Как напряжение преобразуется в ток

Несмотря на кажущуюся на первых взгляд абсурдность преобразования «подобного в подобное», в ряде задач автоматизации это оказывается важным и полезным. В статье рассматриваются случаи, в которых преобразование унифицированных сигналов в унифицированные не только целесообразно, но и необходимо.

ООО НПФ «КонтрАвт», Нижний Новгород В одном из предыдущих номеров журнала «ИСУП» (№ 3 за 2010 год) была опубликована статья, посвященная нормирующим преобразователям сигналов датчиков температуры – термоэлектрических преобразователей (термопар) и термопреобразователей сопротивления – в унифицированные токовые сигналы. Основная специфика таких преобразователей заключается в том, что они работают со слабыми сигналами постоянного напряжения от датчиков температуры. Это предопределяет набор функций, которые характерны именно для температурных нормирующих преобразователей: — реализация метода измерения электрических сигналов термопар и термосопротивлений (например, 4-проводная схема измерения термосопротивления); — линеаризация нелинейных номинальных статических характеристик термодатчиков; — компенсация влияния температуры «холодных» спаев; — усиление сигналов; — подавление электромагнитных помех, которые оказывают сильное негативное влияние на слабые полезные сигналы датчиков, существенно искажая их; — гальваническое разделение. В настоящей статье речь пойдет о нормирующих преобразователях, которые преобразуют унифицированные сигналы на входе в унифицированные сигналы на выходе. Несмотря на кажущуюся на первых взгляд абсурдность преобразования «подобного в подобное», оно оказывается в ряде задач автоматизации весьма важным и полезным.

Основные функции преобразователей унифицированных сигналов

Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТом 26.011. Стандарт устанавливает допустимые диапазоны унифицированных сигналов, а также вводит ограничения на величину сопротивлений источников и приемников этих сигналов. Если ряд отечественных унифицированных сигналов дополнить сигналами, которые широко используются иностранными производителями средств автоматизации, то получится обширное множество сигналов напряжения 0…1, 0…2,5, 0…5, 0…10, –1…1, –10…10 В и сигналов тока 0…5, 0…20, 4…20, –20…20 мА. Это означает, что в системе вполне вероятно будут присутствовать датчики и приборы с различными типами аналоговых сигналов. Они хоть и будут унифицированными, но будут разными. Это значит, что датчик не будет стыковаться с вторичным измерительным прибором, а управляющий прибор не сможет управлять исполнительным механизмом. В системах с десятками или даже тысячами сигналов такая ситуация возникает неизбежно. Особенно остро проблема стоит в тех случаях, когда ядром системы является контроллер (измерительно-управляющей системы – ИУС), который с целью удешевления и унификации работает с одним типом унифицированного сигнала. В современных контроллерах таким сигналом чаще всего является ток 4…20 мА. Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами: — на передачу токовых сигналов не оказывает влияния сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов, а значит, и к стоимости снижаются; — токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения; — обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА); — токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя – минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.

Рис. 1. Согласование сигналов в многоканальных измерительно-управляющих системах ИУС. Под воздействием электромагнитных наводок удаленные приборы находятся под разными потенциалами

Картину взаимодействия контроллера, который работает с одним типом сигнала, с большим разнообразием датчиков и исполнительных устройств, иллюстрирует рис. 1. Задачу согласования устройств с различными типами сигналов как раз и призваны решать преобразователи нормирующих сигналов. На рис. 1 показаны канал 3 на входе и канал 2 на выходе, в которых ни тип сигнала, ни его диапазон не изменяется, и тем не менее установлен нормирующий преобразователь. Дело в том, что в данных каналах нормирующие преобразователи решают еще одну задачу – гальваническое разделение цепей. Необходимость гальванического разделения возникает прежде всего в тех случаях, когда многоканальная измерительная система работает с неизолированными источниками сигналов, находящихся под разными потенциалами. Как известно, в промышленных условиях даже заземленные источники, но расположенные на некотором удалении друг от друга, находятся под разными потенциалами частотой 50 Гц, обусловленными электромагнитным наводками от силовых цепей (см. рис. 1). Гальваническая развязка решает эту проблему: она полностью устраняет влияние разности постоянных потенциалов и значительно подавляет переменные наводки частотой 50 Гц. Кроме того, гальваническое разделение предохраняет измерительные цепи и от высокочастотных помех, которые вызваны короткими импульсами тока в силовых цепях. Такие импульсы возникают при работе сварочных аппаратов, индукторов, частотных преобразователей, тиристорных коммутаторов, а также при грозовых разрядах.

Рис. 2. Разветвления сигнала тока 1 в N

Наличие гальванической развязки трех составных частей нормирующих преобразователей, а именно входных цепей, выходных цепей и цепей питания, позволяет применять преобразователи для разветвления сигналов 1 в N. На рис. 2 показана схема подключения группы нормирующих преобразователей к одному источнику токового сигнала. На выходе преобразователей появляется ряд дублированных гальванически развязанных сигналов, пропорциональных одному сигналу на входе. На рис. 3 показана аналогичная схема разветвления одного сигнала в N в случае, когда источником является сигнал напряжения.

Рис. 3. Разветвление сигнала напряжения 1 в N

С точки зрения надежности и безопасности в системе должна присутствовать сигнализация, которая срабатывает при достижении критическими сигналами недопустимых уровней. Например, в термическом оборудовании температура не должна превышать уровня, при котором начинается разрушение самого оборудования. Лучше всего такую сигнализацию реализовать в устройствах, которые максимально приближены к датчикам. Поскольку нормирующие преобразователи находятся на переднем крае на пути прохождения сигналов от датчиков, то представляется целесообразным возложить выполнение функций сигнализации именно на них. Таким образом, некоторые нормирующие преобразователи, наряду с преобразованием и гальваническим разделением сигналов, выполняют важнейшую функцию сигнализации.

Характеристики преобразователей унифицированных сигналов

Рассмотрим основные характеристики и особенности, которые необходимо учитывать при выборе нормирующих преобразователей унифицированных сигналов. В качестве примера приведем нормирующие преобразователи НПСИ-УНТ, выпускаемые Научно-производственной фирмой «КонтрАвт» (см. рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид нормирующего преобразователя унифицированных сигналов НПСИ-УНТ, выпускаемого НПФ «КонтрАвт»

В силу своего основного функционального предназначения нормирующие преобразователи прежде всего характеризуются типами и диапазонами входных и выходных сигналов. В этом плане все преобразователи можно отнести к одной из двух групп: — преобразователи с фиксированными входными и выходными сигналами, функция преобразования которых устанавливается предприятием-изготовителем; — преобразователи, у которых типы и диапазоны преобразования устанавливаются пользователем. Преобразователи первой группы, очевидно, конструктивно проще, а значит, и дешевле при прочих равных характеристиках. Их применение обосновано в серийно выпускаемых системах, где все функции преобразования четко определены и они не меняются в ходе проектирования и эксплуатации, а стоимость является ключевым фактором. Преобразователи второй группы оказываются удобными в следующих случаях: — в системе много преобразователей с большим разнообразием типов преобразования. Это облегчает подбор оборудования при проектировании, облегчает и ускоряет комплектование (комплектование можно проводить даже до окончания проектных работ), требует минимальных затрат на создание ЗИПа. — в ходе создания системы и во время эксплуатации возникает необходимость замены какого-либо оборудования с изменением типов сигналов. В этом случае не требуется замена преобразователя, достаточно установить необходимый новый тип преобразования. Из сказанного следует, что преобразователям второй группы отдают свое предпочтение системные интеграторы, которые постоянно выполняют различные проекты в условиях существенных временных ограничений и больших рисков со стороны поставщиков, а также при ограниченных ресурсах на создание складских запасов с большой номенклатурой преобразователей. Ключевыми факторами успеха для них являются гибкость, скорость, способность адаптироваться и устранять влияние рисков.

В преобразователях НПСИ-УНТ выбор входных и выходных сигналов программируется пользователем. Устанавливаются не только диапазоны преобразования, но и типы сигналов (ток и напряжение). При этом один преобразователь может осуществлять как однотипное (например, ток в ток), так и перекрестное преобразование (например, ток в напряжение). Типы и диапазоны преобразования приведены в табл. 1.

Таблица 1. Типы и диапазоны входных и выходных сигналов преобразователя НПСИ-УНТ

Преобразователи НПСИ-УНТ обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных сигналов. Напряжение изоляции составляет 1500 В. Основная погрешность преобразования составляет 0,1 %. Температурная стабильность преобразователей составляет 0,005 % / °С. Преобразователи НПСИ-УНТ выпускаются как с функцией сигнализации, так и без нее. В модификациях с сигнализацией выполняемая функция выбирается пользователем из четырех возможных вариантов: — сигнализация срабатывает, если сигнал больше заданного уровня; — сигнализация срабатывает, если сигнал меньше заданного уровня; — сигнализация срабатывает, если сигнал больше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем; — сигнализация срабатывает, если сигнал меньше заданного уровня, и фиксируется в этом состоянии до сброса пользователем. Действие сигнализации для функций 1 и 3 иллюстрируют рис. 5, 6. Функции 3 и 4 представляют собой сигнализацию с защелкой. Сбросить его может пользователь только с передней панели преобразователя. Даже временное отключение питания не может сбросить защелку – после возобновления питания сигнализация будет включена. Таким образом, сигнализация с защелкой позволяет зафиксировать факт аварийной ситуации, а необходимость выполнения процедуры сброса с панели гарантирует, что обслуживающий персонал обнаружит аварийную ситуацию и предпримет действия, предусмотренные технологическим регламентом.

Рис. 5. Диаграмма работы сигнализации «превышение» без защелки

Рис. 6. Диаграмма работы сигнализации «превышение» с защелкой

Помимо выполнения функций сигнализации, преобразователи обнаруживают аварийные ситуации, которые могут возникнуть в системе: обрыв линий связи входных и выходных сигналов (только для 4…20 мА), выход сигналов за допустимый диапазон, целостность параметров в энергонезависимой памяти. При обнаружении аварийных ситуаций (не путать с работой сигнализации) на преобразователе зажигается индикатор АВАРИЯ, на дисплее отображается код аварийной ситуации, а выходной ток принимает значение, которое при конфигурировании задает пользователь – низкий или высокий аварийный уровень. Измерительные системы, принимающие сигналы преобразователей, регистрируют эти аварийные уровни и, следовательно, обнаруживают аварийные ситуации. Питание преобразователей НПСИ-УНТ в зависимости от модификации производится либо от сети переменного напряжения 220 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 85…265 В), либо от постоянного напряжения 24 В (допустимый диапазон рабочих напряжений 10…42 В). Конструктивно преобразователи НПСИ-УНТ выполнены в корпусе с габаритными размерами (D×H×W) 115 × 110 × 22,5 мм, который обеспечивает монтаж на DIN-рельс 35 мм по стандарту EN 50 022. Настройка преобразователя (конфигурирование) осуществляется пользователем с передней панели с помощью кнопок с контролем по цифровому двухразрядному дисплею (см. рис. 7). На цифровом дисплее отображается уровень сигнала в процентах от диапазона. Уровень сигнала наглядно показывает и линейный барграф.

Рис. 7. Органы индикации и управления на передней панели преобразователя

Для удобства монтажа и обслуживания подключение внешних соединений производится с помощью разъемных клеммных соединителей (см. рис. 8).

Рис. 8. Подключение внешних линий с помощью разъемных клеммных соединителей

Как преобразуется напряжение в ток

В этой статье мы расскажем вам как преобразуется напряжение 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.

Ранее ЭлектроВести писали, что Tesla построит на Аляске хранилище энергии на 93 МВт*ч. Строительство аккумуляторной станции снизит зависимость штата от ископаемого топлива и откроет дорогу возобновляемым источникам энергии.

IT News

Дата Категория: it

Мир полон изменяемых величин. Некоторые величины изменяются непрерывно, некоторые шаг за шагом. К примеру, такие явления, как температура и громкость звука, изменяются незаметно, мы не замечаем разделения или перехода от одной величины к другой.

Величины, которые изменяются непрерывно, или бесшагово, называются аналоговыми величинами. В противоположность им, переключатель электрического тока может быть либо включен, либо выключен, среднего не дано. Возьмем номер телефона 123-45-67, следующий будет 123-45-68, и ничего посередине. Величины, изменяющиеся пошагово, называются цифровыми.

Электронные схемы внутри компьютера тоже являются цифровыми и действуют на основе двух состояний электрической цепи: есть/нет ток, высокое/ низкое напряжение. Средних величин не существует. Эти два условия соответствуют цифровым значениям единицы и ноля, так что все арифметические величины могут быть представлены в терминах двоичной системы исчисления.

Цифры двоичной системы 1 и 0 могут быть ис-пользованы в двоичных комбинациях для обозначения других символов, таких как буквы алфавита. Прежде чем информация будет введена в компьютер, она должна быть выражена в цифрах двоичной системы — 1 и 0.

Нажатие литерной клавиши на клавиатуре компьютера запускает поезд из единиц и нолей, при помощи которых закодирована данная буква.

С другой стороны, аналоговые величины не могут быть непосредственно введены в компьютер или выведены из него. Сначала они должны быть обработаны при помощи аналого-цифрового преобразователя (А/Ц). К примеру, звуковые волны музыкального тона, уловленного микрофоном, сначала преобразуются в аналоговое напряжение.

Затем А/Ц преобразователь производит серию цифровых величин, близко соответствующих оригиналу, и эта цифровая информация вводится в компьютер. Когда необходимо вывести результат, компьютерный цифровой сигнал преобразуется в аналоговый.

Технология этого преобразования, или конверсии, позволяет компьютеру получать данные как из цифрового, так и из аналогового миров.

Ввод данных. Данные с клавиатуры введены; голоса из микрофона нет.

Аналоговый сигнал. Сигналы из микрофона поступают в форме звуковых волн.

А/Ц конверсия. Волна представлена в виде лестницы, со степенями из соответствующих высот.

Ввод. Информация выражена теперь в цифровой форме и может быть введена в компьютер.

Цифровой вывод. Компьютер выводит результат в виде цифрового сигнала.

Ц/А конверсия. Цифровой сигнал преобразуется в аналоговый.

Аналоговый вывод. Данные появляются на мониторе или в виде голоса говорящего.

Аналоговая и цифровая конверсия

Чтобы преобразовать аналоговую величину в цифровую, аналоговая информация в виде волны в определенный отрезок времени — к примеру, в течение 1 секунды песни — должна быть разделена на короткие одинаковые сегменты. Затем высота волны в каждом сегменте выражается в форме числовой величины.

Таким образом аналоговая величина становится серией числовых величин, причем одна величина соответствует одному сегменту. В свою очередь, числовые величины могут быть представлены компьютером в виде электрических сигналов.Чтобы преобразовать цифровую величину в аналоговую, необходимо серию цифровых величин перевести в соответствующее напряжение, отдельное для каждого сегмента.

Затем этот набор последовательных высот объединяется в плавную звуковую волну.

А/Ц конверсия

Аналоговая величина в форме волны становится набором двоичных чисел.

Ц/А конверсия

Цифровые величины становятся аналоговой волной.

Информация в цифровой форме, которая производится нажатием клавиш клавиатуры (внизу слева), может прямо поступить в компьютер.

Но информация в аналоговой форме, например, звук голоса, для введения в компьютер должна быть преобразована в цифровую форму.

Точно так же вывод из компьютера (внизу) производится только в цифровой форме; чтобы получить аналоге вую информацию, такую как музыка, должно быть произведено цифро-аналоговое преобразование.

Аналоговые преобразователи – адаптированные измерительные средства аналоговых сигналов

Аналоговые преобразователи адаптированы для обработки аналоговых датчиков. В качестве регуляторов, унифицирующих выходной сигнал, аналоговые преобразователи проявляют лучшие качества.

Модели приборов и аналоги

Сравнительная таблица аналоговых преобразователей нескольких моделей:

Области применения

Аналоговые преобразователи используются в широких сферах:

Общепромышленные нужды
Сфера образования, стенды, лаборатории
Опытное и наукоемкое производство
Энергетика
С/х, аграрный комплекс (терморегуляторы в инкубаторах)
Промышленные АСУ

Назначение

Приборы предназначены для преобразования мощности, тока и напряжения, частоты, сопротивления и иных электрических величин в типовой аналоговый сигнал выхода. Спектр задач, решаемых аналоговыми преобразователями, достаточно обширен:

Высокоточные измерения электрических величин, их сопутствующих и производных (ток, напряжение, мощность, сопротивление, частота);
Гальваническая развязка по входу/выходу, масштабирование сигналов датчиков;
Сбор параметров и значений измеряемых величин;
Нормирование сигнала выхода под стандартный (0-20 мА или 0-10 В);
Регулирование и управление (температурные контроллеры на терморезисторах/термопарах, управление потребляемой энергией);
Согласование датчиков в системе;
Мониторинг и сигнализация.

Преимущества

В сравнении с цифровыми приборами аналоговые измерительные преобразователи имеют такие достоинства:

Экономичность и надежность
Непрерывность измерений
Простота конструкции и компактные размеры (в большинстве случаев под DIN-рейку)

Стоит отметить такое качество:

Специализированность – наиболее оптимальная работа с типовыми датчиками (например, типов Pt100, 100M и термопар)

Недостатки

Среди недостатков приборов:

Ограниченный выбор моделей с широким функционалом (что зачастую решается выбором цифровых приборов)
Ограниченный диапазон (в сравнении с цифровыми преобразователями)
Менее удобное представление информации для оператора

Принцип работы прибора

В частных случаях методы измерений могут отличаться в зависимости от поддерживаемых сигналов, подаваемых на вход. Общие черты работы измерительных аналоговых преобразователей представлены на примере CN6000:

Аналоговые ток/напряжение, ТП, ТС подводятся ко входу прибора и далее входные схемы усиливают и преобразуют сигнал в соответствии с исходными настройками. После этого перед выходной схемой производится развязка и изолирование входных цепей от выходных. Конечная выходная схема формирует требуемые унифицированные сигналы.

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 Rнагр).

Не имеет значения, чему равно сопротивление Rнагр, 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 Rнагр.

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.

Оригинал статьи:

Voltage-to-Current Signal Conversion

Преобразование сигнала напряжение-ток

В схемах контрольно-измерительных приборов сигналы постоянного тока очень часто применяются в качестве аналогового представления физических величин, таких как температура, давление, вес и движение. Сигналы постоянного тока в подобных схемах используются гораздо чаще, чем сигналы напряжения постоянного тока.

Это связано с тем, что при протекании тока в последовательной замкнутой цепи от источника (измерительного прибора) к нагрузке (индикатор, записывающее устройство или контроллер) амплитуда сигналов тока будет оставаться постоянной, в то время как сигналы напряжения в параллельной цепи могут изменяться, что связано с потерей на сопротивление в проводниках. Кроме того, измерительные приборы, работающие с сигналами тока обладают низким полным сопротивлением (в то время, как измерительные приборы, работающие с сигналами напряжения обладают высоким полным сопротивлением), благодаря чему они отличаются повышенной устойчивостью к электрическим шумам.

Для того чтобы использовать ток в качестве представления физических величин, в схеме сигнала должен генерироваться ток нужной величины.

Но как же возможно генерировать ток заданной величины, если нам неизвестно сопротивление? Для этого необходимо использовать такой усилитель, в котором ток будет поддерживаться на заданном уровне, при приложении напряжение такой величины, которая необходима нагрузке для поддержки этого тока на заданном значении. Такой усилитель выполняет функции источника тока. Для выполнения этой функции отлично подходит операционный усилитель с отрицательной обратной связью:

Входное напряжение подобной схемы поступает с какого-либо физического преобразователя измерительного типа, прокалиброванного таким образом, чтобы генерировать 1 вольт при измерении, соответствующем нулю, и 5 вольт при величине измерения, соответствующей 100%.

Стандартный аналоговый сигнал тока лежит в диапазоне от 4 мА до 20 мА, что соответствует диапазону измерений от 0 до 100%, соответственно.

При входном напряжении 5 В, напряжение на (прецизионном) резисторе 250 Ом будет также составлять 5 В, и в результате ток в данной части цепи будет равен 20 мА (при наличии Rнагр.) Не имеет значения, каков будет номинал резистора Rнагр.

, или насколько велико сопротивление проводников в этой большой петле, поскольку напряжения питания операционного усилителя достаточно для того, чтобы обеспечивать напряжение, достаточное для получения 20 мА на нагрузке Rнагр.

Резистор 250 Ом устанавливает взаимосвязь между входным напряжением и выходным током, в данном случае создавая эквивалент 1-5 В на входе / 4-20 мА на выходе. Если бы нам было необходимо преобразовать входной сигнал 1-5 В в выходной сигнал 10-50 мА (это устаревший промышленный стандарт для контрольно-измерительной аппаратуры), то мы бы использовали прецизионный резистор номиналом 100 Ом.

Другое название этой схемы — усилитель тока, управляемый напряжением.

Основным рабочим параметром подобного усилителя является математическое отношение изменения тока к изменению напряжения (?I / ?V), измеряемое в сименсах (См); эта же единица используется для выражения электрической проводимости (величина, обратная сопротивлению: ток/напряжение). В данной схеме отношение ток/напряжение фиксируется посредством резистора 250 Ом, что обеспечивает линейную зависимость выходной ток/входное напряжение.

РЕЗЮМЕ:
В промышленных устройствах для аналогового представления физических величин чаще всего используются сигналы постоянного тока. Сигналы тока лучше подходят для передачи на «принимающий» прибор, поскольку в последовательных цепях ток абсолютно одинаков во всех точках схемы, в независимости от сопротивления проводов, в то время как напряжение в параллельно соединённых цепях может изменяться вследствие сопротивления проводов.
С помощью датчиков гораздо проще сгенерировать необходимые сигналы напряжения, чем сигналы тока. Для «преобразования» сигналов напряжения в сигналы тока используются операционные усилители. В этом режиме операционный усилитель будет обеспечивать необходимое напряжение для поддержания тока на нужном уровне.

Сюжеты Конструирование

Тактические фонари и профессиональная светотехника.

Тактические и профессиональные фонари. В первую очередь, это светотехнические средства, пригодные для применения в экстремальных и сложных условиях, а так же техника, оптимизированная для узкого спектра задач, например подствольные фонари или фонари для дайвинга.

13429 0

Активная распределенная антенная система

Активная распределенная антенная система представляет собой двунаправленный репитер, который усиливает и дублирует выходной сотовый сигнал внутри одного помещения. Усиленный сигнал дублируется с помощью внутренней антенны. Подобным образом дублируется сотовый сигнал и за пределами здания.

6007 0

Для схемы данного интегратора подойдёт практически любая модель операционного усилителя, но в списке необходимых компонентов указана модель 1458, так как входные токи смещения этого ОУ гораздо выше.

Как правило, высокий входной ток смещения считается плохой стороной того или иного операционного усилителя, если он используется в схеме усилителя постоянного тока (и особенно в схеме интегратора!).

7403 0

Аналого-цифровой преобразователь

Четырёхканальный аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь[1][2][3] (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Обратное преобразование осуществляется при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП, DAC).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Разрешение

Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах.

Например, двоичный 8-разрядный АЦП способен выдать 256 дискретных значений (0…255), поскольку

2

8

=
256

{displaystyle 2^{8}=256}

, троичный 8-разрядный АЦП способен выдать 6561 дискретное значение, поскольку

3

8

=
6561

{displaystyle 3^{8}=6561}

.

Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и минимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Например:

Пример 1
- Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт
- Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 212 = 4096 уровней квантования
- Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ
- Разрядность троичного АЦП 12 трит: 312 = 531 441 уровень квантования
- Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-0)/531441 = 0,0188 мВ = 18,8 мкВ
Пример 2
- Диапазон входных значений = от −10 до +10 вольт
- Разрядность двоичного АЦП 14 бит: 214 = 16384 уровня квантования
- Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 вольт = 1,22 мВ
- Разрядность троичного АЦП 14 трит: 314 = 4 782 969 уровней квантования
- Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 мВ = 4,18 мкВ

На практике разрешение АЦП ограничено отношением сигнал/шум входного сигнала. При большой интенсивности шумов на входе АЦП различение соседних уровней входного сигнала становится невозможным, то есть ухудшается разрешение. При этом реально достижимое разрешение описывается эффективной разрядностью (англ.

effective number of bits, ENOB), которая меньше, чем реальная разрядность АЦП. При преобразовании сильно зашумлённого сигнала младшие разряды выходного кода практически бесполезны, так как содержат шум.

Для достижения заявленной разрядности отношение сигнал/шум входного сигнала должно быть примерно 6 дБ на каждый бит разрядности (6 дБ соответствует двукратному изменению уровня сигнала).

Типы преобразования

По способу применяемых алгоритмов АЦП делят на:

Последовательные прямого преобразования
Последовательного приближения
Последовательные с сигма-дельта-модуляцией
Параллельные одноступенчатые
Параллельные двух- и более ступенчатые (конвейерные)

АЦП первых двух типов подразумевают обязательное применение в своем составе устройства выборки и хранения (УВХ). Это устройство служит для запоминания аналогового значения сигнала на время, необходимое для выполнения преобразования.

Без него результат преобразования АЦП последовательного типа будет недостоверным.

Выпускаются интегральные АЦП последовательного приближения, как содержащие в своем составе УВХ, так и требующие внешнее УВХ[источник не указан 1626 дней].

Линейные АЦП

Большинство АЦП считаются линейными, хотя аналого-цифровое преобразование, по сути, является нелинейным процессом (поскольку операция отображения непрерывного пространства в дискретное — операция нелинейная).

Термин линейный применительно к АЦП означает, что диапазон входных значений, отображаемый на выходное цифровое значение, связан по линейному закону с этим выходным значением, то есть выходное значение k достигается при диапазоне входных значений от

m(k + b)

до

m(k + 1 + b),

где m и b — некоторые константы. Константа b, как правило, имеет значение 0 или −0.5. Если b = 0, АЦП называют квантователь с ненулевой ступенью (mid-rise), если же b = −0,5, то АЦП называют квантователь с нулём в центре шага квантования (mid-tread).

Нелинейные АЦП

Если бы плотность вероятности амплитуды входного сигнала имела равномерное распределение, то отношение сигнал/шум (применительно к шуму квантования) было бы максимально возможным.

По этой причине обычно перед квантованием по амплитуде сигнал пропускают через безынерционный преобразователь, передаточная функция которого повторяет функцию распределения самого сигнала. Это улучшает достоверность передачи сигнала, так как наиболее важные области амплитуды сигнала квантуются с лучшим разрешением.

Соответственно, при цифро-аналоговом преобразовании потребуется обработать сигнал функцией, обратной функции распределения исходного сигнала.

Это тот же принцип, что и используемый в компандерах, применяемых в магнитофонах и различных коммуникационных системах, он направлен на максимизацию энтропии. (Не путать компандер с компрессором!)

Е854ЭЛ

Тип преобразователя	Исполнение	Габаритные размеры, мм	Масса, кг, не более
Е854ЭЛ	с RS485	70х85,5х89	0,4
без RS485	70х85,5х79

Диапазон преобразования входного сигнала	Диапазон изменения выходного сигнала, мA	Сопротивление нагрузки не более, Ом
переменный ток, A	напряжение переменного тока, В	выход 1	выход 2
—	0…125, 0…250, 75…125, 150…250, 0…100, 0…400, 0…500	0…5	0…5	0…2500
4…20, 0…20	4…20, 0…20	0…500
0…0,5; 0…1; 0…2,5; 0…5	—	0…5	0…5	0…2500
4…20, 0…20	4…20, 0…20	0…500

Отображение информации
Дополнительные возможности	Подключение модулей индикации или табло по интерфейсу RS485
Телеизмерение
Входной сигнал	А: 0…0,5; 0…1; 0…2,5; 0…5 В: 0…125, 0…250, 75…125, 150…250, 0…100, 0…400, 0…500
Пределы основной погрешности	± 0,5 %
Гальваническая развязка входных и выходных цепей, цепей питания	Есть
Кратковременные перегрузки по входному сигналу с кратностью (максимальное значение)	Ток: Кратность: 20; число перегрузок: 2; длительность каждой перегрузки, сек.: 0,5; интервал между двумя перегрузками, сек.: 0,5. Напряжение: Кратность: 1,5; число перегрузок: 9; длительность каждой перегрузки, сек.: 0,5; интервал между двумя перегрузками, сек.: 15.
Входное сопротивление при измерении напряжения	(1-0,005) МОм
Интерфейс связи / Аналоговые выходы
RS485	Количество: 0, 1, 2; протокол Мodbus RTU; Скорость обмена интерфейса: 4800, 9600, 19200, 38400 бод.
Аналоговые выходы	Количество: 0, 1, 2 Диапазоны: 0…5 мА;4…20 мА;0…20 мА
Время установления выходного аналогового сигнала, не более	0,5 с
Питание
Напряжение питания	220ВУ — от 85 до 264 В переменного тока частотой 50 Гц или от 100 до 370 В постоянного тока; 230В — от 85 до 264 В переменного тока частотой 50 Гц; 12ВН — (12+6/-3) В постоянного тока; 24ВН — (24+12/-6) В постоянного тока
Мощность потребления от цепи питания, не более	— 1 Вт от цепи входного сигнала (для параллельной цепи); — 0,01 Вт от цепи входного сигнала (для последовательной цепи); — 6 В·А от цепи питания
Условия эксплуатации
Рабочий диапазон температур	От -40 до +50 °С
Степень защиты	IP50
Монтаж	На DIN-рейку
Сечение проводов	до 4 мм^2 (одножильные провода), до 2,5 мм^2 (многожильные провода)
Максимальная перегрузка по входному сигналу (длительность)	120% (2 ч)
Межповерочный интервал	10 лет
Гарантийный срок эксплуатации	2 года
Средний срок службы, не менее	20 лет
Средняя наработка на отказ	200000 ч

Форма заказа
Е854ЭЛ – a – b – c – d – e – f
а – диапазон измерения (преобразования) входного сигнала;
b – условное обозначение напряжения питания
220ВУ – универсальное питание: напряжение питания от 85 до 264 В переменного тока частотой 50 Гц или от
100 до 370 В постоянного тока;
230В – напряжение питания от 85 до 264 В переменного тока частотой 50 Гц;
12ВН – (12+6/-3) В постоянного тока;
24ВН – (24+12/-6) В постоянного тока;
с – условное обозначение диапазона изменения выходного аналогового сигнала:
А = 0…5 мА; В = 4…20 мА; С = 0…20 мА;
х – при отсутствии параметра (только для преобразователей, изготавливаемых с RS485);
d – условное обозначение диапазона изменения дополнительного выходного аналогового сигнала (параметр отсутствует для преобразователей, не имеющих исполнение с интерфейсами):
х – при отсутствии параметра;
А = 0…5 мА; В = 4…20 мА; С = 0…20 мА;
e – наличие интерфейса:
х – интерфейс отсутствует ;
1RS – один интерфейс RS485 (основной);
2RS – два интерфейса RS485 (основной и дополнительный);
f — специальное исполнение:
ОМ2 – для эксплуатации на морских судах;
А – для эксплуатации на атомных станциях
(класс безопасности 4);
— при отсутствии специального исполнения параметр не указывается.
Пример оформления заказа
Для преобразователя, имеющего следующие характеристики: тип преобразователя Е854ЭЛ, диапазон измерения (преобразования) входного сигнала от 0 до 2,5 А, напряжение питания (12+6/-3)В постоянного тока, диапазон изменения выходного сигнала 4…20 мА, один интерфейс RS485