Semplici tecniche tensione-corrente e corrente-tensione - di James H. Reinholm

Esistono molti tipi di circuiti di conversione tensione-corrente e corrente-tensione e la maggior parte di essi utilizza una combinazione di amplificatori operazionali e transistor per ottenere un elevato livello di precisione. Ma quando non è necessaria un'elevata precisione, un semplice convertitore di questo tipo può essere realizzato utilizzando solo uno o due resistori.

Resistore come convertitore da tensione a corrente

Qualsiasi resistenza R collegata a un alimentatore V può essere considerata un convertitore da tensione a corrente, poiché la corrente dipende dalla tensione tramite la legge di Ohm, la cui formula è I = V / R.

Se un'estremità del resistore è scollegata e un altro componente D è collegato al terminale di alimentazione scollegato e al resistore in modo che R e D siano in serie attraverso l'alimentazione, il circuito si comporta ancora come un convertitore da tensione a corrente se la tensione cade attraverso il componente D è molto piccolo o relativamente costante.

Questo componente potrebbe essere un diodo, LED o diodo zener o anche un resistore di basso valore. Il diagramma seguente mostra queste possibili combinazioni. Il resistore R può anche essere pensato come un resistore limitatore di corrente per il componente aggiunto D.

La corrente che scorre attraverso D è determinata dalla semplice formula: I = (V - VD) / R, dove VD è la caduta di tensione attraverso il componente aggiunto.

Per valori costanti di VD e R, la corrente dipende solo da V. Per diodi polarizzati in avanti, VD è di circa 0,3 - 0,35 volt per germanio e 0,6 - 0,7 volt per diodi al silicio ed è relativamente costante su un'ampia gamma di correnti. I LED sono simili ai diodi, tranne per il fatto che sono costruiti utilizzando materiali speciali che emettono luce.

Come funzionano i LED con i resistori

Hanno una tensione di polarizzazione diretta che è leggermente superiore ai normali diodi e potrebbe variare da circa 1,4 volt a oltre 3 volt, a seconda del colore. I LED funzionano in modo efficiente da circa 10 mA a 40 mA e un resistore di limitazione della corrente è quasi sempre collegato a uno dei terminali LED per evitare danni dovuti all'alta corrente.

Ci sono lievi variazioni nelle cadute di tensione di diodi e LED per diversi livelli di corrente, ma queste possono solitamente essere trascurate nel calcolo. I diodi Zener sono diversi in quanto sono collegati con polarizzazione inversa.

Questo imposta una caduta di tensione fissa VD attraverso il diodo zener che potrebbe essere ovunque da 2V a circa 300V, a seconda del tipo. Affinché uno qualsiasi di questi dispositivi funzioni, la tensione di alimentazione deve essere superiore alla caduta di tensione VD.

Qualsiasi valore del resistore funzionerebbe, purché il suo valore sia sufficientemente basso da consentire il flusso di corrente sufficiente, mentre allo stesso tempo è abbastanza alto da impedire il flusso di corrente in eccesso. Di solito c'è un componente di commutazione inserito da qualche parte in questo circuito in serie, che accende o spegne un LED, ecc. Potrebbe essere un transistor, un FET o lo stadio di uscita di un amplificatore operazionale.

LED e resistenza nelle torce elettriche

Una torcia a LED è costituita essenzialmente da una batteria, un interruttore, un LED e un resistore limitatore di corrente, tutti collegati in serie. A volte, il circuito di limitazione della corrente è costituito da due resistori in serie attraverso un alimentatore, invece di un dispositivo di tipo resistore e diodo.

Il secondo resistore RD ha un valore molto più piccolo del resistore limitatore di corrente, R, ed è spesso chiamato resistore 'shunt' o 'sense'.

Il circuito può ancora essere pensato come un convertitore da tensione a corrente, poiché la formula sopra può ora essere ridotta a I = V / R, poiché VD è trascurabile rispetto a V.

La corrente ora dipenderà solo dalla tensione, poiché R è costante. Questo tipo di circuito si trova spesso in vari circuiti di sensori, come sensori di temperatura e pressione, dove una quantità definita di corrente deve fluire in un dispositivo con una piccola resistenza.

La tensione attraverso questo dispositivo viene solitamente amplificata per misurare qualsiasi cambiamento quando la resistenza del sensore cambia in condizioni variabili. Questa tensione può anche essere letta da un multimetro se ha una sensibilità sufficiente.

Se la formula I = V / R viene capovolta per diventare una funzione di tensione V = I R, il semplice circuito in serie a due resistori può essere pensato anche come un convertitore da corrente a tensione.

Il resistore di limitazione della corrente ha ancora un valore molto più alto del resistore di rilevamento e questo resistore di rilevamento è abbastanza piccolo da non influire in modo significativo sul funzionamento del circuito.

Utilizzo di un resistore di rilevamento della corrente

Una corrente viene convertita in una tensione dal fatto che la piccola tensione VD attraverso il resistore di rilevamento può essere rilevata da un multimetro, oppure può essere amplificata e applicata come segnale in un convertitore A / D.

Questa tensione misurata indica il flusso di corrente con la formula della legge di Ohm V = I R. Ad esempio, se 0,001 A scorre attraverso 1 ohm, la lettura della tensione è 0,001 V.

La conversione è semplice per una resistenza da 1 ohm, ma se questo valore è troppo alto, è possibile utilizzare un altro valore, come 0,01 ohm, e la tensione può essere facilmente trovata utilizzando V = I R.

Il valore effettivo della resistenza di rilevamento non è importante in questa discussione. Può essere ovunque da 0,1 ohm a 10 ohm, purché il resistore di limitazione della corrente sia molto più alto. Nelle applicazioni ad alta corrente, il valore del resistore di rilevamento dovrebbe essere molto basso per evitare un'eccessiva dissipazione di potenza.

Anche con un valore intorno a 0,001 ohm, è possibile rilevare una tensione ragionevole a causa dell'elevato flusso di corrente. In casi come questo il resistore di rilevamento è normalmente chiamato resistore di 'shunt'.

Questo tipo di circuito viene spesso utilizzato per misurare la corrente attraverso un motore CC, ad esempio. È semplice utilizzare un multimetro per misurare la tensione CA o CC in qualsiasi punto di un circuito elettronico, ad esempio sulla scheda madre di un PC. Una scala di tensione appropriata è impostata sul multimetro, la sonda nera collegata a un punto di massa e la sonda rossa collegata al punto di controllo.

La tensione viene quindi letta direttamente. Si spera che l'impedenza del circuito di ingresso della sonda sia sufficientemente alta da non influire in alcun modo sul funzionamento del circuito. L'impedenza di ingresso della sonda dovrebbe avere una resistenza in serie molto elevata insieme a una capacità di shunt molto bassa.

Misurazione della tensione di corrente in circuiti complessi

Misurare la corrente CA o CC in qualsiasi punto di un circuito invece della tensione diventa un po 'più complicato e il circuito potrebbe dover essere modificato un po' per adattarlo. Potrebbe essere possibile tagliare il cablaggio di un circuito nel punto in cui si desidera la misurazione del flusso di corrente, quindi inserire una resistenza di rilevamento con un valore basso nei due punti di contatto.

Ancora una volta, il valore di questo resistore dovrebbe essere abbastanza basso da non influire sul funzionamento del circuito. Le sonde del multimetro possono quindi essere collegate attraverso questo resistore di rilevamento utilizzando la scala di tensione appropriata e la tensione del resistore verrebbe visualizzata.

Questo può essere convertito nella corrente che scorre attraverso il punto di prova dividendo per il valore del resistore di rilevamento, come nella formula I = V / R.

In alcuni casi, il resistore di rilevamento può essere mantenuto nel circuito in modo permanente se la corrente in un particolare punto di prova deve essere misurata frequentemente.

Utilizzo di un multimetro digitale per controllare la corrente

Probabilmente sarebbe molto più facile misurare il flusso di corrente direttamente con il multimetro, invece di dover utilizzare un resistore di rilevamento. Quindi, dopo aver tagliato il filo nel punto da misurare, il resistore di rilevamento può essere omesso e i cavi del multimetro collegati direttamente ai due punti di contatto.

Un'indicazione del flusso di corrente verrà visualizzata sul multimetro se è impostata la scala di corrente CA o CC appropriata. È sempre importante impostare la corretta scala di tensione o corrente su un multimetro prima di collegare qualsiasi sonda, o rischiare di inviare una lettura pari a zero.

Quando una scala di corrente è impostata su un multimetro, l'impedenza di ingresso delle sonde di ingresso diventa molto piccola, simile a un resistore di rilevamento.

L'ingresso della sonda di un multimetro può essere considerato come il resistore di rilevamento o 'shunt', quindi il multimetro stesso può essere incluso al posto del resistore RD nel diagramma sopra. Si spera che l'impedenza di ingresso del multimetro sia sufficientemente bassa da non influire in alcun modo sul funzionamento del circuito.

Le semplici tecniche di conversione corrente-tensione e tensione-corrente discusse in questo articolo non sono precise come quelle basate su un transistor o un amplificatore, ma per molte applicazioni funzioneranno bene. È anche possibile eseguire altri tipi di conversioni semplici utilizzando il circuito in serie mostrato sopra.

Ad esempio, un ingresso a onda quadra può essere convertito in una forma d'onda a dente di sega (integratore) sostituendo il componente D con un condensatore.

L'unica limitazione è che la costante di tempo RC dovrebbe essere grande rispetto al periodo del segnale a onda quadra.