Преобразователь напряжение-ток с точно устанавливаемой зоной нечувствительности. Преобразователь тока в напряжение на оу Схема преобразования тока в напряжение

Преобразователи ток-напряжение предназначены для работы с источниками тока. Идеальный источник тока имеет бесконечное выходное сопротивление, а его выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки. Примером таких источников могут служить фотоэлемен­ты: фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители. Их выходное сопротивление очень велико (хотя и имеет ко­нечное значение), поэтому чем меньше сопротивление нагрузки, тем в большей степени они работают как ис­точники тока. Использование фотоэлементов в режиме источника тока улучшает линейность световой характе­ристики, обеспечивает более высокое быстродействие, повышает стабильность параметров во времени и при эксплуатации.

Функцию преобразования ток-напряжение успешно выполняет инвертирующий усилитель, у которого сопро­тивление входного резистора равно нулю (рис. 25, а). При таком включении входное сопротивление схемы

Для современных операционных усилителей, имею­щих коэффициент усиления Л порядка нескольких десят­ков тысяч, входное сопротивление преобразователя ток- напряжение составляет от долей до нескольких ом в за­висимости от величины сопротивления резистора обрат­ной СВЯЗИ Roc-

Рис. 25. Схема преобразователя ток-напряжение

Выходное напряжение преобразователя ток-напря­жение пропорционально входному току / (ток источни­ка), умноженному на сопротивление резистора обратной

Для повышения разрешающей способности преобра­зователя ток-напряжение необходимо, чтобы сигналь­ный ток превышал значение входного тока операционно­го усилителя. Поэтому при измерении малых токов сле­дует применять операционные усилители с наименьшими входными токами (усилители с полевыми транзисторами на входе).

На рис. 25, б показана схема преобразователя ток-напряжение в паре с фотодиодом. При таком включении повышается быстродействие фотодиода, поскольку иск­лючается влияние его собственной емкости за счет того, что он работает на очень низкоомную нагрузку.

Емкость фотодиода не определяет частотную характепистику непосредственно схемы. Эта характеристика определяется сопротивлением резистора обратной связи и проходной емкостью операционного усилителя, поэто­му дая получения максимальной ширины частотной ха­рактеристики, верхняя граница которой ограничена час­тотной характеристикой самого ОУ, необходимо умень­шать сопротивление резистора обратной связи.

Нужно учитывать, что емкость фотодиода оказывает существенное воздействие на спектральную плотность шума На частотах, при которых емкостная составляю­щая полного сопротивления фотодиода становится мень­ше полного сопротивления обратной связи, происходит возрастание напряжения. Скорость возрастания зависит от соотношения между уровнем шума на входе операци­онного усилителя, уровнем шума фотодиода и шумовым сопротивлением резистора обратной связи. Дляумень-шення шумового напряжения резистор обратной связи шунтируется емкостью. Уменьшение сопротивления на­грузки для источника тока позволяет также повысить линейность световой характеристики.

Сигнальный ток фотодиода пропорционален освещен­ности Е и интегральной чувствительности фотодиода S.

Тогда выходное напряжение схемы будет равно

Важным преимуществом схемы является то, что при изменении сопротивления резистора обратной связи Яос от сотен ом до нескольких мегаом можно измерять освещенности, отличающиеся в сотни тысяч раз.

Включение фотодиода в фотогальваническом режиме (без напряжения смещения) на низкоомную нагрузку (рис. 25, б) уменьшает температурный коэффициент ин­тегральной чувствительности.

Еще одно достоинство такого включения - отсутствие темнового тока, что особенно важно в случае гальвани­ческой связи с последующими каскадами при измерении непрерывных световых потоков.

При измерении переменных (мудулированных) свето­вых потоков и емкостной связи с последующими каска­дами используется схема, приведенная на рис. А в. в которой фотодиод включен со смещением. В этом

случае снижается емкость и увеличивается интегральная чувствительность фотодиода, но появляется темновой ток фотодиода /фт, который очень сильно зависит от темпе­ратуры.

Погрешность преобразователя ток-напряжение так­же определяется параметрами самого операционного

Рнс. 26. Преобразователь тока фотодиода в напряжение с входным каскадом на полевых транзисторах

усилителя. Она обусловлена напряжением смещения, входным током и их дрейфами. Коэффициент усиления преобразователя ток-напряжение для напряжения сме­щения и шумовых напряжений определяется выражением

(так как где /?ф - внутреннее сопротивление фотодиода.

Выходное напряжение ОУ за счет его погрешностей будет равно

Если нет операционного усилителя с малыми входны­ми токами, можно использовать схему с дополнительны­ми полевыми транзисторами на входе (рис. 26). Резистор R2 служит для балансировки выходного напряжения.

Конденсатор СЗ предназначен для уменьшения выходно­го шумового напряжения.

рис. 27. Фотореле

На рис. 27 представлена схема фотореле, в котором фотодиод включен на иеин-вертирующий вход. Эта схе­ма пригодна для работы только на низких частотах, так как фотодиод генерирует ток всего в несколько микро­ампер, а для получения не­обходимого выходного на­пряжения, которое опрсделяется выражением

сопротивление резистора R2 и коэффициент передачи кас­када, равный 1 + , должны быть достаточно большими.

При увеличении сопротивления резистора R2 емкость фо­тодиода будет значительно ограничивать частотную ха­рактеристику каскада, а при увеличении коэффициента усиления значительно увеличивается влияние входных погрешностей операционного усилителя.

постоянным ток стабилитрона независимо от тока нагрузки, значительно уменьшить выходное сопро­тивление и увеличить ток нагрузки, а также регулиро­вать выходное напряжение опорного источника в широ­ких пределах.

На рис. 28, а показана схема однополярного источни­ка опорного напряжения, обеспечивающего выходное напряжение, величина которого выше напряжения ста­билизации стабилитрона и может регулироваться в пре­делах от 10 до 25 В. В этой схеме операционный усили­тель работает от одного источника питания +30 В. От­рицательный вывод источника питания заземлен, а па неинвертируюший вход ОУ подано смещение от стаби­литрона. На выходе операционного усилителя включен эмиттерный повторитель на транзисторе V3 для увели­чения выходного тока источника опорного сигнала. Сиг­нал обратной связи, подаваемый на инвертирующий вход ОУ, снимается с делителя (резисторы R4 -R6). Из­меняя глубину обратной связи положением движка по­тенциометра (резистор R4), можно регулировать выход­ное напряжение. Максимальная величина выходного нап­ряжения ограничена напряжением насыщения транзис­тора V3 и диапазоном выходного напряжения ОУ. Минимальная величина выходного напряжения источника опорного напряжения ограничивается допустимым син­фазным напряжением на входе ОУ и элементами дели­теля R4 -R6. Резистор R7 защищает выход операцион­ного усилителя от короткого замыкания. Транзистор V2

предназначен для защиты транзистора V3 при бросках тока, превышающих силу выходного тока источника опорного напряжения. Допустимая сила тока перегрузки устанавливается резистором R8. При силе тока нагрузки, превышающей допустимую, на резисторе R8 создается падение напряжения, достаточное для открытия транзис­тора V2, который ограничивает базовый ток транзистора V3. Для обеспечения нормальной работы источника опор­ного напряжения транзистор V3 должен иметь стати­ческий коэффициент усиления тока базы не менее 50- 100. Сила выходного тока источника опорного напряже­ния 100 мА.

В тех случаях, когда необходимо получать биполяр­ные напряжения, симметричные относительно земли, мо­жет быть использована схема, показанная на рис. 28, б. В этой схеме оба выхода обеспечивают симметричное относительно земли напряжение, величина которого оп­ределяется напряжением стабилизации одного стаби­литрона V3. Поскольку напряжение на стабилитроне формируется при помощи операционных усилителей, он изолирован от изменений источника питания. Ток стаби­лизации определяется только напряжением стабилизации стабилитрона V3 и сопротивлением резистора R4:
Выходное напряжение также не зависит от тока наг­рузки по обоим выходам двухполярного опорного источ­ника. Операционный усилитель Л2 и усилитель тока на транзисторе V4 обеспечивают ток нагрузки по отри­цательному, а ОУ AI и усилитель тока VI по положи­тельному выходам. Отрицательное выходное напряжение равно напряжению стабилизации примененного стабилит­рона: Ывих=«ст. В то же время положительное выходное напряжение определяется отношением резисторов R3 и R5, т. е. может быть усилено или ослаблено относительно напряжения стабилизации стабилитрона V3:

При равенстве сопротивлений резисторов R3 и R5 по­ложительное выходное напряжение равно отрицательному выходному напряжению источника двухполярного напря­жения. В тех случаях, когда не требуются симметричные

Входные и выходные каскады большинства электронных устройств являются источниками или приемниками напряжения. Однако в целом ряде случаев предпочтение отдается токовым сигналам. Токовые сигналы используются в длинных линиях связи распределенных систем управления технологическими процессами, поскольку этот способ обеспечивает хорошую защиту от помех, а сопротивления кабеля и контактных соединений практически не влияют на качество передачи сигнала. С токовым входным сигналом приходится иметь дело, например, в фототранзисторной схеме для измерения освещенности, при измерении тока, потребляемого нагрузкой, и т.д. Токовыми нагрузками являются широко используемые стрелочные измерительные приборы магнитоэлектрической системы.

Преобразователи тока в напряжение (ПТН) и напряжения в ток (ПНТ) используются в различных электронных устройствах и системах, в частности, для согласования каскадов, работающих с потенциальными и токовыми сигналами.

Для измерения малых токов с успехом может использоваться схема, рис. 2.24. Нижняя граница 1Вх составляет доли пикоампера. Согласно правилам 1 и 2 весь входной ток протекает через Roc и, следовательно,

Рис. 2.24. ПТН для малых токов

Коэффициент преобразования:

К _ ^вых _ ~ ^ос к

IBX i | r3kb + Rqc °ci

где К - коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ОУ;

R-экв - эквивалентное сопротивление между входом (-) и землей, включающее в себя сопротивление источника тока и дифференциальное входное сопротивление ОУ. Входное сопротивление:

r _ Roc " ^экв вх Roc+(k + l).R31CB-

Учитывая, что обычно K-Rokb^Roo можно записать

вх ~1 + К* Выходное напряжение смещения:

^см.вых ~ ^сдв + ^см^ос »

где иСдв ~ входное напряжение сдвига; 1см - входной ток смещения.

Минимальное значение измеряемого тока определяется Uceb, 1см и их дрейфами. Поэтому с целью улучшения метрологических характеристик ПТН рекомендуется следующее:

1. При входных токах менее 1 мкА желательно использовать ОУ с полевыми входными транзисторами, имеющими очень малые входные токи.

Необходимо обеспечивать выполнение условия r3kb>>Roc> так как ТЛсдв усиливается схемой в -Roc/R-экв раз*

Погрешность, обусловленную 1см» можно значительно уменьшить, заземлив вход (+) не непосредственно, а через резистор, равный Roc-

Дрейф 11сдв и 1СМ вызывается изменением температуры. Поэтому целесообразно принятие мер по уменьшению нагрева ОУ в схеме ПТН.

В схеме ПТН лучше использовать прецизионные высокостабильные резисторы.

Преобразователи напряжения в ток. В ряде случаев возникает необходимость управлять током нагрузки при помощи входного напряжения. При этом изменение напряжения на нагрузке и колебания ее сопротивления не должны нарушать однозначности зависимости Ih=F(Ubx).

Простейшие ПНТ для незаземленной (плавающей) нагрузки приведены на рис. 2.25.

Согласно правилам 1 и 2 IH=~EBX/RBX для схемы (рис. 2.25,а) и *н -^вх/^вх ~~ Рис- 2.25,6. Входное сопротивление для инвертирующего преобразователя равно RBx> для неинвертирующего - Rbx.-синф» где Rbx-.синф ~ входное сопротивление ОУ для синфазного сигнала.

Максимальный выходной ток ограничивается максимальным выходным напряжением ОУ (напряжением питания) и сопротивлением нагрузки RH. Для схемы рис. 2.25,а н, для схемы

рис. 2.25,6 1выхмах =uhac/(rbx +&н)> где Uhac - выходное напряжение ОУ в режиме насыщения.

Увеличение тока нагрузки может Рис 2.26. ПНТ с увеличенным током быть достигнуто применением тран- нагрузки

зистора, рис. 2.26. Благодаря способности транзистора усиливать ток, 1н может быть в р раз больше максимального выходного тока ОУ (1Н = р!вых)> гп-е Р ~ коэффициент передачи тока транзистора.

Источник тока (рис. 2.27) позволяет вести управление разностью напряжений UBXi -UBX2. Согласно правилу 1 потенциал точки А равен UBxb а потенциал точки Б - UBx2- Таким образом, через резистор R протекает ток, равный (UBX1-UBX2)/R. В соответствии с правилом 2 весь этот ток протекает через нагрузку, поэтому

="j^~(^bxi - ^вхг)-

В рассмотренных схемах ПНТ нагрузка является плавающей (неза-земленной). Однако в ряде случаев требуется, чтобы один полюс нагрузки был заземлен. Две такие схемы для плавающих источников входного сигнала представлены на рис. 2.28. Согласно правилу 1 напряжение на резисторе Ri равно Ubx- Ток нагрузки равен Ubx^R-i-

ПНТ, рис. 2.29, работает на заземленную нагрузку и с заземленным источником входного сигнала.

Рассмотрим схему рис. 2.29,а. Выходное напряжение делится пополам между верхними по схеме резисторами R. Согласно правилу 1 потенциалы обоих входов ОУ равны ивых/2. Следовательно, напряжение на нагрузке также равно иВЫх/2. Ток нагрузки равен:

т _Т 4- т - ~ UH , ^вых ~~ Ан ~ Авх аос _ £ £

ционален управляющему напряже- ~v у п~ <~-" БЬК

нию Еь Все четыре резистора схемы должны быть согласованы (допуск 0,5... 1\%).

Аналогичную зависимость от Е2 имеет ток нагрузки в схеме рис.

2.29,6. Учитывая, что полярность ивых противоположна Е2, напряжение на каждом из верхних по схеме резисторах равно UR = (Е2 + UBbIX)/2, рис. 2.30. Согласно правилу 1

U н = U о - Е 2 = IiIHsbl - Е -UfiHLZll.

Следовательно, иВых=2ин+Е2. Ток нагрузки (рис. 2.29,6) равен:

1н - *ос ^вх

^ r _ (Е2 + UBbIX) т _ Uh _ (^вых Е2)

R" 2R »аток1вх-к- 2R

Окончатель-

ное выражение для тока нагрузки имеет следующий вид:

J _ Е2 + UfiblX Цвых ~ ^2 _ ^2

При подаче двух управляющих напряжений Е{ и Е2 одновременно IH = (Ej - E2)/R, т.е. источник тока управляется дифференциальным сигналом.

Ещё одна схема ПНТ с заземленной нагрузкой и с фиксированным значением выходного тока представлена на рис. 2.31.

Согласно правилу 1 напряжение на резисторе RcT равно напряжению стабилизации стабилитрона VD Uct-Эмиттерный ток транзистора VT 1Э = UCT/RCT . Учитывая, что для транзистора VT 1к~1э> ток нагрузки равен IH = UCT/RCT. Благодаря применению транзистора ток нагрузки может быть в р раз больше максимального выходного тока ОУ 1вых мах, где (3 - коэффициент передачи тока транзистора. Необходимым условием работы источника тока является выполнение неравенства Uh< Un - Uct - икэ нас» где и«;э нас - напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT в режиме насыщения.

Рассмотренная схема не является ПНТ в «чистом виде», поскольку выходной ток 1н задается либо изменением напряжения стабилизации Uct (сменой стабилитрона), либо изменением сопротивления резистора Rcr-

Министерство Образования РФ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра ССОД

Курсовой проект по дисциплине:

«СХЕМОТЕХНИКА»

Преобразователь тока в напряжение

Выполнила: Проверил:

Голдобина Елена Пасынков Ю.А.

Группа: АО-91

Факультет: АВТ

НОВОСИБИРСК-2001

1. Введение

2. Технические данные для проектирования

3. Структурная схема преобразователя

4. Уравнение преобразования

5. Анализ погрешностей

6. Принципиальная схема

7. Расчет инструментальных погрешностей

8. Заключение

9. Список используемой литературы

10. Спецификация элементов

Введение

В настоящее время существуют различные преобразователи физических величин, например: напряжения в ток, сопротивления в постоянное напряжение, частоты в напряжение.

Преобразователи одной величины в другую широко применяются в радиоэлектронике, микроэлектронике и системах сбора и обработки данных. При построении таких преобразователей используются операционные усилители. Это позволяет значительно увеличить выходное сопротивление схемы, тем самым, уменьшив влияние на работу последующих звеньев.

2. Технические данные для проектирования.

а) Основные данные

б) Дополнительные

3. Структурная схема преобразователя.

Схему преобразователя структурно можно представить в следующем виде:

2) – усилитель

I BX – входной ток

U ВЫХ – номинальное напряжение на выходе.

4. Уравнение преобразования тока в напряжение.

Сопротивление R3 равное параллельному соединению R1 и R2 включено в цепь для устранения погрешности от входных токов.

Сопротивление R кор -корректирующее – включено в схему для устранения погрешности от допусков резисторов (R кор = 10 Ом)

Выходное напряжение прямо пропорционально току, сопротивлению шунта и коэффициенту усиления масштабного усилителя:

Расчет элементов схемы:

Начальные данные:

.

Выбор операционного усилителя.

Выберем операционный усилитель с малым температурным дрейфом E см для того чтобы минимизировать погрешность от влияния дрейфа.

Возьмем ОУ 140УД21.(ТКЕ см =0,5·10 -6 В, I вх =0,5нА, ΔI вх =0,5нА, К=1000000 U вых =10,5В М сф =110 дБ).

Расчет резисторов.

Выберем шунт с номинальным напряжением U шном =30мВ.

Сопротивление шунта , следовательно входное сопротивление преобразователя равно 3 мОм, что соответствует заданным параметрам.

Напряжение на входе усилителя равно U шном. На выходе необходимо получить напряжение U вых =1В. Следовательно, коэффициент усиления с обратной связью

.

I R – ток протекающий через сопротивления R1, R2.

где, I вх_оу – входной ток операционного усилителя, К – коэффициент усиления без обратной связи.

Решая данную систему, находим значения резисторов.

R1 = 60 Ом R2 = 1900 Ом.

5. Анализ погрешностей

В данной схеме присутствует только инструментальная погрешность, так как методическая погрешность, связанная с сопротивлением источника, равна нулю (считаем, что источник идеальный, т.е. его внутреннее сопротивление равно ∞).

Поэтому рассмотрим только инструментальные погрешности:

1. Погрешность от допусков резисторов.

Данная погрешность устраняется путем ввода в систему корректирующего сопротивления, равного 10 Ом.

2 . Погрешность от ТКС резисторов

3. Погрешность от дрейфа Е см.

Влияние этой погрешности будет рассмотрено ниже.

4. Погрешность от Е см усилителя.

Эта погрешность устраняется с помощью подстроечного резистора R4.

5. Погрешность от входных токов.

Эта погрешность устраняется путем включения в преобразователь сопротивления R3, равного параллельному сопротивлению R1 и R2.

6. Погрешность от дрейфа Δ I ВХ .

Воздействие этой погрешности также рассматривается ниже.

7. Погрешность от коэффициента подавления синфазного сигнала.

Воздействие этой погрешности будет рассмотренно ниже.

7. Расчет погрешностей

Уравнение выходного напряжения:

Рассчитаем следующие погрешности:

а) Погрешность от допуска сопротивления шунта

Погрешность допуска сопротивления шунта составляет 0,05% или 15нОм.

Другими словами

R шреал – реальное сопротивление шунта.

U хреал – напряжение на выходе усилителя при R ш = R шреал

б) Погрешность от ТКС резисторов:

Выберем резисторы R1,R2 из серии С2-29В.

У данного типа резисторов

погрешность d 1 от ТКС R 2

погрешность d 2 от ТКС R 1

в) Погрешность от ТКЕ СМ

г) Погрешность от ΔI BX .

д) Погрешностьот коэффициента подавления синфазного сигнала.

Общая погрешность

Это значение удовлетворяет заданной погрешности. Следовательно подтверждается правильность выбора операционного усилителя с малым дрейфом смещения нуля.

8. Заключение.

Данная схема преобразователя напряжения в ток достаточно проста, но в то же время обеспечивает необходимую точность преобразования (погрешность преобразования не более 0,05) . Данные качества позволяют широко использовать эту схему в измерительных системах и системах обработки сигналов.

9. Список используемой литературы:

1. Конспект лекций Пасынкова Ю.А.по схемотехнике за 2001 год.

2. Хоровиц П., Хилл У. ”Искусство схемотехники”

3. Кунов В.М. Операционные усилители. Справочник. Новосибирск, 1992.

11. Технические характеристики элементов.

Обозначение на схеме	Тип элемента	Количество	Примечание
	Опер. усилитель
			U ВЫХ = 10,5 В, ТКЕ СМ = 0,5 мкВ/К
	Резисторы
			Прецизионные, ТКС =
			подстроечный
			корректировка нуля

Большой собственный коэффициент усиления О У приводит к тому, что инвертирующий вход является виртуальной землей, поэтому протекающий через резистор ток равен току Следовательно, выходное напряжение определяется соотношением . Показанная на рис. 4.3 схема хорошо подходит для измерения малых токов - от десятков миллиампер и менее, вплоть до долей иикоампера. Верхний предел тока ограничивается выходным током ОУ. Недостаток схемы состоит в том, что ее нельзя включать в произвольной точке контура с током, так как входной ток должен замыкаться на землю.

Рис. 4.3. Преобразователь тока в напряжение с виртуальной землей.

Коэффициент преобразования:

где - коэффициент усиления ОУ и - эквивалентное сопротивление между входом ОУ и землей, включающее в себя сопротивление источника тока и дифференциальное входное сопротивление ОУ.

Входное сопротивление:

Выходное напряжение смещения:

где - входное напряжение смещения ОУ, - входной ток смещения ОУ.

Нижний предел измеряемого тока определяется входным напряжением: смещения, входными токами ОУ и их дрейфами. Для того, чтобы свести к минимуму погрешности схемы, учтите следующие моменты.

1. Погрешности смещения.

При малых входных токах (менее 1 мкА) лучше использовать ОУ с полевыми входами, имеющие незначительные входные токи.

Нужно стремиться к тому, чтобы выполнялось условие так как иначе входное напряжение смещения будет дополнительно усиливаться.

Погрешность, связанную с входными токами, можно уменьшить, включая дополнительный резистор, равный между неинвертирующим входом и землей. При этом общее входное смещение будет равно где - разность входных токов ОУ. Для ограничения высокочастотных шумов дополнительного резистора и предотвращения самовозбуждения ОУ можно параллельно ему включить шунтирующий конденсатор (10 нФ - 100 нФ).

Соблюдайте аккуратность при работе с очень малыми токами, потому что значительные погрешности могут быть связаны с токами утечки. Используйте охранное кольцо (рис. 4.4) для того, чтобы токи утечки замыкались на него, а не на вход схемы. Охранные кольца должны быть на обеих сторонах платы. Плату нужно тщательно очистить и изолировать для предотвращения поверхностной утечки. Наконец, для получения очень малых токов утечки (порядка пикоампер) при монтаже входноых цепей можно использовать дополнительные стойки из фторопласта.

Рис. 4.4. Применение охранного кольца для уменьшения токов утечки.

Чтобы уменьшить дрейф входных токов от температуры, следует ограничить тепло, выделяемое самим ОУ. Для этого лучше снизить напряжение питания до минимума. Кроме того, к выходу ОУ не стоит подключать низкоомную нагрузку (общее сопротивление нагрузки должно быть не менее 10 кОм).

При измерении малых токов регулировать смещение лучше в последующих каскадах схемы, или воспользоваться подходом, показанным на рис. 4.7, при котором не требуется слишком высокая чувствительность усилителя.

2. Погрешности коэффициента усиления.

ОУ и резистор обратной связи необходимо выбирать так, чтобы иначе могут возникнуть большие погрешности коэффициента усиления и нелинейность характеристики. Необходимо подобрать прецизионные резисторы с малым дрейфом. Лучше всего использовать высокостабильные резисторы на основе металлических или металлоокисных пленок. Лучшей конструкцией для высокоомных резисторов (более 1 ГОм) является стеклянный корпус, покрытый силиконовым лаком для исключения влияния влажности. Некоторые резисторы имеют внутренний металлический защитный экран.

Чтобы не использовать резисторы слишком больших номиналов (у них низкая стабильность и они довольно дороги), можно использовать Т-образную обратную связь (рис. 4.5). Такое соединение позволяет повысить коэффициент преобразования без использования высокоомных резисторов, но это возможно только при достаточном запасе собственного коэффициента усиления ОУ. Отметим, что монтаж схемы должен быть выполнен так, чтобы предотвратить шунтирование Т-звена сопротивлением утечки, т.е. обеспечить хорошую изоляцию точек А и В. Т-образное соединение имеет серьезный недостаток, заключающийся в усилении напряжения смещения ОУ раз, что иногда может ограничить его применение.

3. Частотная характеристика.

Конечная емкость источника сигнала Си может привести к неустойчивости схемы, особенно при использовании длинных входных кабелей. Этот конденсатор на высоких частотах вносит фазовое запаздывание в петле обратной связи ОУ. Проблема решается включением конденсатора небольшой емкости параллельно резистору , графическая иллюстрация этого способа показана на рис. 4.6.

5. Помехи.

Преобразователи тока в напряжение с большим усилением являются высокочувствительными, высокоомными схемами. Поэтому для защиты от помех их необходимо заключать в экранирующий корпус. Важное значение имеет хорошая развязка по питанию. Наконец, эти схемы могут быть очень чувствительными к механическим вибрациям.

На рис. 4.7 показана схема усилителя сигнала фотодиода. Для регулировки смещения используется потенциометр.

Рис. 4.7. Усилитель тока фотодиода.

Магнитоэлектрический механизм, включенный непосредственно в измерительную цепь, позволяет измерять малые постоянные токи, не превышающие 20-50 мА. Превышение указанных значений может привести к повреждениям провода рамки и спиральной пружины. Таким образом, сам магнитоэлектрический механизм может выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты. Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Он представляет собой четырехзажимный резистор. Два входных зажима, к которым подводится ток /, называются токовыми, а два выходных зажима, с которых снимается напряжение V, называются потенциальными. К потенциальным зажимам обычно присоединяют измерительный механизм ИМ прибора.

Шунт характеризуется номинальным значением входного тока / ном и номинальным значением выходного напряжения?/ ном. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта

К ш = ^ном/4юм- Шунты применяются для расширения пределов измерения измерительных механизмов по току, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую - через измерительный механизм. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.

На рис. 4.1 приведена схема включения магнитоэлектрического механизма ИМ с шунтом Я ш. Ток / и, протекающий через измерительный механизм, связан с измеряемым током / зависимостью

Рис. 4.1.

где Я и - сопротивление измерительного механизма.

Если необходимо, чтобы ток / и был в п раз меньше тока /, то сопротивление шунта должно быть:

К = Я и /(/7 - 1),

где п = ///„ - коэффициент шунтирования.

Шунты изготовляют из манганина, сплава с высоким удельным сопротивлением и малой зависимостью его от температуры. Если шунт рассчитан на небольшой ток, то его обычно встраивают в корпус прибора (внутренние шунты). Для измерения больших токов используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.

На рис. 4.2 показан наружный шунт на 20 А. Он имеет массивные наконечники из меди 4, которые служат для отвода тепла от манганиновых пластин 3, впаянных между ними. Зажимы шунта 1 - токовые.

Измерительный механизм присоединяют к потенциальным зажимам 2, между которыми и заключено сопротивление шунта. При таком включении измерительного механизма устраняются погрешности от контактных сопротивлений.

Рис. 4.2. Наружный шунт: I - токовые зажимы; 2 - потенциальные зажимы; 3 - манганиновые пластины; 4 - медные наконечники

Наружные шунты обычно выполняются калиброванными, т. е. рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. По ГОСТ 8042-93 калиброванные шунты должны иметь номинальное падение напряжения 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 и 300 мВ.

Для переносных магнитоэлектрических приборов на токи до 30 А внутренние шунты изготовляют на несколько пределов измерения. На рис. 4.3, а, б показаны схемы многопредельных шунтов. Многопредельный шунт состоит из нескольких резисторов, которые можно переключать в зависимости от предела измерения путем переноса провода с одного зажима на другой (рис. 4.3, а) или переключателем (рис. 4.3, б).

Рис. 4.3. Схемы многопредельных шунтов: а - шунта с отдельными выводами;

б - шунта, с переключателем

Применение шунтов с измерительными механизмами других систем, кроме магнитоэлектрической, нерационально, так как другие измерительные механизмы потребляют большую мощность, что приводит к существенному увеличению сопротивления шунтов и, следовательно, к увеличению их размеров и потребляемой мощности.

Шунты разделяются на классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Число, определяющее класс точности, обозначает допустимое отклонение сопротивления шунта в процентах его номинального значения.

Серийные шунты выпускаются для токов не более 5000 А. Для измерения токов свыше 5000 А допустимо параллельное соединение шунтов.

Добавочные резисторы являются измерительными преобразователями напряжения в ток, а на значение тока непосредственно реагируют измерительные механизмы стрелочных вольтметров всех систем, за исключением электростатической и электронной. Добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения по напряжению вольтметров различных систем и других приборов, имеющих параллельные цепи, подключаемые к источнику напряжения. Сюда относятся, например, ваттметры, счетчики энергии, фазометры и т. д.

Добавочный резистор включают последовательно с измерительным механизмом (рис. 4.4). Ток / и в цепи, состоящий из измерительного механизма с сопротивлением К и и добавочного резистора с сопротивлением Я а составит:

/„ = тк + /у,

где и - измеряемое напряжение.

Рис. 4.4.

с добавочным резистором

Если вольтметр имеет предел измерения?/ ||0М и сопротивление измерительного механизма и при помощи добавочного резистора Л л надо расширить предел измерения в п раз, то, учитывая постоянство тока / и, протекающего через измерительный механизм вольтметра, можно записать:

и ном /К = я?4юм/(Я и + я д),

Добавочные резисторы изготовляются обычно из изолированной манганиновой проволоки, намотанной на пластины или каркасы из изоляционного материала.

Они применяются в цепях постоянного и переменного тока. Добавочные резисторы, предназначенные для работы на переменном токе, имеют бифилярную обмотку для уменьшения собственной индуктивности.

При применении добавочных резисторов не только расширяются пределы измерения вольтметров, но и уменьшается их температурная погрешность. Если принять, что обмотка измерительного механизма имеет температурный коэффициент сопротивления Р и, а добавочный резистор - температурный коэффициент сопротивления, то температурный коэффициент всего вольтметра (см. рис. 4.4) равен:

Р = (РА + РА)/А + /у

Обычно Р л = 0, тогда

В переносных приборах добавочные резисторы изготовляются секционными на несколько пределов измерения (рис. 4.5).

• 75 мВ

Рис. 4.5.

Добавочные резисторы бывают внутренние и наружные. Последние выполняются в виде отдельных блоков и подразделяются на индивидуальные и калиброванные. Индивидуальный резистор применяется только с тем прибором, который с ним градуировался. Калиброванный резистор может применяться с любым прибором, номинальный ток которого равен номинальному току добавочного резистора.

Калиброванные добавочные резисторы делятся на классы точности 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0. Они выполняются на номинальные токи от 0,5 до 30 мА.

Добавочные резисторы применяются для преобразования напряжений до 30 кВ.

Предыдущая статья: Радиотехнические сигналы и цепи Следующая статья: Российская компания «Монокристалл» признана крупнейшим производителем искусственных сапфиров в мире