Các nhà thiết kế thường mặc định sử dụng bộ điều chỉnh điện áp sụt áp thấp (LDO) để cấp nguồn cho các hệ thống IoT và cảm biến công nghiệp được thiết kế với các vòng dòng 4-20 mA. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng tập trung vào mức tiêu thụ điện năng và không gian hạn chế, LDO ngày càng trở nên không thực tế. Tại thời điểm này, các nhà thiết kế nên cân nhắc chuyển sang bộ điều chỉnh điện áp (còn được gọi là bộ chuyển đổi Buck), đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất năng lượng cao, hiệu suất tản nhiệt và kéo dài tuổi thọ pin.
Vòng dòng 4-20 mA là một phương pháp mạnh mẽ và đáng tin cậy để truyền kết quả đo từ cảm biến đến bộ điều khiển logic lập trình (PLC) và truyền đầu ra điều khiển của PLC đến thiết bị điều chế xử lý. Hệ thống này đảm bảo truyền tín hiệu đường dài chính xác và chống nhiễu bằng cách sử dụng cáp xoắn đôi, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều môi trường công nghiệp khác nhau. Bất kể chiều dài của dây, dòng điện vẫn ổn định, khiến nó trở thành cấu hình tiêu chuẩn cho các nhà máy, phòng thí nghiệm và ứng dụng giám sát từ xa.
Đánh giá sự cân bằng giữa LDO và bộ điều chỉnh chuyển mạch trong các vòng lặp hiện tại có thể giúp đạt được các thiết kế thông minh hơn và bền vững hơn.
LDO vẫn có chỗ đứng trong một số trường hợp đặc biệt, nơi nó có thể mang lại những lợi thế như độ ồn cực thấp, danh sách vật liệu đơn giản hóa hoặc biên độ điều chỉnh điện áp tối thiểu. Tuy nhiên, chúng có hiệu suất vốn có thấp hơn vì chúng tiêu tán sự chênh lệch giữa điện áp đầu vào và đầu ra dưới dạng nhiệt. Những năng lượng lãng phí này có thể dẫn đến tăng tải nhiệt trong các ứng dụng và rút ngắn đáng kể tuổi thọ pin trong các ứng dụng di động hoặc từ xa.
Khi hiệu suất, hiệu suất tản nhiệt hoặc thời gian chạy của pin là quan trọng thì việc giảm điện áp đồng bộ có thể là lựa chọn tốt hơn. Ngay cả trong điều kiện tải miliampe, công nghệ giảm điện áp đồng bộ hiện đại có thể mang lại hiệu suất từ 85% đến 95%, giảm đáng kể sự sinh nhiệt và giờ đây còn cung cấp dòng tĩnh ở phạm vi microampe thấp. LDO sẽ tiêu tán điện áp dư thừa dưới dạng nhiệt, trong khi bộ điều chỉnh điện áp có thể chuyển đổi điện áp bổ sung thành dòng điện có thể sử dụng một cách hiệu quả, từ đó đạt được nhiều chức năng tiêu thụ điện năng hơn mà không bị quá nóng hoặc lãng phí năng lượng.
Những tính năng này làm cho bộ điều chỉnh điện áp trở thành giải pháp ưu tiên cho bất kỳ vòng lặp 4-20 mA nào (chẳng hạn như cảm biến chạy bằng pin) có biên độ đầu vào vượt quá vài volt, yêu cầu hiệu suất nhiệt hoặc yêu cầu hoạt động lâu dài ở mức điện năng hạn chế.
Nếu điện áp nguồn được thiết kế cao hơn khoảng 6V so với điện áp mà bộ phát vòng lặp hiện tại yêu cầu và có không gian trên bảng mạch để chứa cuộn cảm nhỏ và tụ điện đầu ra thì bộ điều chỉnh Buck đồng bộ hiệu quả thường là lựa chọn tốt nhất. Nó có thể giảm điện áp một cách hiệu quả, giảm thiểu lãng phí nhiệt và đảm bảo đủ dòng điện để cấp nguồn cho các chức năng khác trong vòng 4-20 mA. Vì vậy, nó là sự lựa chọn lý tưởng cho các máy phát hiện đại đòi hỏi cả độ tin cậy lẫn hiệu quả sử dụng năng lượng trong môi trường công nghiệp.
Ưu điểm tản nhiệt của bộ điều chỉnh điện áp giúp giảm đáng kể yêu cầu về tản nhiệt trong các mô-đun công nghiệp nhiệt độ cao và dòng điện cao. Ngay cả mạch điện 5 µA cũng có hiệu suất cao hơn LDO, vì mạch này chuyển đổi một phần đáng kể điện áp pin thành nhiệt.
Vòng lặp ổ đĩa
Vòng dòng điện 4-20 mA là một trong những cách phổ biến nhất để gửi thông tin giữa các cảm biến tại chỗ và hệ thống điều khiển sử dụng dữ liệu của chúng. Tín hiệu có thể biểu thị nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy và thậm chí cả hướng dẫn di chuyển van. Nó đơn giản, đáng tin cậy và hiệu quả khi sử dụng ở khoảng cách xa.
Vòng dòng điện (Hình 1) có thể truyền tín hiệu đo từ các thiết bị như cảm biến nhiệt độ hoặc áp suất hoặc tín hiệu điều khiển đến các thiết bị di chuyển hoặc điều chỉnh các cơ chế như bộ định vị van.
Sơ đồ mạch vòng dòng 4-20 mA
Hình 1: Sơ đồ của vòng dòng điện 4-20 mA minh họa cách sử dụng dòng điện thay vì điện áp để truyền tín hiệu tương tự trong tự động hóa công nghiệp, hệ thống cảm biến và các ứng dụng điều khiển quá trình. (Nguồn hình ảnh: Analog Devices, Inc.)
Vòng lặp hiện tại bao gồm bốn thành phần chính:
Nguồn điện một chiều: Tùy theo cài đặt mà có thể là 9V, 12V, 24V hoặc cao hơn. Điện áp do nguồn điện cung cấp phải cao hơn - cao hơn ít nhất 10%, đây cũng là lượng điện áp mà tất cả các bộ phận (máy phát, máy thu, dây dẫn) trong vòng lặp "giảm" khi dòng điện chạy qua. Sau đó, cơ quan quản lý địa phương sẽ hạ cấp nguồn cho các cảm biến và thiết bị điện tử.
Bộ phát ở một bên của cảm biến truyền tín hiệu điện đại diện cho thế giới vật lý: cảm biến tạo ra các tín hiệu thô liên quan đến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách hoặc các phép đo vật lý khác. Nếu là điện áp analog, bộ chuyển đổi dòng điện áp của máy phát sẽ chuyển đổi nó thành dòng điện tỷ lệ từ 4 mA đến 20 mA. Nếu là cảm biến số thì đầu ra được chuyển đổi thành dòng điện analog thông qua DAC. Máy phát có nguồn điện riêng, chẳng hạn như LDO hoặc bộ điều chỉnh điện áp.
Bộ thu ở đầu điều khiển: Bộ thu đọc tín hiệu 4-20 mA và chuyển đổi thành điện áp mà hệ thống điều khiển có thể đo, hiển thị hoặc thực thi.
Hệ thống dây vòng kết nối nguồn điện, máy phát và máy thu nối tiếp: vòng lặp có thể dài tới hàng nghìn feet. Trong hệ thống dây kép, hai dây giống nhau đồng thời truyền dòng điện và tín hiệu. Hệ thống 4 dây sử dụng các cặp dây khác nhau để truyền tải điện và tín hiệu.
Ngay cả trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt với nhiệt độ từ -40 ° C đến +105 ° C, các thành phần của vòng lặp dòng điện phải chính xác, tiết kiệm năng lượng và đáng tin cậy. Ngoài ra, chúng cũng phải hỗ trợ các chức năng an toàn và cấp độ hệ thống cần thiết để đảm bảo độ an toàn và độ tin cậy của vòng lặp.
Khắc phục hạn chế của LDO
Bộ điều chỉnh tuyến tính dễ sử dụng và có độ ồn thấp nhưng chúng có thể chuyển năng lượng dư thừa thành nhiệt, dẫn đến lãng phí và có giới hạn trên của dòng điện khả dụng thấp hơn. Khi các nhà thiết kế bổ sung thêm nhiều tính năng cho bộ phát, chẳng hạn như chẩn đoán, giao diện kỹ thuật số hoặc thông tin cục bộ, nhu cầu về nguồn điện cũng tăng lên, có thể vượt quá công suất mà một LDO đơn giản có thể cung cấp. Một lựa chọn tốt hơn là sử dụng các bộ điều chỉnh chuyển mạch hiệu quả hơn, chẳng hạn như dòng LT8618 của Analog Devices, Inc.
LT8618 là bộ chuyển đổi Buck nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ được thiết kế cho các môi trường khắc nghiệt, bao gồm công nghiệp, ô tô và các ứng dụng khác đòi hỏi nguồn điện không dự đoán được. Nó đặc biệt thích hợp để sử dụng trong các hệ thống mạch vòng dòng 4-20 mA, với dòng tĩnh cực thấp, hiệu suất cao, dải đầu vào rộng (3,4 V đến 60 V, hoạt động liên tục) và điều kiện điện áp nhất thời lên đến 65 V.
Dòng LT8618 cung cấp bộ điều chỉnh điện áp đa chức năng cho các ứng dụng cung cấp điện vòng lặp và công nghiệp khác nhau. Ví dụ:
LT8618EDDB-3.3 #TRPBF (xem sơ đồ trong Hình 2) cung cấp đầu ra 3,3V cố định, lý tưởng cho các thiết kế yêu cầu điện áp ổn định và được xác định rõ để xử lý các đường ray điện áp phổ biến không thể đoán trước trong môi trường công nghiệp và hiện trường. Dòng điện đầu ra cực đại của nó là 100 mA, thích hợp để cấp nguồn cho các cảm biến, máy phát và các mạch phụ trợ khác. Dòng tĩnh cực thấp giúp giảm thiểu tổn thất điện năng trong thời gian hoạt động thấp, giúp kéo dài hiệu suất hệ thống và tuổi thọ pin.