Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному напряжению и не зависеть от сопротивления нагрузки. В частности, при постоянном входном напряжении ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.

Простейшая схема стабилизатора тока, показанная на рис. 10.41, а, представляет собой инвертирующий усилитель, в котором нагрузка Rn включена в цепь отрицательной обратной связи ОУ. Ток в нагрузке будет равен Ui/Rl. Для уменьшения нагрузки на источник входного напряжения он подключается к неинвертирующему входу ОУ. Именно так и сделано в стабилизаторе тока на рис. 10.41, б, для которого ток в нагрузке равен (Ui/Rl)(l+Rl/R2)(l+R2/R4).

В стабилизаторах тока на рис. 10.41 нагрузка не заземлена, что не всегда удобно. С этой точки зрения предпочтительнее стабилизатор тока с заземленной нагрузкой (рис. 10.42). Ток в нагрузке Rn такого стабилизатора определяется формулой Ii=UiA/B, где A=Rl(R4+R5)R2 -R4; B=Rn+Rl R5(R3+R4). Условием независимости Ii от Rn является равенство R1(R4+R5)-R2-R3. В таком случае будем иметь Ii=Ui-R2/(Rl-R5).

Отметим, что если в стабилизаторе на рис. 10.42 подавать Ui через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ, а резистор R3 заземлить, то при выполнении условия R1(R4+R5)=R2-R3 ток в нагрузке только изменит знак.

Одним из многочисленных применений преобразователей являются преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН), применяемые в сочетании с резистив-ными датчиками. Для построения ПСН обычно включают преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки стабилизатора тока. Тогда падение напряжения на этом сопротивлении будет пропорционально его сопротивлению. На практике удобно использовать ПСН, имеющие малое выходное сопротивление. Этому требованию в наибольшей степени отвечает ПСН на основе стабилизатора тока, схема которого показана на рис. 10.41, а. Действительно, напряжение на выходе ОУ в этом стабилизаторе равно Ui-Rn/Rl. Следовательно, в качестве выходного напряжения ПСН можно использовать не падение напряжения на резисторе Rn, а выходное напряжение ОУ. При этом выходное сопротивление такого ПСН будет весьма низким, как и в любом усилителе, имеющем отрицательную обратную связь по напряжению.

Удобен для применения ПСН, выполненный на основе стабилизатора тока на рис. 10.42. Такой ПСН характеризуется не только малым выходным сопротивлением, но и возможностью заземления резистивного преобразователя. Если принять R4=0 и R1-R5=R2-R3, то выходное напряжение ОУ в этом стабилизаторе равно Uo=Ui-Rn(l+R2/Rl)/R3.

Дополнительным достоинством ПСН на стабилизаторе (рис. 10.42) является возможность скорректировать погрешность нелинейности прибора, обусловленную нелинейностью характеристики датчика. Если выбрать R1-R5>R2-R3, то зависимость Uo от Rn будет нелинейной - чувствительность будет падать с ростом Rn. Если же поменять знак неравенства, то, наоборот, чувствительность будет расти с ростом Rn. Следовательно, выбирая знак и величину разности R1-R5-R2-R3, можно получить характеристику преобразования сопротивления в напряжение с компенсацией нелинейности датчика.

Контрольные вопросы и задания

1. Какую функцию выполняют преобразователи напряжение-ток и сопротивление-напряжение?

2. Схема измерителя сопротивления (ПСН) на стабилизаторе тока по схеме рис. 10.41, а показана на рис. 10.43. Какими должны быть значения напряжения Ui и сопротивления R1, чтобы при измерении выходного напряжения Uo показания мультиметра совпадали с сопротивлением измеряемого резистора Rx с коэффициентом кратности 10-k где k - любое целое число, в том числе и ноль. Расчеты подтвердите моделированием.

3. Дополните схему преобразователя на рис. 10.42 необходимыми контрольно-измерительными приборами и проведите ее моделирование, выбрав номиналы резисторов с помощью приведенных выше формул.

Рис. 10.43. Схема измерителя сопротивления Rx

Один из самых простых способов измерения тока в электрической цепи - это измерение падения напряжения на резисторе, включенном последовательно с нагрузкой. Но при прохождении тока через этот резистор, на нем выделяется бесполезная мощность в виде тепла, поэтому оно выбирается минимально возможной величины, что в свою очередь влечет за собой последующее усиление сигнала. Следует отметить, что приведенные ниже схемы позволяют контролировать не только постоянный, но и импульсный ток, правда, с соответствующими искажениями, определяемыми полосой пропускания усилительных элементов.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки.

Схема измерения тока нагрузки в отрицательном полюсе приведена на рисунке 1.

Эта схема и часть информации заимствована из журнала «Компоненты и технологии» №10 за 2006г. Михаил Пушкарев [email protected]
Преимущества:
низкое входное синфазное напряжение;
входной и выходной сигнал имеют общую «землю»;
простота реализации с одним источником питания.
Недостатки:
нагрузка не имеет непосредственной связи с «землей»;
отсутствует возможность коммутации нагрузки ключом в отрицательном полюсе;
возможность выхода из строя измерительной схемы при коротком замыкании в нагрузке.

Измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки не представляет сложности. Для этой цели подходит много ОУ, предназначенных для работы с однополярным питанием. Схема измерения тока с применением операционного уси¬лителя приведена на рис. 1. Выбор конкретного типа усилителя определяется требуемой точностью, на которую в основном влияет смещение нуля усилителя, его температурный дрейф и погрешность установки усиления, и необходимым быстродействием схемы. В начале шкалы неизбежна значительная погрешность преобразования, вызванная ненулевым значением минимального выходного напряжения усилителя, что для большинства практических применений несущественно. Для исключения этого недостатка требуется двухполярное питание усилителя.

Измерение тока в положительном полюсе нагрузки

Достоинства:
нагрузка заземлена;
обнаруживается короткое замыкание в нагрузке.
Недостатки:
высокое синфазное входное напряжение (зачастую очень высокое);
необходимость смещения выходного сигнала до уровня, приемлемого для последующей обработки в системе (привязка к «земле»).
Рассмотрим схемы измерения тока в положительном полюсе нагрузки с использованием операционных усилителей.

В схеме на рис. 2 можно применить любой из подходящих по допустимому напряжению питания операционный усилитель, предназначенный для работы с однополярным питанием и максимальным входным синфазным напряжением, достигающим напряжения питания, например AD8603. Максимальное напряжение питания схемы не может превышать максимально допустимого напряжения питания усилителя.

Но есть ОУ, которые способны работать при входном синфазном напряжении, значительно превышающем напряжение питания. В схеме с применением ОУ LT1637, изображенной на рис. 3, напряжение питания нагрузки может достигать 44 В при напряжении питания ОУ, равном 3 В. Для измерения тока в положительном полюсе нагрузки с весьма малой погрешностью подходят такие инструментальные усилители, как LTC2053, LTC6800 от Linear Technology, INA337 от Texas Instruments. Для измерения тока в положительном полюсе есть и специализированные микросхемы, например — INA138 и INA168.

INA138 и INA168

— высоковольтные, униполярные мониторы тока. Широкий диапазон входных напряжений, низкий потребляемый ток и малые габариты — SOT23, позволяют использовать эту микросхему во многих схемах. Напряжение источника питания от 2.7 В до 36 В для INA138 и от 2.7 В до 60 В для INA168. Входной ток — не более 25мкA, что позволяет производить измерение падения напряжения на шунте с минимальной ошибкой. Микросхемы являются преобразователями ток — напряжение с коэффициентом преобразования от1 до 100 и более. INA138 и INA168 в корпусах SOT23-5 имеют диапазон рабочих температур -40°C к +125°C.
Типовая схема включения взята из документации на эти микросхемы и показана на рисунке 4.

OPA454

— новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления.

Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями.
Технические особенности OPA454:
Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В)
(предельно до 120 В)
Большой максимальный выходной ток > ±50 мА
Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С)
Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM)
Данные на микросхему приведены в «Новости электроники» №7 за 2008г. Сергей Пичугин

Усилитель сигнала токового шунта на основной шине питания.

В радиолюбительской практике для схем, параметры которых не столь жесткие, подойдут дешевые сдвоенные ОУ LM358, допускающие работу с входными напряжениями до 32В. На рисунке 5 показана одна из многих типовых схем включения микросхемы LM358 в качестве монитора тока нагрузки. Кстати не во всех «даташитах» имеются схемы ее включения. По всей вероятности эта схема явилась прототипом схемы, приведенной в журнале «Радио» И. Нечаевым и о которой я упоминал в статье «Индикатор предельного тока ».
Приведенные схемы очень удобно применять в самодельных БП для контроля, телеметрии и измерения тока нагрузки, для построения схем защиты от коротких замыканий. Датчик тока в этих схемах может иметь очень маленькое сопротивление и отпадает необходимость подгонки этого резистора, как это делается в случае обычного амперметра. Например, напряжение на резисторе R3, в схеме на рисунке 5 равно: Vo = R3∙R1∙IL / R2 т.е. Vo = 1000∙0,1∙1A / 100 = 1В. Одному амперу тока, протекающему через датчик, соответствует один вольт падения напряжения на резисторе R3. Величина этого соотношения зависит от величины всех резисторов входящих в схему преобразователя. Отсюда следует, что сделав резистор R2 подстроечным, можно спокойно им компенсировать разброс сопротивления резистора R1. Это относится и к схемам, показанным на рисунках 2 и 3. В схеме, представленной на рис. 4, можно изменять сопротивление нагрузочного резистора RL. Для уменьшения провала выходного напряжения блока питания, сопротивление датчика тока – резистор R1 в схеме на рис.5 вообще лучше взять равным 0,01 Ом, изменив при этом номинал резистора R2 на 10 Ом или увеличив номинал резистора R3 до 10кОм.

На рис.1.2 приведена основная инвертирующая схема включения ОУ.

Рис.1.2. Основная инвертирующая схема включения ОУ

Выход ОУ соединен с инвертирующим входом сопротивлением обратной связи R ОС . Сигнал подается на инвертирующий вход через сопротивление R 1 . Исходя из свойств ОУ (бесконечный коэффициент усиления), делаем вывод, что при конечном напряжении на выходе разность потенциалов в трчках А и В равна нулю. Т.к. потенциал точки В равен нулю (соединение с землей), то и потенциал точки А тоже равен нулю. Этот факт дает основание считать точку А кажущейся землей, поскольку прямого соединения с землей эта точка не имеет.

Отсюда следует, что ток во входной цепи определяется только сопротивлением R 1 : i = u ВХ / R 1 . Из-за бесконечного входного сопротивления ОУ на вход усилителя ток не ответвляется и полностью протекает по сопротивлению ОС R ОС . Отсюда:
. Подставив сюда значение тока, получим:
. Следовательно, коэффициент усиления:

(1.1)

Входное сопротивление каскада равно R 1 .

1.1. Суммирующий усилитель

Наличие точки кажущейся земли позволяет строить при помощи ОУ суммирующие усилители (рис.1.3).

Рис.1.3. Суммирующий усилитель

Вследствие того, что потенциал в точке А равен нулю, входные токи не влияют друг на друга и определяются только параметрами входных цепей:

Эти токи суммируются в цепи обратной связи:
.

Подставим значения токов:
, отсюда:

(1.2)

Изменяя значения сопротивлений, можно задавать весовые коэффициенты, с которыми суммируются входные напряжения. В частности, при равенстве всех сопротивлений получаем чистую сумму входных напряжений.

1.4. Основная неинвертирующая схема включения оу

На рис.1.4. приведена основная неинвертирующая схема включения ОУ.

Рис.1.4. Основная неинвертирующая схема включения ОУ

Исходя из тех же предпосылок, что и в предыдущих случаях, проведем анализ работы данной схемы.

1)
.

3)
.

4) Приравнивая токи, получаем:
.

5) Отсюда окончательно получаем коэффициент усиления:

. (1.3)

Как видно из (1.3), коэффициент усиления неинвертирующего усиления не может быть меньше единицы.

1.5. Повторитель

Частным случаем неинвертирующего усилителя является повторитель (рис.1.5).

Рис.1.5. Повторитель на ОУ

Коэффициент передачи такого каскада равен единице. Он обладает очень высоким входным и низким выходным сопротивлением. Такие свойства позволяют применять его в качестве буферного каскада, чтобы исключить влияние одной части большой схемы на другую.

1.6. Преобразователь тока в напряжение

Простейшим преобразователем ток-напряжение является, как известно, резистор. Ему, однако, присущ недостаток, заключающийся в том, что для подключаемого источника тока его входное сопротивление не равно нулю (напомним, что для источника тока нормальным является режим короткого замыкания, поскольку источник тока имеет большое выходное сопротивление, которое должно быть намного больше сопротивления нагрузки). Схема, приведенная на рис.1.6, свободна от указанного недостатка и обеспечивает точное преобразование тока в напряжение:

u 2 = −R  i 1 . (1.4)

Точка А имеет квазинулевой потенциал, поэтому входное сопротивление устройства равно нулю, а токi 1 протекает по резисторуR , обеспечивая выходное напряжение (1.4).

Рис.1.6. Преобразователь тока в напряжение

Преобразователи ток-напряжение предназначены для работы с источниками тока. Идеальный источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление, а его выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки. Примером таких источников могут служить фотоэлемен­ты: фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители. Их выходное сопротивление очень велико (хотя и имеет ко­нечное значение), поэтому чем меньше сопротивление нагрузки, тем в большей степени они работают как ис­точники тока. Использование фотоэлементов в режиме источника тока улучшает линейность световой характе­ристики, обеспечивает более высокое быстродействие, повышает стабильность параметров во времени и при эксплуатации.

Функцию преобразования ток-напряжение успешно выполняет инвертирующий усилитель, у которого сопро­тивление входного резистора равно нулю (рис. 25, а). При таком включении входное сопротивление схемы

Для современных операционных усилителей, имею­щих коэффициент усиления Л порядка нескольких десят­ков тысяч, входное сопротивление преобразователя ток- напряжение составляет от долей до нескольких ом в за­висимости от величины сопротивления резистора обрат­ной СВЯЗИ Roc-

Рис. 25. Схема преобразователя ток-напряжение

Выходное напряжение преобразователя ток-напря­жение пропорционально входному току / (ток источни­ка), умноженному на сопротивление резистора обратной

Для повышения разрешающей способности преобра­зователя ток-напряжение необходимо, чтобы сигналь­ный ток превышал значение входного тока операционно­го усилителя. Поэтому при измерении малых токов сле­дует применять операционные усилители с наименьшими входными токами (усилители с полевыми транзисторами на входе).

На рис. 25, б показана схема преобразователя ток-напряжение в паре с фотодиодом. При таком включении повышается быстродействие фотодиода, поскольку иск­лючается влияние его собственной емкости за счет того, что он работает на очень низкоомную нагрузку.

Емкость фотодиода не определяет частотную характепистику непосредственно схемы. Эта характеристика определяется сопротивлением резистора обратной связи и проходной емкостью операционного усилителя, поэто­му дая получения максимальной ширины частотной ха­рактеристики, верхняя граница которой ограничена час­тотной характеристикой самого ОУ, необходимо умень­шать сопротивление резистора обратной связи.

Нужно учитывать, что емкость фотодиода оказывает существенное воздействие на спектральную плотность шума На частотах, при которых емкостная составляю­щая полного сопротивления фотодиода становится мень­ше полного сопротивления обратной связи, происходит возрастание напряжения. Скорость возрастания зависит от соотношения между уровнем шума на входе операци­онного усилителя, уровнем шума фотодиода и шумовым сопротивлением резистора обратной связи. Дляумень-шення шумового напряжения резистор обратной связи шунтируется емкостью. Уменьшение сопротивления на­грузки для источника тока позволяет также повысить линейность световой характеристики.

Сигнальный ток фотодиода пропорционален освещен­ности Е и интегральной чувствительности фотодиода S.

Тогда выходное напряжение схемы будет равно

Важным преимуществом схемы является то, что при изменении сопротивления резистора обратной связи Яос от сотен ом до нескольких мегаом можно измерять освещенности, отличающиеся в сотни тысяч раз.

Включение фотодиода в фотогальваническом режиме (без напряжения смещения) на низкоомную нагрузку (рис. 25, б) уменьшает температурный коэффициент ин­тегральной чувствительности.

Еще одно достоинство такого включения - отсутствие темнового тока, что особенно важно в случае гальвани­ческой связи с последующими каскадами при измерении непрерывных световых потоков.

При измерении переменных (мудулированных) свето­вых потоков и емкостной связи с последующими каска­дами используется схема, приведенная на рис. А в. в которой фотодиод включен со смещением. В этом

случае снижается емкость и увеличивается интегральная чувствительность фотодиода, но появляется темновой ток фотодиода /фт, который очень сильно зависит от темпе­ратуры.

Погрешность преобразователя ток-напряжение так­же определяется параметрами самого операционного

Рнс. 26. Преобразователь тока фотодиода в напряжение с входным каскадом на полевых транзисторах

усилителя. Она обусловлена напряжением смещения, входным током и их дрейфами. Коэффициент усиления преобразователя ток-напряжение для напряжения сме­щения и шумовых напряжений определяется выражением

(так как где /?ф - внутреннее сопротивление фотодиода.

Выходное напряжение ОУ за счет его погрешностей будет равно

Если нет операционного усилителя с малыми входны­ми токами, можно использовать схему с дополнительны­ми полевыми транзисторами на входе (рис. 26). Резистор R2 служит для балансировки выходного напряжения.

Конденсатор СЗ предназначен для уменьшения выходно­го шумового напряжения.

рис. 27. Фотореле

На рис. 27 представлена схема фотореле, в котором фотодиод включен на иеин-вертирующий вход. Эта схе­ма пригодна для работы только на низких частотах, так как фотодиод генерирует ток всего в несколько микро­ампер, а для получения не­обходимого выходного на­пряжения, которое опрсделяется выражением

сопротивление резистора R2 и коэффициент передачи кас­када, равный 1 + , должны быть достаточно большими.

При увеличении сопротивления резистора R2 емкость фо­тодиода будет значительно ограничивать частотную ха­рактеристику каскада, а при увеличении коэффициента усиления значительно увеличивается влияние входных погрешностей операционного усилителя.

постоянным ток стабилитрона независимо от тока нагрузки, значительно уменьшить выходное сопро­тивление и увеличить ток нагрузки, а также регулиро­вать выходное напряжение опорного источника в широ­ких пределах.

На рис. 28, а показана схема однополярного источни­ка опорного напряжения, обеспечивающего выходное напряжение, величина которого выше напряжения ста­билизации стабилитрона и может регулироваться в пре­делах от 10 до 25 В. В этой схеме операционный усили­тель работает от одного источника питания +30 В. От­рицательный вывод источника питания заземлен, а па неинвертируюший вход ОУ подано смещение от стаби­литрона. На выходе операционного усилителя включен эмиттерный повторитель на транзисторе V3 для увели­чения выходного тока источника опорного сигнала. Сиг­нал обратной связи, подаваемый на инвертирующий вход ОУ, снимается с делителя (резисторы R4 -R6). Из­меняя глубину обратной связи положением движка по­тенциометра (резистор R4), можно регулировать выход­ное напряжение. Максимальная величина выходного нап­ряжения ограничена напряжением насыщения транзис­тора V3 и диапазоном выходного напряжения ОУ. Минимальная величина выходного напряжения источника опорного напряжения ограничивается допустимым син­фазным напряжением на входе ОУ и элементами дели­теля R4 -R6. Резистор R7 защищает выход операцион­ного усилителя от короткого замыкания. Транзистор V2

предназначен для защиты транзистора V3 при бросках тока, превышающих силу выходного тока источника опорного напряжения. Допустимая сила тока перегрузки устанавливается резистором R8. При силе тока нагрузки, превышающей допустимую, на резисторе R8 создается падение напряжения, достаточное для открытия транзис­тора V2, который ограничивает базовый ток транзистора V3. Для обеспечения нормальной работы источника опор­ного напряжения транзистор V3 должен иметь стати­ческий коэффициент усиления тока базы не менее 50- 100. Сила выходного тока источника опорного напряже­ния 100 мА.

В тех случаях, когда необходимо получать биполяр­ные напряжения, симметричные относительно земли, мо­жет быть использована схема, показанная на рис. 28, б. В этой схеме оба выхода обеспечивают симметричное относительно земли напряжение, величина которого оп­ределяется напряжением стабилизации одного стаби­литрона V3. Поскольку напряжение на стабилитроне формируется при помощи операционных усилителей, он изолирован от изменений источника питания. Ток стаби­лизации определяется только напряжением стабилизации стабилитрона V3 и сопротивлением резистора R4:
Выходное напряжение также не зависит от тока наг­рузки по обоим выходам двухполярного опорного источ­ника. Операционный усилитель Л2 и усилитель тока на транзисторе V4 обеспечивают ток нагрузки по отри­цательному, а ОУ AI и усилитель тока VI по положи­тельному выходам. Отрицательное выходное напряжение равно напряжению стабилизации примененного стабилит­рона: Ывих=«ст. В то же время положительное выходное напряжение определяется отношением резисторов R3 и R5, т. е. может быть усилено или ослаблено относительно напряжения стабилизации стабилитрона V3:

При равенстве сопротивлений резисторов R3 и R5 по­ложительное выходное напряжение равно отрицательному выходному напряжению источника двухполярного напря­жения. В тех случаях, когда не требуются симметричные