Teknik Tegangan-ke-Arus dan Arus-ke-Tegangan Sederhana - Oleh James H. Reinholm

Ada banyak jenis rangkaian konverter tegangan-ke-arus dan arus-ke-tegangan, dan kebanyakan di antaranya menggunakan kombinasi opamp dan transistor untuk mencapai tingkat akurasi yang tinggi. Tetapi jika akurasi tinggi tidak diperlukan, konverter sederhana jenis ini dapat dibuat hanya dengan menggunakan satu atau dua resistor.

Resistor sebagai Pengubah Tegangan ke Arus

Setiap resistor R yang terhubung melintasi catu daya V dapat dianggap sebagai konverter tegangan ke arus, karena arus bergantung pada tegangan melalui hukum Ohm - rumusnya adalah I = V / R.

Jika salah satu ujung resistor terputus, dan komponen D lainnya dihubungkan ke terminal catu daya dan resistor terputus sehingga R dan D di seri melintasi catu daya, rangkaian masih berperilaku seperti konverter tegangan ke arus jika tegangan turun melintasi komponen D sangat kecil atau relatif konstan.

Komponen ini bisa berupa dioda, LED, atau dioda zener, atau bahkan resistor bernilai rendah. Diagram di bawah menunjukkan kemungkinan kombinasi ini. Resistor R juga dapat dianggap sebagai resistor pembatas arus untuk komponen D yang ditambahkan.

Arus yang mengalir melalui D ditentukan dengan rumus sederhana: I = (V - VD) / R, di mana VD adalah penurunan tegangan pada komponen yang ditambahkan.

Untuk nilai konstan VD dan R, arus hanya bergantung pada V. Untuk dioda bias maju, VD adalah sekitar 0,3 - 0,35 volt untuk germanium, dan 0,6 - 0,7 volt untuk dioda silikon, dan relatif konstan pada berbagai arus. LED mirip dengan dioda, hanya saja LED dibuat menggunakan bahan khusus yang memancarkan cahaya.

Bagaimana LED Bekerja dengan Resistor

Mereka memiliki tegangan bias maju yang sedikit lebih tinggi dari dioda biasa, dan bisa berkisar dari sekitar 1,4 volt hingga lebih dari 3 volt, tergantung pada warnanya. LED beroperasi secara efisien pada sekitar 10 mA hingga 40 mA, dan resistor pembatas arus hampir selalu dihubungkan ke salah satu terminal LED untuk mencegah kerusakan akibat arus tinggi.

Ada sedikit perubahan pada penurunan tegangan dioda dan LED untuk level arus yang berbeda, tetapi ini biasanya dapat diabaikan dalam perhitungan. Dioda zener berbeda karena terhubung dengan bias balik.

Ini menetapkan penurunan tegangan tetap VD melintasi dioda zener yang bisa berkisar dari 2V hingga sekitar 300V, tergantung pada jenisnya. Agar salah satu perangkat ini berfungsi, tegangan suplai harus lebih tinggi dari penurunan tegangan VD.

Nilai resistor apa pun akan berfungsi, selama nilainya cukup rendah untuk memungkinkan arus yang cukup mengalir, sementara pada saat yang sama cukup tinggi untuk mencegah arus berlebih mengalir. Biasanya ada komponen switching yang disisipkan di suatu tempat di rangkaian seri ini, yang menyalakan atau mematikan LED, dll. Ini bisa berupa transistor, FET, atau tingkat keluaran dari sebuah opamp.

LED dan Resistor di Senter

Senter LED pada dasarnya terdiri dari baterai, sakelar, LED, dan resistor pembatas arus yang semuanya terhubung secara seri. Terkadang, rangkaian pembatas arus terdiri dari dua resistor secara seri melintasi catu daya, bukan perangkat jenis resistor dan dioda.

Resistor kedua RD memiliki nilai yang jauh lebih kecil daripada resistor pembatas arus, R, dan sering disebut resistor 'shunt' atau 'sense'.

Rangkaian masih dapat dianggap sebagai konverter tegangan ke arus, karena rumus di atas sekarang dapat direduksi menjadi I = V / R, karena VD dapat diabaikan dibandingkan dengan V.

Arus sekarang hanya akan bergantung pada tegangan, karena R konstan. Rangkaian semacam ini sering ditemukan di berbagai rangkaian sensor, seperti sensor suhu dan tekanan, di mana sejumlah arus tertentu akan mengalir dalam perangkat dengan resistansi kecil.

Tegangan pada perangkat ini biasanya diperkuat untuk mengukur setiap perubahan karena resistansi sensor berubah dalam berbagai kondisi. Tegangan ini bahkan dapat terbaca oleh multimeter jika memiliki kepekaan yang cukup.

Jika rumus I = V / R dibalik menjadi fungsi tegangan V = I R, rangkaian seri dua resistor sederhana dapat dianggap sebagai konverter arus ke tegangan juga.

Resistor pembatas arus masih memiliki nilai yang jauh lebih tinggi daripada resistor sense, dan resistor sense ini cukup kecil sehingga tidak mempengaruhi pengoperasian rangkaian dengan cara yang berarti.

Menggunakan Resistor Penginderaan Saat Ini

Arus diubah menjadi tegangan dengan fakta bahwa tegangan kecil VD melintasi resistor sense dapat dideteksi oleh multimeter, atau dapat diperkuat dan diterapkan sebagai sinyal ke konverter A / D.

Tegangan terukur ini menunjukkan aliran arus dengan rumus hukum Ohm V = I R. Misalnya, jika 0,001 A mengalir melalui 1 ohm, pembacaan tegangan adalah 0,001 V.

Konversi sederhana untuk resistor 1 ohm, tetapi jika nilai ini terlalu tinggi, nilai lain - seperti 0,01 ohm - dapat digunakan, dan tegangan dapat dengan mudah ditemukan menggunakan V = I R.

Nilai sebenarnya dari resistor sense tidak penting dalam pembahasan ini. Ini bisa di mana saja dari 0,1 ohm hingga 10 ohm, selama resistor pembatas arus jauh lebih tinggi. Dalam aplikasi arus tinggi, nilai resistor sense harus sangat rendah untuk mencegah disipasi daya berlebih.

Bahkan dengan nilai sekitar 0,001 ohm, tegangan yang wajar dapat dirasakan di atasnya karena aliran arus yang tinggi. Dalam kasus seperti ini resistor sense biasanya disebut resistor “shunt”.

Rangkaian semacam ini sering digunakan untuk mengukur arus melalui motor DC, misalnya. Ini adalah masalah sederhana untuk menggunakan multimeter untuk mengukur tegangan AC atau DC pada titik mana pun di sirkuit elektronik, seperti pada motherboard PC. Skala tegangan yang sesuai diatur pada multimeter, probe hitam dihubungkan ke titik ground, dan probe merah terhubung ke titik pemeriksaan.

Tegangan tersebut kemudian dibaca secara langsung. Mudah-mudahan impedansi rangkaian masukan probe cukup tinggi sehingga tidak mempengaruhi operasi rangkaian dengan cara apa pun. Impedansi masukan probe harus memiliki resistansi seri yang sangat tinggi bersama dengan kapasitansi shunt yang sangat rendah.

Mengukur Tegangan Arus di Sirkuit Kompleks

Mengukur arus AC atau DC di titik mana pun dalam rangkaian alih-alih tegangan menjadi sedikit lebih rumit, dan rangkaian mungkin harus sedikit dimodifikasi untuk mengakomodasi ini. Dimungkinkan untuk memotong kabel rangkaian pada titik di mana pengukuran aliran arus diinginkan, dan kemudian memasukkan resistor pengertian dengan nilai rendah pada dua titik kontak.

Sekali lagi, nilai resistor ini harus cukup rendah sehingga tidak mempengaruhi pengoperasian rangkaian. Probe multimeter kemudian dapat dihubungkan melintasi resistor ini menggunakan skala tegangan yang sesuai, dan tegangan resistor akan ditampilkan.

Ini dapat diubah menjadi arus yang mengalir melalui titik uji dengan membaginya dengan nilai resistor sense, seperti dalam rumus I = V / R.

Dalam beberapa kasus, resistor sense dapat disimpan di sirkuit secara permanen jika arus pada titik uji tertentu perlu sering diukur.

Menggunakan DMM untuk Memeriksa Arus

Mungkin akan jauh lebih mudah untuk mengukur aliran arus dengan multimeter secara langsung, daripada harus menggunakan resistor sense. Jadi setelah memotong kabel pada titik yang akan diukur, resistor sensor dapat ditinggalkan dan kabel multimeter dihubungkan langsung ke dua titik kontak.

Indikasi aliran arus akan ditampilkan pada multimeter jika skala arus AC atau DC yang sesuai diatur. Selalu penting untuk mengatur voltase atau skala arus yang benar pada multimeter sebelum menghubungkan probe apapun, atau berisiko memposting pembacaan nol.

Ketika skala arus diatur pada multimeter, impedansi input probe input menjadi sangat kecil, mirip dengan resistor sensor.

Input probe multimeter dapat dianggap sebagai resistor sense atau 'shunt', sehingga multimeter itu sendiri dapat dimasukkan sebagai pengganti resistor RD pada diagram di atas. Mudah-mudahan, impedansi masukan multimeter cukup rendah sehingga tidak mempengaruhi operasi rangkaian dengan cara apa pun.

Teknik konversi arus-ke-tegangan dan tegangan-ke-arus sederhana yang dibahas dalam artikel ini tidak seakurat yang didasarkan pada transistor atau amp, tetapi untuk banyak aplikasi mereka akan bekerja dengan baik. Dimungkinkan juga untuk melakukan jenis konversi sederhana lainnya menggunakan rangkaian seri yang ditunjukkan di atas.

Misalnya, input gelombang persegi dapat diubah menjadi bentuk gelombang gigi gergaji (integrator) dengan mengganti komponen D dengan kapasitor.

Satu-satunya batasan adalah bahwa konstanta waktu RC harus relatif besar terhadap periode sinyal gelombang persegi.