Τύποι Μετατροπέα

Μετατροπείς: Ορισμός, Λειτουργίες και Ταξινόμηση

Ο μετατροπέας είναι ένα ηλεκτρονικό συστήμα που παίζει κρίσιμο ρόλο στη μετατροπή φυσικών μεγεθών σε ηλεκτρικά σήματα. Υπηρετεί δύο βασικές λειτουργίες: ανίχνευση και μετατροπή. Πρώτα, ανιχνεύει το φυσικό μέγεθος που ενδιαφέρει, όπως η θερμοκρασία, η πίεση ή η μετατόπιση. Στη συνέχεια, μετατρέπει αυτό το φυσικό μέγεθος σε μηχανική εργασία ή, πιο συνηθέστερα, σε ηλεκτρικό σήμα που μπορεί να μετρηθεί, επεξεργαστεί και αναλυθεί εύκολα.

Οι μετατροπείς υπάρχουν σε μεγάλη ποικιλία τύπων και μπορούν να ταξινομηθούν με βάση διάφορα κριτήρια:

• Βάσει της Μηχανικής Μετατροπής που Χρησιμοποιείται: Αυτή η ταξινόμηση εστιάζει στις συγκεκριμένες φυσικές ή χημικές διαδικασίες με τις οποίες ο μετατροπέας μετατρέπει το εισερχόμενο φυσικό μέγεθος σε ηλεκτρικό εξερχόμενο. Διαφορετικές μηχανικές μετατροπές είναι προσαρμοσμένες σε διαφορετικούς τύπους μετρήσεων και εφαρμογές, επιτρέποντας ακριβή και αξιόπιστη ανίχνευση σε ευρύ φάσμα φυσικών φαινομένων.

• Ως Πρωτογενείς και Δευτερογενείς Μετατροπείς: Ο πρωτογενής μετατροπέας μετατρέπει άμεσα το μετρούμενο φυσικό μέγεθος σε ηλεκτρικό σήμα. Αντίθετα, ο δευτερογενής μετατροπέας λειτουργεί σε συνδυασμό με έναν πρωτογενή μετατροπέα, τροποποιώντας ή επεξεργάζοντας περαιτέρω το ηλεκτρικό σήμα που παράγεται από το πρωτογενές σύστημα για να ενισχύσει την εφαρμοσιμότητα ή ακρίβεια του.

• Ως Σειριακοί και Ενεργοί Μετατροπείς: Οι σειριακοί μετατροπείς εξαρτώνται από εξωτερική πηγή ενέργειας για να λειτουργήσουν και παράγουν ένα εξερχόμενο σήμα που είναι συνάρτηση του εισερχόμενου φυσικού μεγέθους και της εφαρμοσμένης ενέργειας. Οι ενεργοί μετατροπείς, αντίθετα, περιέχουν τη δική τους πηγή ενέργειας και μπορούν να παράγουν ένα εξερχόμενο σήμα χωρίς την ανάγκη για εξωτερική πηγή ενέργειας, παρέχοντας συχνά μεγαλύτερη ευαισθησία και δύναμη σήματος.

• Ως Αναλογικοί και Ψηφιακοί Μετατροπείς: Οι αναλογικοί μετατροπείς παράγουν ένα εξερχόμενο σήμα που μεταβάλλεται συνεχώς με το εισερχόμενο φυσικό μέγεθος, συνήθως στη μορφή τάσης ή ρεύματος. Οι ψηφιακοί μετατροπείς, αντίθετα, μετατρέπουν το εισερχόμενο μέγεθος σε διακριτό ψηφιακό σήμα, το οποίο είναι ευκολότερο να επεξεργαστεί, αποθηκευτεί και μεταφερθεί με τα σύγχρονα ψηφιακά ηλεκτρονικά και υπολογιστικά συστήματα.

• Ως Μετατροπείς και Αντίστροφοι Μετατροπείς: Ο παραδοσιακός μετατροπέας μετατρέπει ένα φυσικό μέγεθος σε ηλεκτρικό σήμα. Ο αντίστροφος μετατροπέας, αντίθετα, λαμβάνει ένα ηλεκτρικό σήμα ως είσοδο και το μετατρέπει πίσω σε ένα φυσικό μέγεθος, αντιστρέφοντας ουσιαστικά τη διαδικασία ενός παραδοσιακού μετατροπέα. Αυτή η έννοια είναι χρήσιμη σε εφαρμογές όπου απαιτείται ηλεκτρική ελεγχοσύστημα για την παραγωγή μιας συγκεκριμένης φυσικής απόκρισης.

Σε λειτουργία, ο μετατροπέας λαμβάνει το μετρούμενο – το φυσικό μέγεθος που μετράται – και παράγει ένα εξερχόμενο σήμα που είναι ανάλογο με την ένταση της εισόδου. Αυτό το εξερχόμενο σήμα μεταδίδεται σε ένα σύστημα συνθήκης σήματος. Εδώ, το σήμα υποστέλλεται (προσαρμόζεται η πλάτος του σήματος), φιλτράρεται (απομονώνονται άρνητες ηχοσήματα ή συχνότητες) και μοντουλοποιείται (κωδικοποιείται το σήμα για καλύτερη μεταφορά ή επεξεργασία). Αυτά τα βήματα εξασφαλίζουν ότι το τελικό σήμα είναι σε βέλτιστη μορφή για επόμενη ανάλυση, εμφάνιση ή λειτουργίες ελέγχου.

Το εισερχόμενο μέγεθος ενός μετατροπέα είναι συνήθως ένα μη ηλεκτρικό μέγεθος, ενώ το εξερχόμενο ηλεκτρικό σήμα μπορεί να είναι στη μορφή ρεύματος, τάσης ή συχνότητας.

1. Ταξινόμηση με βάση την Αρχή της Μετατροπής

Οι μετατροπείς μπορούν να ταξινομηθούν με βάση το μεσαίο μετατροπής που χρησιμοποιούν. Το μεσαίο μετατροπής μπορεί να είναι αντιστατικό, επαναγωγικό ή χωρητικό. Αυτή η ταξινόμηση καθορίζεται από τη διαδικασία μετατροπής μέσω της οποίας ο εισερχόμενος μετατροπέας μετατρέπει το εισερχόμενο σήμα σε αντίσταση, επαναγωγικότητα ή χωρητικότητα αντίστοιχα. Κάθε τύπος μεσαίου μετατροπής έχει τα δικά του μοναδικά χαρακτηριστικά και είναι κατάλληλος για διαφορετικές εφαρμογές μετρήσεων, επιτρέποντας την ακριβή μετατροπή διάφορων φυσικών μεγεθών σε ηλεκτρικά σήματα.

2. Πρωτογενείς και Δευτερογενείς Μετατροπείς

• Πρωτογενής Μετατροπέας
  Ο μετατροπέας συχνά αποτελείται από μηχανικά και ηλεκτρικά συστατικά. Το μηχανικό μέρος του μετατροπέα είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή των φυσικών εισερχόμενων μεγεθών σε μηχανικό σήμα. Αυτό το μηχανικό συστατικό ονομάζεται πρωτογενής μετατροπέας. Λειτουργεί ως το πρώτο στοιχείο ανίχνευσης, διαλειτουργώντας άμεσα με το φυσικό μέγεθος που μετριέται, όπως η πίεση, η θερμοκρασία ή η μετατόπιση, και το μετατρέπει σε μηχανική μορφή που μπορεί να επεξεργαστεί περαιτέρω.

• Δευτερογενής Μετατροπέας
  Ο δευτερογενής μετατροπέας παίρνει το μηχανικό σήμα που παράγεται από τον πρωτογενή μετατροπέα και το μετατρέπει σε ηλεκτρικό σήμα. Η ένταση του εξερχόμενου ηλεκτρικού σήματος είναι άμεσα συνδεδεμένη με τα χαρακτηριστικά του εισερχόμενου μηχανικού σήματος. Με αυτόν τον τρόπο, ο δευτερογενής μετατροπέας συνδέει το μηχανικό και το ηλεκτρικό πεδίο, καθιστώντας δυνατή τη μέτρηση και ανάλυση του αρχικού φυσικού μεγέθους με τεχνικές ηλεκτρικής μέτρησης και επεξεργασίας.

Παράδειγμα Πρωτογενούς και Δευτερογενούς Μετατροπέα

Ας λάβουμε ως παράδειγμα την Ταινία Bourdon, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Η Ταινία Bourdon λειτουργεί ως πρωτογενής μετατροπέας. Σχεδιάζεται για να ανιχνεύει την πίεση και να τη μετατρέπει σε μετατόπιση στο ελεύθερο άκρο της. Όταν εφαρμόζεται πίεση στην ταινία, η μορφή της μεταβάλλεται, προκαλώντας το ελεύθερο άκρο να κινηθεί. Αυτή η μετατόπιση στη συνέχεια λειτουργεί ως είσοδος στο επόμενο στάδιο του συστήματος.

Η κίνηση του ελεύθερου άκρου της Ταινίας Bourdon προκαλεί τον πυρήνα ενός Γραμμικού Μεταβλητού Μετατοπιστή Τρανσφορματόρα (LVDT) να μετακινηθεί. Όταν ο πυρήνας κινείται μέσα στο LVDT, επικινδυνεύει ένα εξερχόμενο ύφος. Αυτό το επικινδυνευμένο ύφος είναι ανάλογο με τη μετατόπιση του ελεύθερου άκρου της ταινίας, και συνεπώς, με την αρχική πίεση που εφαρμόστηκε στην Ταινία Bourdon.

Στην περίπτωση του συστήματος Ταινία Bourdon - LVDT, δύο διαφορετικές διαδικασίες μετατροπής συμβαίνουν. Πρώτον, η πρωτογενής μετατροπή συμβαίνει όταν η Ταινία Bourdon μετατρέπει την πίεση σε μετατόπιση. Στη συνέχεια, η δευτερογενής μετατροπή συμβαίνει όταν ο LVDT μετατρέπει αυτή τη μετατόπιση σε ηλεκτρικό ύφος. Αυτό το παράδειγμα δείχνει ξεκάθαρα πώς οι πρωτογενής και δευτερογενής μετατροπείς συνεργάζονται για να μετρήσουν και να μετατρέψουν ακριβώς ένα φυσικό μέγεθος σε ηλεκτρική εξόδο για περαιτέρω ανάλυση και χρήση.

Η Ταινία Bourdon λειτουργεί ως πρωτογενής μετατροπέας, ενώ ο L.V.D.T. (Γραμμικός Μεταβλητός Μετατοπιστής Τρανσφορματόρας) λειτουργεί ως δευτερογενής μετατροπέας.

3. Σειριακοί και Ενεργοί Μετατροπείς

Οι μετατροπείς μπορούν επίσης να ταξινομηθούν σε ενεργούς και σειριακούς τύπους, κάθε ένας με διαφορετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά.

Σειριακοί Μετατροπείς

Ένας σειριακός μετατροπέας είναι εκείνος που εξαρτάται από εξωτερική πηγή ενέργειας για να λειτουργήσει, γι' αυτό επίσης ονομάζεται εξωτερικά - ενεργοποιημένος μετατροπέας. Οι χωρητικοί, αντιστατικοί και επαναγωγικοί μετατροπείς είναι τυπικά παραδείγματα σειριακών μετατροπέων. Αυτοί οι μετατροπείς λειτουργούν με την τροποποίηση μιας ηλεκτρικής ιδιότητας (όπως η αντίσταση, η χωρητικότητα ή η επαναγωγικότητα) σε απάντηση στο εισερχόμενο φυσικό μέγεθος. Ωστόσο, δεν παράγουν τη δική τους ηλεκτρική ενέργεια, αλλά απαιτούν εξωτερική πηγή ενέργειας για να παράγουν ένα μετρήσιμο εξερχόμενο σήμα που αντικατοπτρίζει την αλλαγή του φυσικού μεγέθους που μετριέται.

Ενεργοί Μετατροπείς

Αντίθετα, ένας ενεργός μετατροπέας δεν απαιτεί εξωτερική πηγή ενέργειας για λειτουργία. Αυτοί οι μετατροπείς είναι αυτοπαραγωγοί, δηλαδή μπορούν να παράγουν το δικό τους ύφος ή ρεύμα. Το εξερχόμενο σήμα ενός ενεργού μετατροπέα προέρχεται άμεσα από το εισερχόμενο φυσικό μέγεθος. Οι ενεργοί μετατροπείς είναι σε θέση να μετατρέπουν διάφορα φυσικά φαινόμενα, όπως την ταχύτητα, τη θερμοκρασία, τη δύναμη και την εντασιτητα φωτός, σε ηλεκτρικά σήματα χωρίς να εξαρτώνται από εξωτερική πηγή ενέργειας. Παραδείγματα ενεργών μετατροπέων περιλαμβάνουν τα πιεζοηλεκτρικά κρύσταλλα, τα φωτοβολταϊκά κύκλωματα, τους ταχογεννήτες και τους θερμοσυνδέσμους.

Παράδειγμα: Πιεζοηλεκτρικό Κρύσταλλο

Για να εξηγήσουμε τη λειτουργία ενός ενεργού μετατροπέα, ας θεωρήσουμε ένα πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο. Ένα πιε