Entwickler verwenden in der Regel standardmäßig Low-Dropout-Spannungsregler (LDOs), um industrielle Sensor- und IoT-Systeme mit 4-20-mA-Stromschleifen zu versorgen. Für Anwendungen, bei denen der Stromverbrauch und der begrenzte Platz im Vordergrund stehen, wird LDO jedoch immer unpraktischer. An diesem Punkt sollten Entwickler den Wechsel zu Spannungsreglern (auch Abwärtswandler genannt) in Betracht ziehen, insbesondere für Anwendungen, die eine hohe Energieeffizienz, Wärmeableitungsleistung und eine längere Batterielebensdauer erfordern.
Die 4-20-mA-Stromschleife ist eine robuste und zuverlässige Methode zur Übertragung von Messergebnissen von Sensoren an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und zur Übertragung der Steuerausgabe der SPS an Prozessmodulationsgeräte. Dieses System gewährleistet eine präzise und rauschresistente Signalübertragung über große Entfernungen mithilfe von Twisted-Pair-Kabeln und ist somit die ideale Wahl für verschiedene Industrieumgebungen. Unabhängig von der Länge des Kabels bleibt der Strom konstant, was es zu einer Standardkonfiguration für Fabriken, Labore und Fernüberwachungsanwendungen macht.
Die Bewertung des Kompromisses zwischen LDO und Schaltreglern in Stromschleifen kann dazu beitragen, intelligentere und nachhaltigere Designs zu erreichen.
LDO hat in einigen besonderen Situationen immer noch seinen Platz, wo es Vorteile wie extrem geringes Rauschen, eine vereinfachte Materialliste oder einen minimalen Spielraum für die Spannungsregulierung bieten kann. Sie haben jedoch einen geringeren Eigenwirkungsgrad, da sie die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung als Wärme abführen. Diese verschwendete Energie kann zu einer Erhöhung der thermischen Belastung in Anwendungen führen und die Batterielebensdauer in tragbaren oder Remote-Anwendungen erheblich verkürzen.
Wenn Effizienz, Wärmeableitungsleistung oder Batterielaufzeit entscheidend sind, kann eine synchrone Spannungsreduzierung die bessere Wahl sein. Selbst unter Lastbedingungen im Milliampere-Bereich kann die moderne synchrone Spannungsreduzierungstechnologie einen Wirkungsgrad von 85 % bis 95 % erreichen, wodurch die Wärmeentwicklung erheblich reduziert wird und jetzt auch ein statischer Strom im niedrigen Mikroampere-Bereich bereitgestellt wird. LDO leitet überschüssige Spannung als Wärme ab, während Spannungsregler die zusätzliche Spannung effektiv in nutzbaren Strom umwandeln können, wodurch stromintensivere Funktionen ohne Überhitzung oder Energieverschwendung erreicht werden.
Diese Eigenschaften machen Spannungsregler zur bevorzugten Lösung für jede 4-20-mA-Schleife (z. B. batteriebetriebene Sensoren) mit Eingangsspannen von mehr als einigen Volt, die thermische Effizienz erfordern oder einen Langzeitbetrieb bei begrenzter Leistung erfordern.
Wenn die vorgesehene Versorgungsspannung etwa 6 V höher ist als die vom Stromschleifensender benötigte Spannung und auf der Platine Platz für kleine Induktivitäten und Ausgangskondensatoren vorhanden ist, ist ein effizienter synchroner Abwärtsregler normalerweise die beste Wahl. Es kann die Spannung effektiv reduzieren, Wärmeverluste minimieren und ausreichend Strom für die Stromversorgung anderer Funktionen in der 4-20-mA-Schleife sicherstellen. Daher ist es eine ideale Wahl für moderne Sender, die in industriellen Umgebungen sowohl Zuverlässigkeit als auch Energieeffizienz erfordern.
Der Wärmeableitungsvorteil von Spannungsreglern reduziert den Bedarf an Kühlkörpern in Hochstrom- und Hochtemperatur-Industriemodulen erheblich. Sogar eine 5-µA-Abwärtsschaltung hat einen höheren Wirkungsgrad als LDO, da letzterer einen erheblichen Teil der Batteriespannung in Wärme umwandelt.
Antriebsschleife
Die 4-20-mA-Stromschleife ist eine der gebräuchlichsten Methoden zum Senden von Informationen zwischen Sensoren vor Ort und Steuerungssystemen, die ihre Daten verwenden. Signale können Temperatur, Druck, Durchflussmenge und sogar Anweisungen zum Bewegen von Ventilen darstellen. Es ist einfach, zuverlässig und effektiv für den Einsatz über große Entfernungen.
Die Stromschleife (Abbildung 1) kann Messsignale von Instrumenten wie Temperatur- oder Drucksensoren oder Steuersignale an Geräte übertragen, die Mechanismen wie Ventilstellungsregler bewegen oder regulieren.
Schematische Darstellung einer 4-20-mA-Stromschleife
Abbildung 1: Ein schematisches Diagramm einer 4-20-mA-Stromschleife veranschaulicht, wie Strom anstelle von Spannung zur Übertragung analoger Signale in der industriellen Automatisierung, in Sensorsystemen und in Prozesssteuerungsanwendungen verwendet werden kann. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)
Die Stromschleife besteht aus vier Hauptkomponenten:
Gleichstromversorgung: Je nach Einstellung kann es 9 V, 12 V, 24 V oder höher sein. Die vom Netzteil bereitgestellte Spannung muss höher sein – mindestens 10 % höher, was auch der Spannungsbetrag ist, den alle Komponenten (Sender, Empfänger, Verkabelung) in der Schleife „abnehmen“, wenn Strom fließt. Dann reduziert die örtliche Regulierungsbehörde den Strom, um die Sensoren und elektronischen Geräte mit Strom zu versorgen.
Der Sender auf einer Seite des Sensors überträgt elektrische Signale, die die physikalische Welt darstellen: Der Sensor erzeugt Rohsignale in Bezug auf Temperatur, Druck, Entfernung oder andere physikalische Messungen. Handelt es sich um eine analoge Spannung, wandelt der Spannungs-Stromwandler des Senders diese in einen proportionalen Strom von 4 mA bis 20 mA um. Wenn es sich um einen digitalen Sensor handelt, wird der Ausgang über einen DAC in analogen Strom umgewandelt. Der Sender verfügt über eine eigene Stromversorgung, z. B. LDO oder Spannungsregler.
Empfänger auf der Steuerungsseite: Der Empfänger liest das 4-20-mA-Signal und wandelt es in eine Spannung um, die das Steuerungssystem messen, anzeigen oder ausführen kann.
Die Schleifenverkabelung verbindet die Stromversorgung, den Sender und den Empfänger in Reihe: Die Schleife kann bis zu mehreren Tausend Fuß lang sein. In einem Zweidrahtsystem übertragen dieselben zwei Drähte gleichzeitig Strom und Signalströme. Das 4-Leiter-System nutzt unterschiedliche Adernpaare zur Übertragung von Strom und Signalen.
Auch in rauen Industrieumgebungen mit Temperaturen von -40 °C bis +105 °C müssen die Komponenten der Stromschleife präzise, energieeffizient und zuverlässig sein. Darüber hinaus müssen sie auch die notwendigen Sicherheits- und Systemebenenfunktionen unterstützen, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Regelkreises zu gewährleisten.