Простые методы преобразования напряжения в ток и ток в напряжение - Джеймс Х. Рейнхольм

Существует много типов схем преобразователей напряжения в ток и тока в напряжение, и в большинстве из них используется комбинация операционных усилителей и транзисторов для достижения высокого уровня точности. Но когда в высокой точности нет необходимости, простой преобразователь такого типа может быть изготовлен с использованием всего одного или двух резисторов.

Резистор как преобразователь напряжения в ток

Любой резистор R, подключенный к источнику питания V, можно рассматривать как преобразователь напряжения в ток, поскольку ток зависит от напряжения по закону Ома - формула для которого I = V / R.

Если один конец резистора отключен, а другой компонент D подключен к отключенным клеммам источника питания и резистору, так что R и D включены последовательно через источник питания, схема все равно будет вести себя как преобразователь напряжения в ток, если падение напряжения по компоненту D очень мала или относительно постоянна.

Этим компонентом может быть диод, светодиод, стабилитрон или даже маломощный резистор. На диаграмме ниже показаны эти возможные комбинации. Резистор R можно также рассматривать как резистор, ограничивающий ток для добавляемого компонента D.

Ток, протекающий через D, определяется простой формулой: I = (V - VD) / R, где VD - это падение напряжения на добавляемом компоненте.

При постоянных значениях VD и R ток зависит только от V. Для диодов с прямым смещением VD составляет примерно 0,3–0,35 В для германия и 0,6–0,7 В для кремниевых диодов и является относительно постоянным в широком диапазоне токов. Светодиоды похожи на диоды, за исключением того, что они изготовлены из специальных материалов, излучающих свет.

Как светодиоды работают с резисторами

Напряжение прямого смещения у них немного выше, чем у обычных диодов, и может составлять от 1,4 до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Светодиоды работают эффективно при токе примерно от 10 мА до 40 мА, а резистор, ограничивающий ток, почти всегда подключается к одной из клемм светодиода, чтобы предотвратить любое повреждение из-за высокого тока.

Есть небольшие изменения в падении напряжения диодов и светодиодов для разных уровней тока, но обычно ими можно пренебречь при расчетах. Стабилитроны отличаются тем, что подключены с обратным смещением.

Это устанавливает фиксированное падение напряжения VD на стабилитроне, которое может составлять от 2 В до примерно 300 В, в зависимости от типа. Для того, чтобы любое из этих устройств работало, напряжение питания должно быть выше падения напряжения VD.

Подойдет любой номинал резистора, если его значение достаточно низкое, чтобы пропускать достаточный ток, и в то же время достаточно высокое, чтобы не допустить протекания избыточного тока. Обычно в эту последовательную схему вставляется переключающий компонент, который включает или выключает светодиод и т. Д. Это может быть транзистор, полевой транзистор или выходной каскад операционного усилителя.

Светодиод и резистор в фонариках

Светодиодный фонарик в основном состоит из батареи, переключателя, светодиода и токоограничивающего резистора, соединенных последовательно. Иногда схема ограничения тока состоит из двух резисторов, включенных последовательно через источник питания, вместо устройства резисторно-диодного типа.

Второй резистор RD имеет гораздо меньшее значение, чем токоограничивающий резистор R, и его часто называют «шунтирующим» или «чувствительным» резистором.

Схема все еще может рассматриваться как преобразователь напряжения в ток, поскольку приведенная выше формула теперь может быть уменьшена до I = V / R, поскольку VD незначительно по сравнению с V.

Теперь ток будет зависеть только от напряжения, поскольку R постоянно. Такой тип цепи часто можно встретить в различных цепях датчиков, таких как датчики температуры и давления, где определенное количество тока должно протекать в устройстве с небольшим сопротивлением.

Напряжение на этом устройстве обычно усиливается для измерения любых изменений сопротивления датчика при изменении условий. Это напряжение может быть даже считано мультиметром, если он имеет достаточную чувствительность.

Если перевернуть формулу I = V / R, чтобы она стала функцией напряжения V = I R, простую последовательную схему с двумя резисторами можно также рассматривать как преобразователь тока в напряжение.

Ток ограничивающий резистор по-прежнему имеет значение намного выше, чем резистор считывания, и этот резистор считывания достаточно мал, чтобы не влиять на работу схемы каким-либо значимым образом.

Использование резистора для измерения тока

Ток преобразуется в напряжение благодаря тому факту, что небольшое напряжение VD на измерительном резисторе может быть обнаружено мультиметром или может быть усилено и подано в качестве сигнала в аналого-цифровой преобразователь.

Это измеренное напряжение показывает протекающий ток по формуле закона Ома V = I R. Например, если 0,001 А протекает через 1 Ом, показание напряжения составляет 0,001 В.

Преобразование несложно для резистора 1 Ом, но если это значение слишком велико, можно использовать другое значение, например 0,01 Ом, и напряжение можно легко найти, используя V = I R.

Фактическое значение резистора считывания не имеет значения в этом обсуждении. Оно может составлять от 0,1 до 10 Ом, если ток ограничивающий резистор намного выше. В сильноточных приложениях значение резистора считывания должно быть очень низким, чтобы предотвратить избыточное рассеивание мощности.

Даже при значении около 0,001 Ом на нем можно определить приемлемое напряжение из-за большого тока. В подобных случаях чувствительный резистор обычно называют «шунтирующим» резистором.

Этот вид схемы часто используется, например, для измерения силы тока в двигателе постоянного тока. Использовать мультиметр для измерения переменного или постоянного напряжения в любой точке электронной схемы, например, на материнской плате ПК, очень просто. Соответствующая шкала напряжений устанавливается на мультиметре, черный щуп подсоединяется к точке заземления, а красный щуп подсоединяется к контрольной точке.

Затем напрямую считывается напряжение. Будем надеяться, что импеданс входной цепи пробника достаточно высок, чтобы никак не повлиять на работу схемы. Входное сопротивление пробника должно иметь очень высокое последовательное сопротивление и очень низкую шунтирующую емкость.

Измерение текущего напряжения в сложных цепях

Измерение переменного или постоянного тока в любой точке цепи вместо напряжения становится немного сложнее, и, возможно, придется немного изменить схему, чтобы приспособиться к этому. Можно было бы перерезать проводку цепи в точке, где требуется измерение тока, а затем вставить чувствительный резистор с низким значением в двух точках контакта.

Опять же, номинал этого резистора должен быть достаточно низким, чтобы он не влиял на работу схемы. Затем к этому измерительному резистору можно подключить щупы мультиметра с использованием соответствующей шкалы напряжения, и будет отображаться напряжение резистора.

Его можно преобразовать в ток, протекающий через контрольную точку, путем деления на номинал резистора считывания, как в формуле I = V / R.

В некоторых случаях резистор считывания может оставаться в цепи постоянно, если ток в конкретной контрольной точке необходимо часто измерять.

Использование цифрового мультиметра для проверки силы тока

Вероятно, было бы намного проще измерить ток с помощью мультиметра напрямую, вместо того, чтобы использовать измерительный резистор. Таким образом, после перерезания провода в точке измерения, измерительный резистор можно не использовать, а выводы мультиметра подсоединить непосредственно к двум точкам контакта.

Индикация текущего расхода будет отображаться на мультиметре, если установлена ​​соответствующая шкала переменного или постоянного тока. Всегда важно установить правильную шкалу напряжения или тока на мультиметре, прежде чем подключать какие-либо щупы, иначе вы рискуете получить нулевое показание.

Когда шкала тока установлена ​​на мультиметре, входное сопротивление входных пробников становится очень маленьким, как у измерительного резистора.

Вход щупа мультиметра можно рассматривать как чувствительный или «шунтирующий» резистор, поэтому сам мультиметр может быть включен вместо резистора RD на приведенной выше схеме. Будем надеяться, что входное сопротивление мультиметра достаточно низкое, чтобы никак не повлиять на работу схемы.

Простые методы преобразования тока в напряжение и напряжение в ток, обсуждаемые в этой статье, не так точны, как те, которые основаны на транзисторе или усилителе, но для многих приложений они будут работать нормально. Также возможно выполнить другие типы простых преобразований, используя последовательную схему, показанную выше.

Например, прямоугольный входной сигнал можно преобразовать в пилообразный сигнал (интегратор), заменив компонент D конденсатором.

Единственное ограничение - постоянная времени RC должна быть большой по сравнению с периодом прямоугольного сигнала.