Abwärtsregler überwinden die Schwächen von LDOs bezüglich Leistung und Temperaturverhalten

Entwickler verwenden häufig LDOs (Low-Dropout-Regler, Regler mit niedrigem Spannungseinbruch) für die Stromversorgung von industriellen Mess- und IoT-Systemen mit Stromschleifen-Designs für 4 bis 20 mA. Aber LDOs sind für stromsparende und platzbeschränkte Anwendungen zunehmend ineffizient. Aus diesem Grund sollten Entwickler den Wechsel zu Abwärtsreglern, auch bekannt als Buck-Regler, in Betracht ziehen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen Energieeffizienz, thermische Leistung und längere Batterielebensdauer entscheidend sind.

Die 4-bis-20-mA-Stromschleife ist eine robuste und zuverlässige Methode zur Übertragung von Messwerten von Sensoren an speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen) und von Steuerausgängen von SPSen an Prozessmodulationsgeräte. Dieses System gewährleistet eine genaue und störungsfreie Signalübertragung über große Entfernungen mit verdrillten Kabeln und ist somit ideal für verschiedene industrielle Umgebungen. Ein gleichmäßiger Strom, unabhängig von der Kabellänge, hat dies zu einem Standard in der Fabrik, im Labor und bei Fernüberwachungsanwendungen gemacht.

Die Bewertung der Kompromisse zwischen LDOs und Schaltreglern für Stromschleifen kann dazu beitragen, intelligentere und nachhaltigere Designs zu ermöglichen.

LDOs sind nach wie vor für Nischenanwendungen geeignet, in denen sie in der Vergangenheit die Vorteile eines extrem niedrigen Rauschens, einer einfacheren Materialliste oder einer Regelung mit sehr geringem Spannungsspielraum boten. Sie sind jedoch von Natur aus weniger effizient, da sie die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung als Wärme abführen. Diese Energieverschwendung führt zu einer erhöhten thermischen Belastung in einer Anwendung und kann die Lebensdauer der Batterie in tragbaren oder dezentralen Anwendungen erheblich verkürzen.

Wenn Effizienz, thermische Leistung oder Batterielaufzeit wichtig sind, ist der synchrone Abwärtsregler wahrscheinlich die bessere Option. Ein moderner synchroner Abwärtsregler liefert einen Wirkungsgrad von 85% bis 95% selbst bei Milliampere-Lasten, reduziert die Wärmeentwicklung drastisch und kann jetzt mit Ruheströmen im niedrigen µA-Bereich auskommen. Während ein LDO überschüssige Spannung als Wärme abgibt, wandelt der Abwärtsregler die zusätzliche Spannung effizient in nutzbaren Strom um und ermöglicht so leistungsintensivere Funktionen ohne Überhitzung oder Energieverschwendung.

Diese Eigenschaften machen Abwärtsregler zu einer idealen Lösung für alle Schleifen mit 4 bis 20 mA, die mehr als ein paar Volt Eingangsspannungsspielraum haben, einen hohen thermischen Wirkungsgrad erfordern oder über lange Zeiträume mit begrenzter Leistung betrieben werden müssen, wie z. B. batteriebetriebene Sensoren.

Wenn ein Design eine Versorgungsspannung hat, die etwa 6 V höher ist, als der Transmitter der Stromschleife benötigt, und auf der Platine Platz für eine kleine Induktivität und einen Ausgangskondensator ist, ist ein hocheffizienter synchroner Abwärtsregler normalerweise die beste Wahl. Er regelt die Spannung effizient herunter, minimiert die Wärmeabgabe und stellt sicher, dass genügend Strom für zusätzliche Funktionen in der 4-bis-20-mA-Stromschleife zur Verfügung steht. Dies macht ihn ideal für moderne Messumformer, die in industriellen Umgebungen sowohl zuverlässig als auch energieeffizient sein müssen.

Der thermische Vorteil eines Abwärtsreglers reduziert den Bedarf an Kühlkörpern für industrielle Hochstrom- und Hochtemperaturmodule erheblich. Selbst ein 5µA-Abwärtsregler ist immer noch effizienter als ein LDO, der einen beträchtlichen Teil der Batteriespannung als Wärme verschwendet.

Treiben der Schleife

Die 4-bis-20-mA-Stromschleife ist eine der gebräuchlichsten Methoden zur Übertragung von Informationen zwischen Sensoren im Feld und den Steuersystemen, die ihre Daten verwenden. Das Signal kann eine Temperatur, einen Druck, einen Durchfluss oder sogar einen Befehl zur Bewegung eines Ventils darstellen. Es ist einfach, zuverlässig und funktioniert auch über große Entfernungen.

Eine Stromschleife (Abbildung 1) kann Messsignale von Instrumenten (z. B. Temperatur- oder Drucksensoren) oder Steuersignale an Geräte übertragen, die Mechanismen bewegen oder einstellen (z. B. Ventilstellungsregler).

Abbildung 1: Das Schaltbild einer 4-bis-20-mA-Stromschleife veranschaulicht die Übertragung von Analogsignalen unter Verwendung von Strom anstelle von Spannung in der industriellen Automatisierung, in Sensorsystemen und in Prozesssteuerungsanwendungen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Eine Stromschleife besteht aus vier Schlüsselelementen:

• Eine DC-Stromversorgung: Je nach Konfiguration kann dies 9 V, 12 V, 24 V oder mehr sein. Die Stromversorgung muss eine geringfügig höhere Spannung bereitstellen – mindestens etwa 10 % über dem Wert, den alle Komponenten im Stromkreis bei Stromfluss „verlieren“ (Sender, Empfänger, Verkabelung). Lokale Regler regeln diese Energie dann herunter, um die Sensoren und die Elektronik zu versorgen.
• Der Sender auf der Sensorseite überträgt elektrische Signale, die die physikalische Welt darstellen: Der Sensor erzeugt ein Rohsignal über Temperatur, Druck, Entfernung oder andere physikalische Messungen. Handelt es sich um eine analoge Spannung, wandelt der Spannung/Strom-Wandler des Transmitters diese in einen proportionalen Strom zwischen 4 mA und 20 mA um. Handelt es sich um einen digitalen Sensor, wird der Ausgang über einen DAC in einen analogen Strom zurückverwandelt. Der Sender verfügt über eine eigene Stromversorgung, z. B. einen LDO oder Abwärtsregler.
• Ein Empfänger auf der Steuerungsseite: Der Empfänger liest das 4-bis-20-mA-Signal und wandelt es in eine Spannung um, die vom Steuersystem gemessen, angezeigt oder verarbeitet werden kann.
• Die Schleifenverkabelung verbindet die Stromversorgung, den Sender und den Empfänger in Reihe: Eine Schleife kann Tausende von Metern lang sein. In einem 2-Draht-System führen dieselben beiden Drähte sowohl den Versorgungs- als auch den Signalstrom. Ein 4-Draht-System verwendet getrennte Paare für Stromversorgung und Signale.

Die Teile einer Stromschleife müssen genau, energieeffizient und zuverlässig sein, selbst in rauen Industrieumgebungen, in denen die Temperaturen von -40°C bis +105°C schwanken können. Darüber hinaus müssen sie auch die notwendigen Sicherheits- und Systemfunktionen unterstützen, die den Kreislauf sicher und zuverlässig halten.

Überwinden von Einschränkungen der LDOs

Linearregler sind einfach zu verwenden und rauscharm, aber sie verschwenden überschüssige Energie in Form von Wärme und stoßen bei der verfügbaren Stromstärke an eine harte Grenze. Wenn die Entwickler den Transmitter um weitere Funktionen wie Diagnose, digitale Schnittstellen oder lokale Intelligenz erweitern, steigt der Leistungsbedarf und kann die Kapazität eines einfachen LDO übersteigen. Eine bessere Option ist die Verwendung eines effizienteren Schaltreglers, wie z. B. der Serie LT8618 von Analog Devices, Inc.

Der LT8618 ist ein kleiner, aber leistungsfähiger Abwärtswandler, der für den Einsatz in rauen Umgebungen entwickelt wurde, z.B. in der Industrie, in der Automobilindustrie und in anderen Anwendungen mit unvorhersehbaren Stromquellen. Er eignet sich besonders gut für Systeme mit 4-bis-20-mA-Stromschleifen und bietet einen extrem niedrigen Ruhestrom, einen hohen Wirkungsgrad und einen weiten Eingangsbereich von 3,4 V bis 60 V für den Dauerbetrieb und bis zu 65 V für transiente Bedingungen.

Die LT8618-Familie bietet eine Reihe vielseitiger Abwärtsregler, die sich für eine Vielzahl industrieller und schleifenbetriebener Anwendungen eignen. Beispiel:

• Der LT8618EDDB-3.3#TRPBF (siehe Schaltplan in Abbildung 2) liefert eine feste 3,3V-Ausgangsspannung, die sich ideal für Designs eignet, die eine stabile, genau definierte Spannung benötigen, um mit den in Industrie- und Feldumgebungen üblichen unvorhersehbaren Schienen umgehen zu können. Mit einem Spitzenausgangsstrom von 100 mA eignet er sich für die Versorgung von Sensoren, Transmittern und anderen unterstützenden Schaltungen. Der extrem niedrige Ruhestrom minimiert die Leistungsverluste in Zeiten geringer Aktivität und trägt so zur Verbesserung der Systemeffizienz und zur Verlängerung der Batterielebensdauer bei.

Abbildung 2: Eine Abwärtsregler-Konfiguration mit dem LT8618-3.3, der eine feste Spannung von 3,3 V ausgibt. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Der LT8618EDDB#WTRMPBF bietet denselben weiten Eingangsbereich und einen 100mA-Ausgang, jedoch mit einem einstellbaren Ausgang von 0,778 V bis 40 V. Dadurch eignet er sich für die Versorgung von Analog-, Digital- oder Referenzschaltungen innerhalb eines Senders - vor allem, wenn mehrere Versorgungsschienen erforderlich sind. Wie sein Gegenstück mit festem Ausgang kombiniert er ein schnelles Einschwingverhalten mit einem robusten Kurzschlussschutz und einer thermischen Abschaltung und gewährleistet so einen zuverlässigen Betrieb über den gesamten Industriebereich von -40°C bis +125°C.

Dank dieser Flexibilität können Entwickler den richtigen Regler für die Spannungs- und Stromanforderungen eines 4-bis-20-mA-Stromschleifensystems auswählen und so einen zuverlässigen Betrieb bei gleichzeitiger Minimierung von Wärme und Energieverschwendung gewährleisten.

Mit einem geringen Ruhestrom von 2,5 µA im Burst-Mode®-Betrieb verbraucht der LT8618 keinen Schleifenstrom, so dass mehr Energie für Sensoren, Wandler und Kommunikation zur Verfügung steht. Diese Kombination aus Effizienz und geringem Standby-Verbrauch ist eine direkte Antwort auf die Herausforderung, mehr Funktionen hinzuzufügen, ohne das aktuelle Budget zu überlasten.

In einem 4-bis-20-mA-Stromschleifentransmitter befinden sich eine kleine Induktivität und ein Ausgangskondensator in der Nähe des LT8618 auf der Leiterplatte, um einen Ausgangsfilter zu bilden, der die Spannung glättet und sowohl den Sensor als auch die unterstützenden Schaltungen mit einer stabilen Leistung versorgt. Eine geeignete Eingangsspannung, z. B. 24 VDC, bietet reichlich Spielraum über der Betriebsspannung eines Messwertgebers und sorgt für eine präzise Regelung und ein Einschwingverhalten, so dass eine stabile Leistung gewährleistet ist, auch wenn sich der Schleifenstrom bei wechselnden Sensorlasten ändert.

Der LT8618 ermöglicht die Erweiterung der Messumformer-Funktionen zur Unterstützung moderner Sensoren, digitaler Logik und Sicherheitsfunktionen, ohne dass die 4-bis-20-mA-Grenze der Stromschleife überschritten wird.

Integrierte Schutzfunktionen, einschließlich Überspannungsschutz, thermische Abschaltung und Kurzschlussschutz, sorgen für robuste Funktionalität in rauen Feldumgebungen. Das kompakte Gehäuse des LT8618 und die minimale Anzahl externer Bauteile vereinfachen das Platinenlayout, was besonders bei Messumformern mit geringem Platzangebot wichtig ist.

Fazit

Durch den Ersatz ineffizienter Linearregler durch einen kompakten, hocheffizienten Schaltregler wie den LT8618 von ADI können Entwickler die Beschränkungen von LDOs überwinden und neue Funktionen erschließen, während sie gleichzeitig die von modernen Industrieanwendungen geforderten Anforderungen an Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Temperatur erfüllen.