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8.7: Conversión de señal de voltaje a corriente

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    En los circuitos de instrumentación, las señales de CC se utilizan a menudo como representaciones analógicas de mediciones físicas como temperatura, presión, flujo, peso y movimiento. Más comúnmente, las señales de corriente CC se usan con preferencia a las señales de voltaje CC, porque las señales de corriente son exactamente iguales en magnitud a lo largo del circuito en serie que transportan corriente desde la fuente (dispositivo de medición) a la carga (indicador, registrador o controlador), mientras que las señales de voltaje en un circuito paralelo pueden variar de un extremo a otro debido a las pérdidas de cable resistivo. Además, los instrumentos de detección de corriente suelen tener impedancias bajas (mientras que los instrumentos de detección de voltaje tienen altas impedancias), lo que da a los instrumentos de detección de corriente una mayor inmunidad al ruido eléctrico.

    Para poder utilizar la corriente como representación analógica de una cantidad física, tenemos que tener alguna forma de generar una cantidad precisa de corriente dentro del circuito de señal. Pero, ¿cómo generamos una señal de corriente precisa cuando tal vez no sepamos la resistencia del bucle? La respuesta es usar un amplificador diseñado para mantener la corriente a un valor prescrito, aplicando tanto o tan poco voltaje como sea necesario al circuito de carga para mantener ese valor. Tal amplificador realiza la función de una fuente de corriente. Un amplificador operacional con retroalimentación negativa es un candidato perfecto para tal tarea:

    03039.png

    Se supone que el voltaje de entrada a este circuito proviene de algún tipo de disposición de transductor/amplificador físico, calibrado para producir 1 voltio al 0 por ciento de la medición física, y 5 voltios al 100 por ciento de la medición física. El rango de señal de corriente analógica estándar es de 4 mA a 20 mA, lo que significa 0% a 100% del rango de medición, respectivamente. A la entrada de 5 voltios, la resistencia de 250 Ω (precisión) tendrá 5 voltios aplicados a través de ella, resultando en 20 mA de corriente en el circuito de bucle grande (con carga R). No importa qué valor de resistencia sea la carga R, o cuánta resistencia del cable esté presente en ese bucle grande, siempre y cuando el amplificador operacional tenga un voltaje de fuente de alimentación lo suficientemente alto como para emitir el voltaje necesario para obtener 20 mA fluyendo a través de la carga R. La resistencia de 250 Ω establece la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de salida, en este caso creando la equivalencia de 1-5 V in/4-20 mA out. Si estuviéramos convirtiendo la señal de entrada de 1-5 voltios a una señal de salida de 10-50 mA (un estándar de instrumentación antiguo y obsoleto para la industria), usaríamos una resistencia de precisión de 100 Ω en su lugar.

    Otro nombre para este circuito es amplificador de transconductancia. En electrónica, la transconductancia es la relación matemática de cambio de corriente dividida por el cambio de voltaje (ΔI/Δ V), y se mide en la unidad de Siemens, la misma unidad utilizada para expresar la conductancia (el recíproco matemático de resistencia: corriente/voltaje). En este circuito, la relación de transconductancia se fija por el valor de la resistencia de 250 Ω, dando una relación lineal corriente/voltaje-entrada.

    Revisar

    • En la industria, las señales de corriente CC se utilizan a menudo en preferencia a las señales de voltaje de CC como representaciones analógicas de cantidades físicas. La corriente en un circuito en serie es absolutamente igual en todos los puntos de ese circuito independientemente de la resistencia del cableado, mientras que el voltaje en un circuito conectado en paralelo puede variar de extremo a extremo debido a la resistencia del cable, haciendo que la señalización de corriente sea más precisa desde el instrumento de “transmisión” al “receptor”.
    • Las señales de voltaje son relativamente fáciles de producir directamente desde dispositivos transductores, mientras que las señales de corriente precisas no lo son. Los amplificadores operacionales se pueden usar para “convertir” una señal de voltaje en una señal de corriente con bastante facilidad. En este modo, el amplificador operacional emitirá cualquier voltaje que sea necesario para mantener la corriente a través del circuito de señalización en el valor adecuado.

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