通常、設計者は、4 ～ 20 mA の電流ループで設計された産業用センシングおよび IoT システムに電力を供給するために、低ドロップアウト電圧レギュレータ (LDO) をデフォルトで使用します。ただし、消費電力と限られたスペースを重視するアプリケーションでは、LDO はますます非現実的になってきています。この時点で、設計者は、特に高いエネルギー効率、放熱性能、バッテリ寿命の延長が必要なアプリケーションの場合、電圧レギュレータ (降圧コンバータとも呼ばれる) への切り替えを検討する必要があります。
4 ～ 20 mA 電流ループは、センサーからプログラマブル ロジック コントローラー (PLC) に測定結果を送信し、PLC の制御出力をプロセス変調装置に送信するための堅牢で信頼性の高い方法です。このシステムは、ツイストペアケーブルを使用して正確でノイズに強い長距離信号伝送を保証するため、さまざまな産業環境に最適です。ワイヤの長さに関係なく、電流は一定に保たれるため、工場、研究所、および遠隔監視アプリケーションの標準構成となっています。
電流ループにおける LDO とスイッチング レギュレータの間のトレードオフを評価することは、よりスマートで持続可能な設計を実現するのに役立つ可能性があります。
LDO は、超低ノイズ、簡素化された材料リスト、最小限の電圧レギュレーション マージンなどの利点を提供できる、いくつかの特殊な状況において依然としてその役割を果たしています。ただし、入力電圧と出力電圧の差を熱として放散するため、固有効率は低くなります。これらの無駄なエネルギーは、アプリケーションの熱負荷の増加につながり、ポータブルまたはリモート アプリケーションのバッテリ寿命を大幅に短縮する可能性があります。
効率、放熱性能、またはバッテリーの動作時間が重要な場合は、同期電圧降下がより良い選択となる可能性があります。ミリアンペアの負荷条件下でも、最新の同期電圧低減技術により 85% ～ 95% の効率が得られ、発熱が大幅に低減され、低マイクロアンペア範囲の静電流も提供できるようになりました。 LDO は過剰な電圧を熱として放散し、電圧レギュレータは過剰な電圧を使用可能な電流に効率的に変換できるため、過熱やエネルギーの無駄を発生させることなく、より多くの電力を消費する機能を実現できます。
これらの機能により、電圧レギュレータは、入力マージンが数ボルトを超える、熱効率が必要な、または限られた電力での長期間の動作が必要な 4 ～ 20 mA ループ (バッテリ駆動のセンサなど) にとって好ましいソリューションとなります。
設計された電源電圧が電流ループトランスミッタに必要な電圧よりも約 6V 高く、回路基板上に小さなインダクタと出力コンデンサを収容できるスペースがある場合、通常は効率的な同期降圧レギュレータが最良の選択となります。電圧を効果的に低減し、熱の無駄を最小限に抑え、4 ～ 20 mA ループ内の他の機能に電力を供給するのに十分な電流を確保できます。したがって、産業環境において信頼性とエネルギー効率の両方を必要とする最新の送信機にとって理想的な選択肢となります。
電圧レギュレータの熱放散の利点により、大電流および高温の産業用モジュールにおけるヒートシンクの要件が大幅に軽減されます。後者はバッテリ電圧のかなりの部分を熱に変換するため、5 µA の降圧回路でも LDO より効率が高くなります。
ドライブループ
4 ～ 20 mA の電流ループは、現場のセンサーとそのデータを使用する制御システムの間で情報を送信する最も一般的な方法の 1 つです。信号は、温度、圧力、流量、さらにはバルブを動かす命令を表すことができます。シンプルで信頼性が高く、長距離の使用に効果的です。
電流ループ (図 1) は、温度センサーや圧力センサーなどの機器からの測定信号を送信したり、バルブ ポジショナーなどの機構を移動または調整するデバイスに制御信号を送信したりできます。
4 ～ 20 mA 電流ループの回路図
図 1: 4 ～ 20 mA 電流ループの回路図は、産業オートメーション、センサー システム、およびプロセス制御アプリケーションでアナログ信号を送信するために電圧の代わりに電流を使用する方法を示しています。 (画像出典: アナログ・デバイセズ社)
電流ループは 4 つの主要コンポーネントで構成されます。
DC電源：設定により9V、12V、24V以上となります。電源によって供給される電圧は、少なくとも 10% 高くする必要があります。これは、電流が流れるときにループ内のすべてのコンポーネント (送信機、受信機、配線) が「減少」する電圧の量でもあります。次に、ローカル レギュレータが電圧を下げて、センサーや電子デバイスに電力を供給します。
センサーの片側にある送信機は、物理世界を表す電気信号を送信します。センサーは、温度、圧力、距離、またはその他の物理的測定値に関連する生の信号を生成します。アナログ電圧の場合、送信機の電圧電流変換器はそれを 4 mA ～ 20 mA の比例電流に変換します。デジタル センサーの場合、出力は DAC を介してアナログ電流に変換されます。トランスミッタには、LDO や電圧レギュレータなどの独自の電源があります。
制御側の受信機: 受信機は 4 ～ 20 mA 信号を読み取り、制御システムが測定、表示、または実行できる電圧に変換します。
ループ配線は、電源、送信機、受信機を直列に接続します。ループの長さは最大数千フィートになる場合があります。二重線システムでは、同じ 2 本の線が電力と信号電流を同時に伝送します。 4 線システムは、異なるワイヤ ペアを使用して電力と信号を送信します。
温度範囲が -40 °C ～ +105 °C の過酷な産業環境であっても、電流ループのコンポーネントは正確で、エネルギー効率が高く、信頼性が高くなければなりません。さらに、ループの安全性と信頼性を確保するために、必要な安全性およびシステム レベルの機能もサポートする必要があります。