전압-전류 신호 변환: 실용적 트랜스컨덕턴스 증폭기 설계

현대 계측에서 직류 신호는 온도, 압력, 유량, 중량, 운동 같은 물리 변수의 아날로그 대리값으로 쓰입니다. 업계 표준은 직류 전류 신호, 대표적으로 4~20mA입니다. 전류는 직렬 루프 어디서나 동일해 선로 저항 영향을 받지 않기 때문입니다. 반면 전압 신호는 병렬 회로에서 선로 저항 탓에 드리프트가 생겨 측정 오차를 유발합니다.

전압 구동 트랜스듀서에서 정밀 전류를 만들려면 트랜스컨덕턴스 증폭기, 즉 이상적 전류원처럼 동작하도록 부 피드백으로 구성된 오피앰프를 씁니다. 오피앰프는 부하 저항에 상관없이 루프 전류를 고정값으로 유지하는 데 필요한 전압을 공급합니다.

입력은 1V(0% 측정)~5V(100% 측정) 범위의 교정 전압입니다. 정밀 250Ω 저항으로 이를 표준 4~20mA 전류 범위로 변환: 5V에서 20mA, 1V에서 4mA가 루프를 흐릅니다. 부하 저항은 아무 값이나 돼도 오피앰프가 출력 전압을 조절해 전류를 유지합니다(전원 전압이 충분하다면). 구형 10~50mA 표준이 필요하면 100Ω 저항으로 교체합니다.

전자공학에서 트랜스컨덕턴스는 ΔI/ΔV 비율로 지멘스(S) 단위. 이 설계에서 250Ω 저항이 트랜스컨덕턴스를 고정해 선형 전류-출력/전압-입력 관계를 보장합니다.

핵심 요약

• 전류 신호가 산업 계측 주류인 이유: 선로 저항 면역, 일관된 정확한 전송.
• 전압 신호는 센서에서 직접 얻기 쉽지만, 전류로 변환하려면 안정된 트랜스컨덕턴스 증폭기 필요.
• 전류원으로 구성된 오피앰프가 원하는 루프 전류를 유지하는 데 꼭 필요한 전압을 공급.

관련 워크시트

• 전압/전류 변환 오피앰프 회로 워크시트