Conversor de voltaje a corriente (0-10V a 4-20mA)

Un repaso al conversor de voltaje a corriente y al mismo tiempo les ofrezco el diseño de un interface muy fácil de construir y económico para leer de 0..10V y convertirlos en 4..20mA que es el estándar de la industria en medición de sensores.

¿Qué es un conversor de voltaje a corriente?

Conversor-de voltaje a corriente-teorico

La imagen anterior muestra un conversor V/I

En la industria, los circuitos de instrumentación para la representación analógica de ciertas cantidades físicas (peso, presión, movimiento, etc.), se prefiere trabajar con corriente continua y en mA. Esto se debe a que las señales de corriente CC serán constantes en todo el circuito en serie desde la fuente hasta la carga. Los instrumentos de detección de corriente también tienen la ventaja de tener menos ruido.

Dicho lo anterior, alguna vez podemos tener la necesidad de crear una corriente que sea correspondiente o proporcional a un voltaje definido. Para este propósito, se utilizan convertidores de voltaje a corriente (también conocidos como convertidores de V a I). Simplemente es cambiar la magnitud eléctrica de voltaje a corriente.

Converor simple de voltaje a corriente

Cuando hablamos sobre la conexión entre voltaje y corriente, es obvio mencionar la ley de Ohm.

V=RxI

Todos sabemos que cuando suministramos un voltaje como entrada a un circuito que consta de una resistencia, la corriente proporcional comenzará a fluir a través de él. Entonces, está claro que la resistencia decide el flujo de corriente en un circuito de fuente de voltaje o funciona como un simple convertidor de voltaje a corriente (es decir, un convertidor de V a I) para un circuito completamente lineal.

relacion V-I de un conversor voltaje a corriente

El diagrama de circuito de una resistencia que funciona como un simple conversor de voltaje a corriente se representa a continuación. En este diagrama, las magnitudes eléctricas como el voltaje y la corriente se representan mediante barras y bucle respectivamente.

Diagrama conversor voltios corriente

Pero prácticamente, la corriente de salida de este convertidor depende directamente de la caída de voltaje en la carga conectada además del voltaje de entrada. Dado que, VR se convierte en VIN-VL . Ésta es la razón por la que se dice que este circuito es imperfecto o una versión mala o pasiva.

Conversor de voltaje a corriente usando amplificador operacional

Se implementa un amplificador operacional para convertir simplemente la señal de voltaje en la señal de corriente correspondiente. El amplificador operacional utilizado para este propósito es IC LM358. Este amplificador operacional está diseñado para mantener la cantidad precisa de corriente aplicando el voltaje que es esencial para mantener esa corriente en todo el circuito. Son de dos tipos que se explican en detalle a continuación.

Voltaje de carga flotante a convertidor de corriente

Como su nombre indica, la resistencia de carga está flotando en este circuito convertidor. Es decir, la resistencia RL no está conectada a tierra. La tensión, VIN, que es la tensión de entrada, se proporciona al terminal de entrada no inversora. El terminal de entrada inversora es impulsado por el voltaje de retroalimentación que se encuentra a través de la resistencia RL.

Este voltaje de retroalimentación está determinado por la corriente de carga y está en serie con el VD , que es el voltaje de diferencia de entrada. Por lo tanto, este circuito también se conoce como amplificador de retroalimentación negativa en serie actual.

voltios a mA-teorico

Para el bucle de entrada, la ecuación de voltaje es:

VIN=VD+VF

Dado que A es muy grande, VD=0

Entonces,

VIN=VF

Dado que la entrada al amplificador operacional , I’B=0

VIN=ILxR

.. II=IL=VIN/R

De la ecuación anterior, está claro que la corriente de carga depende del voltaje de entrada y la resistencia de entrada . Es decir, la corriente de carga IL a VIN, que es el voltaje de entrada. La corriente de carga está controlada por la resistencia R. Aquí, la constante de proporcionalidad es 1/R. Entonces, este circuito convertidor también se conoce como Amplificador de trans-ductancia . Otro nombre de este circuito es Fuente de corriente controlada por voltaje.

El tipo de carga puede ser resistiva, capacitiva o no lineal. El tipo de carga no tiene ningún papel en la ecuación anterior. Cuando la carga conectada es un condensador , se cargará o descargará a un ritmo constante. Por esta razón, el circuito convertidor se utiliza para la producción de formas de onda triangular y de diente de sierra.

De un modo simplificado, les he comentado lo que es un convertidor de voltaje a corriente y ahora les voy a mostrar un proyecto interesante y muy adecuado para los profesionales de la industria. Con este conversor podrán probar fácilmente equipos que se han de controlar con la corriente, actuadores, válvulas, equipos de medida, etc. Todo lo que necesite una señal de corriente entre 4 y 20 mA.

Esquema del conversor de voltaje a corriente

Interface-conversor-de voltaje a corriente-0-10V-a-4-20mA

El circuito es un conversor y si lo necesita para probar instrumentos o actuadores como les comentaba en el párrafo anterior es tan simple como conectar a la entrada un potenciómetro como le indica la siguiente figura.

Potenciometro conversor voltios a corriente

Recuerde que la entrada al conversor es de máximo 10 voltios, pero unos voltios de más no le molesta, la salida no entregará más de 21 mA.

Es un circuito muy simple y también hay que decirlo, muy eficaz y versátil. Los que trabajamos en la industria y sobre todo en el campo de la instrumentación, este tipo de circuitos nos es muy útil.

Ajustes del convertidor

En el circuito tenemos 1 potenciómetros que nos servirá para calibrar el cero (ZERO), es decir, cuando tenemos 0 voltios, la salida a de presentar 4mA siempre y cuando tengamos una carga conectada (si usted desea probar sin conectarlo a un aparato, puede conectar una resistencia de 250 ohmios y mediante un multímetro en serie comprobará su funcionamiento.

Otro potenciómetro llamado SPAN que cuando tengamos 10 voltios a la entrada, en la salida obtenemos 20 mA. Puede proceder al ajuste y comprobación con la misma forma que hizo al hacer el cero con resistencia y multímetro.

El diodo zener D1 nos protege la salida de forma que aunque a la entrada tengamos algo más de 10 voltios, la salida nunca entregará más de 21 mA. Esto es para proteger el posible instrumento instalado en la salida de mA.

También hay un led que nos indicará que el convertidor voltaje a corriente está alimentado y para bajar el consumo, tan sólo le hacemos circular una corriente de unos 5mA. No es necesario que consuma más.

Todo el circuito está calculado para un funcionamiento óptimo, corriente de salida y ganancia del operacional, evite cambiar valores, tanto el cero como el span tienen margen suficiente de ajuste.

Serigrafía del PCB para el conversor voltaje a corriente

El PCB queda montado como la siguiente figura:

PCB Conversor-de voltaje a corriente-Volts-to-mA

La placa es de pequeñas dimensiones y aun que aún puede ser más pequeña, si por espacio no lo necesita, este tamaño le irá muy bien.

En el proyecto anterior del interface bucle de corriente, me preguntaron si lo podía hacer con componentes SMD, claro que si puedo, pero estos montajes son para todo público y de momento y por circuito, el montaje convencional es más fácil para muchos lectores.

El PCB quedaría así:

convierte-voltios-en-miliamperios

Y el lado pistas del PCB es así:

conversor-0-10V-a-4-20mA

Como podrán observar es muy sencillo, incluso se puede montar en una placa perforada si no pueden crearlo a partir de una placa virgen y con serigrafía.

Todo el circuito lo pueden simular en proteus y asegurarse de su funcionamiento, así podrán aprender sin necesidad de gastar dinero.

Otra opción que puede ser interesante para un convertidor de voltaje a corriente es utilizando un circuito integrado especial para ello.

Un vistazo al AM642

AM642 VOLTAJE CURRENT CONVERTER

AM462 – IC convertidor de voltaje a corriente industrial

AM462 es un convertidor de voltaje a corriente IC industrial. Convierte un voltaje de entrada de un solo extremo en una señal de salida de corriente con compensación y ganancia ajustables. Con sus funciones de protección y fuente de corriente y voltaje integrada, es adecuado para detección industrial y acondicionamiento de señales en aplicaciones de bucle de corriente o de tres cables.

Aplicaciones
• Acondicionador de señal de sensor
• Transmisor de bucle de corriente
• IC frontal y posterior para µC
• Etapa de salida protegida
• Controlador de red industrial
• Control de procesos industriales

No profundizo, solo les comento porque siempre hay quien le gusta profundizar más sobre el tema.

Y de momento es todo por el momento.

Compartan amigos estos circuitos y dejen sus comentarios y por supuesto si hacen variaciones sobre el circuito y desean mostrarlo a los demás, los envían y se lo publico.

Hasta pronto y cuídense del coronavirus COVID-19 y nuevas versiones que no es una broma.

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