Що таке напруга, як знизити і підвищити напругу

Напруга і сила струму – дві основні величини в електриці. Крім них виділяють і ряд інших величин: заряд, напруженість магнітного поля, напруженість електричного поля, магнітна індукція та інші. Практикуючому електрику або електронщику в повсякденній роботі найчастіше доводиться оперувати саме напругою і струмом – вольт і ампер. У цій статті ми розповімо саме про напругу, про те, що це таке і як з ним працювати.

Визначення фізичної величини

Напруга це різниця потенціалів між двома точками, характеризує виконану роботу електричного поля по перенесенню заряду з першої точки до другої. Вимірюється напруга в Вольтах. Значить, напруга може бути присутнім тільки між двома точками простору. Отже, виміряти напругу в одній точці не можна.

Потенціал позначається буквою “Ф”, а напруга буквою “U”. Якщо виразити через різницю потенціалів, напруга дорівнює:

U = Ф1-Ф2

Якщо виразити через роботу, тоді:

U = A / q,

де A – робота, q – заряд.

Вимірювання напруги

Напруга вимірюється за допомогою вольтметра. Щупи вольтметра підключають на дві точки напруження, між якими нас цікавить, або на висновки деталі, падіння напруги на якій ми хочемо виміряти. При цьому будь-яке підключення до схеми може впливати на її роботу. Це означає, що при додаванні паралельно елементу будь-якої навантаження струм в ланцюзі змінити і напруга на елементі змінитися за законом Ома.

висновок:

Вольтметр повинен володіти максимально високим вхідним опором, щоб при його підключенні підсумкове опір на вимірюваному ділянці залишалося практично незмінним. Опір вольтметра має прагнути до нескінченності, і чим воно більше, тим більша вірогідність показань.

На точність вимірювань (клас точності) впливає цілий ряд параметрів. Для стрілочних приладів – це і точність градуювання вимірювальної шкали, конструктивні особливості підвісу стрілки, якість і цілісність електромагнітної котушки, стан зворотних пружин, точність підбору шунта та інше.

Для цифрових приладів – в основному точність підбору резисторів в вимірювальному делителе напруги, розрядність АЦП (чим більше, тим точніше), якість вимірювальних щупів.

Для вимірювання постійної напруги за допомогою цифрового приладу (наприклад, мультиметра), як правило, не має значення, чи правильно підключено щупів до вимірюваної ланцюга. Якщо ви підключите позитивний щуп до точки з більш негативним потенціалом, ніж у точки, до якої підключений негативний щуп – то на дисплеї перед результатом вимірювання з’явиться знак “-“.

А ось якщо ви міряєте стрілочним приладом потрібно бути уважним, При неправильному підключенні щупів стрілка почне відхилятися в сторону нуля, упреться в обмежувач. При вимірі напруг близьких до межі вимірювань або більше вона може заклинити або погнутися, після чого про точність і подальшій роботі цього приладу годі й казати.

Для більшості вимірювань в побуті і в електроніці на аматорському рівні досить і вольтметра вбудованого в мультиметри типу DT-830 і подібних.

Чим більше вимірювані значення – тим нижче вимоги до точності, адже якщо ви вимірюєте частки вольта і у вас похибка в 0.1В – це істотно спотворить картину, а якщо ви вимірюєте сотні або тисячі вольт, то похибка і в 5 вольт не зіграє істотної ролі.

Що робити якщо напруга не підходить для живлення навантаження

Для харчування кожного конкретного пристрою або апарату потрібно подати напругу певної величини, але трапляється, так що наявний у вас джерело живлення не підходить і видає низьке або занадто висока напруга. Вирішується ця проблема різними способами, в залежності від необхідної потужності, напруги і сили струму.

Як знизити напругу опором?

Опір обмежує струм і при його протіканні падає напруга на опір (струмообмежуючі резистор). Такий спосіб дозволяє знизити напругу для живлення малопотужних пристроїв з струмами споживання в десятки, максимум сотні міліампер.

Прикладом такого харчування можна виділити включення світлодіода в мережу постійного струму 12 (наприклад, бортова мережа автомобіля до 14.7 Вольт). Тоді, якщо світлодіод розрахований на живлення від 3.3 В, струмом в 20 мА, потрібен резистор R:

R = (14.7-3.3) /0.02) = 570 Ом

Але резистори відрізняються за максимальною розсіюється:

P = (14.7-3.3) * 0.02 = 0.228 Вт

Найближчий за номіналом в більшу сторону – резистор на 0.25 Вт.

Саме розсіює потужність і накладає обмеження на такий спосіб харчування, зазвичай потужність резисторів не перевищує 5-10 Вт. Виходить, що якщо потрібно погасити велику напругу або живити таким чином навантаження могутніше, доведеться ставити кілька резисторів тому потужності одного не вистачить і її можна розподілити між кількома.

Спосіб зниження напруги резистором працює і в ланцюгах постійного струму і в ланцюгах змінного струму.

Недолік – вихідна напруга нічим нестабілізованих і при збільшенні і зниженні струму воно змінюється пропорційно номіналу резистора.

Як знизити змінну напругу дроселем або конденсатором?

Якщо мову вести тільки про змінний струм, то можна використовувати реактивний опір. Реактивний опір є тільки в ланцюгах змінного струму, це пов’язано з особливостями накопичення енергії в конденсаторах і котушках індуктивності та законами комутації.

Дросель і конденсатор в змінному струмі можуть бути використані в ролі баластного опору.

Реактивний опір дроселя (і будь-якого індуктивного елемента) залежить від частоти змінного струму (для побутової електромережі 50 Гц) і індуктивності, він розраховується за формулою:

де ω – кутова частота в рад / с, L-індуктивність, 2Пі – необхідно для перекладу кутовий частоти в звичайну, f – частота напруги в Гц.

Реактивний опір конденсатора залежить від його місткості (чим менше С, тим більше опір) і частоти струму в ланцюзі (чим більше частота, тим менше опір). Його можна розрахувати так:

Приклад використання індуктивного опір – це харчування люмінесцентних ламп освітлення, ДРЛ ламп і ДНаТ. Дросель обмежує струм через лампу, в ЛЛ і ДНаТ лампах він використовується в парі з стартером або імпульсним запалюють пристроєм (пусковий реле) для формування сплеску високої напруги включає лампу. Це пов’язано з природою і принципом роботи таких світильників.

А конденсатор використовують для живлення малопотужних пристроїв, його встановлюють послідовно з живиться ланцюгом. Такий блок живлення називається “бестрансфоматорний блок живлення з баластними (гасить) конденсатором”.

Дуже часто зустрічають як обмежувача струму заряду акумуляторів (наприклад, свинцевих) в носяться ліхтарях і малопотужних радіоприймачах. Недоліки такої схеми очевидні – немає контролю рівня заряду акумулятора, їх википання, недозаряд, нестабільність напруги.

Як знизити і стабілізувати напругу постійного струму

Щоб домогтися стабільного вихідної напруги можна використовувати параметричні і лінійні стабілізатори. Часто їх роблять на вітчизняних мікросхемах типу КРЕН або зарубіжних типу L78xx, L79xx.


Лінійний перетворювач LM317 дозволяє стабілізувати будь-яке значення напруги, він регульований до 37В, ви можете зробити найпростіший регульований блок живлення на його основі.

Якщо потрібно трохи знизити напругу і стабілізувати його описані ІМС не підійдуть. Щоб вони працювали повинна бути різниця порядку 2В і більш. Для цього створені LDO (low dropout) -стабілізатори. Їх відмінність полягає в тому, що для стабілізації вихідної напруги потрібно, щоб вхідний його перевищувало на величину від 1В. Приклад такого стабілізатора AMS1117, випускається у версіях від 1.2 до 5В, найчастіше використовують версії на 5 і 3.3В, наприклад в платах Arduino і багато іншого.

Конструкція всіх вищеописаних лінійних понижуючих стабілізаторів послідовного типу має суттєвий недолік – низький ККД. Чим більше різниця між вхідним і вихідним напругою – тим він нижчий. Він просто «спалює» зайву напругу, переводячи його в тепло, а втрати енергії рівні:

Pпотерь = (Uвх-U вих) * I

Компанія AMTECH випускає ШІМ аналоги перетворювачів типу L78xx, вони працюють за принципом широтно-імпульсної модуляції і їх ККД дорівнює завжди більше 90%.

Вони просто включають і вимикають напругу з частотою до 300 кГц (пульсації мінімальні). А чинне напруга стабілізується на потрібному рівні. А схема включення аналогічна лінійним аналогам.

Як підвищити постійна напруга?

Для підвищення напруги виробляють імпульсні перетворювачі напруги. Вони можуть бути включені і за схемою підвищення (boost), і зниження (buck), і по повишающе-понижувальної (buck-boost) схемою. Давайте розглянемо декілька представників:

1. Плата на базі мікросхеми XL6009

2. Плата на базі LM2577, працює на підвищення і зниження вихідної напруги.

3. Плата перетворювач на FP6291, підходить для зборки 5 V джерела живлення, наприклад powerbank. За допомогою коригування номіналів резисторів може перебудовуватися на інші напруги, як і будь-які інші подібні перетворювач – потрібно коригувати ланцюга зворотного зв’язку.

4. Плата на базі MT3608

Тут все підписано на платі – майданчики для пайки вхідного – IN і вихідного – OUT напруги. Плати можуть мати регулювання вихідної напруги, а в деяких випадках і обмеження струму, що дозволяє зробити простий і ефективний лабораторний блок живлення. Більшість перетворювачів, як лінійних, так і імпульсних мають захист від КЗ.

Як підвищити змінну напругу?

Для коригування змінної напруги використовують два основних способи:

1. Автотрансформатор;

2. Трансформатор.

автотрансформатор – це дросель з декількома обмотками. Обмотка має відвід від певної кількості витків, так підключаючись між одним з кінців обмотки і відведенням, на кінцях обмотки ви отримуєте підвищена напруга в стільки разів, у скільки співвідноситься загальна кількість витків і кількість витків до відведення.

Промисловістю випускаються ЛАТР – лабораторні автотрансформатори, спеціальні електромеханічні пристрої для регулювання напруги. Дуже широко застосування вони знайшли в розробці електронних пристроїв і ремонті джерел живлення. Регулювання досягається за рахунок змінного щіткового контакту, до якого підключається живиться пристрій.

Недоліком таких пристроїв є відсутність гальванічної розв’язки. Це означає, що на вихідних клемах може запросто виявитися висока напруга, звідси небезпека ураження електричним струмом.

трансформатор – це класичний спосіб зміни величини напруги. Тут є гальванічна розв’язка від мережі, що підвищує безпеку таких установок. Величина напруги на вторинній обмотці залежить від напружень на первинної обмотки і коефіцієнта трансформації.

Uвт = Uперв * Kтр

Kтр = N1 / N2

Окремий вид – це імпульсні трансформатори. Вони працюють на високих частотах в десятки і сотні кГц. Використовуються в переважній більшості імпульсних блоках харчування, наприклад:

  • Зарядний пристрій вашого смартфона;

  • Блок живлення ноутбука;

  • Блок живлення комп’ютера.

За рахунок роботи на великій частоті знижуються масогабаритні показники, вони в рази менше ніж у мережевих (50/60 Гц) трансформаторів, кількість витків на обмотках і, як наслідок, ціна. Перехід на імпульсні блоки живлення дозволив зменшити габарити і вага всієї сучасної електроніки, знизити її споживання за рахунок збільшення ККД (в імпульсних схемах 70-98%).

У магазинах часто зустрічаються електронні траснформатори, на їх вхід подається напруга мережі 220В, а на виході наприклад 12 В змінне високочастотне, для використання в навантаженні яка живиться від постійного струму потрібно додатково встановлювати на вихід діодний міст з високошвидкісних діодів.

Всередині знаходиться імпульсний трансформатор, транзисторні ключі, драйвер, або автогенераторного схема, як зображена нижче.

Переваги – простота схеми, гальванічна розв’язка і малі розміри.

Недоліки – більшість моделей, що зустрічаються в продажу, мають зворотний зв’язок по току, це означає що без навантаження з мінімальною потужністю (вказано в специфікаціях конкретного приладу) він просто не включиться. Окремі екземпляри обладнані вже ОС по напрузі і працюють на холостому ходу без проблем.

Використовуються найчастіше для живлення 12В галогенних ламп, наприклад точкові світильники підвісної стелі.

висновок

Ми розглянули базові відомості про напругу, його вимірі, а також регулювання. Сучасна елементна база і асортимент готових блоків і перетворювачів дозволяє реалізовувати будь-які джерела живлення з необхідними вихідними характеристиками. Детальніше про кожен із способів можна написати окрему статтю, в межах цієї я постарався вмістити базові відомості, необхідні для швидкого підбору зручного для вас рішення.

Олексій Бартош

Ссылка на основную публикацию