Как преобразовать напряжение в ток

Как напряжение преобразуется в ток

Превратить ток в напряжение или напряжение в ток невозможно, поскольку это — принципиально разные явления. Напряжение измеряется на концах проводника или источника ЭДС, тогда как ток представляет собой движущийся через поперечное сечение проводника электрический заряд.

Напряжение или ток можно лишь преобразовать в напряжение или ток другой величины, в этом случае говорят о преобразовании электрической энергии (мощности).

Если в процессе преобразования электрической энергии напряжение понижается, то ток при этом повышается, а если напряжение повышается — значит понижается ток. Количество энергии на входе и на выходе будет приблизительно одинаковым (минус, конечно, потери в процессе преобразования) в соответствии с законом сохранения энергии.

Так происходит потому, что электрическая энергия A — это изначально потенциальная энергия (энергия положения в электрическом поле) электрического заряда, то есть A = U*q. А ток I — есть ни что иное, как перемещение заряда q в электрическом поле с течением времени t, то есть I = q/t.

Поэтому в процессе преобразования энергии A1 = U1*q1 на входе — в энергию A2 = U2*q2 на выходе некого преобразующего устройства, — либо понижается разность потенциалов (U2 < U1) между точками поля, где перемещается заряд, и тогда на выходе количество перемещаемого за единицу времени заряда q2 будет большим чем q1 на входе при том же количестве (минус потери) электрической энергии.

Либо понижается количество перемещаемого за единицу времени заряда (q2 < q1), и тогда разность потенциалов U2 на выходе, которую заряд в меньшем количестве сможет пройти, окажется выше чем U1 на входе.

Чтобы осуществить такое преобразование электрической энергии, применяют явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем в конце лета 1831 года, и используемое сегодня в трансформаторах и в импульсных преобразователях напряжения для понижения или повышения напряжения (соответственно для повышения или понижения тока). Далее рассмотрим процесс такого преобразования в общих чертах.

Когда в проводящем витке, обладающем индуктивностью L, изменяется (попеременно нарастает и спадает) ток I — при этом изменяется и магнитное поле B, порождаемое данным током и пронизывающее ограниченную данным витком площадь S — происходит изменение магнитного потока Ф = B*S = L*I.

Насколько быстро изменяется ток I в витке — настолько же быстро изменяется и магнитный поток Ф, пронизывающий площадь S, ограниченную данным витком. Переменный ток I в витке прямо пропорционально связан с напряжением U, приложенным к концам витка. Таким образом, чем больше амплитуда U – тем больше амплитуда тока I в витке и тем больше амплитуда магнитного потока Ф витка с током.

Майкл Фарадей показал, что изменяющийся во времени магнитный поток способен навести ЭДС (напряжение) в контуре, охватывающем область этого изменяющегося магнитного потока, причем скорость изменения магнитного потока dФ/dt влияет на величину получаемой ЭДС: чем выше скорость изменения магнитного потока — тем больше получаемое на концах контура напряжение.

Следовательно, если поместить в область действия изменяющегося магнитного потока другой виток (вторичный), то в нем будет наведена ЭДС (напряжение на концах), пропорциональная скорости изменения магнитного потока — чем больше магнитный поток и чем быстрее он изменяется — тем большей получится индуцируемая во вторичном витке ЭДС. Если вторичных витков будет несколько (N) и они будут соединены последовательно, то индуцируемые ЭДС в них сложатся.

А если вторичную цепь замкнуть, то перемещаемый по ней заряд (ток) создаст собственный магнитный поток, противоположный первичному магнитному потоку по направлению и равный ему по величине.

Если витки вторичной цепи полностью аналогичны первичному витку по магнитным свойствам, форме и индуктивности, то в этом случае ток, вызванный индуцируемой ЭДС, разделится по всем вторичным виткам поровну. Следовательно чем больше последовательно соединенных витков — тем больше на выходе получается напряжение и тем меньше на выходе окажется ток при замкнутой на нагрузку цепи.

На этом принципе работает трансформатор, повышающий или понижающий переменное напряжение и, соответственно, понижающий или повышающий переменный ток. Если первичных витков больше, а вторичных меньше — то на один виток вторичной катушки придется больше тока, но напряжение на концах вторичной катушки будет в сумме меньше (пропорционально соотношению витков в обмотках), то есть ток на выходе по сравнению со входом увеличится, а напряжение понизится.

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Преобразователь напряжение-ток с возможностью подключения заземленной нагрузки

В преобразователе напряжение-ток на Рисунке 1 использованы три распространенных операционных усилителя, два транзистора средней мощности и всего несколько пассивных компонентов. Первый операционный усилитель (IC₁) инвертирует сумму напряжений V_IN и V_OUT:

Второй операционный усилитель (IC₂) и транзисторы Q₁ и Q₂ инвертируют это напряжение:

Таким образом, формула для вычисления выходного тока имеет вид:

Рисунок 1.

Универсальный преобразователь напряжение-ток может служить удобным источником тока во многих аналоговых приложениях.

Из формулы видно, что I_OUT зависит только от входного напряжения V_IN и сопротивления R₆. Повторитель напряжения IC₃ снижает ток между выходом схемы и микросхемой IC₁ до незначительного уровня. Преимущества схемы:

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)

Преобразование напряжения сигнала в ток

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:

Преобразователь напряжения в ток на операционном усилителе

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.