Преобразователи «напряжение-ток»: назначение, области применения. Преобразователь «напряжение-ток» на основе схемы Хауленда. Методика определения выходного сопротивления

Преобразователь «напряжение-ток» (ПНТ) – это электронное устройство, которое производит преобразование входного напряжения в выходной ток.

Передача информации в виде тока применяется, как правило, при значительной разобщенности источника и потребителя информации. При этом существенно снижается влияние электрических помех, наводимых на линию связи и исключается влияние сопротивления линии связи на точность передачи информации. На рис. 1 представлена схема, поясняющая ослабление влияния электрических помех при питании линии связи от источника тока.

Рис. 1. Эквивалентная схема, поясняющая влияние помех

при передаче информации по линии связи

На рис. 1 даны следующие обозначения:

Пер. П. – передающий преобразователь, измерительный преобразователь, установленный в непосредственной близости от объекта измерения;

Пр. П. – приемный преобразователь – вторичный прибор, в котором информация, полученная от передающего преобразователя используется для отображения, документирования или формирования управляющего воздействия;

U_вх – напряжение, выделяемое при входном сопротивлении R_вх приемного преобразователя;

Е_пом – эквивалентное напряжение сетевой помехи, определяемое конфигурацией линии связи и ее местоположением относительно токоведущих сетевых проводников;

E_x – ЭДС первичного преобразователя.

Напряжение, обусловленное помехой Е_пом, выделяется на входном сопротивлении Пр. П. в следующем виде (Е_х при этом считается равным нулю):

Если Пер. П. работает с малым выходным сопротивлением – линия связи запитывается от источника ЭДС с R_вых << R_вх, то практически все напряжение помех приложится ко входу Пр. П.:

Если же R_вых >> R_вх, т.е. Пер. П. работает на линии связи как источник тока, то выражение для определения U_вх приобретает вид:

Поскольку знаменатель много больше числителя, то U_вх << E_пом.

Приведенные рассуждения показывают целесообразность запитки линии связи от источника тока.

Существует большое разнообразие подобных устройств, однако наибольший практический интерес представляют преобразователи, работающие на заземленную нагрузку с возможностью изменения направления тока. Основная область использования подобных устройств – это формирование выходных унифицированных токовых сигналов, согласно ГОСТ 26.011. Как правило, это сигналы в виде тока 0...20 мА; 4...20 мА; -5...+5 мА, и др.

Широкое распространение получила схема Хауленда, представленная на
рис. 2. Как видно из рисунка, сопротивление нагрузки R_н имеет один заземленный конец.

Отличительной особенностью этой схемы является наличие дополнительной цепи обратной связи , причем положительной. Через эту цепь и осуществляется компенсация изменения тока в нагрузке при изменении ее сопротивления. Как будет показано ниже, это происходит при определенных соотношениях резисторов. Для правильной работы этой схемы необходимо, чтобы глубина отрицательной обратной связи была больше глубины положительной обратной связи. Выведем расчетные соотношения, предположив, что операционный усилитель (ОУ) – идеальный. При этом напряжение между его входами равно нулю:

(1)

Рис. 2. Преобразователь «напряжение-ток» на основе схемы Хауленда

Напряжение на инвертирующем входе связанно с выходным через коэффициент деления делителя на , обозначая который через , можно записать:

(2)

Напряжение на неинвертирующем входе ОУ образовано действием входного (U_вх) и выходного (U_вых) напряжений. Резисторами образован параллельный сумматор, эквивалентная схема которого представлена на рис. 3а.

Рис. 3. Эквивалентные цепи положительной обратной связи,
поясняющие расчетные соотношения

Используя теорему об эквивалентном генераторе, данную схему можно преобразовать в более простую, представленную на рис. 3б. Значения K и Ri имеют следующие значения:

.

С учетом рис. 3б и использованием формулы для параллельного сумматора, напряжение можно записать в следующем виде:

,(3)

где R_п – эквивалентное сопротивление резисторов, подключенных к неинвертирующему входу ОУ.

.

Тогда, подставляя в (1) выражения (2), (3), можно записать:

Из последнего выражения находим напряжение на выходе ОУ:

(4)

Используя полученное выражение и эквивалентную схему, представленной на рис. 3а, можно найти напряжение на нагрузке U_н (так же, используя формулы параллельного сумматора).

где R_n1 – эквивалентное сопротивление резисторов, подключенных к сопротивлению нагрузки R_н.

.

Подставляя (4) в полученное выражение для U_н, можно записать:

Разделив последнее выражение на R_н и производя соответствующие упрощения, получаем:

При обеспечении равенства

;

(5)

ток нагрузки не зависит от сопротивления нагрузки, т.е. имеет место источник тока. При выборе соотношения резисторов, удовлетворяющих условию (5), выражение для тока нагрузки принимает следующий вид:

(6)

С учетом соотношения (5) выражение для выходного напряжения ОУ (4) можно представить в следующем виде:

(7)

Для упрощения положим, что R₂=R₃=R. Тогда из (5) можно выразить сопротивление R₁.

(8)

Обозначая соотношение R_н/R через , выражения для I_н, U_н и U_вых можно переписать в следующем виде:

(9)

(10)

(11)

Данная схема является дифференциальной. При подаче на вход преобразователя двух напряжений в соответствии со схемой, представленной на рис. 4, ток через нагрузку, напряжение на нагрузке и выходное напряжение ОУ будут соответственно равны:

(12)

Рис. 4. Дифференциальный преобразователь «напряжение-ток»
на основе схемы Хауленда

Методика определения выходного сопротивления преобразователей
«напряжение-ток»

Рис. 5. Эквивалентная схема, поясняющая способ определения

выходного сопротивления преобразователя «напряжение-ток»

Определение выходного сопротивления R_вых следует производить при разных сопротивлениях нагрузки R_н1 и R_н2. Желательно, чтобы R_н1 было минимальным (но не равным нулю), а R_н2=R_{н max}. Тогда для значения напряжения на нагрузке можно записать :

Выражая из последнего соотношения значение выходного сопротивления R_вых, можно получить :

Идеальный ПНТ имеет бесконечно большое выходное сопротивление.

Реальные преобразователи «напряжение-ток», выполненные на дискретных элементах, имеют выходное сопротивление порядка единиц – десятков мегаОм.