Jednostavne tehnike napona-struje i struje-napona - James H. Reinholm

Postoje mnoge vrste pretvaračkih krugova napona u struju i struje u napon, a većina ih koristi kombinaciju opampa i tranzistora za postizanje visoke razine točnosti. Ali kada visoka točnost nije potrebna, jednostavan pretvarač ove vrste može se izraditi pomoću samo jednog ili dva otpora.

Otpornik kao pretvarač napona u struju

Bilo koji otpor R koji je povezan preko izvora napajanja V može se smatrati pretvaračem napona u struju, jer struja ovisi o naponu putem Ohmovog zakona - formula za koju je I = V / R.

Ako je jedan kraj otpora odspojen, a druga komponenta D spojena na odvojeni terminal za napajanje i otpornik, tako da su R i D u nizu u mreži, strujni krug i dalje se ponaša poput pretvarača napona u struju ako pad napona preko komponente D je vrlo mali ili relativno konstantan.

Ova komponenta može biti dioda, LED ili cener dioda ili čak otpor male vrijednosti. Dijagram u nastavku prikazuje ove moguće kombinacije. Otpor R također se može smatrati otporom ograničavanja struje za dodanu komponentu D.

Struja koja prolazi kroz D određuje se jednostavnom formulom: I = (V - VD) / R, gdje je VD pad napona na dodanoj komponenti.

Za konstantne vrijednosti VD i R, struja ovisi samo o V. Za prednje pristrane diode VD je oko 0,3 - 0,35 volta za germanij i 0,6 - 0,7 volta za silicijske diode i relativno je konstantna u širokom rasponu struja. LED diode su slične diodama, osim što su izrađene od posebnih materijala koji emitiraju svjetlost.

Kako LED rade s otpornicima

Imaju prednapon prednapona koji je malo veći od uobičajenih dioda, a mogao bi biti od oko 1,4 volta do preko 3 volta, ovisno o boji. LED diode djeluju učinkovito na oko 10 mA do 40 mA, a otpor za ograničavanje struje gotovo je uvijek priključen na jedan od LED terminala kako bi se spriječila oštećenja uslijed velike struje.

Postoje male promjene u padovima napona dioda i LED-a za različite razine struje, ali to se obično može zanemariti u izračunu. Zener diode se razlikuju po tome što su povezane s obrnutim pristranošću.

Ovo postavlja fiksni pad napona VD na cener diodi koji bi mogao biti od 2V do oko 300V, ovisno o vrsti. Da bi bilo koji od ovih uređaja mogao raditi, opskrbni napon mora biti veći od pada napona VD.

Bilo koja vrijednost otpornika funkcionirala bi, sve dok je njegova vrijednost dovoljno niska da omogući dovoljno struje da istječe, dok je istovremeno dovoljna da spriječi protok viška struje. Obično je negdje u ovom serijskom krugu umetnuta sklopna komponenta koja uključuje ili isključuje LED itd. To može biti tranzistor, FET ili izlazni stupanj opampa.

LED i otpor u svjetiljkama

LED svjetiljka u osnovi se sastoji od baterije, prekidača, LED-a i otpornika za ograničavanje struje koji su svi spojeni u seriju. Ponekad se krug za ograničavanje struje sastoji od dva otpornika u nizu u napajanju, umjesto od uređaja s otpornikom i diodom.

Drugi otpornik RD ima puno manju vrijednost od otpornika za ograničavanje struje, R, i često se naziva otpornim (shunt) ili 'osjetnim' otpornikom.

Na krug se i dalje može gledati kao na pretvarač napona u struju, jer se gornja formula sada može svesti na I = V / R, jer je VD zanemariv u odnosu na V.

Struja će sada ovisiti samo o naponu, budući da je R konstanta. Ovakav krug se često može naći u raznim krugovima senzora, poput senzora temperature i tlaka, gdje u uređaju s malim otporom teče definirana količina struje.

Napon na ovom uređaju obično se pojačava kako bi se izmjerile bilo kakve promjene jer se otpor senzora mijenja u različitim uvjetima. Ovaj napon se može očitati i multimetrom ako ima dovoljnu osjetljivost.

Ako se formula I = V / R preokrene da postane naponska funkcija V = I R, jednostavni serijski krug s dva otpornika može se smatrati i pretvaračem struje u napon.

Otpor za ograničavanje struje još uvijek ima vrijednost mnogo veću od osjetnog otpora, a ovaj osjetnik je dovoljno mali da na bilo koji značajan način ne utječe na rad kruga.

Korištenje otpornika osjetnika struje

Struja se pretvara u napon činjenicom da se mali napon VD na osjetnom otporu može otkriti multimetrom ili se može pojačati i primijeniti kao signal u A / D pretvarač.

Ovaj izmjereni napon ukazuje na strujni tok s Ohmovom formulom zakona V = I R. Na primjer, ako 0,001 A teče kroz 1 ohm, očitanje napona iznosi 0,001 V.

Pretvorba je jednostavna za otpor od 1 ohma, ali ako je ta vrijednost previsoka, može se koristiti druga vrijednost - poput 0,01 ohma, a napon se lako može pronaći pomoću V = I R.

Stvarna vrijednost osjetničkog otpora nije važna u ovoj raspravi. Može biti od 0,1 ohma do 10 ohma, sve dok je otpor za ograničavanje struje mnogo veći. U primjenama jake struje, vrijednost osjetničkog otpora trebala bi biti vrlo niska kako bi se spriječilo prekomjerno rasipanje snage.

Čak i s vrijednošću oko 0,001 ohma, na njemu se može osjetiti razumni napon zbog velikog protoka struje. U ovakvim slučajevima osjetni otpor se obično naziva 'shunt' otpornik.

Ova vrsta sklopa često se koristi za mjerenje struje, na primjer, istosmjernog motora. Jednostavna je stvar koristiti multimetar za mjerenje izmjeničnog ili istosmjernog napona u bilo kojoj točki elektroničkog kruga, na primjer na matičnoj ploči računala. Na multimetru je postavljena odgovarajuća skala napona, crna sonda spojena na uzemljenje, a crvena sonda spojena na kontrolnu točku.

Potom se napon očitava izravno. Nadamo se da je impedancija ulaznog kruga sonde dovoljno visoka da ni na koji način ne utječe na rad kruga. Ulazna impedancija sonde trebala bi imati vrlo visok serijski otpor zajedno s vrlo malom kapacitivnosti šanta.

Mjerenje napona struje u složenim krugovima

Mjerenje izmjenične ili istosmjerne struje u bilo kojoj točki kruga umjesto napona postaje malo nezgodnije i krug će možda trebati malo modificirati kako bi se prilagodio tome. Možda bi bilo moguće prekinuti ožičenje kruga na mjestu gdje se želi mjerenje strujnog toka, a zatim na dvije kontaktne točke umetnuti osjetni otpor male vrijednosti.

Opet, vrijednost ovog otpora trebala bi biti dovoljno niska da ne utječe na rad kruga. Zatim se multimetarske sonde mogu povezati preko ovog osjetnog otpornika pomoću odgovarajuće skale napona i prikazat će se napon otpornika.

To se može pretvoriti u struju koja prolazi kroz ispitnu točku dijeljenjem sa vrijednošću osjetnog otpora, kao u formuli I = V / R.

U nekim se slučajevima osjetni otpor može trajno zadržati u krugu ako je potrebno često mjeriti struju na određenoj ispitnoj točki.

Upotreba DMM-a za provjeru struje

Vjerojatno bi bilo puno lakše izravno izmjeriti protok struje multimetrom, umjesto da moramo koristiti osjetni otpor. Dakle, nakon rezanja žice na mjestu koje treba izmjeriti, osjetni otpor se može izostaviti i izvodi multimetra priključiti izravno na dvije kontaktne točke.

Na multimetru će se prikazati indikacija trenutnog protoka ako je postavljena odgovarajuća skala izmjenične i istosmjerne struje. Uvijek je važno postaviti ispravnu ljestvicu napona ili struje na multimetar prije spajanja sondi ili riskirati objavljivanje očitanja nule.

Kada se na multimetru postavi trenutna skala, ulazna impedancija ulaznih sondi postaje vrlo mala, slično osjetnom otporu.

Ulaz sonde multimetra može se smatrati osjetnim ili 'shunt' otpornikom, tako da se sam multimetar može uključiti umjesto RD otpornika u gornji dijagram. Nadamo se da je ulazna impedancija multimetra dovoljno niska da ni na koji način ne utječe na rad sklopa.

Jednostavne tehnike pretvaranja struje u napon i napona u struju, o kojima se raspravlja u ovom članku, nisu tako precizne kao one koje se temelje na tranzistoru ili pojačalu, ali za mnoge će aplikacije dobro funkcionirati. Također je moguće izvršiti i druge vrste jednostavnih pretvorbi pomoću serijskog kruga prikazanog gore.

Na primjer, ulaz kvadratnog vala može se pretvoriti u valni oblik zuba pile (integrator) zamjenom D komponente s kondenzatorom.

Jedino ograničenje je da vremenska konstanta RC treba biti velika u odnosu na razdoblje kvadratnog vala.