Spis treści:
W elektronice bardzo często mamy do czynienia z układami pomiarowymi – i to nie tylko w urządzeniach pomiarowych samych w sobie. Żeby zmierzyć np. napięcie lub temperaturę, często posługujemy się przetwornikami.
Niniejszy artykuł opisuje przykładowe rodzaje przetworników stosowanych we współczesnych układach elektronicznych.
Przetworniki - zarys ogólny
Przetworniki elektryczne i elektroniczne to specjalne komponenty, których zadaniem jest przekształcanie energii z jednej postaci w drugą. W zależności od budowy i zastosowania przetworniki mogą brać udział w przetwarzaniu energii mechanicznej, elektrycznej, świetlnej, chemicznej, cieplnej, akustycznej, a także energii pól elektrycznych i magnetycznych i wielu innych rodzajów energii. Przykładem spotykanym na co dzień jest mikrofon w telefonach komórkowych, gdzie dźwięk (głos i hałas otoczenia) jest przetwarzany na sygnały elektryczne, które są wzmacniane do preferowanego zakresu niezbędnego do dalszego przesłania. Następnie sygnały elektryczne są zamieniane na sygnały dźwiękowe u odbiorcy. Żarówki i lampy to też przetworniki – zamieniają one energię elektryczną na energię światła, a także na energię cieplną stanowiącą skutek uboczny przepływającego prądu elektrycznego i emitowanego światła.
Parametry ogólne przetworników
O tym, jak dobrze przetwornik będzie spełniał swoją funkcję w aplikacji docelowej, świadczą jego parametry ogólne. Jednym z tych parametrów jest zakres dynamiczny przetwornika, tj. stosunek sygnału o dużej amplitudzie do sygnału o najmniejszej amplitudzie, tak aby przetwornik mógł efektywnie dostarczać sygnał pomiarowy. Gdy przetworniki mają wysoki zakres dynamiki, są bardziej precyzyjne i czułe.
Niemniej istotna jest także powtarzalność pomiarów, czyli zdolność przetwornika do generowania równego sygnału wyjściowego, gdy jest on stymulowany podobnym sygnałem wejściowym.
Na wiarygodność pomiarów mają wpływ również szumy własne na wyjściu przetwornika oraz histereza – własność polegająca na zależności sygnału na wyjściu przetwornika od obecnego stanu wejścia i stanu go poprzedzającego.
Przetworniki ultradźwiękowe
Głównym zadaniem przetwornika ultradźwiękowego jest konwersja sygnałów elektrycznych na fale ultradźwiękowe. Taki przetwornik występuje m.in. jako przetwornik pojemnościowy lub piezoelektryczny. Jedną z aplikacji dla takich przetworników są pomiary odległości dźwięku na podstawie odbitej fali ultradźwiękowej. Pomiar ten opiera się na odpowiedniej metodzie w porównaniu z metodami prostymi, które wykorzystują różne skale pomiarowe.
Przetworniki temperatury
Przetwornik temperatury stosuje się do konwersji temperatury urządzenia na inną wielkość, taką jak napięcie elektryczne, ciśnienie lub energia mechaniczna. Służy do pomiaru temperatury powietrza w taki sposób, aby kontrolować temperaturę roboczą kilku urządzeń, takich jak np. klimatyzacja, ogrzewanie czy wentylacja.
W większości aplikacji elektronicznych zmierzona temperatura jest zamieniana na napięcie elektryczne, na podstawie którego układ sterowania podejmuje dalsze decyzje, np. włączenie lub wyłączenie ogrzewania.
Przetwornik piezoelektryczny
Przetwornik piezoelektryczny jest specjalnym rodzajem czujnika, a jego główną funkcją jest zamiana energii mechanicznej na energię elektryczną. W ten sam sposób energię elektryczną można przekształcić w energię mechaniczną. Taki przetwornik jest używany głównie do wykrywania uderzenia pałeczki perkusyjnej w elektroniczne pady perkusyjne, a także do wykrywania ruchu mięśni, co jest wykorzystywane w akceleromiografii. Natomiast w motoryzacji czujniki piezoelektryczne znajdują zastosowanie jako czujniki spalania stukowego.
Przetworniki ciśnienia
Przetwornik ciśnienia to specjalny rodzaj czujnika, który zamienia ciśnienie na sygnał napięcia elektrycznego. Służy do pomiaru ciśnienia określonej wielkości, takiej jak gaz lub ciecz, poprzez zmianę ciśnienia na energię elektryczną. Zastosowania przetworników ciśnienia obejmują głównie wykrywanie wysokości, ciśnienia, poziomu lub głębokości, wykrywanie przepływu i testowanie szczelności. Przetworniki te mogą być wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej pod progami zwalniającymi na drogach, gdzie siła pochodząca od ruchu pojazdów może być zamieniona na energię elektryczną.
Przetworniki prądu elektrycznego i pola magnetycznego
Dzięki wieloletnim badaniom i eksperymentom wielcy uczeni ustanowili prawa rządzące szeroko rozumianym elektromagnetyzmem – należy tu wymienić m.in. takie nazwiska jak Michael Faraday, André Ampère, Carl Friedrich Gauss czy Michał Doliwo-Dobrowolski. Owocem tego było wynalezienie urządzeń takich jak mikrofon, głośnik magnetoelektryczny, silniki i generatory elektryczne prądu stałego i przemiennego, a także transformatory i przyrządy pomiarowe wielkości elektrycznych.
Przykładowo w transformatorze następuje zamiana energii elektrycznej również na energię elektryczną o innych parametrach przy zachowaniu bilansu mocy drogą sprzężenia elektromagnetycznego. Podobnie działają przetworniki w gitarze elektrycznej, gdzie drgające metalowe struny umieszczone nad nabiegunnikami przetwornika powodują wzbudzanie pola magnetycznego w rdzeniu, na który jest nawinięte miedziane uzwojenie, co prowadzi do powstania w nim napięcia elektrycznego i przepływ prądu.
Sygnał z takiego przetwornika jest zbyt słaby, dlatego zanim trafi do głośnika, przechodzi przez przedwzmacniacz i wzmacniacz mocy, w którym również można spotkać jeden lub w przypadku wzmacniaczy lampowych nawet dwa transformatory.
