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, ), 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:
P=(14.7-3.3)*0.02=0.228 Вт
Ближайший по номиналу в большую сторону - резистор на 0.25 Вт.
Именно рассеиваемая мощность и накладывает ограничение на такой способ питания, обычно 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 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:
Pпотерь = (Uвх-Uвых)*I
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:
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.
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:
1. Автотрансформатор;
2. Трансформатор.
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.
Uвт=Uперв*Kтр
Отдельный вид - это . 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 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.
Согласно ПУЭ для питания переносного освещения должно применяться напряжение не выше 50 Вольт, а при работе в особо опасных и замкнутых пространствах – 12 Вольт (ПУЭ 6.1.16-18). При этом питание должно осуществляться через трансформаторы. Это нужно для того, чтобы исключить поражение электрическим током. Да и не всегда выходные параметры блоков питания или аккумуляторов позволяют подключить гаджеты или другую электронику. В связи со всем этим мы расскажем о том, как понизить напряжение постоянного и переменного тока до нужного вам значения.
Понижаем переменное напряжение
Рассмотрим типовые ситуации, когда нужно опустить напряжение, чтобы подключить прибор, который работает от переменного тока, но напряжение его питания не соответствует привычным 220 Вольтам. Это может быть, как различная бытовая техника, инструмент, так и упомянутые выше светильники.
Подключение бытовой техники из США на 110 В к сети 220 В
Пожалуй, самая частая ситуация возникает, когда человек покупает из зарубежных интернет-магазинов какой-то прибор, а по его получении определяет, что он рассчитан на питание от 110 Вольт. Первый вариант – это перемотать трансформатор питающий устройство, но большинство приборов работают от импульсного источника питания, а для подключения электроинструмента – лучше вообще обойтись без перемотки. Для этого нужно использовать понижающий трансформатор. Кроме этого вы можете понизить напряжение в сети с помощью автотрансформатора или обычного трансформатора с отводами от первичной обмотки на 110-127В – такие часто встречались в советских телевизорах и других электроприборах.
Однако при использовании такого включения трансформатора, если произойдет, обрыв части обмотки после отвода 110 Вольт (см. рисунок ниже) все 220В подойдут на прибор, и он выйдет из строя.
Если говорить о готовых устройствах, то можно обратить внимание на автотрансформаторы «ШТИЛЬ».
Важно! При покупке трансформаторов или автотрансформаторов учитывайте номинальный ток его обмоток и мощность, которую он выдержит.
Более надежным вариантом решения проблемы будет понизить напряжение с 220 до 110В или с 220 до 127В с помощью трансформатора. На рынке есть множество компаний, которые продают такие изделия, в основном это тороидальные трансформаторы. Они бывают в металлических боксах или корпусах меньших размеров со встроенной розеткой, а также в виде адаптеров в пластиковых корпусах.
Подведём итоги, перечислив основные требования к трансформатору для питания 110В приборов:
- На выходе трансформатора должно быть 110В, а на входе – 220В.
- Мощность трансформатора должна быть больше чем мощность подключаемого прибора хотя бы на 20%.
- Желательно защитить первичную и вторичную цепь с помощью предохранителя.
- Доступ к выводам высокого напряжения должен быть ограничен, а все соединения изолированы.
Понижаем напряжение для питания низковольтных светильников
В начале статьи мы упомянули о том, что переносной светильник должен питаться от пониженного напряжения. В быту этот вопрос будет особо актуален для автолюбителей при ремонте автомобиля в гараже. Такие же светильники используются и в качестве местного источника света на станках (сверлильных, токарных, заточных и прочих).
Для того чтобы понизить напряжение с 220 до 36В, можно использовать трансформаторы марки:
- ОСО 0.25 220/36В;
- ОСМ 0.063кВт 220/36;
- ОСЗР 0.063кВт 220/36В;
- Ящик с понижающим трансформатором ЯТП-0,25 220 36В (это готовое решение в металлическом корпусе для монтажа в помещениях, класс защиты IP54).
Для понижения напряжения с 220 до 12В можно использовать трансформаторы марки:
- ОСО25 220/12В;
- TRS 300W AC 220 B-AC 12B (тороидальный не занимает много места);
- 30ВА, 230/12В, 2,5А INDEL TSZS30/005M (маломощный для установки на DIN рейку).
Понижение напряжения в доме
Наряду со часто возникает проблема с повышенным и пониженным напряжением. Это приводит к преждевременному выходу из строя нагревательных приборов, ламп и других устройств у потребителя. Допустим вам нужно понизить напряжение с 260 до 220В, значит ваш выбор – использование стабилизатора напряжения. Они бывают разных типов, самый дешевый из них – релейный, по сути это автотрансформатор, в котором реле автоматически переключают отводы от обмотки.
Если вам нужно защитить конкретный прибор, например, компьютер – используйте маломощные модели мощностью порядка 1000 ВА (1 кВа), такие, как SVEN VR-L1000, его стоимость 17-20 долларов. Но учтите, что активная выходная мощность у них меньше указанной полной в Вольт-Амперах. К примеру, модель на 1 кВА, может питать нагрузку до 0,3-0,4 кВт. Также смотрите на характеристики. Указанная модель выдерживает до 285 Вольт, но большинство моделей упираются в 260 В.
Чтобы защитить весь дом в большинстве случаев хватит модели RUCELF SRWII-12000-L её полная мощность 12000 ВА, а нагрузочная способность по активной мощности – 10000 Вт. Он выдерживает входное напряжение вплоть до 270В.
Более подробно узнать о том, как выбрать стабилизатор напряжения и какие бывают стабилизаторы, мы рассказывали в статьях:
Балластный конденсатор для питания маломощных устройств
Для питания маломощных устройств можно обойтись без трансформатора – одним конденсатором. Такая схема называется бестрансфторматорный блок питания на балластном конденсаторе. Принцип его работы основан на ограничении тока с помощью реактивного сопротивления ёмкости. Ниже вы видите варианты её реализации.
Расчёт ёмкости балластного конденсатора для бестранформаторного питания производится исходя из потребления тока нагрузкой и напряжения её питания.
Или по такой формуле, результат они дают приблизительно одинаковый:
Кстати, выражение под корнем в результате при расчётах конденсаторов для питания устройств от 5-20В даёт примерно 220, или значение равное Uвходному.
Такой источник питания подходит для подключения приёмников, светодиодов, ночников, зарядки небольших аккумуляторов и других маломощных потребителей.
Понижаем постоянное напряжение
При конструировании электроники часто возникает необходимость понижения напряжения имеющегося блока питания. Мы также рассмотрим несколько типовых ситуаций.
Если вы работаете с микроконтроллерами – могли заметить, что некоторые из них работают от 3 Вольт. Найти соответствующие блоки питания бывает непросто, поэтому можно использовать зарядное устройство для телефона. Тогда вам нужно понизить его выход с 5 до 3 Вольт (3,3В). Это можно сделать, если опустить выходное напряжение блока питания путём замены стабилитрона в цепи обратной связи. Вы можете добиться любого напряжения как повышенного, так и пониженного – установив стабилитрон нужного номинала. Определить его можно методом подбора, на схеме ниже он выделен красным эллипсом.
А на плате он выглядит следующим образом:
На зарядных устройствах более совершенной конструкции используется регулируемый стабилитрон TL431, тогда регулировка возможна заменой резистора или соотношением пары резисторов, в зависимости от схемотехники. На схеме ниже они обозначены красным.
Кроме замены стабилитрона на плате ЗУ, можно опустить напряжение с помощью резистора и стабилитрона – это называется параметрический стабилизатор.
Еще один вариант – установить в разрыв цепи цепочку из диодов. На каждом кремниевом диоде упадёт около 0,6-0,7 Вольт. Так опустить напряжение до нужного уровня можно, набрав нужное количество диодов.
Часто возникает необходимость подключить устройство к бортовой сети автомобиля, оно колеблется от 12 до 14,3-14,7 Вольт. Чтобы понизить напряжение постоянного тока с 12 до 9 Вольт можно использовать линейный стабилизатор типа L7809, а, чтобы опустить с 12 до 5 Вольт – используйте L7805. Или их аналоги ams1117-5.0 или ams1117-9.0 или amsr-7805-nz и подобные на любое нужное напряжение. Схема подключения таких стабилизаторов изображена ниже.
Для питания более мощных потребителей удобно использовать импульсные преобразователи для понижения и регулировки напряжения от источника питания. Примером таких устройств являются платы на LM2596, а в англо-язычных интернет-магазинах их можно найти по запросам «DC-DC step down» или «DC-DC buck converter».
Нравится(0 ) Не нравится(0 )
Есть другой способ снижения напряжения на нагрузке, но только для цепей постоянного тока. Про смотри здесь.
Вместо дополнительного резистора используют цепочку из последовательно включенных, в прямом направлении, диодов.
Весь смысл состоит в том, что при протекании тока через диод на нем падает «прямое напряжение» равное, в зависимости от типа диода, мощности и тока протекающего через него — от 0,5 до 1,2 Волта.
На германиевом диоде падает напряжение 0,5 — 0,7 В, на кремниевом от 0,6 до 1,2 Вольта. Исходя из того, на сколько вольт нужно понизить напряжение на нагрузке, включают соответствующее количество диодов.
Чтобы понизить напряжение на 6 В необходимо приблизительно включить: 6 В: 1,0 = 6 штук кремниевых диодов, 6 В: 0,6 = 10 штук германиевых диодов. Наиболее популярны и доступны кремниевые диоды.
Выше приведенная схема с диодами, более громоздка в исполнении, чем с простым резистором. Но, выходное напряжение, в схеме с диодами, более стабильно и слабо зависит от нагрузки. В чем разница между этими двумя способами снижения выходного напряжения?
На Рис 1 — добавочное сопротивление — резистор (проволочное сопротивление), Рис 2 — добавочное сопротивление — диод.
У резистора (проволочного сопротивления) линейная зависимость между током, проходящем через него и падением напряжения на нем. Во сколько раз увеличится ток, во столько же раз увеличится и падение напряжения на резисторе.
Из примера 1: если мы к лампочке подключим параллельно еще одну, то ток в цепи увеличится, с учетом общего сопротивления двух лампочек до 0,66 А. Падение напряжения на добавочном резисторе будет: 12 Ом *0,66 А = 7,92 В. На лампочках останется: 12 В — 7,92 В = 4,08 В. Они будут гореть в пол накала.
Совсем другая картина будет если вместо резистора будет цепочка диодов.
Зависимость между током протекающем через диод и падающем на нем напряжении нелинейная. Ток может увеличиться в несколько раз, падение напряжения на диоде увеличится всего на несколько десятых вольта.
Т.е. чем больше ток диода, тем (сравнительно с резистором) меньше увеличивается его сопротивление. Падение напряжения на диодах мало зависит от тока в цепи.
Диоды в такой цепи выполняют роль стабилизатора напряжения. Диоды необходимо подбирать по максимальному току в цепи. Максимально допустимый ток диодов должен быть больше, чем ток в рассчитываемой цепи.
Падения напряжения на некоторых диодах при токе 0,5 А даны в таблице.
В цепях переменного тока, в качестве добавочного сопротивления можно использовать конденсатор, индуктивность, динистор или тиристор (с добавлением схемы управления).
Нужно знать, как понизить напряжение в цепи, чтобы не повредить электрические приборы. Всем известно, что к домам подходит два провода - ноль и фаза. Это называется однофазной крайне редко используется в частном секторе и многоквартирных домах. Необходимости в ней просто нет, так как вся бытовая техника питается от сети переменного однофазного тока. Но вот в самой технике требуется делать преобразования - понижать переменное напряжение, преобразовывать его в постоянное, изменять амплитуду и прочие характеристики. Именно эти моменты и нужно рассмотреть.
Снижение напряжения с помощью трансформаторов
Самый простой способ - это использовать трансформатор пониженного напряжения, который совершает преобразования. Первичная обмотка содержит большее число витков, чем вторичная. Если есть необходимость снизить напряжение вдвое или втрое, вторичную обмотку можно и не использовать. Первичная обмотка трансформатора используется в качестве индуктивного делителя (если от нее имеются отводы). В бытовой технике используются трансформаторы, со вторичных обмоток которых снимается напряжение 5, 12 или 24 Вольта.
Это наиболее часто используемые значения в современной бытовой технике. 20-30 лет назад большая часть техники питалась напряжением в 9 Вольт. А ламповые телевизоры и усилители требовали наличия постоянного напряжения 150-250 В и переменного для нитей накала 6,3 (некоторые лампы питались от 12,6 В). Поэтому вторичная обмотка трансформаторов содержала такое же количество витков, как и первичная. В современной технике все чаще используются инверторные блоки питания (как на компьютерных БП), в их конструкцию входит трансформатор повышающего типа, он имеет очень маленькие габариты.
Делитель напряжения на индуктивностях
Индуктивность - это катушка, намотанная медным (как правило) проводом на металлическом или ферромагнитном сердечнике. Трансформатор - это один из видов индуктивности. Если от середины первичной обмотки сделать отвод, то между ним и крайними выводами будет равное напряжение. И оно будет равно половине напряжения питания. Но это в том случае, если сам трансформатор рассчитан на работу именно с таким питающим напряжением.
Но можно использовать несколько катушек (для примера можно взять две), соединить их последовательно и включить в сеть переменного тока. Зная значения индуктивностей, несложно произвести расчет падения на каждой из них:
- U(L1) = U1 * (L1 / (L1 + L2)).
- U(L2) = U1 * (L2 / (L1 + L2)).
В этих формулах L1 и L2 - индуктивности первой и второй катушек, U1 - напряжение питающей сети в Вольтах, U(L1) и U(L2) - падение напряжения на первой и второй индуктивностях соответственно. Схема такого делителя широко применяется в цепях измерительных устройств.
Делитель на конденсаторах
Очень популярная схема, используется для снижения значения питающей сети переменного тока. Применять ее в цепях постоянного тока нельзя, так как конденсатор, по теореме Кирхгофа, в цепи постоянного тока - это разрыв. Другими словами, ток по нему протекать не будет. Но зато при работе в цепи переменного тока конденсатор обладает реактивным сопротивлением, которое и способно погасить напряжение. Схема делителя похожа на ту, которая была описана выше, но вместо индуктивностей используются конденсаторы. Расчет производится по следующим формулам:
- Реактивное сопротивление конденсатора: Х(С) = 1 / (2 * 3,14 *f * C).
- Падение напряжения на С1: U(C1) = (C2 * U) / (C1 + C2).
- Падение напряжения на С2: U(C1) = (C1 * U) / (C1 + C2).
Здесь С1 и С2 - емкости конденсаторов, U - напряжение в питающей сети, f - частота тока.
Делитель на резисторах
Схема во многом похожа на предыдущие, но используются постоянные резисторы. Методика расчета такого делителя немного отличается от приведенных выше. Использоваться схема может как в цепях переменного, так и постоянного тока. Можно сказать, что она универсальная. С ее помощью можно собрать понижающий преобразователь напряжения. Расчет падения на каждом резисторе производится по следующим формулам:
- U(R1) = (R1 * U) / (R1 + R2).
- U(R2) = (R2 * U) / (R1 + R2).
Нужно отметить один нюанс: величина сопротивления нагрузки должна быть на 1-2 порядка меньше, чем у делительных резисторов. В противном случае точность расчета будет очень грубая.
Практическая схема блока питания: трансформатор
Для выбора питающего трансформатора вам потребуется знать несколько основных данных:
- Мощность потребителей, которые нужно подключать.
- Значение напряжения питающей сети.
- Значение необходимого напряжения во вторичной обмотке.
S = 1,2 * √P1.
А мощность Р1 = Р2 / КПД. Коэффициент полезного действия трансформатора никогда не будет более 0,8 (или 80%). Поэтому при расчете берется максимальное значение - 0,8.
Мощность во вторичной обмотке:
Р2 = U2 * I2.
Эти данные известны по умолчанию, поэтому произвести расчет не составит труда. Вот как понизить напряжение до 12 вольт, используя трансформатор. Но это не все: бытовая техника питается постоянным током, а на выходе вторичной обмотки - переменный. Потребуется совершить еще несколько преобразований.
Схема блока питания: выпрямитель и фильтр
Далее идет преобразование переменного тока в постоянный. Для этого используются полупроводниковые диоды или сборки. Самый простой тип выпрямителя состоит из одного диода. Называется он однополупериодный. Но максимальное распространение получила мостовая схема, которая позволяет не просто выпрямить переменный ток, но и избавиться максимально от пульсаций. Но такая схема преобразователя все равно неполная, так как от переменной составляющей одними полупроводниковыми диодами не избавиться. А понижающие трансформаторы способны преобразовать переменное напряжение в такое же по частоте, но с меньшим значением.
Электролитические конденсаторы используются в блоках питания в качестве фильтров. По теореме Кирхгофа, такой конденсатор в цепи переменного тока является проводником, а при работе с постоянным - разрывом. Поэтому постоянная составляющая будет протекать беспрепятственно, а переменная замкнется сама на себя, следовательно, не пройдет дальше этого фильтра. Простота и надежность - это именно то, что характеризует такие фильтры. Также могут применяться сопротивления и индуктивности для сглаживания пульсаций. Подобные конструкции используются даже в автомобильных генераторах.
Стабилизация напряжения
Вы узнали, как понизить напряжение до нужного уровня. Теперь его нужно стабилизировать. Для этого используются специальные приборы - стабилитроны, которые изготовлены из полупроводниковых компонентов. Они устанавливаются на выходе блока питания постоянного тока. Принцип работы заключается в том, что полупроводник способен пропустить определенное напряжение, излишек преобразуется в тепло и отдается посредством радиатора в атмосферу. Другими словами, если на выходе БП 15 вольт, а установлен стабилизатор на 12 В, то он пропустит именно столько, сколько нужно. А разница в 3 В пойдет на нагрев элемента (закон сохранения энергии действует).
Заключение
Совершенно другая конструкция - это стабилизатор напряжения понижающий, он делает несколько преобразований. Сначала напряжение сети преобразуется в постоянное с большой частотой (до 50 000 Гц). Оно стабилизируется и подается на импульсный трансформатор. Далее происходит обратное преобразование до рабочего напряжения (сетевого или меньшего по значению). Благодаря использованию электронных ключей (тиристоров) постоянное напряжение преобразуется в переменное с необходимой частотой (в сетях нашей страны - 50 Гц).