Convertidor de 0.5-4.5 V a 4-20 mA


#1

Hola amigos,
tengo que hacer una conversion de voltaje a intensidad y tiene que ser lineal concretamente de 0.5-4.5v a 4-20mA, alguien concoce algun circuito que me pueda servir?

He visto que hay integrados que lo hacen como el ad694, xtr110 o am462 pero tienen un precio bastante elevado y busco algo más barato, que sea con transistores o similar.

Hos agradeceria una ayudita
gracias


#2

Hola albert, no conozco ese tipo de integrados, espero que tengas suerte en la búsqueda.

¿Cual es la aplicación final de ese convertidor? (curiosidad)

Un saludo! :slight_smile:


#3

es para la adaptación de un sensor con salida de tensión y lo que preciso es salida de corriente.
Gracias igualmente!


#4

Albert,
El circuito que te he pintado puede realizar lo que necesitas.
La etapa 2 es un generador de corriente controlado por tensión y la etapa 1 es un amplificador de tensión para adaptar el margen 0.5-4.5 volts a la entrada del generador de corriente en valor y polaridad.
Es un esquema muy intuitivo. ¿Cómo andas de electrónica? Si tienes dudas en resolverlo, dímelo y puedo ayudarte con los cálculos.

La única duda que me ofrece este diseño es quel segundo AO funciona cerca de su salida máxima, lo cual podría dar algún problema, eso sí, solucionable. Por el resto, debe funcionar sin problema.

Saludos


#5

Albert,
Mejor el circuito que te envío ahora. El generador de corriente montado así sí funcionará correctamente. Ahora el AO si fuerza la caida de tensión en la resistencia Rs al estar montada en seguidor de emisor.
La version anterior ajustaba la corriente variando la tensión sobre la carga.

Saludos


#6

Muchíssimas gracias,
voy a pelearme con el circuito para ver si lo consigo sacar y hacer que funcione. Ya te comentaré como ha ido, si no lo consigo tmbn te lo digo.

gracias de nuevo


#7

Hola Gustav,
me he estado un buen rato intentando que me salgan los números pero no consigo que me coincidan las salidas con las entradas deseadas. Creo que el problema es que no es lineal y no se como hacerlo.
Te agradeceria que me hecharas una mano haver si puedes ayudarme a solucionarlo.
Gracias

saludos


#8

Hola Albert,
Es perfectamente lineal porque las dos etapas son lineales.
Para resolverlo, empezamos con lo que queremos hacer, convertir tensión en corriente mediante la siguiente relación:

Vi=0.5 V/Is=4 mA
Vi=4.5 V/Is=20 mA

Esto, expresado matemáticamente con Is en amperios sería:

Is = 0.004·Vi + 0.002

¿Estamos de acuerdo?
Ahora veamos a la segunda etapa. Ésta nos permite fijar le caida de tensión en la resistencia Rs, siendo ésta de Vcc-Vo. Donde Vcc es la tensión de alimentación del circuito y Vo es la tensión que aplicamos a R5 y que será la misma que hay en la entrada (+) del Amplificador Operacional.
El principio de funcionamiento es que si “por un casual”, la corriente en Rs aumenta, entonces la entrada (-) del operacional se hace menor que Vo y éste reacciona haciendo más positiva su salida y la base del transistor. Como la Rs está en emisor y éste debe seguir a la base, al aumentar la tensión de base, aumentamos la de emisor, reestableciéndose el equilibrio.
Si ocurre que la tensión de (-) ha de ser Vo siempre, forzamos que la caida de tensión en la resistencia sea de Vcc-Vo, por lo que a su vez forzamos una corriente de Is = (Vcc-Vo)/Rs
Esto que hemos visto hasta ahora es un generador de corriente controlado por tensión. ¿Se entiende hasta aquí? Como verás es una relación lineal entre Vo e Is pero va al revés de la que necesitamos, ya que al aumentar la tensión disminuye la corriente y viceversa.

En el siguiente post resolveremos la primera etapa si no tienes ninguna duda de lo visto hasta ahora.

Saludos


#9

Hola otra vez, Albert.
La primera etapa establece en la entrada (+) del AO una tensión de referencia Vref=Vcc·R2/(R1+R2)=Vcc·1/(1+R1/R2)
La entrada inversora (-) debe mantenerse a esta tensión además de no absorber corriente, por lo que se cumplirá que:

V(-)=Vref=Vi + (Vo-Vi)·R4/(R3+R4) que si lo resuelves te da:

Vo=Vref·(1+R3/R4)-Vi·R3/R4 y substituyendo Vref queda:

Vo=Vcc·(1+R3/R4)/(1+R1/R2)-Vi·R3/R4

Para simplificar, hacemos k= (1+R3/R4)/(1+R1/R2), luego queda:

Vo=k·Vcc-Vi·R3/R4

Si substituimos esta expresión en la que vimos de la corriente:

Is=(Vcc-Vo)/Rs=[Vcc·(1-k)+Vi·R3/R4]/Rs

Separa los dos términos y tienes:

Is=Vcc·(1-k)/Rs+Vi·R3/(R4·Rs)

Compara los dos términos con lo que busca el problema:

Is=0.004·Vi + 0.002

Con lo que tienes dos igualdades:

R3/(R4·Rs)=0.004 y (1-k)·Vcc/Rs=0.002

Supón que hacemos R3=R4=10Kohms. Resultará de la primera igualdad que: 1/Rs=0.004, luego Rs=250 Ohms.

De la segunda igualdad puedes calcular k si conoces Vcc. Supongamos Vcc=10 Volts, queda que (1-k)·10=0.002 x 250 y 1-k=0.05, luego k = 0.95

k= (1+R3/R4)/(1+R1/R2) pero R3=R4, luego k=2/(1+R1/R2)=0.95

y la relación R1/R2=2/0.95-1= 1.11 y como norma de diseño, el paralelo de R1 con R2 debe ser igual al de R3 con R4. Sabemos que vale 5Kohms.
Luego R1·R2/(R1+R2)=5000=R1/(1+R1/R2)=R1/(1+1.11)=R1/2.11
Luego R1=5000·2.11 = 10526 Kohms. y R2=R1/1.11=9524 Ohms

Como son valores muy raritos puedes poner R2=9K1 y R1=10K y entre las dos un ajustable de 1K, de donde se tomará la tensión de referencia.

¿Comprobamos resultados?

k= (1+R3/R4)/(1+R1/R2) = (1+10K/10K)/(1+10K526/9K524)= 0.95
y (1-k)·Vcc/Rs=0.05·10/250=0.002

Por último, haz R5=10K y ya está tu circuito.

Saludos


#10

Uau de coña!
Muchissimas gracias, agradadezco tu interes en mi comprensión, y a mi me gusta saber el pq de las cosas.
Hay poca gente como tu en los foros.

Gracias de nuevo


#11

Albert,
No hay de qué, para eso estamos.
Tan solo que tengas en cuenta que para máxima corriente Is (20mA), la caída de tensión en Rs(250 ohms) será de 5 Volts.
Eso significa que para los cálculos realizados, la máxima tensión de salida al aplicar la corriente sobre una carga será de Vcc-5-0.2=10-5-0.2=4.8 Volts.

Donde 0.2=Voltaje Emisor-Colector de saturación del transistor y Vcc=10V.

Esto lo tienes que tener en cuenta a la hora de cargar la salida del circuíto. Es decir, con 20mA no podrás poner una resistencia mayor de 4800/20=240 ohms, ya que llevarías el transistor a zonas no lineales y el circuito perdería su gracia. Como ya sabes como hacerlo, puedes rehacer los cálculos con la Rs y Vcc que quieras (por ejemplo, asumiendo R3/R4 < 1)

En el otro extremo, si haces Rs demasiado pequeña, te puede ocurrir que para Is mínima (4 mA), la tensión en base del transistor será Vcc-0.004·Rs-Veb(Tensión de polarización directa de la unión emisor-base = 0.6 volts aproximadamente). La suma 0.004·Rs+0.6 debe ser mayor de 1 voltio, ya que el AO que alimenta la base dará como máximo una salida igual a su voltaje de alimentación (Vcc) menos 1 voltio. En resumen, que Rs está lmitada por arriba por la carga que vaya a tener el circuíto y por abajo no es recomendable que sea menor de 100 ohms (Rs·0.004+0.6>1, luego Rs>0.4/0.004=100 ohms)

Ya tienes definidas por arriba y por abajo las limitaciones del diseño, así que a jugar con ello y luego a construírlo y a contar en el foro qué tal ha ido la cosa.

Saludos


#12

Genial !

Gran respuesta Gustav, he leído con atención todo el desarrollo !
Albert, cuéntanos cuando lo tengas montado :slight_smile:

Dani


#13

Hola Gustav, excelente explicación la de tu diseño… te felicito la verdad… pero tengo una duda… quizá es algo tonta, pero no entiendo de donde sale está expresión: Is= 0.004Vi + 0.002… Como logras relacionar esas dos corrientes?, y siendo así, cuando hiciste la separación de las dos formulas, porque cuando sustituiste aquí R3/(R4·Rs)=0.004 y (1-k)·Vcc/Rs=0.002 donde está el Vi ue multiplica a la corriente…

Atte: Enigma… La llanerita de Guayana


#14

Hola Enigma,

Se trata de un circuito típico de generador de corriente controlado por tensión. Me alegro que te haya gustado la explicación y agradezco tu comentario.

Respecto a tu primera pregunta:

Buscamos una relación lineal (una recta) entre tensión y corriente y lo primero que hacemos es obtener la función de transferencia de mi circuito, es decir, lo que va a relacionar la entrada (Tensión Vi) con la salida (Intensidad Is). Como es lineal, tendrá la forma: Is=K1·Vi +K2

Los datos del problema dicen que la entrada Vi se mueve entre 0.5 y 4.5 voltios y la salida entre 4 mA (0.004 Amperios) y 20 mA (0.02 Amperios)

Substituyendo los datos del problema, tenemos:

0.004 = K1·0.5+K2
0.02 = K1·4.5+K2

Si a la segunda igualdad le resto la primera, la K2 desaparece y queda:
0.02-0.004 =0.016= K1·(4.5-0.5)=K1·4, luego K1=0.016/4=0.004

Ahora despeja K2 de la primera igualdad:

K2=0.004-K1·0.5=0.004-0.004·0.5=0.004-0.002=0.002 y ya tenemos la relación entrada/salida: Is = 0.004·Vi + 0.002

Te aclaro que no estoy relacionando dos corrientes, sino tensión (en voltios) y corriente (en amperios) mediante una función: Is=f(Vi)=0.004·Vi+0.002

Ahora la segunda duda:

Al resolver el circuito, me sale con los componentes que hemos puesto:

Is=[R3/(R4·Rs)]·Vi + Vcc·(1-k)/Rs y queremos que se comporte como:
Is = 0.004·Vi + 0.002
Por tanto, lo que multiplica a Vi debe ser idéntico en las dos, esto es, R3/(R4·Rs)=0.004 y el otro término que se suma también debe ser idéntico en las dos: Vcc·(1-k)/Rs=0.002

La confusión se te ha producido porque en la explicación los términos estaban desordenados y no era inmediato ver las identidades.

Saludos y a mandar


#15

Ahhh o.k, jejeje ahora si lo entendi muy bien, pero muuuuy bien!!!
Ahora, una cuestión que no había leido, dijiste que había que tener cuidado con la resistencia de carga, de que no sobrepasará los 250 ohmios!! ahora que pasaría si hago esto: con Vcc en vez de diez, que sea de 5 Voltios… Se mantendria estable?

Atte: Enigma… LA llanerita de Guayana:-)


#16

Enigma,

Lo que se ha dicho es que, para los valores calculados, la resistencia de carga puede tener un valor máximo de 240 ohms.

La razón es que (RL+RS)·0.02+Vcesat<=Vcc, con Vcesat=0.2 V

Luego RL+Rs<=(10-0.2)/0.02=490

Si RL+Rs<=490, entonces, con Rs=250, RL<=240

El circuito que pintas no podrá funcionar en la vida. Además, no entiendo lo que hace un generador de contínua de 24 Volts en el circuito.

El circuito que tú propones debe cumplir, para que funcione con las especificaciones del problema:

(RL+Rs)·0.02 + 0.2 + 24 <=Vcc y, como verás, daría valores de resistencia negativos para RL.

Dime, por favor, qué tienes en mente y así podemos ir a una explicación concreta.

Saludos


#17

No funcionaria??.. lo que pasa, es que esto viendo el circuito que diseñaste como la salida de un transmisor… la fuente de 24V, sería la de un PLC por ejemplo… por cirto la corriente la dibuje mal… va en sentido contrario… donde pretendo sacar 4 mA, de esa salida para hacer una fuente regulada con entrada de corriente (los 4mA) y salida de 5V…

es esto…

Atte: Enigma… LA llanerita de Guayana.


#18

Sorry y como seria el circuito Si se alimntara se 0-50mv y necesitara obtener d 4 a 20 mA.???


#19

hola!! yo tengo que hacer un convertidor de corriente-voltaje 4-20mA a 0-5v >.<! ya busque de todo tipo de circuitos! pero no logro que me de!! necesito ayuda! !!!PORFAVOR si alguien me puede proporcionar un circuito les estaria agradecida!!! :frowning: