डिजाइनर आमतौर पर 4-20 एमए वर्तमान लूप के साथ डिजाइन किए गए औद्योगिक सेंसिंग और आईओटी सिस्टम को बिजली देने के लिए कम ड्रॉपआउट वोल्टेज नियामकों (एलडीओ) का उपयोग करने में डिफ़ॉल्ट होते हैं। हालाँकि, बिजली की खपत और सीमित स्थान पर ध्यान केंद्रित करने वाले अनुप्रयोगों के लिए, एलडीओ तेजी से अव्यावहारिक होता जा रहा है। इस बिंदु पर, डिजाइनरों को वोल्टेज नियामकों (जिन्हें हिरन कन्वर्टर्स के रूप में भी जाना जाता है) पर स्विच करने पर विचार करना चाहिए, खासकर उन अनुप्रयोगों के लिए जिनके लिए उच्च ऊर्जा दक्षता, गर्मी अपव्यय प्रदर्शन और विस्तारित बैटरी जीवन की आवश्यकता होती है।
4-20 एमए करंट लूप सेंसर से प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर (पीएलसी) तक माप परिणाम प्रसारित करने और पीएलसी के नियंत्रण आउटपुट को प्रोसेस मॉड्यूलेशन उपकरण तक प्रसारित करने के लिए एक मजबूत और विश्वसनीय तरीका है। यह प्रणाली मुड़ जोड़ी केबलों का उपयोग करके सटीक और शोर प्रतिरोधी लंबी दूरी के सिग्नल ट्रांसमिशन को सुनिश्चित करती है, जो इसे विभिन्न औद्योगिक वातावरणों के लिए एक आदर्श विकल्प बनाती है। तार की लंबाई के बावजूद, करंट सुसंगत रहता है, जिससे यह कारखानों, प्रयोगशालाओं और दूरस्थ निगरानी अनुप्रयोगों के लिए एक मानक विन्यास बन जाता है।
एलडीओ और वर्तमान लूप में स्विचिंग नियामकों के बीच व्यापार-बंद का मूल्यांकन करने से स्मार्ट और अधिक टिकाऊ डिजाइन प्राप्त करने में मदद मिल सकती है।
एलडीओ अभी भी कुछ विशेष स्थितियों में अपना स्थान रखता है, जहां यह अल्ट्रा-लो शोर, सरलीकृत सामग्री सूची, या न्यूनतम वोल्टेज विनियमन मार्जिन जैसे लाभ प्रदान कर सकता है। हालाँकि, उनमें अंतर्निहित दक्षता कम होती है क्योंकि वे इनपुट और आउटपुट वोल्टेज के बीच के अंतर को गर्मी के रूप में नष्ट कर देते हैं। इन बर्बाद ऊर्जाओं से अनुप्रयोगों में थर्मल लोड में वृद्धि हो सकती है और पोर्टेबल या दूरस्थ अनुप्रयोगों में बैटरी जीवन बहुत कम हो सकता है।
जब दक्षता, गर्मी अपव्यय प्रदर्शन, या बैटरी चलने का समय महत्वपूर्ण होता है, तो सिंक्रोनस वोल्टेज कटौती एक बेहतर विकल्प हो सकता है। मिलीएम्पियर लोड स्थितियों के तहत भी, आधुनिक सिंक्रोनस वोल्टेज कटौती तकनीक 85% से 95% की दक्षता प्रदान कर सकती है, जिससे गर्मी उत्पादन में काफी कमी आती है, और अब कम माइक्रोएम्पियर रेंज की स्थैतिक धारा भी प्रदान की जा सकती है। एलडीओ अतिरिक्त वोल्टेज को गर्मी के रूप में नष्ट कर देगा, जबकि वोल्टेज नियामक प्रभावी रूप से अतिरिक्त वोल्टेज को प्रयोग करने योग्य करंट में परिवर्तित कर सकते हैं, जिससे अधिक गर्मी या ऊर्जा बर्बाद किए बिना अधिक बिजली खपत वाले कार्य प्राप्त हो सकते हैं।
ये विशेषताएं वोल्टेज नियामकों को किसी भी 4-20 एमए लूप (जैसे बैटरी चालित सेंसर) के लिए पसंदीदा समाधान बनाती हैं, जिसमें इनपुट मार्जिन कुछ वोल्ट से अधिक होता है, जिसके लिए थर्मल दक्षता की आवश्यकता होती है, या सीमित शक्ति पर दीर्घकालिक संचालन की आवश्यकता होती है।
यदि डिज़ाइन किया गया आपूर्ति वोल्टेज वर्तमान लूप ट्रांसमीटर द्वारा आवश्यक वोल्टेज से लगभग 6V अधिक है, और छोटे इंडक्टर्स और आउटपुट कैपेसिटर को समायोजित करने के लिए सर्किट बोर्ड पर जगह है, तो एक कुशल सिंक्रोनस हिक रेगुलेटर आमतौर पर सबसे अच्छा विकल्प होता है। यह प्रभावी ढंग से वोल्टेज को कम कर सकता है, गर्मी की बर्बादी को कम कर सकता है, और 4-20 एमए लूप में अन्य कार्यों को बिजली देने के लिए पर्याप्त करंट सुनिश्चित कर सकता है। इसलिए, यह आधुनिक ट्रांसमीटरों के लिए एक आदर्श विकल्प है जिसके लिए औद्योगिक वातावरण में विश्वसनीयता और ऊर्जा दक्षता दोनों की आवश्यकता होती है।
वोल्टेज नियामकों का ताप अपव्यय लाभ उच्च धारा और उच्च तापमान वाले औद्योगिक मॉड्यूल में हीट सिंक की आवश्यकताओं को काफी कम कर देता है। यहां तक कि 5 μ ए बक सर्किट में एलडीओ की तुलना में अधिक दक्षता होती है, क्योंकि एलडीओ बैटरी वोल्टेज के एक महत्वपूर्ण हिस्से को गर्मी में परिवर्तित करता है।
ड्राइव लूप
4-20 एमए वर्तमान लूप ऑन-साइट सेंसर और उनके डेटा का उपयोग करने वाले नियंत्रण प्रणालियों के बीच जानकारी भेजने के सबसे आम तरीकों में से एक है। सिग्नल तापमान, दबाव, प्रवाह दर और यहां तक कि वाल्व को स्थानांतरित करने के निर्देशों का भी प्रतिनिधित्व कर सकते हैं। यह लंबी दूरी तक उपयोग के लिए सरल, विश्वसनीय और प्रभावी है।
वर्तमान लूप (चित्रा 1) तापमान या दबाव सेंसर जैसे उपकरणों से माप संकेतों को प्रसारित कर सकता है, या वाल्व पोजिशनर्स जैसे तंत्र को स्थानांतरित या विनियमित करने वाले उपकरणों पर नियंत्रण संकेतों को प्रसारित कर सकता है।
4-20 एमए वर्तमान लूप का योजनाबद्ध आरेख
चित्र 1: 4-20 एमए करंट लूप का एक योजनाबद्ध आरेख दिखाता है कि औद्योगिक स्वचालन, सेंसर सिस्टम और प्रक्रिया नियंत्रण अनुप्रयोगों में एनालॉग सिग्नल संचारित करने के लिए वोल्टेज के बजाय करंट का उपयोग कैसे किया जाए। (छवि स्रोत: एनालॉग डिवाइसेस, इंक.)
वर्तमान लूप में चार मुख्य घटक होते हैं:
डीसी बिजली की आपूर्ति: सेटिंग्स के आधार पर, यह 9 वी, 12 वी, 24 वी या अधिक हो सकती है। बिजली आपूर्ति द्वारा प्रदान किया गया वोल्टेज अधिक होना चाहिए - कम से कम 10% अधिक, जो वोल्टेज की वह मात्रा भी है जो करंट प्रवाहित होने पर लूप के सभी घटकों (ट्रांसमीटर, रिसीवर, वायरिंग) में "कमी" हो जाती है। फिर, स्थानीय नियामक सेंसर और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बिजली देने के लिए इसे बंद कर देता है।
सेंसर के एक तरफ का ट्रांसमीटर भौतिक दुनिया का प्रतिनिधित्व करने वाले विद्युत संकेतों को प्रसारित करता है: सेंसर तापमान, दबाव, दूरी या अन्य भौतिक माप से संबंधित कच्चे सिग्नल उत्पन्न करता है। यदि यह एक एनालॉग वोल्टेज है, तो ट्रांसमीटर का वोल्टेज करंट कनवर्टर इसे 4 mA से 20 mA के आनुपातिक करंट में परिवर्तित कर देगा। यदि यह एक डिजिटल सेंसर है, तो आउटपुट को DAC के माध्यम से एनालॉग करंट में परिवर्तित किया जाता है। ट्रांसमीटर की अपनी बिजली आपूर्ति होती है, जैसे एलडीओ या वोल्टेज नियामक।
नियंत्रण छोर पर रिसीवर: रिसीवर 4-20 एमए सिग्नल पढ़ता है और इसे वोल्टेज में परिवर्तित करता है जिसे नियंत्रण प्रणाली माप, प्रदर्शित या निष्पादित कर सकती है।
लूप वायरिंग बिजली की आपूर्ति, ट्रांसमीटर और रिसीवर को श्रृंखला में जोड़ती है: लूप हजारों फीट तक लंबा हो सकता है। दोहरी तार प्रणाली में, वही दो तार एक साथ बिजली और सिग्नल धाराओं को संचारित करते हैं। 4-तार प्रणाली बिजली और सिग्नल संचारित करने के लिए विभिन्न तार जोड़े का उपयोग करती है।
यहां तक कि -40 डिग्री सेल्सियस से +105 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान वाले कठोर औद्योगिक वातावरण में भी, वर्तमान लूप के घटक सटीक, ऊर्जा-कुशल और विश्वसनीय होने चाहिए। इसके अलावा, उन्हें लूप की सुरक्षा और विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक सुरक्षा और सिस्टम स्तर के कार्यों का भी समर्थन करना चाहिए।