Co je napětí, jak snížit a zvýšit napětí

Napětí a proud jsou dvě hlavní veličiny v elektřině. Kromě nich se také rozlišuje řada dalších veličin: náboj, síla magnetického pole, síla elektrického pole, magnetická indukce a další. Praktikující elektrikář nebo elektronický inženýr v každodenní práci musí nejčastěji pracovat s napětím a proudem - volty a ampéry. V tomto článku budeme hovořit konkrétně o napětí, o tom, co to je a jak s ním pracovat.

Stanovení fyzické veličiny

Napětí je potenciální rozdíl mezi dvěma body, charakterizuje práci prováděnou elektrickým polem pro přenos náboje z prvního bodu do druhého. Naměřené napětí ve voltech. To znamená, že napětí může být přítomno pouze mezi dvěma body ve vesmíru. Proto není možné měřit napětí v jednom bodě.

Potenciál je označen písmenem „F“ a napětí písmenem „U“. Pokud je vyjádřeno jako rozdíl potenciálu, napětí je:

U = F1-F2

Pokud je vyjádřeno prací, pak:

U = A / q,

kde A je práce, q je poplatek.

Měření napětí

Napětí se měří voltmetrem. Voltmetrové sondy připojují napětí ke dvěma bodům, mezi kterými máme zájem, nebo ke svorkám součásti, úbytku napětí, ve kterém chceme měřit. Jakékoli připojení k obvodu může navíc ovlivnit jeho provoz. To znamená, že když je k prvku přidáno zatížení paralelně, mění se proud v obvodu a napětí na prvku se mění podle Ohmova zákona.

Závěr:

Voltmetr by měl mít nejvyšší vstupní odpor, takže po připojení zůstane celkový odpor v měřené sekci téměř nezměněn. Odpor voltmetru by měl mít sklon k nekonečnu, a čím je větší, tím větší je spolehlivost odečtů.

Přesnost měření (třída přesnosti) je ovlivněna řadou parametrů. U číselníkových měřičů to zahrnuje přesnost odstupňování měřicí stupnice, konstrukční prvky zavěšení šipky, kvalitu a integritu elektromagnetické cívky, stav vratných pružin, přesnost výběru bočníku atd.

U digitálních zařízení - zejména přesnost výběru rezistorů v děliči měřicího napětí, rozlišení ADC (čím více, tím přesnější), kvalita měřicích sond.

Měření stejnosměrného napětí digitálním nástrojem (např. multimetr), zpravidla nezáleží na správném připojení sond k měřenému obvodu. Pokud připojíte pozitivní sondu k bodu s negativnějším potenciálem než k bodu, ke kterému je negativní sonda připojena, objeví se před výsledkem měření znaménko „-“.

Pokud však měříte pomocí ukazovacího zařízení, musíte být opatrní. Pokud sondy nejsou správně připojeny, šipka se začne odchylovat od nuly, bude spočívat proti omezovači. Při měření napětí v blízkosti měřicího limitu nebo více se může zaseknout nebo ohnout, po čemž není nutné mluvit o přesnosti a další činnosti tohoto zařízení.

Pro většinu měření v každodenním životě a v elektronice na amatérské úrovni stačí voltmetr zabudovaný do multimetrů, jako je DT-830 a podobně.

Čím větší jsou naměřené hodnoty, tím nižší jsou požadavky na přesnost, protože pokud měříte volty a máte chybu 0,1 V, výrazně to zkreslí obraz a pokud změříte stovky nebo tisíce voltů, nebude hrát významnou roli chyba 5 voltů.

Co dělat, když napětí není vhodné pro napájení zátěže

Chcete-li napájet každé konkrétní zařízení nebo zařízení, musíte použít napětí určité hodnoty, ale stane se, že váš zdroj energie není vhodný a vytváří nízké nebo příliš vysoké napětí.Tento problém je řešen různými způsoby, v závislosti na požadovaném výkonu, napětí a proudové síle.

Jak snížit napěťový odpor?

Odpor omezuje proud a při jeho průtoku klesá napětí na odpor (odpor omezující proud). Tato metoda umožňuje snížit napětí pro napájení nízkoenergetických zařízení proudem desítek, maximálně stovkami miliampů.

Příkladem takového zdroje napájení je začlenění LED do DC sítě 12 (například síť palubního vozidla až 14,7 V). Pokud je LED navržena pro napájení z 3,3 V, s proudem 20 mA, potřebujete rezistor R:

R = (14,7 až 3,3) / 0,02) = 570 Ohm

Odpory se však liší maximální ztrátou energie:

P = (14,7 - 3,3) * 0,02 = 0,228 W

Nejbližší v nominální hodnotě je odpor 0,25 W.

Omezení tohoto typu napájení obvykle způsobuje rozptyl energie výkonové rezistory nepřesahuje 5–10 wattů. Ukazuje se, že pokud potřebujete zaplatit velké napětí nebo napájet zátěž tímto způsobem, budete muset dát několik rezistorů jako síla jednoho nestačí a může být rozdělena mezi několik.

Metoda snižování napětí pomocí odporu pracuje jak v obvodech stejnosměrného, ​​tak střídavého proudu.

Nevýhodou je, že výstupní napětí není žádným způsobem stabilizováno a se zvyšujícím se a klesajícím proudem se mění v poměru k hodnotě odporu.

Jak snížit střídavé napětí tlumivkou nebo kondenzátorem?

Pokud mluvíme pouze o střídavém proudu, můžeme použít reaktanci. Reaktivní odpor je pouze v obvodech střídavého proudu, je to kvůli vlastnostem ukládání energie v kondenzátorech a induktorech a zákonům o spínání.

Jako tlumič lze použít tlumivku a kondenzátor.

Reaktančnost induktoru (a jakéhokoli indukčního prvku) závisí na frekvenci střídavého proudu (pro domácí elektrickou síť 50 Hz) a indukčnosti, je vypočítána podle vzorce:

kde ω je úhlová frekvence v rad / s, L-indukčnost, 2pi je nutné převést úhlovou frekvenci na normální, f je napěťová frekvence v Hz.

Reaktivita kondenzátoru závisí na jeho kapacitanci (nižší C, větší odpor) a frekvence proudu v obvodu (čím vyšší je frekvence, tím nižší je odpor). Lze jej vypočítat takto:

Příkladem použití indukčního odporu je dodávka zářivek, zářivek DRL a DNaT. Induktor omezuje proud skrz lampu, v lampách LL a DNT se používá ve spojení se startérem nebo impulzním zapalovacím zařízením (startovací relé) pro vytvoření vysokonapěťového rázu, který zapíná lampu. Důvodem je povaha a princip fungování těchto lamp.

Kondenzátor se používá k napájení zařízení s nízkým výkonem, je instalován v sérii s napájecím obvodem. Takový napájecí zdroj se nazývá „beztransformátorový napájecí zdroj s balastovým (zatemňovacím) kondenzátorem.“

Velmi často se vyskytují jako omezovač proudu pro nabíjení baterií (například olova) v přenosných baterkách a rádiích s nízkým výkonem. Nevýhody takového schématu jsou zřejmé - neexistuje žádná kontrola úrovně nabití baterie, jejich varu, nedostatečného nabití, nestability napětí.

Jak snížit a stabilizovat stejnosměrné napětí

K dosažení stabilního výstupního napětí lze použít parametrické a lineární stabilizátory. Často se vyrábějí na domácích mikroobvodech typu KREN nebo cizího typu L78xx, L79xx.

Lineární převodník LM317 vám umožňuje stabilizovat jakoukoli hodnotu napětí, je nastavitelný až do 37V, na základě toho můžete vytvořit nejjednodušší regulované napájení.

Pokud potřebujete mírně snížit napětí a stabilizovat jej, popsané integrované obvody nebudou fungovat. Aby mohli pracovat, musí existovat rozdíl řádově 2V nebo více. Za tímto účelem jsou vytvořeny stabilizátory LDO (low dropout).Jejich rozdíl spočívá v tom, že pro stabilizaci výstupního napětí je nutné, aby vstupní napětí překročilo hodnotu 1V. Příkladem takového stabilizátoru je AMS1117, dostupný ve verzích od 1,2 do 5V, nejčastěji používají verze 5 a 3,3V, například v deskách Arduino a mnohem více.

Konstrukce všech výše popsaných lineárních stupňových stabilizátorů sekvenčního typu má značnou nevýhodu - nízkou účinnost. Čím větší je rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím, tím nižší je. Jednoduše „spálí“ přepětí, přeměňuje ho v teplo a ztráta energie se rovná:

Ztráta = (Uin-Uout) * I

Společnost AMTECH vyrábí PWM analoga převodníků L78xx, pracuje na principu pulzně-šířkové modulace a jejich účinnost je vždy více než 90%.

Jednoduše zapínají a vypínají napětí s frekvencí až 300 kHz (vlnění je minimální). A proudové napětí je stabilizováno na správné úrovni. A spínací obvod je podobný lineárním analogům.

Jak zvýšit konstantní napětí?

Pro zvýšení napětí vytvořte pulzní převodníky napětí. Mohou být zahrnuty do schématu boost (boost) a buck (buck) a buck-boost (buck-boost). Podívejme se na několik zástupců:

1. Deska založená na čipu XL6009

2. Deska založená na LM2577 pracuje na zvýšení a snížení výstupního napětí.

3. Deska měniče na FP6291 je vhodná pro sestavení 5 V napájecího zdroje, například powerbank. Úpravou hodnot rezistorů je možné jej naladit na jiná napětí, jako na jakýkoli jiný podobný převodník - je třeba upravit obvody zpětné vazby.

4. Deska založená na MT3608

Na desce je vše podepsáno - platforma pro pájení vstupních a vstupních napětí. Desky mohou mít nastavení výstupního napětí a v některých případech i proudové limity, což umožňuje jednoduché a efektivní laboratorní napájení. Většina převodníků, lineárních i pulzních, je odolná proti zkratu.

Jak zvýšit střídavé napětí?

K úpravě střídavého napětí se používají dvě hlavní metody:

1. Automatický transformátor;

2. Transformátor.

Automatický transformátor - Toto je jediný induktor vinutí. Vinutí má odbočku z určitého počtu závitů, takže spojením mezi jedním z konců vinutí a odbočkou získáte na koncích vinutí zvýšené napětí tolikrát, kolikrát je celkový počet závitů a počet závitů před odbočením.

Průmysl vyrábí LATR - laboratorní autotransformátory, speciální elektromechanická zařízení pro regulaci napětí. Našli velmi široké uplatnění ve vývoji elektronických zařízení a oprav napájecích zdrojů. Nastavení je dosaženo prostřednictvím kontaktu posuvného kartáče, ke kterému je připojeno poháněné zařízení.

Nevýhodou takových zařízení je nedostatek galvanické izolace. To znamená, že na výstupních svorkách lze snadno vypnout vysoké napětí, a tím i nebezpečí úrazu elektrickým proudem.

Transformátor Jedná se o klasický způsob, jak změnit velikost napětí. Existuje galvanické oddělení od sítě, což zvyšuje bezpečnost takových instalací. Velikost napětí na sekundárním vinutí závisí na napětí na primárním vinutí a transformačním poměru.

Uvt = Uperv * Ktr

Ktr = N1 / N2

Samostatný pohled je pulzní transformátory. Pracují při vysokých frekvencích desítek a stovek kHz. Používají se ve velké většině spínacích zdrojů, například:

• Nabíječka vašeho smartphonu;

• Napájení notebooku;

• Napájení počítače.

Díky práci na vysoké frekvenci jsou celkové rozměry sníženy, jsou mnohonásobně menší než síťové transformátory (50/60 Hz), počet závitů na vinutích a v důsledku toho cena.Přechod na spínané napájecí zdroje umožnil snížit rozměry a hmotnost veškeré moderní elektroniky a snížit její spotřebu zvýšením účinnosti (v pulzních obvodech, 70-98%).

Elektronické transformátory se často vyskytují v obchodech, na jejich vstup se přivádí síťové napětí 220 V a na výstup vysokofrekvenčního střídavého proudu je například výstup 12 V. diodový most z vysokorychlostních diod.

Uvnitř je pulzní transformátor, tranzistorové spínače, budič nebo samoscilační obvod, jak je ukázáno níže.

Výhody - jednoduchost obvodu, galvanické oddělení a malá velikost.

Nevýhody - většina modelů, které jsou v prodeji, má aktuální zpětnou vazbu, což znamená, že bez zatížení s minimálním výkonem (uvedeným ve specifikacích konkrétního zařízení) se jednoduše nezapne. Jednotlivé případy jsou již vybaveny napěťovými operačními systémy a bez problémů naprázdno.

Nejčastěji se používají k napájení 12V halogenových žárovek, například reflektorů zavěšeného stropu.

Závěr

Podívali jsme se na základní informace o napětí, jeho měření a nastavení. Moderní základna prvků a sortiment hotových jednotek a převodníků vám umožní implementovat jakékoli zdroje energie s potřebnými výstupními charakteristikami. O každé z těchto metod můžete napsat podrobnější článek, v rámci kterého jsem se pokusil přizpůsobit základní informace potřebné pro rychlý výběr vhodného řešení.