Допомога по Теле2, тарифи, питання

У радіотехніці часто виникає потреба у перетворювачах. Багато джерел сигналу мають струмовий вихід. До таких джерел відносяться ЦАПи, фоторезистори, фототранзистори та ін. Для подальших маніпуляцій із сигналом необхідно перетворювати його на напругу. Розглянемо перевірений часом перетворювач струму на напругу на ОУ з різними джерелами сигналу.

Перетворювач струму в напругу (або скорочено I-U перетворювач) - це схемне рішення, що дозволяє перетворювативихідний струмовий сигнал джерела у напругу.

Також його називають підсилювач - перетворювач опору. Така назва в технічній літературі була дана за те, що найпростіший перетворювач струму в напругу це резистор.

Вся магія перетворення відбувається за законом дідуся Ома. Струм i вх протікаючи через резистор R викликає на ньому падіння напруга U вих . Величина цієї напруги прямо пропорційна твору опору резистора та вхідного струму. Мабуть, формулою все звучить навіть простіше:

U вих = R × i вх

Основний недолік використання одного резистора полягає у його ненульовому опорі. Ця обставина стає серйозною проблемою, коли джерело не може забезпечити необхідний рівень напруги на резисторі. Результатом стану просадки напруги на виході.

Ще більше опір позначається на роботі перетворювача, якщо джерела струму малий вихідний робочий діапазон. До таких джерел відноситься, наприклад, фотодіод. Його вихідний струм становить одиниці мкА.

У разі ж ЦАПа, особливо високоякісного, використання резистора для перетворення краще. Чому і навіщо читайте у статті . Це зумовлено деякими фазовими проблемами схем, що будуть розглянуті. На щастя для нас, джерелам фотодиода фазові спотворення байдужі.

Схема перетворювача струм-напруга на ОУ

Схема перетворювача струму в напругу зовсім не нова, але перевірена і безвідмовна. У загальному вигляді вона виглядає так:

Струм сигналу i вх втікає в інвертуючий вхід. Оскільки вхідний струм ідеального ОУ дорівнює нулю, весь вхідний струм надходить на резистор R ланцюги зворотний зв'язок. Цей струм створює на резисторі падіння напруги за законом того ж Ома.

Як результат ОУ намагатиметься підтримувати на опорі навантаження R Н напруга, пропорційна величині вхідного струму.Коефіцієнт посилення схеми в такому випадку має розмірність опору. Що ще раз пояснює радянська назва підсилювач-перетворювач опору:

K = U вих ÷ i вх = R

Перетворювач для заземленого джерела

Розглянемо кілька схем перетворювача струму в напругу на ОУ, які підходять для будь-якого випадку. Почнемо із схеми перетворювача для фотодіода.

Напрямок протікання струму показано стрілкою, і для цього випадку величина вихідної напруги становитиме:

U вих = − i вх × R

Знак мінус з'являється через обраний напрямок протікання струму фотодіода. (Вказано стрілкою на схемі вище)

На цій схемі також показаний додатковий резистор в 1 МОм, з неинвертирующего( + ) входу ОУ на землю. Схема залишиться працездатною і так резистора, а вхід операційного підсилювача у разі заземляється напряму.

Однак маючи резистор в 1 МОм в ланцюзі зворотного зв'язку, на кожен 1 мкА вхідного струму на виході буде створено 1 Вольт напруги. При такому коефіцієнті посилення ( мільйон разів) резистор бажаний через неідеальність операційних підсилювачів.

Перетворювач струму в напругу використовують із джерелами сигналу, підключеними до шини живлення. Така схема часто застосовується з елементами на зразок фототранзисторів. Фототранзистор споживає ( пропускає) Струм, під дією зовнішнього джерела світла, позитивної шини живлення.

Перетворювач струму в напругу для незаземленого джерела

Такий перетворювач відрізняється наявністю другого струмочутливого резистора ланцюга проходження сигнального струму, який заземлений. Схема симетричного перетворювача ток-напруга - це подібність диференціального підсилювача.

Внаслідок падіння напруги так само і на заземленому резисторі потенціал входу ОУ падає нижче потенціалу землі, а на виході встановлюється напруга:

U вих = −2 × i вх × R

Симетричний перетворювач струму в напругу - приклад операційної схеми, якій потрібний незаземлений ( плаваючий) джерело сигналу. Таким джерелом може послужити той самий фотодіод. У цьому фотодіод може бути винесений межі плати. Для ще більшої мінімізації перешкод бажано використовувати екранований кабель, екран якого повинен бути з'єднаний із землею.

Висновок

Матеріал підготовлений виключно для сайту

Вхідні та вихідні каскади більшості електронних пристроїв є джерелами чи приймачами напруги. Однак у ряді випадків перевага віддається струмовим сигналам. Токові сигнали використовуються в довгих лініях зв'язку розподілених систем управління технологічними процесами, оскільки цей спосіб забезпечує хороший захист від перешкод, а опори кабелю та контактних з'єднань практично не впливають на якість передачі сигналу. З струмовим вхідним сигналом доводиться мати справу, наприклад, у фототранзисторній схемі для вимірювання освітленості, при вимірюванні струму, споживаного навантаженням, і т.д. Струмовими навантаженнями є широко використовувані стрілочні вимірювальні прилади магнітоелектричної системи.

Перетворювачі струму в напругу (ПТН) і напруги струм (ПНТ) використовуються в різних електронних пристроях і системах, зокрема, для узгодження каскадів, що працюють з потенційними і струмовими сигналами.

Для вимірювання малих струмів успішно можна використовувати схема, рис. 2.24. Нижня межа 1Вх становить частки пикоампера. Відповідно до правил 1 і 2 весь вхідний струм протікає через Roc і, отже,

Рис. 2.24. ПТН для малих струмів

Коефіцієнт перетворення:

К _ ^вих _ ~ ^ос к

IBX i | r3kb + Rqc °ci

де К - коефіцієнт посилення по напрузі розімкнутого ОУ;

R-екв - еквівалентний опір між входом (-) і землею, що включає опір джерела струму і диференціальний вхідний опір ОУ. Вхідний опір:

r _ Roc " ^екв вх Roc+(k + l).R31CB-

Зважаючи на те, що зазвичай K-Rokb^Roo можна записати

вх ~1 + К* Вихідна напруга усунення:

^см.вих ~ ^сдв + ^см^ос »

де іСдв ~ вхідна напруга зсуву; 1см - вхідний струм усунення.

Мінімальне значення вимірюваного струму визначається Uceb, 1см та їх дрейфами. Тому з метою покращення метрологічних характеристик ПТН рекомендується:

1. При вхідних струмах менше 1 мка бажано використовувати ОУ з польовими вхідними транзисторами, що мають дуже малі вхідні струми.

Необхідно забезпечувати виконання умови r3kb>>Roc> так як ТЛсдв посилюється схемою -Roc/R-екв раз*

Похибка, обумовлену 1см» можна значно зменшити, заземливши вхід (+) не безпосередньо, а через резистор, рівний Roc-

Дрейф 11сдв і 1СМ викликається зміною температури. Тому доцільно вжити заходів щодо зменшення нагріву ОУ у схемі ПТН.

У схемі ПТН найкраще використовувати прецизійні високостабільні резистори.

Перетворювачі напруги струм. У ряді випадків виникає необхідність керувати струмом навантаження за допомогою вхідної напруги. При цьому зміна напруги на навантаженні та коливання її опору не повинні порушувати однозначності залежності Ih = F (Ubx).

Найпростіші ПНТ для незаземленого (плаваючого) навантаження наведено на рис. 2.25.

Максимальний вихідний струм обмежується максимальною вихідною напругою ОУ (напругою живлення) та опором навантаження RH. Для схеми рис. 2.25 а н для схеми

Рис. 2.25,6 1вихмах =uhac/(rbx +&н)> де Uhac - вихідна напруга ОУ в режимі насичення.

Збільшення струму навантаження Рис 2.26. ПНТ зі збільшеним струмом досягнуто застосуванням тран- навантаження

зістора, рис. 2.26. Завдяки здатності транзистора посилювати струм, 1н може бути в р разів більший за максимальний вихідний струм ОУ (1Н = р!вих)> гп-е Р ~ коефіцієнт передачі струму транзистора.

Джерело струму (рис. 2.27) дозволяє вести керування різницею напруги UBXi -UBX2. Відповідно до правила 1 потенціал точки А дорівнює UBxb а потенціал точки Б - UBx2- Таким чином, через резистор R протікає струм, що дорівнює (UBX1-UBX2)/R. Відповідно до правила 2 весь цей струм протікає через навантаження, тому

="j^~(^bxi - ^вхг)-

У розглянутих схемах ПНТ навантаження є плаваючою (незаземленою). Однак у ряді випадків потрібно, щоб один полюс навантаження був заземлений. Дві такі схеми плаваючих джерел вхідного сигналу представлені на рис. 2.28. Відповідно до правила 1 напруга на резисторі Ri дорівнює Ubx- Струм навантаження дорівнює Ubx^R-i-

ПНТ, рис. 2.29, працює на заземлене навантаження та із заземленим джерелом вхідного сигналу.

Розглянемо схему рис. 2.29, а. Вихідна напруга ділиться навпіл між верхніми за схемою резисторами R. Згідно з правилом 1 потенціали обох входів ОУ дорівнюють івих/2. Отже, напруга на навантаженні також дорівнює іВих/2. Струм навантаження дорівнює:

т _Т 4- т - ~ UH , ^вых ~~ Ан ~ Авх аос _ £ £

національний управляючому напряже- ~v у п~<~-" БЬК

нію Всі чотири резистори схеми повинні бути узгоджені (допуск 0,5... 1%).

Аналогічну залежність від Е2 має струм навантаження у схемі рис.

2.29,6. Враховуючи, що полярність верб протилежна Е2, напруга на кожному з верхніх за схемою резисторах дорівнює UR = (Е2 + UBbIX) / 2, рис. 2.30. Відповідно до правила 1

U н = U про - Е2 = IiIHsbl - Е-UfiHLZll.

Отже, иВых=2ин+Е2. Струм навантаження (рис. 2.29,6) дорівнює:

1н - *ос ^вх

^ r _ (Е2 + UBbIX) т _ Uh _ (^вих Е2)

R" 2R »аток1вх-к-2R

Закінчувач-

ний вираз для струму навантаження має такий вигляд:

J _ Е2 + UfiblX Цвих ~ ^2 _ ^2

При подачі двох керуючих напруг Е(і Е2 одночасно IH = (Ej - E2)/R, тобто джерело струму управляється диференціальним сигналом.

Ще одна схема ПНТ із заземленим навантаженням та з фіксованим значенням вихідного струму представлена ​​на рис. 2.31.

Згідно з правилом 1 напруга на резисторі RcT дорівнює напрузі стабілізації стабілітрона VD Uct-емітерний струм транзистора VT 1Е = UCT/RCT . Враховуючи, що для транзистора VT 1к~1е> струм навантаження дорівнює IH = UCT/RCT. Завдяки застосуванню транзистора струм навантаження може бути в р разів більший за максимальний вихідний струм ОУ 1вых мах, де (3 - коефіцієнт передачі струму транзистора. Необхідною умовою роботи джерела струму є виконання нерівності Uh< Un - Uct - икэ нас» где и«;э нас - напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT в режиме насыщения.

Розглянута схема не є ПНТ в «чистому вигляді», оскільки вихідний струм 1н задається зміною напруги стабілізації Uct (зміною стабілітрона), або зміною опору резистора Rcr-

На рис. 4.8 показаний простий варіант перетворювача напруги струм лише на одному ОУ. Завдяки дії зворотного зв'язку вхідна напруга та падіння напруги на резисторі рівні. Через навантаження тече той же струм, що і через резистор тому . Струм у навантаженні не залежить від за умови, що ОУ працює в лінійному режимі (не насичується).

Коефіцієнти перетворення.

Вхідний опір.

Для перетворювача, що інвертує:

Для неінвертованого перетворювача:

де - вхідний опір синфазного сигналу ОУ А.

Вихідний опір інвертуючого та неінвертуючого перетворювачів:

Рис. 4.8. Два варіанти схем ПНТ.

Вихідний струм зміщення інвертуючого та неінвертуючого перетворювачів:

де - вхідна напруга усунення ОУ, - вхідний струм усунення ОУ.

Максимальний вихідний струм обмежується напругою живлення ОУ та імпедансом навантаження.

Для схеми, що інвертує:

Для неінвертуючої схеми:

де - Вихідна напруга насичення ОУ.

Максимальний вихідний струм може обмежуватись і вбудованим захистом самого ОУ. В цьому випадку для збільшення струму до виходу ОУ можна підключити підсилювач потужності (Рис. 4.9).

Неінвертуюча схема на рис. 4.8 має високий вхідний опір, тому що вхідний сигнал подається безпосередньо на вхід ОП. Вхідний опір схеми, що інвертує, дорівнює опору резистора який може бути порівняно невеликим. Крім того, в схемі, що інвертує, джерело керуючого напруги повинен забезпечувати і весь вихідний струм. Для отримання великого коефіцієнта

перетворення за збереження прийнятного опору резистора в ланцюг зворотний зв'язок можна включити дільник (рис. 4.9). Цей спосіб має недолік - зменшується коефіцієнт передачі ланцюга зворотний зв'язок, але це знижує лінійність і точність перетворення, і навіть зменшує вихідний опір.

Вихідний опір у цьому випадку дорівнює:

тобто. зменшується у раз.

При роботі на велике індуктивне навантаження (наприклад, обмотку реле або двигуна) подбайте про те, щоб не перевищити допустимі параметри ОУ через виникнення великих зворотних ЕРС. Для захисту ОУ та інших елементів включаються додаткові діоди. Крім того, при індуктивному навантаженні виникають проблеми із стійкістю схеми. Індуктивність у ланцюзі зворотного зв'язку додає зайвий полюс у частотній характеристиці, що може викликати нестійкість і призвести до самозбудження пристрою. Для боротьби з цим включаються конденсатор і резистор, що коригують, показані на рис. 4.9.

Включення ще одного ОУ перетворює вихідну схему ПНТ з диференціальним входом (рис. 4.10).

Для плаваючих джерел керуючої напруги застосовуються схеми, наведені на рис. 4.11, причому гідність схем б) та в) полягає в тому, що вони віддають струм у заземлене навантаження. Через дії зворотного зв'язку падіння напруги на резисторі дорівнює вхідному напрузі Струм, що протікає через резистор повинен текти і через навантаження, що призводить до бажаного результату.

Вихідний опір для схеми а):

а для схем б) та в):

Загальне зсув, наведене до входу, для схем а), б) та в):

де - Коефіцієнт посилення ОУ А,

КОСС - коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу ОУ А, - вхідна напруга усунення ОУ А, - вхідний струм усунення ОУ А.

Вихідна напруга для схем а), б) та в):

Рис. 4.9. Застосування підсилювача потужності та дільника в ланцюзі зворотного зв'язку.

Якщо схема а) має плаваючі джерела літання, можна підключити точку Р до загального дроту у тому, щоб заземлити вхідний сигнал і навантаження.

Опір витоку між плаваючими затискачами джерела сигналу та землею не впливає на роботу схеми в). Однак воно позначається на роботі схем а) ​​і б), так як по опорам витоку відводиться частина вихідного струму від резистора токозадаючого

Перетворювачі напруги струм (U/I) знайшли широке застосування при передачі інформації в аналоговому вигляді на значні відстані. Більшість вимірювальних пристроїв, що застосовуються під час автоматизації нафтової промисловості, мають струмовий вихід. Перетворювачі U/I є ідеальними джерелами струму. Значення струму, що несе інформацію про деяку фізичну величину (тиск, температура, рівень), не залежить від опору лінії зв'язку (у деяких межах), що дозволяє виключити її вплив.

Один з варіантів перетворювача побудований на основі схеми, що інвертує, де замість резистора включено навантаження
(Рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 - Перетворювач, що інвертує, напруга – струм

Функцію перетворення легко отримати з наступних виразів

. (7.28)

У цій схемі реалізований негативний зворотний зв'язок по струму, ця обставина забезпечує великий вихідний опір перетворювача

Тому зміна опору навантаження в широких межах не впливає на значення струму . Однак, можлива зміна опору навантаження не безмежна. Слід врахувати, що струм у навантаженні підтримується за рахунок напруги
, яке не може бути більше, ніж
. Звідси випливає, що максимальний опір, який можна включити в навантаження без зміни функції перетворення

. (7.30)

Недолік цієї схеми – малий вхідний опір
, що усувається у схемі перетворювача, побудованого на основі неінвертуючого включення ОУ (рис. 7.6).

Рисунок 7.6 - Неінвертуючий перетворювач напруга – струм

У цій схемі введено послідовний негативний зворотний зв'язок по струму, що забезпечує великий вхідний опір. Перетворювач має потенційний вхід та не навантажує джерело сигналу, який може мати великий вхідний опір.

Функцію перетворення можна отримати з наступних рівнянь

, (7.31)

. (7.32)

Досить часто потрібно забезпечити передачу великого струму на значну відстань, для цього можна застосувати потужніший ОУ або додати транзистор (малюнок 7.7).

Рисунок 7.7 - Перетворювач напруга – струм

з умощуючим транзистором

У цій схемі
, Але струм більше струму навантаження на струм бази, який може бути стабільним. Для виключення цього ефекту біполярний транзистор замінюють польовим транзистором із ізольованим каналом. У нього струми стоку та витоку завжди однакові.

7.5. Перетворювач струм – напруга

При вимірюванні струму важливо, щоб вхідний опір приладу, що включається в ланцюг, був близьким до нуля і не впливав на режим ланцюга. Така властивість має перетворювач струм – напруга (рисунок 7.8). Перетворювач має струмовий вхід та потенційний вихід. Цей висновок можна зробити, визначивши вид, спосіб введення та спосіб зняття зворотного зв'язку.

Рисунок 7.8 - Перетворювач струм – напруга

У перетворювачі реалізовано негативний зворотний зв'язок за напругою з паралельним способом введення.

Струм , що входить у крапку aдорівнює струму . Струм , що проходить через резистор , Дорівнює нулю, т.к. напруга
, Докладене до резистора, дорівнює нулю. Струм дорівнює струму , А струм
=0 із умови ідеальності ОУ.

Вихідна напруга дорівнює

. .33)

Вхідний опір перетворювача визначається як вхідний опір підсилювача з паралельним запровадженням ООС

На рис.1.2 наведено основну інвертуючу схему включення ОУ.

Рис.1.2. Основна інвертуюча схема включення ОУ

Вихід ОУ з'єднаний з входом, що інвертує, опором зворотного зв'язку R ОС. Сигнал подається на вхід, що інвертує, через опір R 1 . Виходячи з властивостей ОУ (нескінченний коефіцієнт посилення), робимо висновок, що при кінцевій напрузі на виході різниця потенціалів у трчках Аі Вдорівнює нулю. Т.к. потенціал точки Вдорівнює нулю (з'єднання із землею), то і потенціал точки Атеж дорівнює нулю. Цей факт дає підставу вважати точку Аздається землею, оскільки прямого з'єднання із землею ця точка не має.

Звідси випливає, що струм у вхідному ланцюзі визначається лише опором R 1 : i= u ВХ / R 1 . Через нескінченний вхідний опір ОУ на вхід підсилювача струм не відгалужується і повністю протікає по опору ОС R ОС. Звідси:
. Підставивши сюди значення струму, отримаємо:
. Отже, коефіцієнт посилення:

(1.1)

Вхідний опір каскаду дорівнює R 1 .

1.1. Підсумовуючий підсилювач

Наявність точки здається землі дозволяє будувати за допомогою ОУ підсумовувачі підсумовувачі (рис.1.3).

Рис.1.3. Підсумовуючий підсилювач

Внаслідок того, що потенціал у точці Адорівнює нулю, вхідні струми не впливають один на одного і визначаються лише параметрами вхідних ланцюгів:

Ці струми підсумовуються в ланцюзі зворотного зв'язку:
.

Підставимо значення струмів:
, звідси:

(1.2)

Змінюючи значення опорів, можна задавати вагові коефіцієнти, з якими підсумовується вхідна напруга. Зокрема, за рівності всіх опорів отримуємо чисту суму вхідних напруг.

1.4. Основна неінвертуюча схема включення оу

На рис.1.4. наведено основну неінвертуючу схему включення ОУ.

Рис.1.4. Основна неінвертуюча схема включення ОУ

З тих самих передумов, що у попередніх випадках, проведемо аналіз роботи даної схеми.

1)
.

3)
.

4) Прирівнюючи струми, отримуємо:
.

5) Звідси остаточно отримуємо коефіцієнт посилення:

. (1.3)

Як очевидно з (1.3), коефіцієнт посилення неинвертирующего посилення може бути менше одиниці.

1.5. Повторювач

Окремим випадком неінвертуючого підсилювача є повторювач (рис.1.5).

Рис.1.5. Повторювач на ОУ

Коефіцієнт передачі такого каскаду дорівнює одиниці. Він має дуже високий вхідний і низький вихідний опір. Такі властивості дозволяють застосовувати його як буферний каскад, щоб виключити вплив однієї частини великої схеми на іншу.

1.6. Перетворювач струму в напругу

Найпростішим перетворювачем струм-напруга є, як відомо, резистор. Йому, однак, притаманний недолік, який полягає в тому, що для джерела струму, що підключається, його вхідний опір не дорівнює нулю (нагадаємо, що для джерела струму нормальним є режим короткого замикання, оскільки джерело струму має великий вихідний опір, яке має бути набагато більше опору навантаження ). Схема, наведена на рис.1.6, вільна від зазначеного недоліку та забезпечує точне перетворення струму в напругу:

u 2 = −R i 1 . (1.4)

Точка, крапка Амає квазинульовий потенціал, тому вхідний опір пристрою дорівнює нулю, а струм i 1 протікає по резистору R, Забезпечуючи вихідну напругу (1.4).

Рис.1.6. Перетворювач струму в напругу