Proste techniki napięciowo-prądowe i prądowo-napięciowe - James H. Reinholm

Istnieje wiele typów obwodów przetworników napięcie-prąd i prąd-napięcie, a większość z nich wykorzystuje kombinację wzmacniaczy operacyjnych i tranzystorów, aby osiągnąć wysoki poziom dokładności. Ale gdy wysoka dokładność nie jest konieczna, prosty konwerter tego typu można wykonać przy użyciu tylko jednego lub dwóch rezystorów.

Rezystor jako konwerter napięcia na prąd

Każdy rezystor R podłączony do źródła zasilania V można uznać za konwerter napięcia na prąd, ponieważ prąd zależy od napięcia zgodnie z prawem Ohma - wzór na to I = V / R.

Jeśli jeden koniec rezystora jest odłączony, a inny element D jest podłączony do odłączonego zacisku zasilania i rezystora, tak że R i D są połączone szeregowo w zasilaczu, obwód nadal zachowuje się jak przetwornica napięcia na prąd, jeśli spadnie napięcie w poprzek składnika D jest bardzo mała lub stosunkowo stała.

Tym elementem może być dioda, dioda LED lub dioda Zenera, a nawet rezystor o niskiej wartości. Poniższy diagram przedstawia te możliwe kombinacje. Rezystor R można również traktować jako rezystor ograniczający prąd dla dodanego składnika D.

Prąd przepływający przez D określa prosty wzór: I = (V - VD) / R, gdzie VD jest spadkiem napięcia na dodanym elemencie.

Dla stałych wartości VD i R prąd zależy tylko od V.Dla diod spolaryzowanych w przód VD wynosi około 0,3 - 0,35 V dla germanu i 0,6 - 0,7 V dla diod krzemowych i jest stosunkowo stały w szerokim zakresie prądów. Diody są podobne do diod, z tym że są zbudowane ze specjalnych materiałów emitujących światło.

Jak diody LED współpracują z rezystorami

Mają napięcie polaryzacji do przodu, które jest nieco wyższe niż zwykłe diody i może wynosić od około 1,4 V do ponad 3 V, w zależności od koloru. Diody LED działają wydajnie przy około 10 mA do 40 mA, a rezystor ograniczający prąd jest prawie zawsze podłączony do jednego z zacisków diody LED, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym wysokim prądem.

Występują niewielkie zmiany spadków napięcia diod i diod LED dla różnych poziomów prądu, ale zwykle można je pominąć w obliczeniach. Diody Zenera różnią się tym, że są połączone odwrotnym polaryzacją.

To ustawia stały spadek napięcia VD na diodzie Zenera, który może wynosić od 2 V do około 300 V, w zależności od typu. Aby którekolwiek z tych urządzeń działało, napięcie zasilania musi być wyższe niż spadek napięcia VD.

Dowolna wartość rezystora działałaby, o ile jego wartość jest wystarczająco niska, aby umożliwić przepływ wystarczającego prądu, a jednocześnie jest wystarczająco wysoka, aby zapobiec przepływowi nadmiaru prądu. Zazwyczaj gdzieś w tym układzie szeregowym znajduje się element przełączający, który włącza lub wyłącza diodę LED itp. Może to być tranzystor, FET lub stopień wyjściowy wzmacniacza operacyjnego.

LED i rezystor w latarkach

Latarka LED składa się zasadniczo z baterii, przełącznika, diody LED i rezystora ograniczającego prąd, wszystkie połączone szeregowo. Czasami obwód ograniczający prąd składa się z dwóch rezystorów połączonych szeregowo na zasilaczu zamiast urządzenia typu rezystor-dioda.

Drugi rezystor RD ma znacznie mniejszą wartość niż rezystor ograniczający prąd, R i jest często nazywany rezystorem „bocznikowym” lub rezystorem „sensownym”.

Obwód można nadal traktować jako konwerter napięcia na prąd, ponieważ powyższy wzór można teraz zredukować do I = V / R, ponieważ VD jest pomijalne w porównaniu z V.

Prąd będzie teraz zależał tylko od napięcia, ponieważ R jest stały. Tego rodzaju obwód często można spotkać w różnych obwodach czujników, takich jak czujniki temperatury i ciśnienia, w których w urządzeniu o małej rezystancji ma przepływać określona ilość prądu.

Napięcie na tym urządzeniu jest zwykle wzmacniane w celu zmierzenia wszelkich zmian, gdy rezystancja czujnika zmienia się w różnych warunkach. To napięcie może być nawet odczytane przez multimetr, jeśli ma wystarczającą czułość.

Jeśli wzór I = V / R zostanie odwrócony, aby stać się funkcją napięcia V = I R, prosty obwód szeregowy z dwoma rezystorami można również traktować jako konwerter prądu na napięcie.

Rezystor ograniczający prąd nadal ma wartość znacznie wyższą niż rezystor czujnikowy, a ten rezystor czujnikowy jest na tyle mały, że nie wpływa na działanie obwodu w żaden znaczący sposób.

Korzystanie z rezystora wykrywającego prąd

Prąd jest konwertowany na napięcie dzięki temu, że małe napięcie VD na rezystorze czujnikowym może zostać wykryte przez multimetr lub może zostać wzmocnione i przesłane jako sygnał do przetwornika A / D.

To zmierzone napięcie wskazuje przepływ prądu za pomocą wzoru prawa Ohma V = I R. Na przykład, jeśli 0,001 A przepływa przez 1 om, odczyt napięcia wynosi 0,001 V.

Konwersja jest prosta dla rezystora 1 om, ale jeśli ta wartość jest zbyt wysoka, można użyć innej wartości - np. 0,01 oma - i napięcie można łatwo znaleźć za pomocą V = I R.

Rzeczywista wartość rezystora sensownego nie jest ważna w tej dyskusji. Może wynosić od 0,1 oma do 10 oma, o ile rezystor ograniczający prąd jest znacznie wyższy. W zastosowaniach wysokoprądowych wartość rezystora czujnikowego powinna być bardzo niska, aby zapobiec nadmiernemu rozpraszaniu mocy.

Nawet przy wartości około 0,001 oma można wykryć na nim rozsądne napięcie ze względu na duży przepływ prądu. W takich przypadkach rezystor czujnikowy jest zwykle nazywany rezystorem „bocznikowym”.

Ten rodzaj obwodu jest często używany do pomiaru prądu, na przykład przez silnik prądu stałego. Użycie multimetru do pomiaru napięcia AC lub DC w dowolnym punkcie obwodu elektronicznego, na przykład na płycie głównej komputera, jest prostą sprawą. Na multimetrze ustawia się odpowiednią skalę napięcia, czarną sondę podłącza do punktu masy, a czerwoną do punktu kontrolnego.

Napięcie jest następnie odczytywane bezpośrednio. Miejmy nadzieję, że impedancja obwodu wejściowego sondy jest na tyle wysoka, że ​​w żaden sposób nie wpływa na działanie obwodu. Impedancja wejściowa sondy powinna mieć bardzo wysoką rezystancję szeregową oraz bardzo małą pojemność bocznika.

Pomiar napięcia prądu w złożonych obwodach

Pomiar prądu AC lub DC w dowolnym punkcie obwodu zamiast napięcia staje się nieco trudniejszy, a obwód może wymagać niewielkiej modyfikacji, aby to uwzględnić. Możliwe jest przecięcie okablowania obwodu w punkcie, w którym wymagany jest pomiar przepływu prądu, a następnie wstawienie rezystora czujnikowego o niskiej wartości w dwóch punktach styku.

Ponownie, wartość tego rezystora powinna być na tyle niska, aby nie wpływała na działanie obwodu. Sondy multimetrowe można następnie podłączyć przez ten rezystor pomiarowy przy użyciu odpowiedniej skali napięcia, a napięcie rezystora zostanie wyświetlone.

Można to przeliczyć na prąd przepływający przez punkt pomiarowy, dzieląc przez wartość rezystora zwrotnego, jak we wzorze I = V / R.

W niektórych przypadkach rezystor czujnikowy może być utrzymywany w obwodzie na stałe, jeśli prąd w określonym punkcie testowym musi być często mierzony.

Używanie multimetru cyfrowego do sprawdzania prądu

Prawdopodobnie znacznie łatwiej byłoby zmierzyć przepływ prądu bezpośrednio za pomocą multimetru, zamiast używać rezystora pomiarowego. Zatem po przecięciu przewodu w mierzonym punkcie można pominąć rezystor pomiarowy i podłączyć przewody multimetru bezpośrednio do dwóch punktów styku.

Wskazanie przepływu prądu zostanie wyświetlone na multimetrze, jeśli zostanie ustawiona odpowiednia skala prądu AC lub DC. Zawsze ważne jest ustawienie prawidłowej skali napięcia lub prądu na multimetrze przed podłączeniem jakichkolwiek sond, w przeciwnym razie istnieje ryzyko wysłania odczytu zera.

Gdy skala prądu jest ustawiona na multimetrze, impedancja wejściowa sond wejściowych staje się bardzo mała, podobnie jak rezystor czujnikowy.

Wejście sondy multimetru można traktować jako rezystor zwrotny lub „bocznikowy”, więc na powyższym schemacie sam multimetr może być umieszczony w miejscu rezystora RD. Miejmy nadzieję, że impedancja wejściowa multimetru jest na tyle niska, że ​​nie wpływa w żaden sposób na działanie obwodu.

Proste techniki konwersji prądu na napięcie i napięcie na prąd omówione w tym artykule nie są tak precyzyjne, jak te oparte na tranzystorze lub wzmacniaczu, ale w wielu zastosowaniach będą działać dobrze. Możliwe jest również wykonanie innych typów prostych konwersji za pomocą pokazanego powyżej obwodu szeregowego.

Na przykład, sygnał wejściowy fali prostokątnej można przekształcić w przebieg piłokształtny (integrator), zastępując składnik D kondensatorem.

Jedynym ograniczeniem jest to, że stała czasowa RC powinna być duża w stosunku do okresu sygnału fali prostokątnej.