単純な電圧対電流および電流対電圧の手法– James H.Reinholm著

電圧-電流および電流-電圧変換回路には多くの種類があり、それらのほとんどは、高レベルの精度を達成するためにオペアンプとトランジスタの組み合わせを使用しています。ただし、高精度が必要ない場合は、1つまたは2つの抵抗を使用してこのタイプの単純なコンバータを作成できます。

電圧-電流変換器としての抵抗

電源Vの両端に接続されている抵抗Rは、電流がオームの法則によって電圧に依存するため、電圧から電流へのコンバーターと見なすことができます。この式はI = V / Rです。

抵抗の一端が切断され、別のコンポーネントDが切断された電源端子と抵抗に接続され、RとDが電源の両端で直列になる場合、電圧が低下しても回路は電圧-電流コンバータのように動作します。コンポーネントD全体が非常に小さいか、比較的一定です。

このコンポーネントは、ダイオード、LED、ツェナーダイオード、または値の小さい抵抗である可能性があります。次の図は、これらの可能な組み合わせを示しています。抵抗Rは、追加されたコンポーネントDの電流制限抵抗と考えることもできます。

Dを流れる電流は、次の簡単な式で決定されます。I=（V – VD）/ R、ここでVDは、追加されたコンポーネントの両端の電圧降下です。

VDとRの値が一定の場合、電流はVのみに依存します。順方向バイアスダイオードの場合、VDはゲルマニウムの場合は約0.3〜0.35ボルト、シリコンダイオードの場合は0.6〜0.7ボルトであり、広範囲の電流にわたって比較的一定です。 LEDはダイオードに似ていますが、発光する特殊な材料を使用して構成されている点が異なります。

LEDが抵抗器とどのように連携するか

それらは通常のダイオードより少し高い順方向バイアス電圧を持っており、色に応じて約1.4ボルトから3ボルト以上のどこかになります。 LEDは約10mA〜40 mAで効率的に動作し、大電流による損傷を防ぐために、ほとんどの場合、電流制限抵抗がLED端子の1つに接続されています。

電流レベルが異なると、ダイオードとLEDの電圧降下にわずかな変化がありますが、通常、これらは計算では無視できます。ツェナーダイオードは、逆バイアスで接続されているという点で異なります。

これにより、ツェナーダイオードの両端に固定電圧降下VDが設定されます。これは、タイプに応じて2Vから約300Vの範囲になります。これらのデバイスのいずれかが機能するためには、供給電圧が電圧降下VDよりも高くなければなりません。

抵抗器の値は、その値が十分な電流を流すのに十分なほど低く、同時に過剰な電流が流れないようにするのに十分な高さである限り、機能します。通常、この直列回路のどこかに、LEDをオンまたはオフにするスイッチングコンポーネントが挿入されています。これは、トランジスタ、FET、またはオペアンプの出力段である可能性があります。

懐中電灯のLEDと抵抗

LED懐中電灯は基本的に、バッテリー、スイッチ、LED、および電流制限抵抗がすべて直列に接続されたもので構成されています。場合によっては、電流制限回路は、抵抗とダイオードタイプのデバイスではなく、電源の両端に直列に接続された2つの抵抗で構成されます。

2番目の抵抗RDは、電流制限抵抗Rよりもはるかに小さい値であり、「シャント」または「センス」抵抗と呼ばれることがよくあります。

VDはVと比較して無視できるため、上記の式をI = V / Rに減らすことができるため、この回路は電圧から電流へのコンバータと考えることができます。

Rは一定であるため、電流は電圧のみに依存するようになります。この種の回路は、温度センサーや圧力センサーなどのさまざまなセンサー回路によく見られます。この回路では、定義された量の電流が小さな抵抗のデバイスに流れます。

このデバイスの両端の電圧は通常、さまざまな条件下でセンサーの抵抗が変化するときの変化を測定するために増幅されます。この電圧は、十分な感度があれば、マルチメータで読み取ることもできます。

式I = V / Rを反転して電圧関数V = I Rにすると、単純な2抵抗直列回路は電流から電圧へのコンバーターと考えることもできます。

電流制限抵抗は依然としてセンス抵抗よりもはるかに高い値を持っており、このセンス抵抗は十分に小さいため、回路の動作に意味のある方法で影響を与えることはありません。

電流検出抵抗の使用

電流は、センス抵抗の両端の小さな電圧VDをマルチメータで検出できることによって電圧に変換されます。または、増幅されてA / Dコンバータに信号として印加されることもあります。

この測定された電圧は、オームの法則式V = I Rで電流が流れることを示します。たとえば、0.001 Aが1オームを流れる場合、電圧の読み取り値は0.001Vです。

1オームの抵抗の場合、変換は簡単ですが、この値が高すぎる場合は、0.01オームなどの別の値を使用でき、V = IRを使用して電圧を簡単に見つけることができます。

この説明では、センス抵抗の実際の値は重要ではありません。電流制限抵抗がはるかに高い限り、0.1オームから10オームの範囲で指定できます。大電流アプリケーションでは、過剰な電力損失を防ぐために、センス抵抗の値を非常に低くする必要があります。

0.001オーム前後の値でも、大電流が流れるため、妥当な電圧を検出できます。このような場合、センス抵抗は通常「シャント」抵抗と呼ばれます。

この種の回路は、たとえばDCモーターを流れる電流を測定するためによく使用されます。マルチメータを使用して、PCマザーボードなどの電子回路の任意のポイントでACまたはDC電圧を測定するのは簡単です。マルチメータには適切な電圧スケールが設定されており、黒いプローブは接地点に接続され、赤いプローブはチェックポイントに接続されています。

次に、電圧が直接読み取られます。プローブ入力回路のインピーダンスが十分に高く、回路の動作にまったく影響を与えないことが望まれます。プローブの入力インピーダンスは、非常に低い直列抵抗と非常に低いシャント容量を備えている必要があります。

複雑な回路の電流電圧の測定

電圧の代わりに回路の任意のポイントでACまたはDC電流を測定することは少し難しいものになり、これに対応するために回路を少し変更する必要があるかもしれません。電流の測定が必要な箇所で回路の配線を切断し、2つの接点に値の小さいセンス抵抗を挿入することができる場合があります。

この場合も、この抵抗の値は、回路の動作に影響を与えないように十分に低くする必要があります。マルチメータプローブは、適切な電圧スケールを使用してこのセンス抵抗の両端に接続でき、抵抗電圧が表示されます。

これは、式I = V / Rのように、センス抵抗値で除算することにより、テストポイントを流れる電流に変換できます。

特定のテストポイントでの電流を頻繁に測定する必要がある場合は、センス抵抗を回路内に永続的に保持できる場合があります。

DMMを使用して電流をチェックする

センス抵抗を使用するよりも、マルチメータで直接電流を測定する方がはるかに簡単です。したがって、測定するポイントでワイヤを切断した後、センス抵抗を省略して、マルチメータのリード線を2つの接点に直接接続することができます。

適切なACまたはDC電流スケールが設定されている場合、電流の流れの表示がマルチメータに表示されます。プローブを接続する前に、マルチメータに正しい電圧または電流スケールを設定することが常に重要です。そうしないと、ゼロの読み取り値を投稿するリスクがあります。

マルチメータに電流スケールを設定すると、センス抵抗と同様に、入力プローブの入力インピーダンスが非常に小さくなります。

マルチメータのプローブ入力は、センスまたは「シャント」抵抗と考えることができるため、上の図のRD抵抗の代わりにマルチメータ自体を含めることができます。うまくいけば、マルチメータの入力インピーダンスは十分に低く、回路の動作にまったく影響を与えません。

この記事で説明する単純な電流から電圧および電圧から電流への変換手法は、トランジスタまたはアンプに基づく手法ほど正確ではありませんが、多くのアプリケーションでは問題なく機能します。上記の直列回路を使用して、他のタイプの単純な変換を行うこともできます。

たとえば、D成分をコンデンサに置き換えることにより、方形波入力をのこぎり波（積分器）に変換できます。

唯一の制限は、時定数RCが方形波信号の周期に対して大きくなければならないということです。