Tehnici simple de tensiune-curent și curent-tensiune - De James H. Reinholm

Există multe tipuri de circuite convertoare tensiune-curent și curent-tensiune, iar cele mai multe dintre ele folosesc o combinație de opamp-uri și tranzistoare pentru a atinge un nivel ridicat de precizie. Dar atunci când nu este necesară o precizie ridicată, un convertor simplu de acest tip poate fi realizat folosind doar unul sau două rezistențe.

Rezistor ca convertor de tensiune la curent

Orice rezistor R conectat la o sursă de alimentare V poate fi considerat un convertor de tensiune la curent, deoarece curentul depinde de tensiunea prin legea lui Ohm - formula pentru care este I = V / R.

Dacă un capăt al rezistorului este deconectat și o altă componentă D este conectată la terminalul și rezistorul de alimentare deconectat, astfel încât R și D să fie în serie pe sursa de alimentare, circuitul se comportă în continuare ca un convertor de tensiune la curent dacă scade tensiunea în componenta D este foarte mic sau relativ constant.

Această componentă ar putea fi o diodă, un LED sau o diodă zener sau chiar un rezistor de valoare mică. Diagrama de mai jos prezintă aceste combinații posibile. Rezistorul R poate fi, de asemenea, considerat ca un rezistor de limitare a curentului pentru componenta adăugată D.

Curentul care curge prin D este determinat de formula simplă: I = (V - VD) / R, unde VD este căderea de tensiune peste componenta adăugată.

Pentru valorile constante ale VD și R, curentul depinde doar de V. Pentru diodele polarizate înainte, VD este de aproximativ 0,3 - 0,35 volți pentru germaniu și 0,6 - 0,7 volți pentru diodele de siliciu și este relativ constant pe o gamă largă de curenți. LED-urile sunt similare cu diodele, cu excepția faptului că sunt construite folosind materiale speciale care emit lumină.

Cum funcționează LED-urile cu rezistoare

Au o tensiune de polarizare directă care este puțin mai mare decât diodele obișnuite și ar putea fi de la aproximativ 1,4 volți la peste 3 volți, în funcție de culoare. LED-urile funcționează eficient la aproximativ 10 mA până la 40 mA, iar un rezistor de limitare a curentului este aproape întotdeauna conectat la unul dintre terminalele LED pentru a preveni orice deteriorare datorată curentului mare.

Există modificări ușoare ale căderilor de tensiune ale diodelor și LED-urilor pentru diferite niveluri de curent, dar acestea pot fi de obicei neglijate în calcul. Diodele Zener sunt diferite prin faptul că sunt conectate cu polarizare inversă.

Aceasta setează o cădere de tensiune fixă ​​VD pe dioda zener care ar putea fi de la 2V la aproximativ 300V, în funcție de tip. Pentru ca oricare dintre aceste dispozitive să funcționeze, tensiunea de alimentare trebuie să fie mai mare decât căderea de tensiune VD.

Orice valoare a rezistorului ar funcționa, atâta timp cât valoarea sa este suficient de mică pentru a permite curentul suficient să curgă, în același timp fiind suficient de mare pentru a împiedica curgerea excesului de curent. De obicei, există o componentă de comutare inserată undeva în acest circuit de serie, care aprinde sau oprește un LED etc. Acesta ar putea fi un tranzistor, FET sau etapa de ieșire a unui opamp.

LED și rezistență în lanterne

O lanternă LED constă în principiu dintr-o baterie, întrerupător, LED și rezistor de limitare a curentului, toate conectate în serie. Uneori, circuitul de limitare a curentului constă din două rezistențe în serie pe o sursă de alimentare, în loc de un dispozitiv de tip rezistor și diodă.

Al doilea rezistor RD are o valoare mult mai mică decât rezistorul de limitare a curentului, R, și este adesea numit un rezistor de „șunt” sau „sens”.

Circuitul poate fi considerat în continuare ca un convertor de tensiune la curent, deoarece formula de mai sus poate fi acum redusă la I = V / R, deoarece VD este neglijabilă în comparație cu V.

Curentul va depinde acum doar de tensiune, deoarece R este constant. Acest tip de circuit poate fi adesea găsit în diferite circuite de senzori, cum ar fi senzorii de temperatură și presiune, unde o cantitate definită de curent trebuie să curgă într-un dispozitiv cu o rezistență mică.

Tensiunea pe acest dispozitiv este de obicei amplificată pentru a măsura orice schimbare pe măsură ce rezistența senzorului se schimbă în condiții diferite. Această tensiune poate fi citită chiar de un multimetru dacă are o sensibilitate suficientă.

Dacă formula I = V / R este rotită pentru a deveni o funcție de tensiune V = I R, circuitul simplu din serie cu două rezistențe poate fi considerat și un convertor de curent la tensiune.

Rezistorul de limitare a curentului are încă o valoare mult mai mare decât rezistența de sens și acest rezistor de sens este suficient de mic încât să nu afecteze funcționarea circuitului în niciun mod semnificativ.

Utilizarea unui rezistor de detectare a curentului

Un curent este transformat într-o tensiune prin faptul că tensiunea mică VD peste rezistența de sens poate fi detectată de un multimetru sau poate fi amplificată și aplicată ca semnal într-un convertor A / D.

Această tensiune măsurată indică debitul de curent cu formula legii lui Ohm V = I R. De exemplu, dacă 0,001 A curge prin 1 ohm, citirea tensiunii este de 0,001 V.

Conversia este simplă pentru un rezistor de 1 ohm, dar dacă această valoare este prea mare, o altă valoare - cum ar fi 0,01 ohmi - poate fi utilizată, iar tensiunea ar putea fi găsită cu ușurință folosind V = I R.

Valoarea reală a rezistorului de sens nu este importantă în această discuție. Poate fi de oriunde de la 0,1 ohmi la 10 ohmi, atâta timp cât rezistența de limitare a curentului este mult mai mare. În aplicațiile cu curent ridicat, valoarea rezistorului senzorial ar trebui să fie foarte scăzută pentru a preveni excesul de disipare a puterii.

Chiar și cu o valoare în jurul valorii de 0,001 ohmi, o tensiune rezonabilă poate fi sesizată peste ea din cauza fluxului mare de curent. În astfel de cazuri, rezistența de sens este numită în mod normal un rezistor de „șunt”.

Acest tip de circuit este adesea folosit pentru a măsura curentul, de exemplu, de la un motor DC. Este simplu să folosiți un multimetru pentru a măsura tensiunea de curent alternativ sau continuu în orice punct al unui circuit electronic, cum ar fi pe o placă de bază pentru computer. O scară de tensiune adecvată este setată pe multimetru, sonda neagră conectată la un punct de masă și sonda roșie conectată la punctul de verificare.

Tensiunea este apoi citită direct. Sperăm că impedanța circuitului de intrare a sondei este suficient de mare încât să nu afecteze în niciun fel funcționarea circuitului. Impedanța de intrare a sondei ar trebui să aibă o rezistență de serie foarte mare împreună cu o capacitate de șunt foarte mică.

Măsurarea tensiunii curente în circuite complexe

Măsurarea curentului de curent alternativ sau continuu în orice punct al unui circuit în loc de tensiune devine puțin mai dificilă, iar circuitul ar trebui să fie modificat puțin pentru a se potrivi cu acest lucru. Ar putea fi posibil să tăiați cablajul unui circuit în punctul în care se dorește măsurarea debitului curent și apoi să introduceți un rezistor de detectare cu o valoare scăzută la cele două puncte de contact.

Din nou, valoarea acestui rezistor ar trebui să fie suficient de mică încât să nu afecteze funcționarea circuitului. Sondele multimetrului pot fi apoi conectate pe acest rezistor de sens folosind scara de tensiune adecvată, iar tensiunea rezistorului va fi afișată.

Acest lucru poate fi convertit la curentul care trece prin punctul de testare prin împărțirea la valoarea rezistenței de sens, ca în formula I = V / R.

În unele cazuri, rezistența senzorială poate fi păstrată permanent în circuit dacă curentul la un anumit punct de testare trebuie măsurat frecvent.

Folosind un DMM pentru a verifica curentul

Probabil ar fi mult mai ușor să măsurați fluxul de curent direct cu multimetrul, în loc să trebuiască să folosiți un rezistor de sens. Deci, după tăierea firului în punctul care urmează să fie măsurat, rezistența de detectare poate fi lăsată afară, iar cablurile multimetrului sunt conectate direct la cele două puncte de contact.

O indicație de curent de curent ar fi afișată pe multimetru dacă este setată scara de curent corespunzătoare AC sau DC. Este întotdeauna important să setați scara corectă de tensiune sau curent pe un multimetru înainte de a conecta orice sondă sau să riscați să afișați o citire de zero.

Când o scală de curent este setată pe un multimetru, impedanța de intrare a sondelor de intrare devine foarte mică, similară cu un rezistor de detectare.

Intrarea sondei unui multimetru poate fi considerată ca fiind rezistența de sens sau „șunt”, astfel încât multimetrul în sine poate fi inclus în locul rezistorului RD în diagrama de mai sus. Sperăm că impedanța de intrare a multimetrului este suficient de mică încât să nu afecteze în niciun fel funcționarea circuitului.

Tehnicile simple de conversie curent-tensiune și tensiune-curent discutate în acest articol nu sunt la fel de precise ca cele care se bazează pe un tranzistor sau amplificator, dar pentru multe aplicații vor funcționa foarte bine. De asemenea, este posibil să faceți alte tipuri de conversii simple folosind circuitul de serie prezentat mai sus.

De exemplu, o intrare de undă pătrată poate fi convertită într-o formă de undă dinte de ferăstrău (integrator) prin înlocuirea componentei D cu un condensator.

Singura restricție este că constanta de timp RC ar trebui să fie mare în raport cu perioada semnalului de undă pătrată.