Прости техники от напрежение към ток и ток към напрежение - от Джеймс Х. Рейнхолм

Съществуват много видове схеми на преобразуватели от напрежение към ток и ток към напрежение и повечето от тях използват комбинация от opamps и транзистори, за да постигнат високо ниво на точност. Но когато не е необходима висока точност, може да се направи обикновен преобразувател от този тип, като се използва само един или два резистора.

Резистор като преобразувател на напрежение към ток

Всеки резистор R, свързан през захранване V, може да се счита за преобразувател на напрежение в ток, тъй като токът зависи от напрежението по закона на Ом - формулата, за която е I = V / R.

Ако единият край на резистора е изключен и друг компонент D е свързан към изключения терминал за захранване и резистор, така че R и D да са последователно в захранването, веригата все още се държи като преобразувател на напрежение към ток, ако напрежението падне в компонента D е много малък или относително постоянен.

Този компонент може да бъде диод, светодиод или ценеров диод или дори резистор с ниска стойност. Диаграмата по-долу показва тези възможни комбинации. Резисторът R може също да се разглежда като резистор за ограничаване на тока за добавения компонент D.

Токът, който протича през D, се определя по простата формула: I = (V - VD) / R, където VD е спадът на напрежението в добавения компонент.

За постоянни стойности на VD и R, токът зависи само от V. За пристрастни диоди VD е около 0,3 - 0,35 волта за германий и 0,6 - 0,7 волта за силициеви диоди и е относително постоянен в широк диапазон от токове. Светодиодите са подобни на диодите, с изключение на това, че са конструирани с помощта на специални материали, които излъчват светлина.

Как работят светодиодите с резистори

Те имат напрежение на пристрастие напред, което е малко по-високо от обикновените диоди и може да бъде от около 1,4 волта до над 3 волта, в зависимост от цвета. Светодиодите работят ефективно при около 10 mA до 40 mA, а резистор за ограничаване на тока почти винаги е свързан към един от LED терминалите, за да се предотвратят всякакви повреди, дължащи се на висок ток.

Има леки промени в спада на напрежението на диоди и светодиоди за различни нива на ток, но те обикновено могат да бъдат пренебрегнати при изчислението. Ценеровите диоди са различни по това, че са свързани с обратното отклонение.

Това задава фиксиран спад на напрежението VD през ценеровия диод, който може да бъде от 2V до около 300V, в зависимост от типа. За да работи някое от тези устройства, захранващото напрежение трябва да бъде по-високо от спада на напрежението VD.

Всяка стойност на резистора би работила, стига стойността му да е достатъчно ниска, за да позволи протичане на достатъчен ток, като в същото време е достатъчно висока, за да не тече излишният ток. Обикновено има превключващ компонент, вмъкнат някъде в тази серийна верига, който включва или изключва светодиод и т.н. Това може да е транзистор, полев транзистор или изходен каскад на операционна система.

LED и резистор в фенерчета

LED фенерчето се състои основно от батерия, превключвател, LED и резистор за ограничаване на тока, всички свързани последователно. Понякога веригата за ограничаване на тока се състои от два резистора последователно в захранването, вместо устройство от тип резистор и диод.

Вторият резистор RD има много по-малка стойност от резистора за ограничаване на тока, R, и често се нарича 'шунтов' или 'сензорен' резистор.

Веригата все още може да се разглежда като преобразувател на напрежение в ток, тъй като горната формула вече може да бъде намалена до I = V / R, тъй като VD е незначителен в сравнение с V.

Токът сега ще зависи само от напрежението, тъй като R е постоянен. Този тип верига често може да се намери в различни схеми на сензори, като сензори за температура и налягане, където определено количество ток трябва да тече в устройство с малко съпротивление.

Напрежението на това устройство обикновено се усилва, за да се измери всяка промяна, тъй като съпротивлението на сензора се променя при различни условия. Това напрежение може дори да се отчете от мултицет, ако има достатъчна чувствителност.

Ако формулата I = V / R се обърне, за да се превърне във функция на напрежението V = I R, обикновената верига от два резистора може да се разглежда и като преобразувател на ток към напрежение.

Токоограничителният резистор все още има стойност много по-висока от сензорния резистор и този сензорен резистор е достатъчно малък, за да не повлияе по никакъв смислен начин на работата на веригата.

Използване на токочувствителен резистор

Токът се преобразува в напрежение поради факта, че малкото напрежение VD в сензорния резистор може да бъде открито от мултицет или може да бъде усилено и приложено като сигнал в A / D преобразувател.

Това измерено напрежение показва текущия поток с формулата на закона на Ом V = I R. Например, ако 0,001 A протича през 1 ома, отчитането на напрежението е 0,001 V.

Преобразуването е лесно за резистор от 1 ома, но ако тази стойност е твърде висока, може да се използва друга стойност - като 0,01 ома и напрежението може лесно да се намери с помощта на V = I R.

Действителната стойност на сензорния резистор не е важна в тази дискусия. Тя може да бъде от 0,1 ома до 10 ома, стига ограничителят на тока да е много по-висок. В приложения с висок ток стойността на сензорния резистор трябва да бъде много ниска, за да се предотврати излишното разсейване на мощността.

Дори при стойност около 0,001 ома, през него може да се усети разумно напрежение поради високия ток. В такива случаи сензорният резистор обикновено се нарича 'шунтов' резистор.

Този тип верига често се използва за измерване на тока, например чрез DC двигател. Въпросът е да се използва мултицет за измерване на променливотоково или постояннотоково напрежение във всяка точка на електронна схема, например на дънната платка на компютъра. На мултицета е зададена подходяща скала на напрежението, черната сонда е свързана към земната точка и червената сонда е свързана към контролната точка.

След това напрежението се отчита директно. Надяваме се, че импедансът на входната верига на сондата е достатъчно висок, че по никакъв начин не влияе на работата на веригата. Входният импеданс на сондата трябва да има много високо серийно съпротивление, заедно с много нисък шунтов капацитет.

Измерване на токово напрежение в сложни вериги

Измерването на променлив или постоянен ток във всяка точка на верига вместо напрежение става малко по-сложно и може да се наложи веригата да бъде променена малко, за да се приспособи към това. Възможно е да бъде възможно да се прекъсне окабеляването на верига в точката, където се желае измерване на текущия поток, и след това да се вмъкне резистор с ниска стойност в двете точки на контакт.

Отново стойността на този резистор трябва да бъде достатъчно ниска, за да не повлияе на работата на веригата. След това мултиметърните сонди могат да бъдат свързани през този сензорен резистор, като се използва подходящата скала на напрежението и напрежението на резистора ще бъде показано.

Това може да се преобразува в тока, протичащ през точката на изпитване, чрез разделяне на стойността на сензора на резистора, както във формулата I = V / R.

В някои случаи сензорният резистор може да се поддържа постоянно във веригата, ако токът в определена точка за изпитване трябва да се измерва често.

Използване на DMM за проверка на тока

Вероятно би било много по-лесно да се измери текущия поток директно с мултиметъра, вместо да се налага да се използва смислен резистор. Така че след прерязване на проводника в точката, която трябва да се измери, сензорният резистор може да бъде оставен навън и проводниците на мултицета да бъдат закачени директно към двете контактни точки.

Индикация за текущия поток ще се покаже на мултиметъра, ако е зададена подходящата скала на променлив или постоянен ток. Винаги е важно да настроите правилната скала на напрежение или ток на мултицет, преди да свържете някакви сонди или да рискувате да публикувате нула.

Когато на мултицет е зададена текуща скала, входният импеданс на входните сонди става много малък, подобно на сензорния резистор.

Входът на сондата на мултицет може да се разглежда като смислов или „шунтов“ резистор, така че самият мултиметър може да бъде включен вместо RD резистора в горната диаграма. Надяваме се, входният импеданс на мултиметъра е достатъчно нисък, за да не повлияе по никакъв начин на работата на веригата.

Обсъдените в тази статия прости техники за преобразуване ток в напрежение и напрежение в ток не са толкова прецизни, колкото тези, които се основават на транзистор или усилвател, но за много приложения те ще работят добре. Също така е възможно да се правят други видове прости преобразувания, като серийната схема е показана по-горе.

Например, вход с квадратна вълна може да бъде преобразуван във форма на вълна (интегратор) на зъб с трион, като замени D компонента с кондензатор.

Единственото ограничение е, че временната константа RC трябва да бъде голяма спрямо периода на сигнала с квадратна вълна.