Преобразование ток напряжение на резисторе

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 i_вх протекая через резистор R вызывает на нем падение напряжение U_вых. Величина этого напряжения прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:

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 i_вх 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 R_Н напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент усиления схемы в, таком случае, имеет размерность сопротивления. Что еще раз объясняет советское название усилитель-преобразователь сопротивления:

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:

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:

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

Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название — АудиоГик. Материалы этого сайта — личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали 🙂

Здравствуйте, Андрей!
Спасибо за полезную информацию!
Хочу воспользоваться Вашим советом, однако меня гложет одно сомнение. Насколько правильно использовать преобразователь ток-напряжения (ТИ) для трансформатора тока (ТТ)? ТТ требуется обязательно сопротивление нагрузки. В теории ТИ обладает нулевым входным сопротивлением. Или я заблуждаюсь? Не корите строго в схемотехнике я не силен. 🙂

Здравствуйте Владимир!
Честно говоря с трансформаторами тока не работал, но слегка по-гуглил.
Во первых — у Вас переменный или постоянный ток?
Во вторых да, преобразователь ток-напряжение в идеале имеет нулевое входное сопротивление. Для преобразования можете воспользоваться резистором, а уже с него снимать напряжение тем же неинвертирующим усилителем на ОУ, такое было показано в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом.
Если у вас переменный ток, то для измерений требуется его сначала выпрямить, для этого можно воспользоваться активным выпрямителем.

Андрей, спасибо за ответ!
Я перечитал, и взял на вооружение все Ваши подходящие мне статьи.
Кроме того просмотрел, И Хоровица с нашим дорогим Хиллом :), и Титце с Шенком тоже, и Достала, который Иржи, а также Пейна. Складывается впечатление, что противоречий нет. Но и уверенности тоже нет. Сказывается отсутствие знаний в теории цепей и практической схемотехнике. Видно надо макетировать и пробовать. Как говорят теоретики — практика критерий истины. 🙂
Ток конечно же переменный.
Изначально я так и хотел, нагрузить вторичку сопротивлением (ТТ требует обязательную нагрузку), но потом наткнулся на статью, где утверждалось, что все современные измерители с ТТ используют преобразователи ток-напряжение, ну и загорелся!
Еще раз спасибо!

Андрей! Доброе время суток! Хочу сказать пару слов по теме — схема с n-p-n фототранзистором (Ik=1…2.ma, Vcc= +/- 12V) вполне работоспособна. Эксперименты по её применению в ИК-датчике показали следующее:
частотный диапазон 0-3,0 кГц ( выше просто не проверял, т.к. не надо)
неравномерность АЧХ в полосе 20 Гц-3,0 кГц — менее 0,5 дБ
коэфф. нелинейных искажений — менее 3% (может и меньше, надо уточнить с генератором тестового сигнала, а я проверял на вибростенде, у которого своих искажений хватает)
амплитуда — 3,0 В и более.
ИМС ОУ проверялись разные — от LM358 до малошумящих
Тема интересная.
Удачи

Здравствуйте! спасибо за столь подробный комментарий!
Рад что у Вас получились интересные результаты. Вообще схемку я позаимствовал У Хоровиц и Хилла. Сам когда-то ее собирал) Правда так глубоко не копал ее характеристики, ибо не требовалось)
Извиняюсь, что так долго отвечал, готовился к защите магистерской диссертации)

Источник

Преобразование ток напряжение на резисторе

Операционные усилители. Часть 2.

Автор:
Опубликовано 24.02.2006

Итак, в первой части мы познакомились с двумя очень полезными схемами на операционных усилителях — инвертирующим и неинвертирующим усилителем. Теперь поговорим, о других схемах, которые можно реализовать на этих усилителях.

Итак, ставим себе задачу — измерить ток в разрыве какой-нибудь цепи, причем сразу оговоримся, что речь идет о токах 1мкА и меньше, поскольку в этом случае обычный тестер нельзя будет использовать, у него не хватит разрешающей способности. У моего рабочего Mastech M890C минимальный предел это 2 мА, что означает, что меньше чем 10 мкА он просто не регистрирует. Поэтому надо что-то делать. Как будем действовать? Думать, вспоминать закон Ома и соображать. Так уж повелось, что все измерительные приборы, которыми мы пользуемся в последнее время весьма охотно измерят напряжение, а ток меряют только после какого-нибудь преобразования тока в напряжения. Может я плохо информирован, но о токовых АЦП я не слышал, а АЦП, которые измеряют напряжение стоят повсюду. Поэтому будем преобразовывать ток в напряжение.

Простейшим преобразователем тока в напряжение является обыкновенный резистор. Напряжение на нем по закону Ома равно произведению тока на сопротивление. Итого, если мы пропустим ток в 1 мкА через резистор в 1кОм, то напряжение на нем составит 1мкА*1кОм=1мВ. Мало, АЦП не зарегистрирует, нужно усиливать. Ну тогда можно применить одну из схем, которые мы изучили в предыдущей части нашего повествования. Например, схему неинвертирующего усилителя. Получилось у нас ровно то, что изображено на рисунке. Какие недостатки у этой схемы? Ну один просто очевиден — падение напряжения на таком измерителе будет зависеть от тока, протекающего в цепи, что может исказить реальное значение тока. Ну и высокое входное сопротивление прибора, а поскольку амперметр должен иметь низкое входное сопротивление, то что-то нам подсказывает, что эта схема не очень хорошо будет работать. Хотя оговоримся сразу же — для больших токов эта схема замечательно работает, особенно потому, что при больших токах существенными становятся процессы тепловыделения, а поэтому количество элементов, через которые протекает большой ток следует уменьшить.

Ну да ладно, лирическое отступление закончили, принялись сочинять схему, которая была бы свободна от этих недостатков. А что будет если взять схему инвертирующего усилителя (кто не помнит, то см. первую часть), выкинуть из неё входной резистор (кто не понял, это который R2), выкинуть источник входного напряжения, а вместо него подвести к инвертирующему входу измеряемый ток, что будет. Правильно, на выходе будет напряжение -IизмR1. Не забыли почему минус. Молодцы. Итак, что мы видим, мы преобразовали входной ток в напряжение на выходе, но между входами у нас 0В при любом входном токе, при котором выходное напряжение не достигает напряжения питания(ну не может больше операционный усилитель выдать на выходе, а поэтому ограничен диапазон токов, которые можно измерять). Тогда, опять таки если мы возьмем входной ток в 1мкА, а сопротивление R1 в 1МОм, то напряжение на выходе составит -1В. Хм, а это уже легко измеряется любым вольтметром, хоть тестером, хоть каким-нибудь В7-35, который я использую для разных своих дел. Вот как все замечательно. Осталось только разобрать один очень интересный вопрос, который называется Т-цепочка. Что это такое, давайте представим себе такую ситуацию — вы идете в магазин, а там нет резистора 1МОм, есть только 100 кОм и меньше.

Вот блин засада, нужно ставить второй операционник и усиливать сигнал по напряжению. В принципе вариант, но можно поступить хитрее. И использовать вот такую схему.

Спрашивается, какое напряжение будет на выходе? Ну если вы усвоили два правила работы с операционными усилителями и закон Ома(его то я надеюсь вы помните), то вам нетрудно будет понять, что напряжение на выходе составит -IвхR1(1+R2/R3). А это значит, что если мы хотим получить коэффициент преобразования порядка 107 В/А, то нам нужны сопротивления R1=100кОм, R2=99кОм, R3=1кОм. А уж такие сопротивления вы легко найдете в магазине, или в собственной коллекции. А для чего нужны такие большие коэффициенты преобразования — для измерения токов порядка 1 нА и меньше, но об этом мы поговорим в другой статье, в которой я расскажу о том, как спроектировать наноамперметр или гигаомметр, в зависимости от того, что вам нужно. А в следующей части нашей беседы об операционных усилителях мы поговорим о генераторах и фильтрах на базе операционных усилителей.

Источник

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)

Источник