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運放組成的V/I和I/V變換電路TOP6設計詳解

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關鍵詞: 運放,交流調壓,變頻電路,VI變換,

      對交流電的電壓和頻率進行轉變的電路。按其對電能變換的功能,可分為交流調壓電路和變頻電路。前者不改變交流電的頻率,只改變其電壓。按一定規律控制交流調壓電路開關的通斷,即可控制輸出負載電壓。交流調壓電路的控制方式有周波控制、相位控制和斬波控制等3種方式。周波控制調壓適用于負載熱時間常數較大的電熱控制系統。其缺點是在負載容量很大時,開關的通斷引起對電網的沖擊,從而引起電網電壓閃變。相位控制調壓適用于電動機速度控制或電熱控制。其主要缺點是輸出電壓包含較多的諧波分量,當負載是電動機時,會使它產生脈動轉矩和附加諧波損耗,還會引起電源電壓畸變。為此,須在電源側和負載側分別加濾波網絡。斬波調壓電路輸出電壓質量較高,對電源影響也較小,主要缺點是元器件成本較高。

      1、 0-5V/0-10mA的V/I變換電路

      圖1是由運放和阻容等元件組成的V/I變換電路,能將0-5V的直流電壓信號線性地轉換成0-10mA的電流信號,A1是比較器。A3是電壓跟隨器,構成負反饋回路,輸入電壓Vi與反饋電壓Vf比較,在比較器A1的輸出端得到輸出電壓VL,V1控制運放A1的輸出電壓V2,從而改變晶體管  T1的輸出電流IL而輸出電流IL又影響反饋電壓Vf,達到跟蹤輸入電壓Vi的目的。輸出電流IL的大小可通過下式計算:IL=Vf/(Rw+R7),由于負反饋的作用使Vi=Vf,因此IL=Vi/(Rw+R7),當Rw+R7取值為500Ω時,可實現0-5V/0-10mA的V/I轉換。

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      2、 0-10V/0-10mA的V/I變換電路

      圖2中Vf是輸出電流IL流過電阻Rf產生的反饋電壓,即V1與V2兩點之間的電壓差,此信號經電阻R3、R4加到運放A1的兩個輸入端  Vp與Vn,反饋電壓Vf=V1-V2,對于運放A1,有VN=Vp;Vp=V1/(R2+R3)×R2,VN=V2+(Vi-V2)×R4  /(R1+R4),所以V1/(R2+R3)×R2=V2+(Vi-V2)×R4/(R1+R4),依據Vf=V1-V2及上式可推導出:

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      若式中R1=R2=100kΩ,R1=R4=20kΩ,則有:Vf×R1=Vi×R4,得出:Vf=R4/R1×Vi=1/5Vi,如果忽略流過反饋回路R3、R4的電流,則有:IL=Vf/Rf=Vi/5Rf,由此可以看出。當運放的開環增益足夠大時,輸出電流IL與輸入電壓Vi滿足線性關系,而且關系式中只與反饋電阻Rf的阻值有關。顯然,當Rf=200Ω時,此電路能實現0-10v/0-10mA的V/I變換。

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      3、 1-5V/4-20mA的V/I變換電路

      在圖3中。輸入電壓Vi是疊加在基準電壓VB(VB=10V)上,從運放A1的反向輸入VN端輸入的,晶體管T1、T2組成復合管,作為射極跟蹤器,起到降低T1基極電流的作用(即忽略反饋電流I2),使得IL≈I1,而運放A1滿足VN≈Vp,如果電路圖中  R1=R2=R,R4=R5=kR,則有如下表達式:

      

      由式①②③可推出:

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      若Rf=62.5Ω,k=0.25,Vi=1-5V,則I1=4-20mA,而實際變換電流IL比I1小,相差I2(IL=I1-  I2),I2是一個隨輸入電壓Vi變化的變量,輸入電壓最小時(Vi=1V),誤差最大,在實際應用中,為了使誤差降到最小,一般R1,R2,Rf的阻值分別選取40.25kΩ,40kΩ,62.5Ω。

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      4、 0-10mA/0-5V的I/V變換電路

      在實際應用中,對于不存在共模干擾的電流輸入信號,可以直接利用一個精密的線繞電阻,實現電流/電壓的變換,如圖4,若精密電阻  R1+Rw=500Ω,可實現0-10mA/0-5V的I/V變換,若精密電阻R1+Rw=250Ω,可實現4-20mA/1-5V的I/V變換。圖中  R,C組成低通濾波器,抑制高頻干擾,Rw用于調整輸出的電壓范圍,電流輸入端加一穩壓二極管。

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      對于存在共模干擾的電流輸入信號,可采用隔離變壓器耦合方式,實現0-10mA/0-5V的I/V變換,一般變壓器輸出端的負載能力較低,在實際應用中還應在輸出端接一個電壓跟隨器作為緩沖器。

      5、 由運放組成的0-10mA/0-5V的I/V變換電路

      在圖5中,運放A1的放大倍數為A=(R1+Rf)/R1,若R1=100kΩ,Rf=150kΩ,則A=2.5;若R4=200Ω,對于  0-10mA的電流輸入信號,將在R4上產生0-2V的電壓信號,由A=2.5可知,0-10mA的輸入電流對應0-5V的輸出電壓信號。

      運放組成的V/I和I/V變換電路設計詳解

      圖中電流輸入信號Ii是從運放A1的同相輸入端輸入的,因此要求選用具有較高共模抑制比的運算放大器。

      6、 4-20mA/0-5V的I/V變換電路

      經對圖6電路分析,可知流過反饋電阻Rf的電流為(Vo-VN)/Rf與VN/R1+(VN-Vf)/R5相等,由此,可推出輸出電壓Vo的表達式:

      Vo=(1+Rf/R1+Rf/R5)×VN-(R4/R5)×Vf.由于VN≈Vp=Ii×R4,上式中的VN即可用Ii×R4替換,若  R4=200Ω,R1=18kΩ,Rf=7.14kΩ,R5=43kΩ,并調整Vf≈7.53V,輸出電壓Vo的表達式可寫成如下的形式:

      運放組成的V/I和I/V變換電路設計詳解

      當輸入4-20mA電流信號時,對應輸出0-5V的電壓信號。

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    (審核編輯: 智匯張瑜)

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