koje joka muuntaa energiaa muodosta toiseen From Wikipedia, the free encyclopedia
Muunnin eli (energian)muutin[1] on koje, joka muuntaa energiaa muodosta toiseen. Se muuntaa yleensä signaalin jostakin energiamuodosta toiseen muotoon.[2]
Muuntimia käytetään usein automaation, mittaamisen ja ohjausjärjestelmien rajoilla, joissa sähköiset lähetteet (signaalit) muunnetaan jostakin/joksikin muiksi fysikaalisiksi suureiksi kuten energiaksi, voimaksi, vääntömomentiksi, valoksi, liikkeeksi tai kappaleen asemaksi. Muuntaminen tarkoittaa energian muuttamista muodosta toiseen.[3]
Mekaaniset ja sähköiset muuntimet
Fysikaalisia suureita mekaanisiksi muuntavia muuntimia kutsutaan mekaanisiksi muuntimiksi ja fysikaalisia suureita sähköisiksi muuntavia sähköisiksi muuntimiksi. Esimerkiksi lämpöpari muuntaa lämpötilaerot pieneksi jännitteeksi, ja LVDT-anturi on muunnin, jota käytetään siirtymän mittaamiseen.
Muuntimet voidaan luokitella tiedon kulkusuunnan mukaan:
Anturi on muunnin, joka vastaanottaa fyysisen signaalin tai ärsykkeen ja vastaa siihen.[4][5][3] Se tuottaa lähetteen, joka kertoo tietoa fysikaalisesta systeemistä. Tietoa käytetään kaukomittauksessa tai tieto- tai ohjausjärjestelmässä.
Toimilaite on muunnin, joka vastaa koneiston tai järjestelmän liikuttamisesta tai ohjaamisesta. Sitä ohjataan ohjausjärjestelmän tai käsikäyttöisen ohjaimen signaalilla, joka voi olla mekaanista voimaa, sähkövirtaa, hydraulista painetta, ilmanpainetta tai muuta energiaa. Toimilaite muuttaa tämän energian liikkeeksi. Toimilaite on koneisto, jolla ohjausjärjestelmä vaikuttaa ympäristöön. Ohjausjärjestelmä voi olla yksinkertainen kiinteä mekaaninen tai sähköinen järjestelmä, ohjelmistoon perustuva (esim. tulostimen ajuri tai robotin ohjausjärjestelmä), ihminen tai jokin muu.[3]
Kaksisuuntaiset muuntimet muuntavat sekä fyysisiä ilmiöitä sähköisiksi lähetteiksi että sähköisiä lähetteitä fyysisiksi ilmiöiksi. Antenni on eräs kaksisuuntainen muunnin, joka muuntaa radioaaltoja (sähkömagneettisia aaltoja) sähköiseksi lähetteeksi, jotka radiovastaanotin käsittelee, ja antenni muuntaa myös lähettimen lähetteen radioaalloiksi. Kaiuttimissa käytettävät puhekelat ovat toinen esimerkki; ne muuntavat sähköisen äänilähetteen ääneksi. Niitä käytetään myös mikrofoneissa muuntamaan ääniaallotäänilähetteeksi.[3]
Aktiivisten ja passiivisten antureiden vertailu
Aktiivisen anturit tarvitsevat toimiakseen ulkoisen jännitelähteen, jota kutsutaan herätesignaaliksi. Anturi muuntaa tämän signaalin uudeksi lähetteeksi. Esimerkiksi termistori ei synnytä mitään sähköistä lähetettä, mutta kun sen läpi kulkee sähkövirta, termistorin resistanssi voidaan mitata muuttuvan sähkövirran tai jännitteen perusteella.[6][3]
Sen sijaan passiiviset anturit saavat aikaan sähkövirran vasteena ulkoiselle ärsykkeelle, ja se toimii lähtölähetteenä ilman ylimääräistä energialähdettä. Niitä ovat esimerkiksi fotodiodi ja pietsosähköinen anturi: lämpöpari.[7]
Muunninten arvioinnissa käytetään joitakin ohjearvoja:
Dynaaminen alue on suurimman ja pienimmän värähdyslaajuuden (amplitudin) signaalin, jonka muunnin voi muuntaa tehokkaasti, suhde.[3] Muuntimet, joiden dynaaminen alue on laaja, ovat herkempiä ja tarkempia.
Toistettavuus tarkoittaa, että muunnin tuottaa aina samanlaisen signaalin, kun se altistuu tietynlaiselle ärsykkeelle.
Kohina: Kaikki muuntimet lisäävät lähetteeseensä satunnaista kohinaa. Sähköisten muunninten kohina voi johtua virtapiirien sähkövarausten lämpöliikkeestä. Kohina turmelee heikkoja lähetteitä enemmän kuin vahvempia.
Hystereesi on ominaisuus, jonka takia muuntimen lähtö ei riipu ainoastaan senhetkisestä tulosignaalista vaan myös aiemmasta tulosta. Esimerkiksi vaihteistoa käyttävässä toimilaitteessa voi olla viivettä, joten jos toimilaitteen liikkeen suunta kääntyy, koneistossa on pieni kuollut alue ennen kuin muuntimen lähtö kääntyy. Tämä johtuu vaihteiston hampaiden välisestä välyksestä.
Sähkömagneettisia:
Antennit - muuntavat sähkömagneettiset aallot sähköisiksi lähetteiksi ja päinvastoin
Äänirasiat - muuntavat fyysiset liikkeet sähköisiksi lähetteiksi ja päinvastoin
Pietsosähköiset kiteet - muuntavat kiinteiden aineiden kiteiden muodonmuutokset (värähtelyt) sähköisiksi lähetteksi ja päinvastoin
Geofonit - muuntavat maan liikkeen jännitteeksi (värähtelyt johtimen/käämin liikkeen ja magneettikentän kautta signaaliksi)
Levysoitintenäänirasiat - muuntaavat ilmanpaineen liikkeen ja magneettikentän kautta äänilähetteeksi
Hydrofonit - muuntavat vedenpaineen muutokset sähköiseksi lähetteeksi
Kaikuluotainten tutkavastaajat - muuntavat vedenpaineen johtimen/käämin liikkeen ja magneettikentän kautta sähköiseksi lähetteeksi
Ultraäänianturit - lähettävät ultraääntä sähköstä muuntamalla ja vastaanottavat sen, kun se heijastuu kohteista, joten anturi auttaa kohteiden kuvaamisessa.
Agarwal, Anant. Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 2005, s. 1. 43