Розробка структурної схеми

2. Розробка структурної схеми

 

2.1 Аналіз існуючих методів вимірювання струму

Струм - явище спрямованого руху носіїв електричних зарядів (струм вільних зарядів) та зміну електричного поля в часі (струм заміщення). Обидва ці явища супроводжуються появою магнітного поля. Додатнім напрямом електричного струму прийнято вважати напрям руху носіїв позитивних зарядів.

Електричний струм визначається кількістю заряду, що проходить крізь поверхню за одиницю часу, тобто:

I=dq/dt. (1)

Одиниця сили струму є Ампер і є однією з основних одиниць системи CІ:

[і] - [q]/[t] = 1К/с = 1А. (2)

Похідні одиниці - це 1 міліампер (1 мА = 10-3А); 1 мікроампер (1 мкА =10^-6А); 1 кілоампер (1 кА = 10³А).

Для кіл постійного струму можна визначити значення енергії за час t:

W = UIt. (3)

За наявності струму та опору в колі за законом Ома можна визначити напругу для ділянки кола:

U = IR. (4)

Для кіл постійного струму потужність можна отримати так:

P = IU. (5)

У якості перетворювача струму у напругу використаємо схему з інвертуючим підсилювачем, у якого опір вхідного резистора приблизно дорівнює нулю (рисунок 1).

  

Рисунок 1 - Схема з інвертуючим підсилювачем

При такому включенні вхідний опір схеми має дуже малу величину і

визначається виразом:

 (6)

Вихідна напруга перетворювача струм-напруга пропорційна вхідному струму І (струм джерела), помноженого на опір резистора зворотнього зв’язку Rз.з.:

Uвих = ІRз.з. (7)

Для підвищення роздільної здатності перетворювача струм-напруга необхідно, щоб сигнальний струм перевищував значення вхідного струму операційного підсилювача. Тому при вимірюванні малих струмів варто використовувати операційні підсилювачі з найменшими вхідними струмами, підсилювачі з польовими транзисторами на вході (рисунок 2).

Ця схема також доцільна у використанні якщо немає операційного підсилювача з малими вхідними струмами.

Резистор R2 потрібен для балансування вихідної напруги. Конденсатор С3 призначений для зменшення вихідної шумової напруги.

Для сучасних операційних підсилювачів, що мають коефіцієнт підсилення А порядку декількох десятків тисяч вхідний опір перетворювача струм-напруга складає лише декілька Ом.

Рисунок 2 – Перетворювач струму в напругу з вхідним каскадом на польових транзисторах

Похибка перетворювача струм-напруга значною мірою визначається параметрами самого операційного підсилювача. Вона зумовлена напругою зміщення, вхідним струмом та їх дрейфами.

2.2 Розробка структурної схеми перетворювача

На рисунку 3 представлена структурна схема перетворювача

  

Рисунок 3 - Структурна схема перетворювача

ПП – первинний перетворювач, призначений для перетворення струму у напругу за допомогою схеми з інвертуючим підсилювачем, у якого опір схеми має дуже малу величину.

ПН – підсилювач напруги, призначений для підсилення величини вихідного сигналу по напрузі до заданого в умові. Можна використати підсилювач на БТ.

ПП – підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні.

Використаємо емітерний повторювач зображений на рисунок 4.

 

Рисунок 4 - Емітерний повторювач

2.3 Попередній розрахунок первинного перетворювача

Інвертуючий підсилювач (див.рисунок 1) перетворює вхідний сигнал, що надходить на інвертуючий вхід ОП, так, що вихідний сигнал має фазу, протилежну фазі вхідного сигналу. При інвертую чому вмиканні вхідний сигнал подається на інвертуючий вхід, а прямий вхід з’єднується з нульовим потенціалом.

І_вх = U_вх/R₁; I₀ = U_вих/R₀.(8)

Так як R_вх+=R_вх-= ∞; І_вх = -I₀→ U_вх/R₁ = - U_вих/R₀. (9)

Знайдемо вихідну напругу перетворювача струм-напруга:

U_вих = ІR_з.з. (10)

Так як R_з.з.= R_вх · (І + 1) = 15 · (10^-3 + 1) = 15.015 (Ом);

U_вих = 10^-3 · 15.015 = 15.015 · 10^-3 В.

Коефіцієнт підсилення К = 15 / 15.015·10^-3 = 1100.

Інвертуючий підсилювач виконано на основі ОП, саме тому необхідно провести вибір ОП. Таким чином для операційного підсилювача:

, (11)

,

.

Виберемо ОП К140Д1Б.

Основні параметри:

нА- вхідний струм;

В - максимальна вихідна напруга;

МГц- гранична частота.

Діапазон робочих температур дорівнює (30-60)С.