Napětí a proud jsou dvě základní veličiny v elektřině. Kromě nich se rozlišuje i řada dalších veličin: náboj, síla magnetického pole, síla elektrického pole, magnetická indukce a další. Při každodenní práci musí praktický elektrikář nebo elektronik nejčastěji pracovat s napětím a proudem – volty a ampéry. V tomto článku si povíme konkrétně o napětí, co to je a jak s ním pracovat.
Stanovení fyzikální veličiny
Napětí je rozdíl potenciálů mezi dvěma body a charakterizuje práci vykonanou elektrickým polem pro přenos náboje z prvního bodu do druhého. Napětí se měří ve voltech. To znamená, že napětí může být přítomno pouze mezi dvěma body v prostoru. Proto je nemožné měřit napětí v jednom bodě.
Potenciál je označen písmenem „F“ a napětí písmenem „U“. Pokud je vyjádřeno jako rozdíl potenciálů, napětí se rovná:
Pokud je to vyjádřeno prací, pak:
kde A je práce, q je náboj.
Měření napětí
Napětí se měří pomocí voltmetru. Sondy voltmetru jsou připojeny ke dvěma napěťovým bodům, mezi kterými nás zajímají, nebo ke svorkám součásti, jejíž úbytek napětí chceme měřit. Navíc jakékoli připojení k obvodu může ovlivnit jeho provoz. To znamená, že když přidáte zátěž paralelně k prvku, proud v obvodu se změní a napětí na prvku se změní podle Ohmova zákona.
Závěr:
Voltmetr musí mít co nejvyšší vstupní odpor, aby při jeho zapojení zůstal výsledný odpor v měřené oblasti prakticky nezměněn. Odpor voltmetru by měl mít sklon k nekonečnu a čím vyšší je, tím větší je spolehlivost odečtů.
Přesnost měření (třída přesnosti) je ovlivněna řadou parametrů. U ukazatelových přístrojů to zahrnuje přesnost kalibrace měřící stupnice, konstrukční vlastnosti zavěšení ukazatele, kvalitu a integritu elektromagnetické cívky, stav vratných pružin, přesnost volby bočníku atd.
U digitálních přístrojů – hlavně přesnost výběru rezistorů v děliči měřicího napětí, kapacita ADC (čím větší, tím přesnější), kvalita měřicích sond.
Pro měření stejnosměrného napětí pomocí digitálního zařízení (například multimetru) zpravidla nezáleží na tom, zda jsou sondy správně připojeny k měřenému obvodu. Pokud připojíte kladnou sondu k bodu se zápornějším potenciálem než k bodu, ke kterému je připojena záporná sonda, objeví se na displeji před výsledkem měření znak „–“.
Pokud ale měříte pomocí ukazovátka, musíte být opatrní, pokud jsou sondy nesprávně připojeny, šipka se začne vychylovat k nule a narazí na omezovač. Při měření napětí blízko meze měření nebo více se může zaseknout nebo ohnout, po čemž není třeba hovořit o přesnosti a dalším provozu tohoto zařízení.
Pro většinu měření v běžném životě a v elektronice na amatérské úrovni stačí voltmetr zabudovaný v multimetrech jako je DT-830 a podobně.
Čím větší jsou naměřené hodnoty, tím nižší jsou požadavky na přesnost, protože pokud měříte zlomky voltu a máte chybu 0.1V, výrazně to zkreslí obraz a pokud měříte stovky nebo tisíce voltů, pak chyba 5 voltů nebude hrát významnou roli.
Co dělat, když napětí není vhodné pro napájení zátěže
Pro napájení každého konkrétního zařízení nebo přístroje potřebujete dodávat napětí o určité hodnotě, ale stane se, že zdroj energie, který máte, není vhodný a produkuje nízké nebo příliš vysoké napětí. Tento problém se řeší různými způsoby v závislosti na požadovaném výkonu, napětí a proudu.
Jak snížit napětí odporem?
Odpor omezuje proud a jak teče, napětí na odporu (odpor omezující proud) klesá. Tato metoda umožňuje snížit napětí pro napájení zařízení s nízkou spotřebou s odběrovými proudy v řádu desítek, maximálně stovek miliampérů.
Příkladem takového napájení je zahrnutí LED do stejnosměrné sítě 12 (například palubní síť automobilu do 14.7 voltů). Pak, pokud je LED navržena pro napájení z 3.3 V, s proudem 20 mA, potřebujete rezistor R:
R=(14.7-3.3)/0.02)= 570 Ohm
Ale odpory se liší v maximálním ztrátovém výkonu:
Nejbližší vyšší hodnota je 0.25 W rezistor.
Omezení tohoto způsobu napájení představuje ztrátový výkon, obvykle výkon rezistorů nepřesahuje 5-10 W. Ukazuje se, že pokud potřebujete tímto způsobem uhasit velké napětí nebo napájet výkonnější zátěž, budete muset nainstalovat několik rezistorů, protože Síla jednoho nestačí a lze ji rozdělit mezi několik.
Metoda snižování napětí rezistorem funguje ve stejnosměrných i střídavých obvodech.
Nevýhodou je, že výstupní napětí není nijak stabilizováno a při zvyšování a snižování proudu se mění úměrně s hodnotou odporu.
Jak snížit střídavé napětí pomocí tlumivky nebo kondenzátoru?
Pokud mluvíme pouze o střídavém proudu, lze použít reaktanci. Reaktance existuje pouze v obvodech střídavého proudu; to je způsobeno zvláštnostmi ukládání energie v kondenzátorech a induktorech a zákony spínání.
Induktor a kondenzátor ve střídavém proudu mohou být použity jako předřadný odpor.
Reaktance induktoru (a jakéhokoli indukčního prvku) závisí na frekvenci střídavého proudu (pro domácí zdroj 50 Hz) a indukčnosti, vypočítá se podle vzorce:
kde ω je úhlová frekvence v rad/s, L-induktance, 2pi je nutná pro převod úhlové frekvence na normální, f je frekvence napětí v Hz.
Reaktance kondenzátoru závisí na jeho kapacitě (čím nižší C, tím větší odpor) a frekvenci proudu v obvodu (čím vyšší frekvence, tím nižší odpor). Dá se to vypočítat takto:
Při průchodu střídavého proudu vodičem vzniká kolem vodiče magnetické pole. Je-li vodič navinut kolem cívky, magnetické pole se zvětší. Pokud je v obvodu generováno významné magnetické pole, pak v tomto obvodu vzniká odpor vůči toku proudu, který se nazývá indukční reaktance.
Příkladem použití indukční reaktance je napájení zářivek, DRL výbojek a HPS. Tlumivka omezuje proud procházející výbojkou, u výbojek LL a HPS se používá ve spojení se startérem nebo pulzním zapalovacím zařízením (startovací relé) k vytvoření vysokonapěťového rázu, který rozsvítí výbojku. To je způsobeno povahou a principem fungování takových lamp.
K napájení zařízení s nízkým výkonem se používá kondenzátor, který se instaluje v sérii s napájeným obvodem. Takový napájecí zdroj se nazývá „beztransformátorový napájecí zdroj s předřadným (zhášecím) kondenzátorem“.
Velmi často se vyskytuje jako omezovač proudu pro nabíjení baterií (například olověných) v přenosných svítilnách a nízkopříkonových rádiích. Nevýhody takového schématu jsou zřejmé – neexistuje žádná kontrola úrovně nabití baterie, vroucí se, podbití a nestabilita napětí.
Jak snížit a stabilizovat stejnosměrné napětí
Pro dosažení stabilního výstupního napětí můžete použít parametrické a lineární stabilizátory. Často se vyrábějí na domácích mikroobvodech jako KREN nebo zahraničních jako L78xx, L79xx.
Lineární převodník LM317 umožňuje stabilizovat libovolnou hodnotu napětí, je nastavitelný do 37V, můžete si na jeho základě vyrobit jednoduchý nastavitelný zdroj.
Pokud potřebujete mírně snížit napětí a stabilizovat jej, popisované IO nebudou vhodné. Aby fungovaly, musí být rozdíl asi 2V nebo více. Pro tento účel byly vytvořeny stabilizátory LDO (low dropout). Jejich rozdíl spočívá v tom, že pro stabilizaci výstupního napětí je nutné, aby ho vstupní napětí převyšovalo o hodnotu 1V. Příkladem takového stabilizátoru je AMS1117 dostupný ve verzích od 1.2 do 5V, nejčastěji se používají verze 5 a 3.3V například v deskách Arduino a mnoho dalších.
Konstrukce všech výše uvedených lineárních ustupovacích stabilizátorů sériového typu má značný nedostatek – nízkou účinnost. Čím větší je rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím, tím je nižší. Jednoduše „spálí“ přebytečné napětí, přemění ho na teplo a ztráta energie se rovná:
Firma AMTECH vyrábí PWM analogy převodníků typu L78xx, fungují na principu pulzně šířkové modulace a jejich účinnost je vždy více než 90 %.
Jednoduše zapínají a vypínají napětí s frekvencí až 300 kHz (zvlnění je minimální). A aktuální napětí je stabilizováno na požadované úrovni. A spojovací obvod je podobný lineárním analogům.
Jak zvýšit konstantní napětí?
Pro zvýšení napětí se vyrábějí pulzní měniče napětí. Lze je zapnout buď pomocí schématu boost nebo buck nebo schématu buck-boost. Podívejme se na několik zástupců:
1. Deska založená na čipu XL6009
2. Deska založená na LM2577, pracuje na zvýšení a snížení výstupního napětí.
3. Deska převodníku založená na FP6291, vhodná pro sestavení 5 V napájecího zdroje, jako je powerbanka. Úpravou hodnot rezistoru jej lze upravit na jiná napětí, jako každý jiný podobný převodník – je třeba upravit obvody zpětné vazby.
4. Deska založená na MT3608
Zde je na desce vše označeno – plošky pro pájení vstupních – IN a výstupních – OUT napětí. Desky mohou mít regulaci výstupního napětí a v některých případech i omezení proudu, což umožňuje jednoduchý a efektivní laboratorní zdroj. Většina měničů, jak lineárních, tak pulzních, má ochranu proti zkratu.
Jak zvýšit střídavé napětí?
K nastavení střídavého napětí se používají dvě hlavní metody:
autotransformátor – Toto je tlumivka s jedním vinutím. Vinutí má odbočku od určitého počtu závitů, takže spojením mezi jedním z konců vinutí a závitem získáte na koncích vinutí zvýšené napětí tolikrát, kolik je celkový počet závitů a počet závitů. zatáček před kohoutkem.
Průmysl vyrábí LATR – laboratorní autotransformátory, speciální elektromechanická zařízení pro regulaci napětí. Jsou široce používány při vývoji elektronických zařízení a opravách napájecích zdrojů. Nastavení je dosaženo pomocí posuvného kartáčového kontaktu, ke kterému je připojeno napájené zařízení.
Nevýhodou takových zařízení je nedostatek galvanického oddělení. To znamená, že na výstupních svorkách může být snadno přítomno vysoké napětí, a tudíž riziko úrazu elektrickým proudem.
Transformátor – Toto je klasický způsob změny hodnoty napětí. Je zde galvanické oddělení od sítě, což zvyšuje bezpečnost takových instalací. Napětí na sekundárním vinutí závisí na napětí na primárním vinutí a transformačním poměru.
Samostatným typem jsou pulzní transformátory. Pracují na vysokých frekvencích desítek a stovek kHz. Používá se v naprosté většině spínaných napájecích zdrojů, například:
Nabíječka pro váš smartphone;
Díky provozu na vysokých frekvencích jsou sníženy ukazatele hmotnosti a velikosti, jsou několikanásobně menší než u síťových (50/60 Hz) transformátorů, počet závitů na vinutí a v důsledku toho cena. Přechod na spínané zdroje umožnil zmenšit rozměry a hmotnost veškeré moderní elektroniky a snížit její spotřebu zvýšením účinnosti (70-98 % ve spínacích obvodech).
Elektronické transformátory se často vyskytují v obchodech, na jejich vstup je přivedeno síťové napětí 220V a na výstupu např. vysokofrekvenční střídavé napětí 12V, pro použití v zátěži napájené stejnosměrným proudem je nutné dodatečně nainstalovat diodový můstek z vysokorychlostních diod na výstupu.
Uvnitř je pulzní transformátor, tranzistorové spínače, budič nebo obvod s vlastním oscilátorem, jak je znázorněno níže.
Výhody: jednoduchost obvodu, galvanické oddělení a malé rozměry.
Nevýhody – většina modelů, které jsou v prodeji, má proudovou zpětnou vazbu, což znamená, že bez zátěže s minimálním výkonem (uvedeným ve specifikacích konkrétního zařízení) se prostě nezapne. Některé kopie jsou již vybaveny napětím OS a fungují bez problémů v nečinnosti.
Nejčastěji se používají k napájení 12V halogenových žárovek, například závěsných stropních reflektorů.
Závěr
Probrali jsme základy napětí, jeho měření a úpravy. Moderní elementová základna a řada hotových jednotek a měničů umožňuje realizovat libovolné napájecí zdroje s požadovanými výstupními charakteristikami. O každé z metod můžete podrobněji napsat samostatný článek, do tohoto článku jsem se snažil vměstnat základní informace potřebné k rychlému výběru řešení, které vám vyhovuje.
Doufám, že vám tento článek pomohl. Podívejte se také na další články z kategorie Elektrická energie doma a v práci » Pomoc začínajícím elektrikářům
