Eenvoudige spanning-naar-stroom- en stroom-naar-spanning-technieken - door James H. Reinholm

Er zijn veel soorten spanning-naar-stroom- en stroom-naar-spanning-omzetcircuits, en de meeste gebruiken een combinatie van opamps en transistors om een ​​hoge nauwkeurigheid te bereiken. Maar als een hoge nauwkeurigheid niet nodig is, kan een eenvoudige omvormer van dit type worden gemaakt met slechts één of twee weerstanden.

Weerstand als spanning-naar-stroomomvormer

Elke weerstand R die is aangesloten over een voeding V kan worden beschouwd als een spanning-naar-stroomomvormer, omdat de stroom afhankelijk is van de spanning via de wet van Ohm - de formule waarvoor I = V / R is.

Als het ene uiteinde van de weerstand is losgekoppeld en een ander onderdeel D is aangesloten op de losgekoppelde voedingsaansluiting en weerstand, zodat R en D in serie zijn over de voeding, gedraagt ​​het circuit zich nog steeds als een spanning-naar-stroomomvormer als de spanning daalt over de component D is erg klein of relatief constant.

Dit onderdeel kan een diode, LED of zenerdiode zijn, of zelfs een laagwaardige weerstand. In onderstaand schema zijn deze mogelijke combinaties weergegeven. De weerstand R kan ook worden gezien als een stroombegrenzende weerstand voor de toegevoegde component D.

De stroom die door D vloeit, wordt bepaald door de eenvoudige formule: I = (V - VD) / R, waarbij VD de spanningsval over de toegevoegde component is.

Voor constante waarden van VD en R hangt de stroom alleen af ​​van V. Voor voorwaarts voorgespannen diodes is VD ongeveer 0,3 - 0,35 volt voor germanium en 0,6 - 0,7 volt voor siliciumdiodes, en is relatief constant over een breed scala aan stromen. Leds lijken op diodes, behalve dat ze zijn gemaakt van speciale materialen die licht uitstralen.

Hoe LED's werken met weerstanden

Ze hebben een voorwaartse voorspanning die iets hoger is dan gewone diodes, en kan variëren van ongeveer 1,4 volt tot meer dan 3 volt, afhankelijk van de kleur. LED's werken efficiënt op ongeveer 10 mA tot 40 mA, en een stroombegrenzende weerstand is bijna altijd verbonden met een van de LED-aansluitingen om schade door hoge stroom te voorkomen.

Er zijn kleine veranderingen in de spanningsdalingen van diodes en LED's voor verschillende stroomniveaus, maar deze kunnen meestal worden verwaarloosd bij de berekening. Zenerdiodes verschillen doordat ze zijn verbonden met omgekeerde voorspanning.

Dit stelt een vaste spanningsval VD in over de zenerdiode die, afhankelijk van het type, kan variëren van 2V tot ongeveer 300V. Om een ​​van deze apparaten te laten werken, moet de voedingsspanning hoger zijn dan de spanningsval VD.

Elke waarde van de weerstand zou werken, zolang de waarde ervan laag genoeg is om voldoende stroom te laten vloeien, en tegelijkertijd hoog genoeg is om te voorkomen dat overtollige stroom vloeit. Meestal zit er ergens in deze serieschakeling een schakelcomponent die een LED aan of uit zet, etc. Dit kan een transistor, FET of de eindtrap van een opamp zijn.

LED en weerstand in zaklampen

Een LED-zaklamp bestaat in feite uit een batterij, schakelaar, LED en stroombegrenzende weerstand die allemaal in serie zijn geschakeld. Soms bestaat het stroombegrenzingscircuit uit twee weerstanden in serie over een voeding, in plaats van een apparaat van het type weerstand en diode.

De tweede weerstand RD heeft een veel kleinere waarde dan de stroombegrenzende weerstand, R, en wordt vaak een 'shunt'- of 'sense' -weerstand genoemd.

Het circuit kan nog steeds worden gezien als een spanning-naar-stroomomvormer, aangezien de bovenstaande formule nu kan worden teruggebracht tot I = V / R, aangezien VD verwaarloosbaar is in vergelijking met V.

De stroom is nu alleen afhankelijk van de spanning, aangezien R constant is. Dit soort schakelingen is vaak te vinden in verschillende sensorcircuits, zoals temperatuur- en druksensoren, waar een bepaalde hoeveelheid stroom moet stromen in een apparaat met een kleine weerstand.

De spanning over dit apparaat wordt meestal versterkt om elke verandering te meten wanneer de weerstand van de sensor verandert onder verschillende omstandigheden. Deze spanning kan zelfs worden uitgelezen door een multimeter als deze voldoende gevoeligheid heeft.

Als de formule I = V / R wordt omgedraaid om een ​​spanningsfunctie V = I R te worden, kan het eenvoudige serieschakeling met twee weerstanden ook worden beschouwd als een stroom-naar-spanningsomvormer.

De stroombegrenzende weerstand heeft nog steeds een waarde die veel hoger is dan de detectieweerstand, en deze detectieweerstand is zo klein dat deze de werking van het circuit op geen enkele zinvolle manier beïnvloedt.

Met behulp van een stroomgevoelige weerstand

Een stroom wordt omgezet in een spanning door het feit dat de kleine spanning VD over de meetweerstand kan worden gedetecteerd door een multimeter, of deze kan worden versterkt en als een signaal worden toegevoerd aan een A / D-omzetter.

Deze gemeten spanning geeft de stroom aan met de formule van de wet van Ohm V = I R.Als bijvoorbeeld 0,001 A door 1 ohm stroomt, is de spanningswaarde 0,001 V.

De conversie is eenvoudig voor een weerstand van 1 ohm, maar als deze waarde te hoog is, kan een andere waarde - zoals 0,01 ohm - worden gebruikt en kan de spanning gemakkelijk worden gevonden met V = I R.

De werkelijke waarde van de meetweerstand is in deze discussie niet belangrijk. Het kan variëren van 0,1 ohm tot 10 ohm, zolang de stroombegrenzende weerstand veel hoger is. Bij toepassingen met een hoge stroomsterkte moet de waarde van de meetweerstand erg laag zijn om overmatige vermogensdissipatie te voorkomen.

Zelfs met een waarde rond 0,001 ohm, kan er een redelijke spanning over worden gedetecteerd vanwege de hoge stroom. In dergelijke gevallen wordt de meetweerstand normaal gesproken een 'shunt' -weerstand genoemd.

Dit type schakeling wordt vaak gebruikt om de stroom door bijvoorbeeld een DC-motor te meten. Het is eenvoudig om een ​​multimeter te gebruiken om AC- of DC-spanning op elk punt in een elektronisch circuit te meten, zoals op het moederbord van een pc. Een geschikte spanningsschaal is ingesteld op de multimeter, de zwarte sonde is verbonden met een aardpunt en de rode sonde is verbonden met het controlepunt.

De spanning wordt dan direct uitgelezen. Hopelijk is de impedantie van het ingangscircuit van de sonde hoog genoeg om de werking van het circuit op geen enkele manier te beïnvloeden. De ingangsimpedantie van de sonde moet een zeer hoge serieweerstand hebben, samen met een zeer lage shuntcapaciteit.

Stroomspanning meten in complexe circuits

Het meten van wisselstroom of gelijkstroom op elk punt in een circuit in plaats van spanning wordt een beetje lastiger, en het circuit moet mogelijk een beetje worden aangepast om dit op te vangen. Het is wellicht mogelijk om de bedrading van een circuit af te snijden op het punt waar het meten van de stroom gewenst is, en vervolgens een meetweerstand met een lage waarde op de twee contactpunten in te voegen.

Nogmaals, de waarde van deze weerstand moet laag genoeg zijn om de werking van het circuit niet te beïnvloeden. De multimeter-sondes kunnen vervolgens over deze meetweerstand worden aangesloten met behulp van de juiste spanningsschaal, en de weerstandsspanning wordt weergegeven.

Dit kan worden omgezet in de stroom die door het testpunt vloeit door te delen door de waarde van de meetweerstand, zoals in de formule I = V / R.

In sommige gevallen kan de meetweerstand permanent in het circuit worden gehouden als de stroom op een bepaald testpunt regelmatig moet worden gemeten.

Een DMM gebruiken om de stroom te controleren

Het zou waarschijnlijk veel gemakkelijker zijn om de stroom rechtstreeks met de multimeter te meten, in plaats van een meetweerstand te gebruiken. Dus nadat de draad op het te meten punt is doorgesneden, kan de meetweerstand worden weggelaten en kunnen de kabels van de multimeter rechtstreeks op de twee contactpunten worden aangesloten.

Een huidige stroomindicatie wordt weergegeven op de multimeter als de juiste AC- of DC-stroomschaal is ingesteld. Het is altijd belangrijk om de juiste spannings- of stroomschaal op een multimeter in te stellen voordat u sondes aansluit, anders loopt u het risico een nulwaarde te plaatsen.

Wanneer een stroomschaal is ingesteld op een multimeter, wordt de ingangsimpedantie van de ingangssondes erg klein, vergelijkbaar met een meetweerstand.

De sonde-ingang van een multimeter kan worden gezien als de sense- of 'shunt' -weerstand, dus de multimeter zelf kan worden opgenomen in plaats van de RD-weerstand in het bovenstaande diagram. Hopelijk is de ingangsimpedantie van de multimeter laag genoeg om de werking van het circuit op geen enkele manier te beïnvloeden.

De eenvoudige stroom-naar-spanning- en spanning-stroom-conversietechnieken die in dit artikel worden besproken, zijn niet zo nauwkeurig als die welke zijn gebaseerd op een transistor of versterker, maar voor veel toepassingen zullen ze prima werken. Het is ook mogelijk om andere soorten eenvoudige conversies uit te voeren met behulp van de hierboven getoonde serieschakeling.

Een blokgolfingang kan bijvoorbeeld worden omgezet in een zaagtandgolfvorm (integrator) door de D-component te vervangen door een condensator.

De enige beperking is dat de tijdconstante RC groot moet zijn ten opzichte van de periode van het blokgolfsignaal.