Vrste pretvornika

Prevodniki: Definicija, Funkcije in Klasifikacija

Prevodnik je elektronski naprava, ki igra ključno vlogo pri prenašanju fizičnih količin v električne signale. Ima dve osnovni funkciji: zaznavanje in prevajanje. Najprej zazna zanimivo fizično količino, kot so temperatura, tlak ali odmik. Nato to fizično količino pretvori v mehansko delo ali, bolj pogosto, v električni signal, ki se lahko enostavno meri, obdeluje in analizira.

Prevodniki obstajajo v širokem spektru vrst in jih lahko razvrstimo glede na več različnih kriterijev:

• Glede na Uporabljeni Mekhanizem Prevajanja: Ta klasifikacija se osredotoča na specifične fizične ali kemijske procese, s katerimi prevodnik prevede vhodno fizično količino v električni izhod. Različni mehanizmi prevajanja so prilagojeni različnim vrstam meritev in uporab, kar omogoča natančno in zanesljivo zaznavanje čez širok spekter fizičnih pojavov.

• Kot Primarni in Sekundarni Prevodniki: Primarni prevodnik neposredno prevede merjeno fizično količino v električni signal. Na drugi strani sekundarni prevodnik sodeluje z primarnim prevodnikom, dodatno spreminja ali obdeluje električni signal, ki ga generira primarna naprava, da izboljša njegovo uporabnost ali točnost.

• Kot Pasivni in Aktivni Prevodniki: Pasivni prevodniki se zanašajo na zunanji vir energije za delovanje in proizvajajo izhodni signal, ki je funkcija vhodne fizične količine in uporabljenega močnega vira. Aktivni prevodniki pa vsebujejo lasten vir energije in lahko generirajo izhodni signal brez potrebe po zunanjem močnem viru, pogosto zagotavljajo večjo občutljivost in moč signala.

• Kot Analogni in Digitalni Prevodniki: Analogni prevodniki ustvarijo izhodni signal, ki se zvezno spreminja s vhodno fizično količino, običajno v obliki napetosti ali toka. Digitalni prevodniki, na drugi strani, pretvorijo vhodno količino v diskretni digitalni signal, ki je lažje obdelati, shraniti in prenašati z modernimi digitalnimi elektronikami in računalniškimi sistemi.

• Kot Prevodniki in Inverzni Prevodniki: Standardni prevodnik pretvori fizično količino v električni signal. Inverzni prevodnik, na nasprotno, sprejme električni signal kot vhod in ga spet pretvori v fizično količino, učinkovito obrne postopek tradicionalnega prevodnika. Ta koncept je uporaben v aplikacijah, kjer je potrebno električno nadziranje za generiranje specifične fizične odgovora.

V delovanju prevodnik prejme merjeno količino – fizično količino, ki jo merimo – in ustvari izhodni signal, ki je sorazmeren z velikostjo vhoda. Ta izhodni signal je nato poslan napravi za obdelavo signala. Tukaj signal preide skozi vrsto postopkov, vključno z zmanjševanjem (prilagajanjem amplitudnega signala), filtriranjem (odstranitvijo neželenih šumov ali frekvenc) in modulacijo (kodiranje signala za boljšo prenos ali obdelavo). Ti koraki zagotavljajo, da je končni signal v optimalni obliki za nadaljnjo analizo, prikaz ali nadzorne operacije.

Vhodna količina prevodnika je običajno neelektrična količina, medtem ko izhodni električni signal lahko obstaja v obliki toka, napetosti ali frekvence.

1. Klasifikacija glede na načelo prevajanja

Prevodnike lahko razvrstimo glede na uporabljeni medium prevajanja. Medium prevajanja lahko ni omerni, induktivni ali kapacitivni. Ta klasifikacija je določena s prehodnim postopkom, s katerim vhodni prevodnik pretvori vhodni signal v upornost, induktivnost ali kapacitivnost. Vsaka vrsta media prevajanja ima svoje unikatne značilnosti in je primeren za različne merilne aplikacije, omogoča natančno pretvarjanje različnih fizičnih količin v električne signale.

2. Primarni in sekundarni prevodniki

• Primarni prevodnik
  Prevodnik pogosto vključuje mehanske in električne komponente. Mehanski del prevodnika je odgovoren za pretvorbo fizičnih vhodnih količin v mehanski signal. Ta mehanski element se imenuje primarni prevodnik. Deluje kot prvotni zaznavni element, neposredno sodeluje z merjeno fizično količino, kot je tlak, temperatura ali odmik, in jo pretvori v mehansko obliko, ki jo lahko nadalje obdelujemo.

• Sekundarni prevodnik
  Sekundarni prevodnik prevzame mehanski signal, ki ga generira primarni prevodnik, in ga pretvori v električni signal. Velikost izhodnega električnega signala je neposredno povezana z značilnostmi vhodnega mehanskega signala. Na ta način sekundarni prevodnik mosti luknjo med mehanskim in električnim domenom, kar omogoča merjenje in analizo prvotne fizične količine z uporabo električnih merilnih in obdelovalnih tehnik.

Primer primarnega in sekundarnega prevodnika

Vzemimo Bourdonovo cev, kot je prikazano na spodnjem prikazu, kot primer. Bourdonova cev deluje kot primarni prevodnik. Je zasnovana za zaznavanje tlaka in pretvorbo v odmik na svobodnem koncu. Ko je tlak nanizan na cev, se njen oblik deformira, kar povzroči premik svobodnega konca. Ta odmik potem deluje kot vhod za naslednji del sistema.

Premik svobodnega konca Bourdonove cevi povzroči pomik jedra Linearnega Variabilnega Transformatorja Odmika (LVDT). Ko se jedro premakne znotraj LVDT, inducirajo izhodno napetost. Ta inducirana napetost je neposredno sorazmerna s premikom svobodnega konca cevi in tako tudi z prvotnim tlakom, ki je bil nanizan na Bourdonovo cev.

V primeru sistema Bourdonove cevi - LVDT se zgodi dva različna postopka prevajanja. Prvi, primarni prevajanje, se zgodi, ko Bourdonova cev pretvori tlak v odmik. Nato se zgodi sekundarno prevajanje, ko LVDT pretvori ta odmik v električni napetostni signal. Ta primer jasno kaže, kako primarni in sekundarni prevodniki delujejo v sodelovanju, da natančno merijo in pretvorijo fizično količino v električni izhod za nadaljnjo analizo in uporabo.

Bourdonova cev deluje kot primarni prevodnik, medtem ko L.V.D.T. (Linearni Variabilni Transformator Odmika) deluje kot sekundarni prevodnik.

3. Pasivni in aktivni prevodniki

Prevodnike lahko tudi razvrstimo v aktivne in pasivne vrste, vsaka z odločnimi operacijskimi značilnostmi.

Pasivni prevodniki

Pasivni prevodnik je tisti, ki se zanaša na zunanji vir energije za delovanje, zaradi česar ga tudi imenujemo zunanje opremeni prevodnik. Kapacitivni, omerni in induktivni prevodniki so tipični primeri pasivnih prevodnikov. Ti prevodniki delujejo tako, da spremenijo električno lastnost (kot je upornost, kapacitivnost ali induktivnost) v odgovor na vhodno fizično količino. Vendar ne generirajo lastne električne energije; namesto tega zahtevajo zunanji vir energije, da bi ustvarili merljiv izhodni signal, ki odraža spremembo merjene fizične količine.

Aktivni prevodniki

Na drugi strani aktivni prevodnik ne zahteva zunanjega vira energije za delovanje. Ti prevodniki so samogenerirajoči, kar pomeni, da lahko sami ustvarijo svojo napetost ali tok. Izhodni signal aktivnega prevodnika je neposredno izpeljan iz vhodne fizične količine. Aktivni prevodniki so sposobni pretvoriti različne fizične pojave, kot so hitrost, temperatura, sila in intenzivnost svetlobe, v električne signale, brez zunanjega vhoda energije. Primeri aktivnih prevodnikov so piezoelektrični kristali, fotovoltaične celice, tachogeneratorji in termokupli.

Primer: Piezoelektrični kristal

Za ilustracijo delovanja aktivnega prevodnika upoštevajmo piezoelektrični kristal. Piezoelektrični kristal je običajno med dvema metalnima elektrodama, in cela sklopina je trdno pričvrščena na bazo. Nato se masa postavi na vrh te sklopljene strukture.

Piezoelektrični kristali imajo edinstveno lastnost: ko na njih pride sila, generirajo električno napetost. V opisanem postavitvi lahko baza doživi pospešek, kar povzroči, da masa izvaja silo na kristal. Ta sila, na drugi strani, inducira izhodno napetost med kristalom. Velikost tega izhodnega napetosti je neposredno sorazmerna z pospeškom, ki ga doživi baza, učinkovito pretvarja mehanski pospešek v električni signal. Ta primer jasno kaže, kako aktivni prevodniki lahko sami generirajo električne izhode na podlagi fizičnih vhodov, hkrati pa poudarja njihovo različno funkcionalnost v primerjavi s pasivnimi prevodniki.

Omenjeni prevodnik se imenuje akcelerometer, ki je zasnovan za pretvorbo pospeška v električno napetost. Opomba, ta vrsta prevodnika deluje brez potrebe po kakršnem koli pomožnem viru energije med pretvorbo fizične količine v električni signal, kar poudarja njegovo samozadostnost pri generiranju signala.

4. Analogni in digitalni prevodniki

Prevodnike lahko tudi razvrstimo glede na naravo njihovih izhodnih signalov, ki lahko so bodisi zvezni ali diskretni.

Analogni prevodniki

Analogni prevodnik pretvori vhodno količino v zvezno funkcijo. To pomeni, da se izhodni signal gladko in zvezno spreminja v odgovor na spremembe vhoda. Primeri analognih prevodnikov so napetostne mere, Linearni Variabilni Transformatorji Odmika (LVDT), termokupli in termistorji. Te naprave se široko uporabljajo v različnih aplikacijah, kjer je zahtevan proporcionalen in zvezni prikaz merjene fizične količine, kot so precizni merilni sistemi in industrijski procesni nadzor.

Digitalni prevodniki

Digitalni prevodniki, na drugi strani, pretvorijo vhodno količino v digitalni signal, običajno v obliki impulsov. Digitalni signali delujejo na podlagi binarnih stanj, ki predstavljajo informacije kot "visoka" ali "nizka" močna raven. Ta digitalna oblika izhoda ponuja več prednosti, vključno z izboljšano odpornostjo na šum, lažjo integracijo z digitalnimi elektronikami in računalniškimi sistemi ter lažje obdelavo in shranjevanje podatkov. Digitalni prevodniki se v modernih sistemih merjenja in nadzora vedno bolj uporabljajo zaradi razširjenosti digitalnih tehnologij.

5. Prevodniki in inverzni prevodniki

Prevodniki

Prevodnik je definiran kot naprava, ki pretvori neelektrične količine v električne količine. Ta pretvorbeni postopek omogoča merjenje, spremljanje in nadzor različnih fizičnih pojavov, kot so temperatura, tlak, odmik in sila, z uporabo električnih merilnih in obdelovalnih tehnik. Prevodniki igrajo ključno vlogo v širokem spektru aplikacij, od industrijske avtomatizacije do znanstvenih raziskav in potrošniške elektronike.

Inverzni prevodniki

Inverzni prevodniki opravljajo nasprotno funkcijo tradicionalnih prevodnikov. Pretvorijo električne količine nazaj v fizične količine. Ti prevodniki običajno imajo visok električni vhod in ustrezno nizki neelektrični izhod. Inverzni prevodniki se uporabljajo v aplikacijah, kjer je potrebno prevesti električne signale v fizične akcije ali odgovore, kot so v določenih vrstah aktuatorjev in nadzornih sistemov. Koncept inverznih prevodnikov ponuja način za zaprtje zanke med električnim nadzorom in fizično operacijo, kar omogoča bolj kompleksen in natančen nadzor mehanskih in fizičnih sistemov.