Convertidor de voltaje a corriente con amplificadores, análisis y diseño

Convertidor de voltaje a corriente con amplificadores, análisis y diseño
Juan Carlos G2020-07-03

Hola amigos, hoy toca analizar al convertidor de voltaje a corriente con amplificadores, recuerda que este post forma parte del pequeño curso de amplificadores operacionales (AO) que estoy creando de forma gratuita para todos ustedes, espero les sea de gran utilidad.

Como seguramente ya sabes, el AO tiene la función de realizar operaciones y funciones matemáticas con una señal de tensión, la cual puede ser introducida por las entradas del amplificador, ya sea por la entrada inversora o no inversora. Sin embargo, otra magnifica función que tiene el amplificador operacional con una correcta configuración es realizar conversiones; el AO es capaz de:

  • Convertir voltaje a corriente
  • O corriente eléctrica a voltaje o tensión.

No importa el orden en el que lo veremos, sin embargo, creo conveniente que conozcas primero como un AO puede transformar la tensión a corriente eléctrica. De esta manera, te será más sencillo comprender su función inversa. ¡Atento!

 

 

¿Qué es un convertidor de voltaje a corriente?

Existen aplicaciones donde deseamos tener una corriente proporcional a un voltaje aleatorio. En esta relación entra fuertemente en juego la ley de ohm, con la cual podríamos obtener un convertidor tensión – corriente, y con ayuda de un amplificador operacional se puede lograr.

Dicho esto, podemos definir a este dispositivo sencillamente como un convertidor tensión – corriente, que también son llamados como amplificadores de transductancia.

 

¿Cómo funcionan y cuáles son sus características?

Debes de saber que, dentro de este tipo de amplificadores, existen dos tipos de circuitos básicos, los cuales funcionan de manera similar, pero con ciertas características diferentes:

  • Circuito de masa flotante
  • Y circuito de masa normal o aterrizada.

 

Circuito de masa flotante

El convertidor de tensión a corriente con masa o carga flotante tiene un valor de impedancia demasiado alto, en el cual el valor de la corriente infinita será la relación del voltaje de entrada (Vi), esto significa que, si el valor del voltaje de entrada cambia, el valor de la corriente también, sin importar la resistencia de carga (RL).

 

Circuito de masa normal o aterrizada

Mientras tanto, en el convertidor de tensión a corriente con carga aterrizada o normal, generalmente se tiene una tensión desconocida, la cual se encuentra entre el pin inversor y no inversor, y la realimentación que tiene el circuito mantiene la misma tensión entre estos puntos.

Desde aquí, se pueden obtener datos como el valor de las corrientes que existen entre las resistencias conectadas en las entradas del amplificador. La corriente de carga (RL) es la relación que tiene el voltaje de entrada (Vin) con una resistencia que se encuentra conectada en serie con la resistencia de carga.

 

Características convertidor de voltaje a corriente

Los circuitos convertidores (tanto de voltaje – corriente y corriente – voltaje) siguen los siguientes parámetros:

  • Campo de voltajes y de corrientes de entrada. Es el rango de valores extremos correspondientes al máximo o mínimo valor de corriente y voltaje de salida.
  • Máxima impedancia de carga.
  • Tomar en cuenta precisión global y lineal.
  • Margen de temperaturas de trabajo.

 

Método general de análisis del convertidor de voltaje a corriente

Espero que lo anterior te haya dado una idea de lo ¿Qué es? este pequeño circuito, pero, como se que quizá tengas un par de dudas, lo analizaremos desde un punto matemático general y después veremos un ejemplo.

 

Diagrama general de conexión para el amplificador con carga flotante no inversor.

Diagrama general de conexión para el amplificador con carga flotante no inversor.

 

Diagrama general de conexión para el amplificador con carga flotante inversor

Diagrama general de conexión para el amplificador con carga flotante inversor

 

En ambos casos, la corriente que pasa por la resistencia R1 es igual a la corriente que pasa por la resistencia de carga (RL). Por lo tanto, la corriente depende solamente de la resistencia uno (R1).

La expresión que representa esta relación es la siguiente, la cual aplica para ambos casos:

Formula para obtener la corriente del convertidor

La resistencia R1 podrá tomar los siguientes valores:

Rango de valores de R1

La resistencia RL se puede calcular con la siguiente expresión:

Formula para calcular la resistencia de carga RL

Donde Vcc = tensión de saturación

 

Diagrama general de conexión para el amplificador con carga aterrizada

En este circuito tenemos las siguientes características:

  • La corriente de carga (IL) no depende de la resistencia de carga (RL).
  • La constante de proporcionalidad entre el voltaje y la corriente está dada por 1/R1.
  • La carga es referenciada a tierra.
  • Vi1 también es llamado voltaje de referencia.

El voltaje de salida de este circuito está dado por las siguientes expresiones, las cuales corresponden a cada arreglo en el amplificador:

  • Ecuación 1:

Formula de voltaje salida uno

  • Ecuación 2:

Formula voltaje salida dos

Al igualar estas ecuaciones, podemos obtener el valor de la variable que nos interesa: la corriente de carga (IL):

Formula corriente de carga convertidor aterrizado

La resistencia de carga (RL) toma los siguientes valores:

Rango de resistencias RL del convertidor aterrizado

 

Ejercicio, diseñar un amplificador convertidor de voltaje a corriente

A continuación, vamos a diseñar un amplificador convertidor voltaje – corriente de carga flotante no inversor, el cual tiene conectado un sensor que genera un voltaje de 800mV con una resistencia de carga (RL) de 100 ohms.

El objetivo es calcular la resistencia de entrada (R1) para que en la salida tengamos una corriente de 80mA.

  • Planteamos la ecuación de salida.

Formula corriente amplificador convertidor de corriente

  • Despejamos R1.

Despejando R1 de la ecuación

  • Sustituimos y calculamos:

Valor de la resistencia R1 del convertidor de voltaje a corriente

El circuito nos queda de la siguiente forma:

Diagrama solución al ejercicio del amplificador convertidor de voltaje a corriente

Y listo espero que este ejercicio te haya sido de ayuda, puedes con lo aprendido generar más casos y así aprender más por tu cuenta.

 

Aplicaciones

Como hemos visto, el amplificador convertidor de tensión a corriente tiene como objetivo controlar una corriente de salida por medio de un voltaje de entrada; esto puede ser útil en diversas aplicaciones, como las que se mencionan a continuación:

  • Sensores de temperatura.
  • Detectores de ruido.
  • Procesamiento de señales.
  • Circuitos analógicos.
  • Procesamiento de señales bioelectricas.
  • Control en circuitos de potencia.

Hemos llegado al final de este post, espero te haya gustado y hayas aprendido algo el día de hoy, por favor, revisa mis demás artículos para que conozcas el resto de configuraciones del AO.

Si te gusto me ayudarías compartiendo en tus redes sociales, nos vemos en el siguiente post.

 


Juan Carlos G

Desarrollador de sistemas de rastreo satelital

Hola, sean bienvenidos todos a Amplificadores.info, he creado este blog donde intentare enseñar todo lo que se sobre la amplificación de señales, lo hare tal y como lo aprendí mientras estudiaba Ingeniería eléctrica electrónica en la UNAM. Espero les guste, ya que, mi objetivo es aportar mi granito de arena en las nuevas generaciones.

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