Preproste tehnike napetost-tok in tok-napetost - James H. Reinholm

Obstaja veliko vrst pretvornikov napetost-tok in tok-napetost in večina jih uporablja kombinacijo opampov in tranzistorjev za doseganje visoke stopnje natančnosti. Kadar pa visoka natančnost ni potrebna, lahko s pomočjo enega ali dveh uporov naredimo preprost tovrstni pretvornik.

Upor kot pretvornik napetosti v tok

Vsak upor R, ki je priključen na napajalnik V, lahko štejemo za pretvornik napetosti v tok, saj je tok odvisen od napetosti po Ohmovem zakonu - formula, za katero je I = V / R.

Če je en konec upora odklopljen in je druga komponenta D priključena na odklopljeni napajalni priključek in upor, tako da sta R in D zaporedoma v omrežju, se vezje še vedno obnaša kot pretvornik napetosti v tok, če napetost pade čez komponento D je zelo majhen ali razmeroma konstanten.

Ta komponenta je lahko dioda, LED ali cenerjeva dioda ali celo upor majhne vrednosti. Spodnji diagram prikazuje te možne kombinacije. Na upor R lahko mislimo tudi kot na omejevalni upor za dodano komponento D.

Tok, ki teče skozi D, se določi s preprosto formulo: I = (V - VD) / R, kjer je VD padec napetosti na dodani komponenti.

Pri konstantnih vrednostih VD in R je tok odvisen samo od V. Za naprej usmerjene diode je VD približno 0,3 - 0,35 voltov za germanij in 0,6 - 0,7 voltov za silicijeve diode in je v celotnem območju tokov relativno konstanten. LED so podobne diodam, le da so izdelane iz posebnih materialov, ki oddajajo svetlobo.

Kako LED delujejo z upori

Imajo napetost prednapetosti, ki je nekoliko višja od običajnih diod in je lahko od približno 1,4 do 3 volte, odvisno od barve. LED delujejo učinkovito pri približno 10 mA do 40 mA, upor za omejevanje toka pa je skoraj vedno priključen na enega od terminalov LED, da se prepreči kakršna koli škoda zaradi močnega toka.

Obstajajo rahle spremembe napetostnih padcev diod in LED za različne trenutne ravni, vendar jih je pri izračunu običajno mogoče zanemariti. Zener diode se razlikujejo po tem, da so povezane z obratno pristranskostjo.

To nastavi fiksni padec napetosti VD na cenerjevi diodi, ki je lahko od 2V do približno 300V, odvisno od vrste. Da bi katera od teh naprav delovala, mora biti napajalna napetost višja od padca napetosti VD.

Vsaka vrednost upora bi delovala, če je njegova vrednost dovolj nizka, da omogoča pretok zadostnega toka, hkrati pa je dovolj visoka, da odvečni tok ne teče. Običajno je nekje v tem serijskem vezju vstavljena preklopna komponenta, ki vklopi ali izklopi LED itd. To je lahko tranzistor, FET ali izhodna stopnja opampa.

LED in upor v svetilkah

LED svetilka je v osnovi sestavljena iz baterije, stikala, LED in uporovnega omejevalnika, ki so vsi povezani zaporedno. Včasih je tokovno omejevalno vezje sestavljeno iz dveh zaporedno uporov prek napajalnika, namesto naprave tipa upor in dioda.

Drugi upor RD ima veliko manjšo vrednost kot trenutno omejevalni upor R in se pogosto imenuje 'uporni' ali 'smiselni' upor.

Na vezje lahko še vedno gledamo kot na pretvornik napetosti v tok, saj lahko zgornjo formulo zdaj zmanjšamo na I = V / R, saj je VD zanemarljiv v primerjavi z V.

Tok bo zdaj odvisen samo od napetosti, saj je R konstanta. Tovrstno vezje lahko pogosto najdemo v različnih senzorskih tokokrogih, kot so temperaturni in tlačni senzorji, kjer v napravi z majhnim uporom teče določena količina toka.

Napetost na tej napravi se običajno ojača za merjenje kakršne koli spremembe, saj se upor senzorja spreminja v različnih pogojih. To napetost lahko odčita celo multimeter, če ima zadostno občutljivost.

Če formulo I = V / R obrnemo, da postane napetostna funkcija V = I R, lahko preprosto vezje z dvema uporoma tudi štejemo za pretvornik toka v napetost.

Upor za omejevanje toka ima še vedno veliko večjo vrednost od zaznavnega upora in ta zaznavni upor je dovolj majhen, da na noben smiseln način ne vpliva na delovanje vezja.

Uporaba trenutnega zaznavnega upora

Tok se pretvori v napetost z dejstvom, da lahko majhno napetost VD na zaznavnem uporu zazna multimeter ali pa ga ojačimo in uporabimo kot signal v A / D pretvornik.

Ta izmerjena napetost označuje trenutni pretok s formulo Ohmovega zakona V = I R. Če na primer 0,001 A teče skozi 1 ohm, je odčitavanje napetosti 0,001 V.

Pretvorba je za upor 1 ohma enostavna, če pa je ta vrednost previsoka, lahko uporabimo drugo vrednost - na primer 0,01 ohma - in napetost zlahka najdemo z V = I R.

Dejanska vrednost zaznavnega upora v tej razpravi ni pomembna. Lahko je od 0,1 ohma do 10 ohmov, če je trenutno omejevalni upor veliko višji. V visokotemperaturnih aplikacijah mora biti vrednost zaznavnega upora zelo majhna, da se prepreči odvajanje moči.

Tudi pri vrednosti okoli 0,001 ohma je na njej mogoče zaznati razumno napetost zaradi velikega toka. V takih primerih se čutilni upor običajno imenuje 'uporni upor'.

Ta vrsta vezja se pogosto uporablja za merjenje toka, na primer z enosmernim motorjem. Enostavno je uporabiti multimeter za merjenje izmenične ali enosmerne napetosti na kateri koli točki elektronskega vezja, na primer na matični plošči računalnika. Na multimetru je nastavljena ustrezna napetostna lestvica, črna sonda je priključena na ozemljitveno točko in rdeča sonda je priključena na kontrolno točko.

Nato se napetost odčita neposredno. Upajmo, da je impedanca vhodnega vezja sonde dovolj visoka, da nikakor ne vpliva na delovanje vezja. Vhodna impedanca sonde mora imeti zelo visoko serijsko upornost skupaj z zelo majhno kapacitivnostjo ranžiranja.

Merjenje tokovne napetosti v kompleksnih tokokrogih

Merjenje izmeničnega ali enosmernega toka na kateri koli točki v tokokrogu namesto napetosti postane nekoliko bolj zapleteno in to vezje bo morda treba nekoliko spremeniti, da bo to prilagojeno. Morda bo mogoče ožičenje vezja prekiniti na točki, kjer je zaželeno merjenje tokovnega toka, in nato na obe kontaktni točki vstaviti zaznavni upor z nizko vrednostjo.

Tudi ta vrednost upora bi morala biti dovolj nizka, da ne bi vplivala na delovanje vezja. Nato lahko multimeter-sonde povežemo preko tega zaznavnega upora z uporabo ustrezne napetostne lestvice in prikaže se napetost upora.

To lahko pretvorimo v tok, ki teče skozi preskusno točko, tako da ga delimo z vrednostjo zaznavnega upora, kot je v formuli I = V / R.

V nekaterih primerih lahko zaznavni upor trajno zadrži v vezju, če je treba pogosto meriti tok na določeni preskusni točki.

Uporaba DMM za preverjanje toka

Verjetno bi bilo veliko lažje izmeriti trenutni pretok z multimetrom neposredno, namesto da bi morali uporabljati občutljivi upor. Torej, po rezanju žice na točki, ki jo je treba izmeriti, lahko senzorski upor izpustite, multimeter pa priklopi neposredno na dve kontaktni točki.

Če je nastavljena ustrezna lestvica izmeničnega ali enosmernega toka, se na multimetru prikaže indikacija trenutnega pretoka. Vedno je pomembno, da na multimeter nastavite pravilno lestvico napetosti ali toka, preden priklopite sonde, ali tvegate objavo ničle.

Ko je trenutna lestvica nastavljena na multimeter, postane vhodna impedanca vhodnih sond zelo majhna, podobno kot senzorski upor.

Vhod sonde v multimeter si lahko predstavljamo kot smiselni ali 'shunt' upor, zato je sam multimeter lahko namesto RD upora vključen v zgornji diagram. Upajmo, da je vhodna impedanca multimetra dovolj nizka, da nikakor ne vpliva na delovanje vezja.

Preproste tehnike pretvorbe tok-napetost in napetost-tok v ta članek, ki so obravnavane v tem članku, niso tako natančne kot tiste, ki temeljijo na tranzistorju ali ojačevalniku, vendar bodo v mnogih aplikacijah delovale povsem v redu. Z uporabo zgoraj prikazanega serijskega vezja je mogoče tudi druge vrste preprostih pretvorb.

Na primer, vhod kvadratnega vala je mogoče pretvoriti v valovno obliko žage (integrator) z zamenjavo komponente D s kondenzatorjem.

Edina omejitev je, da mora biti časovna konstanta RC velika glede na obdobje kvadratnega valovnega signala.