Los reguladores reductores superan las deficiencias térmicas y de potencia de los LDO

Los diseñadores suelen utilizar por defecto reguladores de baja caída (LDO) para alimentar los sistemas de detección industrial y de IoT que utilizan diseños de bucle de corriente de 4-20 mA. Sin embargo, los LDO son cada vez menos eficientes en aplicaciones con limitaciones de espacio y consumo. Por eso, los diseñadores deberían plantearse cambiar a reguladores reductores, también conocidos como convertidores reductores, especialmente en aplicaciones en las que la eficiencia energética, el rendimiento térmico y la mayor duración de la batería son fundamentales.

El bucle de corriente de 4-20 mA es un método sólido y fiable para transmitir mediciones de sensores a controladores lógicos programables (PLC) y salidas de control de PLC a dispositivos de modulación de procesos. Este sistema garantiza una transmisión de señales precisa y resistente al ruido a largas distancias mediante cable de par trenzado, por lo que resulta ideal para diversos entornos industriales. Una corriente constante, independientemente de la longitud del cable, lo ha convertido en un estándar en aplicaciones de fábrica, laboratorio y monitorización remota.

Evaluar las compensaciones entre LDO y reguladores de conmutación para bucles de corriente puede ayudar a conseguir diseños más inteligentes y sostenibles.

Los LDO siguen siendo útiles para nichos de mercado en los que históricamente han aportado las ventajas de un ruido ultrabajo, una lista de materiales simplificada o una regulación con muy poco margen de tensión. Sin embargo, son intrínsecamente menos eficientes porque disipan la diferencia entre la tensión de entrada y la de salida en forma de calor. Esta energía desperdiciada provoca un aumento de la carga térmica en una aplicación y puede reducir significativamente la duración de la batería en aplicaciones portátiles o remotas.

Cuando la eficiencia, el rendimiento térmico o la autonomía de la batería son importantes, el buck síncrono es probablemente la mejor opción. Un buck síncrono moderno ofrece una eficiencia de 85% a 95% incluso con cargas de miliamperios, reduce drásticamente el calor y ahora puede proporcionar corrientes de reposo en el rango de los bajos µA. Mientras que un LDO disipa el exceso de voltaje en forma de calor, el regulador buck convierte eficazmente el voltaje extra en corriente utilizable, lo que permite más funciones de alto consumo sin sobrecalentarse ni malgastar energía.

Estas características convierten a los reguladores reductores en la solución ideal para cualquier bucle de 4-20 mA que tenga más de unos pocos voltios de margen de entrada, que requiera eficiencia térmica o que deba funcionar durante largos periodos con una potencia limitada, como los sensores alimentados por batería.

Si un diseño tiene una tensión de alimentación unos 6 V superior a la que requiere el transmisor del bucle de corriente, y hay espacio en la placa para un pequeño inductor y condensador de salida, un regulador reductor síncrono de alta eficiencia suele ser la mejor opción. Reduce la tensión de forma eficiente, minimiza el calor desperdiciado y garantiza que haya suficiente corriente disponible para alimentar funciones adicionales en el bucle de 4-20 mA. Esto lo hace ideal para transmisores modernos que necesitan tanto fiabilidad como eficiencia energética en entornos industriales.

La ventaja térmica de un regulador reductor reduce significativamente los requisitos de disipación térmica para módulos industriales de alta corriente y alta temperatura. Incluso un buck de 5 µA sigue siendo más eficiente que un LDO que desperdicia una fracción considerable del voltaje de la batería en forma de calor.

Impulsar el bucle

El bucle de corriente de 4-20 mA es una de las formas más comunes de enviar información entre los sensores en el campo y los sistemas de control que utilizan sus datos. La señal puede representar la temperatura, la presión, el caudal o incluso la orden de mover una válvula. Es sencillo, fiable y funciona bien en largas distancias.

Un bucle de corriente (Figura 1) puede transportar señales de medición de instrumentos (como sensores de temperatura o presión) o señales de control a dispositivos que mueven o ajustan mecanismos (como posicionadores de válvulas).

Figura 1: Un esquema de bucle de corriente de 4-20 mA ilustra cómo transmite señales analógicas utilizando corriente en lugar de tensión en aplicaciones de automatización industrial, sistemas de sensores y control de procesos. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

Un bucle de corriente incorpora cuatro elementos clave:

• Una fuente de alimentación de CC: Dependiendo de la configuración, puede ser de 9 V, 12 V, 24 V o más. La alimentación debe proporcionar un poco más de tensión; al menos unos 10% por encima de lo que "caen" todos los componentes del bucle cuando circula corriente (emisor, receptor, cableado). Los reguladores locales reducen la potencia para alimentar los sensores y los componentes electrónicos.
• El transmisor del lado del sensor transmite señales eléctricas que representan el mundo físico: El sensor genera una señal bruta sobre temperatura, presión, distancia u otras mediciones físicas. Si se trata de una tensión analógica, el convertidor de tensión a corriente del transmisor la convierte en una corriente proporcional de entre 4 mA y 20 mA. Si se trata de un sensor digital, la salida se convierte de nuevo en una corriente analógica a través de un DAC. El transmisor tiene su propia fuente de alimentación, como un LDO o un regulador reductor.
• Un receptor en el lado de control: El receptor lee la señal de 4-20 mA y la convierte en una tensión que el sistema de control puede medir, mostrar o sobre la que puede actuar.
• El cableado del bucle conecta en serie la fuente de alimentación, el transmisor y el receptor: Un bucle puede recorrer miles de metros. En un sistema de 2 hilos, los mismos dos hilos transportan tanto la corriente de alimentación como la de señal. Un sistema de 4 hilos utiliza pares separados para la alimentación y la señal.

Los componentes de un bucle de corriente deben ser precisos, eficientes y fiables, incluso en entornos industriales difíciles donde las temperaturas pueden oscilar entre -40 °C y +105 °C. Por si fuera poco, también deben soportar las funciones necesarias de seguridad y a nivel de sistema que mantienen el bucle seguro y fiable.

Superar limitaciones

Los reguladores lineales son fáciles de usar y poco ruidosos, pero desperdician el exceso de energía en forma de calor y alcanzan un límite máximo de corriente disponible. A medida que los diseñadores añaden más funciones al transmisor, como diagnósticos, interfaces digitales o inteligencia local, la demanda de potencia aumenta y puede superar lo que puede suministrar un simple LDO. Una mejor opción es utilizar un regulador de conmutación más eficiente, como la serie LT8618 de Analog Devices, Inc.

El LT8618 es un convertidor reductor pequeño pero potente diseñado para entornos difíciles, como aplicaciones industriales, de automoción y otras con fuentes de alimentación impredecibles. Funciona especialmente bien en sistemas de bucle de corriente de 4-20 mA, ofreciendo una corriente de reposo ultrabaja, alta eficiencia, un amplio rango de entrada de 3.4 V a 60 V para funcionamiento continuo, y hasta 65 V para condiciones transitorias.

La familia LT8618 ofrece un conjunto versátil de reguladores reductores adecuados para una amplia gama de aplicaciones industriales y alimentadas por bucle. Por ejemplo:

• El LT8618EDDB-3.3#TRPBF (véase el esquema de la Figura 2) ofrece una salida fija de 3.3 V, ideal para diseños que necesitan una tensión estable y bien definida para manejar los raíles impredecibles habituales en entornos industriales y de campo. Con una corriente de salida máxima de 100 mA, es adecuado para alimentar sensores, transmisores y otros circuitos de apoyo. La corriente de reposo ultrabaja minimiza las pérdidas de energía durante los periodos de baja actividad, lo que ayuda a prolongar la eficiencia del sistema y la duración de la batería.

Figura 2: Configuración de un regulador reductor con el LT8618-3.3, que produce una salida fija de 3.3 V. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)

• El LT8618EDDB#WTRMPBF ofrece el mismo amplio rango de entrada y salida de 100 mA, pero con una salida ajustable que abarca de 0.778 V a 40 V. Esto lo hace idóneo para alimentar circuitos analógicos, digitales o de referencia dentro de un transmisor, especialmente cuando se necesitan varios carriles de alimentación. Al igual que su homólogo de salida fija, combina una rápida respuesta transitoria con una sólida protección contra cortocircuitos y desconexión térmica, lo que garantiza un funcionamiento fiable en todo el rango industrial de -40 °C a +125 °C.

Esta flexibilidad permite a los diseñadores seleccionar el regulador adecuado para satisfacer las necesidades de tensión y corriente de un sistema de bucle de corriente de 4-20 mA, garantizando un funcionamiento fiable al tiempo que se minimiza el calor y la energía desperdiciada.

Con una baja corriente de reposo de 2.5 µA en funcionamiento en modo ráfaga®, el LT8618 no consume energía del bucle, dejando más disponible para sensores, convertidores y comunicaciones. Esta combinación de eficiencia y bajo consumo en modo de espera responde directamente al reto de añadir más funciones sin sobrecargar el presupuesto actual.

En un transmisor de bucle de corriente de 4-20 mA, se colocan un pequeño inductor y un condensador de salida cerca del LT8618 en la placa de circuito impreso para formar un filtro de salida, que suaviza la tensión y suministra alimentación estable tanto al sensor como a los circuitos de apoyo. Una tensión de entrada adecuada, como 24 VCC, proporciona un amplio margen por encima de la tensión de funcionamiento de un transmisor y proporciona una regulación y respuesta transitoria precisas, garantizando una alimentación estable incluso cuando la corriente de bucle cambia con las cargas cambiantes del sensor.

El LT8618 permite ampliar las capacidades del transmisor para admitir sensores avanzados, lógica digital y funciones de seguridad sin superar el límite de 4-20 mA del bucle de corriente.

Las funciones de protección integradas, como sobretensión, desconexión térmica y protección contra cortocircuitos, proporcionan una funcionalidad resistente en entornos de campo difíciles. El encapsulado compacto del LT8618 y sus mínimos componentes externos simplifican el diseño de la placa, lo que es especialmente importante en transmisores con limitaciones de espacio.

Conclusión

Al sustituir los ineficientes reguladores lineales por un regulador de conmutación compacto y de alta eficiencia como el LT8618 de ADI, los diseñadores pueden superar las limitaciones de los LDO y desbloquear nuevas funcionalidades sin dejar de cumplir los requisitos de precisión, fiabilidad y temperatura que exigen las modernas aplicaciones industriales.