I regolatori buck superano le carenze termiche e di potenza degli LDO

I progettisti ricorrono spesso ai regolatori a bassa caduta (LDO) per alimentare i sistemi di rilevamento industriale e IoT con circuiti di corrente di 4-20 mA. Ma gli LDO sono sempre più inefficienti per le applicazioni a risparmio energetico e con vincoli di spazio. Ecco perché i progettisti dovrebbero optare per i regolatori buck, noti anche come convertitori step-down, soprattutto nelle applicazioni in cui sono fondamentali efficienza energetica, prestazioni termiche e durata della batteria.

Il circuito di corrente di 4-20 mA è un metodo robusto e affidabile per trasmettere le misurazioni dai sensori ai controller a logica programmabile (PLC) e le uscite di controllo dai PLC ai dispositivi di modulazione del processo. Questo sistema garantisce una trasmissione del segnale accurata e resistente al rumore su lunghe distanze utilizzando un cavo a doppini intrecciati ed è dunque ideale per vari ambienti industriali. La corrente costante, indipendentemente dalla lunghezza del filo, ne ha fatto uno standard nelle applicazioni di fabbrica, laboratorio e monitoraggio remoto.

Soppesare i compromessi tra LDO e regolatori a commutazione per i circuiti di corrente può aiutare a realizzare progetti più intelligenti e sostenibili.

Gli LDO rimangono utili per i casi di nicchia in cui storicamente hanno fornito i vantaggi di un rumore bassissimo, di una distinta base semplificata o di una regolazione con un margine di tensione molto ridotto. Tuttavia, sono intrinsecamente meno efficienti perché dissipano la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita sotto forma di calore. Questo spreco di energia comporta un aumento del carico termico dell'applicazione e può ridurre significativamente la durata della batteria nelle applicazioni portatili o remote.

Quando l'efficienza, le prestazioni termiche o l'autonomia della batteria sono importanti, il buck sincrono è probabilmente l'opzione migliore. Un moderno buck sincrono offre un'efficienza compresa tra l'85% e il 95% anche con carichi di pochi milliampere, riduce drasticamente il calore e può ora fornire correnti di quiescenza nell'ordine dei microampere. Mentre un LDO dissipa la tensione in eccesso sotto forma di calore, il regolatore buck converte in modo efficiente la tensione in eccesso in corrente utilizzabile, consentendo l'utilizzo di funzioni più energivore senza surriscaldamento o spreco di energia.

Queste caratteristiche rendono i regolatori buck una soluzione ideale per qualsiasi circuito di 4-20 mA che abbia più di qualche volt di margine in ingresso, che richieda efficienza termica o che debba funzionare per lunghi periodi con un'alimentazione limitata, come i sensori a batteria.

Se un progetto ha una tensione di alimentazione di circa 6 V superiore a quella richiesta dal trasmettitore del circuito di corrente e la scheda ha spazio per un piccolo induttore e un condensatore di uscita, allora il regolatore buck sincrono ad alta efficienza è solitamente la scelta migliore. Infatto, abbassa la tensione in modo efficiente, riduce al minimo il calore disperso e garantisce la disponibilità di corrente sufficiente per alimentare funzioni aggiuntive nel circuito di 4-20 mA. Ciò lo rende ideale per i moderni trasmettitori che richiedono affidabilità ed efficienza energetica negli ambienti industriali.

Il vantaggio termico di un regolatore buck riduce significativamente i requisiti di dissipazione del calore per i moduli industriali ad alta corrente e ad alta temperatura. Anche un buck da 5 µA è comunque più efficiente di un LDO che spreca una porzione considerevole della tensione della batteria come calore.

Pilotare il circuito

Il circuito di corrente di 4-20 mA è uno dei modi più comuni per inviare informazioni tra i sensori sul campo e i sistemi di controllo che utilizzano questi dati. Il segnale può rappresentare la temperatura, la pressione, il flusso o anche un comando di azionamento per una valvola. È semplice, affidabile e funziona bene sulle lunghe distanze.

Un circuito di corrente (Figura 1) può trasportare segnali di misurazione da strumenti (come sensori di temperatura o di pressione) o segnali di controllo a dispositivi che muovono o regolano meccanismi (come posizionatori di valvole).

Figura 1: Schema di un circuito di corrente di 4-20 mA, per illustrare il modo in cui trasmette segnali analogici utilizzando la corrente anziché la tensione in applicazioni di automazione industriale, sistemi di sensori e controllo di processo. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Un circuito di corrente incorpora quattro elementi chiave:

• Alimentazione in corrente continua: a seconda della configurazione, può essere da 9 V, 12 V, 24 V o superiore. L'alimentazione deve fornire un po' di tensione in più, almeno circa il 10% rispetto a quella a cui si abbassano tutti i componenti del circuito quando scorre la corrente (trasmettitore, ricevitore, cablaggio). I regolatori locali abbassano poi la potenza per alimentare i sensori e l'elettronica.
• Il trasmettitore sul lato del sensore trasmette i segnali elettrici che rappresentano il mondo fisico: il sensore genera un segnale grezzo su temperatura, pressione, distanza o altre misurazioni fisiche. Se si tratta di una tensione analogica, il convertitore tensione-corrente del trasmettitore la converte in una corrente proporzionale compresa tra 4 mA e 20 mA. Se si tratta di un sensore digitale, l'uscita viene trasformata in una corrente analogica attraverso un DAC. Il trasmettitore ha un proprio alimentatore, come un LDO o un regolatore buck.
• Ricevitore sul lato di controllo: il ricevitore legge il segnale di 4-20 mA e lo converte in una tensione che il sistema di controllo può misurare, visualizzare o utilizzare.
• Il cablaggio del circuito collega in serie l'alimentatore, il trasmettitore e il ricevitore: un circuito può estendersi su centinaia di metri. In un sistema a due fili, gli stessi due fili trasportano sia la corrente di alimentazione sia quella di segnale. Un sistema a 4 fili utilizza coppie separate per l'alimentazione e il segnale.

I componenti di un circuito di corrente devono essere precisi, ad alta efficienza energetica e affidabili, anche in ambienti industriali difficili, dove le temperature possono oscillare da -40 °C a +105 °C. Inoltre, devono anche supportare le necessarie funzioni di sicurezza e di sistema per mantenere il circuito sicuro e affidabile.

Superare i limiti degli LDO

I regolatori lineari sono facili da usare e poco rumorosi, ma sprecano l'energia in eccesso sotto forma di calore e hanno un limite massimo della corrente disponibile. Quando i progettisti aggiungono altre funzioni al trasmettitore, ad esempio diagnostica, interfacce digitali o intelligenza locale, la richiesta di potenza aumenta e può superare quella fornita da un semplice LDO. Un'opzione migliore consiste nell'utilizzare un regolatore a commutazione più efficiente, come uno della serie LT8618 di Analog Devices, Inc..

LT8618 è un convertitore buck piccolo ma potente, progettato per gli ambienti più difficili, tra cui quelli industriali, automotive e altre applicazioni con fonti di alimentazione imprevedibili. Funziona particolarmente bene nei sistemi con anello di corrente di 4-20 mA, offrendo una bassissima corrente di quiescenza, un'elevata efficienza, un ampio intervallo di ingresso da 3,4 V a 60 V per il funzionamento continuo e fino a 65 V per le condizioni transitorie.

La famiglia LT8618 è una serie versatile di regolatori buck adatti a un'ampia gamma di applicazioni industriali e alimentate ad anello. Ad esempio:

• Il modello LT8618EDDB-3.3#TRPBF (schema in Figura 2) fornisce un'uscita fissa a 3,3 V, ideale per i progetti che necessitano di una tensione stabile e ben definita per gestire i rail imprevedibili tipici degli ambienti industriali e sul campo. Con una corrente di picco in uscita di 100 mA, è adatto per alimentare sensori, trasmettitori e altri circuiti di supporto. La bassissima corrente di quiescenza riduce al minimo le perdite di potenza durante i periodi di bassa attività, contribuendo a prolungare l'efficienza del sistema e la durata della batteria.

Figura 2: Configurazione di un regolatore buck che utilizza LT8618-3.3, con uscita fissa a 3,3 V. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

• LT8618EDDB#WTRMPBF offre lo stesso ampio intervallo di ingresso e un'uscita a 100 mA, ma con un'uscita regolabile compresa tra 0,778 V e 40 V. Ciò lo rende adatto all'alimentazione di circuiti analogici, digitali o di riferimento all'interno di un trasmettitore, soprattutto quando sono necessari più rail di alimentazione. Come la sua controparte a uscita fissa, combina una rapida risposta ai transitori con una robusta protezione dai cortocircuiti e dall'arresto termico, assicurando un funzionamento affidabile nell'intero intervallo di temperatura industriale tra -40 °C e +125 °C.

Questa flessibilità consente ai progettisti di scegliere il regolatore adatto alle esigenze di tensione e corrente di un sistema con circuito di corrente di 4-20 mA, garantendo un funzionamento affidabile e riducendo al minimo il calore e lo spreco di energia.

Con una bassa corrente di quiescenza di 2,5 µA inBurst Mode®, LT8618 non assorbe energia di circuito, lasciandone di più per sensori, convertitori e comunicazioni. Questa combinazione di efficienza e basso assorbimento in standby risponde direttamente alla sfida di aggiungere ulteriori funzionalità senza sovraccaricare la disponibilità di corrente.

In un trasmettitore a circuito di corrente di 4-20 mA, vengono posizionati un piccolo induttore e un condensatore di uscita vicino a LT8618 sulla scheda a circuiti stampati per formare un filtro di uscita, che livella la tensione e fornisce un'alimentazione stabile sia al sensore sia alla circuiteria di supporto. Una tensione di ingresso adeguata, come 24 V c.c., offre un ampio margine rispetto alla tensione di funzionamento del trasmettitore e garantisce una regolazione e una risposta ai transitori precisa, assicurando una potenza stabile anche quando la corrente di circuito varia con il variare del carico del sensore.

LT8618 consente di espandere le capacità del trasmettitore per supportare sensori avanzati, logica digitale e funzioni di sicurezza senza superare il limite di 4-20 mA del circuito di corrente.

Le funzioni di protezione integrate, tra cui la protezione da sovratensione, arresto termico e cortocircuito, garantiscono una funzionalità robusta in ambienti difficili. Il contenitore compatto di LT8618 e il numero minimo di componenti esterni semplificano il layout della scheda, un aspetto particolarmente importante nei trasmettitori con vincoli di spazio.

Conclusione

Sostituendo gli inefficienti regolatori lineari con un regolatore a commutazione compatto e ad alta efficienza come LT8618 di ADI, i progettisti possono superare i limiti degli LDO e sfruttare nuove funzionalità, continuando a soddisfare i requisiti di precisione, affidabilità e temperatura richiesti dalle moderne applicazioni industriali.