Итак, в первой части
мы познакомились с двумя очень полезными схемами на операционных
усилителях - инвертирующим и неинвертирующим усилителем. Теперь
поговорим, о других схемах, которые можно реализовать на этих
усилителях.
Итак, ставим себе задачу - измерить ток в разрыве какой-нибудь цепи,
причем сразу оговоримся, что речь идет о токах 1мкА и меньше, поскольку
в этом случае обычный тестер нельзя будет использовать, у него не
хватит разрешающей способности. У моего рабочего Mastech M890C
минимальный предел это 2 мА, что означает, что меньше чем 10 мкА он
просто не регистрирует. Поэтому надо что-то делать. Как будем
действовать? Думать, вспоминать закон Ома и соображать. Так уж
повелось, что все измерительные приборы, которыми мы пользуемся в
последнее время весьма охотно измерят напряжение, а ток меряют только
после какого-нибудь преобразования тока в напряжения. Может я плохо
информирован, но о токовых АЦП я не слышал, а АЦП, которые измеряют
напряжение стоят повсюду. Поэтому будем преобразовывать ток в
напряжение.
Простейшим преобразователем тока в напряжение является обыкновенный
резистор. Напряжение на нем по закону Ома равно произведению тока на
сопротивление. Итого, если мы пропустим ток в 1 мкА через резистор в
1кОм, то напряжение на нем составит 1мкА*1кОм=1мВ. Мало, АЦП не
зарегистрирует, нужно усиливать. Ну тогда можно применить одну из схем,
которые мы изучили в предыдущей части нашего повествования.
Например, схему неинвертирующего усилителя. Получилось у нас ровно то,
что изображено на рисунке. Какие недостатки у этой схемы? Ну один
просто очевиден - падение напряжения на таком измерителе будет зависеть
от тока, протекающего в цепи, что может исказить реальное значение
тока. Ну и высокое входное сопротивление прибора, а поскольку амперметр
должен иметь низкое входное сопротивление, то что-то нам подсказывает,
что эта схема не очень хорошо будет работать. Хотя оговоримся сразу же
- для больших токов эта схема замечательно работает, особенно потому,
что при больших токах существенными становятся процессы тепловыделения,
а поэтому количество элементов, через которые протекает большой ток
следует уменьшить.
Ну да ладно, лирическое отступление
закончили, принялись сочинять схему, которая была бы свободна от этих
недостатков. А что будет если взять схему инвертирующего усилителя (кто
не помнит, то см. первую часть), выкинуть из неё входной резистор (кто
не понял, это который R2),
выкинуть источник входного напряжения, а вместо него подвести к
инвертирующему входу измеряемый ток, что будет. Правильно, на выходе
будет напряжение -IизмR1. Не забыли почему минус. Молодцы.
Итак, что мы видим, мы преобразовали входной ток в напряжение на
выходе, но между входами у нас 0В при любом входном токе, при котором
выходное напряжение не достигает напряжения питания(ну не может больше
операционный усилитель выдать на выходе, а поэтому ограничен диапазон
токов, которые можно измерять). Тогда, опять таки если мы возьмем
входной ток в 1мкА, а сопротивление R1 в 1МОм, то напряжение на
выходе составит -1В. Хм, а это уже легко измеряется любым вольтметром,
хоть тестером, хоть каким-нибудь В7-35, который я использую для разных
своих дел. Вот как все замечательно. Осталось только разобрать один
очень интересный вопрос, который называется Т-цепочка. Что это
такое, давайте представим себе такую ситуацию - вы идете в магазин, а
там нет резистора 1МОм, есть только 100 кОм и меньше.
Вот блин засада, нужно ставить второй операционник и усиливать сигнал
по напряжению. В принципе вариант, но можно поступить хитрее. И
использовать вот такую схему.
Спрашивается, какое напряжение будет на
выходе? Ну если вы усвоили два правила работы с операционными
усилителями и закон Ома(его то я надеюсь вы помните), то вам нетрудно
будет понять, что напряжение на выходе составит -IвхR1(1+R2/R3).
А это значит, что если мы хотим получить коэффициент преобразования
порядка 107 В/А, то нам нужны сопротивления R1=100кОм, R2=99кОм,
R3=1кОм. А уж такие сопротивления вы легко найдете в магазине, или в
собственной коллекции. А для чего нужны такие большие коэффициенты
преобразования - для измерения токов порядка 1 нА и меньше, но об этом
мы поговорим в другой статье, в которой я расскажу о том, как
спроектировать наноамперметр или гигаомметр, в зависимости от того, что
вам нужно. А в следующей части нашей беседы об операционных усилителях
мы поговорим о генераторах и фильтрах на базе операционных усилителей.
