설계자는 일반적으로 4~20mA 전류 루프로 설계된 산업용 감지 및 IoT 시스템에 전력을 공급하기 위해 저드롭아웃 전압 조정기(LDO)를 기본적으로 사용합니다. 그러나 전력 소비와 제한된 공간에 초점을 맞춘 애플리케이션의 경우 LDO는 점점 더 실용적이지 않게 됩니다. 이 시점에서 설계자는 특히 높은 에너지 효율, 열 방출 성능 및 배터리 수명 연장이 필요한 애플리케이션의 경우 전압 조정기(벅 컨버터라고도 함)로 전환하는 것을 고려해야 합니다.
4~20mA 전류 루프는 측정 결과를 센서에서 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC)로 전송하고 PLC의 제어 출력을 프로세스 변조 장비로 전송하는 강력하고 안정적인 방법입니다. 이 시스템은 연선 케이블을 사용하여 정밀하고 잡음에 강한 장거리 신호 전송을 보장하므로 다양한 산업 환경에 이상적인 선택입니다. 와이어 길이에 관계없이 전류는 일관되게 유지되므로 공장, 실험실 및 원격 모니터링 애플리케이션을 위한 표준 구성이 됩니다.
전류 루프에서 LDO와 스위칭 조정기 간의 균형을 평가하면 보다 스마트하고 지속 가능한 설계를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.
LDO는 초저잡음, 단순화된 재료 목록 또는 최소 전압 조정 마진과 같은 이점을 제공할 수 있는 일부 특수 상황에서 여전히 그 자리를 차지하고 있습니다. 그러나 입력 전압과 출력 전압의 차이를 열로 발산하기 때문에 고유 효율이 낮습니다. 이러한 낭비되는 에너지는 애플리케이션의 열 부하 증가로 이어질 수 있으며 휴대용 또는 원격 애플리케이션의 배터리 수명을 크게 단축시킬 수 있습니다.
효율성, 열 방출 성능 또는 배터리 작동 시간이 중요한 경우 동기식 전압 감소가 더 나은 선택일 수 있습니다. 밀리암페어 부하 조건에서도 최신 동기식 전압 감소 기술은 85%~95%의 효율을 제공하여 열 발생을 크게 줄이고 이제 낮은 마이크로암페어 범위의 정전류도 제공합니다. LDO는 초과 전압을 열로 소산하는 반면, 전압 조정기는 추가 전압을 사용 가능한 전류로 효과적으로 변환하여 과열이나 에너지 낭비 없이 더 많은 전력 소비 기능을 달성할 수 있습니다.
이러한 기능으로 인해 전압 조정기는 입력 마진이 몇 볼트를 초과하고 열 효율이 필요하거나 제한된 전력에서 장기간 작동이 필요한 4~20mA 루프(예: 배터리 구동 센서)에 선호되는 솔루션입니다.
설계된 공급 전압이 전류 루프 송신기에 필요한 전압보다 약 6V 더 높고 회로 기판에 작은 인덕터 및 출력 커패시터를 수용할 수 있는 공간이 있는 경우 일반적으로 효율적인 동기식 벅 조정기가 최선의 선택입니다. 이는 효과적으로 전압을 줄이고, 열 낭비를 최소화하며, 4~20mA 루프의 다른 기능에 전력을 공급하기에 충분한 전류를 보장할 수 있습니다. 따라서 산업 환경에서 신뢰성과 에너지 효율성이 모두 요구되는 최신 송신기에 이상적인 선택입니다.
전압 조정기의 열 방출 이점은 고전류 및 고온 산업용 모듈의 방열판에 대한 요구 사항을 크게 줄여줍니다. 5μA 벅 회로라도 LDO보다 효율이 더 높습니다. LDO는 배터리 전압의 상당 부분을 열로 변환하기 때문입니다.
드라이브 루프
4-20mA 전류 루프는 현장 센서와 해당 데이터를 사용하는 제어 시스템 간에 정보를 전송하는 가장 일반적인 방법 중 하나입니다. 신호는 온도, 압력, 유량은 물론 밸브 이동 지침까지 나타낼 수 있습니다. 장거리 사용에 간단하고 안정적이며 효과적입니다.
전류 루프(그림 1)는 온도 또는 압력 센서와 같은 계측기의 측정 신호나 제어 신호를 밸브 포지셔너와 같은 메커니즘을 이동하거나 조절하는 장치로 전송할 수 있습니다.
4-20mA 전류 루프의 개략도
그림 1: 4~20mA 전류 루프의 회로도는 산업 자동화, 센서 시스템 및 공정 제어 응용 분야에서 아날로그 신호를 전송하기 위해 전압 대신 전류를 사용하는 방법을 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices, Inc.)
전류 루프는 네 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.
DC 전원 공급 장치: 설정에 따라 9V, 12V, 24V 이상이 될 수 있습니다. 전원 공급 장치에서 제공하는 전압은 더 높아야 합니다. 최소 10% 더 높아야 하며 이는 전류가 흐를 때 루프의 모든 구성 요소(송신기, 수신기, 배선)가 "감소"하는 전압의 양이기도 합니다. 그런 다음 현지 규제 기관은 이를 줄여 센서와 전자 장치에 전원을 공급합니다.
센서 한쪽에 있는 송신기는 물리적 세계를 나타내는 전기 신호를 전송합니다. 센서는 온도, 압력, 거리 또는 기타 물리적 측정과 관련된 원시 신호를 생성합니다. 아날로그 전압인 경우 트랜스미터의 전압 전류 변환기는 이를 4mA ~ 20mA의 비례 전류로 변환합니다. 디지털 센서인 경우 출력은 DAC를 통해 아날로그 전류로 변환됩니다. 송신기에는 LDO 또는 전압 조정기와 같은 자체 전원 공급 장치가 있습니다.
제어 측 수신기: 수신기는 4~20mA 신호를 읽고 이를 제어 시스템이 측정, 표시 또는 실행할 수 있는 전압으로 변환합니다.
루프 배선은 전원 공급 장치, 송신기 및 수신기를 직렬로 연결합니다. 루프 길이는 최대 수천 피트까지 가능합니다. 이중 와이어 시스템에서는 동일한 두 개의 와이어가 동시에 전력 및 신호 전류를 전송합니다. 4선 시스템은 서로 다른 전선 쌍을 사용하여 전력과 신호를 전송합니다.
-40°C ~+105°C 온도 범위의 열악한 산업 환경에서도 전류 루프의 구성 요소는 정확하고 에너지 효율적이며 신뢰할 수 있어야 합니다. 또한 루프의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 필요한 안전 및 시스템 수준 기능도 지원해야 합니다.