Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам » Что такое напряжение, как понизить и повысить напряжение
Количество просмотров: 113385
Комментарии к статье: 11


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.

Что такое напряжение, как понизить и повысить напряжение

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.

Разобранный вольтметр

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.

Вольтметр

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 "–".

Измерение напряжения постоянного тока

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:

Когда переменный ток проходит через проводник, вокруг проводника образуется магнитное поле. Если проводник намотан на катушку, то магнитное поле увеличивается. Если в цепи образуется значительное магнитное поле, то в этой цепи возникает противодействие потоку тока, что называется индуктивным реактивным сопротивлением.

Пример использования индуктивного сопротивления - 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.

Бестраснформаторный блок питания

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.

Стабилизатор напряжения
Схема подключения стабилизатора напряжения

Линейный преобразователь LM317 позволяет стабилизировать любое значение напряжения, он регулируемый до 37В, вы можете сделать простейший регулируемый блок питания на его основе.

Схема LM317

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%.

ШИМ аналог преобразователей типа L78xx

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.

Схема включения преобразователя

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

Плата на базе микросхемы XL6009

2. Плата на базе LM2577, работает на повышение и понижение выходного напряжения.

Плата на базе LM2577

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.

Плата преобразователь на FP6291

4. Плата на базе MT3608

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.

Схема автотрансформатора

Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки. Это значит, что на выходных клеммах может запросто оказаться высокое напряжение, отсюда опасность поражения электрическим током.

Лабораторный автотрансформатор

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

Устройство трансформатора

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.

Блоки питания

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.

Импульсный блок питания

Внутри находится импульсный трансформатор, транзисторные ключи, драйвер, или автогенераторная схема, как изображена ниже.

Схема электронного трансформатора

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

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 

О сайте Электрик Инфо и авторах статей



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Подключение амперметра и вольтметра в сети постоянного и переменного тока
  • Делитель напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях
  • Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения
  • Трансформаторы и автотрансформаторы - в чем различие и особенность
  • Электрическая схема блока питания для гаража
  • Напряжение, сопротивление, ток и мощность - основные электрические величины
  • Как подключить электрическую лампочку на другое напряжение
  • Универсальный источник питания
  • Как сделать выпрямитель и простейший блок питания
  • Как происходит выпрямление переменного тока
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

    Основы электричества, Автотрансформаторы, Трансформаторы, Стабилизатор переменного напряжения, Микросхемы, Основы электричества

      Комментарии:

    #1 написал: Антон |

    Есть входное постоянно напряжение изменяющееся в диапазоне 0.1-0.9в. Как линейно его понизить на 0.1-0.2в (выходное должно так же изменяться)?

      Комментарии:

    #2 написал: Андрей Ак  |

    А разве дроссель от люминесцентных можно использовать для понижения напряжения? Он же выдаёт высоковольтный импульс при размыкании контактов.

      Комментарии:

    #3 написал: qwerty |

    Как вы резисторами напряжение понижаете?

      Комментарии:

    #4 написал: Алексей Бартош |

    qwerty, Резистор ограничивает ток, так при известном номинальном токе нагрузки и напряжении источника питания резистором можно "выставить" необходимое напряжение на нагрузке.

      Комментарии:

    #5 написал: Сергей Сергеевич |

    Электрическое напряжение — это физическая величина, которая выражает разницу в электрическом потенциале двух точек и представляет собой энергию, необходимую для перемещения электрического заряда между этими двумя точками в определенном электрическом поле. Электрическое напряжение тесно связано с электрическим током, возникающим при приложении электрического напряжения к токопроводящим объектам в соответствии с законом Ома.

      Комментарии:

    #6 написал: Опытный электрик |

    Напряжение - это разность потенциалов между двумя точками электрической цепи. Обычно выражается в вольтах (В).

    Чтобы повысить напряжение в бытовых условиях, можно использовать трансформатор. Трансформатор представляет собой устройство, которое изменяет напряжение переменного тока с одного уровня на другой. Для повышения напряжения используется трансформатор с большим количеством витков на обмотке высшего напряжения, а на обмотке низшего напряжения - меньшее количество витков. В результате, напряжение на выходе будет выше, чем на входе.

    Для понижения напряжения в бытовых условиях можно использовать трансформатор с меньшим количеством витков на обмотке высшего напряжения и большим количеством на обмотке низшего напряжения. В результате, напряжение на выходе будет ниже, чем на входе.

    Также существуют другие устройства, которые могут повышать и понижать напряжение, например, стабилизаторы напряжения и инверторы. Однако, использование этих устройств в бытовых условиях не всегда оправдано и может быть дорогостоящим.



    Цитата: qwerty
    Как вы резисторами напряжение понижаете?

    Понижение напряжения с помощью резисторов возможно при использовании делителя напряжения. Делитель напряжения - это схема, состоящая из двух резисторов, которые подключаются последовательно к цепи и позволяют разделить входное напряжение на две части с определенным соотношением. Выходное напряжение находится между точкой между двумя резисторами и землей. Значение выходного напряжения определяется соотношением сопротивлений резисторов: выходное напряжение будет равно входному напряжению, умноженному на отношение сопротивления второго резистора к сумме сопротивлений обоих резисторов.

    Цитата: Андрей Ак 
    А разве дроссель от люминесцентных можно использовать для понижения напряжения? Он же выдаёт высоковольтный импульс при размыкании контактов.

    Вы правы, дроссель от люминесцентной лампы не подходит для понижения напряжения, так как он предназначен для создания высокого напряжения, необходимого для зажигания газоразрядной трубки в лампе. Для понижения напряжения используются другие компоненты, такие как резисторы, трансформаторы или стабилизаторы напряжения.

      Комментарии:

    #7 написал: Гость |

    Напряжение - это разность потенциалов между двумя точками в электрической цепи. Чтобы понизить напряжение, можно использовать трансформатор, резистор или делитель напряжения. Чтобы повысить напряжение, можно использовать усилитель напряжения или трансформатор.

      Комментарии:

    #8 написал: Sergey |

    Для снижения напряжения постоянного или переменного тока можно использовать разные методы. Один из самых простых способов - увеличение сопротивления в цепи путем добавления резистора. При возникновении высокого сопротивления напряжение в цепи падает, что позволяет регулировать величину напряжения в сторону источника. Для повышения напряжения можно использовать трансформатор. Также можно использовать автотрансформатор, который позволяет как понизить, так и повысить напряжение. Другой способ - использование делителя напряжения, который позволяет понизить напряжение с помощью резисторов. Для понижения напряжения переменного тока можно использовать диоды, которые включаются в цепь последовательно. При этом выходное напряжение окажется ниже входного напряжения, которое будет падать на каждый диод в цепи. 

      Комментарии:

    #9 написал: Алексей |

    Очень интересно. Спасибо!

      Комментарии:

    #10 написал: Сергей |

    Для понижения напряжения можно использовать сопротивление, которое ограничивает ток и создает падение напряжения на себе. Для этого в цепь добавляют резистор, который может быть переменным или постоянным. Чем больше сопротивление резистора, тем меньше напряжение на выходе. Этот способ подходит для постоянного тока, но не для переменного.

      Комментарии:

    #11 написал: Михаил |

    Для того, чтобы понизить напряжение, вы можете использовать специальные устройства, называемые трансформаторами. Трансформатор состоит из двух обмоток провода, намотанных на железный сердечник. Когда ток проходит через одну обмотку, он создает магнитное поле в сердечнике, которое индуцирует ток в другой обмотке. Если число витков во второй обмотке меньше, чем в первой, то напряжение на выходе будет меньше, чем на входе. Это называется понижающим трансформатором. Для того, чтобы повысить напряжение, вы можете использовать обратный принцип. Если число витков во второй обмотке больше, чем в первой, то напряжение на выходе будет больше, чем на входе. Это называется повышающим трансформатором. Трансформаторы широко применяются в электротехнике и электронике для разных целей. Например, они используются для передачи электричества на большие расстояния с минимальными потерями или для адаптации устройств к разным стандартам напряжения.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.