Problema de caída de voltaje de 1-5V a 4-20mA

Espero que alguien pueda ayudarme a solucionar este problema (o al menos encontrar una solución temporal), ya que soy un novato en circuitos electrónicos.

El siguiente circuito muestra mi configuración. Vin es mi señal de entrada que varía de 1 a 5 V CC, y pasa por un búfer de voltaje y luego por 250 Ω que convierte la señal en una salida V de 4 a 20 mA .

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

La salida de este circuito funcionó como se esperaba para la mayor parte del rango de 1 a <5 V, pero tan pronto como la señal comienza a alcanzar los 5 V, el voltaje permanece atascado en ~4,79 V (~19 mA) y nunca llega a 5 V (20 mA). De esto, aprendí que los amplificadores operacionales tienen una impedancia de salida que supongo que causa este problema de caída de voltaje. Calculé una impedancia de salida de aproximadamente ~ 11 Ω en el TSV612A que, sumada a los 250 Ω, hace que el voltaje alcance un máximo de 4,79 V para una señal de entrada de 5 V.

Una solución que funcionó fue aumentar Vop (voltaje de suministro del amplificador operacional) a 5,5 V, de modo que tuviera un poco más de voltaje con el que trabajar para compensar esta caída.

Mi pregunta es la siguiente: ¿existe otra solución que ayude a solucionar este problema de voltaje sin aumentar el suministro de 5 V en el amplificador operacional o cambiar la resistencia de 250 Ω? ¿Hay alguna característica de un amplificador operacional que podría estar olvidando que podría ayudarme a solucionar este problema?

¡Gracias!

Para una resistencia de carga dada, los amplificadores operacionales solo pueden acercarse tanto a sus rieles de suministro, cuánto depende exactamente del amplificador operacional, pero ninguno puede llegar realmente al 100%.
@PlasmaHH este opAmp parece ser IO de riel a riel
Aunque superficialmente no parece estar violando las especificaciones de la hoja de datos, la parte inferior de la página 10 dice "Estos productos son amplificadores operacionales de micropotencia y bajo voltaje optimizados para impulsar cargas resistivas bastante grandes, por encima de 10 kΩ "...
@Naz: rail2rail no es una palabra mágica para adjuntar a una hoja de datos opamp para desafiar las leyes de la física. Cada dispositivo real tiene una impedancia de salida (o característica comparable). La diferencia entre Vcc y Vout puede ser inmensamente baja, pero existe. En el caso del amplificador operacional mencionado, la hoja de datos especifica 35 mV de Vcc y GND para una carga de 10 kΩ.
Además, mA es una corriente, no un "Vout". Su Vout sigue siendo en el mejor de los casos de 1V a 5V, mA es la corriente forzada a través de la resistencia y solo puede ser de 4mA a 1Vin y de 20mA a 5Vin si no hay nada conectado a Vout.
@Asmyldof eso es lo que me temía. Los 20 mA a 5 V causarán la caída sin importar qué, por lo que realmente no hay forma de evitarlo además de aumentar el suministro en el amplificador operacional para compensar.
Es posible que pueda encontrar un amplificador operacional mejor o amortiguar el amplificador operacional con (digamos) un MOSFET de canal P (la estabilidad puede ser un problema en ese caso, piezas adicionales y consideraciones de diseño) y acercarse arbitrariamente al voltaje de suministro , pero ¿y si el suministro de 5V es un poco bajo?
PD: tenga en cuenta que si está alimentando una entrada de '4-20 mA', en realidad no está suministrando una corriente constante y su precisión se verá afectada en proporción directa a la resistencia del cable del bucle. Además, es posible que el receptor no tenga una resistencia perfectamente precisa; es posible que lo hayan calibrado para tener en cuenta el error. En tal caso, sería mejor simplemente quitar la resistencia de 250 ohmios y usar la entrada de voltaje (el amplificador operacional se acercará mucho más al riel de suministro en ese caso).

Respuestas (3)

Creo que no entiendes por completo qué es un bucle de 4-20 mA.

En su circuito, incluso si pudiera llevar la corriente a 20 mA a través de la resistencia R1, no podría conducir un bucle externo Rx con ella.
La mayoría de los lazos de 4-20 mA usan una fuente de alimentación externa para la alimentación del lazo y pueden tener una caída de voltaje significativa en sus circuitos Rx y cableado de conexión.

Debe estudiar dispositivos como este que producen una corriente de bucle precisa, aunque su voltaje de suministro para el amplificador operacional es mucho más alto que 5V:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Su circuito podría funcionar mejor así, aunque el voltaje de entrada es de 0,4 - 2,0 V para 4-20 mA:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

El FET tiene un VGS (th) muy bajo y el bucle de salida solo puede soportar un suministro de bucle de 12 V.

Tiene razón, tengo un conocimiento muy limitado cuando se trata de bucles de 4-20 mA. ¿Usar el suministro externo evita esa caída de voltaje que estoy viendo? Dado que el amplificador operacional ya no generará los 20 mA.
Su circuito no tiene bucle, y no, el suministro externo no ayudaría a su circuito. Todo lo que intenta hacer es definir una corriente de 20 mA a través de una resistencia de 250 ohmios. Si levantaste el extremo de tierra de la resistencia e intentaste hacer un bucle, cualquier carga aparecería en serie y alteraría tu corriente. Simplemente no puedes hacerlo de esa manera.
Creo que estoy empezando a entender ahora. Mi circuito solo funcionará para el caso exacto de una carga de 250 ohmios, por lo que esto no funcionará para mi diseño. En su circuito sugerido: ese MOSFET ayuda a mantener los suministros de voltaje aislados para evitar daños, pero aún puede generar 4-20 mA. ¿Su circuito se consideraría un transmisor de 4-20 mA de 2 hilos?
Sí, el circuito que proporcioné podría llamarse Tx de 4-20 mA, pero generalmente soportan un suministro de bucle de hasta 24 VCC, la limitación de potencia del FET que utilicé significa que solo sería viable a 12 V. Este NI pater es un excelente introducción: ni.com/white-paper/6940/en
Gracias por su ayuda, esto realmente me ha ayudado a ahorrar mucho tiempo y frustración.

Mi pregunta es la siguiente: ¿existe otra solución que ayude a solucionar este problema de voltaje sin aumentar el suministro de 5 V en el amplificador operacional?

No, conducir esos 250 ohmios a 5 V requiere 20 mA. Todavía tengo que ver un opamp que pueda suministrar 20 mA mientras tiene una caída de voltaje de 0 V entre el suministro positivo y la salida.

Deberá tener en cuenta al menos una caída de 0,1 V entre el suministro positivo y la salida de un opamp. Entonces, en Vop = 5 V, lo mejor que puede esperar con un opamp muy bueno es 4.9 V.

Sin corriente , un amplificador operacional puede generar el voltaje de suministro completo en la salida (por lo tanto, 5 V en su caso), pero necesita algo de corriente para que se caiga el voltaje, no hay forma de evitarlo.

Gracias, eso es lo que me temía. Esperaba que pudiera haber un truco para compensar la caída con los cambios limitados que puedo hacer. Pero parece que ese podría no ser el caso.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

No estoy preparado para escribirlo completamente, pero creo que su solución será generar 4-20 mA a partir de un voltaje más bajo. Quizás divida su entrada para que 5V se convierta en 4V, y use una resistencia de 200 ohmios en la salida, algo así. Sin duda, existen formas más inteligentes o más eficientes de lograr el mismo fin, pero eso debería ponerlo en la dirección correcta para llegar a ellas. Del mismo modo, puede haber dudas sobre los valores de resistencia precisos elegidos, etc. - Solo voy por la idea general.

Dependiendo de su sensor, es posible que desee otro amplificador operacional para amortiguar la señal (o amortiguar y "amplificar" en 0,8, o invertir y amortiguar y amplificar en -0,8).

Gracias por su aporte, debería haber mencionado que estoy restringido y no puedo cambiar la resistencia de 250 Ω. Aunque tienes razón, definitivamente funcionaría si fuera más bajo. Editaré mi pregunta.
Bueno, estoy seguro de que un convertidor elevador resolverá su problema de suministro, pero me dirá que tampoco puede hacer eso, así que aplique magia, cambie la resistencia o agregue una resistencia de 1K en paralelo. Dos de las soluciones requieren mucho menos trabajo que la otra.
Para la resistencia de 1K en paralelo, ¿dónde iría exactamente? ¿En paralelo con la resistencia de 250Ω? Me gustaría probar esa sugerencia.
Aún necesitaría el divisor de voltaje en la entrada para reducir la escala del sensor. El 1K luego iría en paralelo con el 250 para hacer un equivalente de 200.
¡Ah, ya veo! ¡Muchas gracias! Su sugerencia funciona perfectamente como una solución temporal para el circuito actual, lo que tendré que hacer antes de diseñar la solución de Jack.
Problema de caída de voltaje de 1-5V a 4-20mA
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