Spannungs‑zu‑Strom‑Signalwandlung: Praktisches Transkonduktanz‑Verstärker‑Design

In der modernen Messtechnik dienen Gleichspannungssignale als analoge Stellvertreter für physikalische Größen wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Gewicht und Bewegung. Das industrielle Standardformat ist ein Gleichstrom‑Signal – typischerweise 4 mA bis 20 mA –, weil der Strom in einer Reihenschleife unabhängig vom Leitungswiderstand gleich bleibt. Im Gegensatz dazu können Spannungssignale in Parallelschaltungen abweichen und Messfehler verursachen.

Um aus einem spannungsgetriebenen Wandler einen präzisen Strom zu erzeugen, setzt man einen Transkonduktanz‑Verstärker ein – einen Op‑Amp, der mit negativer Rückkopplung als ideale Stromquelle konfiguriert ist. Der Op‑Amp liefert genau die Spannung, die nötig ist, um den Schleifenstrom auf einem festen Wert zu halten, unabhängig vom Lastwiderstand.

Der Eingang ist eine kalibrierte Spannung von 1 V (0 % Messwert) bis 5 V (100 % Messwert). Die Schaltung nutzt einen Präzisionswiderstand von 250 Ω, um diese Spannung in den Standard‑Strombereich 4 mA–20 mA umzusetzen: Bei 5 V fließen 20 mA, bei 1 V fließen 4 mA. Der Lastwiderstand kann beliebige Werte annehmen; der Op‑Amp passt seine Ausgangsspannung entsprechend an – vorausgesetzt, die Versorgungsspannung reicht aus, um den erforderlichen Strom zu treiben. Soll der ältere 10 mA–50 mA‑Standard genutzt werden, ersetzt ein 100 Ω Widerstand das 250 Ω‑Bauteil.

In der Elektronik ist Transkonduktanz das Verhältnis ΔI/ΔV, gemessen in Siemens. In diesem Design fixiert der 250 Ω Widerstand die Transkonduktanz und gewährleistet ein lineares Strom‑aus‑Spannung‑ein‑Verhältnis.

Kernaussagen

• Stromsignale dominieren die industrielle Messtechnik, weil sie gegen Leitungswiderstand immun sind und eine konsistente, genaue Übertragung ermöglichen.
• Spannungssignale lassen sich direkt aus Sensoren gewinnen, aber ihre Umwandlung in Strom erfordert einen stabilen Transkonduktanz‑Verstärker.
• Ein als Stromquelle konfigurierter Op‑Amp liefert exakt die Spannung, die nötig ist, um den gewünschten Schleifenstrom aufrechtzuerhalten.

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Spannung/Strom‑Wandler OpAmp‑Schaltungen Arbeitsblatt