Áram-feszültség konverterek, áramgenerátorok

Áram-feszültség konverter

Az alábbi áramkör kimenetén a bemeneti árammal arányos feszültség jelenik meg. Tekinthetjük áramvezérelt feszültséggenerátornak, áram-feszültség konverternek is.

Mivel a műveleti erősítő invertáló bemenete ebben az esetben virtuális földpont és a bemeneteibe áram gyakorlatilag nem folyik, így az áram a megegyezik a visszacsatoló körben levő ellenálláson átfolyó árammal. Az áramirány miatt a kimeneti feszültség pozitív, értéke:

Az alábbi áramkör egy fotodióda erősítőt mutat. A fotodióda árama arányos a megvilágítással, ez az áram folyik át az R₁ ellenálláson.

A gyakorlatban elég kicsi lehet az áram, így olyan műveleti erősítőt kell választani, aminek ennél sokkal kisebb a bemenő árama. A visszacsatolókörben az ellenállással párhuzamosan kondenzátort is szoktak használni, ami az erősítő stabil működését biztosítja, kompenzálja a dióda kapacitásának a hatását.

Precíz áramgenerátorok

Az alábbi kapcsolásnál kimenetnek tekinthetjük a visszacsatolókört is, amiben az R_L terhelés van. Az ezen átfolyó áram V₁/R₁-el egyezik meg nagy pontossággal.

A műveleti erősítő kimeneti árama általában viszonylag kicsi (10 mA-20 mA), ezt tranzisztor alkalmazásával növelhetjük meg.

A műveleti erősítő bemenetei azonos potenciálon vannak, így az R₁ ellenálláson a feszültségesés V₁, azaz az emitteráram V₁/R₁. A kimenet a kollektorkör, amiben az áram jó közelítéssel megegyezik az emitterárammal.

Földelt terhelés esetén PNP tranzisztort használhatunk. Itt arra is figyelnünk kell, hogy az emitteráram nagysága (V₊-V₁)/R₁, így a tápfeszültség pontossága, ingadozása a gyakorlatban jelentősebb korlátot adhat.

Térvezérlésű tranzisztorok alkalmazásával elérhetjük, hogy a referencia és terhelőellenállásokon azonos áram folyjon át.

Jelgenerátorok

Az alábbi egyszerű kapcsolás periodikus négyszögjel előállítására alkalmas. Az áramkör lényegében egy Schmitt-trigger, amelynek a kimenete egy RC integrálókört hajt meg. Az integrálókör kimenete vissza van vezetve a Schmitt-trigger bemenetére.

A komparátor kimenete csak két érték, V_H vagy V_L lehet, melyek a tápfeszültséghez közeli értékek. Ha a kimenet V_H, akkor ez az R₃ ellenálláson keresztül tölti a kondenzátort. Ez addig történik, mig a kondenzátor feszültsége el nem éri a billenési küszöbszintet, ami

Ekkor a kimenet a V_L alsó szintre vált, és a kondenzátor elkezdi kisülni. Az alsó küszöbszint

A töltés kezdeti pillanatában tehát a kondenzátor feszültsége V_C,L, a töltőfeszültség V_H, ami az R₃ ellenálláson keresztül hat a V_C,H szint eléréséig. Így a kondenzátoron levő feszültség időfüggése τ=R₃⋅C₁ bevezetésével

A t_a töltési idő V_C,a(t_a) behelyettesítésével adódik:

A t_b kisülési időt hasonlóan kaphatjuk meg:

A kimeneti jel periódusideje t_a+t_b.

Ha a küszöbszintek közeliek, jóval kisebbek, mint a kimeneti feszültségszintek (azaz R₁≪R₂), akkor a töltőáram közel állandó, értéke

Ebből a töltési időre az alábbi egyenletet kapjuk

A töltési időtartam

Ha feltételezzük, hogy a kimeneti szintek a földpotenciáltól egyenlő távolságra vannak, azaz V_H≈|V_L| és így V_C,H≈|V_C,L|≈V_H⋅R₁/(R₁+R₂), akkor V_C,H-V_C,L=2⋅V_H⋅R₁/(R₁+R₂), a teljes periódusidő pedig:

Az alábbi ábrán kék színnel a kondenzátor feszültsége, feketével a kimeneti négyszögjel jel látható.

A küszöbszintek aránya, R₁/(R₁+R₂)

Precíz integrátort is használhatunk a passzív RC integrálókör helyett:

Ebben az esetben a kondenzátort állandó áram tölti és süti ki, az integrátor kimeneti jele precíz háromszögjel, a Schmitt-triggeré négyszögjel. A töltőáram most pontosan V_H/R₃, a váltás akkor következik be, amikor V_H⋅R₁=V_out⋅R₂, ezzel a periódusidő

Az alábbi ábrán kék színnel az integrátor kimeneti feszültsége, feketével a Schmitt-trigger kimeneti négyszögjele látható.

Az ellenállások aránya, R₁/R₂