Einfache Spannungs-Strom- und Strom-Spannungs-Techniken - Von James H. Reinholm

Es gibt viele Arten von Spannungs-Strom- und Strom-Spannungs-Wandlerschaltungen, und die meisten von ihnen verwenden eine Kombination aus Operationsverstärkern und Transistoren, um ein hohes Maß an Genauigkeit zu erreichen. Wenn jedoch keine hohe Genauigkeit erforderlich ist, kann ein einfacher Konverter dieses Typs mit nur einem oder zwei Widerständen hergestellt werden.

Widerstand als Spannungs-Strom-Wandler

Jeder Widerstand R, der über eine Stromversorgung V angeschlossen ist, kann als Spannungs-Strom-Wandler betrachtet werden, da der Strom über das Ohmsche Gesetz von der Spannung abhängt - die Formel lautet I = V / R.

Wenn ein Ende des Widerstands getrennt ist und eine andere Komponente D mit dem getrennten Stromversorgungsanschluss und dem Widerstand verbunden ist, so dass R und D über die Stromversorgung in Reihe geschaltet sind, verhält sich die Schaltung immer noch wie ein Spannungs-Strom-Wandler, wenn die Spannung abfällt über die Komponente D ist sehr klein oder relativ konstant.

Diese Komponente kann eine Diode, LED oder Zenerdiode oder sogar ein niederwertiger Widerstand sein. Das folgende Diagramm zeigt diese möglichen Kombinationen. Der Widerstand R kann auch als Strombegrenzungswiderstand für die hinzugefügte Komponente D angesehen werden.

Der Strom, der durch D fließt, wird durch die einfache Formel bestimmt: I = (V - VD) / R, wobei VD der Spannungsabfall über der hinzugefügten Komponente ist.

Für konstante Werte von VD und R hängt der Strom nur von V ab. Für in Vorwärtsrichtung vorgespannte Dioden beträgt VD etwa 0,3 bis 0,35 Volt für Germanium und 0,6 bis 0,7 Volt für Siliziumdioden und ist über einen weiten Bereich von Strömen relativ konstant. LEDs ähneln Dioden, nur dass sie aus speziellen Materialien hergestellt sind, die Licht emittieren.

Wie LEDs mit Widerständen arbeiten

Sie haben eine Vorwärtsvorspannung, die etwas höher als bei normalen Dioden ist und je nach Farbe zwischen etwa 1,4 Volt und über 3 Volt liegen kann. LEDs arbeiten effizient bei etwa 10 mA bis 40 mA, und ein Strombegrenzungswiderstand ist fast immer an einen der LED-Anschlüsse angeschlossen, um Schäden durch hohen Strom zu vermeiden.

Es gibt geringfügige Änderungen der Spannungsabfälle von Dioden und LEDs für verschiedene Strompegel, diese können jedoch bei der Berechnung normalerweise vernachlässigt werden. Zenerdioden unterscheiden sich darin, dass sie mit Sperrvorspannung verbunden sind.

Dadurch wird ein fester Spannungsabfall VD über der Zenerdiode eingestellt, der je nach Typ zwischen 2 V und etwa 300 V liegen kann. Damit eines dieser Geräte funktioniert, muss die Versorgungsspannung höher sein als der Spannungsabfall VD.

Jeder Wert des Widerstands würde funktionieren, solange sein Wert niedrig genug ist, um einen ausreichenden Stromfluss zu ermöglichen, während er gleichzeitig hoch genug ist, um zu verhindern, dass überschüssiger Strom fließt. Normalerweise ist irgendwo in dieser Reihenschaltung eine Schaltkomponente eingefügt, die eine LED ein- oder ausschaltet usw. Dies kann ein Transistor, ein FET oder die Ausgangsstufe eines Operationsverstärkers sein.

LED und Widerstand in Taschenlampen

Eine LED-Taschenlampe besteht im Wesentlichen aus einer Batterie, einem Schalter, einer LED und einem Strombegrenzungswiderstand, die alle in Reihe geschaltet sind. Manchmal besteht die Strombegrenzungsschaltung aus zwei Widerständen in Reihe über eine Stromversorgung anstelle einer Vorrichtung vom Typ Widerstand und Diode.

Der zweite Widerstand RD hat einen viel kleineren Wert als der Strombegrenzungswiderstand R und wird oft als 'Nebenschluss' - oder 'Erfassungs' -Widerstand bezeichnet.

Die Schaltung kann immer noch als Spannungs-Strom-Wandler betrachtet werden, da die obige Formel nun auf I = V / R reduziert werden kann, da VD im Vergleich zu V vernachlässigbar ist.

Der Strom hängt jetzt nur noch von der Spannung ab, da R konstant ist. Diese Art von Schaltung findet sich häufig in verschiedenen Sensorkreisen, wie z. B. Temperatur- und Drucksensoren, bei denen eine definierte Strommenge in einem Gerät mit geringem Widerstand fließen soll.

Die Spannung an diesem Gerät wird normalerweise verstärkt, um jede Änderung zu messen, wenn sich der Sensorwiderstand unter verschiedenen Bedingungen ändert. Diese Spannung kann bei ausreichender Empfindlichkeit sogar von einem Multimeter abgelesen werden.

Wenn die Formel I = V / R umgedreht wird, um eine Spannungsfunktion V = I R zu werden, kann die einfache Reihenschaltung mit zwei Widerständen auch als Strom-Spannungs-Wandler betrachtet werden.

Der Strombegrenzungswiderstand hat immer noch einen Wert, der viel höher ist als der Erfassungswiderstand, und dieser Erfassungswiderstand ist klein genug, um den Betrieb der Schaltung in keiner sinnvollen Weise zu beeinträchtigen.

Verwenden eines Stromerfassungswiderstands

Ein Strom wird in eine Spannung umgewandelt, indem die kleine Spannung VD über dem Erfassungswiderstand von einem Multimeter erfasst oder verstärkt und als Signal an einen A / D-Wandler angelegt werden kann.

Diese gemessene Spannung gibt den Stromfluss mit der Ohmschen Gesetzformel V = I R an. Wenn beispielsweise 0,001 A durch 1 Ohm fließt, beträgt der Spannungswert 0,001 V.

Die Umwandlung ist für einen 1-Ohm-Widerstand einfach, aber wenn dieser Wert zu hoch ist, kann ein anderer Wert - wie 0,01 Ohm - verwendet werden, und die Spannung kann leicht mit V = I R ermittelt werden.

Der tatsächliche Wert des Erfassungswiderstands ist in dieser Diskussion nicht wichtig. Sie kann zwischen 0,1 Ohm und 10 Ohm liegen, solange der Strombegrenzungswiderstand viel höher ist. Bei Hochstromanwendungen sollte der Wert des Messwiderstands sehr niedrig sein, um eine übermäßige Verlustleistung zu vermeiden.

Selbst bei einem Wert um 0,001 Ohm kann aufgrund des hohen Stromflusses eine angemessene Spannung darüber gemessen werden. In solchen Fällen wird der Messwiderstand normalerweise als 'Shunt' -Widerstand bezeichnet.

Diese Art von Schaltung wird häufig verwendet, um beispielsweise den Strom durch einen Gleichstrommotor zu messen. Es ist ganz einfach, ein Multimeter zum Messen der Wechsel- oder Gleichspannung an einem beliebigen Punkt in einem elektronischen Schaltkreis zu verwenden, z. B. auf einem PC-Motherboard. Am Multimeter wird eine geeignete Spannungsskala eingestellt, die schwarze Sonde an einen Erdungspunkt und die rote Sonde an den Prüfpunkt angeschlossen.

Die Spannung wird dann direkt abgelesen. Hoffentlich ist die Impedanz der Sondeneingangsschaltung hoch genug, um den Betrieb der Schaltung in keiner Weise zu beeinträchtigen. Die Eingangsimpedanz der Sonde sollte einen sehr hohen Serienwiderstand und eine sehr niedrige Nebenschlusskapazität aufweisen.

Messen der Stromspannung in komplexen Schaltkreisen

Das Messen von Wechsel- oder Gleichstrom an einem beliebigen Punkt in einem Stromkreis anstelle einer Spannung wird etwas schwieriger, und der Stromkreis muss möglicherweise ein wenig modifiziert werden, um dies zu berücksichtigen. Es kann möglich sein, die Verdrahtung eines Stromkreises an dem Punkt zu unterbrechen, an dem die Messung des Stromflusses gewünscht wird, und dann an den beiden Kontaktpunkten einen Messwiderstand mit einem niedrigen Wert einzufügen.

Auch hier sollte der Wert dieses Widerstands so niedrig sein, dass er den Betrieb der Schaltung nicht beeinträchtigt. Die Multimetersonden können dann unter Verwendung der entsprechenden Spannungsskala über diesen Erfassungswiderstand angeschlossen werden, und die Widerstandsspannung würde angezeigt.

Dies kann in den durch den Testpunkt fließenden Strom umgewandelt werden, indem durch den Messwiderstandswert dividiert wird, wie in der Formel I = V / R.

In einigen Fällen kann der Messwiderstand dauerhaft im Stromkreis gehalten werden, wenn der Strom an einem bestimmten Testpunkt häufig gemessen werden muss.

Verwenden eines DMM zum Überprüfen des Stroms

Es wäre wahrscheinlich viel einfacher, den Stromfluss direkt mit dem Multimeter zu messen, als einen Messwiderstand verwenden zu müssen. Nach dem Abschneiden des Drahtes an dem zu messenden Punkt kann der Messwiderstand weggelassen und die Kabel des Multimeters direkt an die beiden Kontaktpunkte angeschlossen werden.

Eine Stromflussanzeige wird auf dem Multimeter angezeigt, wenn die entsprechende AC- oder DC-Stromskala eingestellt ist. Es ist immer wichtig, die richtige Spannungs- oder Stromskala an einem Multimeter einzustellen, bevor Sonden angeschlossen werden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass ein Wert von Null angezeigt wird.

Wenn eine Stromskala an einem Multimeter eingestellt wird, wird die Eingangsimpedanz der Eingangssonden sehr klein, ähnlich wie bei einem Messwiderstand.

Der Sondeneingang eines Multimeters kann als Erfassungs- oder Nebenschlusswiderstand betrachtet werden, sodass das Multimeter selbst anstelle des RD-Widerstands im obigen Diagramm enthalten sein kann. Hoffentlich ist die Eingangsimpedanz des Multimeters niedrig genug, um den Schaltungsbetrieb in keiner Weise zu beeinträchtigen.

Die in diesem Artikel beschriebenen einfachen Techniken zur Umwandlung von Strom in Spannung und Spannung in Strom sind nicht so präzise wie diejenigen, die auf einem Transistor oder Verstärker basieren, aber für viele Anwendungen funktionieren sie einwandfrei. Es ist auch möglich, andere Arten einfacher Konvertierungen unter Verwendung der oben gezeigten Reihenschaltung durchzuführen.

Beispielsweise kann ein Rechteckwelleneingang in eine Sägezahnwellenform (Integrator) umgewandelt werden, indem die D-Komponente durch einen Kondensator ersetzt wird.

Die einzige Einschränkung besteht darin, dass die Zeitkonstante RC relativ zur Periode des Rechtecksignals groß sein sollte.