Преобразувателите на напрежение към ток се използват, когато токът в товара трябва да бъде пропорционален на входното напрежение и да не зависи от съпротивлението на товара. По-специално, при постоянно входно напрежение, токът в натоварването също ще бъде постоянен, следователно такива преобразуватели понякога се наричат \u200b\u200bстабилизатори на тока.

Най-простата верига на стабилизатора на тока, показана на фиг. 10.41, a, е инвертиращ усилвател, в който натоварването Rn е включено в схемата за отрицателна обратна връзка на усилвателя. Токът в товара ще бъде равен на Ui / Rl. За да се намали натоварването на източника на входното напрежение, той е свързан към неинвертиращия вход на оптичния усилвател. Точно това е направено в текущия стабилизатор на фиг. 10.41, b, за които токът в натоварването е (Ui / Rl) (l + Rl / R2) (l + R2 / R4).

В настоящите стабилизатори на фиг. 10.41 товарът не е заземен, което не винаги е удобно. От тази гледна точка, за предпочитане е стабилизатор на ток със заземен товар (фиг. 10.42). Токът в натоварването Rn на такъв стабилизатор се определя по формулата Ii \u003d UiA / B, където A \u003d Rl (R4 + R5) R2-R4; B \u003d Rn + Rl R5 (R3 + R4). Условието за независимост на Ii от Rn е равенството R1 (R4 + R5) -R2-R3. В този случай имаме Ii \u003d Ui-R2 / (Rl-R5).

Обърнете внимание, че ако стабилизаторът на фиг. 10.42 приложете Ui през резистор R1 към инвертиращия вход на оптичния усилвател и заземяващия резистор R3, тогава когато се изпълни условието R1 (R4 + R5) \u003d R2-R3, токът в товара само ще промени знака.

Едно от многото приложения на преобразуватели е устойчивостта на преобразуватели на напрежение (PSN), използвани в комбинация с резистивни сензори. За изграждането на PSN обикновено включва преобразуваното съпротивление като товар на стабилизатора на тока. Тогава спадът на напрежението през това съпротивление ще бъде пропорционален на неговото съпротивление. На практика е удобно да се използват PSN устройства с нисък изходен импеданс. Това изискване е изпълнено в най-голяма степен от PSN на базата на стабилизатор на тока, чиято верига е показана на фиг. 10.41 a. Всъщност напрежението на изхода на усилвателя в този стабилизатор е равно на Ui-Rn / Rl. Следователно като изходно напрежение на PSN е възможно да се използва не спадът на напрежението през резистора Rn, а изходното напрежение на усилвателя. В същото време изходният импеданс на такъв PSN ще бъде много нисък, както при всеки усилвател с отрицателна обратна връзка.

Удобен за употреба PSN, направен на базата на текущия стабилизатор на фиг. 10.42. Такъв PSN се характеризира не само с малко изходно съпротивление, но и с възможност за заземяване на резистивен преобразувател. Ако вземем R4 \u003d 0 и R1-R5 \u003d R2-R3, тогава изходното напрежение на оптичния усилвател в този стабилизатор е Uo \u003d Ui-Rn (l + R2 / Rl) / R3.

Допълнително предимство на PSN на стабилизатора (фиг. 10.42) е възможността да се коригира грешката на нелинейността на устройството поради нелинейността на характеристиките на сензора. Ако изберем R1-R5\u003e R2-R3, тогава зависимостта на Uo от Rn ще бъде нелинейна - чувствителността ще намалява с увеличаване на Rn. Ако променим знака на неравенството, тогава, напротив, чувствителността ще се увеличава с увеличаване на Rn. Следователно, избирайки знака и величината на разликата R1-R5-R2-R3, е възможно да се получи характеристиката на преобразуването на съпротивлението с компенсация за нелинейността на сензора.

Тестови въпроси и задачи

1. Каква функция изпълняват преобразувателите на напрежение-ток и съпротивление?

2. Веригата на измервателното съпротивление (PSN) на стабилизатора на тока съгласно схемата от фиг. 10.41, а е показано на фиг. 10.43. Какви трябва да бъдат стойностите на напрежение Ui и съпротивление R1, така че при измерване на изходното напрежение Uo показанията на мултицет съвпадат със съпротивлението на измерения резистор Rx с коефициент 10-k, където k е всяко цяло число, включително нула. Потвърдете изчисленията чрез симулация.

3. Завършете веригата на конвертора на фиг. 10.42 с необходимия уред и го симулирайте, като изберете резисторите, използвайки горните формули.

Фиг. 10.43. Rx верига на измервателното съпротивление

Един от най-лесните начини за измерване на ток в електрическа верига е измерването на спада на напрежението през резистор, свързан последователно с товар. Но когато токът преминава през този резистор, в него се освобождава безполезна мощност под формата на топлина, така че той се избира възможно най-ниско, което от своя страна води до последващо усилване на сигнала. Трябва да се отбележи, че схемите по-долу ви позволяват да контролирате не само постоянен, но и импулсен ток, със съответните изкривявания, определени от широчината на лентата на усилващите елементи.

Измерване на тока на отрицателния полюс на товара.

Схемата за измерване на тока на натоварване в отрицателния полюс е показана на фигура 1.

Тази диаграма и част от информацията са заимствани от дневника. „Компоненти и технологии“ № 10 за 2006 г. Михаил Пушкарев [защитен имейл]
предимства:
   ниско входно напрежение в общ режим;
   входните и изходните сигнали имат обща "земя";
   лекота на изпълнение с един източник на енергия.
  недостатъци:
   натоварването няма пряка връзка със "земята";
   няма възможност за превключване на товара с ключ в отрицателния полюс;
   възможността за отказ на измервателната верига с късо съединение в товара.

Измерването на тока при отрицателния полюс на товара не е трудно. За тази цел са подходящи много усилватели, предназначени за работа с еднополюсна мощност. Веригата за измерване на тока с помощта на операционен усилвател е показана на фиг. 1. Изборът на конкретен тип усилвател се определя от необходимата точност, която се влияе главно от нулевото отместване на усилвателя, неговата грешка в настройката на температурата и грешката в настройката и необходимата скорост на веригата. В началото на скалата е неизбежна значителна грешка в преобразуването, причинена от ненулева стойност на минималното изходно напрежение на усилвателя, което не е от съществено значение за повечето практически приложения. За да се отстрани този недостатък, е необходима мощност на двуполюсен усилвател.

Измерване на тока при положителния полюс на товара

   Предимства:
   товарът е заземен;
   в товара се открива късо съединение.
  недостатъци:
   високо входно напрежение в общ режим (често много високо);
   необходимостта от изместване на изходния сигнал до ниво, приемливо за последваща обработка в системата (позоваване на "земята").
   Помислете схемата за измерване на тока в положителния полюс на товара с помощта на операционни усилватели.

На диаграмата на фиг. 2, може да се използва всеки операционен усилвател, подходящ за допустимото захранващо напрежение, проектиран да работи с еднополюсно захранване и с максимално входно общо напрежение, достигащо захранващото напрежение, например AD8603. Максималното захранващо напрежение на веригата не може да надвишава максимално допустимото захранващо напрежение на усилвателя.

Но има оп-усилватели, които могат да работят с входно напрежение в общ режим, което е значително по-високо от захранващото напрежение. Във веригата, използваща оп усилвателя LT1637, показана на фиг. 3, захранващото напрежение на натоварването може да достигне 44 V при напрежение на захранващо напрежение от 3 V. Инструменталните усилватели като LTC2053, LTC6800 от Linear Technology, INA337 от Texas Instruments са подходящи за измерване на ток на положителния полюс на товара с много малка грешка. Има специализирани микросхеми за измерване на тока в положителния полюс, например INA138 и INA168.

INA138 и INA168

- монитори с високо напрежение, еднополярни токови монитори. Широка гама от входни напрежения, ниска консумация на ток и малки размери - SOT23, позволяват използването на този чип в много вериги. Захранващото напрежение е от 2,7 V до 36 V за INA138 и от 2,7 V до 60 V за INA168. Входният ток е не повече от 25 μA, което позволява измерването на спада на напрежението през шунта с минимална грешка. Микрочипите са преобразуватели на ток-напрежение с коефициент на преобразуване от 1 до 100 или повече. INA138 и INA168 в загражденията SOT23-5 имат работна температура в диапазона от -40 ° C до + 125 ° C.
  Типична схема на свързване е взета от документацията за тези микросхеми и е показана на фигура 4.

OPA454

- Новият евтин операционен усилвател с високо напрежение на Texas Instruments с изходен ток над 50 mA и честотна лента от 2,5 MHz. Едно предимство е високата стабилност на OPA454 при коефициент на усилване.

   Вътре в ОС се организира защита от превишаване на температурата и свръхток. Производителността на ИС се поддържа в широк диапазон на захранващи напрежения от ± 5 до ± 50 V или, в случай на еднополярна мощност, от 10 до 100 V (максимум 120 V). OPA454 има допълнителен изход „Status Flag” - изход за състоянието на OPAMP с отворен дренаж - който ви позволява да работите с логика на всяко ниво. Този операционен усилвател с високо напрежение има висока точност, широк диапазон на изходните напрежения и не причинява проблеми с фазовата инверсия, които често се срещат при работа с прости усилватели.
  Технически характеристики на OPA454:
  Широк обхват на захранващото напрежение от ± 5 V (10 V) до ± 50 V (100 V)
  (максимум до 120 V)
  Голям максимален изходен ток\u003e ± 50 mA
  Широка гама от работни температури от -40 до 85 ° C (изключително от -55 до 125 ° C)
  Версия на корпуса SOIC или HSOP (PowerPADTM)
  Данните за чипа са дадени в "Electronics News" № 7 за 2008 г. Сергей Пичугин

Сигнален усилвател на текущия манекен на основната захранваща шина.

В любителската радио практика, за вериги, чиито параметри не са толкова твърди, са подходящи евтини двойни LM358 оп усилватели, подходящи за работа с входни напрежения до 32V. Фигура 5 показва една от многото типични схеми за свързване на LM358 като монитор на токов товар. Между другото, не всички „таблици с данни” имат схеми за неговото включване. По всяка вероятност тази схема е първообразът на схемата, дадена в списанието „Радио“ от И. Нечаев и която споменах в статията „ Индикатор за текущата граница».
Горните схеми са много удобни за използване в самостоятелно произведени захранващи устройства за наблюдение, телеметрия и измерване на тока на натоварване, за изграждане на защитни вериги срещу къси съединения. Сегашният датчик в тези вериги може да има много малко съпротивление и няма нужда да се монтира този резистор, какъвто е случаят с конвенционален амперметър. Например напрежението през резистора R3 във веригата на фигура 5 е равно на: Vo \u003d R3 ∙ R1 ∙ IL / R2, т.е. Vo \u003d 1000 ∙ 0,1 ∙ 1A / 100 \u003d 1V. Един ампер ток, преминаващ през сензора, съответства на един волт падане на напрежение през резистор R3. Стойността на това съотношение зависи от стойността на всички резистори, включени в конверторната верига. От това следва, че като направите тримера на резистора R2, можете спокойно да компенсирате разпространението в съпротивлението на резистора R1. Това се отнася и за веригите, показани на фигури 2 и 3. В схемата, показана на фиг. 4, съпротивлението на товарния резистор RL може да бъде променено. За да се намали потапянето на изходното напрежение на захранващия блок, съпротивлението на токовия датчик - резистор R1 във веригата на фиг. 5 обикновено е по-добре да се вземе равно на 0,01 ома, като същевременно се променя стойността на резистор R2 с 10 ома или се увеличава стойността на резистор R3 на 10 kOhm.

Фигура 1.2 показва основната инвертираща схема за включване на усилвателя.

Фигура 1.2. Основната инвертираща верига за превключване на усилвателя

Изходът на оп усилвателя е свързан към инвертиращия вход чрез съпротивление за обратна връзка R операционна система   , Сигналът се подава към инвертиращия вход чрез съпротивление R 1   , Въз основа на свойствата на усилвателя (безкрайно усилване), заключаваме, че при ограничено напрежение на изхода, потенциалната разлика в спадовете А   и Най-   равно на нула. защото точков потенциал Най-   е равна на нула (връзка със земята), тогава потенциалът на точката А   също равно на нула. Този факт дава основание да се разгледа въпроса А   привидна земя, тъй като тази точка няма пряка връзка със земята.

От това следва, че токът във входната верига се определя само от съпротивлението R 1 : аз= ф BX / R 1   , Поради безкрайния входен импеданс на усилвателя, токът не се разклонява към входа на усилвателя и протича напълно по съпротивлението на ОС R операционна система   , От тук:
, Заменяйки текущата стойност тук, получаваме:
, Следователно печалбата:

(1.1)

Входният импеданс на каскадата е R 1 .

1.1. Сумиращ усилвател

Наличието на точка на видимата земя ви позволява да изградите сумиращи усилватели с помощта на оп усилвател (фиг. 1.3).

Фиг. 1.3. Сумиращ усилвател

Поради факта, че потенциалът в точката А   равни на нула, входните токове не влияят един на друг и се определят само от параметрите на входните вериги:

Тези токове се сумират във веригата за обратна връзка:
.

Заместващи текущи стойности:
от тук:

(1.2)

Променяйки стойностите на съпротивленията, можем да зададем коефициентите на тегло, с които се сумират входните напрежения. По-специално с равенството на всички съпротивления получаваме нетната сума на входните напрежения.

1.4. Основна неинвертираща оп усилвателна верига

Фиг. 1.4. Показана е основната неинвертираща схема за включване на усилвателя.

Фиг. 1.4. Основната неинвертираща схема за включване на усилвателя

Въз основа на същите предположения, както в предишните случаи, анализираме работата на тази схема.

1)
.

3)
.

4) Изравняващи токове, получаваме:
.

5) От тук най-накрая получаваме печалбата:

. (1.3)

Както се вижда от (1.3), печалбата на неинвертиращата печалба не може да бъде по-малка от единица.

1.5. ретранслатор

Специален случай на неинвертиращ усилвател е ретранслатор (фиг. 1.5).

Фиг. 1.5. Повторител на оп усилвател

Коефициентът на предаване на такава каскада е равен на единица. Има много висок вход и нисък изходен импеданс. Такива свойства позволяват да се използва като буферна каскада, за да се изключи влиянието на една част от голяма верига върху друга.

1.6. Преобразувател на ток към напрежение

Най-простият преобразувател на ток-напрежение е, както знаете, резистор. Той обаче има недостатъка, че входното му съпротивление не е равно на нула за свързания източник на ток (припомнете, че режимът на късо съединение е нормален за източника на ток, тъй като токовият източник има голямо изходно съпротивление, което трябва да бъде много по-голямо от съпротивлението на товара ). Веригата, показана на фиг. 1.6, е без този недостатък и осигурява точно преобразуване на тока в напрежение:

ф 2 = −R аз 1 . (1.4)

точка Аима квази нулев потенциал, така че входният импеданс на устройството е нулев, а токът аз 1 протича през резистор Rосигуряване на изходното напрежение (1.4).

Фигура 1.6. Преобразувател на ток към напрежение

Преобразувателите на ток за напрежение са проектирани да работят с източници на ток. Идеалният източник на ток има безкрайно изходно съпротивление, а изходният му ток не зависи от съпротивлението на натоварването. Пример за такива източници са фотоклетките: фотодиоди, фототранзистори, фотоумножители. Изходният им импеданс е много голям (въпреки че има крайна стойност), следователно, колкото по-ниско е съпротивлението на товара, толкова повече те работят като източници на ток. Използването на фотоклетки в текущия режим на източника подобрява линейността на характеристиката на светлината, осигурява по-висока скорост, повишава стабилността на параметрите във времето и по време на работа.

Функцията за преобразуване на ток в напрежение се изпълнява успешно от инвертиращ усилвател, в който съпротивлението на входния резистор е нула (фиг. 25, а). С това включване входният импеданс на веригата

За съвременните операционни усилватели с усилване L от порядъка на няколко десетки хиляди входното съпротивление на преобразувателя на ток е от фракции до няколко ома, в зависимост от стойността на съпротивлението на резистора за обратна връзка Roc-

Фиг. 25. Схема на преобразувател на ток

Изходното напрежение на преобразувателя на ток е пропорционално на входния ток / (източник на ток), умножено по съпротивлението на обратния резистор

За да увеличите разделителната способност на преобразувателя на ток, е необходимо токът на сигнала да надвишава стойността на входния ток на операционния усилвател. Затова при измерване на ниски токове трябва да се използват операционни усилватели с най-ниски входни токове (усилватели с транзистори с полеви ефекти на входа).

На фиг. 25 бпоказва диаграма на преобразувателя на ток напрежение, сдвоена с фотодиод. С това включване се увеличава скоростта на фотодиода, тъй като влиянието на собствения му капацитет е изключено поради факта, че той работи при много ниско съпротивление.

Капацитетът на фотодиода не определя честотната характеристика на самата верига. Тази характеристика се определя от съпротивлението на резистора за обратна връзка и пропускателната способност на операционния усилвател, следователно, за да се получи максималната ширина на честотната характеристика, горната граница на която е ограничена от честотната характеристика на самия оптичен усилвател, е необходимо да се намали съпротивлението на резистора за обратна връзка.

Трябва да се вземе предвид, че капацитетът на фотодиода оказва значително влияние върху спектралната плътност на шума.При честоти, при които капацитивният компонент на импеданса на фотодиода става по-малък от импеданса на обратната връзка, се получава увеличение на напрежението. Скоростта на увеличение зависи от връзката между нивото на шума на входа на операционния усилвател, нивото на шума на фотодиода и шумоустойчивостта на резистора за обратна връзка. За намалено шумово напрежение резисторът за обратна връзка се мости от капацитет. Намаляването на съпротивлението на натоварването за източника на ток също може да увеличи линейността на характеристиката на светлината.

  Сигналният ток на фотодиода е пропорционален на осветеността Eи интегрирана чувствителност на фотодиод S.

Тогава изходното напрежение на веригата ще бъде равно

Важно предимство на веригата е, че когато съпротивлението на резистора за обратна връзка Yaos се промени от стотици оми до няколко мегаома, е възможно да се измери осветеността, която се различава със стотици хиляди пъти.

Включване на фотодиода във фотоволтаичен режим (без напрежение на отклонение) до натоварване с нисък импеданс (фиг. 25, б)намалява температурния коефициент на интегрирана чувствителност.

Друго предимство на това включване е липсата на тъмен ток, което е особено важно в случай на галванично свързване с последващи каскади при измерване на непрекъснати светлинни потоци.

При измерване на променливите (манекени) светлинни потоци и капацитивно свързване с последващи етапи, схемата, показана на фиг. А инчав който фотодиодът е включен с изместване. В това

в този случай капацитетът намалява и интегрираната чувствителност на фотодиода се увеличава, но се появява тъмният ток на фотодиода / фута, който е много зависим от температурата.

Грешката на преобразувателя на ток-напрежение също се определя от параметрите на работа

RNS. 26. Фотодиоден ток към преобразувател на напрежение с входен етап на полеви транзистори

  усилвател. Това се дължи на напрежение на отклонение, входен ток и техните дрейфове. Коефициентът на усилване на преобразувателя на ток за напрежение и напрежение на отклонение се определя от израза

(тъй като / f е вътрешното съпротивление на фотодиода.

  Изходното напрежение на усилвателя поради неговите грешки ще бъде равно на

Ако няма операционен усилвател с малки входни токове, можете да използвате верига с допълнителни полеви транзистори на входа (фиг. 26). резистор R2служи за балансиране на изходното напрежение.

кондензатор NWпроектиран за намаляване на изходното шумово напрежение.

фиг. 27. Фотореле

На фиг. 27 е фоторелейна верига, в която фотодиодът е свързан към вход-инвертиращ вход. Тази верига е подходяща за работа само на ниски честоти, тъй като фотодиодът генерира ток от само няколко микроампер и за получаване на необходимото изходно напрежение, което се определя от израза

съпротивление на резистора R2и каскадната печалба от 1 + трябва да бъде достатъчно голяма.

С увеличаване на съпротивлението на резистора R2капацитетът на фотодиода значително ще ограничи честотната характеристика на каскадата и с увеличаване на усилването влиянието на входните грешки на операционния усилвател се увеличава значително.

постоянен ток на ценеровия диод, независимо от тока на натоварване, значително намалява изходното съпротивление и увеличава тока на натоварване, както и регулира изходното напрежение на референтния източник в широк диапазон.

На фиг. 28 ие показана схема на еднополюсен източник на референтно напрежение, която осигурява изходно напрежение, чиято стойност е по-висока от стабилизационното напрежение на ценеровия диод и може да се регулира от 10 до 25 V. В тази диаграма операционният усилвател работи от единично захранване +30 V. Отрицателният изход на захранването е заземен и неинвертиращ оптичен усилвател на входното отклонение от ценеровия диод. Емитерният последовател на транзистора е включен на изхода на операционния усилвател V3за увеличаване на изходния ток на източника на референтния сигнал. Сигналът за обратна връзка, подаван към инвертиращия вход на усилвателя, се отстранява от разделителя (резистори R4-R6).Чрез промяна на дълбочината на обратна връзка според позицията на плъзгача на потенциометъра (резистор) R4),изходното напрежение може да се регулира Максималното изходно напрежение е ограничено от напрежението на насищане на транзистора. V3и диапазона на изходното напрежение на усилвателя. Минималното изходно напрежение на източника на референтно напрежение е ограничено от допустимото напрежение в общ режим на входа на усилвателя и елементите на разделителя R4-R6.резистор R7предпазва изхода на операционния усилвател от късо съединение. транзистор V2

предназначени за защита на транзистора V3при ударни токове, превишаващи изходния ток на източника на еталонно напрежение. Допустимият ток на претоварване се определя от резистора R8.Когато токът на натоварване надвиши допустимата граница на резистора R8създава се спад на напрежението, достатъчен за отваряне на транзистора V2,което ограничава базовия ток на транзистора V3.За да се осигури нормалната работа на референтен транзистор за напрежение V3трябва да имат статично усилване на базов ток най-малко 50-100. Изходният ток на източника на еталонно напрежение е 100 mA.

  В случаите, когато е необходимо да се получат биполярни напрежения, симетрични по отношение на земята, може да се използва схемата, показана на фиг. 28 б.В тази верига и двата изхода осигуряват симетрично спрямо земята напрежение, чиято стойност се определя от стабилизационното напрежение на един ценеров диод V3.Тъй като напрежението върху ценеровия диод се формира с помощта на операционни усилватели, то се изолира от промените в източника на захранване. Стабилизиращият ток се определя само от стабилизационното напрежение на ценеровия диод V3и резистор R4:
  Изходното напрежение също не зависи от тока на натоварване на двата изхода на биполярния референтен източник. Операционен усилвател A2и транзисторен усилвател на тока V4осигуряват отрицателен ток на натоварване и оп усилвател AIи усилвател на тока VIна положителни резултати. Отрицателното изходно напрежение е равно на стабилизационното напрежение на приложения ценеров диод: Ybih \u003d "Art. В същото време положителното изходно напрежение се определя от съотношението на резисторите R3и R5,т.е. може да се усилва или отслабва спрямо стабилизационното напрежение на ценеровия диод V3:

С еднакво съпротивление на резисторите R3и R5положителното изходно напрежение е равно на отрицателно изходно напрежение на източник на биполярно напрежение. В случаите, когато не се изискват симетрични