Как преобразовать напряжение в ток

7.4 Преобразователь напряжение — ток

Преобразователи напряжения в ток (U/I) нашли широкое применение при передаче информации в аналоговом виде на значительные расстояния. Большинство измерительных устройств, применяемых при автоматизации нефтяной промышленности, имеют токовый выход. Преобразователи U/I являются практически идеальными источниками тока. Значение тока, несущего информацию о некоторой физической величине (давление, температура, уровень), не зависит от сопротивления линии связи (в некоторых пределах), что позволяет исключить ее влияние.

Один из вариантов преобразователя построен на основе инвертирующей схемы, где взамен резистора включена нагрузка(рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 — Инвертирующий преобразователь напряжение – ток

Функцию преобразования легко получить из следующих выражений

. (7.28)

В этой схеме реализована отрицательная обратная связь по току, это обстоятельство обеспечивает большое выходное сопротивление преобразователя

. (7.29)

Поэтому изменение сопротивления нагрузки в широких пределах не влияет на значения тока . Однако, возможное изменение сопротивления нагрузки не беспредельное. Следует учесть, что ток в нагрузке поддерживается за счет напряжения, которое не может быть больше, чем. Отсюда следует, что максимальное сопротивление, которое можно включить в нагрузку без изменения функции преобразования равно

. (7.30)

Недостаток этой схемы – малое входное сопротивление , который устраняется в схеме преобразователя, построенного на основе неинвертирующего включения ОУ (рисунок 7.6).

Рисунок 7.6 — Неинвертирующий преобразователь напряжение – ток

В этой схеме введена последовательная отрицательная обратная связь по току, что и обеспечивает большое входное сопротивление. Преобразователь имеет потенциальный вход и не нагружает источник сигнала, который может иметь большое входное сопротивление.

Функцию преобразования можно получить из следующих уравнений

, (7.31)

. (7.32)

Достаточно часто требуется обеспечить передачу большого тока на значительное расстояние, для этого можно применить более мощный ОУ или добавить умощняющий транзистор (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 — Преобразователь напряжение – ток

с умощняющим транзистором

В этой схеме , но токбольше тока нагрузки на ток базы, который может быть не стабильным. Для исключения этого эффекта биполярный транзистор заменяют полевым транзистором с изолированным каналом. У него токи стока и истока всегда одинаковы.

7.5. Преобразователь ток – напряжение

При измерении тока важно, чтобы входное сопротивление прибора, включаемого в цепь было близким к нулю и не влияло на режим работы цепи. Таким свойством обладает преобразователь ток – напряжение (рисунок 7.8). Преобразователь имеет токовый вход и потенциальный выход. Этот вывод можно сделать, определив вид, способ введения и способ снятия обратной связи.

Рисунок 7.8 — Преобразователь ток – напряжение

В преобразователе реализована отрицательная обратная связь по напряжению с параллельным способом введения.

Ток , втекающий в точкуa равен току. Ток, проходящий через резистор, равен нулю, т.к. напряжение, приложенное к резистору, равно нулю. Токравен току, а ток=0 из условия идеальности ОУ.

Выходное напряжение равно

. .33)

Входное сопротивление преобразователя определяется как входное сопротивление усилителя с параллельным введением ООС

. (7.34)

Преобразование ток/напряжение

Часто возникает необходимость преобразования токовых сигналов в напряжение и наоборот. Например, сила тока стандартного аналогового измерительного сигнала может составлять от 4 до 20 мА, и часто возникает необходимость преобразования этого сигнала в напряжение для отображения результатов на дисплее. Аналогично может потребоваться преобразование напряжения в ток для использования такого сигнала, например, в системах передачи сигналов.

При необходимости передачи аналоговой информации на значительные расстояния токовые сигналы в целом предпочтительнее, чем напряжение, поскольку они менее подвержены влиянию помех и сопротивления линии. Схемы для преобразования тока в напряжение и наоборот для аналоговых сигналов показаны па Рис. 3.11.

Рис. 3.11. Преобразование:

а — напряжения в ток,
б — тока в напряжение.

На Рис. 3.11а показана схема преобразования напряжения в ток с помощью повторителя напряжения. Как обычно. V₁ = V_in, но V₁ = I*R. где I — ток, протекающий в нагрузке. Поэтому ток I задается напряжением V_in и совершенно не зависит от сопротивления нагрузки (при условии, что выход усилителя не находится в насыщении).

Чтобы преобразовать токовый сигнал в напряжение, применяется схема, изображенная на Рис. 3.11б. Ток протекает через сопротивление нагрузки, подключенной параллельно входу стандартного дифференциального усилителя. Напряжение на сопротивлении нагрузки составляет просто I*R [В]; выходное напряжение определяется коэффициентом усиления дифференциального усилителя, как описывалось ранее.

Если обе схемы используются совместно, сопротивления резисторов на Рис. 3.11а и Рис. 3.11б равны, а дифференциальный усилитель обеспечивает единичный коэффициент усиления, конечная схема будет представлять собой звено линии передачи данных, которое можно использовать для передачи аналоговых величин через участки с высоким уровнем электрических помех.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Как преобразовать напряжение в ток

Операционные усилители. Часть 2.

Автор:
Опубликовано 24.02.2006

Итак, в первой части мы познакомились с двумя очень полезными схемами на операционных усилителях — инвертирующим и неинвертирующим усилителем. Теперь поговорим, о других схемах, которые можно реализовать на этих усилителях.

Итак, ставим себе задачу — измерить ток в разрыве какой-нибудь цепи, причем сразу оговоримся, что речь идет о токах 1мкА и меньше, поскольку в этом случае обычный тестер нельзя будет использовать, у него не хватит разрешающей способности. У моего рабочего Mastech M890C минимальный предел это 2 мА, что означает, что меньше чем 10 мкА он просто не регистрирует. Поэтому надо что-то делать. Как будем действовать? Думать, вспоминать закон Ома и соображать. Так уж повелось, что все измерительные приборы, которыми мы пользуемся в последнее время весьма охотно измерят напряжение, а ток меряют только после какого-нибудь преобразования тока в напряжения. Может я плохо информирован, но о токовых АЦП я не слышал, а АЦП, которые измеряют напряжение стоят повсюду. Поэтому будем преобразовывать ток в напряжение.

Простейшим преобразователем тока в напряжение является обыкновенный резистор. Напряжение на нем по закону Ома равно произведению тока на сопротивление. Итого, если мы пропустим ток в 1 мкА через резистор в 1кОм, то напряжение на нем составит 1мкА*1кОм=1мВ. Мало, АЦП не зарегистрирует, нужно усиливать. Ну тогда можно применить одну из схем, которые мы изучили в предыдущей части нашего повествования. Например, схему неинвертирующего усилителя. Получилось у нас ровно то, что изображено на рисунке. Какие недостатки у этой схемы? Ну один просто очевиден — падение напряжения на таком измерителе будет зависеть от тока, протекающего в цепи, что может исказить реальное значение тока. Ну и высокое входное сопротивление прибора, а поскольку амперметр должен иметь низкое входное сопротивление, то что-то нам подсказывает, что эта схема не очень хорошо будет работать. Хотя оговоримся сразу же — для больших токов эта схема замечательно работает, особенно потому, что при больших токах существенными становятся процессы тепловыделения, а поэтому количество элементов, через которые протекает большой ток следует уменьшить.

Ну да ладно, лирическое отступление закончили, принялись сочинять схему, которая была бы свободна от этих недостатков. А что будет если взять схему инвертирующего усилителя (кто не помнит, то см. первую часть), выкинуть из неё входной резистор (кто не понял, это который R2), выкинуть источник входного напряжения, а вместо него подвести к инвертирующему входу измеряемый ток, что будет. Правильно, на выходе будет напряжение -IизмR1. Не забыли почему минус. Молодцы. Итак, что мы видим, мы преобразовали входной ток в напряжение на выходе, но между входами у нас 0В при любом входном токе, при котором выходное напряжение не достигает напряжения питания(ну не может больше операционный усилитель выдать на выходе, а поэтому ограничен диапазон токов, которые можно измерять). Тогда, опять таки если мы возьмем входной ток в 1мкА, а сопротивление R1 в 1МОм, то напряжение на выходе составит -1В. Хм, а это уже легко измеряется любым вольтметром, хоть тестером, хоть каким-нибудь В7-35, который я использую для разных своих дел. Вот как все замечательно. Осталось только разобрать один очень интересный вопрос, который называется Т-цепочка. Что это такое, давайте представим себе такую ситуацию — вы идете в магазин, а там нет резистора 1МОм, есть только 100 кОм и меньше.

Вот блин засада, нужно ставить второй операционник и усиливать сигнал по напряжению. В принципе вариант, но можно поступить хитрее. И использовать вот такую схему.

Спрашивается, какое напряжение будет на выходе? Ну если вы усвоили два правила работы с операционными усилителями и закон Ома(его то я надеюсь вы помните), то вам нетрудно будет понять, что напряжение на выходе составит -IвхR1(1+R2/R3). А это значит, что если мы хотим получить коэффициент преобразования порядка 107 В/А, то нам нужны сопротивления R1=100кОм, R2=99кОм, R3=1кОм. А уж такие сопротивления вы легко найдете в магазине, или в собственной коллекции. А для чего нужны такие большие коэффициенты преобразования — для измерения токов порядка 1 нА и меньше, но об этом мы поговорим в другой статье, в которой я расскажу о том, как спроектировать наноамперметр или гигаомметр, в зависимости от того, что вам нужно. А в следующей части нашей беседы об операционных усилителях мы поговорим о генераторах и фильтрах на базе операционных усилителей.

Инвертор или конвертер — в чем разница?

Когда мы рассуждаем о преобразовании электрической энергии из одного вида в другой, говорим о технических устройствах реализующих процесс преобразования, то неизбежно сталкиваемся с такими двумя понятиями как «инвертор» и «конвертер».

Порой может возникнуть путаница: что и в каком контексте будет правильным называть инвертором, а что — конвертером, ведь и тот и другой прибор являются электрическими преобразователями, и внешне часто очень похожи. Однако мы обычно не говорим «преобразователь», поскольку предпочитаем пользоваться более точными формулировками.

Итак, давайте разберемся, что же такое инвертор, что такое конвертер, и чем они отличаются друг от друга.

Слово «инвертор» происходит от латинского «inverto — инверто», обозначающего «переворачивать». Применительно к электрическим преобразователям, инвертором называют такой преобразователь, который, выражаясь простым языком, переворачивает вид тока.

Что это значит? Сегодня повсеместно внедрены сети переменного тока, поэтому принято считать, что первоначальный, исходный вид тока — именно переменный. Для получения постоянного тока из переменного применяются выпрямители.

Первые сетевые блоки питания постоянного напряжения были трансформаторными, где ко вторчной обмотке трансформатора были присоединены как минимум диодный мост и конденсаторный фильтр. На выходе такого блока питания получалось постоянное напряжение, которое позволяло иметь в нагрузке прямой, постоянный ток, то есть не переменный, не синусоидальный, не такой формы ток, как тот, который получается от розетки.

Но что если теперь задаться целью получить из постоянного тока снова исходный переменный? Разумеется, этого не удастся достичь, просто подключив диодный мост и трансформатор задом на перед к источнику постоянного напряжения, допустим к автомобильному аккумулятору или к конденсатору, стоящему на выходе солнечной панели.

Тут то нам и потребуется самостоятельный активный прибор, который сделает нечто, с виду похожее на «переворачивание» выпрямителя. Такой активный прибор, содержащий в себе полупроводниковые ключи, и способный обратно превратить (будто бы перевернуть выпрямитель) постоянный ток в переменный, принято называть инвертором.

Например DC-AC инвертор 12В на 220В позволяет от бортовой сети автомобиля получить переменное напряжение постоянной частоты как в розетке.

Импульсные сварочные аппараты, кстати, называют инверторами, именно потому, что они преобразуют постоянное напряжение, получаемое выпрямлением сетевого напряжения, — в переменное высокой частоты, которое затем выпрямляется, и снова таким образом превращается в постоянное.

Частотный инвертор также превращает постоянное напряжение в переменное требуемой частоты, да еще и с заданным числом фаз и т. д. Таким образом, инвертор в конце концов всегда меняет форму (вид) тока и напряжения, и так исторически сложилось, что инверторами стали называть именно преобразователи постоянного тока в переменный, то есть DC-AC преобразователи.

Что же касается слова «конвертер», то оно происходит от латинского «конвертере», обозначающего изменение или превращение. Как вы видите, данное понятие имеет более широкое значение. Не случайно в состав конвертера зачастую входит и инвертор.

Мы говорим DC-DC конвертер, имея ввиду преобразователь постоянного напряжения одной величины — в постоянное напряжение другой величины. DC-AC инвертор входит в конструкцию такого конвертера в качестве активного промежуточного звена, без которого не обойтись.

Но поскольку входное напряжение постоянное и выходное — тоже постоянное, то вид напряжения не изменяется, то есть прибор ничего не «переворачивает», а поэтому называть его инвертором не будет правильным. Это — конвертер.

Конвертер, как самостоятельное устройство, не изменяет вид тока, а изменяет только его характеристики, например величину действующего напряжения, если речь идет о преобразователе постоянного тока (DC-DC конвертер) или частоту, если речь идет о преобразователе частоты (AC-AC конвертер).

Однако, конвертерами сегодня именуют и AC-DC преобразователи, поскольку переменное напряжение в них сначала всегда выпрямляется, то есть превращается в постоянное, и только затем преобразуется (с помощью инвертора, кстати) в постоянное, но с другим выходным значением.

• Платиновые термометры сопротивления — наиболее точный прибор для измерения температур
• Как включается в сеть люминесцентная лампа
• Голые провода воздушных линий электропередачи

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями: