Электроника:Полупроводники/Операционные усилители/Преобразование сигнала напряжения в сигнал тока

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Преобразование сигнала напряжения в сигнал тока[1]

В измерительных схемах сигналы постоянного тока часто используются как аналоговые представления физических измерений, таких как температура, давление, расход, вес и перемещение. Чаще всего в качестве сигнала предпочтительнее постоянный ток, чем постоянное напряжение, ибо сигналы тока точно равны по величине во всем контуре последовательной цепи, когда ток течёт от источника (измерительного устройства) к нагрузке (индикатору, самописцу или контроллеру). В то время как сигнал напряжения в параллельной цепи может меняться от одного участка цепи к другому из-за резистивных потерь в проводах. Кроме того, токочувствительные инструменты обычно имеют низкие импедансы (в то время как датчики напряжения имеют высокие импедансы), что даёт токочувствительным инструментам бо́льшую устойчивость к электрическим помехам.

Чтобы использовать ток в качестве аналогового представления физической величины, у нас должен быть какой-то способ генерировать точное количество 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 заданного значения тока, 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:

Рис. 1. Преобразователь напряжения в ток на операционном усилителе.
Рис. 1. Преобразователь напряжения в ток на операционном усилителе.

Предполагается, что входное напряжение в этой цепи поступает от некоторого типа физического преобразователя/усилителя, откалиброванного для получения 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 напряжение 5 вольт, что приведёт к силе тока 20 мА в цепи большого контура (с RНагрузка). Не суть важно, какое значение сопротивления RНагрузка или какое сопротивление проводов присутствует в этом большом контуре, если операционный усилитель имеет достаточно высокое напряжение источника питания для вывода напряжения, необходимого для прохождения 20 мА через RНагрузка. 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 древний, устаревший стандарт для промышленных приборов), мы бы вместо этого использовали прецизионный резистор на 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. Это та же единица измерения, которая используется для выражения проводимости (математическая величина, обратная сопротивлению: ток, делённый на напряжение). В этой схеме коэффициент крутизны фиксируется величиной резистора 250 Ом, что даёт линейную зависимость выходного тока от входного напряжения.

Итог

  • 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 подключённой цепи может изменяться от одного участка цепи к другому из-за сопротивления проводов, что делает токовые сигналы более точными от «передающего» к «принимающему» прибору.
  • Сигналы напряжения относительно легко генерировать непосредственно от преобразователей, тогда как про точные сигналы тока этого не скажешь. 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 в цепи.

См.также

Внешние ссылки