Tècniques simples de tensió a corrent i de corrent a tensió - Per James H. Reinholm

Hi ha molts tipus de circuits convertidors de tensió a corrent i de corrent a voltatge, i la majoria utilitzen una combinació d’opamps i transistors per aconseguir un alt nivell de precisió. Però quan no és necessària una alta precisió, es pot fer un simple convertidor d’aquest tipus amb només una o dues resistències.

Resistència com convertidor de tensió a corrent

Qualsevol resistència R connectada a través d'una font d'alimentació V es pot considerar un convertidor de tensió a corrent, ja que el corrent depèn de la tensió mitjançant la llei d'Ohm, la fórmula de la qual és I = V / R.

Si es desconnecta un extrem de la resistència i es connecta un altre component D al terminal i a la resistència de la font d'alimentació desconnectats de manera que R i D es troben en sèrie a través de la font d'alimentació, el circuit encara es comporta com un convertidor de tensió a corrent si la tensió baixa a través del component D és molt petit o relativament constant.

Aquest component podria ser un díode, un LED o un díode zener, o fins i tot una resistència de baix valor. El diagrama següent mostra aquestes possibles combinacions. La resistència R també es pot considerar com una resistència limitadora de corrent per al component D afegit.

El corrent que flueix a través de D ve determinat per la fórmula simple: I = (V - VD) / R, on VD és la caiguda de tensió del component afegit.

Per als valors constants de VD i R, el corrent només depèn de V. Per als díodes esbiaixats cap endavant, VD és d’uns 0,3 - 0,35 volts per al germani i de 0,6 - 0,7 volts per als díodes de silici, i és relativament constant en un ampli ventall de corrents. Els LED són similars als díodes, tret que es construeixen amb materials especials que emeten llum.

Com funcionen els LED amb les resistències

Tenen una tensió de biaix cap endavant que és una mica més alta que els díodes normals i que podria ser d’entre 1,4 volts i més de 3 volts, segons el color. Els LED funcionen de manera eficient entre uns 10 mA i 40 mA i gairebé sempre es connecta una resistència limitadora de corrent a un dels terminals LED per evitar danys a causa d’un corrent elevat.

Hi ha canvis lleugers en les caigudes de tensió dels díodes i dels LEDs per a diferents nivells de corrent, però normalment es poden descuidar en el càlcul. Els díodes Zener són diferents perquè estan connectats amb un biaix invers.

Això estableix una caiguda de tensió fixa VD a través del díode zener que podria estar des de 2V fins a uns 300V, segons el tipus. Perquè qualsevol d’aquests dispositius funcioni, la tensió d’alimentació ha de ser superior a la caiguda de tensió VD.

Qualsevol valor de la resistència funcionaria, sempre que el seu valor sigui prou baix per permetre el flux suficient de corrent, mentre que al mateix temps sigui prou alt per evitar que flueixi l'excés de corrent. Normalment hi ha un component de commutació inserit en algun lloc d’aquest circuit de sèrie, que encén o apaga un LED, etc. Podria ser un transistor, FET o l’etapa de sortida d’un opamp.

LED i resistència en llanternes

Una llanterna LED consisteix bàsicament en una bateria, un interruptor, un LED i una resistència limitadora de corrent, tots connectats en sèrie. De vegades, el circuit limitador de corrent consta de dues resistències en sèrie a través d'una font d'alimentació, en lloc d'un dispositiu tipus resistència i díode.

La segona resistència RD té un valor molt menor que la resistència limitadora de corrent, R, i sovint es denomina resistència de “derivació” o “sens”.

El circuit encara es pot considerar com un convertidor de tensió a corrent, ja que la fórmula anterior es pot reduir ara a I = V / R, ja que VD és insignificant en comparació amb V.

El corrent ara només dependrà de la tensió, ja que R és constant. Aquest tipus de circuit es pot trobar sovint en diversos circuits de sensors, com ara sensors de temperatura i pressió, on una quantitat definida de corrent ha de fluir en un dispositiu amb una resistència petita.

La tensió a través d’aquest dispositiu s’amplifica normalment per mesurar qualsevol canvi a mesura que la resistència del sensor canvia en condicions diferents. Aquest voltatge fins i tot es pot llegir mitjançant un multímetre si té prou sensibilitat.

Si es dóna la volta a la fórmula I = V / R per convertir-se en una funció de tensió V = I R, el circuit en sèrie simple de dues resistències també es pot considerar com un convertidor de corrent a voltatge.

La resistència limitant actual té encara un valor molt superior a la resistència de sentit, i aquesta resistència de sentit és prou petita perquè no afecti el funcionament del circuit de cap manera significativa.

Utilització d’una resistència de detecció de corrent

Un corrent es converteix en una tensió pel fet que el petit voltatge VD a través de la resistència de sentit pot ser detectat per un multímetre, o bé es pot amplificar i aplicar com a senyal a un convertidor A / D.

Aquesta tensió mesurada indica el flux de corrent amb la fórmula de la llei d’Ohm V = I R. Per exemple, si 0,001 A flueix a través d’1 ohm, la lectura del voltatge és de 0,001 V.

La conversió és senzilla per a una resistència d'1 ohm, però si aquest valor és massa alt, es pot utilitzar un altre valor, com 0,01 ohms, i es pot trobar fàcilment el voltatge utilitzant V = I R.

El valor real de la resistència de sentit no és important en aquesta discussió. Pot ser des de 0,1 ohms fins a 10 ohms, sempre que la resistència limitadora de corrent sigui molt superior. En aplicacions d’alta intensitat, el valor de la resistència de sentit hauria de ser molt baix per tal d’evitar l’excés de dissipació de potència.

Fins i tot amb un valor al voltant de 0,001 ohms, es pot percebre un voltatge raonable a causa del flux de corrent elevat. En casos com aquest, la resistència de sentit es denomina normalment resistència de “derivació”.

Aquest tipus de circuit s'utilitza sovint per mesurar el corrent mitjançant un motor de corrent continu, per exemple. És senzill utilitzar un multímetre per mesurar la tensió de CA o CC en qualsevol punt d’un circuit electrònic, com ara en una placa base de PC. Es defineix una escala de voltatge adequada al multímetre, la sonda negra connectada a un punt de terra i la sonda vermella connectada al punt de control.

A continuació, es llegeix el voltatge directament. Tant de bo la impedància del circuit d’entrada de la sonda sigui prou elevada perquè no afecti el funcionament del circuit de cap manera. La impedància d'entrada de la sonda hauria de tenir una resistència de sèrie molt alta juntament amb una capacitat de derivació molt baixa.

Mesura de la tensió de corrent en circuits complexos

Mesurar el corrent altern o corrent continu en qualsevol punt d’un circuit en lloc de la tensió es torna una mica més complicat i és possible que s’hagi de modificar una mica el circuit per adaptar-lo. Podria ser possible tallar el cablejat d'un circuit en el punt on es desitgi mesurar el flux de corrent i, a continuació, inserir una resistència de detecció amb un valor baix als dos punts de contacte.

Una vegada més, el valor d'aquesta resistència hauria de ser prou baix perquè no afecti el funcionament del circuit. Les sondes del multímetre es poden connectar a través d'aquesta resistència de sentit mitjançant l'escala de voltatge adequada i es mostrarà la tensió de la resistència.

Això es pot convertir al corrent que circula pel punt de prova dividint pel valor de la resistència de sentit, com en la fórmula I = V / R.

En alguns casos, la resistència de sentit es pot mantenir permanentment al circuit si cal mesurar amb freqüència el corrent en un punt de prova concret.

Ús d’un DMM per comprovar l’actualitat

Probablement seria molt més fàcil mesurar directament el flux de corrent amb el multímetre, en lloc d’haver d’utilitzar una resistència de detecció. Per tant, després de tallar el cable en el punt a mesurar, es pot deixar de banda la resistència de sentit i connectar els cables del multímetre directament als dos punts de contacte.

Es mostrarà una indicació de flux de corrent al multímetre si s'estableix l'escala de corrent de corrent altern o corrent continu. Sempre és important establir la tensió o l’escala de corrent correctes en un multímetre abans de connectar cap sonda o arriscar-se a publicar una lectura de zero.

Quan s'estableix una escala de corrent en un multímetre, la impedància d'entrada de les sondes d'entrada es fa molt petita, similar a una resistència de detecció.

L'entrada de sonda d'un multímetre es pot considerar com la resistència de sentit o 'derivació', de manera que el mateix multímetre es pot incloure en lloc de la resistència RD al diagrama anterior. Amb sort, la impedància d’entrada del multímetre és prou baixa com perquè no afecti el funcionament del circuit de cap manera.

Les tècniques simples de conversió de corrent a voltatge i voltatge a corrent que es comenten en aquest article no són tan precises com les que es basen en un transistor o amplificador, però per a moltes aplicacions funcionaran bé. També és possible fer altres tipus de conversions simples utilitzant el circuit en sèrie que es mostra més amunt.

Per exemple, una entrada d'ona quadrada es pot convertir en una forma d'ona de dents de serra (integrador) substituint el component D per un condensador.

L'única restricció és que la constant de temps RC ha de ser gran en relació amb el període del senyal d'ona quadrada.