¿Por qué baja el voltaje regulado?

Para aquellos que no están familiarizados con los sensores y lazos de control de 4 - 20 mA, se usan comúnmente en sistemas de control industrial. Tienen varias ventajas y se han enumerado en ¿Por qué el cero está representado por 4 mA en los sistemas de control industrial de 4 a 20 mA? . Baste decir que el autor está construyendo un sensor alimentado por el bucle. Tiene que funcionar cuando hay menos de 4 mA disponibles para alimentar su electrónica interna.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Figura 1. Este concepto de diseño inicial no funcionará bien ya que la resistencia de detección de corriente, R3, no controla la corriente que pasa entre 0,4 y 2 V y U3-A.

Una breve búsqueda de imágenes en la web arrojó una nota de aplicación de Maxim Transmisor de bucle de corriente de 4-20 mA de alto rendimiento y alta precisión que cumple con los requisitos industriales más estrictos que muestra un esquema muy similar al de los OP.

Figura 2. En este esquema vemos que se ha creado un GND 10 Ω por encima del cable negativo del sensor. La retroalimentación de R-sense la proporciona R2. Este esquema incluirá toda la corriente interna del dispositivo en el control de corriente de salida.

Toda la corriente del chip en su diseño pasa por R1, lo que provoca una caída de voltaje significativa. Tenga en cuenta en el diseño de Maxim la adición de U4, un regulador de voltaje LDO (baja caída), para alimentar los chips, mientras que U3, la referencia de voltaje de precisión, solo alimenta Vref. Probablemente debería hacer lo mismo, aunque si tiene suficiente margen de suministro, un regulador lineal normal podría funcionar si su corriente de reposo no es demasiado grande.

Vale la pena leer la nota de aplicación de Maxim.

[Comentario OP:] Entonces, ¿recomienda algún circuito básico para suministrar 6V (puede variar) 3.5 mA máx.? Como quiero un bucle de corriente de 4-20 mA, mi circuito debería consumir menos de 4 mA. TL431 parece no ser la mejor opción.

El TL431 funciona como un regulador de derivación tal como lo tienes. Eso significa que a medida que aumenta el voltaje de entrada, deriva (y desperdicia) corriente a tierra. Coloque un regulador de voltaje como sugiere Maxim y solo use el TL431 como referencia. De acuerdo con la hoja de datos de TL431, sección 9, " Para que este dispositivo se comporte como un regulador de derivación o un amplificador de error, se debe suministrar >1mA (Imin (max)) al pin del cátodo". Creo que solo necesita dimensionar el resistencia para darle esa cantidad de corriente. Eso te deja con 2 mA para el resto de tu circuito.

[Comentario de OP:] Veré qué puedo hacer ya que solo tengo el TL431 por ahora.

^{simular este circuito}

Figura 3. Usando el TL431 con un seguidor de voltaje.

La disposición de la Figura 3 puede salvarlo por ahora. Establezca la corriente a través del TL431 lo más bajo posible (asegurándose de que funcionará correctamente) en el voltaje de suministro mínimo. Dado que 20 mA caerán 10 V a través de su resistencia de carga de 500 Ω (R2), esto lo deja con 14 V en el sensor menos caídas de voltaje del cable y una tolerancia de 24 V. Permita algo de corriente para la base del transistor también. El transistor no desviará ninguna corriente. Simplemente se abrirá lo suficiente como para mantener la salida de voltaje requerida.

El TL431 requiere alrededor de 0,3 mA para mantener la regulación. En su circuito, está configurado para un voltaje de derivación de 6 V y está alimentado por una resistencia de 4,8 kΩ, por lo que para entregar 3,6 mA necesita un voltaje de suministro de al menos 4,8 kΩ * (3,6 mA + 0,3 mA) + 6 V = 24,72 V. ¡Pero solo tienes 24V!

Peor aún, la caída de voltaje en R2 y R3 reduce el voltaje en R1, por lo que alimenta aún menos corriente a U2 a medida que aumenta la corriente de bucle. Además, muchos dispositivos receptores tienen una caída de voltaje significativa incluso a baja corriente (¿es esto lo que se supone que representa R2 en su circuito?).

Alimentar el regulador de derivación con una resistencia es incompatible con un bucle de corriente de 4-20 mA porque no tolera la caída de voltaje causada por el cableado y los receptores. Debe alimentarlo con una corriente constante (quizás a través de un diodo de corriente constante o un IC regulador de corriente) para que la caída de voltaje de la línea no prive al regulador de corriente de derivación.

R15 también reduce la salida de voltaje máximo de su transmisor porque cae alrededor de 9V cuando el circuito produce 20mA. Quizás no necesite el voltaje máximo para controlar un instrumento en particular, y es posible que solo esté usando 24 V porque eso es lo que tiene (en cuyo caso, R15 podría ayudar a reducir la disipación en Q1). Sin embargo, esto limita la aplicación de su dispositivo.