Преобразование сигнала напряжение-ток
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 (ΔI / ΔV), 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.