Muunnin

Muunnin eli (energian)muutin on koje, joka muuntaa energiaa muodosta toiseen. Se muuntaa yleensä signaalin jostakin energiamuodosta toiseen muotoon.

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.

Muunninten tyyppejä

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.

Anturit ja toimilaitteet

Muuntimet voidaan luokitella tiedon kulkusuunnan mukaan:

Anturi on muunnin, joka vastaanottaa fyysisen signaalin tai ärsykkeen ja vastaa siihen. 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.
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 ääniaallot äänilähetteeksi.

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.
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.

Tunnuspiirteet

Muunninten arvioinnissa käytetään joitakin ohjearvoja:

Dynaaminen alue on suurimman ja pienimmän värähdyslaajuuden (amplitudin) signaalin, jonka muunnin voi muuntaa tehokkaasti, suhde. 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.

Käyttökohteita

Sähkömagneettisia:
- Antennit - muuntavat sähkömagneettiset aallot sähköisiksi lähetteiksi ja päinvastoin
- Äänirasiat - muuntavat fyysiset liikkeet sähköisiksi lähetteiksi ja päinvastoin
- Ääni- ja kuvapäät, kiintolevyjen luku- ja kirjoituspäät - muuntavat magneettikenttiä sähköisiksi lähetteiksi ja päinvastoin
- Hall-ilmiöanturit - muuntavat magneettikentän tason vaihtelut sähköiseksi lähetteeksi
sähkömagneettisia:
- pH-mittarit
- Sähkögalvaaniset happi-ilmaisimet
- Vetyilmaisimet
Sähkömekaanisia (Kojeita, joiden lähtö on sähkömekaaninen, kutsutaan toimilaitteiksi.)
- Kiihtyvyysanturit
- Ilmanvirtausanturit
- Sähköaktiiviset polymeerit
- Sähkömoottorit, lineaarimoottorit
- Galvanometrit
- LVDT- ja RVDT-anturit
- Kuorma-anturit - muuntavat voiman mV/V-muotoiseksi lähetteeksi venymäliuskan avulla
- Sähkömekaaniset mikrosysteemit
- Potentiometrit (käytettäessä sijainnin mittaamiseen)
- Paineanturit
- Jousipotentiometrit
- Kosketusanturit
- Värähtelyllä toimivat generaattorit
- Värähtelyrakenteiset gyroskoopit
Sähköakustisia:
- Kaiuttimet, kuulokkeet - muuntavat äänilähetteet ääneksi (vahvistetun lähetteen magneettikentän ja liikkeen kautta ilmanpaineeksi)
- Mikrofonit - muuntavat äänen äänilähetteeksi (ilmanpaineen puhekelan liikkeen ja magneettikentän kautta sähköiseksi lähetteeksi)
- Sähkömagneettiset mikrofonit - muuntavat metallikielten liikkeen äänilähetteeksi (magnetismin sähköiseksi lähetteeksi)
- Bassotehostimet - muuntavat sähköisen lähetteen värähtelyksi
- 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)
- Levysoitinten äänirasiat - 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.
Valosähköisiä:
- Loisteputket - muuntavat sähkövirran epäkoherentiksi valoksi
- Hehkulamput - muuntavat sähkövirran epäkoherentiksi valoksi
- Loistediodit - muuntavat sähkövirran epäkoherentiksi valoksi
- Laserdiodit - muuntavat sähkövirran koherentiksi valoksi
- Fotodiodit, valovastukset, valotransistorit ja valonvahvistimet - muuntavat valaistusvoimakkuuksien muutokset sähköisiksi lähetteiksi
- Valokennot ja valovastukset - muuntavat valaistusvoimakkuuksien muutokset sähkövastuksen muutoksiksi
- Kuvaputket - muuntavat sähköiset lähetteet näkyviksi kuviksi
Sähköstaattisia:
- Elektrometrit
Lämpösähköisiä:
- Vastuslämpötila-anturit - muuntavat lämpötilan sähkövastussignaaliksi
- Lämpöparit - muuntavat metalliliitosten suhteelliset lämpötilat jännitteeksi
- Termistorit (sekä PTC-vastukset että NTC-vastukset)
Radioakustisia:
- Geiger-Müller-putket - muuntavat ionisoivan säteilyn sähköiseksi impulssisignaaliksi
- Radiovastaanottimet - muuntavat sähkömagneettiset lähetteet sähköisiksi lähetteiksi
- Radiolähettimet - muuntavat sähköiset lähetteet sähkömagneettisiksi lähetteiksi

Lähteet

↑ IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 151-13-34: "(energy) transducer" www.electropedia.org. Viitattu 11.3.2022.
↑ Agarwal, Anant. Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 2005, s. 1. 43
1 2 3 4 5 6 7 Fraden J.: Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. 5th ed. Springer, 2016. ISBN 978-0-240-82100-9
↑ Fraden J. (2016). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications 5th ed. Springer. s. 1
↑ Kalantar-zadeh, K. (2013). Sensors: An Introductory Course 2013th Edition. Springer. s.1
↑ Fraden J. (2016). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications 5th ed. Springer. s. 7
↑ Fraden J. (2016). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications 5th ed. Springer. s. 7

Aiheesta muualla

Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Muunnin Wikimedia Commonsissa

[1] IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 151-13-34: "(energy) transducer" www.electropedia.org. Viitattu 11.3.2022.

[2] Agarwal, Anant. Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 2005, s. 1. 43

[Audio1-3] 1 2 3 4 5 6 7 Fraden J.: Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. 5th ed. Springer, 2016. ISBN 978-0-240-82100-9

[4] Fraden J. (2016). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications 5th ed. Springer. s. 1

[5] Kalantar-zadeh, K. (2013). Sensors: An Introductory Course 2013th Edition. Springer. s.1

[Fraden-6] Fraden J. (2016). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications 5th ed. Springer. s. 7

[7] Fraden J. (2016). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications 5th ed. Springer. s. 7