Les régulateurs abaisseurs permettent de remédier aux problèmes énergétiques et thermiques des LDO

Les ingénieurs ont souvent recours à des régulateurs à faible chute de tension (LDO) pour alimenter les systèmes de détection industriels et les systèmes IoT utilisant des boucles de courant de 4-20 mA. Pourtant, les LDO sont de moins en moins pertinents pour les applications nécessitant une faible consommation d'énergie et un format compact. C'est la raison pour laquelle les ingénieurs devraient plutôt privilégier les régulateurs abaisseurs, également appelés convertisseurs abaisseurs, en particulier dans les applications où le rendement énergétique, les performances thermiques et l'autonomie de la batterie sont des points essentiels.

La boucle de courant 4-20 mA est une méthode éprouvée et fiable qui permet de transmettre les mesures des capteurs aux automates programmables (PLC) et les sorties de commande des PLC aux dispositifs de modulation de processus. Ce système garantit la transmission précise et résistante au bruit des signaux sur de longues distances à l'aide d'un câble à paire torsadée, ce qui le rend idéal pour divers environnements industriels. Grâce à sa capacité à fournir un courant constant quelle que soit la longueur du fil, il est devenu la solution de référence dans les applications d'usine, de laboratoire et de surveillance à distance.

L'évaluation des compromis entre les LDO et les régulateurs à découpage pour les boucles de courant peut contribuer à des conceptions plus intelligentes et plus durables.

Les LDO restent utiles dans certains cas spécifiques où ils offrent historiquement les avantages d'un bruit ultrafaible, d'une nomenclature simplifiée ou d'une régulation avec très peu de marge de tension. Cependant, ils sont intrinsèquement moins efficaces car ils dissipent la différence entre la tension d'entrée et de sortie sous forme de chaleur. Cette énergie gaspillée entraîne une augmentation de la charge thermique dans une application et peut réduire considérablement l'autonomie de la batterie dans les applications portables ou distantes.

Lorsque le rendement, les performances thermiques ou l'autonomie de la batterie sont importants, les régulateurs abaisseurs synchrones sont probablement l'option à privilégier. Un régulateur abaisseur synchrone moderne offre un rendement de 85 % à 95 % même avec des charges de l'ordre du milliampère, réduit considérablement la chaleur et peut désormais fournir des courants de repos de quelques microampères. Alors qu'un LDO dissipe l'excès de tension sous forme de chaleur, le régulateur abaisseur convertit efficacement la tension supplémentaire en courant utilisable, permettant ainsi des fonctionnalités plus gourmandes en énergie sans surchauffe ni gaspillage d'énergie.

Ces avantages font des régulateurs abaisseurs la solution idéale pour toute boucle 4-20 mA qui dispose d'une marge d'entrée supérieure à quelques volts, qui nécessite un bon rendement thermique ou qui doit fonctionner pendant de longues périodes avec une puissance limitée, comme les capteurs alimentés par batterie.

Si un système présente une tension d'alimentation supérieure d'environ 6 V à celle requise par l'émetteur de la boucle de courant, et qu'il y a de la place sur la carte pour accueillir une petite inductance et un condensateur de sortie, un régulateur abaisseur synchrone à haut rendement est généralement le meilleur choix. Il abaisse efficacement la tension, minimise la chaleur résiduelle et garantit un courant suffisant pour alimenter les fonctionnalités supplémentaires de la boucle 4-20 mA. Cela le rend idéal pour les émetteurs modernes qui nécessitent à la fois une grande fiabilité et un bon rendement énergétique dans les environnements industriels.

L'avantage thermique des régulateurs abaisseurs réduit considérablement le recours à des dissipateurs thermiques pour les modules industriels à fort courant et haute température. Même un régulateur abaisseur de 5 µA reste plus efficace qu'un LDO, qui gaspille une part importante de la tension de la batterie sous forme de chaleur.

Commande de la boucle

La boucle de courant 4-20 mA est fréquemment utilisée pour transmettre des informations entre les capteurs sur le terrain et les systèmes de contrôle qui utilisent leurs données. Le signal peut représenter une température, une pression, un débit ou même une commande pour déplacer une vanne. Ce système est simple, fiable et performant sur de longues distances.

Une boucle de courant (Figure 1) peut transporter des signaux de mesure provenant d'instruments (comme des capteurs de température ou de pression) ou des signaux de commande vers des dispositifs qui déplacent ou ajustent des mécanismes (comme des positionneurs de vannes).

Figure 1 : Schéma d'une boucle de courant 4-20 mA illustrant comment celle-ci transmet des signaux analogiques en utilisant le courant plutôt que la tension dans les applications d'automatisation industrielle, les systèmes de capteurs et les applications de contrôle de processus. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Une boucle de courant comprend quatre éléments clés :

• Une alimentation CC : selon la configuration, elle peut être de 9 V, 12 V, 24 V ou plus. L'alimentation doit fournir une tension légèrement supérieure, d'au moins 10 % environ, pour couvrir la chute de tension créée par les composants du circuit (émetteur, récepteur, câblage) lorsque le courant circule. Des régulateurs réduisent ensuite cette tension pour alimenter les capteurs et les composants électroniques.
• L'émetteur côté capteur transmet des signaux électriques qui représentent le monde physique : le capteur génère un signal brut en fonction de la température, de la pression, de la distance ou d'autres mesures physiques. S'il s'agit d'une tension analogique, le convertisseur tension-courant de l'émetteur la convertit en un courant proportionnel compris entre 4 mA et 20 mA. S'il s'agit d'un capteur numérique, la sortie est reconvertie en courant analogique via un CNA. L'émetteur dispose de sa propre alimentation, telle qu'un LDO ou un régulateur abaisseur.
• Un récepteur côté commande : le récepteur lit le signal 4-20 mA et le convertit en une tension que le système de contrôle peut mesurer, afficher ou exploiter.
• Le câblage en boucle relie l'alimentation, l'émetteur et le récepteur en série : une boucle peut s'étendre sur plusieurs milliers de mètres. Dans un système à 2 fils, les deux mêmes fils transportent à la fois le courant d'alimentation et le courant de signal. Un système à 4 fils, quant à lui, utilise des paires séparées pour l'alimentation et le signal.

Les composants d'une boucle de courant doivent être précis, écoénergétiques et fiables, même dans les environnements industriels difficiles où les températures peuvent varier de -40°C à +105°C. En outre, ils doivent prendre en charge les mécanismes de sécurité et les fonctionnalités système nécessaires pour garantir la sécurité et la fiabilité de la boucle.

Repousser les limites des LDO

Les régulateurs linéaires sont faciles à utiliser et présentent un faible bruit, mais ils gaspillent l'énergie excédentaire sous forme de chaleur et atteignent rapidement leurs limites en termes de courant disponible. Plus les ingénieurs ajoutent de fonctionnalités à l'émetteur, telles que des systèmes de diagnostics, des interfaces numériques ou une intelligence locale, plus la demande en énergie augmente et plus les limites d'un simple LDO risquent d'être dépassées. Il est ainsi préférable d'utiliser un régulateur à découpage plus efficace, tel qu'un modèle de la série LT8618 d'Analog Devices, Inc.

Le LT8618 est un convertisseur abaisseur à la fois compact et puissant, conçu pour les environnements difficiles tels que les applications industrielles, automobiles et autres avec des sources d'alimentation imprévisibles. Il est particulièrement adapté aux systèmes à boucle de courant 4-20 mA, offrant un courant de repos ultrafaible, un rendement élevé, une large plage d'entrée de 3,4 V à 60 V pour le fonctionnement continu et jusqu'à 65 V pour les conditions transitoires.

La famille LT8618 offre un ensemble polyvalent de régulateurs abaisseurs adaptés à une large gamme d'applications industrielles et alimentées en boucle. Par exemple :

• Le LT8618EDDB-3.3#TRPBF (voir le schéma de la Figure 2) fournit une sortie fixe de 3,3 V, idéale pour les systèmes exigeant une tension stable et bien définie afin de gérer les rails imprévisibles fréquents dans les environnements industriels et de terrain. Avec un courant de sortie de crête de 100 mA, il convient à l'alimentation de capteurs, d'émetteurs et d'autres circuits auxiliaires. Son courant de repos ultrafaible minimise les pertes d'énergie pendant les périodes de faible activité, ce qui contribue à améliorer le rendement du système et à prolonger l'autonomie de la batterie.

Figure 2 : Configuration d'un régulateur abaisseur utilisant le LT8618-3.3, qui délivre une tension fixe de 3,3 V. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

• Le LT8618EDDB#WTRMPBF offre la même large plage d'entrée et la même sortie de 100 mA, mais avec une sortie réglable de 0,778 V à 40 V. Il est donc idéal pour alimenter les circuits analogiques, numériques ou de référence à l'intérieur d'un émetteur, en particulier lorsque plusieurs rails d'alimentation sont nécessaires. Comme son homologue à sortie fixe, il combine une réponse transitoire rapide avec une protection robuste contre les courts-circuits et un blocage thermique, garantissant un fonctionnement fiable sur toute la plage industrielle de -40°C à +125°C.

Cette flexibilité permet aux ingénieurs de sélectionner le régulateur adapté aux besoins de tension et de courant d'un système à boucle de courant 4-20 mA, garantissant un fonctionnement fiable tout en minimisant la chaleur et le gaspillage d'énergie.

Avec un faible courant de repos de 2,5 µA en fonctionnement Burst Mode®, le LT8618 ne consomme pas l'énergie de la boucle, laissant ainsi davantage d'énergie disponible pour les capteurs, les convertisseurs et les communications. Cette combinaison de rendement élevé et de faible consommation en mode veille permet d'ajouter davantage de fonctionnalités sans dépasser le quota de courant disponible, ce qui est un véritable défi.

Dans un émetteur à boucle de courant 4-20 mA, une petite inductance et un condensateur de sortie sont placés à proximité du LT8618 sur le circuit imprimé pour former un filtre de sortie, qui lisse la tension et fournit une alimentation stable au capteur et aux circuits auxiliaires. Une tension d'entrée appropriée, telle que 24 VCC, offre suffisamment de marge par rapport à la tension de fonctionnement de l'émetteur tout en fournissant une régulation précise et une réponse transitoire, garantissant une alimentation stable même lorsque le courant de boucle varie en fonction des charges du capteur.

Le LT8618 permet d'étendre les capacités des émetteurs afin de prendre en charge des capteurs avancés, une logique numérique et des fonctions de sécurité sans dépasser la limite de 4-20 mA de la boucle de courant.

Les fonctions de protection intégrées, notamment la protection contre les surtensions, le blocage thermique et les courts-circuits, fournissent un fonctionnement robuste dans les environnements de terrain difficiles. Le boîtier compact et le nombre minimal de composants externes du LT8618 simplifient la conception des cartes, ce qui est particulièrement important dans les émetteurs à espace restreint.

Conclusion

En remplaçant les régulateurs linéaires inefficaces par un régulateur à découpage haut rendement compact tel que le LT8618 d'ADI, les ingénieurs peuvent remédier aux limites des LDO et débloquer de nouvelles fonctionnalités tout en répondant aux exigences de précision, de fiabilité et de température exigées par les applications industrielles modernes.