Преобразователь напряжение ток. Преобразователь напряжение-ток: принцип работы, схемы и применение

Как работает преобразователь напряжение-ток. Какие существуют схемы преобразователей напряжение-ток. Где применяются преобразователи напряжение-ток. Каковы преимущества и недостатки разных схем преобразователей напряжение-ток.

Принцип работы преобразователя напряжение-ток

Преобразователь напряжение-ток (U/I) — это устройство, которое преобразует входное напряжение в пропорциональный выходной ток. Основной принцип работы такого преобразователя заключается в использовании операционного усилителя (ОУ) с отрицательной обратной связью по току.

Ключевые особенности работы преобразователя напряжение-ток:

• Входное напряжение преобразуется в пропорциональный выходной ток
• Выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки (в определенных пределах)
• Обеспечивается высокое выходное сопротивление
• Используется отрицательная обратная связь по току

Основные схемы преобразователей напряжение-ток

Существует два основных типа схем преобразователей напряжение-ток:

1. Инвертирующая схема

В этой схеме операционный усилитель включен по инвертирующей схеме:

• Нагрузка включена в цепь обратной связи ОУ
• Обеспечивается отрицательная обратная связь по току
• Имеет малое входное сопротивление

2. Неинвертирующая схема

В этой схеме используется неинвертирующее включение ОУ:

• Нагрузка включена в выходную цепь ОУ
• Имеет высокое входное сопротивление
• Не нагружает источник входного сигнала

Применение преобразователей напряжение-ток

Преобразователи напряжение-ток широко используются в различных областях:

• Передача аналоговых сигналов на большие расстояния
• Измерительные системы в промышленности
• Автоматизация технологических процессов
• Системы управления в нефтегазовой отрасли
• Измерение физических величин (давление, температура, уровень и др.)

Преимущества токовой передачи сигналов

Использование преобразователей напряжение-ток для передачи сигналов имеет ряд важных преимуществ:

• Независимость величины тока от сопротивления линии связи
• Высокая помехозащищенность
• Возможность передачи на большие расстояния
• Простота организации гальванической развязки
• Удобство построения многоточечных систем

Анализ инвертирующей схемы преобразователя

Рассмотрим подробнее принцип работы инвертирующей схемы преобразователя напряжение-ток:

Функция преобразования

Функция преобразования для инвертирующей схемы определяется следующим выражением:

I_вых = — U_вх / R

Где:

• I_вых — выходной ток
• U_вх — входное напряжение
• R — сопротивление обратной связи

Выходное сопротивление

Выходное сопротивление преобразователя очень велико и определяется выражением:

R_вых ≈ K_ОУ * R

Где K_ОУ — коэффициент усиления операционного усилителя.

Ограничения по нагрузке

Максимальное сопротивление нагрузки ограничено напряжением питания ОУ:

R_{нагр.макс} = U_пит / I_{вых.макс}

Особенности неинвертирующей схемы

Неинвертирующая схема преобразователя напряжение-ток имеет некоторые отличия:

Функция преобразования

Функция преобразования для неинвертирующей схемы:

I_вых = U_вх / R

Входное сопротивление

Неинвертирующая схема обеспечивает высокое входное сопротивление, что позволяет не нагружать источник входного сигнала.

Применение

Неинвертирующая схема часто используется, когда требуется обеспечить высокое входное сопротивление преобразователя.

Выбор компонентов для преобразователя

При разработке преобразователя напряжение-ток важно правильно выбрать компоненты:

• Операционный усилитель: выбирается с учетом требуемой точности, быстродействия и диапазона питающих напряжений
• Резисторы: используются прецизионные резисторы с малым температурным коэффициентом
• Транзисторы (при необходимости): выбираются с учетом требуемого выходного тока

Основные характеристики преобразователей

Ключевые параметры, характеризующие качество преобразователя напряжение-ток:

• Точность преобразования
• Линейность
• Температурная стабильность
• Быстродействие
• Диапазон выходного тока
• Максимальное сопротивление нагрузки

Проблемы и их решения при разработке преобразователей

При разработке преобразователей напряжение-ток могут возникнуть некоторые проблемы:

Проблема: Нестабильность при малых токах

Решение: Использование прецизионных ОУ с малыми входными токами

Проблема: Ограничение по максимальному току

Решение: Применение дополнительных транзисторов в выходном каскаде

Проблема: Температурный дрейф

Решение: Использование компонентов с малым температурным коэффициентом, применение схем температурной компенсации

Заключение

Преобразователи напряжение-ток являются важным элементом многих измерительных и управляющих систем. Они позволяют эффективно передавать аналоговые сигналы на большие расстояния, обеспечивая высокую помехозащищенность. Правильный выбор схемы и компонентов позволяет создать преобразователь с требуемыми характеристиками для конкретного применения.

Ток для заземленной нагрузки: высокоуровневый преобразователь V/I

28 июня 2019

телекоммуникациисистемы безопасностиавтоматизацияответственные примененияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Коллин Веллс, Дэвид Чан (Texas Instruments)

Два операционных усилителя, два транзистора MOSFET – n-канальный и p-канальный, четыре резистора – компоненты типовой схемы высокоуровневого преобразователя напряжения в ток

, предлагаемой инженерами компании Texas Instruments и служащего источником тока для заземленной нагрузки. В статье приведен подробный расчет и проанализированы особенности схемы.

Высокоуровневый преобразователь напряжения в ток (рисунок 1) — это источник отрегулированного тока для заземленной нагрузки. Основой передатчика является двухступенчатая каскадная конструкция, позволяющая использовать в качестве входного сигнала напряжение заземленного источника. Первая ступень включает в себя операционный усилитель и n-канальный MOSFET-транзистор для преобразования входного сигнала от постороннего источника в сигнал, связанный с источником опорного напряжения. Данный сигнал управляет операционным усилителем, который, в свою очередь, воздействует на затвор p-канального MOSFET-транзистора, управляющего током нагрузки.

Рис. 1. Типовая блок-схема (а) и внешний вид (б) высокоуровневого преобразователя напряжения в ток

Технические характеристики:

• напряжение питания: 5 В DC;
• вход: 0… 2 В DC;
• выход: 0…100 мА.

Допустимые, рассчитанные и измеренные значения погрешностей прибора, КПД и максимального выходного напряжения преобразователя приведены в таблице 1. Рисунок 2 показывает передаточную функцию преобразователя, где канал 1 – это напряжение на входе V_IN, а канал 4 – выходной ток I_OUT.

Рис. 2. Измеренная передаточная функция

Таблица 1. Характеристики преобразователя

Параметр	Допустимое значение	Рассчитанное значение	Измеренное значение
Погрешность смещения, %	≤ 0,025	0,0000013	0,0001
Погрешность усиления, %	≤ 0,1	0,102	0,0165
КПД, %	≥ 98,5	98,974	98,96
Максимальное выходное напряжение, В	≥ 4,5	4,5	4,508

Принцип действия

 

Подробная схема преобразователя изображена на рисунке 3. Параметры передаточной функции определяются зависимостью между входным напряжением V_IN и тремя измерительными резисторами: R_S1, R_S2 и R_S3. Величины входного напряжения V_IN и сопротивления резистора R_S1 задают ток на выходе первой ступени преобразовательного каскада. Коэффициент усиления по току при переходе между ступенями преобразователя зависит от соотношения сопротивлений резисторов R_S2 и R_S3.

Рис. 3. Подробная схема преобразователя

Передаточную функцию можно описать формулой 1:

$$I_{Load}=\frac{V_{In}\times R_{S2}}{R_{S1}\times R_{S3}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Первая ступень: схема токового конвейера

Первая ступень преобразовательного каскада создает токовый поток, который вызывает падение напряжение на резисторе R_S2, которое необходимо для запуска второй ступени каскада.

Токовый поток поддерживают с помощью резистора R_S1, включенного последовательно с n-канальным MOSFET-транзистором. Падение напряжения на резисторе V_RS1 создает потенциал на инвертирующем входе первого операционного усилителя. За счет получившейся отрицательной обратной связи ток на выходе операционного усилителя поддерживают на таком уровне, чтобы падение напряжения на резисторе R_S1 V_RS1 было таким же, как и напряжение на неинвертирующем входе V_IN этого операционного усилителя (формула 2):

$$V_{In}=V_{RS1}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Для наибольшего тока воспользуемся формулой 3:

$$V_{In}=V_{RS1}=2\:В\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Ток на выходе первой ступени преобразователя циркулирует внутри схемы и не передается нагрузке. Работа, которую совершает этот ток, приводит к прямому снижению КПД всей схемы. Для того чтобы обеспечить КПД не ниже 98,5%, необходимо, чтобы потери мощности в первой ступени каскада не превышали 1%. Еще 0,5% энергии рассеивается током покоя операционных усилителей. Ток первой ступени I_RS1 не должен превышать 1 мА при наибольшем токе нагрузки 100 мА. При этом сопротивление резистора R_S1, согласно формуле 4, составит:

$$R_{RS1}=\frac{V_{In}}{I_{RS1}}=\frac{2\:В}{1\:мА}=2\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Через резистор R_S2 протекает ток I_RS2, практически равный току I_RS

1 через резистор R_S1 (формула 5):

$$I_{RS2}\cong I_{RS1}=1\:мА\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

Вторая ступень: схема источника тока

Вторая ступень преобразователя создает выходной ток, который протекает по нагрузке. Падение напряжения V_RS2 на резисторе R_S2 создает потенциал на неинвертирующем входе операционного усилителя и тем самым устанавливает режим его работы. Резистор R_S3 включают последовательно в выходную цепь p-канального MOSFET-транзистора для того чтобы создать на нем падение напряжения V_RS3, пропорциональное выходному току преобразователя. Напряжение V_RS3 подают на инвертирующий вход операционного усилителя второй ступени. Получившаяся отрицательная обратная связь способствует регулированию тока нагрузки таким образом, чтобы напряжение V_RS3 равнялось напряжению V_RS2 (формула 6):

$$V_{RS3}\cong V_{RS2}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Падение напряжения на резисторе R_S3 снижает выходное напряжение преобразователя, поэтому V_RS3 должно иметь как можно меньшее значение. Резистор R_S2 подбирают таким образом, чтобы обеспечить на нем падение напряжения V_RS2, а следовательно – и V_RS3, не более 500 мВ на всем диапазоне регулирования. Правильный выбор резистора R_S2 позволяет обеспечить выходное напряжение передатчика на уровне не ниже 4,5 В (формула 7):

$$R_{RS2}=\frac{V_{RS3}}{I_{RS2}}=\frac{470\:мВ}{1\:мА}=470\:Ом\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Различие между током, протекающим через резистор R_S3, I_RS3 и током нагрузки I_LOAD, как правило, незначительное и не вносит серьезной погрешности в работу схемы (формула 8):

$$I_{Load}\cong I_{RS3}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

Для того чтобы обеспечить выходной ток передатчика 100 мА, подбирают резистор R_S3, согласно формуле 9:

$$R_{RS3}=\frac{V_{RS3}}{I_{Load}}=\frac{470\:мВ}{100\:мА}=4. 70\:Ом\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

Равновесие схемы

Для того чтобы устройство работало надежно, необходимо, чтобы обе ступени преобразовательного каскада находились в состоянии устойчивого равновесия. Для обеспечения такого режима работы в схеме используют компоненты компенсации. Подробнее вопросы устойчивости операционных усилителей рассмотрены в [1]. Стабильная работа первой ступени обеспечивается резисторами R₂, R₃ и конденсатором С₆. Устойчивость второй ступени обеспечивают резисторы R₄, R₅ и конденсатор С₇.

Схема с использованием этих компонентов имеет два важных преимущества. Во-первых, резистор, включенный между выходом операционного усилителя и MOSFET-транзистором, позволяет изолировать усилитель от емкостной нагрузки в виде затвора транзистора. Во-вторых, высокочастотные токи, протекающие по петле обратной связи, не усиливаются транзистором. Эти токи попадают на инвертирующий вход операционного усилителя с его выхода через конденсатор обратной связи. Такая высокочастотная обратная связь вытесняет обратную связь на постоянном токе от истока MOSFET-транзистора через резистор обратной связи. Частота, на которой осуществляется переход от обратной связи на постоянном токе к высокочастотной обратной связи, зависит от постоянной времени затухания RC-цепи. Величина этой постоянной зависит от емкости конденсатора и сопротивления резистора обратной связи.

Выбор компонентов для компенсации выполняется путем подбора. Для начала устанавливают изолирующий резистор 10 Ом, резистор обратной связи 10 кОм и конденсатор 100 пФ. Для устойчивой работы схемы необходимо наличие всех трех элементов. На вход системы скачком подают небольшой сигнал и наблюдают за сигналом на выходе операционного усилителя и за током нагрузки. Увеличивая сопротивления резистора между выходом операционного усилителя и затвором MOSFET-транзистора, добиваются на выходе схемы отклика с небольшой пульсацией и перерегулированием. Далее увеличивают емкость конденсатора обратной связи до тех пор, пока не будет получен желаемый сигнал на выходе. Если отклик становится слишком сглаженным, до исчезновения пульсаций и перерегулирования сигнала необходимо дополнительно увеличить сопротивление изолирующего резистора и повторить процедуру подбора емкости конденсатора. Подбор компонентов компенсации можно выполнить с помощью симулятора электронных схем, используя SPICE-модели операционных усилителей и MOSFET-транзисторов.

Выбор компонентов

 

Усилители

При разработке схемы необходимо уделить пристальное внимание параметрам по постоянному току используемых операционных усилителей. Для достижения желаемых эксплуатационных характеристик рекомендуется применять компоненты с малым напряжением смещения, небольшими значениями температурного дрейфа и выходами типа rail-to-rail.

OPA2333, изготовленный по КМОП-технологии, представляет собой прецизионный операционный усилитель, оптимизированный для работы с одним низковольтным источником сигнала. Напряжение смешения – 5 мкВ, температурное смещение нуля – 0,05 мкВ/°С, амплитуда колебаний выходного сигнала – 50 мВ.

В операционных усилителях семейства OPA2333 стабилизация прерыванием применяется для обеспечения малого значения напряжения смещения и температурного дрейфа, близкого к нулю, на всем сроке эксплуатации. Использование таких усилителей уменьшает погрешность смещения системы в целом и дает возможность использовать такие преобразователи для высокоточного контроля постоянного напряжения. Схема rail-to-rail OPA2333 позволяет единолично управлять MOSFET-транзистором, подключив его затвор к разнополярным выходам усилителя.

MOSFET-транзисторы

При выборе транзисторов необходимо убедиться, что в процессе работы не будут превышены их максимальные допустимые параметры, такие как напряжение насыщения «затвор-исток» V_GS, максимальное допустимое напряжение между стоком и истоком V_DS, длительно допустимый ток стока I_D. Также необходимо быть уверенным, что операционный усилитель способен должным образом управлять транзистором. Предпочтение отдают транзисторам с небольшим пороговым напряжением срабатывания V_GS(th). В соответствии с изложенным выше, для схемы нашего передатчика были выбраны n-канальный MOSFET-транзистор SI2304DS и p-канальный MOSFET-транзистор NTF2955.

Пассивные компоненты

Наиболее важными пассивными компонентами в схеме преобразователя являются резисторы R_S1, R_S2 и R_S3. Их величины определяют передаточную функцию прибора, а допустимое отклонение их сопротивления определяет погрешность всей схемы. Для того чтобы обеспечить погрешность передатчика не более 0,1% от всего диапазона измерений, были выбраны резисторы, отклонение сопротивления которых от номинального значения не превышает 0,1%.

Первая ступень преобразователя усиливает входной ток с коэффициентом усиления, равным отношению сопротивлений резисторов R_S2 и R_S3. Погрешность усиления первой ступени переносится и во вторую ступень. В некоторых случаях для увеличения точности работы преобразователя потребуется использовать резистор R_S1 с меньшим допуском по отклонению сопротивления от номинального.

Остальные пассивные компоненты не оказывают прямого влияния на точность работы преобразователя. Для них могут быть выбраны резисторы и конденсаторы с допуском до 1%. 

Моделирование

С помощью SPICE-симулятора TINA-TI™ была разработана схема передатчика, представленная на рисунке 4.

Рис. 4. Схема преобразователя в TINA-TI

Передаточная функция по постоянному току

Параметры передаточной функции схемы, показанной на рисунке 4, полученные с помощью симулятора, отражены в таблице 2 и изображены на рисунке 5. Представленные данные позволяют узнать зависимость токов и напряжений в некоторых узлах схемы от величины входного сигнала.

Рис. 5. Передаточная функция преобразователя в TINA-TI

Таблица 2. Результаты расчета параметров передаточной функции

Параметр	Значение
Смещение, нА	1,267
Полный диапазон, мА	99,9999
Полная абсолютная погрешность, мА	0,001

Погрешность усиления системы определяется по формулам 10 и 11:

$$Gain\:Error=\frac{\left|(I_{Load\_Ideal}(max)-I_{Load\_Ideal}(min))-(I_{Load}(max)-I_{Load}(min)) \right|}{(I_{Load\_Ideal}(max)-I_{Load\_Ideal}(min))}\times 100\%\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

$$Gain\:Error=\frac{\left|100\:мА-99. 99902\:мА \right|}{100\:мА}\times 100\%=0.001\%\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

Результаты моделирования, показанные на рисунке 5, получены при условии, что в схеме используются идеальные пассивные компоненты, а погрешность системы определяется только характеристиками операционных усилителей, транзисторов и источников питания. Более реалистичные результаты можно получить, применив метод Монте-Карло для учета возможного отклонения параметров пассивных компонентов от номинального значения. Результаты двадцати таких расчетов показаны на рисунке 6. Статистические параметры передаточной функции с учетом возможного отклонения параметров пассивных компонентов, полученных с помощью метода Монте-Карло, приведены в таблице 3.

Рис. 6. Результаты расчета по методу Монте-Карло

Таблица 3. Параметры передаточной функции при расчете по методу Монте-Карло

Параметр	Наибольшее значение	Наименьшее значение	Среднее значение	Стандартное отклонение, σ
Смещение, нА	1,267	1,267	1,267	0,000
Полный диапазон, мА	99,9301	100,0535	99,9939	0,0342
Полная абсолютная погрешность, мА	0,0004	0,0699	0,0251	н/д

Уточненное значение погрешности усиления преобразователя составит 0,102%, в соответствии с формулой 12. При расчете использовалось правило «трех сигм» (3σ), которое гарантирует, что реальные значения находятся в пределах рассчитанной погрешности с вероятностью 99,7%.

$$Gain\:Error=\frac{3\times \sigma}{(I_{Load\_Ideal}(max)-I_{Load\_Ideal}(min))}\times 100\%=0.102\%\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Переходные процессы

Переходные процессы в различных точках схемы показаны на рисунке 7, из которого видно, что сигнал на выходе обоих ступеней быстро переходит в установившееся состояние с небольшими пульсациями и перерегулированием. Система работает устойчиво.

Рис. 7. Моделирование переходных процессов в TINA-TI

Выходное напряжение

Для определения максимального выходного напряжения и допустимого сопротивления нагрузки были смоделированы соответствующие пограничные режимы. В симуляторе задали максимальный выходной ток преобразователя 100 мА. Сопротивление нагрузки плавно увеличили с 0 до 60 Ом. Было установлено, что при сопротивлении нагрузки более 45 Ом преобразователь не может поддерживать выходной ток на уровне 100 мА. Выходное напряжение устройства при нагрузке 45 Ом составило 4,5 В. Полученные результаты отображены на рисунке 8.

Рис. 8. Выходное напряжение и допустимое сопротивление нагрузки в TINA-TI

Итоги моделирования

Технические характеристики преобразователя, полученные по результатам моделирования в среде TINA-TI™, собраны в таблице 4.

Таблица 4. Обобщенные результаты моделирования

Параметр	Допустимое значение	Рассчитанное значение
		Идеальные пассивные компоненты	Метод Монте-Карло
Погрешность смещения, %	≤ 0,025	0,0000013	0,0000013
Погрешность усиления, %	≤ 0,1	0,001	0,102
КПД, %	≥ 98,5	98,974	98,974
Максимальное выходное напряжение, В	≥ 4,5	4,5	4,5

Печатная плата

Основной проблемой печатных плат для реализации описанной схемы стало сопротивление токопроводящих дорожек. Включаясь последовательно с резисторами R_S1, R_S2 и R_S3, дорожки становятся причиной дополнительной погрешности усиления. При разработке передатчика с большим выходным током или при использовании резисторов с меньшими номинальными сопротивлениями влияние паразитных сопротивлений проводящих дорожек на точность системы становится еще заметнее.

В схеме печатной платы, показанной на рисунке 9, используют так называемые зонды Кельвина для подключения резисторов ко входам операционных усилителей. Зонд Кельвина, или четырехпроводной метод измерения, позволяет отобрать для контроля только падение напряжения на соответствующем резисторе и не учитывать падение напряжения на проводящих дорожках.

Рис. 9. Печатная плата

Для правильной работы второй ступени преобразовательного каскада необходимо, чтобы на резисторы R_S2 и R_S3 подавалось одинаковое напряжение. По возможности, их располагают как можно ближе друг к другу.

Измерение параметров

 

Передаточная функция

Напряжение на входе передатчика изменялось от 0 до 2 В. Измеренная зависимость тока нагрузки I_LOAD от входного напряжения V_IN показана на рисунке 10.

Рис. 10. Зависимость тока нагрузки ILOAD от входного напряжения VIN

Для оценки погрешностей преобразователя на всем диапазоне измерений были рассчитаны отклонения реального тока нагрузки и выходного тока первой ступени от эталонных значений. В качестве эталонных приняты величины, полученные по результатам расчетов. Расчет погрешностей осуществлялся по формуле 10.

Зависимости погрешностей каждой ступени от входного напряжения показаны рисунках 11 и 12. Результаты расчета приведены в таблице 5.

Рис. 11. Зависимость погрешности выходного тока от входного сигнала

Рис. 12. Зависимость погрешности в первой ступени от входного сигнала

Таблица 5. Результаты расчета по измеренным данным

Параметр	Первая ступень	Вторая ступень
Смещение, нА	24	112
Полный диапазон, мА	0,9998	100,0165
Абсолютная погрешность смещения, мкА	0,2	16,5
Погрешность смещения, %	0,02	0,0165

Переходные процессы

На рисунке 13 показана реакция схемы на подачу на вход преобразователя нарастающего напряжения. Подавались треугольные импульсы напряжения амплитудой 2 В и частотой 50 Гц. На рисунке запечатлен снимок с экрана осциллографа. Канал 1 отражает величину входного напряжения, канал 4 показывает значение выходного тока через нагрузочный резистор.

Рис. 13. Отклик на нарастающий входной сигнал

Для того чтобы определить время перехода в установившийся режим и увидеть форму выходного сигнала в момент резкого изменения напряжения на входе, на преобразователь подавались прямоугольные импульсы амплитудой 2 В и частотой 1 кГц. На рисунке 14 запечатлен снимок с экрана осциллографа. Канал 1 отображает величину входного напряжения, канал 2 фиксирует значение выходного тока через нагрузочный резистор.

Рис. 14. Отклик на прямоугольный входной сигнал

Выполнена проверка устойчивости схемы при низком уровне входного сигнала. Подавались прямоугольные импульсы напряжения амплитудой 500 мВ, частотой 1 кГц. На рисунке 15 представлены результаты осциллографирования:

Рис. 15. Реакция схемы на низкий уровень сигнала

• канал 1 – входное напряжение;
• канал 2 – напряжение на выходе операционного усилителя второй ступени;
• канал 3 – напряжение на выходе операционного усилителя первой ступени;
• канал 4 – выходной ток преобразователя.

Схема быстро переходит в новый установившийся режим работы без пульсаций и перерегулирования с допустимым уровнем демпфирования. 

Выходное напряжение

Выходное напряжение передатчика зависит от напряжения источника питания V_CC, падения напряжения на резисторе R_S3V_RS3 и напряжения насыщения p-канального MOSFET-транзистора.

Для фиксирования максимального выходного напряжения был проведен специальный эксперимент. На вход преобразователя подали такое напряжение, чтобы выходной ток через нагрузку составил ровно 100 мА. В качестве нагрузки использовали магазин высокоточных резисторов. Сопротивление нагрузки увеличивалось до тех пор, пока выходной ток не начал уменьшаться. Таким образом мы определили максимальное допустимое сопротивление нагрузки, равное 45,08 Ом. Максимальное выходное напряжение можно определить по закону Ома (формула 13):

$$V_{COMP}=I_{Load}\times R_{Load}=100\:мА\times 45.08\:Ом=4.508\:В\qquad{\mathrm{(}}{13}{\mathrm{)}}$$

Итоги измерений

Результаты измерений собраны в таблице 6.

Таблица 6. Обобщенные результаты измерений

Параметр	Допустимое значение	Измеренные значения
Погрешность смещения, %	≤ 0,025	0,001
Погрешность усиления, %	≤ 0,1	0,0165
КПД, %	≥ 98,5	98,96
Максимальное выходное напряжение, В	≥ 4,5	4,508

Аналоги и варианты

Выбор компонентов для схемы, описанной в данной статье, основан на необходимости достичь желаемых технических характеристик, определенных в первом разделе статьи. Выбор стабилизированного прерываниями усилителя OPA2333 устраняет большинство погрешностей, свойственных операционным усилителям. Тем не менее, еще более высокая точность работы прибора может быть достигнута за счет более точных резисторов R_S1, R_S2 и R_S3. Помимо этого, хотя OPA2333 и обладает практически нулевыми показателями температурного дрейфа, работа схемы за пределами допустимого диапазона температур -40…125°С может способствовать значительному изменению сопротивлений используемых резисторов. Поэтому если планируется использование преобразователя в широком диапазоне температур, рекомендуется применять все компоненты с низкими температурными коэффициентами.

Для обеспечения более высокого выходного напряжения, а следовательно — и большего допустимого сопротивления нагрузки, необходимо увеличивать напряжение источника питания. Поскольку максимальное напряжение питания OPA2333 составляет 5,5 В, то более высокие значения напряжения исключают OPA2333 из списка подходящих компонентов. Требуется подобрать операционный усилитель с более высоким максимальным напряжением питания. Существуют усилители, которые имеют большую полосу пропускания или меньшие значения тока покоя чем OPA2333. В таблице 7 приведен список операционных усилителей, которые могут подойти для использования в описанной схеме.

Таблица 7. Варианты операционных усилителей

Наименование	Наибольшее напряжение питания, В	Наибольшее напряжение смещения, мкВ	Дрейф напряжения смещения, мкВ/°С	Полоса пропускания, МГц	Ток покоя, мкА
OPA2333	5,5	10	0,05	0,35	34
OPA2335	5,5	5	0,05	2	700
OPA2320	5,5	150	5	20	1600
OPA2735	12	5	0,05	1,5	1500
OPA2188	36	25	0,085	1	950

При проектировании устройств с более высоким напряжением питания или большим выходным током необходимо убедиться, что транзисторы и другие компоненты не подвержены перегрузкам или перенапряжениям.

Такие изделия как XTR110 и XTR111 совместно с описанным преобразователем напряжения в ток могут использоваться при разработке промышленных передатчиков токовой петли 4…20 мА или других диапазонов. Эти изделия оснащены регуляторами напряжения, флагами ошибок и другими функциями, которые помогают создавать надежные модули формирователей сигнала токовой петли.

Литература

1. Tim Green. “Operational Amplifier Stability”, Parts 1-11, November 2008.
2. R. Mark Stitt, “Implementation and Applications of Current Sources and Current Receivers” SBOA046, March 1990.

•••

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.

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)

Преобразователь тока и напряжения | Преобразователи переменного тока

Преобразователь тока и напряжения | Преобразователи переменного тока | Датаксель

DAT5023 — это линейка преобразователей переменного и постоянного тока и напряжения Datexel, программируемых DIP-переключателями.

DAT5023 I представляет собой преобразователь переменного или постоянного тока, диапазон входного тока выбирается по заказу из 0-5А, 0-10А, 0-20А, 0-25А, 0-30А, 0-40А, 0-50А, 0 -60Ампер. Он измеряет ток с помощью датчика Холла. Внутри преобразователя тока находится катушка (трансформатор тока), которая изолирована от входа тока. Кабель проходит через корпус преобразователя переменного тока и катушку, и истинное среднеквадратичное измерение берется из этой катушки, а затем преобразуется в стандартный промышленный выходной сигнал.
DAT5023 V имеет вход напряжения переменного и постоянного тока, который можно выбрать, подключив вход напряжения к нужным клеммам. Выберите преобразователь напряжения 0–36 В, 0–80 В, 0–170 В, 0–370 В и 0–550 В. Имеется DIP-переключатель для выбора входа переменного или постоянного напряжения. Выход также можно выбрать с помощью DIP-переключателей: 4–20 мА, 0–10 В, 0–20 мА, 2–10 В, 0–5 В и 1–5 В. Выходной ток может быть пассивным или активным выходом. Вход, выход и источник питания изолированы друг от друга до 2000 В переменного тока на преобразователе напряжения и тока. Напряжение питания составляет от 18 до 30 В постоянного тока, а потребляемая мощность менее 90 мА.

Преобразователи переменного тока и напряжения.

Преобразователь напряжения переменного тока

Купить в сети $207

Вход 0–36, 0–80, 0–170, 0–370, 0–550 В пер.
Вывод 4-20MA

DAT5023V Dataashing

Конвертер тока переменного тока

Купить в строке $ 215

Входные тока переменного тока 0-5 и 0-10 Amp
AC Turning 4-20MA

DAT5023I AC A DATASHEET

AC Current. преобразователь

Купить онлайн $215

Входной переменный ток 0-20, 0-25 А и 0-30 А
Выход 4-20 мА

DAT5023I AC B Лист данных

Преобразователь переменного тока

Купить в сети $215

Входной переменный ток 0-40,

-50 и 0-60 А
Выход 4-20 мА

DAT5023I AC C Лист данных

Преобразователи постоянного тока и напряжения.

Преобразователь напряжения постоянного тока

Купить в сети $207

Вход 0–36, 0–80, 0–170, 0–370, 0–550 В пост.
Выход 4–20 мА

DAT5023V DC Лист данных

DC Curance Converter

Купить онлайн $ 215

Вход DC Current 0-5 и 0-10 AMP
Выход 4-20MA

DAT5023I DC A DataSheet

DC Current Converter

. Входной постоянный ток 0–20, 0–25 А и 0–30 А
Выходной 4–20 мА

DAT5023I DC B Лист данных

Преобразователь постоянного тока

Купить в сети $215

Входной постоянный ток 0–40, 0– 50 и 0–60 А
Выход 4–20 мА

DAT5023I DC C Технический паспорт

Как это помогает контролировать ток нагрузки

Можно контролировать ток нагрузки в электронных устройствах. Все, что вам нужно, это преобразователь напряжения в ток. Читайте дальше, пока мы анализируем преобразователь напряжения в ток и как он помогает контролировать ток нагрузки.

Содержание

Что такое напряжение для преобразователя тока?

Преобразователь напряжения в ток представляет собой электронную схему, которая преобразует напряжение в ток. Выходной ток преобразователя зависит от входного напряжения и выходного сопротивления нагрузки. Проще говоря, это устройство, которое принимает входное напряжение и производит выходной ток.

Как работает преобразователь напряжения в ток?

Преобразователь напряжения в ток — это устройство, которое преобразует напряжение в ток. Он работает путем преобразования напряжения в электрический ток, который может подаваться на нагрузку. Преобразователь состоит из двух основных компонентов: трансформатора и выпрямителя.

Трансформатор является сердцем любого преобразователя переменного тока в постоянный. Трансформатор принимает переменное напряжение, повышает или понижает его по мере необходимости и превращает его в серию импульсов постоянного тока высокого напряжения, которые затем сглаживаются схемой выпрямителя в чистую мощность постоянного тока.

Выпрямитель принимает импульсы тока и использует их для зарядки конденсатора фильтра. Схема фильтра представляет собой электронный компонент, который сглаживает любые оставшиеся пульсации в постоянном токе, оставляя чистый источник питания.

Связь между током и напряжением

Ток и напряжение напрямую связаны с полным функционированием преобразователя напряжения в ток.

Ток, протекающий через нагрузочный резистор, формула_1, равен току через МОП-транзисторы

Входное напряжение схемы равно VCC. Выходное напряжение равно VOUT.

Входное напряжение является источником тока, а выходное напряжение является приемником тока. Разница между этими двумя значениями равна IOUT, то есть току через нагрузочный резистор.

Когда использовать преобразователь напряжения в ток?

В различных ситуациях может потребоваться использование преобразователя напряжения в ток.

Преобразователь напряжения в ток является наиболее часто используемой схемой для определения выходного тока нагрузки.

Для измерения выходного тока нагрузки необходимо преобразовать напряжение от источника в ток. Преобразователь напряжения в ток очень полезен при определении выходного тока различных нагрузок.

– VCC используется в светодиодах: светоизлучающие диоды предназначены для работы при определенном прямом напряжении. Светодиод работает как источник тока, если применяется VCC.

Схема может использоваться с различными типами нагрузок, такими как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторы и т. д.

— Операционные усилители: Операционные усилители часто используются в усилительных схемах. Выходной ток операционного усилителя определяется напряжением на его входе. Если подать VCC на вход операционного усилителя, выходной ток его будет равен IOUT.

— Конденсаторы: Конденсаторы используются во многих цепях, и различные типы конденсаторов имеют разные значения емкости. Чтобы узнать номинал конденсатора, необходимо знать его емкость и номинальное напряжение. Чтобы получить это значение, необходимо рассчитать напряжение на конденсаторе, применив VCC, а затем преобразовав это значение в ток.

— Индукторы: катушка состоит из обмоток, намотанных на ферромагнитный сердечник. Катушки намотаны таким образом, что их магнитный поток стабилизируется. Обмотка вращает железный сердечник, создающий магнитное поле. Ток, протекающий по обмоткам, индуцирует в сердечнике напряжение, пропорциональное току I, протекающему по обмоткам. Когда VCC подается на катушку, ток будет течь через нее и генерировать напряжение на ней.

— Транзисторы: Транзистор можно использовать как усилитель или как переключатель. Транзистор можно использовать как усилитель, соединив его базу (эмиттер) и эмиттер (коллектор). Он работает как переключатель, соединяя коллектор и базу (эмиттер).

— Генераторы: когда VCC подается на генератор, напряжение на его входных клеммах будет изменяться в соответствии с протекающим через него током. Частота колебаний будет зависеть от номинала резистора обратной связи.

— Операционные усилители: Операционный усилитель представляет собой электронную схему, которая может усиливать или коммутировать сигналы. Он используется для преобразования аналоговых сигналов в цифровые сигналы, которые можно обрабатывать с помощью микропроцессоров и других цифровых схем.

— Преобразователи: преобразователь преобразует один вид энергии в другой вид энергии, обычно механическую, тепловую или электрическую энергию. Примером преобразователя является микрофон, который преобразует звуковые волны в электрические сигналы для усиления и обработки звуковой системой.

— Датчики тока: Датчик тока — это устройство, которое изменяет свое сопротивление в зависимости от силы тока, протекающего через него.

Как купить преобразователь напряжения в ток?

Перед покупкой преобразователя напряжения в ток необходимо учитывать следующие факторы.

1. Выходной ток преобразователя должен быть намного выше, чем входной ток.
2. Входное напряжение не должно быть ниже выходного напряжения, требуемого схемой.
3. Питание преобразователя должно быть стабильным, т.к. вы будете использовать это устройство в своей схеме.
4. Коэффициент преобразования также очень важен для вас, чтобы выбрать хороший преобразователь из других доступных преобразователей на рынке в данный момент.
5. Цена преобразователя должна быть разумной для вас.
6. Преобразователь должен иметь стабильное напряжение питания, чтобы выходное напряжение могло находиться в диапазоне от 5В до 25В.
7. Преобразователь должен хорошо работать с низким входным и выходным током, потому что он будет использоваться в вашей схеме или электронных продуктах. Например, если вы хотите использовать это устройство в схеме драйвера светодиода, то это устройство не должно иметь входной ток выше 200 мА и выходной ток ниже 1 А или 2 А при уровне выходного напряжения 30 В, требуемом схемой драйвера светодиода.