Enkle teknikker for spænding til strøm og strøm til spænding - Af James H. Reinholm

Der er mange typer spænding-til-strøm- og strøm-til-spændingsomformerkredsløb, og de fleste af dem bruger en kombination af opamper og transistorer for at opnå et højt niveau af nøjagtighed. Men når høj nøjagtighed ikke er nødvendig, kan en simpel konverter af denne type fremstilles ved hjælp af kun en eller to modstande.

Modstand som spænding til strømkonverter

Enhver modstand R, der er forbundet over en strømforsyning V, kan betragtes som en spænding til strømkonverter, da strømmen afhænger af spændingen via Ohms lov - formlen for hvilken er I = V / R.

Hvis den ene ende af modstanden er afbrudt, og en anden komponent D er forbundet til den frakoblede strømforsyningsterminal og modstand, så R og D er i serie på tværs af strømforsyningen, opfører kredsløbet stadig som en spænding til strømkonverter, hvis spændingsfaldet på tværs af komponent D er meget lille eller relativt konstant.

Denne komponent kan være en diode, LED eller zenerdiode eller endda en modstand med lav værdi. Diagrammet nedenfor viser disse mulige kombinationer. Modstanden R kan også betragtes som en strømbegrænsende modstand for den tilføjede komponent D.

Strømmen, der strømmer gennem D, bestemmes af den enkle formel: I = (V - VD) / R, hvor VD er spændingsfaldet over den tilføjede komponent.

For konstante værdier af VD og R afhænger strømmen kun af V. For fremadspændte dioder er VD ca. 0,3 - 0,35 volt for germanium og 0,6 - 0,7 volt for siliciumdioder og er relativt konstant over en lang række strømme. LED'er ligner dioder, bortset fra at de er konstrueret ved hjælp af specielle materialer, der udsender lys.

Sådan fungerer lysdioder med modstande

De har en fremadspænding, der er lidt højere end almindelige dioder, og kan være alt fra ca. 1,4 volt til over 3 volt, afhængigt af farven. LED'er fungerer effektivt ved ca. 10 mA til 40 mA, og en strømbegrænsende modstand er næsten altid forbundet til en af ​​LED-terminalerne for at forhindre skader på grund af høj strøm.

Der er små ændringer i spændingsfaldene på dioder og lysdioder for forskellige strømniveauer, men disse kan normalt ignoreres i beregningen. Zener-dioder er forskellige, da de er forbundet med omvendt bias.

Dette indstiller et fast spændingsfald VD over zenerdioden, der kan være alt fra 2V til omkring 300V, afhængigt af type. For at nogen af ​​disse enheder skal fungere, skal forsyningsspændingen være højere end spændingsfaldet VD.

Enhver modstandsværdi vil fungere, så længe dens værdi er lav nok til at tillade tilstrækkelig strøm at strømme, samtidig med at den er høj nok til at holde overskydende strøm fra at strømme. Normalt er der en koblingskomponent indsat et eller andet sted i dette seriekredsløb, som tænder eller slukker en LED osv. Dette kan være en transistor, FET eller outputtrinnet til en opamp.

LED og modstand i lommelygter

En LED-lommelygte består grundlæggende af et batteri, afbryder, LED og strømbegrænsende modstand, alt sammen forbundet i serie. Undertiden består det nuværende begrænsningskredsløb af to modstande i serie over en strømforsyning i stedet for en modstands- og diodetype.

Den anden modstand RD har en meget mindre værdi end den nuværende begrænsende modstand, R, og kaldes ofte en 'shunt' eller 'sense' modstand.

Kredsløbet kan stadig betragtes som en spænding til strømkonverter, da ovenstående formel nu kan reduceres til I = V / R, da VD er ubetydelig sammenlignet med V.

Strømmen afhænger nu kun af spændingen, da R er konstant. Denne type kredsløb kan ofte findes i forskellige sensorkredsløb, såsom temperatur- og trykfølere, hvor en defineret strømmængde skal strømme i en enhed med en lille modstand.

Spændingen over denne enhed forstærkes normalt for at måle enhver ændring, da sensorens modstand ændres under forskellige forhold. Denne spænding kan endda aflæses af et multimeter, hvis den har tilstrækkelig følsomhed.

Hvis formlen I = V / R vendes rundt for at blive en spændingsfunktion V = I R, kan det enkle to-modstandsseriekredsløb også betragtes som en strøm til spændingsomformer.

Den nuværende begrænsningsmodstand har stadig en værdi, der er meget højere end sensormodstanden, og denne sensormodstand er lille nok til, at den ikke påvirker driften af ​​kredsløbet på nogen meningsfuld måde.

Brug af en strømfølende modstand

En strøm konverteres til en spænding ved det faktum, at den lille spænding VD på tværs af sensormodstanden kan detekteres af et multimeter, eller den kan forstærkes og påføres som et signal i en A / D-konverter.

Denne målte spænding angiver strømmen med Ohms lovformel V = I R. Hvis f.eks. 0,001 A strømmer gennem 1 ohm, er spændingsaflæsningen 0,001 V.

Konverteringen er enkel for en 1 ohm modstand, men hvis denne værdi er for høj, kan en anden værdi - som 0,01 ohm - bruges, og spændingen kunne let findes ved hjælp af V = I R.

Den faktiske værdi af sense-modstanden er ikke vigtig i denne diskussion. Det kan være hvor som helst fra 0,1 ohm til 10 ohm, så længe den nuværende begrænsende modstand er meget højere. I applikationer med høj strøm skal følelsesmodstanden være meget lav for at forhindre overskydende spænding.

Selv med en værdi omkring 0,001 ohm kan en rimelig spænding registreres på tværs af den på grund af den høje strømstrøm. I tilfælde som dette kaldes sense-modstanden normalt en 'shunt' -modstand.

Denne form for kredsløb bruges ofte til f.eks. At måle strømmen gennem en jævnstrømsmotor. Det er en simpel sag at bruge et multimeter til at måle veksel- eller jævnstrømsspænding på ethvert tidspunkt i et elektronisk kredsløb, f.eks. På et pc-bundkort. En passende spændingsskala indstilles på multimeteret, den sorte sonde tilsluttes et jordpunkt, og den røde sonde er forbundet til kontrolpunktet.

Spændingen læses derefter direkte. Forhåbentlig er impedansen til probeindgangskredsløbet høj nok til, at det ikke påvirker kredsløbets drift på nogen måde. Sondeindgangsimpedansen skal have en meget høj seriemodstand sammen med en meget lav shuntkapacitans.

Måling af strømspænding i komplekse kredsløb

Måling af vekselstrøm eller jævnstrøm på ethvert tidspunkt i et kredsløb i stedet for spænding bliver lidt mere vanskelig, og kredsløbet skal muligvis ændres lidt for at imødekomme dette. Det kan være muligt at skære ledningerne i et kredsløb ved det punkt, hvor det ønskes at måle strømmen, og derefter indsætte en følemodstand med en lav værdi ved de to kontaktpunkter.

Igen skal denne modstands værdi være lav nok til, at den ikke påvirker kredsløbets funktion. Multimeterproberne kan derefter forbindes på tværs af denne sensormodstand ved hjælp af den passende spændingsskala, og modstandsspændingen vil blive vist.

Dette kan konverteres til strømmen, der strømmer gennem testpunktet ved at dividere med sensormodstandsværdien, som i formlen I = V / R.

I nogle tilfælde kan sensormodstanden holdes permanent i kredsløbet, hvis strømmen ved et bestemt testpunkt skal måles ofte.

Brug af en DMM til at kontrollere strøm

Det ville sandsynligvis være meget lettere at måle strømmen med multimeteret direkte i stedet for at skulle bruge en sensormodstand. Så efter at have skåret ledningen på det sted, der skal måles, kan følemodstanden udelades, og multimeterets ledninger tilsluttes direkte til de to kontaktpunkter.

En strømflowindikation vil blive vist på multimeteret, hvis den relevante AC- eller DC-strømskala er indstillet. Det er altid vigtigt at indstille den korrekte spænding eller strømskala på et multimeter, før der tilsluttes sonder, eller risikerer at lægge en aflæsning på nul.

Når en nuværende skala er indstillet på et multimeter, bliver indgangssondens indgangsimpedans meget lille, svarende til en følemodstand.

Sondeindgangen på et multimeter kan betragtes som sense- eller 'shunt' -modstanden, så selve multimeteret kan inkluderes i stedet for RD-modstanden i ovenstående diagram. Forhåbentlig er multimeterets indgangsimpedans lav nok til, at det ikke påvirker kredsløbets drift på nogen måde.

De enkle konverteringsteknikker for strøm til spænding og spænding til strøm, der er diskuteret i denne artikel, er ikke så præcise som dem, der er baseret på en transistor eller forstærker, men for mange applikationer fungerer de fint. Det er også muligt at foretage andre typer enkle konverteringer ved hjælp af seriekredsløbet vist ovenfor.

For eksempel kan en firkantbølgeindgang konverteres til en savtandbølgeform (integrator) ved at erstatte D-komponenten med en kondensator.

Den eneste begrænsning er, at tidskonstanten RC skal være stor i forhold til perioden med firkantbølgesignalet.