1. Um transdutor industrial como esse sensor de proximidade pode ser tão pequeno quanto 8 mm (ou menor), mas também deve abrigar as funções eletrônicas de condicionamento de sinal e funções de regulação de potência.

Fornecendo energia confiável para pequenos sensores industriais

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Não é incomum encontrar equipamentos de controle de automação industrial, como sensores de campo (para proximidade, pressão, vazão ou temperatura, por exemplo) alojados em pacotes cada vez mais discretos. Por exemplo, como o sensor de proximidade alojado em um pequeno parafuso, que pode ser tão pequeno quanto 8 mm ou até menor (Figura 1). Embora os componentes eletrônicos que entram na carcaça obviamente devam ser ultrapequenos, eles ainda precisam ser classificados adequadamente para garantir a confiabilidade do equipamento a longo prazo e resolver problemas como desafios de tensões de entrada não regulamentadas.

1. Um transdutor industrial como esse sensor de proximidade pode ser tão pequeno quanto 8 mm (ou menor), mas também deve abrigar as funções eletrônicas de condicionamento de sinal e funções de regulação de potência. 1. Um transdutor industrial como esse sensor de proximidade pode ser tão pequeno quanto 8 mm (ou menor), mas também deve abrigar as funções eletrônicas de condicionamento de sinal e funções de regulação de potência.

Esses sensores inteligentes podem incluir uma quantidade substancial de eletrônicos, incluindo um microprocessador de baixa potência, conversão de analógico para digital com circuitos de processamento de sinal associados e um regulador de tensão. Como os projetistas podem não considerar a energia até o final do processo de design, o espaço alocado para a energia pode ser bastante mínimo. Um objetivo típico dos circuitos de conversão de energia pode ser a conversão descendente de uma entrada de 24 V e a regulação no trilho de tensão necessário. A entrada de 24 V pode ser de um barramento industrial padrão, que pode ter uma tensão de entrada que varia de 8 V a 36 V.

Além disso, os sensores na automação de processos precisam suportar transientes de sobretensão, e a severidade desses transientes depende de como os 24 V foram derivados. Em situações em que os comprimentos dos cabos se estendem por distâncias relativamente longas no campo, o barramento industrial de 24 V pode sofrer transientes de tensão mais altos. Além disso, as aplicações de campo podem ter circuitos de grampo que limitam a tensão transitória a um limite de tensão extra-baixa seguro. Como resultado, a saída do barramento industrial pode ficar presa a 60 Vcc em uma situação de curto-circuito.

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Em outro caso, a fonte de entrada pode ter 24 V CA e a tensão máxima raiz quadrada média (rms) de tal fonte pode frequentemente atingir 28 V para um pico de tensão entregue próximo a 40 V. A configuração de proteção contra sobretensão em a fonte de entrada pode ser cerca de 120% da tensão de pico, o que leva uma tensão de entrada próxima a 48 V. Portanto, é importante usar um regulador de tensão classificado para a tensão máxima de CC na entrada para garantir a operação ininterrupta de equipamentos como campo sensores e garantir o espaçamento adequado entre os pinos, para confiabilidade a longo prazo.

Considere o TPSM265R1, um módulo de potência incorporado de alta tensão com capacidade de 65 V que integra o regulador de tensão e o indutor. Essa classificação fornece ao dispositivo margem suficiente para cobrir possíveis condições de sobretensão. No entanto, apenas porque um módulo de energia possui um regulador de alta tensão integrado não significa que você pode classificá-lo com segurança para a alta tensão.

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Para classificar corretamente o dispositivo para uma tensão de entrada mais alta, é necessário o design apropriado do espaçamento entre os pinos e os pinos no módulo, conforme detalhado no padrão IPC 2221-B da The Association Connecting Electronics Industries. Este padrão lista o espaçamento mínimo entre as bordas dos condutores necessário para garantir a operação adequada nas tensões dos piores casos. Para garantir que o regulador possa realmente sustentar um pico de tensão de 65 V, o espaçamento entre as bordas dos condutores deve ser de pelo menos 0,5 mm. Figura 2 mostra o passo do pino de 0,8 mm do TPSM265R1; a largura da almofada é tipicamente 0,3 mm. De ponta a ponta, o espaço entre as almofadas é de 0,5 mm, em conformidade com o requisito IPC-2221B.

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2. O desenho da embalagem do TPSM265R1 mostra como o espaçamento dos pinos da embalagem atende aos padrões da indústria para o valor máximo pretendido da tensão operacional.2. O desenho da embalagem do TPSM265R1 mostra como o espaçamento dos pinos da embalagem atende aos padrões da indústria para o valor máximo pretendido da tensão operacional.

Atendendo aos requisitos para um tamanho de solução pequeno

Os requisitos de espaçamento do IPC colocam os projetistas de sistemas em desacordo com o requisito de miniaturização. Afinal, este artigo começou com a necessidade de encaixar os componentes eletrônicos necessários em um parafuso de 8 mm. Para atender aos requisitos de espaçamento e de miniaturização, os projetistas devem ser espertos ao projetar o módulo de energia. O layout do pacote TPSM265R1 foi projetado com um pequeno espaço de solução em mente. Figura 3 mostra um exemplo de layout, com os componentes mínimos necessários para uma opção de tensão fixa de 3,3 V ou 5 V.

3. Um exemplo de layout que inclui capacitores externos usando o TPSM265R1 tem uma área útil de 3 × 7 mm. Minimiza o ruído e o toque do trilho.3. Um exemplo de layout que inclui capacitores externos usando o TPSM265R1 tem uma área útil de 3 × 7 mm. Minimiza o ruído e o toque do trilho.

O tamanho do pacote do módulo é 2,8 × 3,7 mm e precisa apenas de dois capacitores para completar o circuito. Usando capacitores do tamanho 0805, o tamanho geral da solução para uma saída de 5 ou 3,3 V pode ser tão pequeno quanto 3 × 7 mm. Colocando o capacitor de entrada tão perto do V do móduloDENTRO e os pinos GND proporcionam uma operação de comutação “silenciosa”, com menos zumbido no nó do comutador.

Ao projetar a fonte de alimentação para pequenos equipamentos de controle de automação industrial, é importante escolher produtos com classificações apropriadas para uma operação confiável. Os módulos de potência bem projetados não apenas ajudarão os engenheiros a enfrentar os desafios de tamanho e garantir a confiabilidade a longo prazo, mas também ajudarão a simplificar o processo de projeto.

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Akshay Mehta é engenheiro de sistemas e aplicativos no grupo SIMPLE SWITCHER da Texas Instruments.

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