Convertidor Tensión a Corriente con Amplificador operacional

A veces es deseable poder disponer de una corriente proporcional a una tensión dada.

Si se utiliza la ley de Ohm se podría lograr lo mismo: I = V / R, donde la relación entre la corriente y la tensión está dada por 1/R. Pero en este caso la corriente dependerá de la resistencia de carga.

Lo ideal sería tener una fuente de corriente con la capacidad de entregar una corriente constante, sin importar la carga que se le ponga. (Característica de impedancia de salida infinita.)

El siguiente circuito tiene una impedancia de salida muy alta (se puede suponer infinita). La corriente de salida tiene un valor dado por: I = Vin / R. Si la tensión de entrada Vin cambia, la corriente también, sin importar el valor de RL

Este circuito (grafico de la derecha) tiene la desventaja de que los dos terminales de la carga “flotan”, ya que ninguno de los terminales de salida está a tierra. En el circuito siguiente, este problema es eliminado.

Suponiendo que una tensión desconocida (V) exista entre los puntos 1 y 2, la realimentación que tiene el circuito, mantiene estos puntos al mismo potencial (a la misma tensión). Con los datos que se tienen se pueden obtener las corrientes en la resistencia R1 y R2 del lado izquierdo de los puntos 1 y 2 y la tensión en el punto 3. (ver segundo gráfico)

Con esto se obtienen todas las corrientes que entran en el punto 3. La corriente en la carga RL será: Vin / R donde R = 1K.

1. Convertidor de voltaje a corriente constante

con carga flotante

Esta configuración esta caracterizada básicamente en una entrada de voltaje (vi), con una corriente de salida (IL).

Por lo que debido a la retroalimentación negativa tenemos un corto circuito virtual por lo que Vi = VR y que IL = IR

Por lo tanto IR = VR/R = Vi/R,

Observamos que la corriente de salida (en la carga) es función del voltaje de entrada, multiplicado por un factor (inverso de la resistencia) a esto se le llama factor de Transconductancia y por eso esta configuración también se le llama Amplificador de Transconductancia.

Por ejemplo si tenemos que IR = 3v/1k = 3mA

Fig. 1 Amplificador de Transconductancia. Con vi = 3 y R1= 1k y R3 = 1k

Ahora el mismo voltaje Vi pero con diferente resistencia R1. Ver Fig.2

Fig. 2 Amplificador de Transconductancia. Con vi = 3 y R1= 2.2k y R3 = 1k

Ahora si de R1 la dejamos igual pero R3 la cambiamos:

Fig. 3 Amplificador de Transconductancia. Con vi = 3 y R1= 2.2k y R3 = 3k

Claro que la configuración tiene un límite.

Tenemos que RLmax = (Vomax - Vi )/ IL, RLmax = (Vcc - Vi )/ IL,

Y sustituyendo IL también podemos expresar que:

RLmax = (Vcc - Vi )*R/ Vi, o que RLmax = (Vcc/Vi - 1)*R

En este caso RL seria:

RLmax = (Vcc/Vi - 1)*R1

RLmax = (15/3 - 1)1k

RLmax = 4k

Entonces con valores mayores a los 4k la Transconductancia ya no se cumplirá. Por lo que si agregamos una R3 = 10k, la corriente empezara a variar.

Fig. 4 Amplificador de Transconductancia. Con vi = 3 y R1= 1k y R3 = 10k

La diferencia es muy pequeña pero conforme se aumente la R3, la corriente aumentará.

2. Convertidor de voltaje a corriente constante con carga aterrizada

Considerando que la retroalimen- tación negativa es mayor que la positiva, el sistema es estable y se puede observar un corto circuito virtual en las entradas del OPAMP.

El análisis en esta configuración es muy parecida al de carga flotante. La corriente que pasa por IRF1 = IRF2, por lo que

(VI – VL)/RF1 = (VL – Vo)/RF2 factorizando Vo = VL - (-RF1/RI1)(VI - VL)

IL = IF2 - II2 , IL = (Vo – VL)/RF2 – VL/R I2

Si sustituimos Vo en la ecuación de IL tenemos:

IL = -(RF1/RI1 x RF2) x Vi + ( RF1/RI1 x RF2 – 1 /RI2) x VL

En esta última expresión IL depende de VL, por lo que debemos hacer cero ese término para así no depender de otros voltajes.

Por lo que si hacemos VL=0

( RF1/RI1 x RF2 – 1 /RI2) x VL RF1/RI1 x RF2 = 1 /RI2 RF1/RI1 = RF2/RI2

entonces solo quedaría esta ecuación

IL = -(RF1/RI1 x RF2) x Vi pero como: RF1 = RF2 x RI1/RI2 IL = (-1/RI2)Vi

Un ejemplo seria: IL = -(1/5k)5v, IL = 1mA, Ver Fig. 5

R2 = RL; RI2 = R7

Fig. 4 Amplificador de Transconductancia. Con vi = 5 y RL= 1 y RI2 = 5k

Mario Dominguez Zambrano

EES

Sección:02