В измерительных схемах сигналы постоянного тока часто используются в качестве аналоговых представлений физических измерений, таких как температура, давление, поток, вес и движение. Чаще всего сигналам постоянного тока отдается предпочтение по сравнению с сигналами постоянного напряжения , поскольку сигналы тока точно равны по величине во всем контуре схемы, несущей ток от источника (измерительного устройства) до нагрузки (индикатор, устройство записи или контроллер), тогда как сигналы напряжения в аналогичной схеме могут изменяться от одного конца к другому из-за резистивных потерь проводников. Кроме того, приборы для измерения тока обычно имеют низкие импедансы (в том время как приборы для измерения напряжения имеют высокие импедансы), что дает инструментам измерения тока бо́льшую устойчивость к электрическим помехам.
Чтобы использовать ток как аналоговое представление физической величины, мы должны иметь какой-то способ генерации точной величины тока в сигнальной схеме. Но как мы создадим точный токовый сигнал, когда не можем знать сопротивление контура? Ответ заключается в использовании усилителя, предназначенного для поддержания тока на заданном значении, прикладывая столько много или столько мало напряжения, сколько необходимо для цепи нагрузки, чтобы поддерживать это заданное значение тока. Такой усилитель выполняет функцию источника тока . Операционный усилитель с отрицательной обратной связью является идеальным кандидатом на такую задачу:
Предполагается, что входное напряжение этой схемы исходит от какого-либо устройства физического преобразователя / усилительного устройства, откалиброванного для получения 1 вольта для 0% при физическом измерении и 5 вольт для 100% при физическом измерении. Стандартный диапазон аналогового токового сигнала составляет от 4 мА до 20 мА, что означает от 0% до 100% диапазона измерений, соответственно. При входе 5 вольт резистор (точный) 250 Ом будет иметь приложенное к нему напряжение 5 вольт, что приведет к току 20 мА в схеме большого контура (с R нагр). Не имеет значения, чему равно сопротивление R нагр, и чему равно сопротивление проводов в этом большом контуре, если операционный усилитель имеет напряжение питания, достаточно высокое для выдачи напряжения, которое необходимо для получения 20 мА, протекающих через R нагр. Резистор 250 Ом устанавливает соотношение между входным напряжением и выходным током, в этом случае создавая равнозначность 1-5 В на входе / 4-20 мА на выходе. Если бы мы преобразовывали входной сигнал 1-5 вольт и выходной сигнал 10-50 мА (более старый, устаревший измерительный стандарт промышленности), вместо этого мы использовали бы точный резистор 100 Ом.
Другим названием этой схемы является «усилитель крутизны ». В электронике крутизна представляет собой математический коэффициент, равный изменению тока, деленному на изменение напряжения (ΔI/ΔV), и измеряется в сименсах (См), в тех же единицах, что используются для выражения проводимости (математически, величина, обратная сопротивлению: ток/напряжение). В данной схеме коэффициент крутизны фиксируется величиной резистора 250 Ом, что дает линейную связь выходной_ток/входное_напряжение.
Резюме
- В промышленности токовые сигналы постоянного тока часто используются вместо сигналов постоянного напряжения как аналоговые представления физических величин. Ток в последовательной цепи абсолютно одинаков во всех точках этой схемы независимо от сопротивления проводов, тогда как напряжение в аналогичной схеме может изменяться от одного конца к другому из-за сопротивления проводов, что делает токовые сигналы более точными для передачи сигнала от «передающего» прибора до «принимающего» прибора.
- Сигналы напряжения относительно легко получить непосредственно на устройствах преобразователей, тогда как точные токовые сигналы нет. Для «преобразования» сигнала напряжения в токовый сигнал можно довольно просто использовать операционные усилители. В этом режиме операционный усилитель буде выводить любое напряжение, необходимое для поддержания тока через сигнальную цепь в правильном значении.
Шунты.
Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжении. Он предназначен для расширения пределов измерения по току. При этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую - через измерительный механизм прибора. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами.
Шунт представляет собой четырёхзажимный резистор. Два входных (силовых) зажима, через которые шунт включается в измеряемую цепь, называются токовыми, а два других, с которых снимается напряжение U, подводимое к измерительному механизму – потенциальными – рис.3.1.
I u И М
Рис. 3.1. Схема включения шунта.
Шунт характеризуется номинальным значением I ном и номинальным значением выходного напряжения U ном . Их отношения определяет номинальное сопротивление шунта:
R ш =U ном /I ном.
В измерительный механизм прибора отбирается часть измеряемого токаI :
I u = I R ш / (R ш + R u)
где R u – сопротивление измерительного механизма. Если необходимо, чтобы ток I u был вn раз меньше тока I , то сопротивление шунта должно быть:
R ш = R u / (n-1)
где n = I /I u - коэффициент шунтирования.
Шунты изготавливаются из манганина, сопротивление которого незначительно меняется от температуры. Шунты могут быть встроенные в прибор (при токах до 30 А) или наружные. Наружные шунты изготавливаются калиброванными, рассчитанными на определённые токи и имеющие одно из стандартных значений выходного напряжения: 10; 15; 30; 50; 75; 100; 150 и 300 мВ. Серийные шунты выпускаются для токов до 5000А. Классы точности серийных шунтов от 0,02 до 0,5.
Для многопредельных магнитоэлектрических приборов
Чувствительность измерительного преобразователя – это отношение изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного сигнала. Отношение S=ΔY/ΔX есть средняя чувствительность преобразователя на интервале ΔХ, а предел, к которому стремится это отношение при ΔХ→ 0, есть чувствительность преобразователя в точке Х:
S ═ lim S cp ═ -- .
ΔX→0 dX
Если Y и Х величины однородные, то чувствительность величина безразмерная. Различают абсолютную и относительную чувствительности преобразователя. Абсолютная чувствительность – это S=dY/dX, а относительная – S 0 =(dY/Y)/(dX/X). Например, чувствительность тензо-метрического преобразователя определяется как отношение относительного изменения электрического сопротивления ΔR/R к относительной деформации Δl/l.
Если функция преобразования линейна, то S - соnst и не зависит от Х. Например, если у=ах+ b, то S=а.
Если функция преобразования нелинейна, то S≠S cp и зависит от Х. Например, если у=ах 2 +b, то а=2ах.
Порог реагирования – это минимальное изменение входной величины, вызывающее уверенно различимое приращение выходной величины преобразователя на фоне шумов, смещения нуля, гистерезиса характеристики и прочих мешающих факторов.
Входное и выходное сопротивления определяют степень согласования преобразователя с источником сигнала и с нагрузкой. Так, если преобразуемый сигнал напряжение, то Z вх должно быть максимальным, а если ток – то минимальным. В общем виде входное сопротивление должно быть таким, чтобы минимизировать мощность, потребляемую от источника сигнала.
Быстродействие характеризует способность быстро реагировать на
изменение входного сигнала. В общем виде динамические свойства преобразователя характеризуются дифференциальным уравнением, связывающим выходную и входную величины. Решение этого уравнения при известном х(t) дает значение у(t). Порядок уравнения и его коэффициенты определяются структурой и параметрами преобразователи. На практике такую методику в прямом виде практически не используют в связи со сложностью решения дифференциальных уравнений высоких порядков.
Чаще для описания динамических свойств преобразователей используют характеристические функции, которые можно получить экспериментально, подавая на вход специальный тестовый сигнал, например, скачкообразный или гармонический. Реакция преобразователи на скачкообразное входное воздействие единичной амплитуды называется переходной функцией преобразователя h(t). Очень часто сложный преобразователь при анализе динамических процессов разбивают на простейшие динамические звенья. Переходные функции основных
не зависит от температуры. Температурный коэффициент прибора с дополнительным сопротивлением меньше температурного коэффициента измерительного механизма в R u / (R u + R д) раз.
В многопредельных приборах добавочные резисторы изготавливаются секционными – рис. 3.3.
В однополярном преобразователе напряжение-ток, схема которого показана на Рисунке 1, использовано классическое включение операционного усилителя IC2a и NPN транзистора Q1. Стабилизируемый ток течет через эмиттерный резистор R E , который выполняет здесь роль простейшего пассивного преобразователя ток-напряжение. Фактическим напряжением отрицательной обратной связи в цепи регулирования является напряжение на инвертирующем входе IC2a. Зона нечувствительности на вольтамперной характеристике создается током, текущим от источника опорного напряжения V REF через резисторы R D и R E в землю. Источником опорного напряжения V REF служат двухвыводная микросхема шунтового регулятора IC1, резистивный делитель Ra, Rb и операционный усилитель IC2b.
Для оценки ширины зоны нечувствительности, прежде всего, представим, что V IN равно нулю. Операционный усилитель стремится смещать к нулю также и напряжение V ED . Однако стать равным нулю V ED не может, поскольку переход база-эмиттер транзистора Q1 в это время работает, как диод, смещенный в обратном направлении. В результате эмиттерный ток Q1 равен нулю, откуда следует, что падение напряжения на резисторе R E равно:
Поскольку это же напряжение приложено к инвертирующему входу операционного усилителя, его выход находится в отрицательном насыщении.
При увеличении V IN никаких изменений не будет происходить до тех пор, пока входное напряжение не превысит напряжение V ED , данное Уравнением 1. С этого момента выходное напряжение операционного усилителя IC2a станет положительным, и через эмиттер Q1 потечет ток. С ростом V IN будет расти ток эмиттера Q1. Из-за сильной отрицательной обратной связи зависимость тока I C от V IN остается линейной до тех пор, пока входное напряжение находится в диапазоне от V ED до V REF . Для оценки величины выходного тока на границе рабочего диапазона при V IN = V REF нужно принять во внимание, что на обоих выводах резистора напряжение одинаково и равно V REF , так что ток через резистор не течет. Поэтому эквивалентное сопротивление эмиттера равно самому эмиттерному сопротивлению R E , а ток эмиттера равен V REF /R E .
Выходной ток, текущий через коллектор Q1 и положительный вывод питания, очень незначительно отличается от тока эмиттера:
где β - коэффициент передачи тока Q1. На Рисунке 2 показана вольтамперная характеристика преобразователя.
При коэффициенте передачи тока транзистора приблизительно равном 230 коллекторный ток меньше эмиттерного на 0.44%. Чтобы снизить эту ошибку можно заменить Q1 либо составным транзистором Дарлингтона, либо каскадным соединением двух биполярных транзисторов. Входное напряжение V IN можно снимать непосредственно с движка потенциометра P1, или же брать от внешнего источника.
Если, к примеру, вы выбрали V DB = 0.1×V REF , V DB = V ED то из Уравнения 1 будет следовать R D = 9R E . Теоретическая зависимость выходного тока от входного напряжения представлена графиком на Рисунке 2.
Измерения, проведенные на макете схемы, показали, что V REF = 0.19645 В, а напряжение V ED на эмиттере при максимальном входном напряжении равно 0.19660 В.
Напряжение V DB определялось путем измерения значений V IN в моменты резких изменений выходного напряжения IC2a с нулевого на положительное и наоборот. Было определено, что для положительных переходов V DB = 19.75 мВ, а для отрицательных V DB = 19.70 мВ.
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.
 |
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-
Преобразователи напряжения в ток применяются в случае, когда ток в нагрузке должен быть пропорционален входному напряжению и не зависеть от сопротивления нагрузки. В частности, при постоянном входном напряжении ток в нагрузке также будет постоянным, поэтому такие преобразователи иногда условно называют стабилизаторами тока.
Простейшая схема стабилизатора тока, показанная на рис. 10.41, а, представляет собой инвертирующий усилитель, в котором нагрузка Rn включена в цепь отрицательной обратной связи ОУ. Ток в нагрузке будет равен Ui/Rl. Для уменьшения нагрузки на источник входного напряжения он подключается к неинвертирующему входу ОУ. Именно так и сделано в стабилизаторе тока на рис. 10.41, б, для которого ток в нагрузке равен (Ui/Rl)(l+Rl/R2)(l+R2/R4).
В стабилизаторах тока на рис. 10.41 нагрузка не заземлена, что не всегда удобно. С этой точки зрения предпочтительнее стабилизатор тока с заземленной нагрузкой (рис. 10.42). Ток в нагрузке Rn такого стабилизатора определяется формулой Ii=UiA/B, где A=Rl(R4+R5)R2 -R4; B=Rn+Rl R5(R3+R4). Условием независимости Ii от Rn является равенство R1(R4+R5)-R2-R3. В таком случае будем иметь Ii=Ui-R2/(Rl-R5).
Отметим, что если в стабилизаторе на рис. 10.42 подавать Ui через резистор R1 на инвертирующий вход ОУ, а резистор R3 заземлить, то при выполнении условия R1(R4+R5)=R2-R3 ток в нагрузке только изменит знак.
Одним из многочисленных применений преобразователей являются преобразователи сопротивления в напряжение (ПСН), применяемые в сочетании с резистив-ными датчиками. Для построения ПСН обычно включают преобразуемое сопротивление в качестве нагрузки стабилизатора тока. Тогда падение напряжения на этом сопротивлении будет пропорционально его сопротивлению. На практике удобно использовать ПСН, имеющие малое выходное сопротивление. Этому требованию в наибольшей степени отвечает ПСН на основе стабилизатора тока, схема которого показана на рис. 10.41, а. Действительно, напряжение на выходе ОУ в этом стабилизаторе равно Ui-Rn/Rl. Следовательно, в качестве выходного напряжения ПСН можно использовать не падение напряжения на резисторе Rn, а выходное напряжение ОУ. При этом выходное сопротивление такого ПСН будет весьма низким, как и в любом усилителе, имеющем отрицательную обратную связь по напряжению.
Удобен для применения ПСН, выполненный на основе стабилизатора тока на рис. 10.42. Такой ПСН характеризуется не только малым выходным сопротивлением, но и возможностью заземления резистивного преобразователя. Если принять R4=0 и R1-R5=R2-R3, то выходное напряжение ОУ в этом стабилизаторе равно Uo=Ui-Rn(l+R2/Rl)/R3.
Дополнительным достоинством ПСН на стабилизаторе (рис. 10.42) является возможность скорректировать погрешность нелинейности прибора, обусловленную нелинейностью характеристики датчика. Если выбрать R1-R5>R2-R3, то зависимость Uo от Rn будет нелинейной - чувствительность будет падать с ростом Rn. Если же поменять знак неравенства, то, наоборот, чувствительность будет расти с ростом Rn. Следовательно, выбирая знак и величину разности R1-R5-R2-R3, можно получить характеристику преобразования сопротивления в напряжение с компенсацией нелинейности датчика.
Контрольные вопросы и задания
1. Какую функцию выполняют преобразователи напряжение-ток и сопротивление-напряжение?
2. Схема измерителя сопротивления (ПСН) на стабилизаторе тока по схеме рис. 10.41, а показана на рис. 10.43. Какими должны быть значения напряжения Ui и сопротивления R1, чтобы при измерении выходного напряжения Uo показания мультиметра совпадали с сопротивлением измеряемого резистора Rx с коэффициентом кратности 10-k где k - любое целое число, в том числе и ноль. Расчеты подтвердите моделированием.
3. Дополните схему преобразователя на рис. 10.42 необходимыми контрольно-измерительными приборами и проведите ее моделирование, выбрав номиналы резисторов с помощью приведенных выше формул.
Рис. 10.43. Схема измерителя сопротивления Rx
