Преобразователь напряжение ток схема: 7.4 Преобразователь напряжение — ток

Содержание

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.

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.

Выходное напряжение равно

. .33)

Входное сопротивление преобразователя определяется как входное сопротивление усилителя с параллельным введением ООС

. (7.34)

Ток для заземленной нагрузки: высокоуровневый преобразователь V/I

28 июня 2019

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 VIN, а канал 4 – выходной ток IOUT.

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 VIN и тремя измерительными резисторами: RS1, RS2 и RS3. Величины входного напряжения VIN и сопротивления резистора RS1 задают ток на выходе первой ступени преобразовательного каскада. Коэффициент усиления по току при переходе между ступенями преобразователя зависит от соотношения сопротивлений резисторов RS2 и RS3.

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 RS2, которое необходимо для запуска второй ступени каскада.

Токовый поток поддерживают с помощью резистора RS1, включенного последовательно с n-канальным MOSFET-транзистором. Падение напряжения на резисторе VRS1 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 RS1 VRS1 было таким же, как и напряжение на неинвертирующем входе VIN 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 RS1, согласно формуле 4, составит:

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

Через резистор RS2 протекает ток IRS2, практически равный току IRS1 через резистор RS1 (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 VRS2 на резисторе RS2 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 VRS3, пропорциональное выходному току преобразователя. Напряжение VRS3 подают на инвертирующий вход операционного усилителя второй ступени. Получившаяся отрицательная обратная связь способствует регулированию тока нагрузки таким образом, чтобы напряжение VRS3 равнялось напряжению VRS2 (формула 6):

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

Падение напряжения на резисторе RS3 снижает выходное напряжение преобразователя, поэтому VRS3 должно иметь как можно меньшее значение. Резистор RS2 подбирают таким образом, чтобы обеспечить на нем падение напряжения VRS2, а следовательно – и VRS3

, не более 500 мВ на всем диапазоне регулирования. Правильный выбор резистора RS2 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 RS3, IRS3 и током нагрузки ILOAD, 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 RS3, 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» VGS, максимальное допустимое напряжение между стоком и истоком VDS, длительно допустимый ток стока ID. Также необходимо быть уверенным, что операционный усилитель способен должным образом управлять транзистором. Предпочтение отдают транзисторам с небольшим пороговым напряжением срабатывания VGS(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 RS1, RS2 и RS3. 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 RS2 и RS3. Погрешность усиления первой ступени переносится и во вторую ступень. В некоторых случаях для увеличения точности работы преобразователя потребуется использовать резистор RS1 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 RS1, RS2 и RS3, 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 RS2 и RS3 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 ILOAD от входного напряжения VIN 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 VCC, падения напряжения на резисторе RS3VRS3 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 RS1, RS2 и RS3. 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.

•••

Наши информационные каналы

Простые преобразователи — напряжение-ток и ток-напряжение.

В радиолюбительской практике при конструировании различных измерительных приборов возникает необходимость преобразовать измеряемое напряжение в ток, ток в напряжение. Для этого применяют различные схемы с большим количеством микросхем. Для решения этого вопроса существует ряд простых решений выполненных на простой элементной базе и комплектующих, что в конечном итоге это может повторить любой начинающий радиолюбитель с минимальным навыком в конструировании радиоаппаратуры.

Преобразователь «напряжение — ток».

Рис.1.

Приведенной принципиальной схеме такого преобразователя показанного на рис.1. коллекторный ток транзистора VT4 определяется выражением:

Ikvt4 = Uвх/R1.

Этот ток вызывает падение напряжения на переходе коллектор — эмиттер транзистора VT1. Так как VT1 и VT2 — одного типа, то напряжение на VT2 будет аналогичным, и, соответственно, протекающий через VT2, VT3 ток будет совпадать с током в VT4.

Максимальный выходной ток определяется допустимой мощностью рассеивания транзистора VT3. Для токов выше 5 мА нелинейность преобразования составляет не более 1%. В качестве DA1 можно использовать любой ОУ серий К544. К574, включенный по типовой схеме.

Преобразователь «ток-напряжение».

Принципиальная схема преобразователя ток-напряжение показана на рис.2. Он построен по принципу усиления напряжения, которое возникает при протекании тока через резистор R6. Схема обеспечивает работу согласно формуле:

Uвых = К*Iвх.

Коэффициент преобразования схемы можно узнать по формуле:

К = R6*(R3/R4).

Рис.2.

Для настройки ОУ при Iвх = 0 служит резистор R2. Часть входного тока ответвляется в цепь R1, R2, R3. Резистор R6 самодельный проволочный выполненный из нихрома.

Пороговый ограничитель тока.

Работа ограничителя выходного тока, схема которого показана на рис.3 основана на шунтировании базовой цепи ключевого транзистора. При входном напряжении, не превышающем пороговое напряжение стабилитрона VD1, транзистор VT1 закрыт, к базе VT2 прилагается полное входное напряжение, и выходной ток определяется резистором R3.

Рис.3.

Как только входное напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона VD1, открывается транзистор VT1, уменьшается напряжение на базе VT2 и уменьшается выходной ток. Крутизну вольт — амперной характеристики ограничителя можно регулировать резисторами R2, R4 (с увеличением R2 крутизна увеличивается, с увеличением R4 крутизна уменьшается).

Материал подготовил Ю. Замятин, (UA9XPJ).

Преобразователь тока в напряжение на ОУ

В радиотехнике часто возникает необходимость в преобразователях. Многие источники сигнала имеют токовый выход. К таким источникам относятся ЦАПы, фоторезисторы, фототранзисторы и др… Для последующих манипуляций с сигналом необходимо преобразовывать его в напряжение. Рассмотрим проверенный временем преобразователь тока в напряжение на ОУ с разными источниками сигнала. 

Преобразователь тока в напряжение

Преобразователь тока в напряжение (или сокращенно I-U преобразователь) — это схемное решение, позволяющее преобразовывать  выходной токовый сигнал источника в напряжение. 

Так же его называют усилитель — преобразователь сопротивления. Такое название в технической литературе было дано за то, что простейший преобразователь тока в напряжение — это резистор. 

Вся магия преобразования происходит по закону дедушки Ома. Ток iвх протекая через резистор R  вызывает на нем падение напряжение Uвых. Величина этого напряжения  прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:

Uвых = R × iвх

Основной недостаток использования одного резистора состоит в его ненулевом сопротивлении. Это обстоятельство становится серьезной проблемой, когда источник не в состоянии обеспечить необходимый уровень напряжения на резисторе. Результатом буду просадки напряжения на выходе.

Еще больше сопротивление сказывается на работе преобразователя, если у источника тока малый выходной рабочий диапазон. К таким источникам относится, например, фотодиод. Его выходной ток составляет единицы мкА.

В случае же ЦАПа, особенно высококачественного, использование резистора для преобразования предпочтительнее. Почему и зачем читайте в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом. Это обусловлено некоторыми фазовыми проблемами схем, которые будут рассмотрены. К счастью для нас, источникам вроде фотодиода фазовые искажения безразличны. 

Схема преобразователя ток-напряжение на ОУ

Схема преобразователя тока в напряжение, совсем не нова, но проверенна и безотказна. В общем виде она выглядит следующим образом:

Ток сигнала iвх втекает в инвертирующий вход. Поскольку входной ток идеального ОУ равен нулю, то весь входящий ток поступает на резистор R цепи обратной связи. Этот ток создает на резисторе падение напряжения по закону все того же Ома.

Как результат ОУ будет стараться поддерживать на сопротивлении нагрузки RН напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент усиления схемы в, таком случае, имеет размерность сопротивления. Что еще раз объясняет советское название усилитель-преобразователь сопротивления:

K = Uвых ÷ iвх = R

Преобразователь для заземленного источника

Рассмотрим несколько схем преобразователя тока в напряжение на ОУ, подходящие для любого случая. Начнем со схемы преобразователя для фотодиода.

Направление протекания тока показано стрелкой, и для данного случая величина выходного напряжения составит:

Uвых = − iвх × R

Знак минус появляется из-за выбранного направления протекания тока фотодиода. (Указано стрелкой на схеме выше)

На этой схеме так же показан дополнительный резистор в 1 МОм, с неинвертирующего(+) входа ОУ на землю. Схема останется работоспособной и без этого резистора, а вход операционного усилителя в таком случае заземляется напрямую.

Однако имея резистор в 1 МОм в цепи обратной связи, на каждый 1 мкА входного тока на выходе будет создан 1 Вольт напряжения. При таком коэффициенте усиления (миллион раз) резистор желателен из-за неидеальности операционных усилителей.

Преобразователь тока в напряжение используют и с источниками сигнала, подключенными к шине питания. Такая схема часто применяется с элементами вроде фототранзисторов. Фототранзистор потребляет (пропускает) ток, под действием внешнего источника света, положительной шины питания.

Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника

Такой преобразователь отличается наличием второго токочувствительного резистора в цепи прохождения сигнального тока, который заземлен. Схема симметричного преобразователя ток-напряжение это подобие дифференциального усилителя.

В следствии падения напряжения так же и на заземленном резисторе, потенциал входа ОУ падает ниже потенциала земли, а на выходе устанавливается напряжение:

Uвых = −2 × iвх × R

Симметричный преобразователь тока в напряжение — пример операционной схемы, которой необходим незаземленный (плавающий) источник сигнала. Таким источником может послужить все тот же фотодиод. При этом фотодиод может быть вынесен за пределы платы. Для еще большей минимизации помех, желательно использовать экранированный кабель, экран которого должен быть соединен с землей.

Заключение

Рассмотренные схемы используются повсеместно. Они прекрасно подходят для токовых источников с плавным изменением сигнала. Для ЦАПов же предпочтительнее использование резистора. О том, чем это лучше, и как правильно согласовать резистор со следующим каскадом читайте в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом.

Материал подготовлен исключительно для сайта AudioGeek.ru

Follow @AudioGeek_ru

Преобразователь напряжения и частоты (схема)

Такой преобразователь изменяет пульсации частотой до 9 килогерц в напряжение тока постоянной величины до 9 вольт. Основная составляющая часть устройства составляет микросхема ТС9401.

Сигнал должен иметь амплитуду не больше питающего напряжения, выходит на разъем CON1. Питающее напряжение идет на разъем CON3. Диод не дает току протекать, если полярность перепутана. Установка на ноль делается с помощью вольтметра во время выключенного входа. Потенциал на выходе снимается на разъеме CON2.

Прибор, преобразующий частотную характеристику в напряжение, применяется в любительском частотомере или компараторе.

Схема устройства, преобразующего частоту в потенциал.

Из шести частей можно создать устройство, потенциал на выходе которого прямо зависит от частоты сигнала на входе. Тогда здесь тройка элементов – это конденсатор, сопротивление и операционный усилитель обязаны иметь удовлетворительную стабильность температуры. Такой преобразователь гарантированно дает линейность в промежутке частот до 1 МГц.

Усредненный ток, который вытекает из заземляющего провода триггера Шмитта, прямо зависит от частоты, с которой приводит к разряду. Ток во время протекания через резистор обратной связи, создает прямую зависимость падения напряжения.

Конденсаторы осуществляют сглаживание выбросов, которые сопутствуют быстрому переключению микросхем. Во время использования этих компонентов промежуток выходных напряжений равен от нуля до десяти вольт для входящих сигналов частотой до 10 кГц. Если нужно увеличить диапазон частот на схеме, то приходится принять во внимание свой ток, который потребляется микросхемой, которым нельзя пренебрегать на больших частотах. Но учитывать такой ток очень просто, так как он увеличивается вместе с увеличением частоты. Нужно в расчетах добавить его к току разрядки конденсатора.

Можно использовать и такой факт, что в основании микросхемы имеется 6 триггеров Шмитта, и создать объединитель частот. Если вы будете подключать емкость к выходу всех инверторов, и дадите на все входы сигналы разной частоты, то получится выходное напряжение, которое напрямую зависит от суммы частот.

Также, можно расширять схему, если сделать соединение параллельной схемой все инверторы. Нелинейность устройства в частоту будет не более 0,4%.

Генераторы импульсов (треугольных).

Мультивибратор генерирует импульсы прямоугольного типа. В электротехнике и радиотехнике кроме таких пульсаций нашли широкое назначение импульсы с формой, которая меняется: в виде треугольника и пилы, которые используются в ШИМ обозначениях контроллеров. ШИМ – это широтно-пульсационная модуляция сигнала.

Основная схема генератора линейно-нарастающего напряжения.

Чтобы понять происхождение формирования линейно увеличивающего напряжения надо всегда помнить, каким образом идет переходящий процесс в схемах интегрирования. Потенциал на конденсаторе будет определено размером заряда, который накоплен конденсатором.

Размер емкости и величина силы тока имеют неизменную величину. Поэтому напряжение заряда конденсатора прямо зависит от времени, которое проходит со времени замыкания ключа. Конденсатор имеет потенциал, который является суммой всех напряжений за все время. Этот процесс называется интегрированием, а схема этой операции является интегратором.

Интегратор этого типа, имеющий при выходе непостоянную форму потенциала, становится основой для выстраивания генераторов треугольного и в виде пилы напряжения.

Генератор напряжения в виде треугольника.

Самый легкий способ создания пульсаций в виде треугольника есть схема с триггером Шмитта и интегратор. Выходящий канал триггера соединяется со входом интегратора, а выходной канал интегратора со входом триггера Шмитта. Схема простая, однако позволяет создать неплохие треугольные импульсы.

Такой генератор состоит из триггера Шмитта и сопротивлениях, интегратора, конденсатора. Импульсы в виде треугольника получают на выходе. Резисторы работают в качестве компенсаторов напряжения смещения, когда не нужна сильная симметрия импульсов. Тогда их можно заменить перемычками.

Размах потенциала на выходе в виде треугольника будет равной размеру гистерезиса триггера Шмитта. Во время регулировки величины гистерезиса триггера можно повышать или снижать амплитуду импульсов на выходе треугольного напряжения.

Размер треугольной пульсации включает в себя два промежутка: периода повышения длительности и периода уменьшения временного потенциала.

Генератор напряжения формы в виде пилы.

Вышеописанный преобразователь необходимо быстро переделать в генерирующее устройство пилообразного потенциала. Надо лишь сделать различную периодичность зарядки и разрядки емкости по схеме суммирующего элемента. Изменения будут касаться цепи заряда-разряда конденсатора в интеграторе. Диоды позволят сделать заряд-разряд конденсатора различными токами. Все остальное действие генератора аналогично предыдущему. Схема его несимметрична. Частота при выходе этого пилообразного потенциала складывается из двух резисторов. Температурная нестабильность ограничивает стабильность частоты тока.

Инвертирующий (вычитающий) усилитель.

Схема усилителя в виде инвертора, который охвачен параллельной ООС по потенциалу показана на рисунках:

ООС создается за счет слияния выхода усилителя со входом резистором R2.

На входе инвертора ОУ происходит складывание токов. Так как входной ток ОУ i- = 0, то i1 = i2. Так как i1 = Uвх/R1, а i2 = -Uвых/R2, то . Ku = = -R2/R1. Знак “-” говорит о том, что происходит инверсия знака напряжения входа.

На рис. (б) в цепь неинвертирующего входного канала включен резистор R3 для снижения действия входных токов ОУ, резистор которого учитывается из выражения:

Резистор при входе усилителя на малых частотах примерно равен Rвх.ос = ≈ R1

Резистор на выходе Rвых.ос = намного меньше Rвых собственно ОУ.

Активные фильтры.

В электронике имеет большое применение схема для выделения полезного сигнала из состава входных сигналов с уменьшением помех сигналов с помощью фильтров.

Фильтры делятся на пассивные, которые выполнены из емкостей, катушек и резисторов, и активные на основе транзисторов и усилителей.

Фильтр – это устройство, пропускающее сигналы в определенной полосе пропускания и задерживания их в других частотах.

По разновидности АХЧ фильтры делятся фильтры малых частот и фильтры повышенных частот, а также полосовые и режекторные.

Упрощенный преобразователь напряжение – частота.

Если нужен упрощенный блок, преобразующий напряжение в частоту, то пользуются новой формой, где используют интегральный таймер серии 555. Это советский аналог КР1006ВИ1 и усилитель серии 741.

В обычной схеме включения 555 таймера конденсатор, задающий время, берет заряд от зарядного устройства через сопротивление. Эта цепь задает время. Здесь же вместо сопротивления применяется источник тока, который сделан на операционном усилителе, так что конденсатор заряжается линейно. Когда заряд достигает определенного напряжения, то конденсатор начинает разряжаться. Так как блок питания управляется напряжением входа, то и размер электричества прямо зависит от напряжения входа. В связи с этим заряженность емкости и частота пульсаций также прямо зависит от потенциала на входе. Допуск изменения характеристик будет не выше 3%.

Частотники, изменяющие потенциал и частоту определенного размера в одном такте дают получение совершенно существенной точности изменения при очень легкой реализации.

Электронные заводы делают выпуск следующих ПНЧ типа КР1108ПП1. Наиболее простая с многими функциями работа такого ПНЧ изображена на рисунке 3, а. ПНЧ вбирает в себя ОУ А1, 2 компаратора А2, A3, SR-триггер , 2 источника постоянных токов I1 и I2, 2 аналоговых электрических переключателя S1 и S2, источник основного потенциала Uк, логическую ячейку И и транзистор на выходе T1.
Для получения ПНЧ микросхему КР1108ПП1 нужно будет дополнить двумя емкостями C1, С2 и двумя сопротивлениями R1, R2. Детали R1, C1, А1 образуют суммирующий интегратор. Компараторы А2, A3, триггер, ключ S2, емкость С2 и источник тока I2 составляют одновибратор.

Работа ПНЧ происходит по следующему сценарию. Под воздействием положительного сигнала на входе Uвх потенциал на выходе суммирующего элемента (А1) снижается.

Рис 3. Схема функций суммирующего ПНЧ на основании
ИС КР1108ПП1 (а) и схема включения этой ИС в режиме ПЧН (б).

Триггер теперь предстает нам в состоянии ноля, ключи SI, S2 стоят по рисунку 3, а. Ток I1 нагружает А1, здесь не будет оказывать влияние на выходной потенциал. Ток I2 через ключ S2 идет на заземление. Если потенциал размером А1 понизится до ноля, то сработает компаратор А2 и переведет триггер в размер единицы, запустит одновибратор. При этом ключ S2 разомкнется и под влиянием тока I2 начнет снижаться потенциал на емкости С2. Если этот потенциал вырастет до уровня Ur, то сработает компаратор A3 и триггер снова возвратится в состояние ноля. Пока триггер был равным единице, ток I1 проходил на вход интегратора, из-за этого напряжение на выходе А1 снова увеличилось. Далее все повторялось циклически.

Временной промежуток пульсации одновибратора, которое определяет длительность такта Т1 во время которого суммируется ток I1, можно определить по формуле T1=URC2/I2. Импульсы тока h выравнивают ток, вызываемый напряжением на входе Uвх. Рассматривая процесс выравнивания на протяжении одного цикла преобразования, получаем

Отсюда

В связи с этой зависимостью постоянство свойства изменения ПНЧ может влиять на постоянство наружных элементов R1, C2 и внутренних показателей U2, I2/I1.

Величина суммирующего конденсатора С1 при первом рассмотрении не дает влияния на выходную частоту ПНЧ. Более подробное рассмотрение выявляет, что для снижения С1 повышается размер потенциала на выходе суммирующего элемента, а это приводит к увеличению допуска нелинейности. Если же уменьшать данный размер, то повышается изменение выходных пульсаций ПНЧ из-за малой избирательности компаратора A2, особенно на небольших частотах. Подходящий размер выходит около 2,5 В.

Преобразователь напряжения в ток на одном операционном усилителе — Студопедия

Достоинства Недостатки
Биполярный выходной ток. Возможен контроль напряжения на нагрузке по выходному напряжению Нагрузка или источник должны быть изолированными

На рис. 4.8 показан простой вариант преобразователя напряжения в ток всего на одном ОУ.

Благодаря действию обратной связи входное напряжение и падение напряжения на резисторе R1равны. Через нагрузку течет тот же самый ток, что и через резистор R1,поэтому IВЫХ = Ubx/R1. Ток в нагрузке не зависит от ZН при условии, что ОУ работает в линейном режиме (не насыщается).

Коэффициенты преобразования.

Для инвертирующего преобразователя:

Для неинвертирующего преобразователя:

Входное сопротивление.

Для инвертирующего преобразователя:

Для неинвертирующего преобразователя:

где RВХ.СФ — входное сопротивление для синфазного сигнала ОУ А.

Выходное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:

Выходной ток смещения инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:

где UСМ.ВХ — входное напряжение смещения ОУ,

IСМ.ВХ — входной ток смещения ОУ.

Максимальный выходной ток ограничивается напряжением питания ОУ и импедансом нагрузки.


Для инвертирующей схемы:

Для неинвертирующей схемы:

где UНАС — выходное напряжение насыщения ОУ.

Максимальный выходной ток может ограничиваться и встроенной защитой самого ОУ. В этом случае для увеличения тока к выходу ОУ можно подключить усилитель мощности (рис. 4.9).

Неинвертирующая схема на рис. 4.8 имеет высокое входное сопротивление, так как входной сигнал подается непосредственно на вход ОУ. Входное сопротивление инвертирующей схемы равно сопротивлению резистора R1,которое может быть сравнительно небольшим. Кроме того, в инвертирующей схеме источник управляющего напряжения должен обеспечивать и весь выходной ток. Для получения большого коэффициента преобразования при сохранении приемлемого сопротивления резистора R1, в цепь обратной связи можно включить делитель (рис. 4.9). У этого способа есть недостаток — уменьшается коэффициент передачи цепи обратной связи, а это снижает линейность и точность преобразования, а также уменьшает выходное сопротивление.

Выходное сопротивление в этом случае равно:

,

т.е. уменьшается в R3/(R2+R3) раз.

При работе на большую индуктивную нагрузку (например, обмотку реле или двигателя) позаботьтесь о том, чтобы не превысить допустимые параметры ОУ из-за возникновения больших обратных ЭДС. Для защиты ОУ и других элементов включаются дополнительные диоды. Кроме того, при индуктивной нагрузке возникают проблемы с устойчивостью схемы. Индуктивность в цепи обратной связи добавляет лишний полюс в частотной характеристике, что может вызвать неустойчивость и привести к само­возбуждению устройства. Для борьбы с этим включаются корректирующие конденсатор и резистор, показанные на рис. 4.9.


Включение еще одного ОУ превращает исходную схему в ПНТ с дифференциальным входом (рис. 4.10).

Для плавающих источников управляющих напряжений применяются схемы, приведенные на рис. 4.11, причем достоинство схем б) и в) состоит в том, что они отдают ток в заземленную нагрузку.

Из-за действия обратной связи падение напряжения на резисторе R1 равно входному напряжению Uвх.Ток, протекающий через резистор R1 должен течь и через нагрузку, что приводит к желаемому результату.

Выходное сопротивление для схемы а):

Rвых=AvR1,

а для схем б) и в):

Rвых=Av(R1/KOCC).

Общее смещение, приведенное к входу, для схем а), б) и в):

Uсм=Uсм.вх+Iсм.вх R,1

где Аv коэффициент усиления ОУ А,

КОСС — коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ А,

UСМ.ВХ — входное напряжение смещения ОУ А,

IСМ.ВХ входной ток смещения ОУ А.

Выходное напряжение для схем а), б) и в):

При проектировании таких преобразователей помните о следующих моментах.

· Как и ранее, максимальный ток ограничивается либо выходным током, либо напряжением насыщения ОУ. Если выходной ток ограничивается напряжением насыщения ОУ, то максимальный ток составляет UНАС/(R1 + ZН), где UНАС — напряжение насыщения ОУ.


· В подобных схемах выходное напряжение ОУ можно использовать для контроля напряжения на нагрузке, т.к. UВЫХ= UН + UВХ UН, при ZН » R1. Для непосредственного измерения напряжения на нагрузке может потребоваться дополнительный буфер.

· Если схема а) имеет плавающие источники питания, то можно подключить точку Р кобщему проводу для того, чтобы заземлить входной сигнал и нагрузку.

· Схема а) имеет высокое входное сопротивление, равное входному сопротивлению ОУ, умноженному на коэффициент обратной связи. На практике паразитные емкости и утечки ограничивают входное сопротивление на уровне 10 МОм с включенной параллельно ему емкостью в несколько пФ.

· Сопротивление утечки между плавающими зажимами источника сигнала и землей не влияет на работу схемы в). Однако оно сказывается на работе схем а) и б), так как по сопротивлениям утечки отводится часть выходного тока от токозадающего резистора R1.

Удобно контролировать ток нагрузки с помощью преобразователя напряжения в ток

Удобно контролировать ток нагрузки с помощью преобразователя напряжения в ток

Эта статья, входящая в состав аналоговой цепи AAC, представляет собой простой способ точно контролировать ток через светодиод (или через типичную резистивную нагрузку).

Как вы, наверное, заметили, реальный электронный дизайн имеет тенденцию демонстрировать определенное доминирование напряжения над током. Я имею в виду следующее: стабильные источники напряжения являются общими и широко доступны, тогда как для создания чего-либо, приближающегося к идеальным источникам тока, которые появляются в теоретических схемах, требуется некоторое усилие. Следовательно, ток, протекающий через нагрузку, обычно определяется амплитудой приложенного напряжения и вольт-амперными характеристиками нагрузки. В случае обычной резистивной нагрузки отношение тока и напряжения является просто сопротивлением. Таким образом, ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Если сопротивление нагрузки изменяется, ток нагрузки изменяется пропорционально.

Обычно это нормально, но есть ситуации, когда мы хотим прямо указать ток, независимо от характеристик нагрузки. В таких случаях мы можем использовать преобразователь напряжения к току (VCC), который по существу является источником тока с контролируемым напряжением. Мы генерируем сигнал напряжения в соответствии с нашими типичными методами, затем мы используем VCC для генерации тока, который зависит только от этого входного напряжения.

Приложения

Я не могу придумать слишком много ситуаций, в которых вам нужно будет использовать VCC для тщательного контроля тока через резистивную нагрузку. На самом деле, на данный момент я не могу думать ни о чем (не стесняйтесь оставлять комментарий, если вы можете помочь мне здесь …). Линейный характер отношения тока и напряжения резистора делает преобразование тока в напряжение несколько избыточным: (напрямую) увеличение напряжения имеет, как правило, тот же эффект, что и использование напряжения для увеличения тока.

Однако нет никаких сомнений в том, что VCC — очень удобная схема, когда вы работаете с светоизлучающими диодами. Светодиод (являющийся диодом) имеет нелинейные вольт-амперные характеристики, и поскольку количество световой энергии, генерируемой светодиодом, определяется проходящим через него током, напряжение отнюдь не является прямым способом контролировать яркость.

Этот вопрос обсуждается в этой технической записке, а также в этой статье проекта. Если вы прочитаете проект, вы увидите, что я использовал простую схему ОУ в качестве преобразователя напряжения в ток:

Фактически, я использовал три таких схемы для создания «однопиксельного» цветного дисплея с использованием светодиода RGB. В этой статье я покажу вам другую схему, которая выполняет одно и то же. Как они сравнивают «// www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1957« target = «_ blank»> удивительно нетривиальная задача нейтрализации неиспользуемого усилителя. Я бы не сказал, что одна из этих схем строго лучше, чем другая, но есть одно важное различие, которое я объясню в следующем разделе.

Анализ

Вот схема:

Рассмотрим функциональность, прежде чем мы посмотрим на графики моделирования. Схема состоит более или менее из двух взаимосвязанных последователей напряжения; Я говорю «более или менее», потому что один из последователей имеет диод в пути обратной связи. Последователь на дне имеет заземление в качестве входного напряжения, поэтому выходное напряжение, а следовательно, и напряжение на инвертирующей входной клемме составляет 0 В. Это означает, что нижняя клемма R1 всегда будет равна 0 В.

Из «виртуального короткого» приближения мы знаем, что два входных терминала ОУ будут иметь одинаковое напряжение. Это означает, что напряжение на верхней клемме R1 равно управляющему напряжению, и, следовательно, ток через R1 всегда равен V CONTROL / R1. Но каков источник этого тока? Это, конечно, не может быть вызвано инвертирующим входным терминалом U1, и единственной другой возможностью является выходной терминал U1. Таким образом, ток, текущий от выхода U1, всегда равен V CONTROL / R1, и, следовательно, ток через диод всегда равен V CONTROL / R1. То же самое можно было бы применить, если бы диод был заменен резистором или даже индуктором. Другими словами, эта схема используется для точного управления током, протекающим через компонент, который помещен в канал обратной связи U1.

Основное различие между этой схемой и схемой однооперационного усилителя, используемой в проекте с одним пиксельным цветом, заключается в следующем: схема с двумя операционными усилителями является дифференциальной, тогда как схема с одним операционным усилителем является одиночной -ended. В схеме с одним усилителем на входе всегда ссылаются на землю. Конфигурация dual-op-amp позволяет управлять током нагрузки с использованием дифференциального напряжения; это показано на следующей принципиальной схеме, где неинвертирующий терминал U2 стал вторым входом, а не прямым соединением с землей.

Вот реализация LTspice, за которой следуют два графика. Во-первых, вы можете видеть только одну трассу, потому что две трассы (входное напряжение и ток нагрузки) идеально перекрываются. Во втором сюжете я помещаю два следа в отдельные панели. Эти графики подтверждают, что ток нагрузки тщательно следует входному напряжению, несмотря на сложные вольт-амперные характеристики диода, и что соотношение между входным напряжением и током нагрузки действительно является (приятно простым) уравнением, описанным выше, т. Е. I L = V IN / R1.

Вывод

В статье представлена ​​и объясняется простая, но эффективная схема использования сигнала напряжения для точного управления током через компонент нагрузки. Эта конфигурация более универсальна, чем схема, которую я использовал ранее, потому что она принимает дифференциальные входные напряжения. Однако помните, что не каждый операционный усилитель имеет входные сигналы от шины к рельсу; если отрицательное питание составляет 0 В, некоторые операционные усилители не будут совместимы с версией VCC с заземленным вводом, обсуждаемой в этой статье.

Если вы хотите немного сэкономить, вы можете загрузить мою схему LTspice, нажав на оранжевую кнопку.

Схема LTspice

Преобразование сигнала напряжения в ток | Операционные усилители

В измерительных схемах сигналы постоянного тока часто используются как аналоговые представления физических измерений, таких как температура, давление, расход, вес и движение. Чаще всего используются сигналы постоянного тока вместо сигналов постоянного напряжения , поскольку сигналы тока точно равны по величине во всем контуре последовательной цепи, несущем ток от источника (измерительного устройства) к нагрузке (индикатору, записывающему устройству или контроллер), тогда как сигналы напряжения в параллельной цепи могут изменяться от одного конца к другому из-за резистивных потерь в проводе.Кроме того, токочувствительные инструменты обычно имеют низкие импедансы (в то время как датчики напряжения имеют высокие импедансы), что дает токочувствительным инструментам большую устойчивость к электрическим помехам.

Чтобы использовать ток в качестве аналогового представления физической величины, мы должны иметь какой-то способ генерировать точную величину тока в сигнальной цепи. Но как нам сгенерировать точный сигнал тока, если мы можем не знать сопротивления контура? Ответ состоит в том, чтобы использовать усилитель, предназначенный для поддержания тока на заданном значении, подавая на цепь нагрузки столько или меньше напряжения, сколько необходимо для поддержания этого значения.Такой усилитель выполняет функцию источника тока . Операционный усилитель с отрицательной обратной связью — идеальный кандидат для такой задачи:

Предполагается, что входное напряжение в этой цепи поступает от некоторого типа физического преобразователя / усилителя, откалиброванного для выработки 1 вольт при 0 процентах физического измерения и 5 вольт при 100 процентах физического измерения. Стандартный диапазон аналогового сигнала тока составляет от 4 мА до 20 мА, что означает от 0% до 100% диапазона измерения, соответственно.При входном напряжении 5 вольт на резистор 250 Ом (прецизионный) будет приложено 5 вольт, что приведет к току 20 мА в цепи большого контура (с нагрузкой R ). Не имеет значения, какое значение сопротивления R нагрузки или какое сопротивление провода присутствует в этом большом контуре, если операционный усилитель имеет достаточно высокое напряжение источника питания для вывода напряжения, необходимого для протекания через него 20 мА. R нагрузка . Резистор 250 Ом устанавливает соотношение между входным напряжением и выходным током, в этом случае создавая эквивалент 1–5 В на входе / 4–20 мА на выходе.Если бы мы преобразовывали входной сигнал 1–5 В в выходной сигнал 10–50 мА (более старый, устаревший стандарт для промышленных приборов), мы бы вместо этого использовали прецизионный резистор 100 Ом.

Другое название этой схемы — усилитель крутизны . В электронике крутизна — это математическое отношение изменения тока к изменению напряжения (ΔI / ΔV), которое измеряется в единицах Сименс, той же единице, которая используется для выражения проводимости (математическая величина, обратная сопротивлению: ток / напряжение). .В этой схеме коэффициент крутизны фиксируется величиной резистора 250 Ом, что дает линейную зависимость выходной ток / входное напряжение.

ОБЗОР:

  • В промышленности сигналы постоянного тока часто используются вместо сигналов постоянного напряжения в качестве аналоговых представлений физических величин. Ток в последовательной цепи абсолютно одинаков во всех точках этой цепи независимо от сопротивления проводки, тогда как напряжение в параллельно подключенной цепи может изменяться от конца к концу из-за сопротивления проводов, что делает сигнализацию тока более точной от «передачи» до «принимающий» инструмент.
  • Сигналы напряжения относительно легко генерировать непосредственно с преобразователей, тогда как точные сигналы тока — нет. Операционные усилители могут быть легко использованы для «преобразования» сигнала напряжения в сигнал тока. В этом режиме операционный усилитель будет выдавать любое напряжение, необходимое для поддержания правильного значения тока через сигнальную цепь.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Преобразователи

V в I и I в V — линейные интегральные схемы

Применение операционных усилителей на тамильском языке

Преобразователь напряжения в ток

  • Преобразователь напряжения в ток вырабатывает ток, который прямо пропорционален приложенному напряжению и сопротивлению, используемому в цепи.Следует отметить, что все используемые в схеме сопротивления равны Р.

Преобразователь напряжения в ток

Преобразователь напряжения в ток с плавающей нагрузкой (В / I):

  • Преобразователь напряжения в ток, в котором резистор нагрузки RL является плавающим (не заземленным).
  • В в подается на неинвертирующую входную клемму, а напряжение обратной связи на R 1 образует инвертирующую входную клемму.
  • Эту схему также называют усилителем с отрицательной обратной связью. Поскольку напряжение обратной связи на R 1 (приложенная неинвертирующая клемма) зависит от выходного тока i 0 и идет последовательно с входным разностным напряжением V id .

Запись KVL для входного контура,
Напряжение V id = V f и I B = 0, V i = R L i 0 Где i o = V i / R L

Входное напряжение В в преобразуется в выходной ток В в / R L в -> i 0 ].
Другими словами, входное напряжение появляется на R 1 . Если RL — прецизионный резистор, выходной ток (i0 = V в / R 1 ) будет точно фиксированным.

Приложения

  • Низковольтные вольтметры переменного и постоянного тока
  • Устройства для поиска совпадений диодов
  • Тестеры светодиодов и стабилитронов

Преобразователь напряжения в ток с заземленной нагрузкой:

  • Это другой преобразователь V-I типа, в котором одна клемма нагрузки соединена с землей.
  • Для анализа схемы мы должны сначала определить напряжение, V IN , а затем можно установить соотношение или связь между входным напряжением и током нагрузки.

Для этого применим текущий закон Кирхгофа в узле V 1

Для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления A = 1 + (R F / R 1 )
Здесь резистор R F = R = R 1 .
Итак, A = 1 + R / R = 2.

Следовательно, напряжение на выходе будет

.

Таким образом, мы можем сделать вывод из приведенного выше уравнения, что ток IL связан с напряжением, V IN, и резистором R.

Преобразователь тока в напряжение

  • Преобразователь тока в напряжение выдает напряжение, пропорциональное заданному току.Эта схема необходима, если ваш измерительный прибор может измерять только напряжения, а вам нужно измерять выходной ток.

Преобразователь тока в напряжение

Коэффициент усиления разомкнутого контура A операционного усилителя очень велик. Входное сопротивление операционного усилителя очень высокое.

Чувствительность I — V преобразователя:

  • Выходное напряжение V 0 = -R F I в .
  • Следовательно, коэффициент усиления этого преобразователя равен -RF. Величина усиления (т.е.) также называется чувствительностью преобразователя I в V.
  • Величина изменения выходного напряжения ∆V0 для данного изменения входного тока ∆Iin определяется чувствительностью преобразователя напряжения вольт.
  • Сохраняя переменную RF, можно изменять чувствительность в соответствии с требованиями.

Применение преобразователя I — V:

  • Одним из наиболее распространенных случаев использования преобразователя тока в напряжение является
    • Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
    • Измерение тока через фотодетектор, такой как фотоэлемент, фотодиоды и фотоэлектрические элементы.
    • Фотопроводящие устройства производят ток, который пропорционален падающей энергии или свету (т. Е.). Его можно использовать для обнаружения света.

Как преобразовать напряжение в ток с помощью резистора?

В этой статье мы обсуждаем, как преобразовать напряжение в ток с помощью резистора с различными примерами, такими как преобразование 0-10 В постоянного тока в 0-20 мА, преобразование из 0-5 В постоянного тока в 0-20 мА.

Преобразовать напряжение в ток

Очень просто измерить сигнал 0-10 В постоянного тока с помощью устройства, которое будет измерять только токовые входы.Если доступен модуль ввода тока, он будет принимать сигнал 0-20 мА, но не может принимать сигнал 0-10 В постоянного тока напрямую.

В основном, закон Ома используется для расчета номинала резистора, чтобы преобразовать сигнал 0-10 В постоянного тока в ток.

Пример: преобразование 0-10 В постоянного тока в 0-20 мА

Закон

Ом гласит: R = V / I , где В, — напряжение, I — ток, а R — сопротивление

R = 10 В / 0.020A = 500 Ом

I = V / R = 0/500 = 0 мА

I = V / R = 10/500 = 0,02 A = 20 мА

Пример: преобразование 0-5 В постоянного тока в 0-20 мА

Закон

Ом гласит: R = V / I , где В, — напряжение, I — ток, а R — сопротивление

R = 5 В / 0,020 А = 250 Ом

I = V / R = 0/250 = 0 мА

I = V / R = 5/250 = 0.02A = 20 мА

Примечание: —
  • Во избежание повреждений убедитесь, что внешний источник тока имеет защиту от короткого замыкания во всех корпусах проводов.
  • Внешний резистор является источником ошибок из-за его зависимости от температуры и неточности.
  • Для получения как можно более точных результатов измерения рекомендуется использовать резисторы с минимально возможными допусками.

Кредиты: блог myplctechnology

Если вам понравилась эта статья, то подпишитесь на наш канал YouTube с видеоуроками по ПЛК и SCADA.

Вы также можете подписаться на нас в Facebook и Twitter, чтобы получать ежедневные обновления.

Читать дальше:

Преобразователь напряжения в ток

В области контрольно-измерительной аппаратуры мы обнаруживаем, что источник постоянного тока используется для аналогового представления конкретных физических величин, таких как вес, давление, движение и т. Д.

Причина в том, что сигналы постоянного тока постоянны по всей схеме, которая работает последовательно от источника к нагрузке. Токоизмерительные устройства также обладают меньшим шумом, поэтому часто возникает необходимость установить ток, соответствующий постоянному типу напряжения.

По этой причине используются преобразователи напряжения в ток. Он может легко преобразовать носитель электрических данных из напряжения в ток.

Простой преобразователь напряжения в ток

Когда мы обсуждаем взаимосвязь между напряжением и током, становится очевидным ссылка на закон Ома.

V = I x R

Это известный факт, что как только мы подаем напряжение на цепь, содержащую резистор, это приведет к генерации пропорционального количества тока, который начнет течь через нее.

Следовательно, очевидно, что резистор определяет величину тока, протекающего для цепи источника напряжения, или, другими словами, резистор работает как базовый преобразователь напряжения в ток для любой линейной схемы.

Принципиальная схема резистора, который работает как базовый преобразователь напряжения в ток, представлена ​​ниже. Здесь электрические пропорции, например, напряжение и ток, обозначены полосами и петлей соответственно.

Однако, по существу, выходной ток этого преобразователя полностью основан на падении напряжения на присоединенной нагрузке, помимо входного напряжения.Из-за этого схему можно рассматривать как грубую конструкцию, плохую или неточную пассивную версию.

Преобразователь напряжения в ток с использованием операционного усилителя

Операционный усилитель может применяться для простого преобразования сигнала напряжения в соответствующий сигнал тока. Для этой цели предназначен операционный усилитель IC LM741.

Этот операционный усилитель разработан для передачи точного уровня тока за счет использования напряжения, необходимого для поддержки этого тока через цепь. Они могут иметь несколько форм, которые более подробно обсуждаются ниже.

Преобразователь постоянного напряжения нагрузки в ток

Как видно из названия, в этой цепи преобразователя будет висеть нагрузочный резистор. Это означает, что резистор RL не соединен с линией заземления.

Напряжение VIN, которое является входным напряжением, подается на неинвертирующий входной порт. Инвертирующий входной вывод переключается через напряжение обратной связи, возникающее на резисторе RL.

Это напряжение обратной связи устанавливается током нагрузки, который можно увидеть последовательно с VD, и он создается входным разностным напряжением.Это означает, что эту схему также можно назвать усилителем с отрицательной обратной связью.

Уравнение для входного контура можно представить как:

Вышеприведенное уравнение доказывает, что ток нагрузки изменяется в зависимости от входного напряжения, а также входного сопротивления. Это означает, что ток нагрузки увеличивается или уменьшается в зависимости от входного напряжения.

Величина тока нагрузки зависит от номинала резистора R. Здесь постоянная пропорциональности обозначается как 1 / R.Поэтому этот тип схемы преобразователя также называется усилителем трансдуктивности. Альтернативное название этой схемы может быть «Источник тока, управляемый напряжением».

Эта нагрузка может быть резистивной, емкостной или нелинейной. Качество или свойства нагрузки становятся несущественными в приведенном выше уравнении, если нагрузка подключена в виде конденсатора.

В этом случае он будет заряжаться или разряжаться со стабильной скоростью. По этой причине схема преобразователя реализована для генерации сигналов зубчатой ​​и треугольной формы.

Преобразователь напряжения нагрузки заземления в ток

Преобразователь этого типа также называется преобразователем тока Хауленда. В этой концепции одна клемма нагрузки постоянно соединена с линией заземления.

Для оценки схемы нам необходимо в первую очередь определить напряжение, VIN, после чего мы можем установить или рассчитать взаимосвязь между входным напряжением и током нагрузки.

Следовательно, применяя текущий закон Кирхгофа в узле V1, получаем:

Из приведенных выше расчетов мы можем окончательно предположить, что ток IL связан с напряжением VIN и резистором R.

электричество — Как сопротивление преобразует напряжение в ток?

Где вы это прочитали? Это не совсем правильное утверждение, если оно само по себе.

В контексте, я предполагаю, что в книге имеется в виду $ \ frac {V} {R} = I $, что — это — правильное утверждение, но опять же, как и много утверждений, если вы их поместите в контексте.

Я думаю, вам следует попытаться конкретизировать свой вопрос относительно того, что конкретно вас сбивает с толку, но я постараюсь изо всех сил объяснить, используя как можно меньше уравнений:

Во-первых, это не напряжение (напрямую) , которое заставляет заряды перемещаться по цепи.Это электрическое поле, которое образуется в цепи и проталкивает через нее заряды (электронов) .

(И если вы хотите уточнить, это электрическое поле из-за колец заряда, которые строятся по окружности компонентов цепи — но это уже другой вопрос).

Однако, что в первую очередь вызывает это электрическое поле?

(Что вызывает кольца заряда, которые создают электрическое поле по всей цепи) ?

Обычно это батарея, вставленная где-то в цепи.Не вдаваясь в подробности того, как работает батарея, давайте просто скажем, что есть переизбыток электронов на одной стороне батареи и недостаток электронов на другой стороне, и поскольку электроны отталкиваются друг от друга, они хотят двигаться сбоку с больше электронов в сторону с меньшим их количеством.

Это скопление электронов создает электрическое поле, противоположное направлению, в котором электроны хотят двигаться (поскольку электрическое поле имеет направление от положительного к отрицательному, а электроны движутся от отрицательного к положительному).Опять же, батарея ДЕЙСТВИТЕЛЬНО работает не так, это просто должно быть очень сложное объяснение того, что делает батарея

Когда мы вставляем батарею в цепь, она вызывает электрическое поле по всей цепи, которое придает электронам некоторую суммарную скорость (скорость дрейфа) , противоположную направлению электрического поля (поскольку, опять же, электроны движутся против направления электрического поля) .

Скорость электронов примерно пропорциональна силе электрического поля, создаваемого батареей. Мы могли бы вдаваться в подробности, почему это так, но это действительно для другого вопроса .

Ток в цепи, по определению, — это количество заряда, которое проходит через площадь поперечного сечения цепи за секунду. Тогда очевидно, что ток будет пропорционален как скорости электронов, движущихся по цепи, так и площади поперечного сечения провода в цепи.

$ I \ propto AV_d $

(причина $ _d $ в $ V_d $ заключается в том, что это скорость дрейфа электронов, которую вы можете исследовать подробнее, но если это не имеет смысла, вы можете игнорировать это сейчас и просто прочитать: $ I \ propto AV_e $, где $ A $ — площадь поперечного сечения провода в цепи, а $ V_e $ — скорость электронов)


Теперь вернемся к напряжению и к вашему первоначальному вопросу.Я сказал, что мы не собираемся вдаваться в подробности того, как работает батарея, но есть одна вещь, которую вы должны принять: по какой-то причине (электрохимическая) или по другой, когда вы покупаете батарею, она не приходит. с «рейтингом электрического поля», который говорит вам, какое большое электрическое поле он создаст при использовании для питания цепи. Нет! Аккумуляторы поставляются с указанным им НАПРЯЖЕНИЕ ! Они поставляются с указанной разностью потенциалов между положительной и отрицательной клеммами !!!

(Исходя из формулировки вашего вопроса, я предлагаю вам попытаться понять напряжение в контексте электростатики и электрических полей, прежде чем пытаться понять закон Ома, и прекратите читать мой ответ здесь.Но после того, как вы разобрались с напряжением, я все равно продолжу!)


Давайте посмотрим, что означает тот факт, что батареи поставляются с заданной разностью потенциалов между положительной и отрицательной клеммами.

Помните, что напряжение — это произведение скалярного произведения электрического поля, толкающего электроны, на расстояние, на которое перемещаются электроны ($ V = \ int [\ vec {E} \ cdot dr] $):

  1. Допустим, у нас есть провод, и мы соединяем им положительную и отрицательную клеммы аккумулятора.Этот провод не обладает идеальной проводимостью, поэтому мы не закорачиваем цепь.

    * (На этом этапе вы, вероятно, сердитесь на тот факт, что я сказал «… не идеально проводящий …», чтобы не сказать «… провод имеет сопротивление …»

    Relax — вы можете понять термин «не идеально проводящий», не понимая «сопротивление».

    Я говорю, что провод не идеально проводящий, означает, что в материале, из которого состоит провод, есть что-то, что сопротивляется движению электронов через него — например, песок в трубе сопротивляется потоку воды по трубе.

    Из-за этого, чтобы провод мог проводить электричество, батарея должна создавать электрическое поле по всему проводу. Если бы провод был идеально проводящим (на самом деле «сверхпроводящий» — правильный термин), то даже без электрического поля, толкающего их вперед, электроны могли бы двигаться по проводу ДЕЙСТВИТЕЛЬНО БЫСТРО И НАВСЕГДА. Попытки создать сверхпроводящие электрические компоненты — одна из тех вещей, которыми одержимо занимается нынешнее поколение физиков.) *

    Верно, мы соединяем положительный и отрицательный полюсы батареи этим проводом, и батарея создает электрическое поле внутри провода, которое заставляет электроны начать движение от отрицательного полюса батареи к положительному.

    Электрическое поле указывает в направлении провода (почему это так, почему электрическое поле в проводе указывает вдоль направления провода, поищите его на Stack-Exchange. Я помню, что некоторое время видел несколько действительно хороших ответов назад) , что означает, что напряжение будет просто произведением величины электрического поля, протекающего через провод, и длины провода.

    Но помните: электрическое поле не было тем, с чем батарея была настроена как постоянная — по той или иной причине батарея имеет фиксированное напряжение , разница между положительной и отрицательной клеммами.

    Итак, допустим, мы должны были удвоить длину провода. Чтобы напряжение оставалось неизменным, электрическое поле через провод делится на 2 доллара. А поскольку электрическое поле было приблизительно пропорционально скорости электронов в проводе, скорость электронов также была бы разделена на $ 2 $.Это означает, что ток тоже разделится на 2 доллара.

    Мы только что обнаружили нашу первую взаимосвязь: для определенного напряжения (которое я не могу достаточно подчеркнуть, это то, что ИСПРАВЛЕНО в цепи из-за того, как работает батарея) , вызванное некоторой батареей в какой-либо цепи, Ток обратно пропорционален длине провода, но прямо пропорционален напряжению, поскольку напряжение было прямо пропорционально электрическому полю, создаваемому внутри провода.

    $ I \ propto \ frac {V} {L}

    $
  2. Теперь предположим, что мы должны удвоить площадь поперечного сечения этого провода. Еще раз помните, что фиксировано напряжение батареи, которое создается электрическим полем, которое батарея генерирует в проводе, умноженное на длину провода.

    Поскольку длина провода не изменилась, электрическое поле в этом проводе тоже не изменится. Это означает, что скорость электронов, движущихся в этом проводе, также не изменится.

    Однако, возвращаясь к определению тока, мы увидели, что он пропорционален скорости электронов и площади поперечного сечения, через которую они проходят!

    Это означает, что если мы удвоим площадь поперечного сечения провода, ток (количество заряда, протекающего через эту область) также должен удвоиться. Аааи, мы обнаружили нашу вторую взаимосвязь: ток пропорционален площади поперечного сечения провода.

    $ I \ propto AV $ (где $ A $ — площадь поперечного сечения, и снова ток пропорционален напряжению $ V $, потому что напряжение пропорционально электрическому полю, создаваемому внутри провода, которое пропорционально к скорости электронов.Я знаю, что часто повторяюсь, но чувствую, что это поможет. Если повторение раздражает, скажите мне, и я отредактирую этот пост).

  3. Осталось еще одно отношение.

    Помните, я сказал, что материал, из которого изготовлен провод, не является «идеально проводящим», поэтому для прохождения электронов внутри провода требовалось создать электрическое поле некоторой значительной величины? Что ж, на самом деле есть способ измерить, насколько «идеально проводящий» этот провод — насколько он сопротивляется потоку электронов через него.Это называется «удельным сопротивлением» материала. Мы не будем вдаваться в подробности того, что заставляет материалы иметь большее или меньшее удельное сопротивление, но лучше всего думать об этом так, что чем выше удельное сопротивление материала, тем сильнее его атомы держатся за свои электроны.

    Это означает, что чем выше удельное сопротивление, тем большее электрическое поле необходимо для того, чтобы электроны с определенной скоростью перемещались по проволоке. Если два провода идентичны по форме, но материал, из которого изготовлен второй провод, имеет удельное сопротивление, в два раза превышающее удельное сопротивление материала, составляющего первый провод, то для того, чтобы вызвать такой же ток через второй провод, что и через первый провод, нам понадобится электрическое поле вдвое большей величины через второй провод.

    Удельное сопротивление материала обычно обозначают $ \ rho $

    .

    Итак, мы обнаружили нашу третью связь:

    $ I \ propto \ frac {V} {\ rho} $.

Давайте теперь объединим три отношения. Нас:

$ I \ propto \ frac {V} {L}

$

$ I \ propto AV $

$ I \ propto \ frac {V} {\ rho l}

$

Объединяя их все в одно …

$ I = \ frac {AV} {\ rho l}

$

Так вот, все Ом (или кто бы то ни было изобрел понятие сопротивления) дали термину $ \ frac {\ rho l} {A} $ имя.Он назвал это СОПРОТИВЛЕНИЕ провода.

$ R = \ frac {\ rho l} {A}

$

Таким образом, ток в проводе равен:

$ I = \ frac {V} {R}

$

Что соответствует формулировке вашего первоначального вопроса. УРА!!!!

Надеюсь, что это помогло :). Пожалуйста, предлагайте правки и комментируйте, если что-то непонятно !!!! Я отредактирую этот ответ сколько угодно — примерно через 40 минут написания, я действительно привязан к нему !!!

Удачи в ваших начинаниях с электричеством!

Как это помогает контролировать ток нагрузки

Использование преобразователя напряжения в ток может помочь контролировать ток нагрузки.Многие электронные устройства делают упор на напряжение выше тока, поэтому так много источников напряжения имеют стабильные напряжения. Но иногда необходимо предпринять шаги для отражения источников, показанных на теоретических принципиальных схемах. Вот способы в достаточной степени контролировать ток нагрузки с помощью преобразователя напряжения.

Соотношение тока и напряжения

На величину тока в нагрузке влияет амплитуда приложенного напряжения, а также свойства тока и напряжения нагрузки. Сопротивление определяет соотношение между током и напряжением в типичной резистивной нагрузке.Ток измеряется путем деления напряжения на сопротивление, поскольку изменения сопротивления нагрузки пропорционально влияют на изменения тока нагрузки.

В ситуациях, когда оператор решает указать ток, необходимо использовать преобразователь напряжения в ток (VCC), который также действует как источник тока, управляемый напряжением. Этот преобразователь напряжения позволяет пользователям генерировать ток, который полностью зависит от входного напряжения.

Когда использовать преобразователи

VCC пригодится при работе со светодиодами (LED).Поскольку светодиод имеет нелинейные вольт-амперные характеристики, напряжение не всегда приравнивается к яркости светодиодов, которая определяется током. Конфигурация схемы будет определять степень, в которой сигнал напряжения будет точно контролировать ток через компонент нагрузки. Ключ в том, чтобы использовать конфигурацию, которая допускает дифференциальные входные напряжения.

Операционный усилитель (также известный как операционный усилитель) может использоваться для генерации выходного напряжения, намного превышающего напряжение на входных клеммах.Операционный усилитель связан по постоянному току и включает в себя дифференциальный вход и, как правило, несимметричный выход. Операционные усилители можно использовать в качестве строительных блоков для создания схем. Они работают как регуляторы тока и напряжения, а также для следующих приложений:

  • Предварительные усилители звуковой частоты
  • фильтры
  • прецизионные выпрямители
  • аналоговые калькуляторы
  • генераторы и генераторы сигналов

Основным преимуществом операционных усилителей является то, что их можно использовать для управления цепями с внешними компонентами.Имейте в виду, что не все операционные усилители имеют входы Rail-to-Rail.

Allied Components International

Allied Components International специализируется на разработке и производстве широкого спектра стандартных магнитных компонентов и модулей, таких как индукторы для микросхем, магнитные индукторы на заказ и трансформаторы на заказ. Мы стремимся предоставлять нашим клиентам продукцию высокого качества, обеспечивать своевременные поставки и предлагать конкурентоспособные цены.

Мы — растущее предприятие в магнитной промышленности с более чем 20-летним опытом.

Fsect4.PDF

% PDF-1.6 % 3 0 obj > эндобдж 105 0 объект [/ CalGray>] эндобдж 106 0 объект [/ CalRGB>] эндобдж 107 0 объект > поток application / pdf

  • Неизвестно
  • Fsect4.PDF
  • Среда, 29 июля 1998 г. 1:01:09 PMAcrobat PDFWriter 3.0 для Windows Microsoft Word 2012-06-12T12: 48: 12-04: 002012-06-12T12: 48: 12-04: 00uuid: 57a21a6c-d787-4a74-b8c2-8c4e46d02a7auuid: 4b87336f-6f39-4491-86ec-995b34114f63 конечный поток эндобдж 108 0 объект > эндобдж 104 0 объект > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 44 0 объект > эндобдж 65 0 объект > эндобдж 84 0 объект > эндобдж 83 0 объект > / Тип / Страница >> эндобдж 88 0 объект > / ProcSet 2 0 R >> / Тип / Страница >> эндобдж 91 0 объект > / ProcSet 2 0 R >> / Тип / Страница >> эндобдж 92 0 объект > поток ѐ`.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *