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Innovador regulador de conmutación abastece la electrónica del transmisor con corriente triple

Aunque los protocolos de transmisión de datos digitales se han vuelto estándares hace tiempo en la tecnología de procesos, el bucle analógico de 4-20 mA sigue siendo vigente. La “red de rieles” establecida millones de veces no solamente sirve de manera excelente para el “transporte” de los datos analógicos de sensores, sino también para la transmisión de información digital. Sin embargo, es necesario abastecer al sistema electrónico con energía en el lado transmisor. Pero, ¿qué hacer cuando las escasas reservas de la corriente de bucle no son suficientes, y otras fuentes de energía están fuera de su alcance? ¡Ahora se presenta un innovador regulador de conmutación que triplica el rendimiento actual de corriente de 10 mA!

Con 70 años a sus espaldas, el bucle analógico de 4-20 mA ya tiene una buena edad para jubilarse, pero sigue siendo de gran actualidad. Porque es para la tecnología de procesos exactamente lo que es el bus USB para la electrónica: ¡Un estándar global con una estructura relativamente simple que sirve como base de orientación para todos! Un sucesor no está a la vista y tampoco se busca. Gracias a las “actualizaciones digitales” en forma de procesadores de señal y módems HART pueden integrarse también los sensores “inteligentes” en el sistema, preparando así el bucle para el futuro. Pero volvamos a lo básico: Ya sea el flujo, la presión, el nivel de llenado, la humedad, la temperatura u otras magnitudes físicas que deben ser monitoreadas. La conexión entre sensor y receptor se basa siempre en una técnica sencilla de dos conductores que no transmite las señales como tensión, sino como corriente aplicada. Por definición, 4 mA corresponden al valor de 0 % y 20 mA al valor de 100 % (Fig. 2). Este esquema implica una serie de ventajas. El largo de los cables puede elegirse libremente, mientras la tensión de bucle sea lo suficientemente grande para conducir al menos 20 mA de corriente a través de la línea. Los impulsos de corriente son resistentes a todos los tipos de fuentes de interferencia en un entorno industrial, por lo cual las exigencias para el cableado son relativamente poco críticas. Por lo tanto, las líneas de señales no deben estar separadas de los cables eléctricos. Esto simplifica considerablemente el cableado de grandes instalaciones, como en la industria petroquímica, donde los sensores pueden estar a cientos de metros de distancia, y reduce a la vez los costes. Dado que en el sistema fluye siempre una corriente como “señal de vida”, se incluye automáticamente el monitoreo de fallos. ¡Si no fluye la corriente, el valor medido no es “0 %”, porque la conexión está interrumpida o el sensor defectuoso! Sin embargo, existen deficiencias críticas. Lo que perturba enormemente es que cada sensor necesita su propio cable. Aquí interviene la tecnología digital y proporciona una “actualización” clave. En una versión moderna del bucle de 4-20 mA se procesan los datos de múltiples sensores por el DSP y se envían en paralelo como paquete de impulsos con frecuencia modulada a través de la línea analógica. Para ello se requieren módems HART (Highway Addressable Remote Transducer) que agregan las señales digitales en el lado del transmisor a la señal analógica para luego desacoplarlas nuevamente en el lado del receptor (Fig. 3). De esta manera, ambos están disponibles por separado en el centro de control. Esto es importante cuando se necesita responder a los cambios por medio de un decodificador en tiempo real, sin ningún retraso. La tecnología HART es hoy en día, con diferencia, el protocolo de datos más implementado en la industria de procesos y ha contribuido decisivamente para que el bucle de 4-20 mA estuviera preparado para el futuro.

Alimentación inteligente para transmisores inteligentes

Mientras la alimentación de un bucle de 4-20 mA se lleva a cabo en el lado receptor y no es problemática, porque basta con tensiones entre 12 y 36 V de una fuente de alimentación cualquiera, los recursos de corriente están sujetos a restricciones en el lado transmisor. Esto no producía ningún problema en “épocas analógicas”, ya que el sensor prácticamente no tuvo demanda eléctrica. Pero los tiempos han cambiado. Aunque es cierto que la capacidad disponible de <4 mA del bucle es generalmente suficiente para compensar los puentes o para abastecer el amplificador operacional. Pero cuando se trata de componentes digitales como DSP, módems y pantallas, se supera rápidamente el límite permisible de 4 mA (Fig. 4). Si una fuente de alimentación correspondiente está cerca, esto no genera ningún conflicto. Pero si el transmisor está “a distancia” en algún lugar de una caldera, el gasto es correspondientemente grande. Es más sofisticado en este caso cuando la electrónica se puede abastecer con potencia de un bucle. Una solución ofrece el uso de reguladores de conmutación que son conocidos por su alta eficiencia. Porque como reales “convertidores de potencia” son capaces de convertir un voltaje más alto en la entrada a una corriente más alta en la salida. Y eso es lo que se requiere cuando se desea “recoger” más corriente de un bucle de 4-20 mA de lo que ofrece el límite sistémico de <4 mA. Sin embargo, los reguladores de conmutación se han diseñado hasta la fecha exclusivamente para corrientes significativamente más altas. En las topologías conocidas, el consumo propio en vacío ya está notablemente por encima del límite permitido de <4 mA. Pero incluso si aún estuviera por debajo, sería necesario enfrentar otro obstáculo técnico. Porque los reguladores de conmutación transportan la potencia desde la entrada hacia la salida por impulsos. Dado que los valores de pico deben permanecer por debajo del límite de 4 mA, puede aprovecharse sólo una parte de la energía potencialmente disponible. Es necesario adentrarse en caminos completamente nuevos para poder implementar la tecnología de reguladores de conmutación sensatamente en aplicaciones de “baja potencia” a pesar de los elevados obstáculos.

Nueva tecnología reduce la corriente en vacío a 100 μA

En el laboratorio principal de RECOM en Gmunden se ha desarrollado una nueva topología de reguladores de conmutación para aplicaciones de “baja potencia”. El nuevo producto se presenta bajo el nombre R420-1.8/PL en el mercado y estará próximamente disponible como patrón de diseño (Fig. 5). La corriente de reposo se redujo a alrededor de 100 uA y deja de ser importante en la práctica. En la salida hay una corriente de 10 mA. Esto es tres veces más de lo que se había logrado con los reguladores lineales. Otra ventaja: La nueva tecnología permite programar la tensión de salida a través de una resistencia externa en el rango entre 1,8 V y 5 V. Por lo tanto, los usuarios pueden solucionar diferentes tareas con los mismos componentes. Mediante una frecuencia de conmutación limitada a poco menos de 50 kHz y una filtración correspondientemente cuidadosa podría limitarse la ondulación residual y el ruido a muy buenos valores por debajo de 30 mVpp. Además, los desarrolladores han conseguido diseñar el circuito de entrada de tal manera que los impulsos de corriente se compensen en gran medida. Así se puede utilizar de manera efectiva la corriente de bucle de 3,6 mA sin afectar al umbral de <4 mA. Los 10 mA disponibles en la salida son generalmente suficientes para abastecer los componentes electrónicos, tales como DSP, módems HART o pantallas, con suficiente energía desde el bucle. Conclusión El hecho de que el R420-1.8/PL con un consumo idéntico de energía idéntica en la salida ponga a disposición 3 veces más de potencia que el regulador lineal previamente disponible, abre una amplia gama de aplicaciones adicionales en la “digitalización” del bucle de 4-20 mA. Esto les otorga aún más inteligencia a los sensores y garantiza para más décadas la continuidad de esta interfaz extremadamente popular. El uso de este módulo interesante, sin embargo, no se limita únicamente a la tecnología de procesos. También en otras áreas, tales como IoT (Internet of Things), existen aplicaciones en las que sólo se requiere baja potencia para el suministro de componentes electrónicos. Es aquí donde pueden ser valiosos los nuevos reguladores de conmutación R420-1.8/PL de “baja potencia” de RECOM

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reguladores electrónicos


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