Typy převodníků

Převodníky: Definice, funkce a klasifikace

Převodník je elektronické zařízení, které hraje klíčovou roli v převodu fyzikálních veličin na elektrické signály. Slouží dvěma základním funkcím: detekci a převodu. Nejprve detekuje měřenou fyzikální veličinu, jako je teplota, tlak nebo posun. Poté tuto fyzikální veličinu transformuje buď na mechanickou práci, nebo, což je běžnější, na elektrický signál, který lze snadno měřit, zpracovávat a analyzovat.

Převodníky existují v široké škále typů a mohou být kategorizovány podle několika odlišných kritérií:

• Podle použitého mechanismu převodu: Tato klasifikace se zaměřuje na specifické fyzikální nebo chemické procesy, pomocí kterých převodník převede vstupní fyzikální veličinu na elektrický výstup. Různé mechanismy převodu jsou upraveny pro různé typy měření a aplikací, umožňují přesné a spolehlivé čidlo v širokém spektru fyzikálních jevů.

• Jako primární a sekundární převodníky: Primární převodník přímo převede měřenou fyzikální veličinu na elektrický signál. Naopak sekundární převodník pracuje ve spojení s primárním převodníkem, dále modifikuje nebo zpracovává elektrický signál vygenerovaný primárním zařízením, aby zlepšil jeho použitelnost nebo přesnost.

• Jako pasivní a aktivní převodníky: Pasivní převodníky se spoléhají na externí zdroj energie pro fungování a produkuje výstupní signál, který je funkcí vstupní fyzikální veličiny a použité energie. Aktivní převodníky naopak obsahují svůj vlastní zdroj energie a mohou generovat výstupní signál bez potřeby externího napájení, často nabízejí vyšší citlivost a sílu signálu.

• Jako analogové a digitální převodníky: Analogové převodníky produkují výstupní signál, který se kontinuálně mění s vstupní fyzikální veličinou, obvykle ve formě napětí nebo proudu. Digitální převodníky naopak převedou vstupní veličinu na diskrétní digitální signál, který je snazší zpracovávat, ukládat a přenášet pomocí moderních digitálních elektroniky a počítačových systémů.

• Jako převodníky a inverzní převodníky: Standardní převodník převede fyzikální veličinu na elektrický signál. Inverzní převodník naopak bere elektrický signál jako vstup a převede ho zpět na fyzikální veličinu, efektivně obrátí proces tradičního převodníku. Tento koncept je užitečný v aplikacích, kde je vyžadován elektrotechnický řízení pro generování specifické fyzikální reakce.

V provozu převodník přijme měřenou veličinu – fyzikální veličinu, která se měří – a vyprodukuje výstupní signál, který je úměrný velikosti vstupu. Tento výstupní signál je pak předán do zařízení pro podmínkování signálu. Zde signál prochází řadou procesů, včetně zeslabení (úprava amplitudy signálu), filtrace (odstranění nežádoucích rušivých frekvencí) a modulace (kódování signálu pro lepší přenos nebo zpracování). Tyto kroky zajistí, že konečný signál je v optimální formě pro následné analýzy, zobrazení nebo ovládací operace.

Vstupní veličina převodníku je obvykle neelektrická, zatímco výstupní elektrický signál může být ve formě proudu, napětí nebo frekvence.

1. Klasifikace podle principu převodu

Převodníky lze kategorizovat podle použitého převodního média. Převodní médium může být rezistivní, induktivní nebo kapacitivní. Tato klasifikace je určena převodním procesem, při kterém vstupní převodník transformuje vstupní signál na odpor, indukci nebo kapacitu. Každý typ převodního média má své unikátní charakteristiky a je vhodný pro různé měřicí aplikace, umožňující přesný převod různých fyzikálních veličin na elektrické signály.

2. Primární a sekundární převodníky

• Primární převodník
  Převodník často zahrnuje jak mechanické, tak elektrické komponenty. Mechanická část převodníku je odpovědná za převod fyzikální vstupní veličiny na mechanický signál. Tato mechanická komponenta se nazývá primární převodník. Jako první čidlo přímo interaguje s měřenou fyzikální veličinou, jako je tlak, teplota nebo posun, a převádí ji na mechanickou formu, která může být dále zpracována.

• Sekundární převodník
  Sekundární převodník převede mechanický signál generovaný primárním převodníkem na elektrický signál. Velikost výstupního elektrického signálu je přímo souvislá s charakteristikami vstupního mechanického signálu. Tímto způsobem sekundární převodník propojuje mechanickou a elektrickou doménu, což umožňuje měření a analýzu původní fyzikální veličiny pomocí elektrických měřicích a zpracovávacích technik.

Příklad primárního a sekundárního převodníku

Uvažme Bourdonův trubici, jak je znázorněno na následujícím obrázku, jako příklad. Bourdonova trubice funguje jako primární převodník. Je navržena tak, aby detekovala tlak a převedla ho na posun na svém volném konci. Když je na trubici působen tlak, její tvar se deformuje, což způsobí pohyb volného konce. Tento posun pak slouží jako vstup do dalšího stupně systému.

Pohyb volného konce Bourdonovy trubice způsobí posun jádra Lineárního Variabilního Transformátoru Posunu (LVDT). Jak se jádro pohybuje uvnitř LVDT, indukuje výstupní napětí. Toto indukované napětí je přímo úměrné posunu volného konce trubice a tedy původnímu tlaku působenému na Bourdonovu trubici.

V případě systému Bourdonova trubice - LVDT dochází k dvěma odlišným převodním procesům. Nejprve probíhá primární převod, kdy Bourdonova trubice převede tlak na posun. Poté následuje sekundární převod, kdy LVDT převede tento posun na elektrický napěťový signál. Tento příklad jasně ukazuje, jak primární a sekundární převodníky spolupracují k přesnému měření a převodu fyzikální veličiny na elektrický výstup pro další analýzu a použití.

Bourdonova trubice slouží jako primární převodník, zatímco L.V.D.T. (Lineární Variabilní Transformátor Posunu) funguje jako sekundární převodník.

3. Pasivní a aktivní převodníky

Převodníky lze také kategorizovat na aktivní a pasivní, každý s odlišnými operačními charakteristikami.

Pasivní převodníky

Pasivní převodník je ten, který se spoléhá na externí zdroj energie pro fungování, proto se také nazývá externě napájený převodník. Kapacitivní, rezistivní a induktivní převodníky jsou typické příklady pasivních převodníků. Tyto převodníky fungují tím, že mění elektrickou vlastnost (např. odpor, kapacitu nebo indukci) v reakci na vstupní fyzikální veličinu. Nicméně, nevytvářejí vlastní elektrickou energii, místo toho vyžadují externí zdroj energie k vytvoření měřitelného výstupního signálu, který odráží změnu měřené fyzikální veličiny.

Aktivní převodníky

Naopak aktivní převodník nevyžaduje externí zdroj energie pro fungování. Tyto převodníky jsou samočinné, což znamená, že mohou vygenerovat vlastní napěťový nebo proudový výstup. Výstupní signál aktivního převodníku je přímo odvozen z vstupní fyzikální veličiny. Aktivní převodníky jsou schopny převádět různé fyzikální jevy, jako jsou rychlost, teplota, síla a intenzita světla, na elektrické signály bez použití externího zdroje energie. Příklady aktivních převodníků zahrnují piezoelektrické krystaly, fotovoltaické články, tachogenerátory a termokoply.

Příklad: Piezoelektrický krystal

Pro ilustraci fungování aktivního převodníku vezměme piezoelektrický krystal. Piezoelektrický krystal je obvykle vsazen mezi dva kovové elektrody a celá montáž je pevně připevněna k základně. Hmotnost je pak umístěna na vrchol této vsazené struktury.

Piezoelektrické krystaly mají unikátní vlastnost: když na ně působí síla, vygenerují elektrické napětí. V popsané montáži může základna zaznamenat akceleraci, což způsobí, že hmotnost vyvolá sílu na krystal. Tato síla pak indukuje výstupní napětí napříč krystalem. Velikost tohoto výstupního napětí je přímo úměrná akceleraci zaznamenané základnou, efektivně převádí mechanickou akceleraci na elektrický signál. Tento příklad jasně ukazuje, jak aktivní převodníky mohou samočinně generovat elektrické výstupy na základě fyzikálních vstupů, zdůrazňuje jejich odlišnou funkčnost v porovnání s pasivními převodníky.

Mencionovaný převodník se nazývá akcelerometr, který je navržen tak, aby převedl akceleraci na elektrické napětí. Poznámkově, tento typ převodníku funguje bez potřeby jakéhokoli pomocného zdroje energie během převodu fyzikální veličiny na elektrický signál, což ukazuje jeho samočinnou povahu v generování signálu.

4. Analogové a digitální převodníky

Převodníky lze také kategorizovat podle povahy jejich výstupních signálů, které mohou být buď spojité nebo diskrétní.

Analogové převodníky

Analogový převodník transformuje vstupní veličinu na spojitou funkci. To znamená, že výstupní signál se hladce a spojitě mění v reakci na změny vstupu. Příklady analogových převodníků zahrnují tenzometry, Lineární Variabilní Transformátory Posunu (LVDT), termokoply a termistry. Tyto zařízení jsou široce používány v různých aplikacích, kde je vyžadováno proporcionální a spojité zobrazení měřené fyzikální veličiny, jako je v přesných měřicích systémech a průmyslovém řízení procesů.

Digitální převodníky

Na druhou stranu digitální převodníky převedou vstupní veličinu na digitální signál, obvykle ve formě impulsů. Digitální signály fungují na základě binárních stavů, kde informace jsou reprezentovány jako "vysoké" nebo "nízké" úrovně energie. Tento formát digitálního výstupu nabízí několik výhod, včetně zvýšené imunity proti rušivým signálům, snadnější integrace s digitální elektronikou a počítačovými systémy a jednodušší zpracování a ukládání dat. Digitální převodníky jsou stále více přijímány v moderních měřicích a řídicích systémech díky rozšíření digitálních technologií.

5. Převodníky a inverzní převodníky

Převodníky

Převodník je definován jako zařízení, které převede neelektrické veličiny na elektrické veličiny. Tento převodní proces umožňuje měření, monitorování a řízení různých fyzikálních jevů, jako jsou teplota, tlak, posun a síla, pomocí elektrických měřicích a zpracovávacích technik. Převodníky hrají klíčovou roli v široké škále aplikací, od průmyslové automatizace po vědecký výzkum a spotřební elektroniku.

Inverzní převodníky

Inverzní převodníky plní opačnou funkci než tradiční převodníky. Převedou elektrické veličiny zpět na fyzikální veličiny. Tyto převodníky obvykle mají vysoký elektrický vstup a odpovídající nízký neelektrický výstup. Inverzní převodníky jsou používány v aplikacích, kde je třeba převést elektrické signály na fyzikální akce nebo reakce, jako jsou určité typy aktuatorů a řídicích systémů. Koncept inverzních převodníků poskytuje způsob, jak uzavřít smyčku mezi elektrickým řízením a fyzickým provozem, což umožňuje složitější a přesnější řízení mechanických a fyzikálních systémů.