Energy Harvesting auf Transmitter-Seite

Die 4-20-mA-Schleife ist auch heute nach rund 70 Jahren noch die dominierende Schnittstelle in der Prozesstechnik. Und das hat seinen Grund primär in der Tatsache, dass sie denkbar einfach aufgebaut ist. Die Sensoren senden ihre Daten nicht als Spannung, sondern als eingeprägten Strom. Gleichgültig ob Temperatur, Feuchte, Druck, Durchfluss oder andere physikalische Parameter – immer entsprechen 4 mA dem Wert 0 % und 20 mA dem Wert 100 %. Das System ist kompatibel zu nahezu allen verfügbaren Sensoren und hat angesichts geringer Ströme und Spannungen eine hohe Eigensicherheit (Bild 2).

Bild 1: Der Schaltregler R420-1.8/PL erntet aus dem ungenutzten Teil des Schleifenstroms bei der 4-20-mA-Schleife die 3-fache Leistung. Recom

Bei der simplen Technik spielt es keine Rolle, wie lang die Kabel sind oder welche Beschaffenheit sie haben. Das macht auch große Installationen zum Beispiel in Raffinerien relativ preiswert, wo Sensoren oft viele hundert Meter von der Prozesssteuerung entfernt sein können. Auch die Fehlersuche ist denkbar einfach. Weil bei korrektem Betrieb immer ein Strom von mindestens 4 mA fließt, signalisiert ein Strom von 0 mA einen defekten Sensor oder eine Unterbrechung der Leitung. Last but not least: Strombasierte Systeme sind unempfindlich gegen eingestreute Spannungen. Dies ist besonders in komplexen Industrieanlagen von Vorteil, wo es innerhalb eines Kabelschachtes leicht zu Signalveränderungen durch Fremdsignale kommen kann.

Allerdings gibt es aus heutiger Sicht auch Schwachpunkte. Zunächst stört die Tatsache, dass jeder Sensor ein eigenes Kabel beansprucht. Verständlich also, dass Lösungen gefragt sind, bei denen die Signale mehrerer Sensoren auf einer Leitung übertragen werden können. Auch sollen die Rohdaten der Sensoren oft schon im Transmitter aufbereitet und angezeigt werden. Dafür werden Signalprozessoren und Displays gebraucht, die eine eigene Spannungsversorgung benötigen. Und die ist fernab von der Zentrale, oft aufwendig und nur schwierig zu realisieren.

Smarte Spannungsversorgung für smarte Sensoren

Die Spannungsversorgung einer 4-20-mA-Schleife ist relativ unproblematisch. Netzteile mit Spannungen im Bereich von 12 bis 36 V sind völlig ausreichend, solange sie 20 mA durch beliebig lange Kabel treiben können. Und sie sitzen beim Receiver – also in unmittelbarer Nähe der Steuerung, wo Stromanschlüsse kein Problem sind.

Bild 2: Da das Prinzip der 4-20-mA-Schleife auf Strom basiert, kann das Kabel zwischen Sensor und Empfänger beliebig lang sein. Recom

Problematischer ist die Versorgung zusätzlicher Elektronik im Bereich des Transmitters. Hier fehlt in aller Regel ein Netzanschluss oder eine passende Gleichspannung. Der Schleifenverstärker des Transmitters, ein meist als ASIC verfügbarer Spannungs-/Stromwandler, kann aus der Schleife mit Energie versorgt werden. Einige ASICs – zum Beispiel der XTR115 von TI – verfügen zusätzlich über einen geregelten 5-V-Ausgang, der mit bis zu 2 mA belastbar ist. Dies reicht aus, Brücken zu kompensieren oder einen Operationsverstärker zu versorgen. Wer mehr braucht, musste bislang auf Linearregler zurückgreifen, da der Grundbedarf von vermeintlich „sparsamen“ Schaltreglern schon im Leerlauf höher lag als die maximal verfügbaren 4 mA der Schleife (Bild 2). Mit Linearreglern lassen sich aus der Schleife Ströme bis 3,5 mA gewinnen – zumindest in der Theorie. Denn soll der volle Bereich der Schleifenspannung genutzt werden, bleibt nur noch gut die Hälfte übrig. Und damit viel zu wenig, um zusätzliche Komponenten wie Controller-Chips, DSPs oder Displays mit Strom zu versorgen. Ganz zu schweigen von HART-Modems (Highway Addressable Remote Transducer), die für die Übertragung digitaler Sensordaten erforderlich sind.

Bild 3: Der Strom unterhalb der 4-mA-Schwelle (grüner Bereich) kann für die Versorgung der Transmitter-Elektronik genutzt werden. Recom

Gut zwei Jahre lang tüftelten Recom-Entwickler in enger Zusammenarbeit mit Anwendern an einer Lösung auf Basis einer neuen Schaltregler-Topologie. Denn Schaltregler sind echte „Leistungskonverter“, die eine höhere Spannung am Eingang in einen höheren Strom am Ausgang konvertieren können. Das ist erforderlich, wenn man aus der 4-20-mA-Schleife mehr Strom „ernten“ möchte, als das systembedingte Limit von <4 mA.

Bevor Schaltregler in einer solchen „low power“-Applikation eingesetzt werden können, waren zwei wesentliche technische Hürden zu bewältigen. Die erste liegt darin, dass Schaltregler trotz ihres bekanntermaßen hohen Wirkungsgrads für ihren Eigenbedarf schon einen Ruhestrom benötigen, der oberhalb des „grünen“ Bereichs einer 4-20-mA-Schleife liegt. Es musste also eine spezielle Schaltungstopologie entwickelt werden, die bei insgesamt niedrigerer Leistung einen so niedrigen Eigenverbrauch hat, dass er in Relation zum Limit von <4 mA nicht ins Gewicht fällt.

Bild 4: Der neuartige „low power“-Schaltregler R-420-1.8/PL „erntet“ den ungenutzten Strom der 4-20-mA-Schleife und versorgt digitale Komponenten im Transmitter mit Strömen bis 10 mA. Recom

Ein weiteres Problem liegt in der prinzipiellen Funktionsweise von Schaltreglern. Dabei wird Energie in gepulster Form vom Eingang zum Ausgang transferiert. Dies hat zur Folge, dass am Eingang ein pulsierender Strom fließt, dessen Spitzen – wenn sie das <4mA-Limit der Schleife überschreiten – die Messergebnisse massiv beeinflussen würden. Durch einen speziellen Kunstgriff ist es den Entwicklern gelungen, den Eingangskreis so zu gestalten, dass die Stromimpulse weitgehend kompensiert werden. Durch eine auf knapp 50 kHz begrenzte Schaltfrequenz und entsprechend sorgfältiger Filterung konnten Restwelligkeit und Rauschen auf sehr gute 30 mV_pp reduziert werden.

Auf der Electronica 2016 zeigte Recom mit dem R420-1.8/PL weltweit erstmals einen „low power“-Schaltregler für den Einsatz in der 4-20-mA-Schleife (Bild 4). Der Ruhestrom fällt mit nur noch 100 µA praktisch nicht mehr ins Gewicht. Auch die Restwelligkeit des Eingangsstroms ist so niedrig, dass aus der Schleife effektiv 3,6 mA „geerntet“ werden können, ohne die <4-mA-Schwelle zu tangieren. Am Ausgang ist ein Strom von 10 mA verfügbar. Dies ist das 3-fache dessen, was mit Linearreglern realisierbar ist. Die neue Technologie erlaubt es, die Ausgangsspannung durch einen externen Widerstand im Bereich zwischen 1,8 und 5 V zu programmieren.

Die 4-20-mA-Schleife im Zeitalter der Digitalisierung

Es gibt eine Reihe interessanter „low power“-Applikationen, in denen Recoms neuer Schaltregler R420-1.8/PL wertvolle Dienste leisten kann. So können zum Beispiel die Daten zweier Drucksensoren mittels DSP vor Ort zu einem Differenzdruck kombiniert und als Einzelwert an die Zentrale geleitet werden. Der Prozessor kann über einen R420-1.8/PL mit der erforderlichen Spannung versorgt werden.

Oft ist es von Vorteil, wenn gemessene Parameter wie Temperatur oder Feuchte vor Ort in der Nähe des Transmitters ablesbar sind. Das dafür benötigte Display braucht mehr Strom als von einem Längsregler geliefert werden kann. Mit dem R420-1.8/PL kann dieser direkt aus der Schleife gewonnen werden.

Bild 5: Durch den Einsatz von DSP und HART-Modem können die Signale mehrerer Sensoren gebündelt und in digitaler Form über die 4-20-mA-Schleife geschickt werden. Zur Versorgung kommt der Schaltregler R420-1.8/PL zum Einsatz, der dreimal mehr Strom aus der Schleife „erntet“ als bislang verfügbare Linearregler. Recom

Aber damit ist der Trend zur Digitalisierung noch nicht zu Ende. In einer neuen Generation der 4-20-mA-Technologie werden die Daten mehrerer Sensoren mittels DSP erfasst und per HART-Modem als digitale Signale dem Schleifenstrom überlagert. Und wie nicht anders zu erwarten: Auch das HART-Modem im Transmitter will mit Strom versorgt werden – und der wird über den R420-1.8/PL aus der Schleife abgezweigt (Bild 5). Ein entsprechender Empfänger in der Steuerzentrale trennt die digitalen Signale wieder von den analogen. Denn die werden nach wie vor überall dort gebraucht, wo in Echtzeit ohne jede Verzögerung durch einen Decoder auf Veränderungen reagiert werden muss. Die zusätzlich verfügbaren digitalen Signale allerdings machen die Sensoren „smart“. Pop meets Classic könnte man sagen – rund 70 Jahre nach der Erfindung der 4-20-mA-Schleife. Der Einsatz des R420-1.8/PL ist allerdings nicht allein auf den Bereich der 4-20-mA-Schleife beschränkt. Denn überall, wo zur Versorgung elektronischer Komponenten nur wenig Leistung benötigt wird, kann der neue „low power“-Schaltregler wertvolle Dienste leisten.

(ah)