Spannungs-zu-Strom-Signalkonvertierung

In Instrumentierungsschaltkreisen werden Gleichstromsignale häufig als analoge Darstellungen physikalischer Messungen wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Gewicht und Bewegung verwendet. Am häufigsten Gleichstrom Signale werden der Gleichspannung vorgezogen Signale, da Stromsignale in der gesamten Reihenschaltungsschleife, die Strom von der Quelle (Messgerät) zur Last (Anzeige, Schreiber oder Controller) führt, genau gleich groß sind, während Spannungssignale in einer Parallelschaltung von einem Ende zum andere aufgrund von Widerstandsdrahtverlusten. Darüber hinaus haben Strommessinstrumente normalerweise niedrige Impedanzen (während Spannungsmessinstrumente hohe Impedanzen haben), was Strommessinstrumenten eine höhere Immunität gegenüber elektrischem Rauschen verleiht.

Um Strom als analoge Darstellung einer physikalischen Größe zu verwenden, müssen wir eine Möglichkeit haben, eine genaue Strommenge innerhalb des Signalkreises zu erzeugen. Aber wie erzeugen wir ein genaues Stromsignal, wenn wir den Widerstand der Schleife möglicherweise nicht kennen? Die Antwort besteht darin, einen Verstärker zu verwenden, der den Strom auf einem vorgeschriebenen Wert hält und so viel oder so wenig Spannung wie nötig an den Lastkreis anlegt, um diesen Wert beizubehalten. Ein solcher Verstärker erfüllt die Funktion einer Stromquelle . Ein Operationsverstärker mit negativem Feedback ist ein perfekter Kandidat für eine solche Aufgabe:

Es wird angenommen, dass die Eingangsspannung zu dieser Schaltung von einer Art physikalischer Wandler/Verstärker-Anordnung kommt, die kalibriert ist, um 1 Volt bei 0 Prozent der physikalischen Messung und 5 Volt bei 100 Prozent der physikalischen Messung zu erzeugen. Der standardmäßige analoge Stromsignalbereich beträgt 4 mA bis 20 mA, was jeweils 0 % bis 100 % des Messbereichs bedeutet. Bei einer Eingangsspannung von 5 Volt werden an den 250--(Präzisions-)Widerstand 5 Volt angelegt, was zu einem Strom von 20 mA in der großen Schleifenschaltung führt (mit R_load ). Es spielt keine Rolle, welcher Widerstandswert R_load . ist ist, oder wie viel Drahtwiderstand in dieser großen Schleife vorhanden ist, solange der Operationsverstärker eine ausreichend hohe Versorgungsspannung hat, um die Spannung auszugeben, die erforderlich ist, um 20 mA durch R_Last . fließen zu lassen . Der 250--Widerstand stellt den Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom her, in diesem Fall die Äquivalenz von 1-5 V in / 4-20 mA out. Wenn wir das 1-5-Volt-Eingangssignal in ein 10-50-mA-Ausgangssignal umwandeln (ein älterer, veralteter Instrumentierungsstandard für die Industrie), würden wir stattdessen einen 100--Präzisionswiderstand verwenden.

Ein anderer Name für diese Schaltung ist Transkonduktanzverstärker . In der Elektronik ist die Transkonduktanz das mathematische Verhältnis der Stromänderung geteilt durch die Spannungsänderung (ΔI / Δ V) und wird in der Einheit Siemens gemessen, der gleichen Einheit, die auch für die Leitfähigkeit verwendet wird (der mathematische Kehrwert des Widerstands:Strom/Spannung). . In dieser Schaltung wird das Transkonduktanzverhältnis durch den Wert des 250-Ω-Widerstands festgelegt, was eine lineare Strom-Ausgangs-/Spannungseingangs-Beziehung ergibt.

RÜCKBLICK:

• In der Industrie werden Gleichstromsignale als analoge Darstellungen physikalischer Größen häufig gegenüber Gleichspannungssignalen verwendet. Der Strom in einer Reihenschaltung ist unabhängig vom Leitungswiderstand an allen Punkten in dieser Schaltung absolut gleich, während die Spannung in einer parallel geschalteten Schaltung aufgrund des Leitungswiderstands von einem Ende zum anderen variieren kann, wodurch die Stromsignalisierung vom „Senden“ bis zum genauer wird das „empfangende“ Instrument.
• Spannungssignale lassen sich relativ einfach direkt von Wandlergeräten erzeugen, genaue Stromsignale hingegen nicht. Op-Amps können verwendet werden, um ein Spannungssignal ganz einfach in ein Stromsignal umzuwandeln. In diesem Modus gibt der Operationsverstärker die erforderliche Spannung aus, um den Strom durch den Signalstromkreis auf dem richtigen Wert zu halten.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für Spannungs-/Stromwandler-OpAmp-Schaltungen