Απλές τεχνικές τάσης προς ρεύμα και ρεύματος προς τάση - από τον James H. Reinholm

Δοκιμάστε Το Όργανο Μας Για Την Εξάλειψη Των Προβλημάτων





Υπάρχουν πολλοί τύποι κυκλωμάτων μετατροπέα τάσης σε ρεύμα και ρεύματος σε τάση και τα περισσότερα από αυτά χρησιμοποιούν συνδυασμό opamps και τρανζίστορ για να επιτύχουν υψηλό επίπεδο ακρίβειας. Αλλά όταν δεν απαιτείται υψηλή ακρίβεια, μπορεί να γίνει ένας απλός μετατροπέας αυτού του τύπου χρησιμοποιώντας μόνο μία ή δύο αντιστάσεις.

Αντίσταση ως τάση στον τρέχοντα μετατροπέα

Κάθε αντίσταση R που είναι συνδεδεμένη σε τροφοδοτικό V μπορεί να θεωρηθεί μετατροπέας τάσης σε ρεύμα, καθώς το ρεύμα εξαρτάται από την τάση μέσω του νόμου του Ohm - ο τύπος για τον οποίο είναι I = V / R.



Εάν ένα άκρο της αντίστασης αποσυνδεθεί και ένα άλλο εξάρτημα D είναι συνδεδεμένο στον αποσυνδεδεμένο ακροδέκτη τροφοδοσίας και την αντίσταση έτσι ώστε τα R και D να βρίσκονται σε σειρά κατά μήκος της τροφοδοσίας, το κύκλωμα εξακολουθεί να συμπεριφέρεται σαν μετατροπέας τάσης σε ρεύμα εάν η τάση κατά μήκος του συστατικού D είναι πολύ μικρό ή σχετικά σταθερό.

Αυτό το εξάρτημα θα μπορούσε να είναι μια δίοδος, LED ή δίοδος zener ή ακόμη και αντίσταση χαμηλής αξίας. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει αυτούς τους πιθανούς συνδυασμούς. Η αντίσταση R μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως αντίσταση περιορισμού ρεύματος για το πρόσθετο συστατικό D.



Το ρεύμα που ρέει μέσω του D καθορίζεται από τον απλό τύπο: I = (V - VD) / R, όπου το VD είναι η πτώση τάσης στο προστιθέμενο στοιχείο.


Για σταθερές τιμές VD και R, το ρεύμα εξαρτάται μόνο από το V. Για προς τα εμπρός μεροληπτικές διόδους, το VD είναι περίπου 0,3 - 0,35 βολτ για το γερμάνιο και 0,6 - 0,7 βολτ για δίοδοι πυριτίου και είναι σχετικά σταθερό σε ένα ευρύ φάσμα ρευμάτων. Οι λυχνίες LED είναι παρόμοιες με τις διόδους, εκτός του ότι κατασκευάζονται με χρήση ειδικών υλικών που εκπέμπουν φως.

Πώς λειτουργούν τα LED με αντιστάσεις

Έχουν μια τάση προς τα εμπρός πόλωσης που είναι λίγο υψηλότερη από τις κανονικές διόδους και θα μπορούσε να είναι οπουδήποτε από περίπου 1,4 βολτ έως πάνω από 3 βολτ, ανάλογα με το χρώμα. Οι λυχνίες LED λειτουργούν αποτελεσματικά σε περίπου 10 mA έως 40 mA, και μια αντίσταση περιορισμού ρεύματος συνδέεται σχεδόν πάντα με έναν από τους ακροδέκτες LED για να αποφευχθεί οποιαδήποτε ζημιά λόγω υψηλού ρεύματος.

Υπάρχουν μικρές αλλαγές στις πτώσεις τάσης των διόδων και των LED για διαφορετικά επίπεδα ρεύματος, αλλά αυτά συνήθως μπορούν να παραμεληθούν στον υπολογισμό. Οι δίοδοι Zener είναι διαφορετικές στο ότι συνδέονται με αντίστροφη προκατάληψη.

Αυτό καθορίζει μια σταθερή πτώση τάσης VD στη δίοδο zener που θα μπορούσε να είναι οπουδήποτε από 2V έως περίπου 300V, ανάλογα με τον τύπο. Για να λειτουργήσει οποιαδήποτε από αυτές τις συσκευές, η τάση τροφοδοσίας πρέπει να είναι υψηλότερη από την πτώση τάσης VD.

Οποιαδήποτε τιμή αντίστασης θα λειτουργούσε, αρκεί η τιμή της να είναι αρκετά χαμηλή ώστε να επιτρέπει επαρκές ρεύμα να ρέει, ενώ ταυτόχρονα να είναι αρκετά υψηλή για να διατηρεί το υπερβολικό ρεύμα από τη ροή. Συνήθως υπάρχει ένα στοιχείο μεταγωγής τοποθετημένο κάπου σε αυτό το κύκλωμα σειράς, το οποίο ανάβει ή σβήνει ένα LED κλπ. Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα τρανζίστορ, FET ή το στάδιο εξόδου ενός opamp.

LED και αντίσταση σε φακούς

Ένας φακός LED βασικά αποτελείται από μπαταρία, διακόπτη, LED και περιοριστική αντίσταση ρεύματος, όλα συνδεδεμένα σε σειρά. Μερικές φορές, το τρέχον περιοριστικό κύκλωμα αποτελείται από δύο αντιστάσεις σε σειρά σε μια τροφοδοσία, αντί για μια συσκευή τύπου αντίστασης και διόδου.

Η δεύτερη αντίσταση RD έχει πολύ μικρότερη τιμή από την τρέχουσα περιοριστική αντίσταση, R, και συχνά ονομάζεται αντίσταση «shunt» ή «sense».

Το κύκλωμα μπορεί ακόμα να θεωρηθεί ως μετατροπέας τάσης σε ρεύμα, καθώς ο παραπάνω τύπος μπορεί τώρα να μειωθεί σε I = V / R, καθώς το VD είναι αμελητέο σε σύγκριση με το V.

Το ρεύμα θα εξαρτάται τώρα μόνο από την τάση, καθώς το R είναι σταθερό. Αυτό το είδος κυκλώματος μπορεί συχνά να βρεθεί σε διάφορα κυκλώματα αισθητήρων, όπως αισθητήρες θερμοκρασίας και πίεσης, όπου μια καθορισμένη ποσότητα ρεύματος πρόκειται να ρέει σε μια συσκευή με μικρή αντίσταση.

Η τάση σε αυτήν τη συσκευή συνήθως ενισχύεται για να μετρήσει οποιαδήποτε αλλαγή καθώς η αντίσταση του αισθητήρα αλλάζει υπό διαφορετικές συνθήκες. Αυτή η τάση μπορεί ακόμη και να διαβαστεί από ένα πολύμετρο εάν έχει επαρκή ευαισθησία.

Εάν ο τύπος I = V / R περιστραφεί για να γίνει συνάρτηση τάσης V = I R, το απλό κύκλωμα σειράς δύο αντιστάσεων μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως μετατροπέας ρεύματος σε τάση.

Η τρέχουσα περιοριστική αντίσταση εξακολουθεί να έχει τιμή πολύ υψηλότερη από την αντίσταση αίσθησης, και αυτή η αντίσταση αίσθησης είναι αρκετά μικρή ώστε να μην επηρεάζει τη λειτουργία του κυκλώματος με κανένα ουσιαστικό τρόπο.

Χρησιμοποιώντας μια τρέχουσα αντίσταση ανίχνευσης

Ένα ρεύμα μετατρέπεται σε τάση από το γεγονός ότι η μικρή τάση VD κατά μήκος της αντίστασης ανίχνευσης μπορεί να ανιχνευθεί από ένα πολύμετρο ή μπορεί να ενισχυθεί και να εφαρμοστεί ως σήμα σε μετατροπέα A / D.

Αυτή η μετρούμενη τάση υποδεικνύει την τρέχουσα ροή με τον τύπο νόμου του Ohm V = I R. Για παράδειγμα, εάν 0,001 A ρέει μέσω 1 ohm, η ένδειξη τάσης είναι 0,001 V.

Η μετατροπή είναι απλή για αντίσταση 1 ohm, αλλά αν αυτή η τιμή είναι πολύ υψηλή, μπορεί να χρησιμοποιηθεί άλλη τιμή - όπως 0,01 ohms - και η τάση μπορεί εύκολα να βρεθεί χρησιμοποιώντας V = I R.

Η πραγματική τιμή της αντίστασης της αίσθησης δεν είναι σημαντική σε αυτήν τη συζήτηση. Μπορεί να είναι οπουδήποτε από 0,1 έως 10 ohm, εφ 'όσον η τρέχουσα περιοριστική αντίσταση είναι πολύ υψηλότερη. Σε εφαρμογές υψηλού ρεύματος, η τιμή της αντίστασης ανίχνευσης θα πρέπει να είναι πολύ χαμηλή για να αποφευχθεί η υπερβολική απορρόφηση ισχύος.

Ακόμη και με τιμή περίπου 0,001 ohms, μια εύλογη τάση μπορεί να ανιχνευθεί κατά μήκος αυτού λόγω της υψηλής ροής ρεύματος. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η αντίσταση αίσθησης ονομάζεται συνήθως αντίσταση «shunt».

Αυτό το είδος κυκλώματος χρησιμοποιείται συχνά για τη μέτρηση του ρεύματος μέσω ενός κινητήρα DC, για παράδειγμα. Είναι απλό θέμα να χρησιμοποιείτε ένα πολύμετρο για τη μέτρηση της τάσης AC ή DC σε οποιοδήποτε σημείο ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος, όπως σε μητρική πλακέτα υπολογιστή. Μια κατάλληλη κλίμακα τάσης ρυθμίζεται στο πολύμετρο, ο μαύρος καθετήρας συνδέεται με ένα σημείο γείωσης και ο κόκκινος καθετήρας συνδεδεμένος στο σημείο ελέγχου.

Στη συνέχεια, η τάση διαβάζεται απευθείας. Ας ελπίσουμε ότι η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος εισόδου ανιχνευτή είναι αρκετά υψηλή ώστε να μην επηρεάζει καθόλου τη λειτουργία του κυκλώματος. Η αντίσταση εισόδου ανιχνευτή θα πρέπει να έχει πολύ υψηλή αντίσταση σειράς και πολύ χαμηλή χωρητικότητα διακλάδωσης.

Μέτρηση τάσης ρεύματος σε σύνθετα κυκλώματα

Η μέτρηση του ρεύματος AC ή DC σε οποιοδήποτε σημείο ενός κυκλώματος αντί της τάσης γίνεται λίγο πιο δύσκολο και το κύκλωμα μπορεί να χρειαστεί να τροποποιηθεί λίγο για να το προσαρμόσει. Μπορεί να είναι δυνατό να κοπεί η καλωδίωση ενός κυκλώματος στο σημείο όπου είναι επιθυμητή η μέτρηση της ροής ρεύματος και, στη συνέχεια, να εισαχθεί μια αντίσταση αίσθησης με χαμηλή τιμή στα δύο σημεία επαφής.

Και πάλι, αυτή η τιμή της αντίστασης πρέπει να είναι αρκετά χαμηλή ώστε να μην επηρεάζει τη λειτουργία του κυκλώματος. Οι ανιχνευτές πολυμέτρων μπορούν στη συνέχεια να συνδεθούν σε αυτήν την αντίσταση αίσθησης χρησιμοποιώντας την κατάλληλη κλίμακα τάσης και θα εμφανιστεί η τάση αντίστασης.

Αυτό μπορεί να μετατραπεί στο ρεύμα που ρέει μέσω του σημείου δοκιμής διαιρώντας με την τιμή αντίστασης αίσθησης, όπως στον τύπο I = V / R.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η αντίσταση αίσθησης μπορεί να διατηρηθεί μόνιμα στο κύκλωμα εάν το ρεύμα σε ένα συγκεκριμένο σημείο δοκιμής πρέπει να μετράται συχνά.

Χρησιμοποιώντας ένα DMM για να ελέγξετε το τρέχον

Θα ήταν πιθανότατα πολύ πιο εύκολο να μετρηθεί η ροή ρεύματος με το πολύμετρο, αντί να χρειάζεται να χρησιμοποιήσετε μια αντίσταση αίσθησης. Έτσι, μετά την κοπή του καλωδίου στο σημείο που πρέπει να μετρηθεί, η αντίσταση ανίχνευσης μπορεί να παραμείνει έξω και τα καλώδια του πολυμέτρου συνδέονται απευθείας στα δύο σημεία επαφής.

Μια ένδειξη ροής ρεύματος θα εμφανίζεται στο πολύμετρο εάν έχει ρυθμιστεί η κατάλληλη κλίμακα ρεύματος AC ή DC. Είναι πάντα σημαντικό να ρυθμίζετε τη σωστή τάση ή την τρέχουσα κλίμακα σε ένα πολύμετρο πριν συνδέσετε τυχόν ανιχνευτές ή κινδυνεύετε να δημοσιεύσετε μια ένδειξη μηδέν.

Όταν μια τρέχουσα κλίμακα έχει οριστεί σε ένα πολύμετρο, η αντίσταση εισόδου των ανιχνευτών εισόδου γίνεται πολύ μικρή, παρόμοια με μια αντίσταση αίσθησης.

Η είσοδος ανιχνευτή ενός πολύμετρου μπορεί να θεωρηθεί ως αντίσταση αίσθησης ή «διακλάδωσης», έτσι το ίδιο το πολύμετρο μπορεί να συμπεριληφθεί στη θέση της αντίστασης RD στο παραπάνω διάγραμμα. Ας ελπίσουμε ότι η σύνθετη αντίσταση εισόδου του πολύμετρου είναι αρκετά χαμηλή ώστε να μην επηρεάζει καθόλου τη λειτουργία του κυκλώματος.

Οι απλές τεχνικές μετατροπής ρεύματος σε τάση και τάσης σε ρεύμα που συζητούνται σε αυτό το άρθρο δεν είναι τόσο ακριβείς όσο αυτές που βασίζονται σε τρανζίστορ ή ενισχυτή, αλλά για πολλές εφαρμογές θα λειτουργούν μια χαρά. Είναι επίσης δυνατό να κάνετε άλλους τύπους απλών μετατροπών χρησιμοποιώντας το κύκλωμα σειράς που φαίνεται παραπάνω.

Για παράδειγμα, μια είσοδος τετραγωνικού κύματος μπορεί να μετατραπεί σε κυματομορφή πριονίσματος (ολοκληρωτής) αντικαθιστώντας το στοιχείο D με έναν πυκνωτή.

Ο μόνος περιορισμός είναι ότι η σταθερά χρόνου RC πρέπει να είναι μεγάλη σε σχέση με την περίοδο του σήματος τετραγωνικού κύματος.




Προηγούμενο: Απόκτηση δωρεάν ενέργειας από τον αέρα χρησιμοποιώντας ένα Sec Excitor Coil Επόμενο: Εισαγωγή στο Schmitt Trigger