Os projetistas normalmente usam reguladores de tensão de baixa queda (LDOs) para alimentar sistemas de detecção industrial e IoT projetados com loops de corrente de 4 a 20 mA. Contudo, para aplicações que se concentram no consumo de energia e no espaço limitado, o LDO está se tornando cada vez mais impraticável. Neste ponto, os projetistas devem considerar a mudança para reguladores de tensão (também conhecidos como conversores buck), especialmente para aplicações que exigem alta eficiência energética, desempenho de dissipação de calor e maior vida útil da bateria.
O loop de corrente de 4-20 mA é um método robusto e confiável para transmitir resultados de medição de sensores para um controlador lógico programável (CLP) e transmitir a saída de controle do CLP para equipamentos de modulação de processo. Este sistema garante transmissão de sinal de longa distância precisa e resistente a ruídos usando cabos de par trançado, tornando-o a escolha ideal para vários ambientes industriais. Independentemente do comprimento do fio, a corrente permanece consistente, tornando-o uma configuração padrão para fábricas, laboratórios e aplicações de monitoramento remoto.
Avaliar o compromisso entre LDO e reguladores de comutação em circuitos de corrente pode ajudar a alcançar designs mais inteligentes e sustentáveis.
O LDO ainda tem seu lugar em algumas situações especiais, onde pode oferecer vantagens como ruído ultrabaixo, lista de materiais simplificada ou margem mínima de regulação de tensão. No entanto, eles têm menor eficiência inerente porque dissipam a diferença entre as tensões de entrada e saída na forma de calor. Essas energias desperdiçadas podem levar a um aumento na carga térmica em aplicações e reduzir significativamente a vida útil da bateria em aplicações portáteis ou remotas.
Quando a eficiência, o desempenho de dissipação de calor ou o tempo de funcionamento da bateria são cruciais, a redução de tensão síncrona pode ser uma escolha melhor. Mesmo sob condições de carga de miliamperes, a moderna tecnologia de redução de tensão síncrona pode fornecer uma eficiência de 85% a 95%, reduzindo significativamente a geração de calor e agora também fornecendo corrente estática de baixa faixa de microamperes. O LDO dissipará o excesso de tensão na forma de calor, enquanto os reguladores de tensão podem efetivamente converter a tensão extra em corrente utilizável, alcançando assim mais funções de consumo de energia sem superaquecimento ou desperdício de energia.
Esses recursos tornam os reguladores de tensão a solução preferida para qualquer circuito de 4 a 20 mA (como sensores alimentados por bateria) com margens de entrada superiores a alguns volts, exigindo eficiência térmica ou operação de longo prazo com potência limitada.
Se a tensão de alimentação projetada for cerca de 6 V maior que a tensão exigida pelo transmissor de loop de corrente e houver espaço na placa de circuito para acomodar pequenos indutores e capacitores de saída, um regulador buck síncrono eficiente geralmente é a melhor escolha. Ele pode reduzir efetivamente a tensão, minimizar o desperdício de calor e garantir corrente suficiente para alimentar outras funções no circuito de 4-20 mA. Portanto, é a escolha ideal para transmissores modernos que exigem confiabilidade e eficiência energética em ambientes industriais.
A vantagem de dissipação de calor dos reguladores de tensão reduz bastante os requisitos para dissipadores de calor em módulos industriais de alta corrente e alta temperatura. Mesmo um circuito buck de 5 µ A tem maior eficiência do que o LDO, pois este último converte uma parte significativa da tensão da bateria em calor.
Ciclo de condução
O loop de corrente de 4-20 mA é uma das formas mais comuns de enviar informações entre sensores locais e sistemas de controle que utilizam seus dados. Os sinais podem representar temperatura, pressão, vazão e até instruções para mover válvulas. É simples, confiável e eficaz para uso em longa distância.
O circuito de corrente (Figura 1) pode transmitir sinais de medição de instrumentos como sensores de temperatura ou pressão, ou sinais de controle para dispositivos que movem ou regulam mecanismos como posicionadores de válvula.
Diagrama esquemático do loop de corrente de 4-20 mA
Figura 1: Um diagrama esquemático de um loop de corrente de 4-20 mA ilustra como usar corrente em vez de tensão para transmitir sinais analógicos em automação industrial, sistemas de sensores e aplicações de controle de processos. (Fonte da imagem: Analog Devices, Inc.)
O loop atual consiste em quatro componentes principais:
Fonte de alimentação DC: Dependendo das configurações, pode ser 9 V, 12 V, 24 V ou superior. A tensão fornecida pela fonte de alimentação deve ser maior - pelo menos 10% maior, que também é a quantidade de tensão que todos os componentes (transmissor, receptor, fiação) no circuito “diminuem” quando a corrente flui. Em seguida, o regulador local desce para alimentar os sensores e dispositivos eletrônicos.
O transmissor em um lado do sensor transmite sinais elétricos que representam o mundo físico: o sensor gera sinais brutos relacionados à temperatura, pressão, distância ou outras medições físicas. Se for uma tensão analógica, o conversor de tensão e corrente do transmissor irá convertê-la em uma corrente proporcional de 4 mA a 20 mA. Se for um sensor digital, a saída é convertida em corrente analógica através do DAC. O transmissor possui fonte de alimentação própria, como LDO ou regulador de tensão.
Receptor na extremidade de controle: O receptor lê o sinal de 4-20 mA e o converte em uma tensão que o sistema de controle pode medir, exibir ou executar.
A fiação do loop conecta a fonte de alimentação, o transmissor e o receptor em série: o loop pode ter até milhares de metros de comprimento. Em um sistema de fio duplo, os mesmos dois fios transmitem simultaneamente correntes de potência e sinal. O sistema de 4 fios usa diferentes pares de fios para transmitir energia e sinais.
Mesmo em ambientes industriais severos com temperaturas variando de -40 °C a +105 °C, os componentes do circuito de corrente devem ser precisos, energeticamente eficientes e confiáveis. Além disso, eles também devem suportar as funções necessárias de segurança e de nível de sistema para garantir a segurança e a confiabilidade do circuito.