Premessa
Nell’ambito delle tecniche di misura e nel condizionamento dei segnali
provenienti da trasduttori spesso si rende il ricorso a segnali di corrente.
Questo si ha perché in una trasmissione a lunga distanza il segnale di
tensione può essere alterato da c.d.t. lungo il cavo di collegamento e a
disturbi captati per induzione elettromagnetica.
Collegamento a loop di corrente
Una soluzione per ridurre l’entità del disturbo si può ottenere con una
struttura detta a loop di corrente. In questa il segnale, per esempio, di un
trasduttore, dopo esser stato eventualmente modificato in qualche sua
caratteristica dal circuito di condizionamenti, viene convertito in una
corrente proporzionale alla tensione originaria da un convertitore tensione/
corrente (convertitore V/I). In arrivo alla alla linea bifiliare il segnale viene
riconvertito in tensione per mezzo di un convertitore che effettua
l’operazione inversa rispetto al precedente, cioè in convertitore
corrente/tensione (convertitore I/V).
Collegamento a loop di corrente
In questo modo si possono ottenere i seguenti vantaggi:
a)
b)
c)
Gli effetti resistivi (ed eventualmente reattivi) di tipo serie della linea di
collegamento non producono effetti significativi.
Operando in corrente si opera con cariche (resistenza o impedenza di
ingresso del convertitore I/V in arrivo) abbastanza piccoli e quindi i
disturbi captabili lungo il percorso dal collegamento assumono scarsa
rilevanza.
Il fatto che si effettuo un collegamento fi tipo bifilare permette di operare
con una struttura di tipo differeniale che tende a eliminare la componente
di modo comune del segnale e di tale natura è, in massima parte, il
distrurbo.
Con segnali analogici il loop di corrrente opera con valori che
variano tra 4 mA e 20 mA compreso.
La tecnica del loop di corrente si può sfruttare anche in campo
digitale per aumentare l’immunità dei disturbi. In questi casi si
assegna il livello basso all’assenza di corrente (con tolleranza di 2
mA) e il livello alto alla corrente di 20 mA.
Convertitori V/I
Il modo più semplice per effettuare una conversione V/I è applicare
la tensione ai capi di una resistenza: gli inconvenienti di questo
metodo sono che la conversione dipende dal valore dalla resistenza
di carico e dalla non idealità della sorgente di tensione.
Un convertitore non deve risentire di questi problemi, ma deve
essere interpretabile come un generatore ideale di corrente
comandato in tensione.
Interpretazione idealizzata di un convertitore V/I
Circuiti convertitori V/I
Esistono convertitori che dati una tensione la convertono in corrente e
convertitori con offset di corrente in uscita.
Prima esamineremo i circuiti senza offset e dopo quella con offset.
Circuiti senza offset di corrente in uscita
Questi sono due semplici circuiti V/I che non sono influenzati dal carico e che
hanno un carico RC con nessuno dei suoi terminali posto a massa;inoltre sono
bidirezionali. Nella figura a sinistra la corrente I, tenendo presenti il
comportamento di un operazionale ideale, si può ritenere pari a V/R1 e, come
tale, proporzionale a V ma indipendente da Rc; la figura a destra analogamente
al caso precedente, presenta una I pari a V/R1.
I circuiti precedenti vengono poco utilizzati poiché il carico non ha nessun
punto a massa. Nel seguente convertitore V/I il carico è collegato a massa.
In questo circuito si ha che :
G1G3
I G0Vc
V
G2
dove :
R3 R5 R2
R4
R1
G0
R
R3 (1 5 )
R4
e
G1G3
R2
G2
R1 R3
*
*
se si pone
R3 R5 R2
R4
R1
si ha che :
G1G3
I
V
G2
se si pone R5 =0 ,ovvero si cortocircuita e ponendo
si ha che :
R3 R2
R 4 R1
V
I
R4
Da queste formule si nota che il valore della corrente non dipende della
resistenza di carico, ma solamente dal valore della tensione di ingresso.
Circuito I/V con offset di corrente in uscita
Questo convertitore risulta unidirezionale, ovvero può generare corrente solo con
un verso di percorrenza.
In questo circuito nell’ipotesi di porre R3 R4 , ovvero R3 10R4 si ha che:
I
VE
hFE
V
* E essendo di solito hFE hFE 1 si può scrivere : I
R4
1 hFE R4
Considerando le ipotesi valide negli operazionali ideali e applicando Millman si
ottiene che :
I
R R
V
V R
(1 3 3 ) R * 3
R4
R2 R1
R4 R1
Osservando la formula si nota che, la corrente I varia linearmente con il valore
di V applicato in ingresso ed è possibile definire un offset di corrente tramite VR.
Questo circuito ha il problema che la corrente non può superare il valore
massimo di I MAX VCC VCEsat per mantenere il transistor in zona lineare
RC R4
Convertitori I/V
Il modo più semplice effettuare una conversione corrente tensione è
applicare la corrente ad una resistenza. Questo metodo di
conversione, però, presente degli inconvenienti: la conversione
dipende dal valore dalla resistenza di carico collegata in uscita al
convertitore I/V e dalla non idealità della sorgente di corrente.
Un convertitore non deve risentire di questi inconvenienti, anzi,
dovrebbe comportarsi come un generatore ideali di tensione
comandato in corrente.
Interpretazione idealizzata di un convertitore I/V
Circuiti convertitori I/V
Esistono convertitori I/V senza offset di tensione e convertitori I/V con offset di tensione.
Convertitori I/V senza offset di tensione (a) e con offset (b)
Il circuito di figura a) permette di realizzare un convertitore in modo molto
semplice: ricordando le proprietà degli operazionali ideali,la corrente I in
ingresso è uguale a quella in R1 quindi si ha che : Vo R1 * I
Il circuito di figura b) viene utilizzato quando si richiede un offset di tensione in
uscita; ricordando sempre le proprietà degli operazionali ideali si ottiene : I1 I I 2
Ricordando il principio di massa virtuale : I 2
VR
V
e I1 o
R2
R1
Sostituendo queste due relazioni a I1 I I 2 si ottiene che : Vo R1 * I
R1
VR
R2
Diapositive realizzate da:
De Gregorio Vincenzo
IV Dev 2
A.S. 2009/2010
