Eine preiswerte Möglichkeit zur Umrechnung der Grundparameter des elektrischen Stroms sind Spannungsteiler. Ein solches Gerät kann man leicht selbst herstellen, aber dazu muss man den Zweck, die Anwendungsfälle, das Funktionsprinzip und die Berechnungsbeispiele kennen.
Inhalt
Benennung und Verwendung
Ein Transformator wird verwendet, um Wechselspannungen so umzuwandeln, dass ein ausreichend hoher Stromwert gespeichert werden kann. Wenn der Schaltung Lasten mit geringem Stromverbrauch (bis zu einigen hundert mA) hinzugefügt werden sollen, wäre ein Transformator-Spannungswandler (U) nicht geeignet.
In diesen Fällen kann ein einfacher Spannungsteiler (DN) verwendet werden, der erheblich weniger kostet. Sobald der gewünschte Wert von U erreicht ist, wird er gleichgerichtet und der Strom wird an den Verbraucher geliefert. Gegebenenfalls muss eine Leistungsendstufe eingesetzt werden, um den Strom (I) zu erhöhen. Darüber hinaus gibt es auch konstante U-Teiler, aber diese Modelle werden weniger häufig verwendet.
DNs werden häufig zum Laden verschiedener Geräte verwendet, bei denen es notwendig ist, niedrigere U-Werte und Ströme für verschiedene Batterietypen von 220 V zu erhalten. Darüber hinaus ist es sinnvoll, U-Sharing-Geräte für die Erstellung von elektrischen Messgeräten, Computertechnik sowie Laborpuls- und gewöhnlichen Stromversorgungsgeräten einzusetzen.
Prinzip der Arbeitsweise
Ein Spannungsteiler (DN) ist ein Gerät, bei dem der Ausgang U und der Eingang U durch einen Übertragungskoeffizienten miteinander verbunden sind. Der Übertragungsfaktor ist das Verhältnis der U-Werte am Ausgang und am Eingang des Teilers. Die Schaltung eines Spannungsteilers ist einfach und besteht aus einer Kette von zwei in Reihe geschalteten Verbrauchern - Funkelementen (Widerstände, Kondensatoren oder Induktivitäten). Sie unterscheiden sich in ihren Leistungsmerkmalen.
Die wichtigsten Größen des Wechselstroms sind Spannung, Strom, Widerstand, Induktivität (L) und Kapazität (C). Formeln zur Berechnung der Grundwerte der Elektrizität (U, I, R, C, L), wenn Verbraucher in Reihe geschaltet sind:
- Die Widerstandswerte addieren sich;
- Spannungen werden addiert;
- Der Strom wird nach dem Ohmschen Gesetz für den Stromkreisabschnitt berechnet: I = U / R;
- Die Induktivitäten werden addiert;
- Die Kapazität der gesamten Kette von Kondensatoren: C = (C1 * C2 * ... * Cn) / (C1 + C2 + ... + Cn).
Das Prinzip der Reihenschaltung von Widerständen wird genutzt, um einen einfachen DN-Widerstand herzustellen. Der Stromkreis kann konventionell in 2 Arme unterteilt werden. Der erste Arm ist der obere und liegt zwischen dem Eingang und dem Nullpunkt des DN, und der zweite Arm ist der untere, von dem der Ausgang U abgenommen wird.
Die Summe der U auf diesen Armen ist gleich dem resultierenden Wert des eingehenden U. DNs können linear und nicht-linear sein. Lineare Geräte sind solche mit einem Ausgang U, der linear mit dem Eingangswert variiert. Sie werden verwendet, um das gewünschte U in verschiedenen Teilen von Schaltkreisen einzustellen. Nichtlineare Potentiometer werden in Funktionspotentiometern verwendet. Ihr Widerstand kann aktiv, reaktiv und kapazitiv sein.
Darüber hinaus kann ein DN auch kapazitiv sein. Er verwendet eine Kette von 2 Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind.
Sein Funktionsprinzip beruht auf der reaktiven Komponente des Widerstandes der Kondensatoren in einem Stromkreis mit einer variablen Komponente. Ein Kondensator hat nicht nur kapazitive Eigenschaften, sondern auch einen Widerstand Xc. Dieser Widerstand wird als Kapazität bezeichnet, hängt von der Frequenz des Stroms ab und wird durch die folgende Formel bestimmt Xc = (1 / C) * w = w / C, wobei w die zyklische Frequenz und C der Wert des Kondensators ist.
Die zyklische Frequenz wird nach der folgenden Formel berechnet: w = 2 * PI * f, wobei PI = 3,1416 und f die Wechselstromfrequenz ist.
Der Kondensator- oder kapazitive Typ erlaubt relativ höhere Ströme als resistive Geräte. Es wird häufig in Hochspannungsstromkreisen eingesetzt, wo der U-Wert um ein Vielfaches reduziert werden muss. Außerdem hat es den großen Vorteil, dass es nicht überhitzt.
Der induktive Typ basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion in Wechselstromkreisen. Der Strom fließt durch eine Magnetspule, deren Widerstand von L abhängt und als induktiv bezeichnet wird. Sein Wert ist direkt proportional zur Frequenz des Wechselstroms: Xl = w * L, wobei L der Induktivitätswert des Stromkreises oder der Spule ist.
Ein induktiver DN funktioniert nur in Schaltkreisen mit einem Strom, der eine variable Komponente hat und einen induktiven Widerstand (Xl) aufweist.
Vorteile und Nachteile
Die Hauptnachteile der resistiven DNs sind, dass sie nicht in Hochfrequenzschaltungen eingesetzt werden können, der erhebliche Spannungsabfall über den Widerständen und die geringere Leistung. In einigen Schaltungen ist es notwendig, die Leistung der Widerstände zu wählen, da eine erhebliche Erwärmung auftritt.
In den meisten Wechselstromkreisen werden DNs mit aktiver Last (Widerstand) verwendet, aber mit Kompensationskondensatoren, die parallel zu jedem der Widerstände geschaltet sind. Dieser Ansatz verringert die Erwärmung, beseitigt aber nicht den Hauptnachteil, nämlich den Energieverlust. Ein Vorteil ist der Einsatz in Gleichstromkreisen.
Die aktiven Elemente (Widerstände) müssen durch kapazitive Elemente ersetzt werden, um den Leistungsverlust in einem resistiven DN zu eliminieren. Ein kapazitives Element hat mehrere Vorteile gegenüber einem resistiven DN:
- Er wird in Wechselstromkreisen verwendet;
- Es gibt keine Überhitzung;
- Die Verlustleistung ist geringer, da der Kondensator im Gegensatz zu einem Widerstand keine Leistung hat;
- Kann in Hochspannungsnetzteilen verwendet werden;
- Hohe Effizienz;
- Geringerer I-Verlust.
Der Nachteil ist, dass er nicht in Konstant-U-Schaltungen verwendet werden kann. Das liegt daran, dass der Kondensator in Gleichstromkreisen keine Kapazität hat, sondern nur als Kondensator wirkt.
Ein induktiver DN in Wechselstromkreisen hat ebenfalls eine Reihe von Vorteilen, kann aber auch in Konstant-U-Schaltungen eingesetzt werden. Eine Induktionsspule hat einen Widerstand, aber wegen der Induktivität ist diese Option nicht geeignet, da es einen erheblichen Abfall von U gibt. Die wichtigsten Vorteile gegenüber dem resistiven DN-Typ:
- Anwendung in Netzen mit variablem U;
- Geringe Erwärmung der Elemente;
- Geringere Verlustleistung in Wechselstromkreisen;
- Vergleichsweise hoher Wirkungsgrad (höher als kapazitiv);
- Verwendung in hochpräzisen Messgeräten;
- Geringere Ungenauigkeit;
- Die am Ausgang des Teilers angeschlossene Last hat keinen Einfluss auf den Teilungsfaktor;
- Der Stromverlust ist geringer als bei kapazitiven Teilern.
Die Nachteile sind wie folgt:
- Die Verwendung von DC U in den Stromversorgungsnetzen führt zu erheblichen Stromverlusten. Außerdem sinkt die Spannung aufgrund des Verbrauchs von elektrischer Energie für die Induktivität drastisch.
- Der Frequenzgang des Ausgangssignals (ohne Verwendung einer Gleichrichterbrücke und eines Filters) ist unterschiedlich.
- Nicht geeignet für Hochspannungs-Wechselstromkreise.
Berechnung eines Spannungsteilers mit Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten
Nach der Auswahl des Spannungsteilertyps müssen Sie die Formeln zur Berechnung verwenden. Bei falscher Berechnung können das Gerät selbst, die stromverstärkende Endstufe und der Verbraucher durchbrennen. Die Folgen falscher Berechnungen können schlimmer sein als der Ausfall von Funkkomponenten: ein Brand infolge eines Kurzschlusses und ein Stromschlag.
Bei der Berechnung und dem Aufbau der Schaltung sind die Sicherheitsvorschriften unbedingt zu beachten, das Gerät ist vor dem Einschalten auf korrekte Montage zu prüfen und nicht in einem feuchten Raum zu testen (erhöhte Stromschlaggefahr). Das grundlegende Gesetz, das bei Berechnungen verwendet wird, ist das Ohmsche Gesetz für einen Stromkreisabschnitt. Die Formel lautet: Der Strom ist direkt proportional zur Spannung in einem Stromkreisabschnitt und umgekehrt proportional zum Widerstand dieses Abschnitts. Der Eintrag in Form einer Formel lautet wie folgt: I = U / R.
Algorithmus zur Berechnung eines Spannungsteilers mit Widerständen:
- Gesamtspannung: Upit = U1 + U2, wobei U1 und U2 die U-Werte an jedem der Widerstände sind.
- Spannungen an den Widerständen: U1 = I * R1 und U2 = I * R2.
- Upit = I * (R1 + R2).
- Leerlaufstrom: I = U / (R1 + R2).
- Der U-Abfall der einzelnen Widerstände: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * U pi und U2 = (R2 / (R1 + R2)) * U pi.
Die Werte von R1 und R2 müssen 2-mal kleiner sein als der Lastwiderstand.
Zur Berechnung des Spannungsteilers an den Kondensatoren können die folgenden Formeln verwendet werden: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Upit und U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Upit.
Ähnliche Formeln zur Berechnung des DN bei Induktivitäten: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Upit und U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Upit.
Teiler werden in den meisten Fällen mit einer Diodenbrücke und einem Stabilitron verwendet. Ein Stabilitron ist ein Halbleiterbauelement, das als U-Stabilisator fungiert. Die Dioden sollten mit einem Sperrwert U ausgewählt werden, der über dem in dieser Schaltung zulässigen U liegt. Das Stabilitron sollte gemäß dem Referenzbuch für die erforderliche Stabilisierungsspannung ausgewählt werden. Außerdem sollte in der Schaltung ein Widerstand vorangeschaltet werden, da das Halbleiterbauelement sonst durchbrennt.
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