运放组成的V/I和I/V变换电路TOP6设计详解

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对交流电的电压和频率进行转变的电路。按其对电能变换的功能,可分为交流调压电路和变频电路。前者不改变交流电的频率,只改变其电压。按一定规律控制交流调压电路开关的通断,即可控制输出负载电压。交流调压电路的控制方式有周波控制、相位控制和斩波控制等3种方式。周波控制调压适用于负载热时间常数 较大的电热控制系统。其缺点是在负载容量很大时,开关的通断引起对电网的冲击,从而引起电网电压闪变。相位控制调压适用于电动机速度控制或电热控制。其主要缺点是输出电压包含较多的谐波分量,当负载是电动机时,会使它产生脉动转矩和附加谐波损耗,还会引起电源电压畸变。为此,须在电源侧和负载侧分别加滤波 网络。斩波调压电路输出电压质量较高,对电源影响也较小,主要缺点是元器件成本较高。

1、 0-5V/0-10mA的V/I变换电路

图1是由运放和阻容等元件组成的V/I变换电路,能将0-5V的直流电压信号线性地转换成0-10mA的电流信号,A1是比较器。A3是电压跟随器,构 成负反馈回路,输入电压Vi与反馈电压Vf比较,在比较器A1的输出端得到输出电压VL,V1控制运放A1的输出电压V2,从而改变晶体管 T1的输出电流IL而输出电流IL又影响反馈电压Vf,达到跟踪输入电压Vi的目的。输出电流IL的大小可通过下式计算:IL=Vf/(Rw+R7),由 于负反馈的作用使Vi=Vf,因此IL=Vi/(Rw+R7),当Rw+R7取值为500Ω时,可实现0-5V/0-10mA的V/I转换。

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2、 0-10V/0-10mA的V/I变换电路

图2中Vf是输出电流IL流过电阻Rf产生的反馈电压,即V1与V2两点之间的电压差,此信号经电阻R3、R4加到运放A1的两个输入端 Vp与Vn,反馈电压Vf=V1-V2,对于运放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),依据Vf=V1-V2及上式可推导出:

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若式中R1=R2=100kΩ,R1=R4=20kΩ,则有:Vf×R1=Vi×R4,得出:Vf=R4/R1×Vi=1/5Vi,如果忽略流过反馈回 路R3、R4的电流,则有:IL=Vf/Rf=Vi/5Rf,由此可以看出。当运放的开环增益足够大时,输出电流IL与输入电压Vi满足线性关系,而且关 系式中只与反馈电阻Rf的阻值有关。显然,当Rf=200Ω时,此电路能实现0-10v/0-10mA的V/I变换。

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3、 1-5V/4-20mA的V/I变换电路

在图3中。输入电压Vi是叠加在基准电压VB(VB=10V)上,从运放A1的反向输入VN端输入的,晶体管T1、T2组成复合管,作为射极跟踪器,起 到降低T1基极电流的作用(即忽略反馈电流I2),使得IL≈I1,而运放A1满足VN≈Vp,如果电路图中 R1=R2=R,R4=R5=kR,则有如下表达式:

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  由式①②③可推出:

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若Rf=62.5Ω,k=0.25,Vi=1-5V,则I1=4-20mA,而实际变换电流IL比I1小,相差I2(IL=I1- I2),I2是一个随输入电压Vi变化的变量,输入电压最小时(Vi=1V),误差最大,在实际应用中,为了使误差降到最小,一般R1,R2,Rf的阻值 分别选取40.25kΩ,40kΩ,62.5Ω。

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4、 0-10mA/0-5V的I/V变换电路

在实际应用中,对于不存在共模干扰的电流输入信号,可以直接利用一个精密的线绕电阻,实现电流/电压的变换,如图4,若精密电阻 R1+Rw=500Ω,可实现0-10mA/0-5V的I/V变换,若精密电阻R1+Rw=250Ω,可实现4-20mA/1-5V的I/V变换。图中 R,C组成低通滤波器,抑制高频干扰,Rw用于调整输出的电压范围,电流输入端加一稳压二极管。

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对于存在共模干扰的电流输入信号,可采用隔离变压器耦合方式,实现0-10mA/0-5V的I/V变换,一般变压器输出端的负载能力较低,在实际应用中还应在输出端接一个电压跟随器作为缓冲器。

5、 由运放组成的0-10mA/0-5V的I/V变换电路

在图5中,运放A1的放大倍数为A=(R1+Rf)/R1,若 R1=100kΩ,Rf=150kΩ,则A=2.5;若R4=200Ω,对于 0-10mA的电流输入信号,将在R4上产生0-2V的电压信号,由A=2.5可知,0-10mA的输入电流对应0-5V的输出电压信号。

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图中电流输入信号Ii是从运放A1的同相输入端输入的,因此要求选用具有较高共模抑制比的运算放大器。

6、 4-20mA/0-5V的I/V变换电路

经对图6电路分析,可知流过反馈电阻Rf的电流为(Vo-VN)/Rf与VN/R1+(VN-Vf)/R5相等,由此,可推出输出电压Vo的表达式:

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替换,若 R4=200Ω,R1=18kΩ,Rf=7.14kΩ,R5=43kΩ,并调整Vf≈7.53V,输出电压Vo的表达式可写成如下的形式:

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当输入4-20mA电流信号时,对应输出0-5V的电压信号。

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