عادةً ما يستخدم المصممون منظمات جهد التسرب المنخفض (LDOs) لتشغيل أجهزة الاستشعار الصناعية وأنظمة إنترنت الأشياء المصممة بحلقات تيار تتراوح من 4 إلى 20 مللي أمبير. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي تركز على استهلاك الطاقة والمساحة المحدودة، أصبح LDO غير عملي بشكل متزايد. في هذه المرحلة، يجب على المصممين التفكير في التحول إلى منظمات الجهد الكهربي (المعروفة أيضًا باسم محولات الجهد)، خاصة بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب كفاءة عالية في استخدام الطاقة، وأداء تبديد الحرارة، وعمر بطارية ممتد.
تعتبر حلقة التيار 4-20 مللي أمبير طريقة قوية وموثوقة لنقل نتائج القياس من أجهزة الاستشعار إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، ونقل مخرجات التحكم الخاصة بـ PLC إلى معدات تعديل المعالجة. يضمن هذا النظام نقل إشارة دقيق ومقاوم للضوضاء لمسافات طويلة باستخدام كابلات زوجية ملتوية، مما يجعله خيارًا مثاليًا لمختلف البيئات الصناعية. بغض النظر عن طول السلك، يظل التيار ثابتًا، مما يجعله تكوينًا قياسيًا للمصانع والمختبرات وتطبيقات المراقبة عن بعد.
قد يساعد تقييم المفاضلة بين LDO وتبديل المنظمين في الحلقات الحالية في تحقيق تصميمات أكثر ذكاءً واستدامة.
لا يزال LDO يتمتع بمكانته في بعض المواقف الخاصة، حيث يمكنه توفير مزايا مثل الضوضاء المنخفضة للغاية، أو قائمة المواد المبسطة، أو الحد الأدنى من هامش تنظيم الجهد. ومع ذلك، فهي ذات كفاءة متأصلة أقل لأنها تبدد الفرق بين جهد الإدخال والإخراج كحرارة. يمكن أن تؤدي هذه الطاقات المهدرة إلى زيادة الحمل الحراري في التطبيقات وتقصير عمر البطارية بشكل كبير في التطبيقات المحمولة أو البعيدة.
عندما تكون الكفاءة أو أداء تبديد الحرارة أو وقت تشغيل البطارية أمرًا بالغ الأهمية، فقد يكون تقليل الجهد المتزامن خيارًا أفضل. حتى في ظل ظروف الحمل بالمللي أمبير، يمكن أن توفر تقنية تقليل الجهد المتزامن الحديثة كفاءة تتراوح من 85% إلى 95%، مما يقلل بشكل كبير من توليد الحرارة، ويوفر الآن أيضًا تيارًا ثابتًا بنطاق ميكرو أمبير منخفض. سوف يقوم LDO بتبديد الجهد الزائد على شكل حرارة، بينما يمكن لمنظمات الجهد تحويل الجهد الإضافي بشكل فعال إلى تيار قابل للاستخدام، وبالتالي تحقيق المزيد من الوظائف التي تستهلك الطاقة دون ارتفاع درجة الحرارة أو إهدار الطاقة.
تجعل هذه الميزات منظمات الجهد الكهربي الحل المفضل لأي حلقة 4-20 مللي أمبير (مثل أجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية) مع هوامش إدخال تتجاوز بضعة فولتات، أو تتطلب كفاءة حرارية، أو تتطلب تشغيلًا طويل الأمد بطاقة محدودة.
إذا كان جهد الإمداد المصمم أعلى بحوالي 6 فولت من الجهد الذي يتطلبه جهاز إرسال الحلقة الحالي، وكان هناك مساحة على لوحة الدائرة لاستيعاب المحاثات الصغيرة ومكثفات الخرج، فإن منظم الجهد المتزامن الفعال عادة ما يكون هو الخيار الأفضل. يمكنه تقليل الجهد الكهربي بشكل فعال، وتقليل هدر الحرارة، وضمان وجود تيار كافٍ لتشغيل الوظائف الأخرى في حلقة 4-20 مللي أمبير. ولذلك، فهو خيار مثالي لأجهزة الإرسال الحديثة التي تتطلب الموثوقية وكفاءة الطاقة في البيئات الصناعية.
تعمل ميزة تبديد الحرارة لمنظمات الجهد الكهربي على تقليل متطلبات المشتتات الحرارية بشكل كبير في الوحدات الصناعية ذات التيار العالي ودرجة الحرارة العالية. حتى دائرة باك 5 μA تتمتع بكفاءة أعلى من LDO، حيث يقوم الأخير بتحويل جزء كبير من جهد البطارية إلى حرارة.
حلقة القيادة
تعد حلقة التيار 4-20 مللي أمبير إحدى الطرق الأكثر شيوعًا لإرسال المعلومات بين أجهزة الاستشعار الموجودة في الموقع وأنظمة التحكم التي تستخدم بياناتها. يمكن أن تمثل الإشارات درجة الحرارة والضغط ومعدل التدفق وحتى تعليمات لتحريك الصمامات. إنها بسيطة وموثوقة وفعالة للاستخدام لمسافات طويلة.
يمكن للحلقة الحالية (الشكل 1) أن تنقل إشارات القياس من أدوات مثل أجهزة استشعار درجة الحرارة أو الضغط، أو إشارات التحكم إلى الأجهزة التي تحرك أو تنظم الآليات مثل مواضع الصمامات.
رسم تخطيطي للحلقة الحالية 4-20 مللي أمبير
الشكل 1: رسم تخطيطي لحلقة تيار 4-20 مللي أمبير يوضح كيفية استخدام التيار بدلاً من الجهد لنقل الإشارات التناظرية في الأتمتة الصناعية وأنظمة الاستشعار وتطبيقات التحكم في العمليات. (مصدر الصورة: شركة Analog Devices, Inc.)
تتكون الحلقة الحالية من أربعة مكونات رئيسية:
مصدر طاقة التيار المستمر: حسب الإعدادات، قد يكون 9 فولت، 12 فولت، 24 فولت أو أعلى. يجب أن يكون الجهد الذي يوفره مصدر الطاقة أعلى - أعلى بنسبة 10% على الأقل، وهو أيضًا مقدار الجهد الذي "تنقصه" جميع المكونات (جهاز الإرسال، جهاز الاستقبال، الأسلاك) في الحلقة عندما يتدفق التيار. ثم يقوم المنظم المحلي بإيقاف تشغيله لتشغيل أجهزة الاستشعار والأجهزة الإلكترونية.
ينقل جهاز الإرسال الموجود على أحد جانبي المستشعر إشارات كهربائية تمثل العالم المادي: يولد المستشعر إشارات أولية تتعلق بدرجة الحرارة أو الضغط أو المسافة أو القياسات الفيزيائية الأخرى. إذا كان جهدًا تناظريًا، فسيقوم محول تيار الجهد الخاص بجهاز الإرسال بتحويله إلى تيار متناسب من 4 مللي أمبير إلى 20 مللي أمبير. إذا كان جهاز استشعار رقمي، فسيتم تحويل الإخراج إلى تيار تناظري من خلال DAC. يحتوي جهاز الإرسال على مصدر طاقة خاص به، مثل LDO أو منظم الجهد.
جهاز الاستقبال عند طرف التحكم: يقرأ جهاز الاستقبال إشارة 4-20 مللي أمبير ويحولها إلى جهد يمكن لنظام التحكم قياسه أو عرضه أو تنفيذه.
تربط الأسلاك الحلقية مصدر الطاقة وجهاز الإرسال وجهاز الاستقبال على التوالي: يمكن أن يصل طول الحلقة إلى آلاف الأقدام. في نظام الأسلاك المزدوجة، يقوم نفس السلكين بنقل الطاقة وتيارات الإشارة في وقت واحد. يستخدم النظام المكون من 4 أسلاك أزواجًا مختلفة من الأسلاك لنقل الطاقة والإشارات.
حتى في البيئات الصناعية القاسية التي تتراوح درجات الحرارة فيها بين -40 درجة مئوية إلى +105 درجة مئوية، يجب أن تكون مكونات الحلقة الحالية دقيقة وموفرة للطاقة وموثوقة. بالإضافة إلى ذلك، يجب عليهم أيضًا دعم وظائف السلامة ومستوى النظام الضرورية لضمان سلامة وموثوقية الحلقة.
التغلب على قيود LDO
تتميز المنظمات الخطية بأنها سهلة الاستخدام ولها ضوضاء منخفضة، ولكنها يمكنها تحويل الطاقة الزائدة إلى حرارة، مما يؤدي إلى إهدار، ولها حد أعلى أدنى للتيار المتاح. مع قيام المصممين بإضافة المزيد من الميزات إلى جهاز الإرسال، مثل التشخيص أو الواجهات الرقمية أو الذكاء المحلي، يزداد أيضًا الطلب على مصدر الطاقة، مما قد يتجاوز الطاقة التي يمكن أن يوفرها LDO بسيط. الخيار الأفضل هو استخدام منظمات تحويل أكثر كفاءة، مثل سلسلة LT8618 من شركة Analog Devices, Inc..
LT8618 عبارة عن محول باك مدمج ولكنه قوي مصمم للبيئات القاسية، بما في ذلك التطبيقات الصناعية والسيارات وغيرها من التطبيقات التي تتطلب طاقة غير متوقعة. إنها مناسبة بشكل خاص للاستخدام في أنظمة حلقة التيار 4-20 مللي أمبير، مع تيار ثابت منخفض للغاية، وكفاءة عالية، ونطاق إدخال واسع (3.4 فولت إلى 60 فولت، تشغيل مستمر)، وظروف الجهد الكهربي العابر حتى 65 فولت.
توفر سلسلة LT8618 منظمات جهد متعددة الوظائف لمختلف تطبيقات إمدادات الطاقة الصناعية والحلقية. على سبيل المثال:
LT8618EDDB-3.3 # TRPBF (انظر الرسم التخطيطي في الشكل 2) يوفر خرج ثابت 3.3 فولت، مما يجعله مثاليًا للتصميمات التي تتطلب جهدًا ثابتًا ومحددًا جيدًا للتعامل مع قضبان الجهد الشائعة التي لا يمكن التنبؤ بها في البيئات الصناعية والميدانية. يبلغ تيار الخرج الأقصى 100 مللي أمبير، وهو مناسب لتشغيل أجهزة الاستشعار وأجهزة الإرسال والدوائر المساعدة الأخرى. يعمل التيار الساكن المنخفض للغاية على تقليل فقدان الطاقة خلال فترات النشاط المنخفضة، مما يساعد على إطالة كفاءة النظام وعمر البطارية.