Гаджеты

Схема преобразователя ток напряжение на оу. Преобразователь тока в напряжение на одном операционном усилителе

Шунты.

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжении. Он предназначен для расширения пределов измерения по току. При этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую - через измерительный механизм прибора. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.

Шунт представляет собой четырёхзажимный резистор. Два входных (силовых) зажима, через которые шунт включается в измеряемую цепь, называются токовыми, а два других, с которых снимается напряжение U, подводимое к измерительному механизму – потенциальными – рис.3.1.

I u И М

Рис. 3.1. Схема включения шунта.

Шунт характеризуется номинальным значением I ном и номинальным значением выходного напряжения U ном . Их отношения определяет номинальное сопротивление шунта:

R ш =U ном /I ном.

В измерительный механизм прибора отбирается часть измеряемого токаI :

I u = I R ш / (R ш + R u)

где R u – сопротивление измерительного механизма. Если необходимо, чтобы ток I u был вn раз меньше тока I , то сопротивление шунта должно быть:

R ш = R u / (n-1)

где n = I /I u - коэффициент шунтирования.

Шунты изготавливаются из манганина, сопротивление которого незначительно меняется от температуры. Шунты могут быть встроенные в прибор (при токах до 30 А) или наружные. Наружные шунты изготавливаются калиброванными, рассчитанными на определённые токи и имеющие одно из стандартных значений выходного напряжения: 10; 15; 30; 50; 75; 100; 150 и 300 мВ. Серийные шунты выпускаются для токов до 5000А. Классы точности серийных шунтов от 0,02 до 0,5.

Для многопредельных магнитоэлектрических приборов

Чувствительность измерительного преобразователя – это отношение изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного сигнала. Отношение S=ΔY/ΔX есть средняя чувствительность преобразователя на интервале ΔХ, а предел, к которому стремится это отношение при ΔХ→ 0, есть чувствительность преобразователя в точке Х:

S ═ lim S cp ═ -- .

ΔX→0 dX

Если Y и Х величины однородные, то чувствительность величина безразмерная. Различают абсолютную и относительную чувствительности преобразователя. Абсолютная чувствительность – это S=dY/dX, а относительная – S 0 =(dY/Y)/(dX/X). Например, чувствительность тензо-метрического преобразователя определяется как отношение относительного изменения электрического сопротивления ΔR/R к относительной деформации Δl/l.

Если функция преобразования линейна, то S - соnst и не зависит от Х. Например, если у=ах+ b, то S=а.

Если функция преобразования нелинейна, то S≠S cp и зависит от Х. Например, если у=ах 2 +b, то а=2ах.

Порог реагирования – это минимальное изменение входной величины, вызывающее уверенно различимое приращение выходной величины преобразователя на фоне шумов, смещения нуля, гистерезиса характеристики и прочих мешающих факторов.

Входное и выходное сопротивления определяют степень согласования преобразователя с источником сигнала и с нагрузкой. Так, если преобразуемый сигнал напряжение, то Z вх должно быть максимальным, а если ток – то минимальным. В общем виде входное сопротивление должно быть таким, чтобы минимизировать мощность, потребляемую от источника сигнала.

Быстродействие характеризует способность быстро реагировать на

изменение входного сигнала. В общем виде динамические свойства преобразователя характеризуются дифференциальным уравнением, связывающим выходную и входную величины. Решение этого уравнения при известном х(t) дает значение у(t). Порядок уравнения и его коэффициенты определяются структурой и параметрами преобразователи. На практике такую методику в прямом виде практически не используют в связи со сложностью решения дифференциальных уравнений высоких порядков.

Чаще для описания динамических свойств преобразователей используют характеристические функции, которые можно получить экспериментально, подавая на вход специальный тестовый сигнал, например, скачкообразный или гармонический. Реакция преобразователи на скачкообразное входное воздействие единичной амплитуды называется переходной функцией преобразователя h(t). Очень часто сложный преобразователь при анализе динамических процессов разбивают на простейшие динамические звенья. Переходные функции основных

не зависит от температуры. Температурный коэффициент прибора с дополнительным сопротивлением меньше температурного коэффициента измерительного механизма в R u / (R u + R д) раз.

В многопредельных приборах добавочные резисторы изготавливаются секционными – рис. 3.3.

В измерительных схемах сигналы постоянного тока часто используются в качестве аналоговых представлений физических измерений, таких как температура, давление, поток, вес и движение. Чаще всего сигналам постоянного тока отдается предпочтение по сравнению с сигналами постоянного напряжения , поскольку сигналы тока точно равны по величине во всем контуре схемы, несущей ток от источника (измерительного устройства) до нагрузки (индикатор, устройство записи или контроллер), тогда как сигналы напряжения в аналогичной схеме могут изменяться от одного конца к другому из-за резистивных потерь проводников. Кроме того, приборы для измерения тока обычно имеют низкие импедансы (в том время как приборы для измерения напряжения имеют высокие импедансы), что дает инструментам измерения тока бо́льшую устойчивость к электрическим помехам.

Чтобы использовать ток как аналоговое представление физической величины, мы должны иметь какой-то способ генерации точной величины тока в сигнальной схеме. Но как мы создадим точный токовый сигнал, когда не можем знать сопротивление контура? Ответ заключается в использовании усилителя, предназначенного для поддержания тока на заданном значении, прикладывая столько много или столько мало напряжения, сколько необходимо для цепи нагрузки, чтобы поддерживать это заданное значение тока. Такой усилитель выполняет функцию источника тока . Операционный усилитель с отрицательной обратной связью является идеальным кандидатом на такую задачу:

Предполагается, что входное напряжение этой схемы исходит от какого-либо устройства физического преобразователя / усилительного устройства, откалиброванного для получения 1 вольта для 0% при физическом измерении и 5 вольт для 100% при физическом измерении. Стандартный диапазон аналогового токового сигнала составляет от 4 мА до 20 мА, что означает от 0% до 100% диапазона измерений, соответственно. При входе 5 вольт резистор (точный) 250 Ом будет иметь приложенное к нему напряжение 5 вольт, что приведет к току 20 мА в схеме большого контура (с R нагр). Не имеет значения, чему равно сопротивление R нагр, и чему равно сопротивление проводов в этом большом контуре, если операционный усилитель имеет напряжение питания, достаточно высокое для выдачи напряжения, которое необходимо для получения 20 мА, протекающих через R нагр. Резистор 250 Ом устанавливает соотношение между входным напряжением и выходным током, в этом случае создавая равнозначность 1-5 В на входе / 4-20 мА на выходе. Если бы мы преобразовывали входной сигнал 1-5 вольт и выходной сигнал 10-50 мА (более старый, устаревший измерительный стандарт промышленности), вместо этого мы использовали бы точный резистор 100 Ом.

Другим названием этой схемы является «усилитель крутизны ». В электронике крутизна представляет собой математический коэффициент, равный изменению тока, деленному на изменение напряжения (ΔI/ΔV), и измеряется в сименсах (См), в тех же единицах, что используются для выражения проводимости (математически, величина, обратная сопротивлению: ток/напряжение). В данной схеме коэффициент крутизны фиксируется величиной резистора 250 Ом, что дает линейную связь выходной_ток/входное_напряжение.

Резюме

В промышленности токовые сигналы постоянного тока часто используются вместо сигналов постоянного напряжения как аналоговые представления физических величин. Ток в последовательной цепи абсолютно одинаков во всех точках этой схемы независимо от сопротивления проводов, тогда как напряжение в аналогичной схеме может изменяться от одного конца к другому из-за сопротивления проводов, что делает токовые сигналы более точными для передачи сигнала от «передающего» прибора до «принимающего» прибора.
Сигналы напряжения относительно легко получить непосредственно на устройствах преобразователей, тогда как точные токовые сигналы нет. Для «преобразования» сигнала напряжения в токовый сигнал можно довольно просто использовать операционные усилители. В этом режиме операционный усилитель буде выводить любое напряжение, необходимое для поддержания тока через сигнальную цепь в правильном значении.

Простым методом измерения тока в электрической цепи является способ измерение падения напряжения на резисторе, соединенным последовательно с нагрузкой. Но при протекании тока через это сопротивление, на нем генерируется ненужная мощность в виде тепла, поэтому его необходимо выбрать минимально возможной величиной, что ощутимо усиливает полезный сигнал. Следует добавить, что рассмотренные ниже схемы позволяют отлично измерять не только постоянный, но и импульсный ток, правда, с некоторым искажением, определяемый полосой пропускания усилительных компонентов.

Плюсы данной схемы: маленькое входное синфазное ; входной и выходной сигнал обладают общей «землей»; очень простота техническая реализация с одним источником питания.

Минусы: в нагрузке отсутствует прямая связь с «землей»; нет возможности коммутации нагрузки ключом в отрицательном полюсе; существует вероятность поломки измерительной схемы при коротком замыкании.

Осуществлять измерение тока в отрицательном полюсе нагрузки достаточно просто. Для этой цели подходит много стандартных операционных усилителей, используемых для работы при однополярном питании устройства. Выбор конкретного типа усилителя обуславливается необходимой точностью, на которую сильно влияет смещение нуля ОУ, его температурный дрейф и погрешность установки. В начале шкалы измерений появляется значительная погрешность преобразования, объясняемая ненулевым значением минимального выходного напряжения ОУ. Для исключения этого серьёзного минуса необходимо двухполярное питание усилителя.

Плюсы: нагрузка всегда заземлена; сразу видно КЗ в нагрузке. Минусы: Достаточно высокий уровень синфазного входного напряжение (и даже очень высокое); требуется смещение выходного сигнала до уровня, используемого для дальнейшей обработки в системе (простыми словами привязка к «земле»).

В схеме на рисунке левее можно использовать любой из подходящих по допустимому напряжению ОУ, предназначенный для работы при однополярном питании и максимальным входным синфазным напряжением, достигающим уровня питания, например ОУ на микросборке AD8603. Максимум питания не должен превышать максимально допустимого напряжения питания ОУ.

Но существуют усилители, способные работать при входном синфазном напряжении, значительно превышающем уровень питания схемы. Например при использование ОУ LT1637, изображенном на рисунке правее, напряжение может доходить до порогового уровня в 44 В при напряжении питания всего 3 В. Для измерения тока в положительном полюсе нагрузки с очень низкой погрешностью отлично зарекомендовали себя инструментальные усилители, например LTC2053, LTC6800 и INA337. Существуют и специализированные микросхемы, например - INA138 и INA168.

В радиолюбительской практике для несложных и недорогих конструкций, подойдут сдвоенные ОУ типа LM358, допускающие работу с напряжениями до 32В. На рисунке ниже показана одна из типовых схем включения LM358 в роли монитора тока нагрузки.

Приведенные выше схемы очень удобно использовать в самодельных БП для контроля и измерения нагрузочного тока, а также для реализации устройств защиты от КЗ. Датчик тока может обладать очень низким сопротивлением и отпадает необходимость подгонки этого сопротивления, как это в случае амперметре. В схеме, на рисунке левее, можно регулировать сопротивление нагрузочного резистора R L . Для уменьшения провала выходного напряжения БП, номинал сопротивления токового датчика - сопротивление R1 в схеме правее вообще лучше взять применить 0,01 Ом, изменив при этом номиналR2 на 10 Ом или увеличив сопротивление R3 до 10кОм.

Введение

3. Повышение линейности ПНТ

4. Исследование ПНТ

Библиографический список

Введение

Преобразователи напряжение-ток (ПНТ) также являются важным элементом в схемотехнике аналоговых электронных устройств. На их основе могут быть выполнены различные прецизионные операционные усилители, в которых ПНТ используется как входной дифференциальный каскад; ПНТ органично входят в структуры АПН и могут использоваться в различных измерительных схемах.

1. Простейшие преобразователи напряжения в ток

Принцип преобразования напряжения в ток может быть проиллюстрирован с помощью простейшего усилительного каскада на одиночном транзисторе (рис. 1). (Отметим, что резистор R1 выполняет функцию подключения коллектора к шине питания; он достаточно низкоомный и служит как датчик тока при измерении тока коллектора.)

Рис. 1. Простейший преобразователь напряжение-ток на одиночном транзисторе

Предположим, что напряжение смещения UC транзистору обеспечивает источник сигнала UС. Тогда для тока эмиттера IЭ транзистора может быть записано следующее уравнение:

. (1)

Оценивать качество преобразования входного напряжения в выходной ток (ток коллектора IK транзистора) наиболее просто, находя крутизну прямого преобразования S:

при условии, что a» 1.

Находить производную от выражения (1) в явном виде – достаточно громоздкая процедура, поэтому можно найти производную dUC/dIk, а затем взять обратную величину:

, . (2)

Выражение (2) показывает, что качество преобразования входного напряжения в выходной ток существенным образом зависит от дифференциального сопротивления эмиттера транзистора, которое, в свою очередь, зависит от тока эмиттера, а следовательно, от входного напряжения. Таким образом, простейший ПНТ обладает двумя существенными недостатками:

Нелинейностью крутизны преобразования;

Отсутствие возможности осуществлять преобразование двухполярных сигналов.

2. ПНТ на основе дифференциальных каскадов

Обеспечить преобразование двухполярных сигналов можно с помощью ПНТ на основе дифференциального каскада с последовательной отрицательной обратной связью по току в эмиттерной цепи (рис. 2а).

Рис. 2. Преобразователь напряжение-ток а) и его проходная характеристика б)

Для схемы ПНТ (рис. 2а), воспользовавшись вторым правилом Кирхгофа, можно записать следующее уравнение для узловых потенциалов:

, (3)

где jT – температурный потенциал;

IХ – приращение тока через резистор R1 при воздействии входного напряжения UX.

С учётом того, что разность напряжений база-эмиттер можно представить как:

проходная характеристика такого звена (рис. 2б) может быть представлена следующим образом:

. (4)

Очевидно, что нелинейная составляющая в проходной характеристике определяется первым слагаемым в выражении (4).

Достаточно удобным способом оценки погрешности такого преобразователя, обусловленной нелинейностью, может служить нахождение отклонения реальной функции IХ /I0 (кривая 2 на рис. 2б) от её линейного приближения (кривая 1 на рис. 1б). Отметим, что кривая 2 (рис. 2б) представляет собой разность выходных токов коллекторов транзисторов дифференциальной пары.

Отклонение от линейности можно представить следующим образом:

, (5)

где SX=dIX /dUX – крутизна прямой передачи, определяемая из выражения (4);

dIX – абсолютное отклонение тока;

S0 =I0 /U0 – крутизна прямой передачи при линейном приближении;

I0 – максимальный выходной ток преобразователя при подаче на вход максимального напряжения U0.

Отметим, что SX(0) = S0, поэтому:

; (6) , (7)

где rE = jT/I0 – дифференциальное выходное сопротивление транзисторов VT1, VT2 со стороны эмиттера при начальном токе I0; X=IX/I0.

Подставляя (6) и (7) в (8), получаем:

, (8)

поскольку при g << 1 можно положить IX/I0 »UX/U0.

Формула (5) справедлива при относительно малых погрешностях преобразования – меньше 2-3 %. В этом случае при моделировании относительное отклонение от линейности можно представить как:

преобразователь ток напряжение

, (8а)

где SМАКС – максимальное значение крутизны на участке ±U0.

Из (8) следует, что приемлемых уровней погрешности (меньше 0,1 %) можно достичь только при выполнении условий: R1/2rE > 500 и относительном изменении тока X<0,75. Для ПНТ, работающих при питающих напряжениях ±15 В, эти условия могут быть легко реализованы. Для низковольтных схем (при их питании от напряжений меньше ±5 В) выполнение этих условий приведёт к резкому снижению крутизны преобразования входного напряжения в выходной ток, повышению уровня шумов и т.д.

Основная погрешность линейности преобразования рассмотренного ПНТ обусловлена существенной режимной зависимостью rE от тока эмиттера.

3. Повышение линейности ПНТ

Каким же образом можно уменьшить влияние дифференциального сопротивления эмиттера на работу подобного ПНТ?

Одним из способов снижения влияния дифференциального сопротивления эмиттеров транзисторов служит введение отрицательной обратной связи.

Упрощённая принципиальная схема ПНТ с операционными усилителями в цепи обратной связи приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Упрощённая схема ПНТ с операционными усилителями

В этой схемотехнической конфигурации повышение линейности достигается за счёт того, что разность напряжений между входами операционного усилителя имеет достаточно малое значение, которое практически не меняется, значение дифференциального сопротивления эмиттера делится в петлевое усиление раз, что можно описать выражением:

, (9)

где К – коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя.

Из (9) можно получить выражение для крутизны преобразования входного напряжения в ток:

, (10)

то есть влияние нелинейной составляющей ослабляется в петлевое усиление раз.

С точки зрения линейности, такая схема обладает наилучшей линейностью преобразования напряжения в ток (при достаточно большом коэффициенте усиления операционного усилителя), практически не требует настройки, однако достаточно сложна и обладает полосой пропускания, определяемой операционным усилителем.

На рисунке 4 приведён достаточно простой вариант реализации такой схемы при интегральном исполнении, однако, как видно из рисунка, он весьма громоздок, причём на рисунке отсутствуют реальные источники тока.

Рис. 4. Схема ПНТ с линеаризацией крутизны преобразования за счёт ООС

В связи с вышеизложенным схему ПНТ (рис. 4) целесообразно использовать только при интегральном исполнении. Кроме того, следует помнить, что частотные свойства такого преобразователя будут не очень хорошими по сравнению с ПНТ на одиночном дифференциальном каскаде.

Другой способ устранения нелинейности преобразования демонстрируется схемой ПНТ, представленной на рисунке 5. Этот способ компенсации нелинейности получил достаточно широкое распространение . Суть его заключается в следующем: тем или иным способом формируется компенсирующий ток, ослабляющий влияние изменения rE дифференциального каскада при изменении тока эмиттера.

Работает схема ПНИ (рис. 5) следующим образом. Транзисторы VT1 и VT6, образующие дифференциальный каскад, с помощью резистора R1 осуществляют преобразование входного напряжения в выходной ток. Транзисторы VT2 и VT5 включены по схеме с общей базой и передают токи коллекторов транзисторов VT1 и VT6 на выход с коэффициентом передачи α » 1. Одновременно с этим при изменении токов эмиттеров транзисторов VT2 и VT5 меняются и их напряжения база-эмиттер. В этом случае меняется и разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT2 и VT5, причём в зависимости от знака приращения входного напряжения UX разность напряжений база-эмиттер транзисторов VT2 и VT5 также меняет знак. Вспомогательный дифференциальный каскад на транзисторах VT3 и VT4 с помощью резистора RK преобразует напряжение, пропорциональное разности баз-эмиттер транзисторов VT2 и VT5, в ток, который перекрёстным образом отправляется на токовые выходы ПНТ. Поскольку в базовой схеме ПНТ на транзисторах VT1 и VT6 присутствует составляющая, обусловленная DUБЭ1,6 этих транзисторов, то при условии, что транзисторы VT2 и VT5 в точности идентичны транзисторам VT1 и VT6, а токи источников опорного тока одинаковы, выбором сопротивления резистора RK можно скомпенсировать влияние DUБЭ1,6.

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

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.