ELEMANIA
Coversione corrente-tensione 1

Descrizione del problema

In molti casi si ha un trasduttore che produce in uscita non una tensione, ma una corrente proporzionale alla grandezza da misurare. In tale situazione occorre dunque convertire la corrente prodotta dal trasduttore in una tensione.

Un classico esempio è costituito dal sensore integrato AD590, il quale produce in uscita una corrente legata alla temperatura T dalla formula:

I = K . T

dove I è la corrente prodotta, T è la temperatura (espressa in gradi Kelvin, °K) e K è una costante moltiplicativa di valore 1 µA/°K.

AD590

Resistenza di conversione

La soluzione circuitalmente più semplice per convertire la corrente in una tensione consiste nell'uso di una semplice resistenza. Il circuito di riferimento per l'AD590 è ad esempio il seguente:

circuito conversione corrente-tensione resistivo

Usando per esempio un valore di resistenza di conversione Rcon = 10 kΩ, per ogni grado centigrado di variazione della temperatura, la corrente I varia di 1 µA e di conseguenza la tensione Vout varia di 0,01V.

Concretamente, con il circuito precedente se la temperatura è 0 °C = 273 °K, la corrente prodotta dall'AD590 sarà di 273 µA e di conseguenza la tensione Vout vale 2,73V. Viceversa, ad una temperatura di 100 °C = 373 °K, corrispondono una corrente di 373 µA e una tensione di 3,73 V.

La tensione prodotta potrà poi essere amplificata ed eventualmente trattata per l'eliminazione dell'offset, con le stesse tecniche viste per la conversione tensione-tensione. Per esempio, volendo far corrispondere 0 °C a 0 V in uscita e 100 °C a 10V, dobbiamo per prima cosa calcolare l'amplificazione necessaria secondo le formule viste in precedenza:

A questo punto possiamo calcolarci la tensione di offset:

La formula che descrive il funzionamento del blocco di condizionamento è infine:

Vout = A (Vin + Voff) = 10 (Vin - 2,73)

Il circuito può dunque essere realizzato con uno stadio differenziale con guadagno 10:

schema completo di AD590 + condizionamento

Difetti della conversione corrente-tensione con una semplice resistenza

L'uso di una resistenza per convertire una corrente in tensione è molto semplice ed economico, però presenta alcuni problemi. Osserviamo anzitutto che il valore di Rcon nel nostro esempio è stato scelto in modo piuttosto arbitrario. Ibfatti il valore usato (10 kΩ) non è stato ottenuto in base a particolari considerazioni, ma scelto praticamente a caso. Infatti la resistenza di conversione nel nostro schema serve solo a convertire una corrente in una tensione qualsiasi: dopodiché il circuito successivo si occupa di riportare la tensione convertita all'interno del range desiderato di valori. Come si è però detto, bisogna tener conto nella scelta di  Rcon di alcuni problemi.

Il primo problema è dovuto al fatto che la tensione sul trasduttore non è costante, poiché dipende dalla caduta di tensione ai capi della resistenza di conversione Rcon, la quale, a sua volta, dipende dalla temperatura ambientale. Nel caso dell'AD590 ciò non costituisce un grandissimo problema poiché questo componente funziona correttamente con tensioni di alimentazione comprese fra +4V e +30V. In pratica sarà sufficiente assicurarsi che, anche in presenza della più alta temperatura misurabile, la tensione sull'AD590 non scenda mai sotto +4V. Tuttavia altri trasduttori con uscita in corrente risultano sensibili a variazioni della tensione applicata ai loro capi e potrebbero non funzionare correttamente.

Un altro problema riguarda il valore di Rcon che non dev'essere troppo elevato, perché il trasduttore potrebbe non essere più in grado di pilotarlo.

Un'altra ragione per cui non conviene usare un valore di Rcon elevato è legato al fatto che il circuito di condizionamento preleva corrente dalla resistenza di conversione: se questa è elevata rispetto alla resistenza di ingresso del blocco di condizionamento, gran parte della corrente prodotta dal sensore finisce nel blocco di condizionamento e non nella resistenza di conversione. In casi estremi può essere utile inserire un buffer fra la resistenza di conversione e il blocco di condizionamento, in modo da disaccoppiare le impedenze.

 

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