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

Как работает преобразователь ток-напряжение. Какие существуют схемы преобразователей ток-напряжение. Где применяются преобразователи ток-напряжение в электронике. Каковы преимущества использования преобразователей ток-напряжение.

Принцип работы преобразователя ток-напряжение

Преобразователь ток-напряжение — это электронная схема, которая преобразует входной ток в пропорциональное выходное напряжение. Основным элементом такого преобразователя обычно является операционный усилитель (ОУ).

Принцип работы преобразователя ток-напряжение заключается в следующем:

• Входной ток подается на инвертирующий вход ОУ.
• В цепи отрицательной обратной связи ОУ включен резистор.
• ОУ поддерживает на инвертирующем входе потенциал, близкий к нулю (виртуальная земля).
• Входной ток протекает через резистор обратной связи, создавая на нем падение напряжения.
• Это напряжение появляется на выходе ОУ и пропорционально входному току.

Таким образом, преобразователь ток-напряжение фактически преобразует входной ток в эквивалентное падение напряжения на резисторе обратной связи.

Основные схемы преобразователей ток-напряжение

Существует несколько базовых схем преобразователей ток-напряжение на основе операционных усилителей:

1. Простой преобразователь на одном ОУ

Это наиболее распространенная схема, содержащая один ОУ и резистор обратной связи. Выходное напряжение определяется как:

Vout = -Iin * Rf

где Iin — входной ток, Rf — сопротивление резистора обратной связи.

2. Преобразователь с дополнительным резистором смещения

В эту схему добавлен резистор, подключенный к неинвертирующему входу ОУ. Это позволяет сместить выходное напряжение и расширить динамический диапазон.

3. Дифференциальный преобразователь

Использует два входных тока и позволяет измерять их разность. Применяется для подавления синфазных помех.

4. Преобразователь с компенсацией входного тока смещения ОУ

Содержит дополнительные элементы для минимизации влияния входных токов смещения ОУ, что повышает точность преобразования.

Применение преобразователей ток-напряжение в электронике

Преобразователи ток-напряжение находят широкое применение в различных областях электроники и измерительной техники:

Фотоэлектрические измерения

Преобразователи ток-напряжение часто используются с фотодиодами и фотоумножителями для измерения интенсивности света. Фотодетекторы генерируют ток, пропорциональный падающему световому потоку. Преобразователь преобразует этот ток в напряжение, которое легко измерить.

Измерение малых токов

Преобразователи позволяют измерять очень малые токи (вплоть до пикоампер) путем их преобразования в легко измеримое напряжение. Это важно в таких областях, как электрохимия и измерение токов утечки.

Датчики на основе эффекта Холла

Датчики Холла выдают ток, пропорциональный измеряемому магнитному полю. Преобразователь ток-напряжение позволяет получить удобный для дальнейшей обработки выходной сигнал.

Аналого-цифровое преобразование

Многие АЦП работают с входным напряжением. Преобразователь ток-напряжение позволяет подключать к таким АЦП источники токового сигнала.

Преимущества использования преобразователей ток-напряжение

Применение преобразователей ток-напряжение дает ряд важных преимуществ:

• Возможность измерения очень малых токов
• Высокая линейность преобразования
• Низкий входной импеданс (виртуальное заземление)
• Широкий динамический диапазон
• Простота изменения коэффициента преобразования
• Возможность работы с заземленными источниками тока

Эти преимущества делают преобразователи ток-напряжение незаменимыми во многих приложениях современной электроники.

Особенности проектирования преобразователей ток-напряжение

При разработке преобразователей ток-напряжение необходимо учитывать ряд важных факторов:

Выбор операционного усилителя

Ключевые параметры ОУ для преобразователя ток-напряжение:

• Низкий входной ток смещения
• Низкий входной шум
• Высокий коэффициент усиления
• Достаточная скорость нарастания выходного сигнала

Для измерения очень малых токов могут потребоваться специализированные ОУ с ультранизкими входными токами.

Расчет резистора обратной связи

Сопротивление резистора обратной связи определяет коэффициент преобразования. При его выборе нужно учитывать:

• Диапазон входных токов
• Требуемый диапазон выходных напряжений
• Допустимый уровень шума

Слишком большое сопротивление может привести к увеличению шума и нестабильности схемы.

Компенсация паразитных емкостей

Паразитные емкости могут вызвать колебания в схеме преобразователя. Для их подавления часто применяют:

• Небольшой конденсатор параллельно резистору обратной связи
• Защитное экранирование входной цепи
• Оптимизацию топологии печатной платы

Современные тенденции в развитии преобразователей ток-напряжение

В настоящее время наблюдаются следующие тенденции в области преобразователей ток-напряжение:

Интеграция в специализированные микросхемы

Многие производители выпускают интегральные преобразователи ток-напряжение, содержащие прецизионный ОУ и точные резисторы. Это упрощает разработку и повышает точность.

Цифровая калибровка

Применение микроконтроллеров позволяет реализовать цифровую калибровку преобразователей, компенсируя погрешности и дрейф параметров.

Многоканальные преобразователи

Разрабатываются микросхемы, содержащие несколько независимых каналов преобразования ток-напряжение. Это важно для многоканальных измерительных систем.

Сверхмалое энергопотребление

Новые разработки направлены на создание преобразователей с крайне низким потреблением для применения в автономных и носимых устройствах.

Заключение

Преобразователи ток-напряжение являются важным элементом современной аналоговой электроники. Они позволяют эффективно измерять малые токи и играют ключевую роль во многих датчиках и измерительных системах. Понимание принципов работы и особенностей проектирования преобразователей ток-напряжение необходимо для создания высокоточной электронной аппаратуры.

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

7.4 Преобразователь напряжение — ток

Преобразователи напряжения в ток (U/I) нашли широкое применение при передаче информации в аналоговом виде на значительные расстояния. Большинство измерительных устройств, применяемых при автоматизации нефтяной промышленности, имеют токовый выход. Преобразователи U/I являются практически идеальными источниками тока. Значение тока, несущего информацию о некоторой физической величине (давление, температура, уровень), не зависит от сопротивления линии связи (в некоторых пределах), что позволяет исключить ее влияние.

Один из вариантов преобразователя построен на основе инвертирующей схемы, где взамен резистора включена нагрузка(рисунок 7.5).

Рисунок 7.5 — Инвертирующий преобразователь напряжение – ток

Функцию преобразования легко получить из следующих выражений

. (7.28)

В этой схеме реализована отрицательная обратная связь по току, это обстоятельство обеспечивает большое выходное сопротивление преобразователя

. (7.29)

Поэтому изменение сопротивления нагрузки в широких пределах не влияет на значения тока . Однако, возможное изменение сопротивления нагрузки не беспредельное. Следует учесть, что ток в нагрузке поддерживается за счет напряжения, которое не может быть больше, чем. Отсюда следует, что максимальное сопротивление, которое можно включить в нагрузку без изменения функции преобразования равно

. (7.30)

Недостаток этой схемы – малое входное сопротивление , который устраняется в схеме преобразователя, построенного на основе неинвертирующего включения ОУ (рисунок 7.6).

Рисунок 7.6 — Неинвертирующий преобразователь напряжение – ток

В этой схеме введена последовательная отрицательная обратная связь по току, что и обеспечивает большое входное сопротивление. Преобразователь имеет потенциальный вход и не нагружает источник сигнала, который может иметь большое входное сопротивление.

Функцию преобразования можно получить из следующих уравнений

, (7. 31)

. (7.32)

Достаточно часто требуется обеспечить передачу большого тока на значительное расстояние, для этого можно применить более мощный ОУ или добавить умощняющий транзистор (рисунок 7.7).

Рисунок 7.7 — Преобразователь напряжение – ток

с умощняющим транзистором

В этой схеме , но токбольше тока нагрузки на ток базы, который может быть не стабильным. Для исключения этого эффекта биполярный транзистор заменяют полевым транзистором с изолированным каналом. У него токи стока и истока всегда одинаковы.

При измерении тока важно, чтобы входное сопротивление прибора, включаемого в цепь было близким к нулю и не влияло на режим работы цепи. Таким свойством обладает преобразователь ток – напряжение (рисунок 7.8). Преобразователь имеет токовый вход и потенциальный выход. Этот вывод можно сделать, определив вид, способ введения и способ снятия обратной связи.

Рисунок 7.8 — Преобразователь ток – напряжение

В преобразователе реализована отрицательная обратная связь по напряжению с параллельным способом введения.

Ток , втекающий в точкуa равен току. Ток, проходящий через резистор, равен нулю, т.к. напряжение, приложенное к резистору, равно нулю. Токравен току, а ток=0 из условия идеальности ОУ.

Выходное напряжение равно

. .33)

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

. (7.34)

Преобразователь тока 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, т. е. 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.

 

Как это помогает контролировать ток нагрузки

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

Содержание

Что такое напряжение для преобразователя тока?

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

Как работает преобразователь напряжения в ток?

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

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

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

Зависимость между током и напряжением

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

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

Входное напряжение схемы равно VCC. Выходное напряжение равно VOUT.

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

Когда использовать преобразователь напряжения в ток?

В различных ситуациях может потребоваться использование преобразователя напряжения в ток.

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

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

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

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

-Операционные усилители: Операционный усилитель часто используется в усилительной схеме. Выходной ток операционного усилителя определяется напряжением на его входе. Если подать VCC на вход операционного усилителя, выходной ток его будет равен IOUT.

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

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

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

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

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

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

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

Как купить преобразователь напряжения в ток?

Перед покупкой преобразователя напряжения в ток необходимо учитывать следующие факторы.

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