Расчет сопротивления для понижения напряжения постоянного тока. Расчет сопротивления для понижения напряжения: основные принципы и методы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как рассчитать сопротивление для понижения напряжения. Какие существуют способы понижения напряжения. Чем отличается понижение постоянного и переменного тока. Какие формулы используются при расчетах.

Содержание

Основные принципы понижения напряжения

Понижение напряжения — это процесс уменьшения электрического потенциала в цепи. Существует несколько основных способов понизить напряжение:

С помощью резистора (делителя напряжения)
Использование трансформатора
Применение стабилизатора напряжения
Диодный способ понижения напряжения

Выбор конкретного метода зависит от типа тока (постоянный или переменный), требуемой мощности и других параметров цепи.

Расчет сопротивления для понижения напряжения постоянного тока

Для понижения напряжения постоянного тока часто используют резистивный делитель напряжения. Расчет необходимого сопротивления производится по закону Ома:

R = (U_вх — U_вых) / I

где:

R — искомое сопротивление
U_вх — входное напряжение
U_вых — требуемое выходное напряжение
I — ток нагрузки

Например, если нужно понизить напряжение с 12В до 5В при токе нагрузки 0.1А, расчет будет следующим:

R = (12В — 5В) / 0.1А = 70 Ом

Особенности понижения напряжения переменного тока

Для понижения напряжения переменного тока чаще всего используют трансформаторы. Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков первичной и вторичной обмоток:

K = N₁ / N₂ = U₁ / U₂

где:

K — коэффициент трансформации
N₁ и N₂ — число витков первичной и вторичной обмоток
U₁ и U₂ — напряжения на первичной и вторичной обмотках

Например, чтобы понизить напряжение с 220В до 12В, нужен трансформатор с коэффициентом трансформации:

K = 220В / 12В ≈ 18.3

Применение стабилизаторов напряжения

Стабилизаторы напряжения позволяют получить на выходе фиксированное напряжение при изменении входного напряжения в определенных пределах. Существуют линейные и импульсные стабилизаторы.

Линейные стабилизаторы просты в применении, но имеют низкий КПД. Импульсные более эффективны, но сложнее в реализации. Выбор зависит от конкретной задачи.

Диодный способ понижения напряжения

Для небольшого понижения напряжения можно использовать падение напряжения на диодах. На кремниевом диоде падение напряжения составляет примерно 0.6-0.7В. Соединяя диоды последовательно, можно получить требуемое понижение напряжения.

Например, для понижения напряжения на 2.1В можно использовать 3 диода, соединенных последовательно:

3 * 0.7В = 2.1В

Факторы, влияющие на выбор метода понижения напряжения

При выборе способа понижения напряжения следует учитывать несколько важных факторов:

Тип тока (постоянный или переменный)
Требуемая мощность нагрузки
Допустимые потери энергии
Стабильность выходного напряжения
Стоимость и сложность реализации

Правильный выбор метода позволит эффективно решить задачу понижения напряжения с учетом всех требований.

Расчет мощности рассеивания при понижении напряжения

При использовании резистивных методов понижения напряжения важно учитывать мощность, которая будет рассеиваться на элементах схемы. Мощность рассеивания на резисторе рассчитывается по формуле:

P = (U_вх — U_вых) * I

где:

P — мощность рассеивания
U_вх — входное напряжение
U_вых — выходное напряжение
I — ток нагрузки

Например, при понижении напряжения с 12В до 5В при токе 0.1А, мощность рассеивания составит:

P = (12В — 5В) * 0.1А = 0.7 Вт

Необходимо выбирать резисторы с запасом по мощности, обычно в 1.5-2 раза больше расчетной.

Применение понижающих DC-DC преобразователей

Для эффективного понижения напряжения постоянного тока часто используются импульсные DC-DC преобразователи. Они имеют высокий КПД (до 95%) и позволяют получить стабильное выходное напряжение.

Принцип работы таких преобразователей основан на широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Входное напряжение «нарезается» на короткие импульсы, которые затем сглаживаются фильтром.

Основные преимущества DC-DC преобразователей:

Высокий КПД
Малые габариты
Широкий диапазон входных напряжений
Стабильное выходное напряжение

Однако они могут создавать высокочастотные помехи, что требует дополнительной фильтрации в некоторых применениях.

Техника безопасности при работе с электрическими цепями

При работе с электрическими цепями и устройствами необходимо соблюдать правила техники безопасности:

Всегда отключайте питание перед внесением изменений в схему
Используйте изолированный инструмент
Не работайте с высоким напряжением без соответствующей квалификации
Используйте предохранители и автоматические выключатели для защиты от перегрузок
При сомнениях обращайтесь к специалистам

Соблюдение этих правил поможет избежать опасных ситуаций и обеспечит безопасную работу с электрическими устройствами.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт (резистор, микросхема) ?

В этой статье расскажу о весьма банальных вещах, что не менялись уже не одно десятилетие, да они вообще не менялись. Другое дело, что с тех пор как был изучен принцип снижения напряжения в замкнутой цепи за счет сопротивления, появились и другие принципы питания нагрузки, за счет ШИМ, но тема это отдельная, хотя и заслуживающая внимания. Поэтому продолжу все-таки по порядку логического русла, когда расскажу о законе Ома, потом о его применении для различных радиоэлементов участвующих в понижении напряжения, а после уже можно упомянуть и о ШИМ.

Закон Ома при понижении напряжения

Собственно был такой дядька Георг Ом, который изучал протекание тока в цепи. Производил измерения, делал определенные выводы и заключения. Итогами его работы стала формула Ома, как говорят закон Ома. Закон описывает зависимость падения напряжения, тока от сопротивления.
Сам закон весьма понятен и схож с представлением таких физических событий как протекание жидкости по трубопроводу. Где жидкость, а вернее ее расход это ток, а ее давление это напряжение. Ну и само собой любые изменения сечения или препятствия в трубе для потока, это будет сопротивлением. Итого получается, что сопротивление «душит» давление, когда из трубы под давлением, могут просто капать капли, и тут же падает и расход. Давление и расход величины весьма зависящие друг от друга, как ток и напряжение. В общем если все записать формулой, то получается так:

R=U/I; То есть давление (U) прямо пропорционально сопротивлению в трубе (R), но если расход (I) будет большой, то значит сопротивления как такового нет… И увеличенный расход должен показывать на пониженное сопротивление.

Весьма туманно, но объективно! Осталось сказать, что закон то этот впрочем, был получен эмпирическим путем, то есть окончательные факторы его изменения весьма не определены.
Теперь вооружившись теоретическими знаниями, продолжим наш путь в познании того, как же снизить нам напряжение.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью резистора

Самое простое это взять и использовать нестабилизированную схему. То есть когда напряжение просто понизим за счет сопротивления и все. Рассказывать о таком принципе особо нечего, просто считаем по формуле выше и все. Приведу пример. Скажем снижаем с 12 вольт до 5.

R=U/I. С напряжением понятно, однако смотрите, у нас недостаточно данных! Ничего не известно о «расходе», о токе потребления. То есть если вы решите посчитать сопротивление для понижения напряжения, то обязательно надо знать, сколько же «хочет кушать» наша нагрузка.

Эту величину вам необходимо будет посмотреть на приборе, который вы собираетесь питать или в инструкции к нему. Примем условно ток потребления 50 мА=0,05 А. Осталось также еще заметить, что по этой формуле мы подберем сопротивление, которое будет полностью гасить напряжение, а нам надо оставить 5 вольт, то 12-5=7 вольт подставляем в формулу.
R= 7/0,05=140 Ом нужно сопротивление, чтобы после из 12 вольт получить 5, с током на нагрузке в 50 мА.
Осталось упомянуть о не менее важном! О том, что любое гашение энергии, а в данном случае напряжение, связано с рассеиваемой мощностью, то есть наш резистор должен будет «выдержать» то тепло, которое будет рассеивать. Мощность резистора считается по формуле.

P=U*I. Получаем. P=7*0,05=0,35 Вт должна быть мощность резистора. Не менее. Вот теперь курс расчет для резистора можно считать завершенным.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью микросхемы

Ничего принципиально не меняется и в этом случае. Если сравнивать этот вариант понижения через микросхему, с вариантом использующим резистор. По факту здесь все один в один, разве что добавляются полезные «интеллектуальные» особенности подстройки внутреннего сопротивления микросхемы исходя из тока потребления. То есть, как мы поняли из абзаца выше, в зависимости от тока потребления, расчетное сопротивление должно «плавать». Именно это и происходит в микросхеме, когда сопротивление подстраивается под нагрузку таким образом, что на выходе микросхемы всегда одно и тоже напряжение питания! Ну и плюсом идут такие «полезные плюшки» как защита от перегрева и короткого замыкания. Что касательно микросхем, так называемых стабилизаторов напряжения на 5 вольт, то это могут быть: LM7805, КРЕН142ЕН5А. Подключение тоже весьма простое.

Само собой для эффективной работы микросхемы ставим ее на радиатор. Ток стабилизации ограничен 1,5 -2 А.
Вот такие вот принципы понижения напряжения с 12 на 5 вольт. Теперь один раз их поняв, вы сможете легко рассчитать какое сопротивление надо поставить или как подобрать микросхему, чтобы получить любое другое более низкое напряжение.
Осталось сказать пару слов о ШИМ.

Широко импульсная модуляция весьма перспективный и самое главное высокоэффективный метод питания нагрузки, но опять же со своими подводными камнями. Вся суть ШИМ сводится к тому, чтобы выдавать импульсами такое напряжение питание, которое суммарно с моментами отсутствия напряжения будет давать мощность и среднее напряжение достаточное для работы нагрузки. И здесь могут быть проблемы, если подключить источник питания от одного устройства к другому. Ну, самые простые проблемы это отсутствие тех характеристик, которые заявлены. Возможны помехи, неустойчивая работа. В худшем случае ШИМ источник питания может и вовсе сжечь прибор, под которые не предназначен изначально!

Как понизить напряжение переменного и постоянного тока?

За счет наличия большого количества международных стандартов и технических решений питание электронных устройств может осуществляться от различных номиналов. Но, далеко не все они присутствуют в свободном доступе, поэтому для получения нужной разности потенциалов придется использовать преобразователь. Такие устройства можно найти как в свободной продаже, так и собрать самостоятельно из радиодеталей.

В связи с наличием двух родов электрического тока: постоянного и переменного, вопрос, как понизить напряжение, следует рассматривать в ключе каждого из них отдельно.

Понижение напряжения постоянного тока

В практике питания бытовых приборов существует масса примеров работы электрических устройств от постоянного тока. Но номинал рабочего напряжения может существенно отличаться, к примеру, если из 36 В вам нужно получить 12 В, или в ситуациях, когда от USB разъема персонального компьютера нужно запитать прибор от 3 В вместо имеющихся 5 вольт.

Для снижения такого уровня от блока питания или другого источника почти вполовину можно использовать как простые методы – включение в цепь дополнительного сопротивления, так и более эффективные – заменить стабилизатор напряжения в ветке обратной связи.

Рис. 1. Замена резистора или стабилитрона

На рисунке выше приведен пример схемы блока питания, в котором вы можете понизить вольтаж путем изменения параметров резистора и стабилитрона. Этот узел на рисунке обведен красным кругом, но в других моделях место установки, как и способ подсоединения, может отличаться. На некоторых схемах, чтобы понизить напряжение вы сможете воспользоваться лишь одним стабилитроном.

Если у вас нет возможности подключаться к блоку питания – можно обойтись и менее изящными методами. К примеру, вы можете понизить напряжение за счет включения в цепь резистора или подобрать диоды, второй вариант является более практичным для цепей постоянного тока. Этот принцип основан на падении напряжения за счет внутреннего сопротивления элементов. В зависимости от соотношения проводимости рабочей нагрузки и полупроводникового элемента может понадобиться около 3 – 4 диодов.

Рис. 2. Понижение постоянного напряжения диодами

На рисунке выше показана принципиальная схема понижения напряжения при помощи диодов. Для этого они включаются в цепь последовательно по отношению к нагрузке. При этом выходное напряжение окажется ниже входного ровно на такую величину, которая будет падать на каждом диоде в цепи. Это довольно простой и доступный способ, позволяющий понизить напряжение, но его основной недостаток – расход мощности для каждого диода, что приведет к дополнительным затратам электроэнергии.

Понижение напряжения переменного тока

Переменное напряжение в 220 Вольт повсеместно используется для бытовых нужд, за счет физических особенностей его куда проще понизить до какой-либо величины или осуществлять любые другие манипуляции. В большинстве случаев, электрические приборы и так рассчитаны на питание от электрической сети, но если они были приобретены за рубежом, то и уровень напряжения для них может существенно отличаться.

К примеру, привезенные из США устройства питаются от 110В переменного тока, и некоторые умельцы берутся перематывать понижающий трансформатор для получения нужного уровня. Но, следует отметить, что импульсный преобразователь, которым часто комплектуется различный электроинструмент и приборы не стоит перематывать, так как это приведет к его некорректной работе в дальнейшем. Куда целесообразнее установить автотрансформатор или другой на нужный вам номинал, чтобы понизить напряжение.

С помощью трансформатора

Изменение величины напряжения при помощи электрических машин используется в блоках питания и подзарядных устройствах. Но чтобы понизить вольтаж источника в такой способ, можно использовать различные типы преобразовательных трансформаторов:

С выводом от средней точки – могут выдавать разность потенциалов как 220В, так и в два раза меньшее – 127В или 110В. От него вы сможете взять установленный номинал на те же 110В со средней точки. Это заводские изделия, которые массово устанавливались в старых советских телевизорах и других приборах. Но у этой схемы преобразователя имеется существенный недостаток – если нарушить целостность обмотки ниже среднего вывода, то на выходе трансформатора получится номинал значительно большей величины.

Рис. 3. Понижение трансформатором с отводом от средней точки

Автотрансформатором – это универсальная электрическая машина, которая способна не только понизить вольтаж, но и повысить его до нужного вам уровня. Для этого достаточно перевести ручку в нужное положение и проследить полученные показания на вольтметре.

Рис. 4. Использование автотрансформатора

Понижающим трансформатором с преобразованием 220В на нужный вам номинал или с любого другого напряжения переменной частоты. Реализовать этот метод можно как уже готовыми моделями трансформаторов, так и самодельными. За счет наличия большого количества инструментов и приспособлений, сегодня каждый может собрать трансформатор с заданными параметрами в домашних условиях. Более детально об этом вы можете узнать из соответствующей статьи: https://www.asutpp.ru/transformator-svoimi-rukami.html

Выбирая конкретную модель электрической машины, чтобы понизить напряжение, обратите внимание на характеристики конкретной модели по отношению к тем устройствам, которые вы хотите запитать.

Наиболее актуальными параметрами у трансформаторов являются:

Мощность – трансформатор должен не только соответствовать, подключаемой к нему нагрузке, но и превосходить ее, хотя бы на 10 – 20%. В противном случае максимальный ток приведет к перегреву обмоток трансформатора и дальнейшему выходу со строя.
Номинал напряжения – выбирается и для первичной, и для вторичной цепи. Оба параметра одинаково важны, так как, выбрав модель с входным напряжением на 200 или 190В, на выходе вы при питании от 220В получится пропорционально большая величина.
Защита от поражения электротоком – все обмотки и выводы от них должны обязательно иметь достаточную изоляцию и защиту от прикосновения.
Класс пыле- влагозащищенности – определяет устойчивость оборудования к воздействию окружающих факторов. В современных приборах обозначается индексом IP.

Помимо этого любой преобразователь напряжения, даже импульсный трансформатор, следовало бы защитить от токов короткого замыкания и перегрузки в обмотках. Это существенно сократит затраты на ремонт при возникновении аварийных ситуаций.

С помощью резистора

Для понижения напряжения в цепь нагрузки последовательно включается делитель напряжения в виде активного сопротивления.

Основной сложностью в регулировке напряжения на подключаемом приборе является зависимость от нескольких параметров:

величины напряжения;
сопротивления нагрузки;
мощности источника.

Если вы будете понижать от бытовой сети, то ее можно считать источником бесконечной мощности и принять эту составляющую за константу. Тогда расчет резистора будет выполняться таким методом:

R = U_c/I — R_н ,

где

R – сопротивление резистора;
R_Н – сопротивление прибора нагрузки;
I – ток, который должен обеспечиваться в номинальном режиме прибора;
U_C – напряжение в сети.

После вычисления номинала резистора можете подобрать соответствующую модель из имеющегося ряда. Стоит отметить, что куда удобнее менять потенциал при помощи переменного резистора, включенного в цепь. Подключив его последовательно с нагрузкой, вы можете подбирать положение таким образом, чтобы понизить напряжение до необходимой величины. Однако эффективным способ назвать нельзя, так как помимо работы в приборе, электрическая энергия будет просто рассеиваться на резисторе, поэтому этот вариант является временным или одноразовым решением.

Видео по теме

Физическая формула расчета эквивалентного сопротивления в цепи

Условные обозначения источников электрической энергии и элементов цепей

Условное обозначение	Элемент
	Идеальный источник ЭДС Е — электродвижущая сила, Е = const Ro = 0 — внутреннее сопротивление
	Идеальный источник тока I = const Rвн- внутреннее сопротивление источника тока, Rвн>>Rнаг
	Активное сопротивление R = const
	Индуктивность L = const
	Емкость С = const

К химическим источникам тока относят гальванические элементы и аккумуляторы. В них заряды переносятся в результате химических реакций. При этом в гальваническом элементе реагенты расходуются необратимо, а в аккумуляторе они могут восстанавливаться путем пропускания через аккумулятор электрического тока противоположного направления от других источников.

Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электротехнических устройств. Если Rо=0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е=const, то источник называется идеальным. Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.

К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С.

В электротехнических устройствах одновременно протекают три энергетических процесса:

1 В активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля — Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепло.

Мощность, по определению равна отношению работы к промежутку времени, за который эта работа совершается. Следовательно, мощность тока для участка цепи

p = A/t = ui

Полная мощность, вырабатываемая генератором, равна

где R- полное сопротивление замкнутой цепи, называемое омическим или активным;

Р, I — мощность и ток в цепи постоянного тока.

р, i, и — мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи переменного тока,

g — активная проводимость или величина, обратная сопротивлению g=1/R измеряется в сименсах (См).

В соответствии с законом сохранения энергии работа есть мера изменения различных видов энергии. Так, в электродвигателе за счет работы тока возникает механическая энергия, протекают химические реакции и т. д. На резисторах происходит необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника.

Если в проводнике под действием тока не происходит химических реакций, то температура проводника должна измениться. Изменение внутренней энергии проводника (количество теплоты) Q равно работе А, которую совершает суммарное поле при перемещении зарядов:

Q = А = uit

Воспользовавшись законом Ома, получим два эквивалентных выражения:

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Если нужно сравнить два резистора по характеру тепловых процессов, происходящих в них, то нужно предварительно выяснить: протекает ли по ним одинаковый ток или они находятся под одинаковым напряжением?

Если по двум резисторам протекают одинаковые токи, то согласно формуле за одно и то же время больше возрастает внутренняя энергия резистора с большим сопротивлением. С таким случаем мы встречаемся, например, в цепи с последовательным соединением резисторов. Последнее обстоятельство следует учитывать при включении в сеть нагрузки (электроплиток, утюгов, электродвигателей и т. д.). Сопротивление подводящих проводов при этом должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки. При несоблюдении этого условия в проводах выделится большое количество теплоты, что может привести к их загоранию.

Если же оба резистора находятся под одинаковым напряжением, то согласно формуле быстрее будет нагреваться резистор с меньшим сопротивлением. Такой эффект, в частности, наблюдают при параллельном соединении резисторов.

Термин «сопротивление» применяется для условного обозначения элемента электрической цепи и для количественной оценки величины R.

Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом — это сопротивление проводника, сила тока в котором равна 1 А, если на концах его поддерживается разность потенциалов 1 В:

1 Ом = 1 В/1 А

Электрическое сопротивление R материалов с изменением температуры меняется. Сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой. У полупроводников и электролитов с увеличением температуры удельное сопротивление уменьшается, причем нелинейно.

Для сравнения проводников по степени зависимости их сопротивления от температуры t вводится величина a, называемая температурным коэффициентом сопротивления. Отсюда

Для практических расчетов в электрических цепях величину R можно принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока (вольт-амперная характеристика) будет называться линейной. Электрические цепи, в которые включены постоянные по величине сопротивления, также будут линейными.

Параллельное соединение

КПД источника тока

Когда условные выходы деталей имеют общий контакт в одной точке (узле) схемы, а условные входы так же объединены во второй, говорят о параллельном соединении. Узел на чертеже обозначается графической точкой. Это место, где происходят разветвления цепей в схемах. Такой вариант подключения резисторов обеспечивает одинаковое падение напряжения U для всех параллельных элементов. Ток в этой позиции будет равен сумме токов, идущих по каждому компоненту.

Когда в параллельное подключение входит n резистивных элементов, то разность потенциалов, ток и общее сопротивление будут иметь следующие выражения:

общий ток: I = I1 + I2 + … + In;
общее напряжение: U = U1 = U2 = … = Un;
Rобщ. = Rэкв. = U/I1 + U/I2 + …+ U/In) = 1/R1 + 1/R2 +…+ 1/Rn.

Величину, обратно пропорциональную сопротивлению 1/R, называют проводимостью.

Если n равных по номиналу сопротивлений включить параллельно, то Rэкв. = (R*R)/n*R = R/n. Формула подходит и для индуктивных сопротивлений проволочных катушек и ёмкостных сопротивлений конденсаторов.

Параллельное включение резисторов

Комплексное сопротивление

Комплексное сопротивление — полное сопротивление цепи, обладающей активным и реактивным сопротивлением, выраженное в виде комплексного числа, модуль которого равен полному сопротивлению, а аргумент равен углу сдвига фаз между током и напряжением цепи.

Представление тригонометрической функции посредством вектора, вращающегося в комплексной числовой плоскости.

Комплексное сопротивление или проводимость какого-либо элемента определяют его реакцию на напряжение или ток.

Пересчет по — соединение ( а ( 3 — 6 следовательно со — пересчитать в парал.

Комплексное сопротивление может быть получено посредством последовательного го-единшия, а комплексная проводимость — посредством параллельного соединения; поэтому приведенные ф-лы служат для пересчета параллельного включения в последовательное и наоборот.

Комплексное сопротивление — полное сопротивление ( см.) цепи, которая обладает как активным, так и реактивным сопротивлением.

Схема включения лого-метрического измерителя сопротивления заземления.| Эквивалентная схема из мерителя заземления компенсационного типа.

Комплексное сопротивление является одной из важных характеристик участка ( пасивного элемента) электрической цепи переменного тока. Следует отметить, что понятие комплексного сопротивления имеет смысл лишь при условии, что в электрической цепи действуют синусоидальные напряжения и токи. Поэтому измерения комплексных сопротивлений и их составляющих должны проводиться с соблюдением этих условий. При несинусоидальных напряжении и токе результат измерения может быть получен лишь для определенных гармоник путем использования специальных избирательных устройств.

Комплексное сопротивление равно 3 / 5 ом.

Комплексное сопротивление равно 3 / 5 Ом.

Комплексное сопротивление Z12 является взаимным сопротивлением для входного и выходного контуров, поскольку по нему протекают одновременно входной и выходной токи.

Комплексное сопротивление и его вещественная и мнимая составляющие могут быть представлены на комплексной плоскости ( рис. 12 — 6) в виде треугольника сопротивлений.

Комплексное сопротивление состоит из активной и реактивной составляющих. При этом очень полезно воспользоваться аналогиями из теории электрических цепей.

Комплексные сопротивления, например входные сопротивления антенн, изменяются в зависимости от частоты. Здесь стрелкой показано направление, в котором увеличивается частота. Только в пределах небольших диапазонов в виде исключения возможно движение в обратном направлении. Эти полученные экспериментально результаты можно подтвердить строгими теоретическими выводами, что, однако, вышло бы за рамки настоящей работы.

Схема кварцевого автогенератора с двумя кварцевыми резонаторами, имеющими противоположные ТЧХ.

Что такое электричество.

Электричество – это совокупность физических явлений, связанных с возникновением, накоплением, взаимодействием и переносом электрического заряда. По мнению большинства историков науки, первые электрические явления были открыты древнегреческим философом Фалесом в седьмом веке до нашей эры. Фалес наблюдал действие статического электричества: притяжение к натертому шерстью янтарю легких предметов и частичек. Чтобы повторить этот опыт самостоятельно вам необходимо потереть о шерстяную или хлопковую ткань любой пластиковый предмет (например, ручку или линейку) и поднести его к мелконарезанным кусочкам бумаги.

Первой серьезной научной работой, в которой описаны исследования электрических явлений стал трактат английского ученого Уильяма Гилберта «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» изданный в 1600 г. В этой работе автор описал результаты своих опытов с магнитами и наэлектризованными телами. Здесь же впервые упоминается термин электричество.

Исследования У. Гилберта дали серьезный толчок развитию науки об электричестве и магнетизме: за период с начала 17 до конца 19 века было проведено большое количество экспериментов и сформулированы основные законы, описывающие электромагнитные явления. А в 1897 году английский физик Джозеф Томсон открыл электрон – элементарную заряженную частицу, которая определяет электрические и магнитные свойства вещества. Электрон (на древнегреческом языке электрон – это янтарь) имеет отрицательный заряд примерно равный 1,602*10-19 Кл (Кулона) и массу равную 9,109*10-31 кг. Благодаря электронам и другим заряженным частицам происходят электрические и магнитные процессы в веществах.

Электрический ток

Как я уже сказал, этих пастухов с овцами в веществах миллиарды. Следовательно, овец, которые находятся очень далеко от пастуха, еще больше. И вот эти самые овцы гуляют подальше от пастухов и в любой момент могут дать дёру.

Теперь представьте такую ситуацию. Где-то недалеко от этих пастухов находится большое колхозное поле со свежей капустой. И как только свободные овцы это дело просекли (“а почему бы нам не сБЕ-БЕ-БЕжать и полакомиться капустой?”), сразу же всей толпой двинулись “покорять” это поле!

В результате возник поток овец, которые движутся в одну сторону.

Все те же самые процессы происходят и в металле. Как только все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении, возникнет электрический ток:

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, чаще всего электронов, в одном направлении. По аналогии с гидравликой, электроны – это молекулы воды. Электрический ток – поток воды. Думаю, этого пока будет достаточно. Одними словами сыт не будешь, поэтому давайте нарисуем рисунок, чтобы порадовать глаза:

В данный момент шланг валяется где-нибудь в огороде и в нем осталась вода. Шланг никуда не подключен, то есть молекулы воды в шланге находятся в неподвижном состоянии.

По аналогии с электроникой, медный проводок лежит на столе и никуда не подключен.

Но вот настал вечер. Надо полить помидоры и огурцы, иначе к зиме останетесь без закуски. Как только мы открываем кран, вода в шланге начинает движуху:

Теперь вопрос на засыпку: почему когда мы открыли краник, вода побежала по шлангу? Создалось давление… молекулы что левее стали давить на молекулы что правее и движуха началась. Но кто толкал те молекулы, которые толкали молекулы? Это либо насос, либо вода в водобашне под воздействием гравитационной силы Земли.

В электронике электроны толкает так называемая ЭДС. В любой электрической схеме есть тот самый “насос”, который толкает электроны по проводкам и радиоэлементам. Он может находится в самой схеме, либо подключаться в схему извне. Как только электроны начинают движуху в проводке в одном направлении, то можно уже сказать, что в проводке стал течь электрический ток.

Расчёт

До изучения технологий вычислений необходимо уточнить основные определения:

ветвями называют цепи с одним током;
узлы – это места их соединения;
контуры – замкнутые пути прохождения токов по нескольким ветвям.

Следует отдельно отметить два постулата. Они получили специфическое название «правила (законы) Кирхгофа» по фамилии ученого, сформулировавшего базовые принципы.

Первый закон (I1 + I2 + … + In = 0) определяет равным нулю суммарное значение всех токов, которые входят и выходят из одной точки в месте соединения нескольких ветвей.

Надо подчеркнуть! Данное выражение является точным для любых комбинаций компонентов, включенных в соответствующие цепи (резисторов, источников тока и других). Для удобства и наглядности расчетов учитывают входящие в узел токи с положительным знаком, выходящие – с отрицательным.

Второе правило упомянуто в качестве промежуточного вывода при рассмотрении последовательно включенных резисторов (Uип = U1 + U2 + U3). В классической формулировке закон утверждает равенство суммарных ЭДС источников питания и потенциалов на пассивных элементах, объединенных в одном расчетном контуре.

Последовательное соединение резисторов

С учетом сделанных определений можно составить формулу для любого количества резисторов, установленных в единой цепи без разветвлений:

Rобщ = R1 + R2 + … + Rn.

Вне зависимости от иных внешних компонентов, токи на входе и выходе в соответствии с первым правилом Кирхгофа будут одинаковыми.

Пример:

Uип = 6,5B;
R1= 8 Ом;
R2 = 12 Ом;
R3 = 4 Ом;
Rобщ = 8 + 12 + 4 = 24 Ом;
I = 6,5/24 = 0,27 А;
U1 = I * R1 = 0,27 * 8 = 2,16 В;
U2 = 0,27 * 12 = 3,24 В;
U3 = 0,27 * 4 = 1,08 В.

Чтобы проверить последовательное соединение, формула на основе второго правила Кирхгофа пригодится:

Uип = 2,16 + 3,24 +1,08 ≈ 6,5 В.

Расчет подтвердил отсутствие ошибок.

Параллельное соединение резисторов

В этом варианте токи разделяются на входе и соединяются на выходе (первый закон Кирхгофа). Направление движения устанавливают от положительной клеммы с отрицательной подключенного источника питания. В соответствии с рассмотренными выше правилами при равенстве напряжений на отдельных резисторах токи в соответствующих цепях будут разными.

Для примера можно использовать предыдущие исходные данные:

общее сопротивление при параллельном соединении формула для трех компонентов:

Rобщ = R1*R2*R3/(R1*R2 + R2*R3 + R1*R3

вставив номиналы, делают расчет Rобщ = 8 * 12 * 4 / (8*12 + 12*4 +8*4) = 2,182 Ом;
I = 6,5/ 2,182 ≈ 2,98 А;
I1 = 6,5/ 8 = 0,8125 А;
I2 = 6,5/12 ≈ 0,5417 А;
I3 = 6,5/4 = 1,625.

Как и в предыдущем случае, расчет проверяют. Если применяют параллельное сопротивление, формула вычислений должна подтвердить равенство токов:

I = 0,8125 + 0,5417 + 1,6225 = 2,9767 ≈ 2,98 А.

Соблюдено суммарное равенство входных и выходных значений для отдельного узла, поэтому ошибки отсутствуют.

Смешанное соединение резисторов

Если в схеме присутствует комбинация последовательных и параллельных соединений, выполняют последовательно упрощение, пользуясь представленными методиками расчетов.

Последовательное преобразование схемы для упрощения вычислений

На следующем рисунке показана последовательность преобразований:

по значениям установленных R3 и R4 определяют общее значение для участка цепи Rэ;
далее вычисляют сопротивление последовательных компонентов Rэ и R6;
на следующем этапе делают расчет для группы R2, Rэк и R5;
завершающее действие – суммирование R1, Rэ и R7 (рис. ниже).

Итоговый результат (Rэк) будет определять общее (эквивалентное) электрическое сопротивление группы резисторов. При необходимости вычисляют значения токов и напряжений в отдельных ветвях.

Что такое напряжение.

Перемещение заряженных частиц в телах и веществах происходит благодаря разности потенциалов или электрическому напряжению. Напряжение (напряжение тока) — это физическая величина равная отношению работы электрического поля затраченной на перенос электрического заряда из одной точки в другую (между полюсами) к этому заряду. Напряжение измеряется в Вольтах (В) и обозначается буквой V. Для того чтобы переместить между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль), необходимо напряжение тока равное 1 В.

Для лучшего понимания взаимосвязей между разностью потенциалов, электрическим зарядом и током воспользуемся следующим наглядным примером. Представим емкость с трубой внизу, наполненную до определенного уровня водой. Условимся, что количество воды соответствует величине заряда, высота воды в емкости (давление столба жидкости) – это напряжение, а интенсивность выхода потока воды из трубы – это электрический ток.

Чем больше воды в резервуаре, тем больше высота столба воды и выше давление. Аналогично в электрических явлениях: чем больше величина заряда, тем выше напряжение необходимое для его переноса. Начнем выпускать воду: давление в резервуаре будет уменьшаться. Т. е. с уменьшением величины заряда – снижается напряжение тока. Также наглядно это видно при работе фонарика с начавшими разряжаться батарейками: по мере того как разряжаются батарейки яркость лампочки становится все меньше и меньше.

Соотношения фазного и линейного напряжения

Соотношение между напряжением линейным и фазным составляет 1,73. То есть при ста процентах мощности ЛН, напряжение фазы будет 58%. То есть, ЛН превышает ФН в 1,73 раза и при этом стабильно.

ФН и ЛН, отличие и соотношение

Напряжение в трёхфазной цепи оценивается по параметрам линейной составляющей. Обычно оно 380 вольт и тождественно 220 вольтам фазной компоненты сети трёхфазного электротока. В электрических сетях, где имеется четыре провода, напряжение 3-фазного тока обозначается 380/220В. Это позволяет подключить к подобной сети оборудование с 1-фазным потреблением электричества 220В и мощных приборов, которые могут работать от 380В.

Универсальной и приемлемой в большинстве случаев является трёхфазная цепь 380/220В 0-вым проводом. Электроприборы, которые функционируют от однофазного напряженья 220В, могут при подсоединении к паре проводов ФН питаться от ЛН.

Электрооборудование, которое запитывается от трёхфазной сети может работать, только если имеется подсоединение одновременно к 3-м выводам различных фаз. Тогда заземление не обязательно, но если изоляционный материал провода будет повреждён, то отсутствие 0-ого значительно увеличивает опасность удара электрическим током.

Важно! При понижении ЛН меняются величины ФН. При уже выясненном значении междуфазного напряжения определить величину ФН труда не составит

Виды пассивных элементов

Данные устройства характеризуются тем, что вместо рассеивания энергии склонны к ее накоплению. Разные типы таких деталей создают различные формы сопротивления.

Катушка индуктивности

Это радиокомпонент, представляющий собой проводниковый элемент спиральной или винтообразной формы, покрытый изоляцией. В схемах катушки используют для нивелирования помех и искажений, снижения величины переменного тока, генерации магнитного поля. Длинные тонкие элементы носят название соленоидов. Катушки отличаются небольшими величинами активной сопротивляемости и емкости, но обладают индуктивностью, генерируя электродвижущую силу.

Подключение катушки в электрическую цепь

Емкостной элемент

Примером этого вида деталей является конденсатор. Он включает в себя две проводящие обкладки, между которыми находится диэлектрический материал. Протекание электротока обусловлено накоплением и отдачей обкладками своего заряда.

Подсоединение конденсатора в электроцепь

«Постоянный электрический ток. Действие электрического тока»

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимы два условия: 1) наличие свободных заряженных частиц, 2) электрическое поле, которое создаёт их направленное движение. Проходя по цепи, происходит действие электрического тока (тепловое, магнитное, химическое).

При существовании тока в разных средах: в металлах, жидкостях, газах — электрический заряд переносится разными частицами. В металлах этими частицами являются электроны, в жидкостях заряд переносится ионами, в газах — электронами, положительными и отрицательными ионами.

Дистиллированная вода не проводит электрический ток, поскольку она не содержит свободных зарядов. Если в воду добавить поваренную соль или медный купорос, то в ней появятся свободные заряды, и она станет проводником электрического тока.

Газы в обычных условиях тоже не проводят электрический ток, так как в них нет свободных зарядов. Однако если в воздушный промежуток между двумя металлическими пластинами, соединёнными с источником тока, внести зажжённую спичку или спиртовку, то газ станет проводником и гальванометр зафиксирует протекание тока по цепи.

Постоянный электрический ток

Постоянный электрический ток — это электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока (англ. direct current), т.е. тока, не изменяющий своего направления. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв англ. слов, или символом по ГОСТ 2.721-74.

На рисунке красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени t, а по вертикальной — масштаб тока I или электрического напряжения U. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов). Постоянный электрический ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Источник тока

Направленное движение зарядов обеспечивается электрическим полем. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока. В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника образуется электрическое поле, под действием которого заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно.

В источнике тока совершается работа при разделении заряженных частиц. При этом различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия, в гальваническом элементе — химическая.

Действие электрического тока

Электрический ток, проходя по цепи, производит различные действия. Тепловое действие электрического тока заключается в том, что при его прохождении по проводнику в нём выделяется некоторое количество теплоты. Пример применения теплового действия тока — электронагревательные элементы чайников, электроплит, утюгов и пр. В ряде случаев температура проводника нагревается настолько сильно, что можно наблюдать его свечение. Это происходит в электрических лампочках накаливания.

Магнитное действие электрического тока проявляется в том, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое, действуя на магнитную стрелку, расположенную рядом с проводником, заставляет её поворачиваться. Благодаря магнитному действию тока можно превратить железный гвоздь в электромагнит, намотав на него провод, соединённый с источником тока. При пропускании по проводу электрического тока гвоздь будет притягивать железные предметы.

Химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении в жидкости на электроде выделяется вещество. Если в стакан с раствором медного купороса поместить угольные электроды и присоединить их к источнику тока, то, вынув через некоторое время эти электроды из раствора, можно обнаружить на электроде, присоединённом к отрицательному полюсу источника (на катоде), слой чистой меди.

Некоторые источники утверждают, что существует также механическое действие (например, рамка, по которой течет ток, поворачивается, если её поместить между полюсами магнитов) и световое (светодиоды).

Конспект по по физике в 8 классе: «Постоянный электрический ток. Действие электрического тока».

Следующая тема: «Сила тока. Напряжение»

Расчёт электрических цепей с помощью законов Кирхгофа

Существует несколько методов расчёта электрических цепей, которые различаются между собой параметрами, которые необходимо найти, а так же количеством необходимых расчётов.

Вначале я расскажу, как произвести расчёт цепи в общем виде, но в результате размеры вычислений будут неоправданно большими. Данный метод расчёта основан на законах Ома и Кирхгофа и используется при расчётах небольших цепей с малым количеством контуров. Для этого составляют систему уравнений из (q — 1) уравнений для узлов цепи и n уравнений для независимых контуров. Независимые контуры характеризуются тем, что при составлении уравнений для каждого нового контура входит хотя бы одна новая ветвь, не вошедшая в предыдущий контур. Таким образом, количество уравнений в системе уравнений по данному методу расчёта цепи будет определяться следующим выражением

В качестве примера рассчитаем электрическую цепь, приведённую на рисунке ниже

В качестве примера возьмём следующие параметры схемы: E1 = 50 B, E2 = 30 B, R1 = R3 = 10 Ом, R2 = R5 = 20 Ом, R4 = 25 Ом.

Составим уравнение по первому закону Кирхгофа. Так как узла у нас два, то выберем узел А и составим для него уравнение. Я выбрал условно, что токи I1 и I2 втекают в узел, а I3 – вытекает, тогда уравнение будет иметь вид
Составим недостающие уравнения по второму закону Кирхгофа. В схеме у нас два независимых контура: E1R1R2R4E2R3 и E2R4R5, поэтому выбирая произвольное направление контуров составим недостающие два уравнения. Я выбрал обход по ходу часовой стрелке, поэтому уравнения имеют вид

Таким образом, получившаяся система уравнений будет иметь следующий вид

Решив данную систему, получим следующие результаты: I1 ≈ 0,564 А, I2 ≈ 0,103 А, I2 ≈ 0,667 А.

В результате решения системы уравнений по данному методу может оказаться, что токи получились отрицательными. Это значит, что действительное направление токов противоположно по направлению выбранному.

Как правильно рассчитать при смешанном соединении устройств

Смешанным подключением устройств называется такой тип, при котором часть взаимозаменяемых компонентов подключается последовательно, а часть — параллельно. При смешанном подсоединении устройств определить эквивалентный показатель сопротивляемости несложно. Достаточно использовать следующую формулу: (R1 + R2) R3 / (R1 + R2 + R3) + R4.

Это соединение используется, чтобы изменить сопротивляемость в пусковых реостатах, питающихся от постоянного тока. Для подсчета используются специальные онлайн-сервисы. Это помогает быстрее вычислить, упростить и ускорить расчеты электротехнических параметров.

Формула расчета при смешанном соединении устройств

В результате, чтобы рассчитать эквивалентное сопротивление цепи, необходимо вспомнить про закон Ома и обязательно пользоваться указанными формулами выше. Только при смешенном типе соединения желательно вести подсчеты в онлайн-калькуляторах, так как есть риск допустить ошибку в расчетах.

Оцените статью:

Как резистор может влиять на ток и потенциал одновременно?

Не существует фактора, определяющего, снижается ли напряжение или ток. Вся эта концепция ошибочна.

Простое утверждение, которое вы ищете:

Резистор определяет соотношение между напряжением и током

То есть, если ток фиксирован, то резистор определяет напряжение. Если напряжение фиксировано, то резистор определяет ток.

Во всех трех формулах закона Ома у вас будут два из трех значений в качестве фиксированных значений — значения, которые вы знаете, посредством измерения или чего-либо еще, а третья переменная — это та, которую вы хотите найти. Оттуда это просто математика.

Однако пример со светодиодом добавляет дополнительный гаечный ключ в работу, поскольку светодиод не является линейным устройством. . Таким образом, его влияние на схему рассчитывается отдельно перед применением закона Ома.

У вас есть три известных значения, и вы хотите вычислить четвертое.

У вас есть следующие известные значения: напряжение питания (9 В), прямое напряжение светодиода (например, 2,2 В) и ток, который вы хотите пропустить через светодиод (30 мА).

Из этого вы хотите рассчитать значение резистора.

Таким образом, вы вычитаете прямое напряжение светодиода из напряжения питания, так как они оба являются фиксированными напряжениями, и в результате будет получено количество напряжения, которое должно быть понижено на резисторе в целом, до общего значения 9 В. Итак, 9В — 2,2В — 6,8В. Это фиксированное напряжение. Ток, который вы хотите, тоже исправлен — вы выбрали 30 мА.

Таким образом, значение резистора тогда: 6,8

R=VIR=VI

Вы всегда будете иметь два из трех значений как фиксированные значения — либо потомучто они устанавливаются под воздействием внешних факторов, как источник питания или напряжение батареи, или они являются значения специфичнычто вам требуется или желание, когда именно вы установили это значение. Третье значение — это то, что должно быть рассчитано, чтобы оба этих фиксированных значения выполнялись.

6.80.03=226.6¯¯¯Ω≈227Ω6.80.03=226.6¯Ω≈227Ω

Подключение светодиода к 12 В

Подключение светодиода к источнику питания 12 В может быть осуществлено несколькими способами. Первым вариантом решения задачи является увеличение последовательно соединенных светодиодов в цепи. Второй способ связан с применением токоограничивающего резистора.

Рассмотрим оба способа.

Расчет резистора на примере одного светодиода

Большинство светодиодов имеют прямое падение напряжения при допустимом токе 1,8 – 3,6 В. Следовательно, для подключения к источнику 12 В нам необходимо понизить напряжение на светодиоде, в противном случае он сгорит. Это выполняется при помощи токоограничивающего резистора. При правильно подобранном сопротивлении которого светодиод будет работать исправно. Чтобы узнать где катод, а где анод светодиода прочтите эту статью.

Допустим, что у нас имеется белый светодиод, параметры которого следующие:

Расчет резистора проводится согласно следующей формуле:

где Uп – это напряжение питания, Uсв – прямое падение напряжения на светодиоде, а I – ток светодиода, 0,75 – коэффициент надежности светодиода.

Если неизвестен ток светодиода, но известна его мощность, формула приобретает вид:

В нашем случае, ток светодиода известен.

Исходя из наших расчетов, нам необходим ближайший по номиналу резистор на 620 Ом. В случае если рассчитанное сопротивление выйдет таким, что резистор подобрать будет сложно, то есть смысл использовать несколько параллельно соединенных резисторов.

Чтобы резистор не сгорел, необходимо правильно подобрать его по мощности. Для этого сделаем расчет мощности выделяемой на резисторе.

Рассчитываем сопротивление светодиода:

Затем рассчитываем общий ток в цепи с учетом добавленного сопротивления резистора:

Подставляем получившееся значение в формулу мощности постоянного тока:

Делаем вывод, что нам нужен резистор, рассчитанный как минимум на 0,25 Вт мощности. Если у вас не имеется такого резистора под рукой, можно выйти из ситуации при помощи двух подключенных параллельно резистора по 0,125 Вт каждый или просто поставив увеличить номинал резистора на 15-20%(в данном случае это возможно, но при этом яркость светодиода снизится).

Подключение 3-х светодиодов к 12 В

Подключение трех светодиодов к источнику питания 12 В, позволяет использовать резистор с меньшей мощностью, так как суммарное падение напряжения на трех светодиодах будет больше в 3 раза.

Допустим, что у нас имеется желтый светодиод со следующими параметрами:

Рассчитаем сопротивление балластного резистора по уже известной формуле:

Ближайший резистор, подходящий по номиналу 510 Ом, определим требуемую мощность

Рассчитываем сопротивление светодиода:

Общий ток в цепи с учетом добавленного сопротивления резистора:

Подставляем получившееся значение в формулу мощности постоянного тока:

По сравнению с предыдущим примером, в данном случае нам требуется менее мощный резистор, а значит, выбираем на 0,125 Вт.

Данная схема подключения используется в светодиодных лентах на 12 В, с той лишь разницей, что там таких цепочек несколько и между собой они соединены параллельно.

Этот способ имеет существенный недостаток – при сгорании одного из светодиодов, остальные перестают работать.

Просмотров:

Понизить напряжение с 12 до 3 вольт

Закон Ома при понижении напряжения

R=U/I; То есть давление (U) прямо пропорционально сопротивлению в трубе (R), но если расход (I) будет большой, то значит сопротивления как такового нет… И увеличенный расход должен показывать на пониженное сопротивление.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью резистора

R=U/I. С напряжением понятно, однако смотрите, у нас недостаточно данных! Ничего не известно о «расходе», о токе потребления. То есть если вы решите посчитать сопротивление для понижения напряжения, то обязательно надо знать, сколько же «хочет кушать» наша нагрузка.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью микросхемы

Напряжение и сила тока — две основных величины в электричестве. Кроме них выделяют и ряд других величин: заряд, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля, магнитная индукция и другие. Практикующему электрику или электронщику в повседневной работе чаще всего приходится оперировать именно напряжением и током — Вольтами и Амперами. В этой статье мы расскажем именно о напряжении, о том, что это такое и как с ним работать.

Определение физической величины

Напряжение это разность потенциалов между двумя точками, характеризует выполненную работу электрического поля по переносу заряда из первой точки во вторую. Измеряется напряжение в Вольтах. Значит, напряжение может присутствовать только между двумя точками пространства. Следовательно, измерить напряжение в одной точке нельзя.

Потенциал обозначается буквой «Ф», а напряжение буквой «U». Если выразить через разность потенциалов, напряжение равно:

Если выразить через работу, тогда:

где A — работа, q — заряд.

Измерение напряжения

Напряжение измеряется с помощью вольтметра. Щупы вольтметра подключают на две точки напряжение, между которыми нас интересует, или на выводы детали, падение напряжения на которой мы хотим измерить. При этом любое подключение к схеме может влиять на её работу. Это значит, что при добавлении параллельно элементу какой-либо нагрузки ток в цепи изменить и напряжение на элементе измениться по закону Ома.

Вывод:

Вольтметр должен обладать максимально высоким входным сопротивлением, чтобы при его подключении итоговое сопротивление на измеряемом участке оставалось практически неизменным. Сопротивление вольтметра должно стремиться к бесконечности, и чем оно больше, тем большая достоверность показаний.

На точность измерений (класс точности) влияет целый ряд параметров. Для стрелочных приборов – это и точность градуировки измерительной шкалы, конструктивные особенности подвеса стрелки, качество и целостность электромагнитной катушки, состояние возвратных пружин, точность подбора шунта и прочее.

Для цифровых приборов — в основном точность подбора резисторов в измерительном делителе напряжения, разрядность АЦП (чем больше, тем точнее), качество измерительных щупов.

Для измерения постоянного напряжения с помощью цифрового прибора (например, мультиметра), как правило, не имеет значения правильность подключения щупов к измеряемой цепи. Если вы подключите положительный щуп к точке с более отрицательным потенциалом, чем у точки, к которой подключен отрицательный щуп — то на дисплее перед результатом измерения появится знак «–».

А вот если вы меряете стрелочным прибором нужно быть внимательным, При неправильном подсоединении щупов стрелка начнет отклоняться в сторону нуля, упрется в ограничитель. При измерении напряжений близких к пределу измерений или больше она может заклинить или погнуться, после чего о точности и дальнейшей работе этого прибора говорить не приходится.

Для большинства измерений в быту и в электронике на любительском уровне достаточно и вольтметра встроенного в мультиметры типа DT-830 и подобных.

Чем больше измеряемые значения — тем ниже требования к точности, ведь если вы измеряете доли вольта и у вас погрешность в 0.1В — это существенно исказит картину, а если вы измеряете сотни или тысяч вольт, то погрешность и в 5 вольт не сыграет существенной роли.

Что делать если напряжение не подходит для питания нагрузки

Для питания каждого конкретного устройства или аппарата нужно подать напряжение определенной величины, но случается, так что имеющийся у вас источник питания не подходит и выдает низкое или слишком высокое напряжение. Решается эта проблема разными способами, в зависимости от требуемой мощности, напряжения и силы тока.

Как понизить напряжение сопротивлением?

Сопротивление ограничивает ток и при его протекании падает напряжение на сопротивление (токоограничивающий резистор). Такой способ позволяет понизить напряжение для питания маломощных устройств с токами потребления в десятки, максимум сотни миллиампер.

Примером такого питания можно выделить включение светодиода в сеть постоянного тока 12 (например, бортовая сеть автомобиля до 14.7 Вольт). Тогда, если светодиод рассчитан на питание от 3.3 В, током в 20 мА, нужен резистор R:

R=(14.7-3.3)/0.02)= 570 Ом

Но резисторы отличаются по максимальной рассеиваемой мощности:

Ближайший по номиналу в большую сторону — резистор на 0.25 Вт.

Именно рассеиваемая мощность и накладывает ограничение на такой способ питания, обычно мощность резисторов не превышает 5-10 Вт. Получается, что если нужно погасить большое напряжение или запитать таким образом нагрузку мощнее, придется ставить несколько резисторов т.к. мощности одного не хватит и ее можно распределить между несколькими.

Способ снижения напряжения резистором работает и в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока.

Недостаток — выходное напряжение ничем нестабилизировано и при увеличении и снижении тока оно изменяется пропорционально номиналу резистора.

Как понизить переменное напряжение дросселем или конденсатором?

Если речь вести только о переменном токе, то можно использовать реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление есть только в цепях переменного тока, это связно с особенностями накопления энергии в конденсаторах и катушках индуктивности и законами коммутации.

Дроссель и конденсатор в переменном токе могут быть использованы в роли балластного сопротивления.

Реактивное сопротивление дросселя (и любого индуктивного элемента) зависит от частоты переменного тока (для бытовой электросети 50 Гц) и индуктивности, оно рассчитывается по формуле:

где ω – угловая частота в рад/с, L-индуктивность, 2пи – необходимо для перевода угловой частоты в обычную, f – частота напряжения в Гц.

Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его емкости (чем меньше С, тем больше сопротивление) и частоты тока в цепи (чем больше частота, тем меньше сопротивление). Его можно рассчитать так:

Пример использования индуктивного сопротивление — это питание люминесцентных ламп освещения, ДРЛ ламп и ДНаТ. Дроссель ограничивает ток через лампу, в ЛЛ и ДНаТ лампах он используется в паре со стартером или импульсным зажигающем устройством (пусковое реле) для формирования всплеска высокого напряжения включающего лампу. Это связано с природой и принципом работы таких светильников.

А конденсатор используют для питания маломощных устройств, его устанавливают последовательно с питаемой цепью. Такой блок питания называется «бестрансфоматорный блок питания с балластным (гасящим) конденсатором».

Очень часто встречают в качестве ограничителя тока заряда аккумуляторов (например, свинцовых) в носимых фонарях и маломощных радиоприемниках. Недостатки такой схемы очевидны — нет контроля уровня заряда аккумулятора, их выкипание, недозаряд, нестабильность напряжения.

Как понизить и стабилизировать напряжение постоянного тока

Чтобы добиться стабильного выходного напряжения можно использовать параметрические и линейные стабилизаторы. Часто их делают на отечественных микросхемах типа КРЕН или зарубежных типа L78xx, L79xx.

Линейный преобразователь LM317 позволяет стабилизировать любое значение напряжения, он регулируемый до 37В, вы можете сделать простейший регулируемый блок питания на его основе.

Если нужно незначительно снизить напряжение и стабилизировать его описанные ИМС не подойдут. Чтобы они работали должна быть разница порядка 2В и более. Для этого созданы LDO(low dropout)-стабилизаторы. Их отличие заключается в том, что для стабилизации выходного напряжение нужно, чтобы входное его превышало на величину от 1В. Пример такого стабилизатора AMS1117, выпускается в версиях от 1.2 до 5В, чаще всего используют версии на 5 и 3.3В, например в платах Arduino и многом другом.

Конструкция всех вышеописанных линейных понижающих стабилизаторов последовательного типа имеет существенный недостаток – низкий КПД. Чем больше разница между входным и выходным напряжением – тем он ниже. Он просто «сжигает» лишнее напряжение, переводя его в тепло, а потери энергии равны:

Компания AMTECH выпускает ШИМ аналоги преобразователей типа L78xx, они работают по принципу широтно-импульсной модуляции и их КПД равен всегда более 90%.

Они просто включают и выключают напряжение с частотой до 300 кГц (пульсации минимальны). А действующее напряжение стабилизируется на нужном уровне. А схема включения аналогичная линейным аналогам.

Как повысить постоянное напряжение?

Для повышения напряжения производят импульсные преобразователи напряжения. Они могут быть включены и по схеме повышения (boost), и понижения (buck), и по повышающе-понижающей (buck-boost) схеме. Давайте рассмотрим несколько представителей:

1. Плата на базе микросхемы XL6009

2. Плата на базе LM2577, работает на повышение и понижение выходного напряжения.

3. Плата преобразователь на FP6291, подходит для сборки 5 V источника питания, например powerbank. С помощью корректировке номиналов резисторов может перестраиваться на другие напряжения, как и любые другие подобные преобразователь – нужно корректировать цепи обратной связи.

4. Плата на базе MT3608

Здесь всё подписано на плате – площадки для пайки входного – IN и выходного – OUT напряжения. Платы могут иметь регулировку выходного напряжения, а в некоторых случая и ограничения тока, что позволяет сделать простой и эффективный лабораторный блок питания. Большинство преобразователей, как линейных, так и импульсных имеют защиту от КЗ.

Как повысить переменное напряжение?

Для корректировки переменного напряжения используют два основных способа:

Автотрансформатор – это дроссель с одной обмоткой. Обмотка имеет отвод от определенного количества витков, так подключаясь между одним из концов обмотки и отводом, на концах обмотки вы получаете повышенное напряжение во столько раз, во сколько соотносится общее количество витков и количество витков до отвода.

Промышленностью выпускаются ЛАТРы – лабораторные автотрансформаторы, специальные электромеханические устройства для регулировки напряжения. Очень широко применение они нашли в разработке электронных устройств и ремонте источников питания. Регулировка достигается за счет скользящего щеточного контакта, к которому подключается питаемое устройство.

Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки. Это значит, что на выходных клеммах может запросто оказаться высокое напряжение, отсюда опасность поражения электрическим током.

Трансформатор – это классический способ изменения величины напряжения. Здесь есть гальваническая развязка от сети, что повышает безопасность таких установок. Величина напряжения на вторичной обмотке зависит от напряжений на первичной обмотки и коэффициента трансформации.

Отдельный вид – это импульсные трансформаторы. Они работают на высоких частотах в десятки и сотни кГц. Используются в подавляющем большинстве импульсных блоках питания, например:

Зарядное устройство вашего смартфона;

Блок питания ноутбука;

Блок питания компьютера.

За счет работы на большой частоте снижаются массогабаритные показатели, они в разы меньше чем у сетевых (50/60 Гц) трансформаторов, количество витков на обмотках и, как следствие, цена. Переход на импульсные блоки питания позволил уменьшить габариты и вес всей современной электроники, снизить её потребление за счет увеличения кпд (в импульсных схемах 70-98%).

В магазинах часто встречаются электронные траснформаторы, на их вход подаётся сетевое напряжение 220В, а на выходе например 12 В переменное высокочастотное, для использования в нагрузке которая питается от постоянного тока нужно дополнительно устанавливать на выход диодный мост из высокоскоростных диодов.

Внутри находится импульсный трансформатор, транзисторные ключи, драйвер, или автогенераторная схема, как изображена ниже.

Достоинства – простота схемы, гальваническая развязка и малые размеры.

Недостатки – большинство моделей, что встречаются в продаже, имеют обратную связь по току, это значит что без нагрузки с минимальной мощностью (указано в спецификациях конкретного прибора) он просто не включится. Отдельные экземпляры оборудованы уже ОС по напряжению и работают на холостом ходу без проблем.

Используются чаще всего для питания 12В галогенных ламп, например точечные светильники подвесного потолка.

Заключение

Мы рассмотрели базовые сведения о напряжении, его измерении, а также регулировки. Современная элементная база и ассортимент готовых блоков и преобразователей позволяет реализовывать любые источники питания с необходимыми выходными характеристиками. Подробнее о каждом из способов можно написать отдельную статью, в пределах этой я постарался уместить базовые сведения, необходимые для быстрого подбора удобного для вас решения.

DC-DC преобразователь 12>3 Вольт, был создан для запитки маломощных плееров с питанием от двух пальчиковых батареек. Поскольку плееры были предназначены для работы в автомобиле, а бортовая сеть автомобиля доставляет 12 Вольт, то каким-то образом нужно было понизить напряжения до номинала 3-4 Вольт.

При заведенном двигателе автомобиля, напряжение бортовой сети повышается до 14 Вольт, это тоже нужно принять во внимание.

3 Вольт» w />

Недолго думая, решил изготовить самый простой понижающий преобразователь, если представленное устройство вообще можно назвать преобразователем. Конструкция DC-DC преобразователя довольно проста и основана на явлении спада напряжения, которое проходит через кристалл полупроводникового диода. Как известно, проходя через полупроводниковый диод, номинал постоянного напряжения спадает в районе 0,7 Вольт. Поэтому, чтобы получить нужный спад напряжения, были использованы 12 дешевых полупроводниковых диода серии IN4007. Это обычные выпрямительные диоды с током 1 Ампер и с обратным напряжением порядка 1000 Вольт, желательно использовать именно эти диоды, поскольку они являются самым доступным и дешевым вариантом. Ни в коем случае не стоит использовать диоды с барьером Шоттки, на них спад напряжения слишком мал, следовательно, для наших целей они не подходят.

3 Вольт» w />

После диодов желательно поставить конденсатор (электролит 100-470мкФ) для сглаживания пульсаций и помех.

Выходное напряжение нашего «DC-DC преобразователя» составляет 3,3-3,7 Вольт, выходной ток (максимальный) до 1 Ампер. В ходе работы диоды должны чуток перегреваться, но это вполне нормально.

3 Вольт» w />

Весь монтаж можно выполнить на обычной макетной плате или же навесным образом, но не стоит забывать, что вибрации могут разрушить места припоев, поэтому в случае использования навесного варианта, диоды желательно приклеить друг к другу с помощью термоклея.

3 Вольт» w />

Аналогичным способом можно понизить напряжение бортовой сети автомобиля до 5 Вольт, для зарядки портативной цифровой электроники — планшетных компьютеров, навигаторов, GPS приемников и мобильных телефонов.

Измерение сопротивления изоляции: полное руководство

Для безопасной работы все электрические установки и оборудование должны иметь сопротивление изоляции, соответствующее определенным характеристикам. Независимо от того, идет ли речь о соединительных кабелях, оборудовании секционирования и защиты, трансформаторах, электродвигателях и генераторах – электрические проводники изолируются с помощью материалов с высоким электрическим сопротивлением, которые позволяют ограничить, насколько это возможно, электрический ток за пределами проводников.

Из-за воздействий на оборудование качество этих изоляционных материалов меняется со временем. Подобные изменения снижают электрическое сопротивление изоляционных материалов, что увеличивает ток утечки, который, в свою очередь, приводит к серьезным последствиям, как с точки зрения безопасности (для людей и имущества), так и с точки зрения затрат на остановки производства.

Регулярная проверка изоляции, проводимая на установках и оборудовании в дополнение к измерениям, выполняемым на новом и восстановленном оборудовании во время ввода в эксплуатацию, помогает избегать подобных инцидентов за счет профилактического обслуживания. Данные испытания дают возможность обнаружить старение и преждевременное ухудшение изоляционных свойств прежде, чем они достигнут уровня, способного привести к описанным выше инцидентам.

Проверка: испытание или измерение?

На первом этапе полезно прояснить разницу между двумя типами проверки, которые часто путают – испытание электрической прочности изоляции и измерение сопротивления изоляции.

Испытание электрической прочности, также называемое «испытание на пробой», позволяет определить способность изоляции выдерживать выброс напряжения средней длительности без возникновения искрового пробоя. Фактически такой выброс напряжения может быть вызван молнией или индукцией в результате неисправности линии электропередачи. Основной целью этого теста является обеспечение соответствия строительным нормам и правилам, касающимся путей утечки и зазоров. Этот тест часто выполняется с использованием напряжения переменного тока, но также при испытаниях применяется и напряжение постоянного тока. Подобный тип измерений требует использования установок для испытания кабелей повышенным напряжением. Результатом является значение напряжения, обычно выраженное в киловольтах (кВ). Испытания электрической прочности в случае неисправности могут быть разрушительными, в зависимости от уровней тестирования и энергетических возможностей инструмента. Поэтому этот метод используется для типового тестирования на новом или восстановленном оборудовании.

При нормальных условиях испытаний измерение сопротивления изоляции является неразрушающим тестированием. Этот замер выполняется с использованием напряжения постоянного тока меньшей величины, чем при испытании электрической прочности, и дает результат, выраженный в кОм, МОм, ГОм или ТОм. Значение сопротивления указывает на качество изоляции между двумя проводниками. Поскольку данное испытание является неразрушающим, его особенно удобно использовать для контроле старения изоляции работающего электрического оборудования или установок. Для данного измерения используется тестер изоляции, также называемый мегомметром (доступны мегомметры с диапазоном до 999 ГОм).

Типовые причины неисправности изоляция

Поскольку измерение сопротивления изоляции с помощью мегомметра является частью более широкой политики профилактического обслуживания, важно понимать, по каким причинам возможно ухудшение характеристик изоляции. Только это позволит предпринять правильные шаги для их устранения.

Можно разделить причины неисправности изоляции на пять групп. Однако необходимо иметь в виду, что в случае отсутствия каких-либо корректирующих мер, различные причины будут накладываться друг на друга, приводя к пробою изоляции и повреждению оборудования.

1. Электрические нагрузки

В основном электрические нагрузки связаны с отклонением рабочего напряжения от номинального значения, причем влияние на изоляцию оказывают как перенапряжения, так и понижение напряжения.

2. Механические нагрузки

Частые последовательные запуски и выключения оборудования способны вызвать механические нагрузки. Кроме того, сюда входят проблемы с балансировкой вращающихся машин и любые прямые нагрузки на кабели и установки в целом.

3. Химические воздействия

Присутствие химических веществ, масел, агрессивных испарений и пыли в целом отрицательно влияет на характеристики изоляционных материалов.

4. Напряжения, связанные с колебаниями температуры:

В сочетании с механическими напряжениями, вызванными последовательными запусками и остановками оборудования, также на свойства изоляционных материалов влияют напряжения, возникающие при расширении и сжатии. Работа при экстремальных температурах также приводит к старению материалов.

5. Загрязнение окружающей среды

Плесень и посторонние частицы в теплой, влажной среде также способствуют ухудшению изоляционных свойств установок и оборудования.

В приведенной ниже таблице показана относительная частота различных причин отказа электродвигателя.

Внешние загрязнения:

В дополнение к внезапным повреждениям изоляции из-за таких чрезвычайных происшествий, как, например, наводнения, факторы, снижающие эффективность изоляции работающей установки объединяются, иногда усиливая друг друга. В конечном итоге в долгосрочной перспективе без постоянного мониторинга это приведет к возникновению ситуаций, которые станут критическими с точки зрения безопасности людей и нормальной эксплуатации. Таким образом, регулярное тестирование изоляции установок или электрических машин является полезным способом контроля состояния изоляции, позволяющим предпринимать необходимые действия еще до того, как возникло повреждение.

Принцип измерения сопротивления изоляции и влияющие на него факторы

Измерение сопротивления изоляции базируется на законе Ома. Подав известное напряжение постоянного тока с уровнем ниже, чем напряжение испытания электрической прочности, а затем измерив значение тока, очень просто замерить значение сопротивления. В принципе, значение сопротивления изоляции очень велико, но не бесконечно, поэтому измеряя малый протекающий ток, мегомметр указывает значение сопротивления изоляции в кОм, МОм, ГОм и даже в ТОм (на некоторых моделях). Это сопротивление характеризует качество изоляции между двумя проводниками и способно указать на риск возникновения тока утечки.

На значение сопротивления изоляции и, следовательно, на значение тока, протекающего, когда к тестируемой цепи приложено напряжение постоянного тока, влияет ряд факторов. К таким факторам относятся, например, температура или влажность, которые способны существенно повлиять на результаты измерений. Для начала давайте проанализируем характер токов, протекающих во время измерения изоляции, используя гипотезу о том, что эти факторы не влияют на проводимое измерение.

Общий ток, протекающий в изоляционном материале, представляет собой сумму трех компонентов:

Емкость. Для зарядки емкости тестируемой изоляции необходим ток зарядки емкости. Это переходный ток, который начинается с относительно высокого значения и падает экспоненциально к значению, близкому к нулю, когда тестируемая цепь электрически заряжается. Через несколько секунд или десятых долей секунды этот ток становится незначительным по сравнению с измеряемым током.
Поглощение. Ток поглощения, соответствующий дополнительной энергии, которая необходима для переориентации молекул изоляционного материала под воздействием прикладываемого электрического поля. Этот ток падает намного медленнее, чем ток зарядки емкости; иногда необходимо несколько минут, чтобы достичь значения, близкого к нулю.
Ток утечки или ток проводимости. Этот ток характеризует качество изоляции и не изменяется со временем.

На приведенном ниже графике эти три тока показаны в зависимости от времени. Шкала времени является условной и может различаться в зависимости от тестируемой изоляции.

Для обеспечения надлежащих результатов тестирования очень больших электродвигателей или очень длинных кабелей сведение к минимуму емкостных токов и токов поглощения может занимать от 30 до 40 минут.

Когда в цепь подается постоянное напряжение, суммарный ток, протекающий в тестируемом изоляторе, изменяется в зависимости от времени. Это предполагает значительное изменение сопротивления изоляции.

Перед подробным рассмотрением различных методов измерения было бы полезно снова взглянуть на факторы, которые влияют на измерение сопротивления изоляции.

Влияние температуры

Температура вызывает квазиэкспоненциальное изменение значения сопротивления изоляции. В контексте программы профилактического технического обслуживания измерения должны выполняться в одинаковых температурных условиях или, если это невозможно, должны корректироваться относительно эталонной температуры. Например, увеличение температуры на 10°C уменьшает сопротивление изоляции ориентировочно наполовину, в то время как уменьшение температуры на 10°C удваивает значение сопротивления изоляции.

Уровень влажности влияет на изоляцию в соответствии со степенью загрязнения ее поверхности. Никогда не следует измерять сопротивление изоляции, если температура ниже точки росы.

Коррекция сопротивления изоляции в зависимости от температуры (источник IEEE-43-2000)

Методы тестирования и интерпретация результатов

Кратковременное или точечное измерение

Это наиболее простой метод. Он подразумевает подачу испытательного напряжения на короткое время (30 или 60 секунд) и фиксацию значения сопротивления изоляции на этот момент. Как уже указывалось выше, на такое прямое измерение сопротивления изоляции значительное влияние оказывает температура и влажность, поэтому измерение следует стандартизировать при контрольной температуре и для сравнения с предыдущими измерениями следует фиксировать уровень влажности. С помощью данного метода можно проанализировать качество изоляции, сравнивая текущее измеренное значение с результатами нескольких предыдущих тестов. Со временем это позволит получить более достоверную информацию о характеристиках изоляции тестируемой установки или оборудования по сравнению с одиночным испытанием.

Если условия измерения остаются идентичными (то же самое испытательное напряжение, то же время измерения и т.д.), то при периодических измерениях путем мониторинга и интерпретации любых изменений можно получить четкую оценку состояния изоляции. После записи абсолютного значения, необходимо проанализировать изменение во времени. Таким образом, измерение, показывающее относительно низкое значение изоляции, которое, тем не менее, стабильно во времени, теоретически должно доставлять меньше беспокойства, чем значительное снижение сопротивления изоляции со временем, даже если сопротивление изоляция выше, чем рекомендованное минимальное значение. В общем, любое внезапное падение сопротивления изоляции свидетельствует о проблеме, требующей изучения.

На приведенном ниже графике показан пример показаний сопротивления изоляции для электродвигателя.

В точке A сопротивление изоляции уменьшается из-за старения и накопления пыли.

Резкое падение в точке B указывает на повреждение изоляции.

В точке C неисправность была устранена (обмотка электродвигателя перемотана), поэтому вернулось более высокое значение сопротивления изоляции, остающееся стабильным во времени, что указывает на ее хорошее состояние.

Методы тестирования, основанные на влиянии времени приложения испытательного напряжения (PI и DAR)

Эти методы включают последовательное измерение значений сопротивления изоляции в указанное время. Их преимуществом является неподверженность особому влиянию температуры, поэтому их можно применять без коррекции результатов, если только испытательное оборудование не подвергается во время теста значительным колебаниям температуры.

Данные методы идеально подходят для профилактического обслуживания вращающихся машин и для мониторинга изоляции.

Если изоляционный материал находится в хорошем состоянии, ток утечки или ток проводимости будет низким, а на начальный замер сильно влияют токи зарядки емкости и диэлектрического поглощения. При приложении испытательного напряжения со временем измеренное значение сопротивления изоляции повышается, так как уменьшаются эти токи помех. Необходимое для измерения изоляции в хорошем состоянии время стабилизации зависит от типа изоляционного материала.

Если изоляционный материал находится в плохом состоянии (поврежден, грязный и влажный), ток утечки будет постоянным и очень высоким, часто превышающим токи зарядки емкости и диэлектрического поглощения. В таких случаях измерение сопротивления изоляции очень быстро становится постоянным и стабилизируется на высоком значении напряжения.

Изучение изменения значения сопротивления изоляции в зависимости от времени приложения испытательного напряжения дает возможность оценить качество изоляции. Этот метод позволяет сделать выводы, даже если не ведется журнал измерения изоляции. Тем не менее, рекомендуется записывать результаты периодических измерений, проводимых в контексте программы профилактического обслуживания.

Показатель поляризации (PI)

При использовании этого метода два показания снимаются через 1 минуту и 10 минут, соответственно. Отношение (без размерностей) 10-минутного значения сопротивления изоляции к 1-минутному значению называется показателем поляризации (PI). Этот показатель можно использовать для оценки качества изоляции.

Метод измерения с использованием показателя поляризации идеально подходит для тестирования цепей с твердой изоляцией. Данный метод не рекомендуется использовать на таком оборудовании, как масляные трансформаторы, поскольку он дает низкие результаты, даже если изоляция находится в хорошем состоянии.

Рекомендация IEEE 43-2000 «Рекомендуемые методы тестирования сопротивления изоляции вращающихся машин» определяет минимальное значение показателя поляризации (PI) для вращающихся машин переменного и постоянного тока в температурных классах B, F и H равным 2.0. В общем случае значение PI, превышающее 4, является признаком превосходной изоляции, а значение ниже 2 указывает на потенциальную проблему.

PI = R (10-минутное измерение изоляции) / R (1-минутное измерение изоляции)

Результаты интерпретируются следующим образом:

Значение PI (нормы)	Состояние изоляции
<2	Проблемное
От 2 до 4	Хорошее
> 4	Отличное

Коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR)

Для установок или оборудования, содержащих изоляционные материалы, в которых ток поглощения уменьшается быстро, для оценки состояния изоляции, возможно, будет достаточно провести измерение через 30 секунд и 60 секунд. Коэффициент DAR определяется следующим образом:

DAR = R (60-секундное измерение изоляции) / R (30-секундное измерение изоляции)

Результаты интерпретируются следующим образом:

Значение DAR (нормы)	Состояние изоляции
<1,25	Неудовлетворительное
<1,6	Нормальное
>1,6	Отличное

Метод, основанный на влиянии изменения испытательного напряжения (тестирование с помощью ступенчатого напряжения)

Наличие загрязнений (пыль, грязь и т.п.) или влаги на поверхности изоляции обычно четко выявляется с помощью зависящего от времени измерения сопротивления (PI, DAR и т.д.). Однако этот тип тестирования, проводимый с использованием низкого напряжение относительно диэлектрического напряжения испытываемого изолирующего материала, может иногда пропускать признаки старения изоляции или механические повреждения. Значительное же увеличение прикладываемого испытательного напряжения может, со своей стороны, вызвать повреждение в этих слабых точках, что приведет к существенному уменьшению измеренного значения сопротивления изоляции.

Для обеспечения эффективности соотношение между шагами изменения напряжения должно быть 1 к 5, и каждый шаг должен быть одинаковым по времени (обычно от 1 до 10 минут), оставаясь при этом ниже классического напряжения испытания электрической прочности (2Un + 1000 В). Полученные с помощью данного метода результаты полностью независимы от типа изоляции и температуры, потому что он основан не на внутреннем значении измеряемого изолятора, а на эффективном сокращении значения, получаемого по истечении одного и того же времени для двух разных испытательных напряжений.

Снижение значения сопротивления изоляции на 25% или более между первым и вторым шагами измерения является свидетельством ухудшения изоляции, которое обычно связано с наличием загрязнений.

Метод испытания рассеиванием в диэлектрике (DD)

Тест рассеивания в диэлектрике (DD), также известный как измерение тока повторного поглощения, выполняется путем измерения тока рассеивания в диэлектрике на испытуемом оборудовании.

Поскольку все три составляющие тока (ток зарядки емкости, ток поляризации и ток утечки) присутствуют во время стандартного испытания изоляции, на определение тока поляризации или поглощения может влиять наличие тока утечки. Вместо попытки измерить во время тестирования изоляции ток поляризации при тестировании рассеяния в диэлектрике (DD) измеряется ток деполяризации и ток разряда емкости после тестирования изоляции.

Принцип измерения состоит в следующем. Сначала тестируемое оборудование заряжается в течение времени, достаточного для достижения стабильного состояния (зарядка емкости и поляризация завершена, и единственным протекающим током является ток утечки). Затем оборудование разряжается через резистор внутри мегомметра и при этом измеряется протекающий ток. Этот ток состоит из зарядного тока емкости и тока повторного поглощения, которые в совокупности дают общий ток рассеивания в диэлектрике. Данный ток измеряется по истечении стандартного времени в одну минуту. Электрический ток зависит от общей емкости и конечного испытательного напряжения. Значение DD рассчитывается по формуле:

DD = Ток через 1 минуту / (Испытательное напряжение x Емкость)

Тест DD позволяет идентифицировать избыточные токи разряда, когда поврежден или загрязнен один из слоев многослойной изоляции. При точечных испытаниях или тестах PI и DAR подобный дефект можно упустить. При заданном напряжении и емкости ток разряда будет выше, если поврежден один из слоев изоляции. Постоянная времени этого отдельного слоя больше не будет совпадать с другими слоями, что приведет к более высокому значению тока по сравнению с неповрежденной изоляцией. Однородная изоляция будет иметь значение DD, близкое к нулю, а допустимая многослойная изоляция будет иметь значение DD до 2. В приведенной ниже таблице указано состояние в зависимости от полученного значения DD.

DD (нормы)	Состояние
> 7	Очень плохое
От 4 до 7	Плохое
От 2 до 4	Сомнительное
<2	Нормальное

Внимание: Данный метод измерения зависим от температуры, поэтому каждая попытка тестирования должна выполняться при стандартной температуре или, по крайней мере, температура должна фиксироваться вместе с результатом теста.

Тестирование изоляции с высоким сопротивлением: использование гнезда G на мегомметре

При измерении значений сопротивления изоляции (выше 1 ГОм) на точность измерений могут повлиять токи утечки, протекающие по поверхности изоляционного материала через имеющиеся на ней влагу и загрязнения. Значение сопротивления больше не является высоким, и поэтому пренебрежимо малым по сравнению с сопротивлением оцениваемой изоляции. Для устранения снижающей точность измерения изоляции поверхностной утечки тока на некоторых мегомметрах имеется третье гнездо с обозначением G (Guard). Это гнездо шунтирует измерительную цепь и повторно вводит поверхностный ток в одну из точек тестирования, минуя цепь измерения (смотрите рисунок ниже).

При выборе первой схемы, без использования гнезда G, одновременно измеряется ток утечки i и нежелательный поверхностный ток I1, поэтому сопротивление изоляции измеряется неверно.

Однако при выборе второй схемы измеряется только ток утечки i. Подключение к гнезду G позволяет отвести поверхностный ток I1, поэтому измерение сопротивления изоляции проводится правильно.

Гнездо G необходимо соединить с поверхностью, по которой протекают поверхностные токи, и которая не относится к таким изоляторам, как изоляционные материалы кабелей или трансформаторов. Знание возможных путей протекания испытательных токов через тестируемый элемент имеет решающее значение для выбора места соединения с гнездом G.

Нормы испытательного напряжения для кабелей/оборудования

Рабочее напряжение кабеля/оборудования	Нормы испытательного напряжения постоянного тока
От 24 до 50 В	От 50 до 100 В постоянного тока
От 50 до 100 В	От 100 до 250 В постоянного тока
От 100 до 240 В	От 250 до 500 В постоянного тока
От 440 до 550 В	От 500 до 1000 В постоянного тока
2400 В	От 1000 до 2500 В постоянного тока
4100 В	От 1000 до 5000 В постоянного тока
От 5000 до 12 000 В	От 2500 до 5000 В постоянного тока
> 12 000 В	От 5000 до 10 000 В постоянного тока

В приведенной выше таблице показаны рекомендованные нормы испытательного напряжения в соответствии с рабочими напряжениями установок и оборудования (значения взяты из руководства IEEE 43-2000).

Кроме того, эти значения задаются для электрических приборов в самых разнообразных местных и международных стандартах (IEC 60204, IEC 60439, IEC 60598 и т.д.).

Во Франции, например, стандарт NFC15-100 предусматривает значения испытательного напряжения и минимального сопротивления изоляции для электроустановок (500 В постоянного тока и 0,5 МОм при номинальном напряжении от 50 до 500 В).

Однако вам настоятельно рекомендуется обратиться к изготовителю кабеля/оборудования, чтобы узнать их собственные рекомендации по требуемому испытательному напряжению.

Безопасность при тестировании изоляции

Перед тестированием

A. Чтобы испытательное напряжение не было приложено к другому оборудованию, имеющему электрическое соединение с тестируемой цепью, испытание должно проводиться на отключенной, не проводящей электрический ток установке.

B. Убедитесь, что цепь разряжена. Ее можно разрядить, замкнув накоротко выводы оборудования и/или замкнув их на землю на определенное время (смотрите время разряда).

C. Если тестируемое оборудование находится в огнеопасной или взрывоопасной среде, необходима специальная защита, поскольку, если изоляция повреждена, при разряде изоляции (до и после испытания), а также во время тестирования могут возникать искры.

D. Из-за наличия напряжения постоянного тока, величина которого может быть достаточно высокой, рекомендуется ограничить доступ другого персонала и надевать средства индивидуальной защиты (например, защитные перчатки), предназначенные для работы на электрооборудовании.

E. Используйте только те соединительные кабели, которые подходят для проводимого испытания; убедитесь, что кабели находятся в хорошем состоянии. В лучшем случае неподходящие кабели приведут к ошибкам измерения, но гораздо важнее, что они могут быть опасными.

После тестирования

К концу испытания изоляция накапливает значительную энергию, которую необходимо сбросить до выполнения любых других операций. Простое правило безопасности заключается в том, чтобы предоставить оборудованию возможность разряжаться в течение времени, в пять раз превышающего время зарядки (время последнего теста). Для разрядки оборудования можно накоротко замкнуть его выводы и/или соединить их с землей. Все изготовленные компанией Chauvin Arnoux мегомметры оборудованы встроенными цепями разрядки, которые автоматически обеспечивают требуемую безопасность.

Часто задаваемые вопросы

Результат моих измерений – x МОм. Это нормально?

Какое должно быть сопротивление изоляции — на этот вопрос нет единого ответа. Точный ответ на него могут дать производитель оборудования или соответствующие стандарты. Для низковольтных установок минимальным значением можно считать значение 1 МОм. Для установок или оборудования с более высоким рабочим напряжением можно использовать правило, определяющее минимальное значение 1 МОм на кВ, в то время как рекомендации IEEE, касающиеся вращающихся машин, определяют минимальное сопротивление изоляции (n + 1) МОм, где n – рабочее напряжение в кВ.

Какие измерительные провода следует использовать для подключения мегомметра к тестируемой установке?

Используемые на мегомметрах провода должны иметь спецификации, подходящие для выполняемых измерений с точки зрения используемых напряжений или качества изоляционных материалов. Использование несоответствующих измерительных проводов может привести к ошибкам измерения или даже оказаться опасным.

Какие меры предосторожности следует принимать при измерении высокого сопротивления изоляции?

При измерении высоких значений сопротивления изоляции в дополнение к указанным выше правилам безопасности необходимо соблюдать следующие меры предосторожности.

Используйте специальное гнездо G (Guard) (описывается в специальном разделе выше).
Используйте чистые, сухие провода.
Прокладывайте провода на расстоянии друг от друга и без контакта с любыми объектами или с полом. Это позволит ограничить возможность возникновения токов утечки в самой измерительной линии.
Не касайтесь проводов и не перемещайте их во время измерения, чтобы избежать возникновения вызывающих помехи емкостных эффектов.
Для стабилизации измерения выждите необходимое время.

Почему два последовательных измерения не всегда дают одинаковый результат?

Применение высокого напряжения создает электрическое поле, которое поляризует изоляционные материалы. Важно понимать, что для возвращения изоляционных материалов после завершения тестирования в состояние, в котором они находились до испытания, потребуется значительное время. В некоторых случаях на это может потребоваться больше времени, чем указанное выше время разрядки.

Как протестировать изоляцию, если я не могу отключить установку?

Если невозможно отключить питание тестируемой установки или оборудования, мегомметр использовать нельзя. В некоторых случаях можно провести тестирование без снятия напряжения, используя для измерения тока утечки специальные клещи, но этот метод гораздо менее точен.

Как выбрать измеритель сопротивления изоляции (мегомметр)?

При выборе измерителя сопротивления изоляции необходимо задать следующие ключевые вопросы:

Какое максимальное испытательное напряжение необходимо?
Какие методы измерения будут использоваться (точечные измерения, PI, DAR, DD, ступенчатое изменение напряжения)?
Какое максимальное значение сопротивления изоляции будет измеряться?
Как будет подаваться питание на мегомметр?
Каковы возможности хранения результатов измерений?

Примеры измерений сопротивления изоляции

Измерение изоляции на электрической установке, электрооборудовании

Измерение изоляции на вращающейся машине (электродвигатель)

Измерение изоляции на электроинструменте

Измерение изоляции на трансформаторе

Измерение сопротивления изоляции трансформатора производят следующим образом:

a. Между высоковольтной обмоткой и низковольтной обмоткой и землей

b. Между низковольтной обмоткой и высоковольтной обмоткой и землей

c. Между высоковольтной обмоткой и низковольтной обмоткой

d. Между высоковольтной обмоткой и землей

e. Между низковольтной обмоткой и землей

Выбираем приборы

Посмотреть приборы для проверки изоляции высоковольтных кабелей.

как уменьшить постоянное напряжение с помощью резисторов?

как уменьшить постоянное напряжение с помощью резисторов? — Обмен электротехнического стека

Сеть обмена стеков

Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

0
+0
Авторизоваться Подписаться

Electrical Engineering Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для профессионалов в области электроники и электротехники, студентов и энтузиастов.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил 8 лет, 1 месяц назад

Просмотрено 417k раз

\ $ \ begingroup \ $

Как можно использовать источник питания 12 В постоянного тока для питания чего-то, что требует 4?5 В постоянного тока с использованием резисторов? Есть ли способ определить, насколько добавление резистора снизит напряжение?

Создан 10 июл.

Джон Джон

42711 золотой знак44 серебряных знака66 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ \ $ \ begingroup \ $

Короткий ответ: «не делай этого.«

Напряжение, падающее на резисторе, определяется законом Ома: V = I R.

Итак, если вы точно знаете, какой ток будет потреблять ваше устройство, вы можете выбрать резистор, который будет понижать ровно 7,5 В, и оставить 4,5 В для вашего устройства, когда этот ток будет проходить через него. Но если ток через ваше устройство меняется, или если вы хотите создать более одной системы, и не все устройства точно одинаковы по потребляемому току, вы не сможете постоянно получать 4,5 В на устройстве, используя только резистор.

Ваши другие варианты включают

Линейный регулятор. По сути, это переменный резистор, который будет регулировать его значение, чтобы выходной сигнал оставался там, где вы хотите. Это, вероятно, хорошее решение только в том случае, если ваше устройство потребляет очень мало энергии (возможно, до 100 мА).
Шунтирующий регулятор. Это означает использование резистора для понижения напряжения, как вы предлагаете, но затем добавление дополнительного устройства параллельно с нагрузкой для управления напряжением. Шунтирующий регулятор будет регулировать свой ток (в определенных пределах), чтобы ток через резистор оставался правильным, чтобы поддерживать желаемое выходное напряжение.
Импульсный регулятор. При этом используются некоторые уловки для создания желаемого выходного напряжения с гораздо большей энергоэффективностью, чем у линейного регулятора. Это, вероятно, лучший выбор, если вашему устройству требуется ток более 10 или 20 мА.

Создан 10 июл.

ФотонФотон

11k 33 золотых знака

\ $ \ endgroup \ $ 3 \ $ \ begingroup \ $

Если эти условия соблюдены, вы можете уменьшить напряжение постоянного тока с помощью резисторов (мощных алюминиевых) [> 50 Вт]

Вашей батареи достаточно, чтобы обеспечить как минимум 20-кратный (или намного больше) ток для вашей нагрузки.
Потеря мощности не проблема.
(Перегрев) Нагрев не является проблемой или наличие хорошего механизма охлаждения для резисторов.
Даже самое низкое сопротивление вашей нагрузки намного (в 20 раз и более) выше, чем сопротивление алюминия.

Примечание: 20x — это всего лишь искусственное число, фактическое число зависит от того, сколько% колебаний напряжения может выдержать ваша нагрузка.

Создан 19 дек.

электро103электро103

54411 золотых знаков77 серебряных знаков1717 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ \ $ \ begingroup \ $

Можно использовать два резистора, как объяснил @ efox29, только единственная проблема с этой конфигурацией — ток, проходящий через нагрузку, подключение нагрузки изменит выходное напряжение, потому что через нагрузку будет протекать некоторый ток.

Самым простым решением является повторитель напряжения , подключенный к выходу двух резисторов, это обеспечит высокий входной импеданс и, следовательно:

выходное напряжение будет постоянным 4,5 В
операционный усилитель, используемый в качестве повторителя напряжения, постарается обеспечить столько же ток в зависимости от нагрузки.

Вот изображение того, о чем я говорю:

Подключите выход между двумя резисторами к Vin в этой конфигурации, и тогда на выходе должно быть постоянное значение, и операционный усилитель будет обеспечивать нагрузку требуемым током.

Бенце Каулис

6,1621212 золотых знаков3030 серебряных знаков5555 бронзовых знаков

Создан 29 июл.

Сабир МогладСабир Моглад

43033 серебряных знака1919 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 2 \ $ \ begingroup \ $

Просто возьмите 7805 с рынка и соедините контакт номер 1 с плюсом, соедините контакт 2 с минусом и возьмите выходной сигнал с плюса с контакта номер 3 и отрицательного с контакта номер 2, соблюдая расстояние до выходного провода 1.5 метров от выходной клеммы питания до нагрузки.

Скачок напряжения ♦

59.1k2929 золотых знаков6262 серебряных знака162162 бронзовых знака

Создан 02 фев.

\ $ \ endgroup \ $ 1 \ $ \ begingroup \ $

Посмотрите на схему electro103 выше.Вам нужно знать четыре числа: максимальный ток, который может потреблять ваше устройство, минимальный ток, который оно потребляет, максимальное напряжение, которое оно может выдержать, не превращаясь в пахнущее облако, и минимальное напряжение, необходимое для работы. Без этих четырех чисел невозможно разработать резистивный делитель напряжения.

Обратите внимание, что такое расположение очень неэффективно и может привести к большому нагреву в резисторах сброса напряжения.

Создан 06 июл.

Ричард1941Ричард1941

50122 серебряных знака66 бронзовых знаков

\ $ \ endgroup \ $ 2 Очень активный вопрос .Заработайте 10 репутации (не считая бонуса ассоциации), чтобы ответить на этот вопрос. Требование репутации помогает защитить этот вопрос от спама и отсутствия ответов. Электротехнический стек Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie Настроить параметры

Снижение напряжения с помощью резисторов — Обмен электротехнического стека

Есть несколько способов получить 5 В от источника 12 В.У каждого есть свои преимущества и недостатки, поэтому я составил 5 основных схем, чтобы показать их плюсы и минусы.

Цепь 1 представляет собой простой последовательный резистор, точно такой же, как тот, о котором вам рассказывали «некоторые».

Работает, НО работает только при одном значении тока нагрузки и расходует большую часть подаваемой мощности. Если значение нагрузки изменится, изменится и напряжение, так как регулирования нет. Однако он выдержит короткое замыкание на выходе и защитит источник 12 В от короткого замыкания.

Цепь 2 представляет собой последовательный стабилитрон (или вы можете использовать ряд обычных диодов, последовательно включенных для компенсации падения напряжения, например, 12 кремниевых диодов)

Работает, НО большую часть мощности рассеивает стабилитрон. Не очень эффективно! С другой стороны, это дает некоторую степень регулирования при изменении нагрузки. Однако, если вы закоротите выход, волшебный синий дым вырвется из стабилитрона … Такое короткое замыкание может также повредить источник 12 В после разрушения стабилитрона.

Схема 3 — это последовательный транзистор (или эмиттерный повторитель) — показан переходной транзистор, но аналогичная версия может быть построена с использованием полевого МОП-транзистора в качестве истокового повторителя.

Работает, НО большая часть мощности должна рассеиваться транзистором, и он не защищен от короткого замыкания. Как и в схеме 2, вы можете повредить источник 12 В. С другой стороны, регулирование будет улучшено (из-за эффекта усиления тока транзистора).Стабилитрон больше не должен принимать ток полной нагрузки, поэтому можно использовать гораздо более дешевый / меньший / маломощный стабилитрон или другое устройство опорного напряжения. Эта схема на самом деле менее эффективна, чем схемы 1 и 2, потому что для стабилитрона и связанного с ним резистора требуется дополнительный ток.

Контур 4 — трехконтактный регулятор (IN-COM-OUT). Это может быть выделенная ИС (например, 7805) или дискретная схема, построенная из операционных усилителей / транзисторов и т. Д.

Работает, НО устройство (или цепь) должно рассеивать больше мощности, чем подается на нагрузку.Это даже более неэффективно, чем схемы 1 и 2, потому что дополнительная электроника потребляет дополнительный ток. С другой стороны, он выдержит короткое замыкание и, следовательно, является усовершенствованием схем 2 и 3. Он также ограничивает максимальный ток, который может потребоваться в условиях короткого замыкания, защищая источник 12 В.

Цепь 5 представляет собой понижающий стабилизатор (импульсный регулятор постоянного / постоянного тока).

Работает, НО вывод может быть немного резким из-за высокочастотной коммутации устройства.Однако он очень эффективен, поскольку использует накопленную энергию (в катушке индуктивности и конденсаторе) для преобразования напряжения. Имеет разумную регулировку напряжения и ограничение выходного тока. Он выдержит короткое замыкание и защитит аккумулятор.

Все эти 5 цепей работают (т.е. все они вырабатывают 5 В на нагрузке), и все они имеют свои плюсы и минусы. Некоторые работают лучше других с точки зрения защиты, регулирования и эффективности. Как и большинство инженерных задач, это компромисс между простотой, стоимостью, эффективностью, надежностью и т. Д.

Что касается «постоянного тока» — не может иметь фиксированного (постоянного) напряжения и постоянного тока с переменной нагрузкой . Приходится выбирать — постоянное напряжение ИЛИ постоянный ток . Если вы выберете постоянное напряжение, вы можете добавить какую-либо схему к , чтобы ограничить максимальный ток до безопасного максимального значения — например, в схемах 4 и 5.

Сопротивление провода — Обмен электротехнического стека

Иногда сопротивление провода незначительно.В других случаях влияние сопротивления провода может стать значительным. Сначала я покажу сопротивление провода и то, как его можно игнорировать в большинстве случаев, а затем покажу примеры, когда его влияние является значительным, и, наконец, несколько приложений.

Сопротивление провода

В идеале формула сопротивления проводника …

$$ R = \ rho \ frac {L} {A} $$

Учитывая площадь поперечного сечения (A), длину (L) и удельное сопротивление (\ $ \ rho \ $) материала. Для меди \ $ \ rho = 1.{−8} \ Omega \ cdot \ text {m} \ $ при 20 ° C. Формула дает \ $ R \ приблизительно 0,0164 \ Omega \ $.

Пример : Какое сопротивление 5 см медного провода AWG-24 (диаметром 0,511 мм)?

Ответ: \ $ R \ приблизительно 0,004 \ Omega \ $.

Замечание 1: Как видим, сопротивление проволоки тем ниже, чем больше толщина проволоки. В частности, когда диаметр цилиндрической проволоки увеличивается вдвое, ее сопротивление уменьшается до одной четвертой от исходного. Таким образом, калибр проволоки — это не только показатель ее формы.Это действительно показатель его электрических свойств, когда указаны его материал (почти всегда медь) и длина.
Примечание 2: Количественный расчет сопротивления проводов не всегда выполняется. Иногда используются практические правила. Часто вопрос заключается только в том, «достаточно ли толстый провод», а не «сколько сопротивления / падения напряжения / повышения температуры у этого провода». С другой стороны, первый шаг — провести количественный анализ провода, зная его калибр. Не говоря уже о том, что провода продаются по калибру, поэтому люди чаще говорят о «толщине провода» (или «ширине дорожки» в конструкции печатной платы), чем о сопротивлении провода.

На печатной плате сопротивление дорожек можно рассчитать аналогичным образом, исходя из толщины меди и длины дорожки. Единственное отличие: провода цилиндрические, а следы прямоугольные.

Пример : Каково сопротивление дорожки размером 10 мил и 10 см на печатной плате весом в 1 унцию?
Ответ: 1 мил составляет тысячную долю дюйма (0,0254 мм). «Печатная плата весом в 1 унцию» — это монтажная плата с содержанием меди в 1 унцию на квадратный фут, или толщиной 1 унцию.2} = 0,19 \ Omega \
$

Когда сопротивление можно игнорировать

В большинстве случаев сопротивление провода слишком низкое, если сравнивать его с сопротивлением других компонентов и нагрузок, поэтому его можно пренебречь, и часто его можно игнорировать. Кроме того, \ $ V = IR \ $, чем ниже ток, который должна принимать нагрузка, тем выше эквивалентное сопротивление, поэтому вы также игнорируете сопротивление провода, если ток, передаваемый по проводам, низкий, потому что это эквивалентно подключению небольшого резистор (провод) к большому резистору (устройству, принимающему ток) — почти никакого эффекта.

Например, подключите два резистора 1000 Ом медным проводом AWG-30 длиной 5 см (тонкий провод диаметром 0,255 мм). Если мы измеряем фактическое сопротивление между двумя резисторами с помощью идеального омметра с идеальными пробниками, что бы это было?

Чтобы рассчитать его влияние, использование приведенной выше формулы для сопротивления цилиндрического провода часто является пустой тратой времени; в качестве альтернативы мы можем найти сопротивление провода AWG-30 на единицу длины из инженерной таблицы в Википедии, в ней указано, что сопротивление составляет «338 .6 мОм / м «. Другими словами, дополнительное сопротивление, вносимое проводом, равно \ $ 0,3386 \ Omega \ times 0,05 \ text {m} = 0,01693 \ Omega \ $. В идеале сопротивление должно быть 2000 Ом, но из-за наличие провода, измеренное сопротивление составляет 2000,01693 Ом, оно меньше, чем на 10 частей на миллион выше, почти не обнаруживается.

Примечание 3: В неточных приложениях обычно используемым типом сквозного резистора является металлопленочный резистор, допуск 5%, с температурным коэффициентом около 50-100 ppm на каждый рост температуры на 1 ° C — ошибка вносимый малейшим изменением температуры все еще выше, чем у вашего провода в этом примере.
Примечание 4. Даже для лучшего универсального мультиметра, такого как Fluke 87, максимальное разрешение измерения сопротивления составляет 0,1 Ом, поэтому даже измерение сопротивления провода 0,01693 Ом затруднено.

Другим примером является макетная плата микроконтроллера, для работы которой может потребоваться источник постоянного тока 5 В и ток 50 мА. Если вы используете пять метров AWG-30 для подключения питания (положительный электрод) и заземления (отрицательный электрод), общее сопротивление составит \ $ 0.3386 \ Omega \ times 5 \ text {m} \ times 2 = 3.386 \ Omega \ $. Общее падение напряжения на 5-метровом проводе питания и 5-метровом проводе заземления составляет \ $ 3.386 \ Omega \ times 0,05 \ text {A} = 0,1693 \ text {V} \ $. Фактическое напряжение, подаваемое на плату микроконтроллера, составляет \ $ 5 \ text {V} — 0,1693 \ text {V} = 4.8307 \ text {V} \ $, или 96,6% от исходного напряжения.

Примечание 5: Обычное отклонение напряжения для цифровой электроники составляет +/- 5%.

Если сам источник питания исправен, падение, вызванное проводом, все еще находится в пределах нормы.Не забывайте, что я использовал здесь экстремальный пример: 10 метров очень длинных и тонких проводов, что не совсем реалистично для большинства экспериментов с электроникой.

Как видите, при использовании проводов для межсоединений часто можно игнорировать сопротивление проводов, и, вероятно, вы никогда не увидите упоминания о сопротивлении проводов в схемах. Аналогичная ситуация возникает, когда вы подключаете кабель через розетку, разъем или зажим — вы также добавите дополнительное контактное сопротивление, но обычно оно незначительно.

Примечание 6: В промышленности допустимое контактное сопротивление, создаваемое соединителем, часто составляет 1 Ом. Для высококачественного разъема иногда указывается контактное сопротивление 0,1 Ом.

Когда следует учитывать сопротивление провода

Но по мере того, как ток, протекающий по проводу, увеличивается до определенной точки, вы больше не можете игнорировать дополнительное сопротивление от провода. {2} R \ $.Это представляет собой потраченную впустую мощность. Если сопротивление провода на единицу длины слишком велико, провод не может достаточно быстро рассеивать тепло. Температура повысится до точки, когда проволока станет слишком горячей и оплавится, что создаст опасность возгорания.

Распределительное устройство постоянного тока низкого напряжения

Типичный пример — питание через порт USB. Номинальное напряжение USB составляет 5 В, стандартно регулируется на +/- 5%. USB 2.0 позволяет устройству с низким энергопотреблением потреблять 100 мА, в то время как устройство с высоким уровнем мощности может получать ток 500 мА.Если использовать USB в качестве источника питания для зарядного устройства, требования по току еще выше, обычно 2000 мА.

Допустим, у нас есть 1-метровый USB-кабель сомнительного качества, в котором используются два провода AWG-28 (диаметром 0,361 мм) для питания и заземления. Его сопротивление составляет 0,42 Ом, при пропускании тока 500 мА мы теряем 0,21 В из-за кабеля. Чтобы усложнить ситуацию, поскольку мощность USB регулируется на +/- 5%, самое низкое допустимое напряжение фактически составляет 4,75 В, полученное напряжение на другом конце кабеля может составлять всего 4.54 В — погрешность уже намного больше 5%.

Чтобы решить эту проблему, в стандарте USB 2.0 предусмотрен дополнительный бюджет падения напряжения для кабелей.

Максимальное падение напряжения (для съемных кабелей) между вилкой серии A и вилкой серии B на VBUS составляет 125 мВ (VBUSD).
Максимальное падение напряжения для всех кабелей между входом и выходом на GND составляет 125 мВ (VGNDD).
Функции, рисующие более одной единичной нагрузки, должны работать с 4.Минимальное входное напряжение 75 В на соединительном конце их входных кабелей.
— Версия 2.0 спецификации универсальной последовательной шины

Другими словами, для любого совместимого со стандартом устройства USB 2.0 высокой мощности производитель этого устройства USB должен либо поставлять продукт с лучшим кабелем с меньшим падением напряжения, либо должен спроектировать устройство для работы при напряжении до 4,5 В. любыми необходимыми средствами.

В данном случае наш аппарат сработал.Через несколько дней кто-нибудь найдет этот USB-кабель и подключит его к настенному USB-адаптеру, чтобы зарядить смартфон до 2000 мА. Теперь падение напряжения на кабеле составит 0,84 В, при этом для смартфона доступно максимум 4,16 В. Кабель либо вообще не работает, либо заряжает смартфон крайне медленно.

Замечание 7: Часто на практике некоторые USB-зарядные устройства намеренно регулируют USB до 5,25 В, чтобы допустить большее падение напряжения на кабелях, даже если это строго нарушает стандарт USB (Обновление: это больше не так с 2014 г., USB 2.0 Максимальный предел VBUS Уведомление о технических изменениях увеличило максимальное напряжение до 5,5 В для всех USB-устройств, мотивация состоит в том, чтобы позволить новым кабелям USB-C пропускать более высокий ток. Видите ли, проблемы с падением напряжения могут даже привести к изменению спецификации USB).

Дистанционное зондирование

Отвод кабеля также является проблемой в конструкции регулятора напряжения. В то время как легко использовать регулируемую микросхему регулятора, чтобы сделать источник питания и отрегулировать его до +/- 2% или даже ниже. К сожалению, как и в предыдущем примере с USB, регулирование происходит только на выходном контакте регулятора, а не на нагрузке.

_{Источник: дистанционное зондирование важно для вашего источника питания, компания Keysight, добросовестное использование.}

Дополнительное сопротивление провода снижает точность регулятора напряжения, особенно когда нагрузка находится далеко от него или когда ток большой. Как правило, следует проявлять особую осторожность при прокладке выходных дорожек для регулятора: делайте их как можно короче на печатной плате.

Но эту ошибку невозможно полностью устранить, особенно когда разработчик не может контролировать, есть ли между ними длинный кабель.Когда критически важно точно регулировать напряжение на нагрузке, для решения проблемы можно использовать метод, называемый «дистанционное зондирование». Основная идея — добавить два дополнительных провода для «контроля» «реального» напряжения на другой стороне. Если регулятор видит напряжение ниже ожидаемого, он еще больше увеличит свое напряжение, чтобы преодолеть падение.

Провода дистанционного зондирования на + s и -s могут иметь такое же сопротивление, что и провода питания (той же толщины), но на них не влияет падение напряжения.Это правда, даже если у них гораздо большее сопротивление (тонкие провода).

Один из способов подумать об этом — это учесть тот факт, что через силовые провода проходит большой ток, вызывая падение \ $ 10 А \ раз 0,015 \ раз 2 = 0,3 В \ $, но чувствительные провода здесь только для передачи слабый сигнал — через измерительный провод проходит небольшой ток, поэтому падение напряжения на кабеле практически отсутствует.

Другой способ — считать, что входное сопротивление эквивалентно плюсам и минусам чувствительного входа.В идеале его входное сопротивление должно быть бесконечным (т.е. ток не поступает, идеальный вольтметр, как будто ничего не подключено). На практике сопротивление в 1 мегаом (1 МОм, 1 миллион Ом) является реалистичным ожиданием. Таким образом, эквивалентная схема представляет собой небольшой резистор (провода), соединенный последовательно с огромным резистором (вход датчика регулятора).

Например, на этой схеме, хотя чувствительные провода имеют общее сопротивление 200 Ом, но входное сопротивление чувствительного элемента составляет 1 МОм, что на много порядков выше.Напряжение на входе датчика составляет

Ом.

$$ V_ \ text {sensed} = 5 \ text {V} \ times \ frac {1,000,000} {1,000,000 + 200} $$

Падение напряжения существует, но оно составляет всего 0,02%, в то время как 99,98% напряжения с удаленной стороны измеряется чувствительным входом регулятора.

Измерение сопротивления для четырехпроводной сети

Иногда необходимо измерить сопротивление очень маленького резистора (менее 1 Ом) с помощью омметра. Сопротивление проводов, соединяющих измерительные щупы и омметр, становится значительным.Одним из решений является короткое замыкание измерительных щупов перед выполнением измерения — обнуление ошибки. Но это требует дополнительного шага, а также вносит дополнительный источник возможной ошибки: давление, приложенное между датчиками, может повлиять на сопротивление, используемое для калибровки.

Распространенным методом решения проблемы является четырехпроводное измерение сопротивления или измерение Кельвина.

Мы можем рассматривать выходные контакты омметра как источник тока, а вольтметр — как источник тока поддерживает свое выходное напряжение на любом уровне, необходимом для определенного тока.Затем вольтметром измеряется выходное напряжение источника тока. Известны как ток, так и напряжение, поэтому определяется сопротивление. {2} R \ $ не превышает максимального предела, в противном случае резистор будет перегреваться.

Если это проволока, она может стать опасно горячей и оплавиться, что может привести к возгоранию. Чтобы узнать максимально допустимый ток, пропускаемый по проводу, сначала рассчитывается рассеиваемая мощность в проводе, затем определяется поток тепла — какова температура окружающей среды, разные материалы имеют разную теплопроводность и т. Д. Наконец, определяют максимальную рабочую температуру и используют ее для расчета максимально допустимого тока, и, наконец, включают коэффициент безопасности.

Фактический расчет довольно сложен, и он также должен соответствовать Электротехническому кодексу с одобрения регулирующих органов. Вместо того, чтобы рассчитывать это с нуля, используется инженерная таблица. Опять же, таблица в Википедии является справочной.

Например, при температуре окружающей среды 20 ° C одиночный неограниченный провод AWG-30 в корпусе устройства не может выдерживать ток более 0,52 А, чтобы поддерживать его рабочую температуру ниже 60 ° C.

Примечание 8: Если вы разрабатываете продукт, вы должны использовать надежное руководство с инженерными таблицами, рассчитанными в соответствии со стандартами вашего местного регулирующего органа.

Текущую способность дорожек на печатной плате можно определить, обратившись к технической таблице или программе расчета.

Применение: Резистор с проволочной обмоткой

Сопротивление провода — не всегда неприятность, у него есть полезные применения. Резистор с проволочной обмоткой — это тип резистора, который изготавливается путем наматывания на сердечник металлической проволоки, обычно из нихрома из-за ее удельного сопротивления.

_{Источник: Резистор с проволочной обмоткой, ResistorGuide, добросовестное использование.}

Имеет ряд преимуществ.

Изготовить высокоточные резисторы несложно, поскольку их сопротивление пропорционально длине провода.
Из проволоки большого диаметра легко сделать резисторы большой мощности.

Следует отметить, что резистор с проволочной обмоткой имеет ту же форму, что и индуктор, поэтому он имеет самую высокую индуктивность среди всех типов резисторов. Его следует использовать только в цепи постоянного тока и, возможно, в цепи звуковой частоты, но она не подходит для каких-либо цепей переменного тока с более высокой частотой.

Применение: Шунтирующий резистор

Иногда полезно падение напряжения из-за сопротивления провода. Самый простой способ измерения тока — это последовательно подключить маломощный шунтирующий резистор и измерить падение напряжения на нем, поскольку \ $ I = \ frac {V} {R} \ $.

Использование резистора большого номинала предотвращает подачу достаточного тока в тестируемую цепь, желательно сделать сопротивление шунта как можно более низким. По-прежнему будет падение напряжения, которое в мультиметре называется напряжением нагрузки , но достаточно низким, чтобы быть приемлемым.

Если вы откроете мультиметр, вы найдете шунтирующий резистор, похожий на этот рисунок. Как видите, это просто прославленный кусок проволоки.

_{Источник: Открытый резистор — датчик тока металлического элемента, TT Electronics, добросовестное использование.}

Если высокая точность не требуется, вы можете сделать свободный шунтирующий резистор, нарисовав дорожку на печатной плате — провод (дорожка) сам по себе является вашим шунтирующим резистором.

_{Источник: низкоомный шунтирующий резистор непосредственно на медном слое печатной платы, добросовестное использование}

Сопротивление

— Могу ли я использовать резистор для замедления двигателя постоянного тока?

Использование шестерен всегда лучше, потому что это метод, который обеспечивает максимальный процент мощности двигателя.Поскольку мощность — это крутящий момент, умноженный на скорость, сохранение большей части мощности двигателя увеличивает крутящий момент при одновременном снижении скорости.

На втором месте стоит широтно-импульсная или амплитудно-импульсная модуляция. Это может сохранить максимальный крутящий момент при одновременном снижении рабочей скорости и мощности. Лучший способ поддерживать крутящий момент — это иметь внутренний контур управления, который регулирует крутящий момент путем регулирования тока. Внешний контур управления регулирует скорость и обеспечивает текущее задание.Поскольку используется импульсный стабилизатор, потери мощности меньше, чем при использовании линейного управления или последовательного сопротивления.

Разумеется, можно использовать последовательный резистор. Это может быть переменное сопротивление (реостат) или один или несколько постоянных резисторов. При использовании последовательного резистора потери мощности прямо пропорциональны процентному снижению скорости. Поскольку нет контроля тока, добавление сопротивления увеличивает изменение скорости в результате любого изменения нагрузки. Изменение скорости из-за изменения нагрузки увеличивается пропорционально уменьшению скорости.Также существует изменение скорости, вызванное изменением сопротивления из-за изменения температуры резистора.

Дополнительные соображения

Если требуется не только «замедление», но и регулируемая скорость, лучше всего выбрать передачу для надлежащей максимальной скорости, а затем использовать электронное управление для обеспечения изменения. Большие двигатели постоянного тока редко используются для работы с фиксированной скоростью, но электронное управление или последовательное сопротивление могут потребоваться только для запуска более мощного двигателя постоянного тока, чтобы избежать чрезмерного пускового тока.

Для очень маленьких двигателей постоянного тока последовательное сопротивление может быть вполне достаточным в некоторых ситуациях в зависимости от различных факторов, таких как источник питания, рабочий цикл, анализ затрат, максимальное снижение скорости, стабильность нагрузки и т. Д.

О формуле резистора для понижения напряжения

Резисторы

в основном используются для ограничения тока в цепи, но они также действуют для уменьшения входного напряжения. В такой емкости они принимают входное напряжение и делят его на два или более выходных напряжения, пропорциональных сопротивлению.По этой причине резисторы также называют делителями напряжения.

Стратегия

Резистор — это электрический компонент, ток I которого пропорционален напряжению V. Константа пропорциональности R — сопротивление. Линейный резистор подчиняется закону Ома V = IR.

Резисторы добавляются в цепи последовательно или параллельно. В схемах делителя напряжения они соединены друг с другом последовательно. Резисторы образуют последовательную цепь, когда они размещаются рядом друг с другом.Все они имеют одинаковый ток, но входное напряжение делится между ними в зависимости от значения каждого отдельного сопротивления. Таким образом, схема функционирует как редуктор напряжения, если выходное напряжение используется как вход для другой схемы или устройства.

Чтобы спроектировать делитель напряжения, вы должны иметь представление о величине напряжения, до которого необходимо уменьшить источник питания. Как только вы это узнаете, используйте формулу делителя напряжения, чтобы спроектировать соответствующую последовательную цепь.

Формула делителя напряжения

Для последовательной цепи с двумя резисторами Vin = V1 + V2.Общее сопротивление определяется путем непосредственного сложения каждого резистора. Ток I одинаков для каждого из них. Подстановка Vin на закон Ома дает Vin = IR1 + IR2 = I * (R1 + R2). Следовательно, I = Vin / (R1 + R2).

Объединение закона Ома с уравнением для I выше дает Vout = V2 = IR2 = (Vin / (R1 + R2)) _ R2. Следовательно, Vout = R2_Vin / (R1 + R2). Vout — это формула резистора для понижения напряжения, более известная как формула делителя напряжения.

Пример 1

Два резистора включены последовательно, с R1 = 10 Ом и R2 = 100 Ом.Они прикреплены к 1,5-вольтовой батарее. Чтобы найти выходное напряжение, используйте Vout = (100 Ом) (1,5 В) / (10 Ом + 100 Ом) = 1,3 В. Проверьте схему, собрав ее и используя мультиметр для измерения выходного напряжения.

Пример 2

Вам дается 9-вольтовая батарея, и вам нужно, чтобы на выходе было примерно 6 вольт. Предположим, R1 составляет 330 Ом. Используйте уравнение делителя напряжения, чтобы узнать, каким должен быть R2. Используя формулу для Vout, R2 должно быть около 825 Ом.Если не удается найти 825–800 Ом и точность не требуется, замените резистор на 10–20% от необходимого значения.

Советы

Воспользуйтесь онлайн-калькулятором сопротивления, чтобы найти значения резисторов для цепи делителя напряжения. Все резисторы, включенные последовательно друг с другом, имеют одинаковый ток, но делят входное напряжение. Потренируйтесь соединить три или четыре резистора вместе, а затем с помощью мультиметра измерить напряжение на каждом из них.

Снижает ли резистор напряжение или ток?

Резистор играет важную роль в мире электричества и электроники, и его можно найти в каждой цепи.

Это пассивный компонент, основная задача которого — обеспечение «сопротивления» в цепи, отсюда и название резистора.

Но снижает ли резистор напряжение или ток? Резистор имеет способность уменьшать напряжение и ток при использовании в цепи. Основная функция резистора — ограничивать ток. Закон Ома гласит, что увеличение номинала резистора приведет к уменьшению тока.

Для снижения напряжения резисторы устанавливаются в конфигурации, известной как «делитель напряжения».Кроме того, с каждым компонентом в цепи резистор понижает напряжение на его выводах.

Ниже я объясню закон Ома и то, как резистор снижает ток и напряжение.

Как резистор снижает ток

Основная функция резистора заключается в ограничении или противодействии протеканию тока в цепи путем обеспечения «сопротивления».

Лучшая аналогия для этого — садовый шланг, по которому течет вода. Вода представляет собой течение.

Если вы случайно сжали садовый шланг, вы окажете «сопротивление» и ограничите поток воды.Чем сильнее вы его сжимаете, тем меньше воды может течь.

Вы сжимаете садовый шланг — это резистор, который делает то же самое в цепи.

Как устроен резистор, уменьшающий ток

Резистор снижает ток в основном за счет его физической конструкции и материалов, используемых внутри.

Существует множество различных типов резисторов, каждый из которых сконструирован определенным образом. Ниже приведены некоторые распространенные типы резисторов:

Углерод — этот тип резистора известен как резистор из углеродного состава (CCR).Внутри этого резистора находится твердый цилиндрический резистивный элемент, который представляет собой смесь мелкодисперсного порошка углерода и изоляционного материала. Увеличение количества углерода снижает сопротивление, поскольку углерод является хорошим проводником.

Карбоновая куча — В этом виде резистора используются наборы дисков, которые сделаны из углерода для уменьшения / противодействия току. Эти диски уплотнены внутри корпуса резистора между двумя металлическими пластинами.

Углеродная пленка — Углеродная пленка помещается на изолирующий материал с вырезанной в ней спиралью для создания длинного узкого пути, уменьшающего ток.Варьируя форму и размер, можно получить ряд значений сопротивления.

Металлическая пленка — Многие сквозные резисторы сделаны из металлопленки. Они покрыты хромоникелем (NiCr).

Оксид металла — Эти типы резисторов изготовлены из оксидов металлов, что позволяет резистору выдерживать гораздо более высокие температуры.

Проволочная обмотка — Этот резистор снижает ток за счет использования металлической проволоки, намотанной в катушку. Используемый металл обычно представляет собой нихром, намотанный на сердечник из керамики, пластика или стекловолокна.

Закон Ома, который определяет, как резистор снижает ток

Чтобы правильно понять взаимосвязь между током, сопротивлением и напряжением, нам нужно узнать о законе Ома.

Этот закон был разработан Георгом Симоном Омом в 1827 году.

Не вдаваясь в подробности, он обнаружил, что количество электрического заряда, проходящего через металлический проводник в цепи, прямо пропорционально напряжению на нем, что можно резюмировать. уравнением, показанным ниже.

Если мы изменим формулу, мы получим сопротивление, которое равно делению напряжения на ток.

Теперь вы можете видеть, что зависимость между сопротивлением и током обратно пропорциональна.

Увеличение номинала резисторов приведет к уменьшению тока, тем самым уменьшив его, в то время как уменьшение сопротивления вызовет увеличение тока.

Как резистор может снизить напряжение?

Теперь, когда мы знаем, как резистор снижает ток, мы можем посмотреть, как он снижает напряжение.

Существует несколько распространенных способов уменьшения напряжения резистором, в том числе падение напряжения на его выводах и делитель напряжения.

Первый способ, которым резистор снижает напряжение:

Падение напряжения на его выводах

В области электроники падение напряжения происходит в каждом компоненте, имеющем сопротивление. Падение напряжения на компоненте регулируется законом Ома.

Например, представьте, что у нас есть простая схема, состоящая из напряжения питания и лампы.

Здесь Лампа имеет сопротивление 10 Ом (из-за того, что все в цепи имеет определенное сопротивление).

Поскольку нам известны значения напряжения и сопротивления, мы можем рассчитать ток, используя закон Ома (I = V / R), который дает нам ток 1,2 ампера.

Итак, ток 1,2 А будет течь через лампу и питать ее. Если мы возьмем ток (1,2 А) и умножим его на сопротивление лампы (10 Ом), снова используя закон Ома (V = IR), мы получим напряжение 12 вольт.

Следовательно, на лампе падение напряжения составляет 12 В.

Теперь мы знаем, как рассчитать падение напряжения, мы можем взглянуть, как эта теория применяется к резистору для уменьшения напряжения.

Если мы заменим указанную выше лампу резистором с эквивалентным сопротивлением (10 Ом), мы все равно получим такое же значение падения напряжения на нем.

Теперь мы добавим второй резистор (R2 с сопротивлением 5 Ом) последовательно с резистором 10 Ом (R1).

Как и в примере с лампой, нам нужно найти значение тока, протекающего по цепи.

На этот раз полное сопротивление складывается из двух резисторов; R1 (10 Ом) + R2 (5 Ом), что дает нам общее сопротивление RT = 15 Ом.

Теперь, используя закон Ома (I = V / RT), мы получаем ток 0,8 ампер.

Это тот же ток, который проходит через оба резистора. Таким образом, мы можем рассчитать падение напряжения на каждом резисторе, который дает нам;

R1 Падение напряжения = 0.8 x 10 = 8 вольт

R2 Падение напряжения = 0,8 X 5 = 4 вольт.

Используя закон Ома, мы можем определить, сколько напряжения резистор снижает, понижая напряжение на нем, если нам известны напряжение питания и полное сопротивление.

Падение напряжения на определенном сопротивлении зависит от тока и величины сопротивления резистора.

Резистор второго типа снижает напряжение:

Делитель напряжения

Второй способ использования резистора для понижения напряжения — это использование делителя напряжения.В делителе напряжения используются два резистора в конфигурации, показанной ниже.

Выходное напряжение на Vout _{определяется Vin, а также значениями двух резисторов (R1 и R2). Приведенная ниже формула используется для расчета выходного напряжения.}

Так, например, если Vin составляет 5 вольт, R1 составляет 10 Ом, а R2 также составляет 10 Ом, если мы воспользуемся уравнением, мы получим выходное напряжение 2,5 вольта.

Самое замечательное в этой конфигурации то, что мы можем выбрать, какое напряжение мы хотим на Vout, изменив формулу выше, чтобы вычислить значение резистора R2, чтобы получить желаемое выходное напряжение.

Допустим, вам нужно напряжение 3 вольта на Vout.

Используя преобразованную формулу, мы можем вычислить значение резистора R2, чтобы получить 3 вольта. Используя те же значения для Vin и R1 и 3 вольта для Vout, мы получаем значение 15 Ом для R2.

Итак, вы видите, это отличный способ использовать резисторы для снижения напряжения до желаемого значения.

Зачем нужен резистор для уменьшения тока?

Мир электрики и электроники наполнен множеством различных компонентов и устройств различной формы, размеров, функциональности и т. Д.

Еще одна вещь, которая меняется от одного компонента к другому, — это его рейтинги. Каждый компонент имеет максимальное номинальное напряжение и ток.

Никогда не превышайте эти значения, так как их превышение может привести к их повреждению.

Итак, резистор используется последовательно со многими компонентами, чтобы уменьшить ток и избежать их повреждения.

Примером может служить стандартный светоизлучающий диод (LED) с ограничением тока 20 мА. Если источник напряжения подключен непосредственно к светодиоду без использования токоограничивающего резистора, вы рискуете взорвать светодиод.

Токоограничивающий резистор необходимо подключить последовательно со светодиодом, чтобы снизить ток до уровня ниже 20 мА.

Зачем использовать резистор для понижения напряжения?

Возможность снижения напряжения с помощью такой конфигурации, как делитель напряжения, имеет множество применений и применений.

Некоторые распространенные применения понижения напряжения включают регулировку уровня смещения активных устройств в усилителях и измерение напряжений.

В мультиметре также используются делители напряжения.

В делителях напряжения используются резисторы фиксированного номинала для регулировки выходного напряжения. Однако, если на резисторе R2 используется переменный резистор, выходное напряжение можно изменять, регулируя переменный резистор. Отличное приложение для этого — регулировка громкости в музыкальной системе.

Какие типы резисторов используются для уменьшения тока и напряжения?

Как вы видели ранее, существует много разных способов изготовления резистора.

Резисторы бывают разных значений сопротивления, размеров, форм и номинальной мощности.

Два распространенных типа резистора: со сквозным отверстием и для поверхностного монтажа.

Выбор того, какой из них использовать, зависит от типа схемы, в которой вы их будете использовать.

Поскольку в электронике используются приложения малой и большой мощности, существуют резисторы, рассчитанные на разные номинальные мощности, чтобы можно было работать с ними. эти полномочия.

Делитель напряжения и отдел напряжения

Цепи делителя напряжения полезны для обеспечения различных уровней напряжения от общего напряжения питания.Этот общий источник питания может быть однополярным, положительным или отрицательным, например, + 5 В, + 12 В, -5 В или -12 В и т. Д. По отношению к общей точке или земле, обычно 0 В, или может быть подключен к двойному источнику питания. , например ± 5 В или ± 12 В и т. д.

Делители напряжения также известны как делители потенциала, потому что единица измерения напряжения «Вольт» представляет собой величину разности потенциалов между двумя точками. Делитель напряжения или потенциала — это простая пассивная схема, в которой используется эффект падения напряжения на последовательно соединенных компонентах.

Потенциометр, представляющий собой переменный резистор со скользящим контактом, является наиболее простым примером делителя напряжения, поскольку мы можем подавать напряжение на его клеммы и создавать выходное напряжение, пропорциональное механическому положению его скользящего контакта. Но мы также можем сделать делители напряжения, используя отдельные резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, поскольку они представляют собой двухконтактные компоненты, которые можно соединять последовательно.

Резистивный делитель напряжения

Самая простая, легкая для понимания и основная форма сети с пассивным делителем напряжения состоит из двух последовательно соединенных резисторов.Эта базовая комбинация позволяет нам использовать правило делителя напряжения для расчета падений напряжения на каждом последовательном резисторе.

Схема резистивного делителя напряжения

Здесь схема состоит из двух последовательно соединенных резисторов: R ₁ и R ₂. Поскольку два резистора соединены последовательно, из этого следует, что через каждый резистивный элемент цепи должно протекать одно и то же значение электрического тока, так как ему больше некуда идти.Таким образом обеспечивается падение напряжения I * R на каждом резистивном элементе.

При наличии напряжения питания или источника V _S, приложенного к этой последовательной комбинации, мы можем применить закон Кирхгофа (KVL), а также использовать закон Ома, чтобы найти падение напряжения на каждом резисторе, вычисленное в терминах общего тока I протекает через них. Таким образом, решение для тока (I), протекающего через последовательную сеть, дает нам:

Ток, протекающий через последовательную сеть, просто равен I = V / R согласно закону Ома.Поскольку ток является общим для обоих резисторов (I _R1 = I _R2), мы можем рассчитать падение напряжения на резисторе R ₂ в приведенной выше последовательной цепи как:

Аналогично для резистора R ₁ как:

Пример делителя напряжения №1

Сколько тока будет протекать через резистор 20 Ом, подключенный последовательно с резистором 40 Ом, когда напряжение питания на последовательной комбинации составляет 12 В постоянного тока. Также рассчитайте падение напряжения на каждом резисторе.

Каждое сопротивление обеспечивает падение напряжения I * R, которое пропорционально его значению сопротивления на напряжении питания. Используя правило соотношения делителя напряжения, мы можем видеть, что самый большой резистор производит самое большое падение напряжения I * R. Таким образом, R ₁ = 4V и R ₂ = 8V. Применение закона Кирхгофа показывает, что сумма падений напряжения вокруг резистивной цепи в точности равна напряжению питания, так как 4 В + 8 В = 12 В.

Обратите внимание, что если мы используем два резистора равного номинала, то есть R ₁ = R ₂, то падение напряжения на каждом резисторе будет ровно половиной напряжения питания для двух последовательно соединенных сопротивлений, так как коэффициент делителя напряжения будет равен 50%.

Еще одно применение схемы делителя напряжения — это создание переменного выходного напряжения. Если мы заменим резистор R ₂ переменным резистором (потенциометром), то падение напряжения на R ₂ и, следовательно, V _OUT можно будет регулировать величиной, зависящей от положения дворника потенциометров и, следовательно, отношения два значения сопротивления, так как у нас есть один фиксированный и один переменный резисторы. Потенциометры, подстроечные резисторы, реостаты и вариаторы — все это примеры устройств с регулируемым делением напряжения.

Мы также могли бы продвинуть идею деления переменного напряжения еще на один шаг, заменив постоянный резистор R ₂ датчиком, таким как светозависимый резистор или LDR. Таким образом, когда значение сопротивления датчика изменяется при изменении уровня освещенности, выходное напряжение V _OUT также изменяется на пропорциональную величину. Термисторы и тензодатчики — другие примеры резистивных датчиков.

Поскольку два приведенных выше выражения деления напряжения относятся к одному и тому же общему току, математически они должны быть связаны друг с другом.Таким образом, для любого количества отдельных резисторов, образующих последовательную сеть, падение напряжения на любом данном резисторе определяется как:

Уравнение делителя напряжения

Где: V _{R (x)} — падение напряжения на резисторе, R _X — номинал резистора, а R _T — полное сопротивление последовательной сети. Это уравнение делителя напряжения можно использовать для любого количества последовательно соединенных сопротивлений из-за пропорциональной зависимости между каждым сопротивлением R и соответствующим ему падением напряжения V.Однако обратите внимание, что это уравнение дано для ненагруженной сети делителя напряжения без подключенной дополнительной резистивной нагрузки или параллельных токов ответвления.

Пример делителя напряжения №2

Три резистивных элемента 6 кОм, 12 кОм и 18 кОм соединены последовательно через источник питания 36 В. Вычислите общее сопротивление, величину тока, протекающего по цепи, и падение напряжения на каждом резисторе.

Приведены данные: V _S = 36 В, R ₁ = 6 кОм, R ₂ = 12 кОм и R ₃ = 18 кОм

Схема делителя напряжения

Падение напряжения на всех трех резисторах должно составлять в сумме напряжение питания, как определено Законом напряжения Кирхгофа (KVL).Таким образом, сумма падений напряжения составляет: V _T = 6 V + 12 V + 18 V = 36,0 V то же значение напряжения питания, V _S и поэтому является правильным. Снова обратите внимание, что самый большой резистор вызывает наибольшее падение напряжения.

Точки отвода напряжения в сети делителя

Рассмотрим длинную серию резисторов, подключенных к источнику напряжения, V _S. Вдоль последовательной сети имеются различные точки отвода напряжения: A, B, C, D и E.

Общее последовательное сопротивление можно найти, просто сложив отдельные значения последовательного сопротивления, что дает общее сопротивление R _T, равное 15 кОм.Это значение сопротивления ограничивает прохождение тока через цепь, создаваемую напряжением питания, V _S.

Индивидуальные падения напряжения на резисторах находятся с помощью приведенных выше уравнений, поэтому V _R1 = V _AB, V _R2 = V _BC, V _R3 = V _CD и V _R4 = V _DE.

Уровни напряжения в каждой точке ответвления измеряются относительно земли (0 В). Таким образом, уровень напряжения в точке D будет равен V _DE, а уровень напряжения в точке C будет равен V _CD + V _DE.Другими словами, напряжение в точке C является суммой двух падений напряжения на R ₃ и R ₄.

Итак, надеюсь, мы увидим, что, выбирая подходящий набор значений сопротивления, мы можем произвести последовательность падений напряжения, которая будет иметь пропорциональное значение напряжения, полученное от одного напряжения питания. Также обратите внимание, что в этом примере каждая точка выходного напряжения будет иметь положительное значение, поскольку отрицательная клемма источника напряжения, V _S, заземлена.

Пример делителя напряжения №3

1. Рассчитайте выходное напряжение без нагрузки для каждой точки ответвления схемы делителя напряжения, указанной выше, если последовательно подключенная резистивная сеть подключена к источнику постоянного тока 15 В.

2. Рассчитайте выходное напряжение холостого хода между точками B и E.

Делитель отрицательного и положительного напряжения

В простой схеме делителя напряжения все выходные напряжения отсчитываются от общей точки заземления нулевого напряжения, но иногда необходимо создавать как положительные, так и отрицательные напряжения от одного источника напряжения.Например, разные уровни напряжения от блока питания компьютера: -12 В, +3,3 В, + 5 В и + 12 В по отношению к общей клемме опорного заземления.

Пример делителя напряжения №4

Используя закон Ома, найдите значения резисторов R ₁, R ₂, R ₃ и R ₄, необходимые для создания уровней напряжения -12 В, +3,3 В, + 5 В и + 12 В, если Суммарная мощность, подаваемая на схему ненагруженного делителя напряжения, составляет 24 В постоянного тока, 60 Вт.

В этом примере опорная точка заземления нулевого напряжения была перемещена для создания требуемых положительных и отрицательных напряжений при сохранении сети делителя напряжения на источнике питания.Таким образом, все четыре напряжения измеряются относительно этой общей контрольной точки, в результате чего точка D имеет требуемый отрицательный потенциал -12 В относительно земли.

До сих пор мы видели, что последовательные резистивные цепи могут использоваться для создания делителя напряжения или цепи делителя потенциала, которые могут широко использоваться в электронных схемах. Выбирая соответствующие значения для последовательных сопротивлений, можно получить любое значение выходного напряжения, которое ниже входного или питающего напряжения.Но помимо использования сопротивлений и напряжения питания постоянного тока для создания сети резистивного делителя напряжения , мы также можем использовать конденсаторы (C) и катушки индуктивности (L), но с синусоидальным источником переменного тока, поскольку конденсаторы и катушки индуктивности являются реактивными компонентами, что означает что их сопротивление «реагирует» на прохождение электрического тока.

Емкостные делители напряжения

Как следует из названия, цепи емкостного делителя напряжения создают падение напряжения на конденсаторах, последовательно подключенных к общему источнику переменного тока.Обычно емкостные делители напряжения используются для «понижения» очень высоких напряжений, чтобы обеспечить выходной сигнал низкого напряжения, который затем можно использовать для защиты или измерения. В настоящее время высокочастотные емкостные делители напряжения все чаще используются в устройствах отображения и сенсорных экранах, используемых в мобильных телефонах и планшетах.

В отличие от схем резистивного делителя напряжения, которые работают как от источника переменного, так и от постоянного тока, деление напряжения с помощью конденсаторов возможно только при синусоидальном источнике переменного тока.Это связано с тем, что деление напряжения между последовательно соединенными конденсаторами рассчитывается с использованием реактивного сопротивления конденсаторов X _C, которое зависит от частоты источника переменного тока.

Мы помним из наших руководств о конденсаторах в цепях переменного тока, что емкостное реактивное сопротивление, X _C (измеренное в Ом), обратно пропорционально как частоте, так и емкости, и поэтому определяется следующим уравнением:

Формула емкостного реактивного сопротивления

Где:
Xc = емкостное реактивное сопротивление в Ом, (Ом)
π (пи) = числовая константа 3.142
ƒ = Частота в Герцах, (Гц)
C = емкость в фарадах, (F)

Следовательно, зная напряжение и частоту источника переменного тока, мы можем вычислить реактивные сопротивления отдельных конденсаторов, подставить их в приведенное выше уравнение для правила резистивного делителя напряжения и получить соответствующие падения напряжения на каждом конденсаторе, как показано.

Емкостной делитель напряжения

Используя два конденсатора 10 мкФ и 22 мкФ в приведенной выше последовательной схеме, мы можем рассчитать среднеквадратичное падение напряжения на каждом конденсаторе с точки зрения их реактивного сопротивления при подключении к источнику питания 100 В, 50 Гц.

При использовании чистых конденсаторов сумма всех падений последовательного напряжения равна напряжению источника, как и для последовательных сопротивлений. Хотя величина падения напряжения на каждом конденсаторе пропорциональна его реактивному сопротивлению, оно обратно пропорционально его емкости.

В результате меньший конденсатор на 10 мкФ имеет большее реактивное сопротивление (318,3 Ом), следовательно, большее падение напряжения на 69 вольт по сравнению с большим конденсатором на 22 мкФ, который имеет реактивное сопротивление 144,7 Ом и падение напряжения 31 вольт соответственно.Ток в последовательной цепи I _C будет 216 мА, и это то же значение для C ₁ и C ₂, как и в последовательном соединении.

Последний момент, связанный с цепями емкостного делителя напряжения , заключается в том, что до тех пор, пока нет последовательного сопротивления, чисто емкостного, два падения напряжения на конденсаторах 69 и 31 вольт будут арифметически равны напряжению питания 100 вольт как два напряжения. произведенные конденсаторы синфазны друг с другом.Если по какой-либо причине два напряжения не совпадают по фазе друг с другом, мы не можем просто сложить их вместе, как мы использовали бы закон напряжения Кирхгофа, но вместо этого потребуется сложение векторов двух форм сигналов.

Индуктивные делители напряжения

Как следует из названия, индуктивные делители напряжения создают перепады напряжения на индукторах или катушках, соединенных последовательно с общим источником переменного тока. Индуктивный делитель напряжения может состоять из одной обмотки или катушки, которая разделена на две секции, где выходное напряжение снимается с одной из секций, или с двух отдельных катушек, соединенных вместе.Наиболее распространенным примером индуктивного делителя напряжения является автотрансформатор с несколькими точками ответвления вдоль вторичной обмотки.

При использовании с источниками постоянного тока в установившемся режиме или с синусоидами, имеющими очень низкую частоту, приближающуюся к 0 Гц, индукторы действуют как короткое замыкание. Это связано с тем, что их реактивное сопротивление почти равно нулю, что позволяет любому постоянному току легко проходить через них, поэтому, как и в предыдущей сети с емкостным делителем напряжения, мы должны выполнять любое индуктивное деление напряжения с использованием синусоидального источника переменного тока.Индуктивное деление напряжения между последовательно соединенными катушками индуктивности может быть рассчитано с использованием реактивного сопротивления катушек индуктивности X _L, которое, как и емкостная индуктивность , зависит от частоты источника переменного тока.

В обучающих материалах по индукторам в цепях переменного тока мы видели, что индуктивное реактивное сопротивление X _L (также измеряемое в Ом) пропорционально как частоте, так и индуктивности, поэтому любое увеличение частоты питания увеличивает реактивное сопротивление катушек индуктивности. Таким образом, индуктивное сопротивление определяется как:

Формула индуктивного сопротивления

Где:
X _L = Индуктивное реактивное сопротивление в Ом, (Ом)
π (пи) = числовая константа 3.142
ƒ = Частота в Герцах, (Гц)
L = индуктивность по Генри, (H)

Если мы знаем напряжение и частоту источника переменного тока, мы можем вычислить реактивные сопротивления двух катушек индуктивности и использовать их вместе с правилом делителя напряжения для получения падений напряжения на каждой катушке индуктивности, как показано.

Индуктивный делитель напряжения

Используя две катушки индуктивности 10 мГн и 20 мГн в приведенной выше последовательной цепи, мы можем рассчитать среднеквадратичные падения напряжения на каждом конденсаторе с точки зрения их реактивного сопротивления при подключении к источнику питания 60 В и 200 Гц.

Как и в предыдущих схемах резистивного и емкостного деления напряжения, сумма всех последовательных падений напряжения на катушках индуктивности будет равна напряжению источника, если нет последовательных сопротивлений. Имеется в виду чистый индуктор. Величина падения напряжения на каждой катушке индуктивности пропорциональна ее реактивному сопротивлению.

В результате меньшая катушка индуктивности 10 мГн имеет меньшее реактивное сопротивление (12,56 Ом), поэтому падение напряжения при 30 вольт меньше, чем у большей катушки индуктивности 20 мГн, которая имеет реактивное сопротивление 25.14Ω и падение напряжения 40 вольт соответственно. Ток I _L в последовательной цепи составляет 1,6 мА и будет таким же значением для L ₁ и L ₂, поскольку эти две катушки индуктивности соединены последовательно.

Обзор делителя напряжения

Здесь мы увидели, что делитель напряжения или сеть — это очень распространенная и полезная конфигурация схемы, позволяющая нам создавать разные уровни напряжения из одного источника напряжения, тем самым устраняя необходимость в отдельных источниках питания для разных частей схемы, работающей на разные уровни напряжения.

Как следует из названия, делитель напряжения или потенциала «делит» фиксированное напряжение на точные пропорции с помощью резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Самая простая и обычно используемая схема делителя напряжения состоит из двух последовательных резисторов с фиксированным номиналом, но для деления напряжения также можно использовать потенциометр или реостат, просто отрегулировав его положение стеклоочистителя.