Enkel teknik för spänning-till-ström och ström-till-spänning - Av James H. Reinholm

Det finns många typer av spänning-till-ström- och ström-till-spänningsomvandlare, och de flesta använder en kombination av opamps och transistorer för att uppnå hög noggrannhet. Men när hög noggrannhet inte är nödvändig kan en enkel omvandlare av denna typ tillverkas med bara ett eller två motstånd.

Motstånd som spänning till strömomvandlare

Varje motstånd R som är anslutet över en strömförsörjning V kan betraktas som en spänning till strömomvandlare, eftersom strömmen beror på spänningen via Ohms lag - formeln för vilken är I = V / R.

Om ena änden av motståndet är frånkopplat och en annan komponent D är ansluten till den frånkopplade strömförsörjningsterminalen och motståndet så att R och D är i serie över strömförsörjningen, fungerar kretsen fortfarande som en spänning till strömomvandlare om spänningsfallet över komponenten D är mycket liten eller relativt konstant.

Denna komponent kan vara en diod, LED eller zenerdiod eller till och med ett motstånd med lågt värde. Diagrammet nedan visar dessa möjliga kombinationer. Motståndet R kan också betraktas som ett strömbegränsande motstånd för den tillsatta komponenten D.

Strömmen som flyter genom D bestäms av den enkla formeln: I = (V - VD) / R, där VD är spänningsfallet över den tillsatta komponenten.

För konstanta värden på VD och R beror strömmen bara på V. För framåtförspända dioder är VD ungefär 0,3 - 0,35 volt för germanium och 0,6 - 0,7 volt för kiseldioder och är relativt konstant över ett brett område av strömmar. Lysdioder liknar dioder, förutom att de är konstruerade med speciella material som avger ljus.

Hur lysdioder fungerar med motstånd

De har en framspänningsspänning som är lite högre än vanliga dioder, och kan vara var som helst från cirka 1,4 volt till över 3 volt, beroende på färg. Lysdioder fungerar effektivt vid cirka 10 mA till 40 mA, och ett strömbegränsande motstånd är nästan alltid anslutet till en av LED-terminalerna för att förhindra skador på grund av hög ström.

Det finns små förändringar i spänningsfallet på dioder och lysdioder för olika strömnivåer, men dessa kan vanligtvis försummas i beräkningen. Zener-dioder skiljer sig åt genom att de är kopplade till omvänd förspänning.

Detta ställer in ett fast spänningsfall VD över zenerdioden som kan vara var som helst från 2V till cirka 300V, beroende på typ. För att någon av dessa enheter ska fungera måste matningsspänningen vara högre än spänningsfallet VD.

Varje motståndsvärde skulle fungera så länge dess värde är tillräckligt lågt för att tillåta tillräcklig ström att strömma, samtidigt som det är tillräckligt högt för att hålla överflödig ström från att strömma. Vanligtvis finns det en omkopplingskomponent insatt någonstans i denna seriekrets, som slår på eller av en lysdiod osv. Detta kan vara en transistor, FET eller utgångssteget för en opamp.

LED och motstånd i ficklampor

En LED-ficklampa består i grunden av ett batteri, omkopplare, LED och strömbegränsningsmotstånd, alla anslutna i serie. Ibland består strömbegränsningskretsen av två motstånd i serie över en strömförsörjning, istället för en motstånds- och diodtyp.

Det andra motståndet RD har ett mycket mindre värde än det strömbegränsande motståndet, R, och kallas ofta ett 'shunt' eller 'sense' motstånd.

Kretsen kan fortfarande ses som en spänning till strömomvandlare, eftersom ovanstående formel nu kan reduceras till I = V / R, eftersom VD är försumbar jämfört med V.

Strömmen beror nu bara på spänningen, eftersom R är konstant. Denna typ av krets kan ofta hittas i olika sensorkretsar, såsom temperatur- och tryckgivare, där en definierad mängd ström ska strömma i en anordning med ett litet motstånd.

Spänningen över denna enhet förstärks vanligtvis för att mäta varje förändring när sensorns motstånd ändras under olika förhållanden. Denna spänning kan till och med läsas av en multimeter om den har tillräcklig känslighet.

Om formeln I = V / R vänds runt för att bli en spänningsfunktion V = I R, kan den enkla två-motståndsseriekretsen också ses som en ström till spänningsomvandlare.

Strömbegränsningsmotståndet har fortfarande ett värde som är mycket högre än avkänningsmotståndet, och det här avkänningsmotståndet är tillräckligt liten för att det inte påverkar kretsens funktion på något meningsfullt sätt.

Använda en strömavkänningsmotstånd

En ström omvandlas till en spänning genom att den lilla spänningen VD över avkänningsmotståndet kan detekteras av en multimeter, eller så kan den förstärkas och appliceras som en signal i en A / D-omvandlare.

Denna uppmätta spänning indikerar strömflödet med Ohms lagformel V = I R. Till exempel, om 0,001 A rinner genom 1 ohm är spänningsavläsningen 0,001 V.

Omvandlingen är enkel för ett 1 ohm motstånd, men om detta värde är för högt kan ett annat värde - som 0,01 ohm - användas, och spänningen kan lätt hittas med V = I R.

Det verkliga värdet på avkänningsmotståndet är inte viktigt i denna diskussion. Det kan vara allt från 0,1 ohm till 10 ohm, så länge det nuvarande begränsningsmotståndet är mycket högre. I applikationer med hög ström bör avkänningsmotståndets värde vara mycket lågt för att förhindra överflödig effektförlust.

Även med ett värde runt 0,001 ohm kan en rimlig spänning kännas över den på grund av det höga strömflödet. I sådana fall kallas sensmotståndet normalt för ett 'shunt' -motstånd.

Denna typ av krets används ofta för att mäta strömmen till exempel genom en likströmsmotor. Det är enkelt att använda en multimeter för att mäta växel- eller likspänning när som helst i en elektronisk krets, till exempel på ett PC-moderkort. En lämplig spänningsskala ställs in på multimetern, den svarta sonden är ansluten till en jordpunkt och den röda sonden är ansluten till kontrollpunkten.

Spänningen avläses sedan direkt. Förhoppningsvis är impedansen hos sondingångskretsarna tillräckligt hög för att den inte påverkar kretsens funktion på något sätt. Sondens ingångsimpedans ska ha ett mycket högt seriemotstånd tillsammans med en mycket låg shuntkapacitans.

Mäta strömspänning i komplexa kretsar

Att mäta växelström eller likström när som helst i en krets istället för spänning blir lite svårare och kretsen kan behöva modifieras lite för att tillgodose detta. Det kan vara möjligt att skära ledningarna till en krets vid den punkt där mätning av strömflödet önskas, och sätt sedan in ett avkänningsmotstånd med ett lågt värde vid de två kontaktpunkterna.

Återigen bör detta motståndsvärde vara tillräckligt lågt för att det inte påverkar kretsens funktion. Multimeterproberna kan sedan anslutas över detta avkänningsmotstånd med lämplig spänningsskala och motståndsspänningen visas.

Detta kan omvandlas till strömmen som flyter genom testpunkten genom att dela med avkänningsmotståndsvärdet, som i formeln I = V / R.

I vissa fall kan avkänningsmotståndet hållas permanent i kretsen om strömmen vid en viss testpunkt måste mätas ofta.

Använda en DMM för att kontrollera ström

Det skulle förmodligen vara mycket lättare att mäta strömflödet med multimetern direkt, istället för att behöva använda ett avkänningsmotstånd. Så efter att ha klippt av ledningen vid den punkt som ska mätas kan avkänningsmotståndet utelämnas och multimeterns ledningar kopplas direkt till de två kontaktpunkterna.

En strömflödesindikering visas på multimetern om lämplig AC- eller DC-strömskala är inställd. Det är alltid viktigt att ställa in rätt spänning eller strömskala på en multimeter innan du kopplar ihop några sonder eller riskerar att läsa noll.

När en strömskala ställs in på en multimeter blir ingångssondernas ingångsimpedans mycket liten, liknar ett avkänningsmotstånd.

Sondingången på en multimeter kan betraktas som sens- eller “shunt” -motstånd, så multimetern i sig kan inkluderas i stället för RD-motståndet i ovanstående diagram. Förhoppningsvis är multimeterns ingångsimpedans tillräckligt låg för att det inte påverkar kretsfunktionen på något sätt.

De enkla ström-till-spänning- och spänning-till-ström-omvandlingsteknikerna som diskuteras i den här artikeln är inte lika exakta som de som är baserade på en transistor eller förstärkare, men för många applikationer kommer de att fungera bra. Det är också möjligt att göra andra typer av enkla omvandlingar med seriekretsen som visas ovan.

Till exempel kan en fyrkantig ingång konverteras till en sågtandvågform (integrator) genom att ersätta D-komponenten med en kondensator.

Den enda begränsningen är att tidskonstanten RC ska vara stor i förhållande till kvadratvågsignalens period.