Levnou možností převodu základních parametrů elektrického proudu jsou děliče napětí. Takové zařízení si můžete snadno vyrobit sami, ale k tomu potřebujete znát účel, případy použití, princip činnosti a příklady výpočtů.
Obsah
Označení a použití
Transformátor slouží k transformaci střídavého napětí tak, aby bylo možné uložit dostatečně vysokou hodnotu proudu. Pokud se do obvodu přidávají zátěže s malým odběrem proudu (do stovek mA), není vhodné použít měnič napětí s transformátorem (U).
V těchto případech lze použít jednoduchý dělič napětí (DN), jehož cena je výrazně nižší. Po dosažení požadované hodnoty U se usměrní a energie se dodá spotřebiteli. V případě potřeby je třeba použít výkonový koncový stupeň pro zvýšení proudu (I). Kromě toho existují také děliče s konstantním U, ale tyto modely se používají méně často.
DN se často používají pro nabíjení různých zařízení, u kterých je nutné dosáhnout nižších hodnot U a proudů pro různé typy baterií z 220 V. Kromě toho je rozumné používat zařízení pro sdílení U pro vytváření elektrických měřicích přístrojů, výpočetní techniky, jakož i laboratorních pulzních a běžných napájecích jednotek.
Princip činnosti
Dělič napětí (DN) je zařízení, ve kterém jsou výstupní U a vstupní U vzájemně propojeny pomocí přenosového koeficientu. Přenosový faktor je poměr hodnot U na výstupu a vstupu děliče. Obvod děliče napětí je jednoduchý a skládá se z řetězce dvou sériově zapojených spotřebičů - rádiových prvků (rezistorů, kondenzátorů nebo cívek). Liší se svými výstupními charakteristikami.
Hlavními veličinami střídavého proudu jsou napětí, proud, odpor, indukčnost (L) a kapacita (C). Vzorce pro výpočet základních hodnot elektrické energie (U, I, R, C, L) při sériovém zapojení spotřebičů:
- Hodnoty odporu se sčítají;
- Napětí se sčítají;
- Proud se vypočítá podle Ohmova zákona pro daný úsek obvodu: I = U / R;
- Indukčnosti se sčítají;
- Kapacita celého řetězce kondenzátorů: C = (C1 * C2 * ... * Cn) / (C1 + C2 + ... + Cn).
Princip sériově zapojených rezistorů je využit k vytvoření jednoduchého rezistoru DN. Obvod lze konvenčně rozdělit na 2 ramena. První rameno je horní a nachází se mezi vstupem a nulovým bodem DN a druhé rameno je dolní, ze kterého je odebírán výstup U.
Součet U na těchto ramenech se rovná výsledné hodnotě příchozího U. DN mohou být lineárního nebo nelineárního typu. Lineární zařízení jsou taková, jejichž výstupní hodnota U se mění lineárně se vstupní hodnotou. Používají se k nastavení správné hodnoty U v různých částech obvodů. Nelineární se používají ve funkčních potenciometrech. Jejich odpor může být činný, jalový a kapacitní.
Kromě toho může být DN také kapacitní. Používá řetězec 2 kondenzátorů, které jsou zapojeny do série.
Jeho princip činnosti je založen na jalové složce odporu kondenzátorů v obvodu s proměnnou složkou. Kondenzátor má nejen kapacitní charakteristiku, ale také odpor Xc. Tento odpor se nazývá kapacita, závisí na frekvenci proudu a určuje se podle vzorce: Xc = (1 / C) * w = w / C, kde w je cyklická frekvence, C je hodnota kondenzátoru.
Cyklická frekvence se vypočítá podle vzorce: w = 2 * PI * f, kde PI = 3,1416 a f je frekvence střídavého proudu.
Kondenzátorový neboli kapacitní typ umožňuje relativně vyšší proudy než odporová zařízení. Je široce používán ve vysokonapěťových obvodech, kde je třeba několikanásobně snížit hodnotu U. Jeho významnou výhodou je také to, že se nepřehřívá.
Indukční typ je založen na principu elektromagnetické indukce v obvodech střídavého proudu. Proud protéká solenoidem, jehož odpor závisí na L a nazývá se indukční. Jeho hodnota je přímo úměrná frekvenci střídavého proudu: Xl = w * L, kde L je hodnota indukčnosti obvodu nebo cívky.
Indukční DN funguje pouze v obvodech s proudem, který má proměnnou složku a indukční odpor (Xl).
Výhody a nevýhody
Hlavní nevýhodou odporových DN je, že je nelze použít ve vysokofrekvenčních obvodech, značný úbytek napětí na rezistorech a snížení výkonu. V některých obvodech je nutné volit výkon rezistorů, protože dochází ke značnému zahřívání.
Ve většině střídavých obvodů se používají aktivní (odporové) DN, ale s kompenzačními kondenzátory zapojenými paralelně ke každému z rezistorů. Tento přístup snižuje zahřívání, ale neodstraňuje hlavní nevýhodu, kterou je ztráta výkonu. Výhodou je použití ve stejnosměrných obvodech.
Aktivní prvky (rezistory) musí být nahrazeny kapacitními prvky, aby se eliminovaly ztráty výkonu v odporovém DN. Kapacitní prvek má oproti odporovému DN několik výhod:
- Používá se v obvodech střídavého proudu;
- Nedochází k přehřívání;
- Ztráty výkonu se snižují, protože kondenzátor na rozdíl od rezistoru nemá žádný výkon;
- Lze použít ve vysokonapěťových napájecích zdrojích;
- Vysoká účinnost;
- Nižší ztráta I.
Nevýhodou je, že jej nelze použít v obvodech s konstantním U. Je to proto, že kondenzátor ve stejnosměrných obvodech nemá žádnou kapacitu, ale funguje pouze jako kondenzátor.
Indukční DN ve střídavých obvodech má také řadu výhod, ale lze jej použít i v obvodech s konstantním U. Cívka induktoru má odpor, ale kvůli indukčnosti není tato možnost vhodná, protože dochází k výraznému poklesu U. Hlavní výhody oproti odporovému typu DN:
- Aplikace v sítích s proměnným U;
- Ohřev menších prvků;
- Menší ztráty výkonu v obvodech střídavého proudu;
- Poměrně vysoká účinnost (vyšší než kapacitní);
- Použití ve vysoce přesných měřicích zařízeních;
- Nižší nepřesnost;
- Zátěž připojená k výstupu děliče nemá vliv na dělicí činitel;
- Proudové ztráty jsou nižší než u kapacitních děličů.
Nevýhody jsou následující:
- Použití stejnosměrného proudu U v napájecích sítích vede ke značným proudovým ztrátám. Kromě toho dochází k výraznému poklesu napětí v důsledku spotřeby elektrické energie na indukčnost.
- Frekvenční charakteristika výstupního signálu (bez použití usměrňovacího můstku a filtru) se mění.
- Není vhodný pro obvody vysokého napětí AC.
Výpočet děliče napětí s rezistory, kondenzátory a induktory
Po výběru typu děliče napětí je třeba použít vzorce pro výpočet. Nesprávný výpočet může způsobit spálení samotného zařízení, výstupního stupně zesilujícího proud a spotřebiče. Následky nesprávných výpočtů mohou být horší než selhání rádiových komponent: požár v důsledku zkratu a úraz elektrickým proudem.
Při výpočtu a montáži obvodu je třeba jednoznačně dodržovat bezpečnostní předpisy, před zapnutím zkontrolovat správnost montáže a nezkoušet zařízení ve vlhké místnosti (zvyšuje se možnost úrazu elektrickým proudem). Základním zákonem používaným při výpočtech je Ohmův zákon pro úsek obvodu. Jeho formulace je následující: proud je přímo úměrný napětí v úseku obvodu a nepřímo úměrný odporu tohoto úseku. Zadání ve formě vzorce je následující: I = U / R.
Algoritmus pro výpočet děliče napětí s rezistory:
- Celkové napětí: Upit = U1 + U2, kde U1 a U2 jsou hodnoty U na každém z rezistorů.
- Napětí na rezistorech: U1 = I * R1 a U2 = I * R2.
- Upit = I * (R1 + R2).
- Proud bez zátěže: I = U / (R1 + R2).
- Úbytek U každého rezistoru: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * U pi a U2 = (R2 / (R1 + R2)) * U pi.
Hodnoty R1 a R2 musí být 2krát nižší než odpor zátěže.
Pro výpočet děliče napětí na kondenzátorech lze použít následující vzorce: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Upit a U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Upit.
Podobné vzorce pro výpočet DN při indukčnosti: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Upit a U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Upit.
Děliče se ve většině případů používají s diodovým můstkem a stabilitronem. Stabilitron je polovodičové zařízení, které funguje jako stabilizátor U. Diody by měly být vybírány s reverzním U nad přípustným U v tomto zapojení. Stabilizátor by měl být vybrán podle referenční knihy pro požadovanou hodnotu stabilizačního napětí. Kromě toho by měl být v obvodu před ním zařazen rezistor, protože bez něj polovodičové zařízení shoří.
Související články:
