Warum sinkt die geregelte Spannung?

Für diejenigen, die mit 4-20-mA-Sensoren und Regelkreisen nicht vertraut sind: Sie werden häufig in industriellen Steuerungssystemen verwendet. Sie haben mehrere Vorteile, die in Warum wird Null in industriellen 4-20-mA-Steuerungssystemen durch 4 mA dargestellt? . Es genügt zu sagen, dass der Autor einen Sensor baut, der von der Schleife mit Strom versorgt wird. Es muss funktionieren, wenn weniger als 4 mA zur Verfügung stehen, um seine interne Elektronik mit Strom zu versorgen.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Abbildung 1. Dieses anfängliche Designkonzept wird nicht gut funktionieren, da der Stromerfassungswiderstand R3 den Strom, der von 0,4-2 V und U3-A fließt, nicht überwacht.

Eine kurze Bildsuche im Web brachte eine Maxim-Anwendungsnotiz „ Leistungsstarker, hochpräziser 4-20-mA-Stromschleifentransmitter erfüllt härteste industrielle Anforderungen“ zum Vorschein, die ein Schema zeigt, das dem OP sehr nahe kommt.

Abbildung 2. In diesem Schema sehen wir, dass ein GND 10 Ω über der negativen Leitung des Sensors erzeugt wurde. Das Feedback von R-sense wird von R2 bereitgestellt. Dieses Schema schließt den gesamten internen Strom des Geräts in die Ausgangsstromsteuerung ein.

Der gesamte Chipstrom in Ihrem Design fließt durch R1 und verursacht einen erheblichen Spannungsabfall. Beachten Sie im Maxim-Design die Hinzufügung von U4, einem LDO-Spannungsregler (Low Dropout), um die Chips mit Strom zu versorgen, während U3, die Präzisionsspannungsreferenz, nur Vref mit Strom versorgt. Sie sollten wahrscheinlich dasselbe tun, obwohl ein normaler Linearregler bei ausreichendem Versorgungsspielraum ausreichen könnte, wenn sein Ruhestrom nicht zu groß ist.

Der Anwendungshinweis von Maxim ist eine Lektüre wert.

[OP-Kommentar:] Empfehlen Sie also eine Grundschaltung, um 6 V (kann variieren) und maximal 3,5 mA zu liefern? Da ich eine Stromschleife von 4-20 mA möchte, sollte meine Schaltung weniger als 4 mA verbrauchen. TL431 scheint nicht die beste Option zu sein.

Der TL431 arbeitet als Shunt-Regler, so wie Sie ihn haben. Das heißt, wenn die Eingangsspannung ansteigt, leitet (und verschwendet) sie Strom gegen Masse. Setzen Sie einen Spannungsregler ein, wie Maxim vorschlägt, und verwenden Sie einfach den TL431 als Referenz. Gemäß dem TL431-Datenblatt , Satz 9, „ Damit sich dieses Gerät als Shunt-Regler oder Fehlerverstärker verhält, muss > 1 mA (Imin (max)) an den Kathodenstift geliefert werden.“ Ich denke, Sie müssen nur die Größe anpassen Widerstand, um ihm diese Menge an Strom zu geben. Damit bleiben Ihnen für den Rest Ihrer Schaltung 2 mA.

[Kommentar des OP:] Ich werde sehen, was ich tun kann, da ich im Moment nur den TL431 habe.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Abbildung 3. Verwendung des TL431 mit einem Spannungsfolger.

Die Anordnung von Abbildung 3 kann Sie sich vorerst sparen. Stellen Sie den Strom durch den TL431 so niedrig wie möglich ein (um sicherzustellen, dass er ordnungsgemäß funktioniert) bei der minimalen Versorgungsspannung. Da 20 mA an Ihrem 500-Ω-Lastwiderstand (R2) um 10 V abfallen, bleiben am Sensor 14 V ohne Kabelspannungsabfall und 24-V-Toleranz. Lassen Sie auch etwas Strom für die Transistorbasis zu. Der Transistor wird keinen Strom ableiten. Es öffnet sich gerade genug, um die erforderliche Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

Der TL431 benötigt etwa 0,3 mA, um die Regelung aufrechtzuerhalten. In Ihrer Schaltung ist es auf eine Shunt-Spannung von 6 V eingestellt und wird von einem 4,8-kΩ-Widerstand gespeist. Um 3,6 mA zu liefern, benötigen Sie also eine Versorgungsspannung von mindestens 4,8 kΩ * (3,6 mA + 0,3 mA ) + 6 V = 24,72 V. Aber du hast nur 24V!

Schlimmer noch, der Spannungsabfall über R2 und R3 reduziert die Spannung über R1, sodass U2 noch weniger Strom zugeführt wird, wenn der Schleifenstrom zunimmt. Außerdem haben viele Empfangsgeräte selbst bei niedrigem Strom einen erheblichen Spannungsabfall (soll R2 dies in Ihrer Schaltung darstellen?).

Die Speisung des Shunt-Reglers mit einem Widerstand ist mit einer 4-20-mA-Stromschleife nicht kompatibel, da sie einen durch Verkabelung und Empfänger verursachten Spannungsabfall nicht toleriert. Sie sollten es mit einem konstanten Strom speisen (möglicherweise über eine Konstantstromdiode oder einen Stromregler-IC), damit der Netzspannungsabfall den Regler nicht mit Nebenschlussstrom verhungert.

R15 reduziert auch die maximale Ausgangsspannung Ihres Senders, da sie um etwa 9 V abfällt, wenn die Schaltung 20 mA erzeugt. Vielleicht benötigen Sie keine maximale Spannung, um ein bestimmtes Instrument anzutreiben, und Sie verwenden möglicherweise nur 24 V, weil Sie diese haben (in diesem Fall könnte R15 dazu beitragen, die Verlustleistung in Q1 zu reduzieren). Dies schränkt jedoch die Anwendung Ihres Geräts ein.