Co to jest napięcie, jak obniżyć i zwiększyć napięcie

Napięcie i natężenie to dwie główne wielkości w elektryczności. Oprócz nich wyróżnia się także szereg innych wielkości: ładunek, natężenie pola magnetycznego, natężenie pola elektrycznego, indukcję magnetyczną i inne. Praktykujący elektryk lub elektronik w codziennej pracy najczęściej musi pracować z napięciem i prądem - woltami i amperami. W tym artykule porozmawiamy konkretnie o napięciu, o tym, co to jest i jak z tym pracować.

Określenie wielkości fizycznej

Napięcie jest różnicą potencjałów między dwoma punktami, charakteryzuje pracę wykonaną przez pole elektryczne w celu przeniesienia ładunku z pierwszego punktu do drugiego. Zmierzone napięcie w woltach. Oznacza to, że napięcie może występować tylko między dwoma punktami w przestrzeni. Dlatego niemożliwe jest zmierzenie napięcia w jednym punkcie.

Potencjał jest oznaczony literą „F”, a napięcie literą „U”. Jeżeli wyrażone jako różnica potencjałów, napięcie wynosi:

U = F1-F2

Jeśli wyrażone poprzez pracę, to:

U = A / q,

gdzie A oznacza pracę, q oznacza ładunek.

Pomiar napięcia

Napięcie mierzone jest woltomierzem. Sondy woltomierzowe łączą napięcie z dwoma punktami, między którymi jesteśmy zainteresowani, lub z zaciskami części, której spadek napięcia chcemy zmierzyć. Ponadto każde połączenie z obwodem może wpłynąć na jego działanie. Oznacza to, że gdy obciążenie jest dodawane równolegle do elementu, zmienia się prąd w obwodzie, a napięcie na elemencie zmienia się zgodnie z prawem Ohma.

Wniosek:

Woltomierz powinien mieć najwyższą rezystancję wejściową, aby po podłączeniu całkowita rezystancja w mierzonej sekcji pozostała prawie niezmieniona. Rezystancja woltomierza powinna zmierzać do nieskończoności, a im jest ona większa, tym większa wiarygodność odczytów.

Na dokładność pomiaru (klasę dokładności) wpływa wiele parametrów. W przypadku czujników zegarowych obejmuje to dokładność podziałki skali pomiarowej, cechy konstrukcyjne zawieszenia strzałki, jakość i integralność cewki elektromagnetycznej, stan sprężyn powrotnych, dokładność wyboru bocznika itp.

W przypadku urządzeń cyfrowych - głównie dokładność wyboru rezystorów w dzielniku napięcia pomiarowego, rozdzielczość przetwornika ADC (im więcej, tym bardziej dokładny), jakość sond pomiarowych.

Do pomiaru napięcia stałego za pomocą przyrządu cyfrowego (np. multimetr), z reguły prawidłowe połączenie sond z mierzonym obwodem nie ma znaczenia. Jeśli podłączysz sondę dodatnią do punktu o większym potencjale ujemnym niż punkt, do którego podłączona jest sonda ujemna, przed wynikiem pomiaru pojawi się znak „-”.

Ale jeśli mierzysz za pomocą urządzenia wskazującego, musisz zachować ostrożność. Jeśli sondy nie zostaną poprawnie podłączone, strzałka zacznie odchylać się w kierunku zera, oprze się o ogranicznik. Podczas pomiaru napięć zbliżonych do granicy pomiaru lub więcej może się zacinać lub zginać, po czym nie trzeba mówić o dokładności i dalszej pracy tego urządzenia.

Do większości pomiarów w życiu codziennym i elektronice na poziomie amatorskim wystarczy woltomierz wbudowany w multimetry, takie jak DT-830 i tym podobne.

Im większe zmierzone wartości, tym niższe wymagania dotyczące dokładności, ponieważ jeśli mierzysz wolty i masz błąd 0,1V, to znacznie zniekształci obraz, a jeśli zmierzysz setki lub tysiące woltów, to błąd 5 woltów nie będzie odgrywał znaczącej roli.

Co zrobić, jeśli napięcie nie jest odpowiednie do zasilania obciążenia

Aby zasilić każde konkretne urządzenie lub urządzenie, musisz przyłożyć napięcie o określonej wielkości, ale zdarza się, że źródło zasilania, które posiadasz, nie jest odpowiednie i wytwarza niskie lub zbyt wysokie napięcie.Problem ten rozwiązuje się na różne sposoby, w zależności od wymaganej mocy, napięcia i siły prądu.

Jak obniżyć rezystancję napięcia?

Rezystancja ogranicza prąd, a gdy płynie, napięcie spada do rezystancji (rezystor ograniczający prąd). Ta metoda pozwala obniżyć napięcie, aby zasilać urządzenia małej mocy prądami o wartości dziesiątek, maksymalnie setek miliamperów.

Przykładem takiego zasilacza jest włączenie diody LED do sieci prądu stałego 12 (na przykład w sieci pojazdów o napięciu do 14,7 woltów). Następnie, jeśli dioda LED ma być zasilana z 3,3 V, przy prądzie 20 mA, potrzebujesz rezystora R:

R = (14,7-3,3) / 0,02) = 570 Ohm

Ale rezystory różnią się maksymalnym rozpraszaniem mocy:

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

Najbliżej wartości nominalnej jest rezystor 0,25 W.

Zwykle jest to rozpraszanie mocy, które ogranicza takie zasilanie rezystory mocy nie przekracza 5-10 watów. Okazuje się, że jeśli musisz w ten sposób spłacić duże napięcie lub zasilić obciążenie, będziesz musiał umieścić kilka rezystorów jako moc jednego nie wystarcza i można go rozdzielić na kilka.

Metoda zmniejszania napięcia za pomocą rezystora działa zarówno w obwodach prądu stałego, jak i przemiennego.

Wadą jest to, że napięcie wyjściowe nie jest w żaden sposób stabilizowane, a wraz ze wzrostem i spadkiem prądu zmienia się proporcjonalnie do wartości rezystora.

Jak zmniejszyć napięcie przemienne za pomocą dławika lub kondensatora?

Jeśli mówimy tylko o prądzie przemiennym, możemy zastosować reaktancję. Rezystancja bierna występuje tylko w obwodach prądu przemiennego, jest to spowodowane właściwościami magazynowania energii w kondensatorach i cewkach oraz prawami przełączania.

Dławik i kondensator można wykorzystać jako statecznik.

Reaktancja cewki indukcyjnej (i dowolnego elementu indukcyjnego) zależy od częstotliwości prądu przemiennego (dla domowej sieci elektrycznej 50 Hz) i indukcyjności oblicza się według wzoru:

gdzie ω jest częstotliwością kątową w rad / s, indukcyjność L, 2pi jest konieczna do przekształcenia częstotliwości kątowej na normalną, f to częstotliwość napięcia w Hz.

Reaktancja kondensatora zależy od jego pojemności (im niższe C, tym większa rezystancja) i częstotliwości prądu w obwodzie (im wyższa częstotliwość, tym niższy opór). Można go obliczyć w następujący sposób:

Przykładem zastosowania rezystancji indukcyjnej jest dostawa świetlówek, lamp DRL i DNaT. Cewka indukcyjna ogranicza prąd przepływający przez lampę, w lampach LL i DNT jest używana w połączeniu z rozrusznikiem lub impulsowym urządzeniem zapłonowym (przekaźnik rozruchowy) w celu wytworzenia udaru wysokiego napięcia, który włącza lampę. Wynika to z charakteru i zasady działania takich lamp.

Kondensator służy do zasilania urządzeń małej mocy, jest instalowany szeregowo z obwodem mocy. Taki zasilacz nazywa się „beztransformatorowym zasilaczem z kondensatorem balastowym (wygaszającym)”.

Bardzo często znajdują się one jako ogranicznik prądu do ładowania akumulatorów (na przykład ołowiu) w przenośnych latarkach i radiach o małej mocy. Wady takiego schematu są oczywiste - nie ma kontroli nad poziomem naładowania akumulatora, jego wygotowaniem, niedoładowaniem, niestabilnością napięcia.

Jak obniżyć i ustabilizować napięcie stałe

Aby osiągnąć stabilne napięcie wyjściowe, można zastosować stabilizatory parametryczne i liniowe. Często są one wykonywane na domowych mikroukładach typu KREN lub obcych typach L78xx, L79xx.

Konwerter liniowy LM317 pozwala ustabilizować dowolną wartość napięcia, jest regulowany do 37 V, można na nim zbudować najprostszy regulowany zasilacz.

Jeśli musisz nieznacznie zmniejszyć napięcie i ustabilizować je, opisane układy scalone nie będą działać. Aby mogły działać, musi istnieć różnica rzędu 2 V lub więcej. W tym celu tworzone są stabilizatory LDO (low dropout).Różnica polega na tym, że w celu ustabilizowania napięcia wyjściowego konieczne jest, aby napięcie wejściowe przekroczyło go o wartość 1 V. Przykładem takiego stabilizatora jest AMS1117, dostępny w wersjach od 1,2 do 5 V, najczęściej używają na przykład wersji 5 i 3,3 V w tablicach Arduino i wiele więcej.

Konstrukcja wszystkich opisanych powyżej liniowych stabilizatorów obniżających typu sekwencyjnego ma znaczną wadę - niską wydajność. Im większa różnica między napięciem wejściowym i wyjściowym, tym jest ona niższa. Po prostu „pali” nadwyżkę napięcia, przekształcając je w ciepło, a strata energii jest równa:

Strata = (Uin-Uout) * I

Firma AMTECH produkuje analogi PWM konwerterów L78xx, działają na zasadzie modulacji szerokości impulsu, a ich wydajność wynosi zawsze ponad 90%.

Po prostu włączają i wyłączają napięcie o częstotliwości do 300 kHz (tętnienie jest minimalne). A obecne napięcie jest ustabilizowane na odpowiednim poziomie. A obwód przełączający jest podobny do analogów liniowych.

Jak zwiększyć napięcie stałe?

Aby zwiększyć napięcie, należy wytworzyć przetworniki napięcia impulsowego. Można je włączyć do schematu boost (boost) i buck (buck) oraz buck-boost (buck-boost). Spójrzmy na kilku przedstawicieli:

1. Płytka oparta na układzie XL6009

2. Płytka oparta na LM2577 działa w celu zwiększenia i zmniejszenia napięcia wyjściowego.

3. Płytka konwertera w FP6291 nadaje się do montażu zasilacza 5 V, na przykład powerbanku. Dostosowując wartości rezystorów, można je dostroić do innych napięć, jak każdy inny podobny przetwornik - musisz wyregulować obwody sprzężenia zwrotnego.

4. Płytka oparta na MT3608

Wszystko jest tutaj podpisane - platforma do lutowania napięć wejściowych - wejściowych i wyjściowych - wyjściowych. Płytki mogą mieć regulację napięcia wyjściowego, aw niektórych przypadkach ograniczenia prądu, co umożliwia wykonanie prostego i skutecznego zasilacza laboratoryjnego. Większość przetworników, zarówno liniowych, jak i impulsowych, jest odporna na zwarcia.

Jak zwiększyć napięcie przemienne?

Aby wyregulować napięcie prądu przemiennego, stosuje się dwie główne metody:

1. Auto transformator;

2. Transformator.

Auto transformator - To jest pojedynczy induktor uzwojenia. Uzwojenie ma gwint z pewnej liczby zwojów, więc łącząc jeden z końców uzwojenia z gwintownikiem, na końcach uzwojenia uzyskuje się podwyższone napięcie tyle razy, ile całkowita liczba zwojów i liczba zwojów przed gwintowaniem.

Przemysł produkuje LATR - autotransformatory laboratoryjne, specjalne urządzenia elektromechaniczne do regulacji napięcia. Znaleźli bardzo szerokie zastosowanie w rozwoju urządzeń elektronicznych i naprawie zasilaczy. Regulacja odbywa się za pomocą przesuwnego styku szczotkowego, do którego podłączone jest zasilane urządzenie.

Wadą takich urządzeń jest brak izolacji galwanicznej. Oznacza to, że wysokie napięcie może łatwo wystąpić na zaciskach wyjściowych, co stwarza ryzyko porażenia prądem.

Transformator - Jest to klasyczny sposób zmiany wielkości napięcia. Izolacja galwaniczna od sieci zwiększa bezpieczeństwo takich instalacji. Wielkość napięcia na uzwojeniu wtórnym zależy od napięcia na uzwojeniu pierwotnym i współczynnika transformacji.

Uvt = Uperv * Ktr

Ktr = N1 / N2

Osobny widok to transformatory impulsowe. Działają przy wysokich częstotliwościach dziesiątek i setek kHz. Są one stosowane w zdecydowanej większości zasilaczy impulsowych, na przykład:

• Ładowarka twojego smartfona;

• Zasilacz do laptopa;

• Zasilacz komputerowy.

Z powodu pracy z wysoką częstotliwością gabaryty są zmniejszone, są one kilkakrotnie mniejsze niż transformatorów sieciowych (50/60 Hz), liczby zwojów uzwojenia, a co za tym idzie ceny.Przejście na przełączanie zasilaczy umożliwiło zmniejszenie wymiarów i masy całej nowoczesnej elektroniki oraz zmniejszenie jej zużycia poprzez zwiększenie wydajności (w obwodach impulsowych 70-98%).

W sklepach często znajdują się transformatory elektroniczne, do których doprowadzane jest napięcie sieciowe o wartości 220 V. Wyjściowe napięcie o wartości 12 V to na przykład prąd przemienny o wysokiej częstotliwości. mostek diodowy z diod wysokiej prędkości.

Wewnątrz znajduje się transformator impulsowy, przełączniki tranzystorowe, sterownik lub obwód samoscylacyjny, jak pokazano poniżej.

Zalety - prostota obwodu, izolacja galwaniczna i niewielki rozmiar.

Wady - większość sprzedawanych modeli ma prądowe sprzężenie zwrotne, co oznacza, że ​​bez obciążenia o minimalnej mocy (wskazanej w specyfikacji konkretnego urządzenia) po prostu się nie włącza. Poszczególne instancje są już wyposażone w napięciowe systemy operacyjne i bezczynnie bez żadnych problemów.

Są one najczęściej używane do zasilania lamp halogenowych 12V, na przykład reflektorów sufitów podwieszanych.

Wniosek

Przyjrzeliśmy się podstawowym informacjom o napięciu, jego pomiarze i regulacji. Nowoczesna baza elementów oraz asortyment gotowych jednostek i konwerterów pozwala na wdrożenie dowolnego zasilacza o niezbędnej charakterystyce wyjściowej. Możesz napisać osobny artykuł bardziej szczegółowo o każdej z metod. W tym ramach starałem się dopasować podstawowe informacje niezbędne do szybkiego wyboru dogodnego dla Ciebie rozwiązania.