Преобразователь напряжения в ток на одном операционном усилителе

Достоинства	Недостатки
Биполярный выходной ток. Возможен контроль напряжения на нагрузке по выходному напряжению	Нагрузка или источник должны быть изолированными

На рис. 4.8 показан простой вариант преобразователя напряжения в ток всего на одном ОУ.

Благодаря действию обратной связи входное напряжение и падение напряжения на резисторе R1равны. Через нагрузку течет тот же самый ток, что и через резистор R₁,поэтому I_ВЫХ = U_bx/R1. Ток в нагрузке не зависит от Z_Н при условии, что ОУ работает в линейном режиме (не насыщается).

Коэффициенты преобразования.

Для инвертирующего преобразователя:

Для неинвертирующего преобразователя:

Входное сопротивление.

Для инвертирующего преобразователя:

Для неинвертирующего преобразователя:

где R_ВХ.СФ - входное сопротивление для синфазного сигнала ОУ А.

Выходное сопротивление инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:

Выходной ток смещения инвертирующего и неинвертирующего преобразователей:

где U_СМ.ВХ - входное напряжение смещения ОУ,

I_СМ.ВХ - входной ток смещения ОУ.

Максимальный выходной ток ограничивается напряжением питания ОУ и импедансом нагрузки.

Для инвертирующей схемы:

Для неинвертирующей схемы:

где U_НАС - выходное напряжение насыщения ОУ.

Максимальный выходной ток может ограничиваться и встроенной защитой самого ОУ. В этом случае для увеличения тока к выходу ОУ можно подключить усилитель мощности (рис. 4.9).

Неинвертирующая схема на рис. 4.8 имеет высокое входное сопротивление, так как входной сигнал подается непосредственно на вход ОУ. Входное сопротивление инвертирующей схемы равно сопротивлению резистора R1,которое может быть сравнительно небольшим. Кроме того, в инвертирующей схеме источник управляющего напряжения должен обеспечивать и весь выходной ток. Для получения большого коэффициента преобразования при сохранении приемлемого сопротивления резистора R1, в цепь обратной связи можно включить делитель (рис. 4.9). У этого способа есть недостаток - уменьшается коэффициент передачи цепи обратной связи, а это снижает линейность и точность преобразования, а также уменьшает выходное сопротивление.

Выходное сопротивление в этом случае равно:

,

т.е. уменьшается в R3/(R2+R3) раз.

При работе на большую индуктивную нагрузку (например, обмотку реле или двигателя) позаботьтесь о том, чтобы не превысить допустимые параметры ОУ из-за возникновения больших обратных ЭДС. Для защиты ОУ и других элементов включаются дополнительные диоды. Кроме того, при индуктивной нагрузке возникают проблемы с устойчивостью схемы. Индуктивность в цепи обратной связи добавляет лишний полюс в частотной характеристике, что может вызвать неустойчивость и привести к само­возбуждению устройства. Для борьбы с этим включаются корректирующие конденсатор и резистор, показанные на рис. 4.9.

Включение еще одного ОУ превращает исходную схему в ПНТ с дифференциальным входом (рис. 4.10).

Для плавающих источников управляющих напряжений применяются схемы, приведенные на рис. 4.11, причем достоинство схем б) и в) состоит в том, что они отдают ток в заземленную нагрузку.

Из-за действия обратной связи падение напряжения на резисторе R1 равно входному напряжению U_вх.Ток, протекающий через резистор R1 должен течь и через нагрузку, что приводит к желаемому результату.

Выходное сопротивление для схемы а):

R_вых=A_vR1,

а для схем б) и в):

R_вых=A_v(R1/KOCC).

Общее смещение, приведенное к входу, для схем а), б) и в):

U_см=U_см.вх+I_см.вх R,1

где А_v коэффициент усиления ОУ А,

КОСС — коэффициент ослабления синфазного сигнала ОУ А,

U_СМ.ВХ - входное напряжение смещения ОУ А,

I_СМ.ВХ входной ток смещения ОУ А.

Выходное напряжение для схем а), б) и в):

При проектировании таких преобразователей помните о следующих моментах.

· Как и ранее, максимальный ток ограничивается либо выходным током, либо напряжением насыщения ОУ. Если выходной ток ограничивается напряжением насыщения ОУ, то максимальный ток составляет U_НАС/(R1 + Z_Н), где U_НАС - напряжение насыщения ОУ.

· В подобных схемах выходное напряжение ОУ можно использовать для контроля напряжения на нагрузке, т.к. U_ВЫХ = U_Н + U_ВХ U_Н, при Z_Н» R1. Для непосредственного измерения напряжения на нагрузке может потребоваться дополнительный буфер.

· Если схема а) имеет плавающие источники питания, то можно подключить точку Р кобщему проводу для того, чтобы заземлить входной сигнал и нагрузку.

· Схема а) имеет высокое входное сопротивление, равное входному сопротивлению ОУ, умноженному на коэффициент обратной связи. На практике паразитные емкости и утечки ограничивают входное сопротивление на уровне 10 МОм с включенной параллельно ему емкостью в несколько пФ.

· Сопротивление утечки между плавающими зажимами источника сигнала и землей не влияет на работу схемы в). Однако оно сказывается на работе схем а) и б), так как по сопротивлениям утечки отводится часть выходного тока от токозадающего резистора R₁.