Convertoare tensiune-curent

Convertoare tensiune-curent

Exista o serie de situatii in care este necesar ca tensiunea pe o sarcina sau curentul printr-o sarcina sa nu depinda de valoarea sarcinii. Obtinerea unei tensiuni care sa fie independenta de valoarea sarcinii pe care se aplica nu pune probleme, deoarece sursele uzuale (surse de alimentare stabilizate, surse de referinta) au in general aceasta proprietate: comportarea lor se apropie de comportarea unei surse ideale de tensiune. De asemenea, configuratiile de AO cu reactie negativa se comporta si ele, la iesirea AO, ca surse ideale de tensiune.

Pentru obtinerea unui curent care sa fie independent de valoarea sarcinii este nevoie sa convertim tensiunea intr-un curent. Circuitele care fac aceasta conversie se numesc convertoare tensiune-curent sau surse de curent comandate in tensiune.

In Fig.4.32 sunt prezentate doua convertoare tensiune curent pentru sarcina flotanta, in conexiune inversoare (a) si respectiv neinversoare (b), cand rezistenta de sarcina R_s este legata nu intre iesirea AO si masa ci introdusa in reactie.

Fig.4.32. Convertoare tensiune-curent pentru sarcina flotanta:

a)      conexiune inversoare; b) conexiune neinversoare

Neajunsul important pentru ambele convertoare este ca rezistenta de sarcina este flotanta, adica nu are nici o borna la masa.

Considerand ca sensul pozitiv arbitrar al curentului prin sarcina este orientat in ambele scheme, de la iesirea AO spre intrarea lui, expresiile curentului prin sarcina pentru convertorul inversor respectiv neinversor sunt:

(4.60)

Pentru tensiuni de intrare pozitive, in convertorul inversor, curentul de sarcina trece de la intrarea inversoare spre iesirea AO, iar in cel neinversor de la iesirea AO spre intrarea inversoare. Pentru tensiuni de intrare negative se inverseaza sensul curentilor.

Pentru evitarea distrugerii circuitului integrat, la un AO de uz general curentul de iesire I₀ este limitat la 10 mA. Deoarece I₀=I_s pentru ambele convertoare, rezulta ca si curentul de sarcina este limitat la 10 mA.

De asemenea, tensiunea la iesirea AO nu poate depasii tensiunea de alimentare a acestuia intrucat AO intra in saturatie. Ca urmare si tensiunea pe sarcina este limitata intrucat ea depinde de tensiunea de iesire. Astfel, pentru convertorul inversor tensiunea pe sarcina V_s este egala cu V₀, iar pentru convertorul neinversor V_S=V₀-V_I.

Daca inlocuim rezistenta de sarcina din schema convertorului tensiune curent neinversor cu un miliampermetru, obtinem un instrument pentru masurarea tensiunii de intrare adica, un voltmetru de c.c (Fig.4.33). Se observa ca:

(4.61)

si astfel miliampermetru poate fi gradat direct in volti.

Intrucat tensiunea de masurat se aplica intrarii neinversoare a AO, rezistenta de intrare a voltmetrului este foarte mare. Pe langa acest avantaj se observa ca valoarea curentului prin instrument nu este influentata de modificarea rezistentei interne a acestuia.

Fig.4.33. Convertor tensiune-curent neinversor utilizat ca voltmetru de c.c.

Proiectarea voltmetrului se rezuma la calculul rezistentei R astfel incat pentru tensiunea de masurat maxima V_{x max}, prin instrument sa treaca curentul nominal (maxim), la capatul scarii I_max. Deci:

R=V_{x max}/I_max (4.62)

De exemplu, dispunand de un miliampermetru cu curentul nominal I_max=1mA se poate realiza un voltmetru cu tensiunea nominala V_{x max}=5V, introducand o rezistenta R=5kW

Convertoarele tensiune curent pot fi utilizate pentru verificarea mai multor diode, masurand caderea de tensiune la bornele fiecaruia, pentru un curent fix pentru fiecare dioda (Fig.4.34). Se observa ca:

I_D=I_i=V_i/R=constant (4.63)

Masurand tensiunea la iesirea AO vom afla si caderea de tensiune pe dioda.

Fig.4.34. Convertor tensiune-curent inversor pentru verificarea diodelor

Convertoarele tensiune-curent pentru sarcina flotanta nu pot fi folosite in cazul in care sarcina trebuie sa aibe unul din terminale la masa. In Fig. 4.35. sunt prezentate doua astfel de convertoare, unul inversor si unul neinversor.

Fig.4.35. Convertoare tensiune curent pentru sarcina cu terminal la masa: a) inversor; b) neinversor

Se observa ca pentru convertorul inversor:

(4.64)

iar pentru cel neinversor:

(4.65)

Uneori este necesara obtinerea unui curent prin sarcina mai mare decat valoarea maxima a curentului de iesire pe care il poate furniza AO de care se dispune. O solutie consta in legarea la iesirea AO a unui tranzistor bipolar cu rol de amplificator de curent. Deoarece tranzistorul poate conduce curent intr-un singur sens (impus de tipul npn sau pnp) inseamna ca si curentul prin sarcina poate avea un singur sens. Rezulta ca si tensiunea de intrare trebuie sa aibe polaritate fixata astfel incat sa fie asigurat sensul corect al curentului prin sarcina.

In Fig.4.36 sunt prezentate doua astfel de convertoare inversoare iar in Fig.4.37 doua convertoare neinversoare.

Fig.4.36. Convertoare tensiune-curent inversoare pentru curenti mari si sarcina flotanta: a) pentru V_i<0; b) pentru V_i>

Fig.4.37. Convertoare tensiune-curent neinversoare pentru curenti mari si sarcina flotanta: a) pentru V_i>0; b) pentru V_i<

Se observa ca la toate cele patru convertoare curentul prin sarcina este de b ori mai mare decat curentul de iesire al AO (b este factorul de amplificare in curent al tranzistorului).

Aplicatia 4.10

Pentru verificarea stralucirii unei serie de diode electroluminiscente este necesar trecerea prin acestea a unui curent constant I_D=20mA. In acest scop vom folosii un convertor neinversor pentru curent mare si sarcina flotanta, realizat cu un AO tip bA741 alimentat la 15V,al carui curent maxim de iesire este 10mA si un tranzistor pnp cu factorul de amplificare in curent b=100. Diodele electroluminiscente vor fi montate in locul rezistentei de sarcina orientate astfel incat sa fie polarizate direct (Fig.4.38).

Fig.4.38. Convertor tensiune-curent neinversor folosit la verificarea diodelor electroluminiscente

Indiferent de caderea de tensiune pe dioda verificata curentul prin ea este:

I_D = -V_i/R = -(-2V)/100W = 20mA    (4.66)

iar curentul de iesire al AO (curentul de baza al tranzistorului):

I₀ = I_D/b = 20/100 = 0,2mA    (4.67)

Convertorul poate furniza un curent maxim:

I_Dmax = bI_0max = 100 10mA = 1A    (4.68)