Опубликовано

Чем понизить напряжение

Повышение переменного напряжения

Повысить переменное напряжение можно двумя способами – использовать трансформатор или автотрансформатор. Основная разница между ними состоит в том, что при использовании трансформатора есть гальваническая развязка между первичной и вторичной цепью, а при использовании автотрансформатора её нет.

Интересно! Гальваническая развязка – это отсутствие электрического контакта между первичной (входной) цепью и вторичной (выходной).

Рассмотрим часто возникающие вопросы. Если вы попали за границы нашей необъятной родины и электросети там отличаются от наших 220 В, например, 110В, то чтобы поднять напряжение со 110 до 220 Вольт нужно использовать трансформатор, например, такой как изображен на рисунке ниже:

Следует сказать о том, что такие трансформаторы можно использовать «в любую сторону». То есть, если в технической документации вашего трансформатора написано «напряжение первичной обмотки 220В, вторичной – 110В» – это не значит, что его нельзя подключить к 110В. Трансформаторы обратимы, и, если на вторичную обмотку подать, те же 110В – на первичной появится 220В или другое повышенное значение, пропорциональные коэффициенту трансформации.

Следующая проблема, с которой многие сталкиваются – низкое напряжение в электросети, особенно часто это наблюдается в частных домах и в гаражах. Проблема связана с плохим состоянием и перегрузкой линий электропередач. Чтобы решить эту проблему – вы можете использовать ЛАТР (лабораторный автотрансформатор). Большинство современных моделей могут как понижать, так и плавно повышать параметры сети.

Схема его изображена на лицевой панели, а на объяснениях принципа действия мы останавливаться не будем. ЛАТРы продаются разных мощностей, тот что на рисунке примерно на 250-500 ВА (вольт-амперы). На практике встречаются модели до нескольких киловатт. Такой способ подходит для подачи номинальных 220 Вольт на конкретный электроприбор.

Если вам нужно дёшево поднять напряжение во всем доме, ваш выбор — релейный стабилизатор. Они также продаются с учетом разных мощностей и модельный ряд подходит для большинства типовых случаев (3-15 кВт). Устройство основано также на автотрансформаторе. О том, как выбрать стабилизатор напряжения для дома, мы рассказали в статье, на которую сослались.

Цепи постоянного тока

Всем известно, что на постоянном токе трансформаторы не работают, тогда как в таких случаях повысить напряжение? В большинстве случаев постоянку повышают с помощью дросселя, полевого или биполярного транзистора и ШИМ-контроллера. Другими словами, это называется бестрансформаторный преобразователь напряжения. Если эти три основных элемента соединить как показано на рисунке ниже и на базу транзистора подавать ШИМ сигнал, то его выходное напряжение повысится в Ku раз.

Ku=1/(1-D)

Также рассмотрим типовые ситуации.

Допустим вы хотите сделать подсветку клавиатуры с помощью небольшого отрезка светодиодной ленты. Для этого вполне хватит мощности зарядного от смартфона (5-15 Вт), но проблема в том, что его выходное напряжение составляет 5 Вольт, а распространенные типы светодиодных лент работают от 12 В.

Тогда как повысить напряжение на зарядном устройстве? Проще всего повысить с помощью такого устройства как «dc-dc boost converter» или «импульсный повышающий преобразователь постоянного напряжения».

Такие устройства позволяют повысить напряжение с 5 до 12 Вольт, и продаются как с фиксированной величиной, так и регулируемые, что позволит в большинстве случаев поднять с 12 до 24 и даже до 36 Вольт. Но учтите, что выходной ток ограничен самым слабым элементом цепи, в обсуждаемой ситуации – током на зарядном устройстве.

При использовании указанной платы выходной ток будет меньше входного во столько раз, во сколько поднялось напряжение на выходе, без учета КПД преобразователя (он в районе 80-95%).

Подобные устройства строят на базе микросхем MT3608, LM2577, XL6009. С их помощью можно сделать устройство для проверки реле регулятора не на генераторе автомобиля, а на рабочем столе, регулируя значения с 12 до 14 Вольт. Ниже вы видите видео-тест такого устройства.

Интересно! Любители самоделок часто задают вопрос «как повысить напряжение с 3,7 В до 5 В, чтобы сделать Power bank на литиевых аккумуляторах своими руками?». Ответ прост – использовать плату-преобразователь FP6291.

На подобных платах с помощью шелкографии указано назначение контактных площадок для подключения, поэтому схема вам не понадобится.

Также часто возникающая ситуация — необходимость подключить к автомобильному аккумулятору 220В прибор, а бывает что за городом очень нужно получить 220В. Если бензинового генератора у вас нет – используйте автомобильный аккумулятор и инвертор, чтобы повысить напряжение с 12 до 220 Вольт. Модель мощностью в 1 кВт можно купить за 35 долларов – это недорогой и проверенный способ подключить 220В дрель, болгарку, котёл или холодильник к 12В аккумулятору.

Если вы водитель грузовика, вам не подойдёт именно указанный выше инвертор, из-за того, что в вашей бортовой сети скорее всего 24 Вольта. Если вам нужно поднять напряжение с 24В до 220В – то обратите на это внимание при покупке инвертора.

Хотя стоит отметить, что есть универсальные преобразователи, которые могут работать и от 12, и от 24 вольт.

В случаях, когда нужно получить высокое напряжение, например, поднять с 220 до 1000В, можно использовать специальный умножитель. Его типовая схема изображена ниже. Он состоит из диодов и конденсаторов. Вы получите на выходе постоянный ток, учтите это. Это удвоитель Латура-Делона-Гренашера:

А так выглядит схема несимметричного умножителя (Кокрофта-Уолтона).

С его помощью вы можете повысить напряжение в нужное число раз. Это устройство строится каскадами, от числа которых зависит сколько вольт на выходе вы получите. В следующем видео описан принцип работы умножителя.

Кроме этих схем существует еще множество других, ниже изображены схемы учетвертителя, 6- и 8-кратных умножителей, которые используются для повышения напряжения:

В заключении хотелось бы напомнить о технике безопасности. При подключении трансформаторов, автотрансформаторов, а также работе с инверторами и умножителями будьте аккуратны. Не касайтесь токоведущихчастей голыми руками. Подключения следует выполнять при отключенном питании от устройства, а также избегать их работы во влажных помещениях с возможностью попадания воды или брызг. Также не превышайте заявленный производителем ток трансформатора, преобразователя или блока питания, если не хотите, чтобы он у вас сгорел. Надеемся, предоставленные советы помогут вам повысить напряжение до нужного значения! Если возникнут вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Наверняка вы не знаете:

  • Что такое линейное и фазное напряжение
  • Как сделать 380В из 220
  • Что такое ограничитель перенапряжения

Эксперимент 4. Регулируем напряжение. Изучаем закон Ома

В предыдущем эксперименте мы изменяли напряжение на светодиоде меняя резисторы в схеме. Удобно было бы использовать устройство для регулировки напряжения, не меняя постоянно резисторы. Оказывается, для этого предназначен так званный переменный резистор или, как его еще называют — потенциометр. В продаже имеется большое разнообразие типов и размеров потенциометров, но все они выполняют одну и ту же функцию: позволяют изменять напряжение и ток в цепи за счет изменения сопротивления. В этом эксперименте мы сможем узнать больше о напряжении, силе тока и соотношении между ними. Здесь вы также познакомитесь и научитесь читать справочные листы технических данных изделий, выпускаемых фирмами — изготовителями потенциометров.

Здесь вам пригодятся:

  • те же самые батарейки, держатель для батареек, зажимы типа «крокодил» и светодиод, которые вы использовали в последнем эксперименте;
  • потенциометр с линейной характеристикой и номиналом 2 кОм. Количество — 2 шт. Полноразмерные потенциометры, которые выглядят так, как на рис. 1, встречаются реже по сравнению с более миниатюрными версиями. Я предпочитаю использовать потенциометры большего размера, поскольку с ними намного легче работать;
  • один дополнительный светодиод;
  • мультиметр.

Рис.1.

Заглянем внутрь вашего потенциометра

Первое что я хочу сделать, это познакомить вас с тем, как работает потенциометр. Это означает, что вы должны открыть его, именно поэтому в вашем списке необходимых деталей было указано приобретение двух потенциометров — на тот случай, если вы не сможете собрать первый из них снова.

Большинство потенциометров фиксируются в собранном состоянии небольшими металлическими лапками. Вы наверняка сумеете подцепить эти лапки вашими бокорезами (кусачками для проводов) или плоскогубцами, а затем отогнуть их вверх и немного в стороны. Если вы сделаете это, то потенциометр должен открыться, как это показано на рис. 2.

Рис.2.

Провод или проводящая пленка обладают некоторым сопротивлением (2 кОм в данном случае), а при повороте оси потенциометра обеспечивается контакт любой соответствующей точки резистивного элемента (проволочного или непроволочного) с центральным выводом потенциометра.
После разборки потенциометра вы можете попытаться собрать его снова, но если это не получится, то надо взять запасной аналогичный потенциометр.
Чтобы проверить ваш потенциометр, нужно с помощью мультиметра измерять его сопротивление в омах, обеспечивая при этом постоянный контакт измерительных щупов с выводами потенциометра и вращая его ось в одну и другую сторону, как это показано на рис. 3.

Рис.3.

Уменьшение яркости вашего светодиода

Прежде всего, поверните ось потенциометра в крайнее положение против часовой стрелки, в противном случае вы можете сжечь ваш светодиод еще до начала эксперимента. (Крайне малое количество потенциометров увеличивают и уменьшают сопротивление другим способом по сравнению с тем, который я описываю здесь, но поскольку вы применяете потенциометр, показанный на рис. 1, то мое описание должно быть достаточно подробным).
После этого выполните все подключения, как это показано на рис. 4, следя за тем, чтобы не позволять металлическим частям зажимов типа «крокодил» касаться друг друга. Теперь очень медленно по часовой стрелке начните поворачивать ось потенциометра. В результате вы должны заметить, что светодиод будет светиться все ярче и ярче, и, в конце концов, вдруг погаснет. Итак, вы опытным путем увидели, как легко можно вывести из строя современную электронику? Выбросите этот светодиод. Больше он уже никогда не загорится. Замените его новым светодиодом, но теперь будьте гораздо внимательнее.
Для измерения напряжения в схеме, в которой используются батарейки, надо на мультиметре выбрать режим для измерения напряжения на постоянном токе — «V» и «DC», «V» или «VDC», где DC (direct current) — постоянный ток, как это показано на рис. 5. Теперь измерительными щупами коснитесь выводов светодиода. Попытайтесь, удерживая щупы на месте, слегка повернуть ось потенциометра сначала в одну, а затем в другую сторону. Вы должны увидеть соответствующее изменение величины напряжения на выводах светодиода. Мы называем это разностью потенциалов между двумя выводами светодиода.

Рис.5.

Если вы вместо светодиода будете использовать маленькую лампочку накаливания, то вы при измерении получите разность потенциалов, которая будет меняться в гораздо большей степени, поскольку лампочка ведет себя, как «простое» сопротивление, тогда как светодиод в некоторой степени осуществляет самонастройку, изменяя свое сопротивление в зависимости от изменения напряжения питания.
Теперь, чтобы измерить разность потенциалов между выводами потенциометра, коснитесь их измерительными щупами. Потенциометр и светодиод делят между собой все имеющееся напряжение таким образом, что когда разность потенциалов (падение напряжения) на потенциометре повышается, тогда разность потенциалов между выводами светодиода падает, и наоборот (рис. 6, 7).

Рис.6.

Следует иметь в виду несколько обстоятельств.
• Если вы сложите все падения напряжения на каждом элементе цепи, то сумма будет равна тому напряжению, которое выдается батарейкой.
• При измерении напряжения вы всегда измеряете относительное напряжение между двумя точками в цепи.
• Измерительные щупы вашего прибора подсоединяйте очень осторожно, словно стетоскоп, без каких-либо нарушений или повреждений соединений в цепи.

Рис.7.

На рис.7:

а — Прибор показывает значение напряжения на светодиоде;

б — Прибор показывает значение напряжения на потенциометре.

Измерение тока

Сейчас выполним несколько другое измерение. Давайте измерим ток или силу тока в цепи, используя мультиметр, установив на нем «мА» (миллиамперы). Чтобы измерить силу тока, следует помнить, что:
• вы можете измерить ток только тогда, когда он проходит через ваш прибор;
• ваш измерительный прибор должен быть встроен в цепь;
• слишком большой ток может сжечь предохранитель внутри вашего прибора.
Следует убедиться, что на мультиметре установлен режим именно для измерения силы тока в миллиамперах (рис. 8), а не напряжения, как это было ранее.

Рис.8.

Подключите ваш тестер в цепь как это показано на рис. 9, а, б. Не следует поворачивать потенциометр больше чем наполовину. Сопротивление потенциометра будет защищать ваш тестер, как и светодиод. Если через тестер пропускается слишком большой ток, то вы сможете обнаружить себя выполняющим замену внутреннего предохранителя тестера.

Рис.9.

Если вы слегка измените положение регулятора потенциометра, повернув его в одну или другую сторону, то обнаружите, что изменение сопротивления в цепи будет приводить к изменению тока. Это может объяснить, почему светодиод перегорел в предыдущем эксперименте. Слишком большой ток делает его горячим, и это тепло расплавит его изнутри, как предохранитель в приведенном ранее эксперименте 2.

Более высокое сопротивление ограничивает ток или ее величину в амперах.

Теперь встройте мультиметр в другую часть исследуемой цепи, как это показано на рис. 9, б. По мере поворота потенциометра вперед или назад вы будете получать точно такие же результаты, что и в схеме, приведенной на рис. 9. Это происходит потому, что ток во всех точках такой цепи имеет одно и то же значение. Все это именно так, поскольку у потока электронов нет никакого другого пути.
Теперь наступило время, чтобы обратиться к некоторым цифрам. Здесь осталось проверить одну последнюю вещь. Отключите светодиод и замените его резистором с сопротивлением 1 кОм, как это показано на рис. 10. Общее сопротивление в цепи теперь будет равно 1 кОм плюс сопротивление потенциометра, зависящее от положения оси регулятора, в которое вы его установили. (Разумеется, мультиметр тоже имеет некоторое сопротивление, но оно настолько мало, что мы можем им пренебречь).

Рис.10.

Сначала поверните ось потенциометра до упора против часовой стрелки, и у вас получится суммарное сопротивление в цепи, равное 3 кОм. Ваш мультиметр при этом должен показать приблизительно 2 мА. Затем поверните ось потенциометра в среднее положение, и вы получите общее сопротивление в цепи порядка 2 кОм. Ток в этом случае должен быть около 3 мА. Теперь поверните ось потенциометра до упора по часовой стрелке. Общее сопротивление в цепи станет равно 1 кОм, и вы получите ток, который будет около 6 мА. Вы можете заметить, что если умножить сопротивление на силу тока, то каждый раз получится число 6 — что всего лишь означает величину напряжения, которое приложено к цепи (табл. 1).

Таблица 1.

Общее сопротивление, кОм Сила тока, мА Напряжение, В
3 2 6
2 3 6
1 6 6

Фактически мы можем сказать:
вольты = килоомы х миллиамперы.
Но подождите секунду: 1 кОм это 1000 Ом, а 1 мА это 1/1000 А. Поэтому наша формула по-настоящему должна выглядеть следующим образом:
вольты = (омы х 1000) х (амперы х 1/1000).
После сокращения числителя и знаменателя на 1000 получим:
вольты = омы х амперы.
Это известно, как закон Ома.

Фундаментальные сведения

Последовательно и параллельно

Перед тем, как продолжить, вы должны узнать каким образом изменяется сопротивление в цепи при последовательном и параллельном подключении резисторов (рис. 11-13). Следует запомнить, что:

  • При последовательном соединении резисторов они подключаются таким образом, что следуют друг за другом;
  • При параллельном соединении резисторов они подключаются таким образом, что располагаются рядом бок о бок.

Когда вы последовательно подключаете два резистора одного номинала, то вы удваиваете общее сопротивление, поскольку электрический ток в данном случае преодолевает два последовательных препятствия.

Рис. 11. К одному резистору приложено все напряжение в соответствии с Законом Ома по нему протекает ток величиной U/R = 6 В/1000 Ом = 0,006 А = 6 мА.

Рис. 12. Когда два одинаковых резистора подключены последовательно, электрический ток сначала должен пройти через один из них, а затем только через другой, поэтому на каждом из них падает половина приложенного напряжения. Общее сопротивление теперь становится 2000 Ом, и в соответствии с Законом Ома по цепи протекает ток величиной U/R = 6 В/2000 Ом = 0,003 А = 3 мА.

Рис. 13. когда два одинаковых резистора подключены параллельно, то к каждому из них приложено полное напряжение, т.е. напряжения на них составляют 6 В. Электрический ток проходит через них одновременно, поэтому общее сопротивление становится в два раза меньше по сравнению с тем, что было. В соответствии с Законом Ома по цепи проходит ток, равный U/R = 6 В/500 Ом = 0,012 А = 12 мА.

Когда два резистора одного наминала подключены параллельно, то вы делаете общее сопротивление на два пути, по которым он может пройти, вместо одного.

На практике нам нет необходимости устанавливать резисторы параллельно, но нам часто приходится подключать компоненты другого типа таким образом. Например, лампочки в вашем доме подключены таким образом. Поэтому очень полезно понимать, что сопротивление цепи уменьшается, если вы добавляете в нее компоненты при параллельном подключении.

Как читать справочные листы технических данных

Как и для большинства других случаев, ответ на этот вопрос можно найти в Интернете.

Здесь описано как можно найти справочные листы технических данных на изделия (их технические описания), выпускаемых тем или иным изготовителем (рис. 14). Во – первых, найдите компонент, который вас интересует, у поставщика, оформляющего заказы по электронной почте. Затем введите в поисковую систему Google номер детали и имя производителя. Обычно в числе первых результатов запроса появятся справочные листы технических данных этого компонента. С использованием таких источников, как сайт компании Mouser Electronics, поиск осуществляется еще проще, поскольку он предоставляет прямую ссылку на справочные листы технических данных для многих изделий.

Рис. 14. Типичный справочный лист технических данных, в который включены соответствующие технические характеристики изделия, в данном случае высокоэффективного светодиода в корпусе диаметром 5 мм.

Приведем пример. Предположим, я хочу использовать красный светодиод типа TLHR5400, выпускаемый компанией Vishay Semiconductor, который стал настолько распространенным, что я могу его купить отдельно по цене $0,09 за штуку (≈2,7 руб.). Щелкните мышью по ссылке на лист технических данных, который представлен компанией Vishay Semiconductor. Почти немедленно на экране компьютера появится страница файла в формате PDF. Этот лист технических данных для светодиодов типа TLHR, TLHG и TLHY, которые соответственно имеют свечение красного, зеленого и желтого цветов, что обозначается буквами «R», «G» и «Y» в наименовании светодиода. Пролистываю документ и нахожу таблицу «OPTICAL ELECTRICAL CHARACTERICS» (оптические и электрические характеристики). В ней содержится информация о том, что при токе через светодиод величиной 20 мА он имеет типичное значение («TYP.») прямого напряжения (Forward voltage) равное 2 В. Слово «MAX.» в таблице означает максимальное значение, которое составляет 3 В.

Теперь посмотрим на другой лист технических данных, поскольку все они имеют одну и ту же форму. Я выберу другой светодиод – компонент WP7113SGC компании Kingbright. Щелчок мышью по ссылке на сайте производителя и я получаю вторую страницу листа технических данных, где типичное значение прямого напряжения составляет 2,2 В, максимальное значение – 2,5 В, а максимальный прямой ток 25мА. Кроме того, я нашел некоторую дополнительную информацию: максимально допустимое обратное напряжение – 5 В, а максимально допустимый обратный ток 10 мкА (означает микроампер, который составляет величину в 1000 раз меньше ампера). Эти данные говорят нам, что не следует прикладывать избыточные напряжение к светодиоду при подключении с обратной полярностью. Если же для светодиода превысить максимально допустимое значение обратного напряжения, то возникает опасность выхода его из строя. Поэтому всегда старайтесь соблюдать полярность при подключении!

Компания Kingbright предоставляет сведения о том какую температуру может выдерживать светодиод: 260 °C (500°F) в течение нескольких секунд. Это полезная информация, поскольку довольно скоро мы отложим в сторону наши зажимы типа «крокодил» и для соединения электрических компонентов будем использовать расплавленный паяльником горячий припой. Поскольку мы уже вывели из строя батарейку, предохранитель и светодиод при выполнении всего лишь четырех экспериментов, поэтому возможно вы не увидитесь, что мы испортим, по меньшей мере, еще несколько компонентов при определении их предельных температурных значений при воздействии паяльника.

В любом случае теперь мы знаем, что необходимо для нормальной работы светодиода, и мы можем сделать все соответствующие расчеты.

Фундаментальные сведения

Закон Ома

По причинам, о которых я расскажу чуть позже, электрический ток обычно обозначается латинской буквой «I». Буквой «U» обозначают напряжение, а буквой «R» — сопротивление, обычно представленное в омах (поскольку с использованием большинства клавиатур не так легко напечатать букву «Ω»). Используя эти символьные обозначения, вы можете написать закон Ома тремя различными способами:

R = U/I.

Следует помнить, что U – это разность потенциалов (напряжение) между двумя точками простой цепи, R – сопротивление в омах между двумя этими точками, а I – ток в амперах, который проходит по этой цепи между двумя точками.

Буква «I» используется потому, что сила тока измеряется согласно создаваемой током индукции (inductance), что означает способность током индуцировать (создавать) магнитное поле. Для обозначения электрического тока гораздо меньше вопросов вызывало бы использование буквы «А», но, к сожалению, уже слишком поздно что – либо менять.

Базовые сведения

Какое напряжение падает на проводе?

Обычно, мы можем не учитывать сопротивление проводов, например, у проводов малой длины, которые соединяют сопротивления, поскольку это очевидно. Однако если вы попытаетесь пропустить ток большой величины через длинный тонкий провод, то становится важным учитывать его сопротивление.

Насколько же это важно? Чтобы определить это, мы снова можем воспользоваться законом Ома.

Предположим, что очень длинный кусок провода имеет сопротивление 0,2 Ома. Допустим по этому проводу мы хотим пропустить ток величиной 15 А. Какое по величине напряжение будет отобрано у цепи за счет его сопротивления?

Снова начинаем писать то уравнение, которое вам уже известно:

R = 0,2 Ом

I = 15 А

Мы хотим знать напряжение U, падение напряжения, для провода, поэтому мы воспользуемся законом Ома, в котором напряжение U находится в левой части уравнения:

U = I × R.

Теперь в эту формулу надо поставить значения, которые были заданы в условии:

U = 15 А × 0,2 Ом = 3 В

Три вольта это не слишком большое значение, если у вас есть источник большого напряжения, но если вы используете, например, автомобильный аккумулятор с напряжением 12 В, но провод такой длины будет отбирать в цепи четверть доступного напряжения (рис. 15).

Теперь вы должны понимать, почему провода в автомобилях достаточно толстые – это связано с тем, что их сопротивление должно быть гораздо меньше 0,2 Ом.

Рис. 15. Когда питание какого –либо устройства осуществляется от автомобильного аккумулятора с напряжением 12 В, сопротивление провода отнимает у цепи некоторое напряжение и рассеивает в виде тепла.

Фундаментальные сведения

Положение десятичного разделителя¹

Легендарный британский политик Сэр Уинстон Черчилль был знаменитым тем, что жаловался на «эти чертовы точка». Он имел в веду десятичные точки. Поскольку Черчилль был министром финансов в это время и нес ответственность за все расходы государства, то его затруднения при использовании десятичных точек создавали достаточно много проблем. Тем не менее, как бы то ни было, он всегда доводил дела до конца, что наверняка будете делать и вы.

Кроме того, вы можете воспользоваться карманным калькулятором – или следующими далее двумя основными правилами.

При выполнении умножения:

перемещайте десятичные запятые

Предположим. Вам надо умножить 0,04 на 0,005:

  1. Переместим десятичные запятые вправо за последние цифры обоих чисел. В данном примере нам потребуется выполнить всего 5 перемещений запятой, чтобы получить числа 4 и 5.
  2. Умножим числа, которые у вас получились. В данном примере: 4 × 5 = 20.
  3. Запишем окончательный результат, переместив в полученном числе десятичную запятую влево на то количество перемещений запятой, которые мы сделали в первом пункте, т.е. на 5. Таким образом, мы получим 0,00020 или 0,0002.

При выполнении деления:

аннулируйте десятичные запятые

Предположим. Вам надо разделить 0,006 на 0,0002:

  1. Переместите десятичные запятые вправо в обоих числах на одно и то же количество позиций, до тех пор, пока оба числа не станут больше 1. В данном случае нам надо в каждом числе переместить запятые на 4 позиции. Таким образом, мы получим, что число 60 надо разделить на 2.
  2. Выполните деление. В данном случае результат будет равен 30.

Насколько большое сопротивление требуется для светодиода?

Предположим, что мы применяем светодиод производства компании Vishay Semiconductors. Не забыли его технически характеристики, которые приведены в справочном листе технических данных? Максимальное значение прямого напряжения 3 В и безопасная величина тока 20 мА.

Для повышения безопасности я собираюсь ограничиться прямым напряжением 2,5 В. Для питания у нас есть батарейка на напряжение 6 В. Вычтем 2,5 В из 6 и получим 3,5 В. Поэтому нам в данной цепи необходим резистор, падения напряжения на котором должно составлять 3,5 В, и чтобы 2,5 В осталось для светодиода.

Сила тока в такой простой цепи является одинаковой во всех ее точках. Поэтому, если мы хотим, чтобы максимальное значение тока, который протекал бы через светодиод, было 20 мА, то такой же силы ток будет протекать и через резистор.

Теперь мы можем записать то, что мы знаем о резисторе в цепи. Однако следует помнить, что все значения должны быть приведены к единицам измерения в вольтах, амперах и омах, поэтому вместо 20 мА при вычислениях надо записать 0,02 А:

U = 3,5 В (падение напряжения на резисторе)

I = 0,02 А (ток, проходящий через резистор)

Нам нужно узнать сопротивление резистора R. Поэтому мы используем вариант написания закона Ома, в котором сопротивление находится в левой части уравнения:

R = U/I.

Теперь надо подставить известные значения в формулу:

R = 3,5/0,02

Выполните вычисление сопротивления с помощью вашего карманного калькулятора, если у вас есть проблемы с определением места, куда надо поставить десятичную запятую. Вы должны полечить следующий ответ:

R = 175 Ом

Итак, сопротивление 175 Ом является точным значением для резистора. Вы можете использовать резисторы со стандартным значением сопротивления 180 или даже 220 Ом, поскольку это достаточно близкие значения.

Очевидно, что резистор с сопротивлением 470 Ом, который мы использовали в эксперименте 3, был выбран со слишком большим запасом. Я предложил его именно потому, что вначале предполагалось использовать светодиод любого типа. Я рассчитал, что вне зависимости от типа используемого вами светодиода, резистор с сопротивлением 470 Ом вполне подойдет.

Наведение порядка и повторное использование

Сожженный светодиод должен быть выброшен. Все остальное можно использовать снова.

Базовые сведения

Происхождение понятия мощности

Джеймс Ватт известен как изобретатель парового двигателя. Он родился в 1736 году в Шотландии, где организовал небольшую мастерскую при Университете в Глазго и разработал эффективную конструкцию для использования пара с целью перемещения поршня в цилиндре. Финансовые проблемы и примитивное состояние технологии металлообработки отложили практическую реализацию изобретения до 1776 года.

Несмотря на трудности при получении патентов (которые могли быть выданы в то время только с помощью парламентского решения), Ватт и его партнер по бизнесу в конечном итоге заработали много денег на своих инновациях. Хотя он жил раньше основоположников электричества, в 1889 году (через 70 лет после его смерти), его имя было присвоено основной единице измерения электрической мощности, которая в электрических цепях постоянного тока может быть определена, как произведение тока в амперах на напряжение в вольтах

Фундаментальные сведения

Основные сведения о ваттах

До сих пор я ничего не говорил о единице измерения, с которой наверняка знаком каждый — это ватты.

Ватт это единица для измерения работы. Инженеры пользуются своим собственным определением работы — они говорят, что работа может быть выполнена человеком, животным или машиной, которая воздействует на что- то для преодоления механического сопротивления. Примером может служить паровой двигатель, который тянет поезд по горизонтальному пути (преодолевая трение и сопротивление воздуха), или человек, поднимающийся по лестнице (преодолевая силу тяжести).

Когда электроны прокладывают себе дорогу в цепи, они тоже преодолевают некоторое сопротивление и поэтому выполняют работу, которая может быть измерена в ваттах. Имеется очень простое определение:

ватты = вольты × амперы

Применяя обычные используемые обозначения, можно привести три формулы, которые в принципе означают одно и то же:

I = W/U.

Для ватт используется сокращенное международное обозначение «W», в русском обозначении «Вт». Совместно с сокращенными обозначениями ватт могут быть использованы различные приставки, такие, например, как «m» для обозначения «милли» — «mW» (в русском обозначении «мВт»), впрочем, точно такие же, как и в случае применения вольтов или ампер (табл. 2).

Таблица 2.

Поскольку электростанции, солнечные батареи и ветряные электростанции генерируют гораздо большие значения мощности, то вы также можете встретить такие обозначения, как «киловатты» (для обозначения используется буква «K» или в русском обозначении «к») и «мегаватты» (для обозначения используется прописная буква «M», чтобы не спутать ее со строчной буквой «м», которая применяется для обозначения милливатт) (табл. 3).

Таблица 3.Мощность лампочек накаливания выражается в ваттах. В аналогичных единицах измеряется мощность стереосистемы. Ватт получил свое название в честь Джеймса Ватта, который изобрел паровой двигатель. Кстати, ватты могут быть переведены в лошадиные силы и наоборот.

Ранее я уже упоминал, что резисторы изготавливают с различными стандартными значениями мощности — 0,25 Вт, 0,5 Вт, 1 Ватт и т. д. Я советовал, чтобы вы купили резисторы мощностью 0,25 Вт или больше. Откуда я это узнал?

Давайте вернемся назад к цепи со светодиодом. Помните, мы хотели, чтобы на резисторе падало напряжение 3,5 В, а ток был бы равен 20 мА. Какое количество мощности рассеивается на этом резисторе?

Запишите, что вам известно:

U = 3,5 В (падение напряжения на резисторе)

I = 20 мА = 0,02 А (ток, протекающий через резистор)

Мы хотим узнать мощность в ваттах, поэтому используем формулу, где мощность располагается в левой части уравнения:

W = U × I.

Теперь надо подставить значения в эту формулу:

W = 3,5 В × 0,02 А = 0,07 Вт (мощность, которая рассеивается резистором)

Таким образом, мы выяснили, что используемый нами резистор мощностью 0,25 Вт (1/4 ватта) имеет почти 4-кратный запас по сравнению с действительно рассеиваемой им мощностью. На самом деле здесь мы могли бы использовать резисторы мощностью 0,125 Вт (1/8 ватта), но для будущих экспериментов нам понадобятся резисторы мощностью 0,25 Вт. Поэтому в данном случае применяют именно такие резисторы, поскольку нет никаких ограничений для использования резистора, рассчитанного на мощность большую, чем та, которая в действительности на нем рассеивается.

Что такое напряжение, как понизить и повысить напряжение

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:

U=Ф1-Ф2

Если выразить через работу, тогда:

U=A/q,

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:

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 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:

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:

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:

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

Kтр=N1/N2

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.

Алексей Бартош

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *