد، اجزای حلقه جریان باید دقیق، انرژی کارآمد و قابل اعتماد باشند.همچنین باید از عملکردهای ایمنی و سیستم لازم برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان حلقه پشتیبانی کنند..
غلبه بر محدودیت های LDO
تنظیم کننده های خطی آسان برای استفاده و دارای سر و صدای کم هستند، اما می توانند انرژی اضافی را به گرما تبدیل کنند، که منجر به زباله می شود و دارای محدوده بالایی پایین تر از جریان موجود هستند.همانطور که طراحان ویژگی های بیشتری را به فرستنده اضافه می کنند، مانند تشخیص، رابط های دیجیتال، یا اطلاعات محلی، تقاضا برای منبع برق نیز افزایش می یابد، که ممکن است از قدرت که یک LDO ساده می تواند ارائه دهد، فراتر رود.یک گزینه بهتر استفاده از تنظیم کننده های سوئیچینگ کارآمدتر است، مانند سری LT8618 از Analog Devices، Inc.
LT8618 یک کنورتر بسته اما قدرتمند است که برای محیط های سخت طراحی شده است، از جمله کاربردهای صنعتی، خودرو و سایر کاربردهایی که نیاز به قدرت غیر قابل پیش بینی دارند.آن را به خصوص مناسب برای استفاده در 4-20 mA سیستم های حلقه جریان، با جریان ایستاتیک بسیار کم، کارایی بالا، محدوده ورودی گسترده (3.4 V تا 60 V، کار مداوم) و شرایط ولتاژ گذرا تا 65 V.
سری LT8618 تنظیم کننده های ولتاژ چند منظوره را برای کاربردهای مختلف صنعتی و حلقه ای تامین برق فراهم می کند. به عنوان مثال:
LT8618EDDB-3.3 # TRPBF (به نمودار 2 مراجعه کنید) یک خروجی ثابت 3.3V را فراهم می کند.که آن را برای طرح هایی که نیاز به ولتاژ پایدار و به خوبی تعریف شده برای مدیریت ریل ولتاژ غیر قابل پیش بینی در محیط های صنعتی و زمینه ای ایده آل می کند. حداکثر جریان خروجی آن 100 mA است ، مناسب برای تغذیه سنسورها ، فرستنده ها و سایر مدارهای کمکی است. جریان بسیار پایین ایستا باعث به حداقل رساندن از دست دادن قدرت در دوره های فعالیت کم می شود ،کمک به افزایش بهره وری سیستم و عمر باتری.