CONVERTIDORES DE VOLTAJE A CORRIENTE Y DE CORRIENTE A VOLTAJE

En algunas aplicaciones, tales como en el control de bobinas (electroimanes) y en la transmisión de senales por líneasmuy largas, a menudo es preferible adoptar una senal de corriente en lugar de una de voltaje; y en el caso detransmisión de senales de corriente muchas veces es necesario, para recibirlas, convertirlas en senales de voltaje.Las conversiones se realizan básicamente con dos tipos de dispositivos, unos denominados “convertidores V/I” y”convertidores I/V”, los cuales transforman un voltaje en corriente o bien una corriente en voltaje; y los llamados”transmisores”.Los transmisores son dispositivos que reciben una senal de un transductor o de un elemento primario y la conviertenen una senal eléctrica o en una senal neumática, llamandose respectivamente, transmisores de salida eléctrica o desalida neumática. los rangos estandarizados de las senales de salida son de 4 a 20 mA para la senal eléctrica y de 3 a15 PSI para la neumática.Al campo de voltajes de entrada le corresponden un margen de corriente normalizado de 4 mA a 20 mA. Aunquetambién puede utilizarse este rango de corriente en aplicaciones en las que la condición de “alambre interrumpido”no se distingue de la condición I=0.El rango de salida del convertidor I/V se selecciona según la aplicación y normalmente es de 0 V a 8 V, de 0 V a 10V, de −8 V a +8 V y de −10 V a +10 V.Los convertidores de V/I e I/V se basan en las aplicaciones del amplificador operacional.El amplificador operacional es un amplificador de alta ganancia y de acoplamiento directo. Generalmente estádisenado para amplificar senales que abarcan un amplio rango de frecuencia y normalmente se usa con redesrealimentadas. Muchos amplificadores operacionales usan una sola terminal de entrada, aunque muchos otrosutilizan la entrada diferencial, y todos tienen una sola terminal de salida. La mayoría de los amplificadoresoperacionales se representan por el símbolo de la Figura 1.Figura 1.Existen propiedades ideales de los amplificadores operacionales hacia las cuales está dirigido su diseno. Estaspropiedades no se realizan en la práctica, pero su consideración permite realizar análisis preliminares de los circuitosrealimentados que se incluyen en todos los amplificadores.179CONVERTIDORES DE VOLTAJE A CORRIENTE Y DE CORRIENTE A VOLTAJE

Page 2 Las propiedades idealizadas del amplificador son las siguientes:Ganancia = ∞ ( A→∞ )eo= 0 cuando e1= e2Impedancia de entrada = ∞ ( Zi→ ∞ )Impedancia de salida =0 (Zo→ 0)Ancho de banda =∞ (retraso en la respuesta = 0)Cuando se incluye una realimentación, las características del amplificador son determinadas principalmente por lared de realimentación.Convertidores de voltaje-corrienteLos convertidores V/I más sencillos son los que utilizan el amplificador operacional en su configuración de inversory no inversor.Los circuitos ilustrados en la Figura 2 a) y b) constituyen ejemplos de este tipo.Figura 2.El circuito de la Figura 2a) es un simple inversor. La corriente de entrada es la corriente de carga y está dada por:i1=eiR1= K ei= iLya que R1está conectada a la tierra virtual de la unión suma.Práctica 12180

Page 3 Esta misma corriente fluye a través de la impedancia de carga de realimentación ZL. La corriente i1es independientedel valor de ZLy tanto la fuente de senal como el amplificador operacional deben ser capaces de suministrar lacantidad deseada de corriente de carga.El circuito de la Figura 2b) opera en modo “no inversor” y presenta una alta impedancia a la fuente de excitación.La corriente se sigue expresando mediante la ecuación:i1=eiR1= K ei= iLdonde i1es de nuevo la corriente de carga. La corriente requerida por la fuente de senal es muy pequena a causa dela alta impedancia del amplificador no inversor.Otro convertidor V/I para cargas fluctuantes (esto es, cargas de variaciones pequenas y rápidas) se ilustra en la Figura3. En dicho convertidor la mayor parte de la corriente es suministrada por el amplificador operacional y sólo unapequena parte por la fuente de senal de entrada*.Figura 3 .Para este circuito, la corriente de carga esta dada por la ecuación: iL= k eidondek =1R1(1+R 2 R 3)entoncesiL=eiR1(1+R 2 R 3)Convertidores de Volts a Corriente y de Corriente a Volts181*Las deducciones de las ecuaciones para iL de los convertidores V/I se encuentren en el apéndice C.

Page 4 R3es la resistencia de escalamiento de corriente. Para minimizar la carga de la fuente de senal es conveniente queR1sea bastante grande. El amplificador debe ser capaz de proporcionar a la carga toda la corriente y presentar en susalida un voltaje igual a:eomáx= iLmáx(ZL+R3)Para cargas que están conectadas a tierra, se tiene el circuito de la Figura 4. En éste, con un solo amplificador se tieneuna fuente de corriente controlada por voltaje ei.Figura 4.La ley que vincula el voltaje con la corriente es:iL= −eiRLsiempre queR3R2=RFR 1 Si? estas relaciones de resistencia son iguales, el circuito funcionará como una fuente de corriente propiamente dichacon una impedancia interior muy alta. Si estas relaciones no se igualan, habrá un decremento de la impedancia deentrada de la fuente de corriente. En este circuito las pequenas variaciones de la impedancia de la carga efectivaprovocarán también pequenas variaciones en el valor de la corriente de salida.Este convertidor debe tener un rango de voltaje de salida suficiente para proporcionar el voltaje máximo de cargamás la caída de voltaje a través de R3. Normalmente, R1y R2deben ser suficientemente grandes como para que enellas circulen pequenas corrientes, mientras que RFy R3deberán ser pequenas para reducir al mínimo las caídas devoltaje.El circuito convertidor V/I de la Figura 5 utiliza dos amplificadores inversores para controlar la corriente de unacarga conectada a tierra.Esta corriente está dada por la ecuación:iL= eiR5RFR4R1R3+ ZL[ 1+R 3 R 2?−R 5 RFR 4 R 2?]Práctica 12182

Page 5 Figura 5.Si se escogen las resistencias de modo que1+R 3 R 2=R 5 RFR 4 R2se? tendrá entonces:iL=eiR3R5RFR4R1De modo particular, siR1= RF= R4= R5se obtendrá:iL=eiR3yR2= RF−R 3 Si? R1es grande, la corriente suministrada por la fuente será muy pequena y muy poca circulará a través de loselementos de realimentación.Entonces el voltaje de salida está dada por:eo máx= iLmáx(ZL+R3)La Figura 6 representa una forma modificada del CVI anterior. Este circuito ofrece la característica adicional de teneruna impedancia de entrada elevada.La expresión de la corriente de salida en función del voltaje es la siguiente:Convertidores de Volts a Corriente y de Corriente a Volts183

Page 6 Figura 6iL= −ei[R 5 R 4?(1+RFR2) −R 3 R 2]R3+ RL( 1+R 3 R 2−R 5 RFR 2 R 4?)Si se escogen las resistencias de modo tal que 1 +R 3 R 2=R 5 RFR 2 R4y RF?= R4= R5se obtienen:iL=2eiRFR2R3y siR2= RF−R3i L?= −2eiR3Convertidores de corriente-voltajeLos convertidores de corriente-voltaje o amplificadores de corriente son muy sencillos si se utilizan losamplificadores operacionales. Una fuente ideal de corriente tiene una impedancia de salida infinita y una corrientede salida independiente de la carga.El convertidor de corriente-voltaje de la Figura 7 ofrece una impedancia de carga casi igual a cero ya que la entradainversora está como tierra virtual.Práctica 12184

Page 7 Figura 7. La corriente de entrada atraviesa la resistencia de realimentación R Fgenerando? un voltaje de salida:eo= −isRFSi se tienen en cuenta la ganancia finita A y la impedancia de entrada diferencial Zi Dde? lazo abierto, la impedanciade entrada actual Zindel converidor de corriente-voltaje es:Zin=Zi D 1?+ZiDRF(1+A)=RF1+AEl límite inferior de medición de la corriente de entrada lo determina la corriente de polarización de la entradainversora. Para obtener resoluciones más grandes se emplean los FET.Para el voltaje de “offset” de DC y para el voltaje de ruido, la ganancia del amplificador estará dada por:RF+Rs Rs?= 1.0ya que Rs>> RFDe esta manera, los errores debidos a estos parámetros son muy pequenos. Sin embargo, el ruido de corriente puedeconstituir un factor importante a causa de la impedancia muy alta.Ya que tales circuitos de medición se utilizan para senales de frecuencia muy baja, es común conectar un capacitorCFen paralelo con la resistencia R Fpara? reducir el ruido de corriente de alta frecuencia. La impedancia de salida delconvetidor será más bien baja.Parámetros de los convertidores V/I e I/VEn el diseno o selección de un convertidor de voltaje-corriente, o bien, de un convertidor de corriente-voltaje sedeben tomar en cuenta los parámetros siguientes:----Campo de voltajes (o bien, de corrientes) de entrada. Es el rango de valores extremos correspondientes a lamáxima y mínima corriente (ó voltaje) de salida.----Margen de corrientes (o bien, de voltajes) de salida. Es el rango de valores que corresponden al campo devoltajes (ó corrientes) de entrada.Convertidores de Volts a Corriente y de Corriente a Volts185

Page 8 Figura 8.Práctica 12186

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Máxima impedancia de carga. Es el máximo valor de impedancia que puede presentar el convertidor (comogenerador de corriente).----Curva característica de voltaje-corriente. Es la curva que vincula el voltaje de entrada con la corriente de salida.----Curva característica de corriente-voltaje. Es la curva que vincula la corriente de entrada con el voltaje de salida.----Por lo que respecta a las características de conversión, también hay que tomar en cuenta la precisión global y lalinealidad.----El margen de temperaturas de trabajo y eventuales coeficientes de dispersión térmica.DESCRIPCION DEL EQUIPOEl módulo G32 corresponde a los circuitos de conversión de voltaje-corriente y de corriente-voltaje y está ilustradoen la Figura 8.Para su funcionamiento, el equipo debe ser alimentado con voltajes continuos estabilizadas de ±12 V y 0 V.El esquema electrónico del convertidor de voltaje-corriente representado en la Figura 9, tiene una configuraciónsimilar a la de la Figura 5 explicada anteriormente. A este circuito se le aplican dos voltajes, uno de entrada Vin(borne 1) y uno de referencia VREF(borne 2).El funcionamiento es el siguiente: conectando a tierra el borne 5 y considerando unitaria la amplificación de los doscircuitos integrados I C1e? I C2se? tiene que la corriente de salida iLserá la relación entre el voltaje del borne 4 y laresistencia R12. Si se intercala una resistencia entre el borne 5 y el de tierra, el voltaje en el borne 5 aumenta (acausa de la caída en la resistencia de salida-carga), y este voltaje se lleva hasta la entrada a través de R9+ RV3, con loque el voltaje en el borne 4 aumentará de modo que el valor de la corriente que fluya en la carga (resistencia) nocambie respecto a la condición de cortocircuito.El transistor T1funciona a modo de amplificador de corriente, mientras que D1actúa como protección.Con el interruptor I1se selecciona y se fija el rango de entrada A para −8 a +8 V y B para 0 a 8 V. El voltaje dereferencia puede variarse y medirse en el borne 2, esto para obtener 4 mA de salida en correspondencia con el valormás bajo de voltaje del rango de entrada.El valor de R12es igual a 253 ohms y el valor máximo de la resistencia de carga es de 150 ohms. Esto se verificaconectando en la salida (entre el borne 5 y tierra) dicho valor de resistecia. Con la máxima corriente (20 mA) elvoltaje del borne 4 será: 20 mA x (253 + 150) = 8 V, que es el valor límite para no salir de la condición lineal.Para el caso de que el rango de entrada sea entre 0 y 8 V, hay que conmutar I1en la posición B. El amplificador I C1amplifica? 1/2, por lo que en el borne 3 se tendrá un voltaje de 4 V cuando la entrada sea de 8 V. Con elpotenciómetro R V4el? voltaje de referencia desplaza la senal de entrada de modo que a un voltaje de entrada de 0 V lecorresponda una corriente de salida de 4 mA.Convertidores de Volts a Corriente y de Corriente a Volts187

Page 10 Figura 9.Conmutando en A el interruptor I1el margen de entrada va de −8 V a +8 V, por lo que la amplificación de I C1seráaproximadamente? 1/4 (4 V en el borne 3). Con R V1se? calibra el convertidor para obtener 4 mA de salida encorrespondencia con −8 V de entrada.Descripción y funcionamiento del convertidor I/VEl esquema electrónico del convertidor de corriente-voltaje está representado en la Figura 10.Figura 10.Práctica 12188

Page 11 La corriente de entrada (borne 1) cuyo valor está comprendido entre 4 y 20 mA fluye a través del conjunto R1+ RV1,generando en el borne 2 un voltaje proporcional a la corriente [V2= − Iin(R1+RV1)].El amplificador operacional I C2se encarga de amplificar y desplazar la senal de voltaje del borne 2; de este modo ycon el conmutador I1en la posición A, se obtiene en la salida un rango de voltaje de −8V a +8V ó de 0 a 8V en laposición B. En cualquiera de estos dos casos se tiene que hacer una conexión del borne 3 al 4.El transistor T1funciona a modo de amplificador de corriente, mientras que el diodo D1actúa como protección. Laresistencia que el convertidor de corriente-voltaje presenta en entrada es igual a cero, ya que la entrada inversora delamplificador operacional I C1está? conectada a tierra (virtual).Como se indicó anteriormente el rango de voltajes de salida se selecciona con el conmutador I1, que además de poderfijar el voltaje de referencia, también fija la amplificación específica para establecer el rango deseado de voltajes desalida.OBJETIVOS----Calibrar el convertidor V/I para rangos de entrada de 0 V a 8 V y de −8 V a 8 V, ambas con salidas de 4 a 20 mA.----Calibrar el convertidor I/V de manera que a un rango de corriente de entrada de 4 a 20 mA le correspondanrangos de salida de 0 a 8 V y de −8 V a +8 V.----Simular la transmisión de una señal a través de los convertidores V/I e I/V.EQUIPO Y MATERIAL---−2 multímetros digitales.----Fuente de alimentación estabilizada PS1.----Fuente bipolar HP.----Módulo G32.---−1 resistencia de 1 K.---−1 resistencia de 100 ohms.---−1 resistencia de 200 ohms.----Cables de conexión.Convertidores de Volts a Corriente y de Corriente a Volts189

Page 12 EXPERIMENTOSEXPERIMENTO 1: CALIBRACION Y DETERMINACION DEL RANGO DE OPERACION DELCONVERTIDOR V/I DE 0 A 8 V / DE 4 A 20 mA----Conectar los bornes ±12 V y 0 V del panel a una fuente de alimentación estabilizada.----Ubicar el interruptor I1en posición B.----Conectar el miliampérmetro a la salida entre el borne 5 y tierra.----Conectar la fuente de alimentación entre los bornes 1 y tierra, para obtener un voltaje variable entre 0 y +8 Vproveniente de la fuente de alimentación. ----Fijar en 0 V el voltaje de entrada y regular el potenciómetro R V4hasta? obtener 4 mA en la salida.----Aumentar a +8.0 V el voltaje de entrada y regular el potenciómetro R V5hasta? obtener 20 mA en la salida.----Con la entrada en +8.0 V, conectar una resistencia de 100 ohms en serie con el miliampérmetro y regular elpotenciómetro R V3para? obtener 20 mA en la salida.----Verificar que a un voltaje de entrada de 0 V le corresponda una salida de 4 mA.----Variar el voltaje de entrada, a partir de 0 V hasta +8 V, con saltos de 1 V y, en correspondencia con cada unode ellos, medir la corriente de salida con el miliampérmetro.----Registrar los datos obtenidos en la Tabla 1(a).Tabla 1Práctica 12190

Page 13 EXPERIMENTO 2: CALIBRACION Y DETERMINACION DEL RANGO DE OPERACION DELCONVERTIDOR V/I DE −8 V A +8 V / DE 4 A 20 mA----Conectar los bornes ±12 V y 0 V del panel a una fuente de alimentación estabilizada.----Fijar el interruptor I1en la posición A .----Conectar el miliampérmetro a la salida entre el borne 5 y tierra.----Aplicar a la entrada, entre los bornes 1 y tierra, un voltaje variable entre −8 y +8 V proveniente de una fuente dealimentación.----Llevar a −8V el voltaje de entrada y regular el trimer R V1hasta? obtener 4 mA de salida.----Llevar a +8,0 V el voltaje de entrada y regular el trimer R V2hasta? obtener 20 mA de salida.----Llevar a −8,0 V el voltaje de entrada y verificar que la salida sea de 4 mA.----Estando la entrada en +8,0 V conectar una resistencia de 100 ohms en serie con el miliampérmetro y regular eltrimer R V3para obtener 20 mA en la salida.----Incrementar el voltaje de entrada, a partir de −8 V, con saltos de 2 V y, en correspondencia con cada uno deellos, medir la corriente de salida con el miliampérmetro.----Agrupar los datos obtenidos en la Tabla 1(b).EXPERIMENTO 3: CALIBRACION Y DETERMINACION DEL RANGO DE OPERACION DELCONVERTIDOR I/V DE 4 A 20 mA / 0 A 8 V----Conectar los bornes ±12 V y 0 V del panel a una fuente de alimentación estabilizada.----Ubicar el interruptor I1en la posición B.----Desconectar el cable de conexión de los bornes 3 y 4.----Conectar el vóltmetro a la salida entre el borne 5 y tierra.----Para aplicar en la entrada, entre los bornes 1 y tierra, un voltaje variable entre 4 V y +20 V conecte en serie unaresistencia de 1 K y un miliampérmetro, como se muestra en la Figura 11.----Varíe el voltaje de entrada hasta que en el miliampérmetro se lea la corriente máxima que es de 20 mA, regularel trimer R V1hasta obtener +8 V entre el borne 2 y tierra. Posteriormente regule el trimer R V4para? que a lasalida, entre los bornes 5 y tierra se tengan 10 V.----Conecte el cable de conexión entre los bornes 3 y 4 y con el trimer R V5compare? la diferencia de voltajes hastaobtener 8 V entre los bornes 5 y tierra.Convertidores de Volts a Corriente y de Corriente a Volts191

Page 14 Figura 11.----Varíe el voltaje de entrada hasta que en el miliampérmetro se lea la corriente mínima, que es de 4 mA yverifique que a la salida, entre los bornes 5 y tierra se tengan aproximadamente 0 V.----Incremente la corriente de entrada, (ajustando el voltaje de la fuente), a partir de 4 mA con saltos de 2 mA y encorrespondencia con cada uno de ellos, leer en el vóltmetro digital el voltaje de salida. Registre los datosobtenidos en la Tabla 2(a).Tabla 2Práctica 12192

Page 15 EXPERIMENTO 4: CALIBRACION Y DETERMINACION DEL RANGO DE OPERACION DELCONVERTIDOR I/V 4 A 20 mA / DE −8 V A +8 V----Conectar los bornes ±12 V y 0 V del panel a una fuente de alimentación estabilizada.----Ubicar el interruptor I1en la posición A.----Para aplicar en la entrada, entre los bornes 1 y tierra, un voltaje variable entre 4 V y +20 V conecte en serie unaresistencia de 1 K y un miliampérmetro, como se muestra en la figura 11.----Desconecte el cable de conexión de los bornes 3 y 4.----Varíe el voltaje de entrada hasta que se lean 4 mA en el miliampérmetro. Verifique que entre el borne 5 y tierrase encuentre un voltaje de 4 V.----Conecte el cable de conexión entre los bornes 3 y 4 y regule el trimer R V2hasta obtener −8 V a la salida entre losbornes 5 y tierra.----Aumente el voltaje de la fuente hasta leer 20 mA en el miliampérmetro. Posteriormente ajuste con R V3hastatener? 8 V ala salida entre los bornes 5 y tierra.----Varíe el voltaje de entrada hasta leer 4 mA en el miliampérmetro y verifique que se tengan aproximadamente −8V en la salida.----Incremente la corriente de entrada, (ajustando el voltaje de la fuente), a partir de 4 mA con saltos de 2 mA y encorrespondencia con cada uno de ellos, lea en el vóltmetro digital el voltaje de salida. Registre los datosobtenidos en la tabla 2(b). EXPERIMENTO 5: TRANSMISION DE UNA SEÑAL ELECTRICA A LARGA DISTANCIA.----Conectar los bornes ±12 V y 0 V del panel a una fuente de alimentación estabilizada.----Ubicar el interruptor I1en la posición B.----Teniendo calibrados los convertidores de V/I y de I/V de acuerdo a los experimentos anteriores, conecte elborne 5 del convertidor V/I al borne 1 del convertidor I/V y respectivamente la tierra del V/I con la tierra del I/V.----Después conecte un vóltmetro digital a la salida “OUT” del convertidor I/V.----Verifique que a una entrada de 0.0 V se tengan aproximadamente 0.0 V y que a una entrada de +8.0 V se tenganaproximadamente +8.0 V.----Posteriormente conecte entre los bornes 5 del convertidos V/I y 1 del convertidor I/V un cable de cobre muylargo, representando una línea de transmisión. Verifique que los voltajes a la entrada y a la salida sean losmismos.Convertidores de Volts a Corriente y de Corriente a Volts193

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Mida la resistencia que presenta el cable de cobre y sustitúyalo por una resistencia de 200 ohms. Observe quéocurre al aplicar a la entrada los valores mínimo y máximo de voltaje que se aplicaron en los pasos anteriores.ANALISIS DE DATOS Y RESULTADOS1. Investigue qué es un transmisor con salida eléctrica y con salida neumática.2. ¿Cuáles son los rangos estandarizados de las salidas eléctricas y neumáticas?.3. Presente un ejemplo o aplicación de un transmisor con salida eléctrica.4. ¿Cuál es la ventaja principal que presenta el transmisor?.5. ¿Qué semejanza o relación hay entre el convertidor V/I, el convertidor I/V y el transmisor eléctrico?.6. Trazar la curva que establece una relación entre el voltaje de entrada del convertidor y la corriente de salida delmismo.7. Trazar la curva que establece una relación entre la corriente de entrada del convertidor y el voltaje de salida delmismo.Práctica 12194

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