Преобразование тока в напряжение: принципы работы и применение

Как работает преобразователь тока в напряжение. Какие бывают типы преобразователей. Где применяются преобразователи тока в напряжение. Каковы преимущества использования преобразователей тока в напряжение.

Что такое преобразователь тока в напряжение

Преобразователь тока в напряжение — это электронное устройство, которое преобразует входной электрический ток в пропорциональное выходное напряжение. Основная задача такого преобразователя — получить на выходе напряжение, точно соответствующее величине входного тока.

Принцип работы преобразователя тока в напряжение основан на законе Ома: U = I * R, где:

• U — напряжение
• I — сила тока
• R — сопротивление

Входной ток проходит через прецизионный резистор, создавая на нем падение напряжения. Это напряжение усиливается операционным усилителем и подается на выход устройства. Таким образом, выходное напряжение оказывается прямо пропорционально входному току.

Основные типы преобразователей тока в напряжение

Существует два основных типа преобразователей тока в напряжение:

1. Пассивные преобразователи

Пассивные преобразователи представляют собой простейшую схему с резистором. Входной ток, проходя через резистор, создает на нем падение напряжения согласно закону Ома. Такие преобразователи просты, но имеют ряд недостатков:

• Низкая точность
• Зависимость от температуры
• Ограниченный динамический диапазон

2. Активные преобразователи

Активные преобразователи используют операционные усилители для повышения точности и расширения динамического диапазона. Типичная схема включает резистор обратной связи и операционный усилитель. Преимущества активных преобразователей:

• Высокая точность
• Широкий динамический диапазон
• Низкий температурный дрейф
• Возможность усиления сигнала

Где применяются преобразователи тока в напряжение

Преобразователи тока в напряжение широко используются в различных областях электроники и измерительной техники:

Измерительные системы

В измерительных системах преобразователи тока в напряжение применяются для:

• Преобразования выходных сигналов датчиков тока
• Измерения малых токов (наноамперы, пикоамперы)
• Построения прецизионных амперметров

Промышленная автоматика

В системах промышленной автоматизации преобразователи используются для:

• Согласования сигналов датчиков с входами контроллеров
• Преобразования токовых сигналов 4-20 мА в напряжение
• Измерения токов в силовых цепях

Научные исследования

В научном оборудовании преобразователи тока в напряжение применяются для:

• Регистрации сверхмалых токов
• Работы с фотодетекторами
• Измерений в электрохимии

Преимущества использования преобразователей тока в напряжение

Использование преобразователей тока в напряжение дает ряд важных преимуществ:

1. Повышение точности измерений

Преобразователи позволяют измерять очень малые токи с высокой точностью. Это особенно важно в научных исследованиях и прецизионных измерениях.

2. Расширение динамического диапазона

Активные преобразователи способны работать в широком диапазоне входных токов — от пикоампер до миллиампер.

3. Согласование сигналов

Преобразователи позволяют согласовать выходные сигналы датчиков с входными цепями измерительных приборов и АЦП.

4. Улучшение помехозащищенности

Преобразование тока в напряжение повышает помехоустойчивость измерительного тракта, особенно при передаче сигналов на большие расстояния.

Схемотехника преобразователей тока в напряжение

Рассмотрим основные схемные решения, используемые при построении преобразователей тока в напряжение:

Простейшая схема на операционном усилителе

Базовая схема преобразователя включает:

• Операционный усилитель
• Резистор обратной связи
• Входной токовый сигнал подается на инвертирующий вход ОУ

Выходное напряжение в этой схеме равно: U_вых = -I_вх * R_ос, где R_ос — сопротивление резистора обратной связи.

Схема с компенсацией входных токов ОУ

Для повышения точности при измерении малых токов применяется схема с компенсацией входных токов операционного усилителя. Она включает дополнительный резистор, подключенный к неинвертирующему входу ОУ.

Схема с дополнительным усилением

Для расширения динамического диапазона используется каскадное включение преобразователя тока в напряжение и усилителя напряжения. Это позволяет измерять как очень малые, так и относительно большие токи.

Характеристики современных преобразователей тока в напряжение

Современные интегральные преобразователи тока в напряжение обладают следующими ключевыми параметрами:

• Входной диапазон: от пикоампер до десятков миллиампер
• Погрешность преобразования: от 0.1% до 0.001%
• Температурный дрейф: единицы ppm/°C
• Полоса пропускания: до нескольких МГц
• Напряжение смещения: единицы микровольт

Ведущие производители интегральных преобразователей: Analog Devices, Texas Instruments, Linear Technology.

Тенденции развития преобразователей тока в напряжение

Основные направления совершенствования преобразователей тока в напряжение:

1. Повышение точности

Развитие технологий позволяет создавать преобразователи с погрешностью менее 0.001% во всем диапазоне рабочих температур.

2. Расширение динамического диапазона

Современные преобразователи способны работать с токами от пикоампер до десятков миллиампер без переключения диапазонов.

3. Интеграция дополнительных функций

В состав интегральных преобразователей включаются АЦП, интерфейсы передачи данных, схемы температурной компенсации.

4. Снижение энергопотребления

Применение новых схемотехнических решений позволяет создавать преобразователи с током потребления единицы микроампер.

Как преобразуется напряжение в ток

Превратить ток в напряжение или напряжение в ток невозможно, поскольку это — принципиально разные явления. Напряжение измеряется на концах проводника или источника ЭДС, тогда как ток представляет собой движущийся через поперечное сечение проводника электрический заряд.

Напряжение или ток можно лишь преобразовать в напряжение или ток другой величины, в этом случае говорят о преобразовании электрической энергии (мощности).

Если в процессе преобразования электрической энергии напряжение понижается, то ток при этом повышается, а если напряжение повышается — значит понижается ток. Количество энергии на входе и на выходе будет приблизительно одинаковым (минус, конечно, потери в процессе преобразования) в соответствии с законом сохранения энергии.

Так происходит потому, что электрическая энергия A — это изначально потенциальная энергия (энергия положения в электрическом поле) электрического заряда, то есть A = U*q. А ток I — есть ни что иное, как перемещение заряда q в электрическом поле с течением времени t, то есть I = q/t.

Поэтому в процессе преобразования энергии A1 = U1*q1 на входе — в энергию A2 = U2*q2 на выходе некого преобразующего устройства, — либо понижается разность потенциалов (U2 < U1) между точками поля, где перемещается заряд, и тогда на выходе количество перемещаемого за единицу времени заряда q2 будет большим чем q1 на входе при том же количестве (минус потери) электрической энергии.

Либо понижается количество перемещаемого за единицу времени заряда (q2 < q1), и тогда разность потенциалов U2 на выходе, которую заряд в меньшем количестве сможет пройти, окажется выше чем U1 на входе.

Чтобы осуществить такое преобразование электрической энергии, применяют явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем в конце лета 1831 года, и используемое сегодня в трансформаторах и в импульсных преобразователях напряжения для понижения или повышения напряжения (соответственно для повышения или понижения тока). Далее рассмотрим процесс такого преобразования в общих чертах.

Когда в проводящем витке, обладающем индуктивностью L, изменяется (попеременно нарастает и спадает) ток I — при этом изменяется и магнитное поле B, порождаемое данным током и пронизывающее ограниченную данным витком площадь S — происходит изменение магнитного потока Ф = B*S = L*I.

Насколько быстро изменяется ток I в витке — настолько же быстро изменяется и магнитный поток Ф, пронизывающий площадь S, ограниченную данным витком. Переменный ток I в витке прямо пропорционально связан с напряжением U, приложенным к концам витка. Таким образом, чем больше амплитуда U – тем больше амплитуда тока I в витке и тем больше амплитуда магнитного потока Ф витка с током.

Майкл Фарадей показал, что изменяющийся во времени магнитный поток способен навести ЭДС (напряжение) в контуре, охватывающем область этого изменяющегося магнитного потока, причем скорость изменения магнитного потока dФ/dt влияет на величину получаемой ЭДС: чем выше скорость изменения магнитного потока — тем больше получаемое на концах контура напряжение.

Следовательно, если поместить в область действия изменяющегося магнитного потока другой виток (вторичный), то в нем будет наведена ЭДС (напряжение на концах), пропорциональная скорости изменения магнитного потока — чем больше магнитный поток и чем быстрее он изменяется — тем большей получится индуцируемая во вторичном витке ЭДС. Если вторичных витков будет несколько (N) и они будут соединены последовательно, то индуцируемые ЭДС в них сложатся.

А если вторичную цепь замкнуть, то перемещаемый по ней заряд (ток) создаст собственный магнитный поток, противоположный первичному магнитному потоку по направлению и равный ему по величине.

Если витки вторичной цепи полностью аналогичны первичному витку по магнитным свойствам, форме и индуктивности, то в этом случае ток, вызванный индуцируемой ЭДС, разделится по всем вторичным виткам поровну. Следовательно чем больше последовательно соединенных витков — тем больше на выходе получается напряжение и тем меньше на выходе окажется ток при замкнутой на нагрузку цепи.

На этом принципе работает трансформатор, повышающий или понижающий переменное напряжение и, соответственно, понижающий или повышающий переменный ток. Если первичных витков больше, а вторичных меньше — то на один виток вторичной катушки придется больше тока, но напряжение на концах вторичной катушки будет в сумме меньше (пропорционально соотношению витков в обмотках), то есть ток на выходе по сравнению со входом увеличится, а напряжение понизится.

Ранее ЭлектроВести писали, что Tesla построит на Аляске хранилище энергии на 93 МВт*ч. Строительство аккумуляторной станции снизит зависимость штата от ископаемого топлива и откроет дорогу возобновляемым источникам энергии.

По материалам: electrik.info.

Аналоговая электроника на операционных усилителях

Аналоговая электроника на операционных усилителях

А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях — М.: БИНОМ, 1994 — 352 с. В книге представлена подборка аналоговых схем на операционных усилителях с подробными техническими описаниями и практическими рекомендациями, что поможет быстро подобрать нужную схему, изготовить и настроить необходимое устройство. Оглавление Предисловие редактора перевода Предисловие 1. Измерительные усилители 1.1. Измерительные усилители на одном операционном усилителе 1.2. Измерительные усилители на двух операционных усилителях 1.3. Измерительные усилители на трех операционных усилителях 1.4. Измерительные усилители с согласованными транзисторами 1.5. Использование измерительных усилителей совместно с датчиками 1.6. Промышленные однокристальные измерительные усилители 2. Развязывающие усилители 2.1. Развязывающий усилитель с модуляцией/демодуляцией (МДМ) 2.2. Развязывающий усилитель с линеаризующей обратной связью 2. 3. Промышленные развязывающие усилители 3. Усилители заряда 3.2. Усилитель заряда с высокоимпедансным входом 4. Преобразователи тока в напряжение и напряжения в ток 4.2. Преобразователь тока в напряжение на одном операционном усилителе 4.3. Преобразователь напряжения в ток на одном операционном усилителе 4.4. Однополярные источники тока 4.5. Преобразователь напряжения в ток с дифференциальным входом 4.6. Интегральные микросхемы ПНТ 5. Управляемые усилители 5.2. Промышленные управляемые напряжением усилители 5.3. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) 5.4. Усилители с цифровым управлением 6. Проектирование активных фильтров 6.1. Передаточные функции фильтров 6.2. Схемы фильтров Схемы фильтров верхних частот Схемы полосовых фильтров Полосно-подавляющие фильтры Схемы фазовых фильтров Фильтры с переменными параметрами 6.3. Управляемые фильтры Фильтры, управляемые напряжением Фильтры с цифровым управлением Применение коммутируемых конденсаторов 6. 4. Практические вопросы проектирования фильтров Настройка Выбор элементов Устойчивость фильтров 6.5 Проектирование фильтров высоких порядков Определение требуемой передаточной функции Другие типы фильтров. Передаточные функции. Преобразование и масштабирование Переход от передаточной функции к схеме 7. Интеграторы и дифференциаторы Рекомецдации по выбору элементов 7.2. Дифференциаторы Рекомендации по выбору элементов 8. Логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи 8.2. Экспоненциальные преобразователи 8.3. Промышленные логарифмирующие и экспоненциальные преобразователи 9. Арифметические операции 9.2. Умножители Делитель на основе умножителя Распространенные схемы умножителей Умножители на основе управляемых источников тока Умножители с логарифмированием и антилогарифмированием сигналов Импульсные умножители Умножители с применением ЦАП и АЦП 9.3. Промышленные микросхемы аналоговых умножителей 10. Функциональные преобразователи 10.2. Логарифмирующие и экспоненциальные функциональные преобразователи 10.3. Функциональные преобразователи с кусочно-линейной аппроксимацией 10.4. Схемы функциональных преобразователей с использованием АЦП и ЦАП 11. Ограничители, пиковые детекторы и выпрямители Диодный мостовой ограничитель Управляемый напряжением ограничитель на ОУ 11.2. Пиковые детекторы Двухкаскадные пиковые детекторы Пиковый детектор с общей обратной связью Улучшение характеристик виковых детекторов Рекомендации по выбору элементов Пиковые детекторы на базе микросхем 11.3. Прецизионные однополупериодные выпрямители 11.4. Двухполупериодные выпрямители Двухполупериодный выпрямитель с токовым выходом Двухполупериодный выпрямитель с токовым входом Двухполупериодный выпрямитель на двух ОУ с минимальным числом элементов Универсальный двухполупериодный выпрямитель Двухполупериодный выпрямитель с суммированием токов Общие рекомендации по схемам выпрямителей 12. Измерение пикового, среднего и эффективного значений 12.1. Схемы для измерения пиковых значений 12.2. Схемы для измерения средневыпрямленного значения 12.3. Схемы для измерения средеквадратичного значения 12.4. Тепловые преобразователи

Преобразователь тока в напряжение (I в V) » Руководство по ОУ

Схема преобразователя тока в напряжение создает выходное напряжение относительно входного тока. Преобразователь I в V используется для преобразования переменного тока в эквивалентное выходное напряжение. Эта схема очень полезна, когда измерительный прибор может измерять только напряжения, а не ток, и мы хотим измерить выходной ток. Лучший пример — измерение тока в цепи с помощью Arduino. Здесь Arduino может измерять только аналоговое напряжение, поэтому для этого нам нужен преобразователь тока в напряжение.

такие схемы используются в модуле сбора данных (DAQ). мы можем сделать это преобразование тока в напряжение с помощью схемы делителя напряжения, если входной импеданс DAQ достаточно высок. Но если входное сопротивление DAQ низкое, мы должны использовать эту схему для согласования импедансов.

Пожалуйста, прочтите принцип работы операционного усилителя (ОУ) для лучшего понимания.

 

Анализ схемы преобразователя тока в напряжение:

Приведенная выше схема представляет собой простой преобразователь тока в напряжение,

Неинвертирующая клемма заземлена, а инвертирующая клемма подключена к источнику тока.

Формула преобразователя тока в напряжение:

Теперь посмотрите на ток, протекающий в цепи, анализируя цепь с помощью закона тока Кирхгофа.

• Применяя KCL в узле B, который находится на инвертирующем выводе операционного усилителя, мы получаем

 Ix - I - Irf = 0 

• Также ток, протекающий через вход операционного усилителя, почти равен нулю, следовательно,

 Ix = Irf 

• Этот ток протекает через резистор обратной связи Rf, который создает выходное напряжение Vo, определяемое законом Ома

 Vo = Ix .  Rf 

Фотодиод преобразователя тока в напряжение:

Одним из примеров такого применения является использование фотодиодного датчика для измерения интенсивности света. Выход фотодиодного датчика представляет собой ток, который изменяется пропорционально интенсивности света. Еще одним преимуществом схемы на операционном усилителе является то, что напряжение на фотодиоде (источнике тока) поддерживается постоянным на уровне 0 В.

Фотодиод подключен к инвертирующему выводу операционного усилителя

Одним из наиболее важных применений преобразователя I в V является усилитель фотодетектора для измерения интенсивности света, как показано на схеме. Также напряжение на фотодиоде поддерживается на уровне 0 В из-за виртуального короткого замыкания.
Фотодиод с обратным смещением. Точка B, то есть инвертирующий вывод OP-AMP, находится под виртуальным потенциалом земли, а на анод фотодиода подается отрицательное напряжение Vdc.

Когда свет фокусируется на фотодиоде с обратным смещением, начинает течь фототок Ix, пропорциональный интенсивности света, падающего на фотодиод, как показано. Этот ток действует как входной ток преобразователя I-V.
Следовательно, создается выходное напряжение, пропорциональное фототоку.

 Vo = RF.Ix 

Таким образом, преобразователь I в V обеспечивает усиление малого фототока Ix.

 

Что такое преобразователь тока в напряжение? (с картинками)

`;

Технология

Факт проверен

Жан Мари Аста

Дата последнего изменения: 13 января 2023 г.

Преобразователь тока в напряжение представляет собой схему, которая, как следует из названия, получает ток в амперах и преобразует его в соответствующую величину напряжения. В этих преобразователях используется резистор, чтобы поддерживать постоянное количество вырабатываемой энергии, что предпочтительнее использования токов, поскольку их поток меняется. При работе устройства от напряжения обычно потребляется меньше энергии, чем при такой же работе с использованием тока. Очень немногие электрические устройства работают от тока, поэтому, если источником питания является ток, например, питание от автомобильного аккумулятора, часто требуется преобразование.

Существует два основных типа преобразователей тока в напряжение — пассивные и активные. Пассивный преобразователь тока в напряжение является более простым типом и, как правило, не используется в реальных условиях. В идеальных условиях можно было бы поддерживать постоянный ток и в процессе преобразования не было бы потерь энергии, но поскольку это невозможно, активный преобразователь будет работать лучше. Активный преобразователь тока в напряжение добавляет в схему операционные усилители (операционные усилители), обеспечивая достаточную дополнительную мощность, чтобы преобразователь работал в реальных условиях.

После того, как ток был преобразован в напряжение и увеличен с помощью операционного усилителя, напряжение можно использовать для питания любого электронного устройства, которое необходимо. Резистор обычно добавляется для уменьшения количества электричества, проходящего через цепь, до точного количества, необходимого для устройства. Это предотвращает перегрузку цепи.

Недавнее изобретение, называемое преобразователем напряжения с переключаемым конденсатором, позволяет преобразовывать токи в напряжение без использования резисторов для поддержания количества электричества, проходящего через цепь. В них используются конденсаторы, чтобы еще более точно контролировать величину сопротивления, приложенного к напряжению. Они также меньше по размеру и могут быть размещены на печатных платах меньшего размера.

Поскольку во многих научных приборах в качестве единицы измерения входного сигнала используется ток, в лабораториях также широко используется преобразователь тока в напряжение. В частности, эти инструменты используются в лабораторных условиях, связанных с тестированием и проектированием многих типов инструментов. Большинство этих преобразователей только тестируют и обслуживают машины, используемые в лабораторных или промышленных условиях, но есть некоторые распространенные версии для повседневного использования. Они используются при тестировании и обслуживании органов управления и средств безопасности транспортных средств, таких как автомобили и самолеты. Электронные части автомобиля также используют преобразователи.

Потребность в хорошем преобразователе тока в напряжение, вероятно, возрастет в будущем.