Μια οικονομική επιλογή για τη μετατροπή των βασικών παραμέτρων του ηλεκτρικού ρεύματος είναι οι διαιρέτες τάσης. Μια τέτοια συσκευή είναι εύκολο να φτιάξετε μόνοι σας, αλλά για να το κάνετε αυτό, πρέπει να γνωρίζετε το σκοπό, τις περιπτώσεις εφαρμογής, την αρχή λειτουργίας και τα παραδείγματα υπολογισμών.
Περιεχόμενα
Ονομασία και χρήση
Ένας μετασχηματιστής χρησιμοποιείται για τη μετατροπή εναλλασσόμενων τάσεων ώστε να μπορεί να αποθηκευτεί μια αρκετά υψηλή τιμή ρεύματος. Εάν πρόκειται να προστεθούν στο κύκλωμα φορτία με χαμηλή κατανάλωση ρεύματος (έως εκατοντάδες mA), δεν θα ήταν κατάλληλος ένας μετατροπέας τάσης μετασχηματιστή (U).
Σε αυτές τις περιπτώσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας απλός διαιρέτης τάσης (DN), ο οποίος κοστίζει σημαντικά λιγότερο. Μόλις επιτευχθεί η επιθυμητή τιμή του U, γίνεται ανόρθωση και η ισχύς παρέχεται στον καταναλωτή. Εάν είναι απαραίτητο, πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια βαθμίδα εξόδου ισχύος για την αύξηση του ρεύματος (I). Επιπλέον, υπάρχουν και σταθεροί διαιρέτες U, αλλά αυτά τα μοντέλα χρησιμοποιούνται λιγότερο συχνά.
Τα DN χρησιμοποιούνται συχνά για τη φόρτιση διαφόρων συσκευών στις οποίες είναι απαραίτητο να λαμβάνονται χαμηλότερες τιμές U και ρεύματα για διάφορους τύπους μπαταριών από 220 V. Επιπλέον, είναι λογικό να χρησιμοποιούνται συσκευές κοινής χρήσης U για τη δημιουργία ηλεκτρικών οργάνων μέτρησης, τεχνολογίας υπολογιστών, καθώς και εργαστηριακών παλμών και συνηθισμένων μονάδων τροφοδοσίας.
Αρχή λειτουργίας
Ένας διαιρέτης τάσης (DN) είναι μια διάταξη στην οποία η έξοδος U και η είσοδος U συνδέονται μεταξύ τους μέσω ενός συντελεστή μεταφοράς. Ο συντελεστής μεταφοράς είναι ο λόγος των τιμών U στην έξοδο και την είσοδο του διαιρέτη. Το κύκλωμα ενός διαιρέτη τάσης είναι απλό και αποτελείται από μια αλυσίδα δύο καταναλωτών συνδεδεμένων σε σειρά - ραδιοστοιχεία (αντιστάσεις, πυκνωτές ή πηνία). Διαφέρουν ως προς τα χαρακτηριστικά παραγωγής τους.
Τα κύρια μεγέθη του εναλλασσόμενου ρεύματος είναι η τάση, το ρεύμα, η αντίσταση, η αυτεπαγωγή (L) και η χωρητικότητα (C). Τύποι για τον υπολογισμό των βασικών τιμών της ηλεκτρικής ενέργειας (U, I, R, C, L) όταν οι καταναλωτές είναι συνδεδεμένοι σε σειρά:
- Οι τιμές αντίστασης αθροίζονται,
- Προστίθενται οι τάσεις,
- Το ρεύμα θα υπολογιστεί σύμφωνα με το νόμο του Ohm για το τμήμα του κυκλώματος: I = U / R,
- Οι επαγωγές προστίθενται,
- Η χωρητικότητα ολόκληρης της αλυσίδας πυκνωτών: C = (C1 * C2 * ... * Cn) / (C1 + C2 + ... + Cn).
Η αρχή των συνδεδεμένων σε σειρά αντιστάσεων χρησιμοποιείται για την κατασκευή μιας απλής αντίστασης DN. Το κύκλωμα μπορεί να χωριστεί συμβατικά σε 2 βραχίονες. Ο πρώτος βραχίονας είναι ο άνω και βρίσκεται μεταξύ της εισόδου και του σημείου μηδέν του DN, και ο δεύτερος βραχίονας είναι ο κάτω, από τον οποίο λαμβάνεται η έξοδος U.
Το άθροισμα των U σε αυτούς τους βραχίονες ισούται με την προκύπτουσα τιμή του εισερχόμενου U. Τα DN μπορούν να είναι γραμμικού ή μη γραμμικού τύπου. Οι γραμμικές συσκευές είναι εκείνες με έξοδο U που μεταβάλλεται γραμμικά με την τιμή εισόδου. Χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση του σωστού U σε διάφορα μέρη των κυκλωμάτων. Τα μη γραμμικά χρησιμοποιούνται σε λειτουργικά ποτενσιόμετρα. Η αντίστασή τους μπορεί να είναι ενεργητική, αντιδραστική και χωρητική.
Επιπλέον, ένα DN μπορεί επίσης να είναι χωρητικό. Χρησιμοποιεί μια αλυσίδα 2 πυκνωτών που συνδέονται σε σειρά.
Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στην αντιδραστική συνιστώσα της αντίστασης των πυκνωτών σε ένα κύκλωμα με μεταβλητή συνιστώσα. Ένας πυκνωτής δεν έχει μόνο χωρητικά χαρακτηριστικά αλλά και μια αντίσταση Xc. Η αντίσταση αυτή ονομάζεται χωρητικότητα, εξαρτάται από τη συχνότητα του ρεύματος και προσδιορίζεται από τον τύπο: Xc = (1 / C) * w = w / C, όπου w είναι η κυκλική συχνότητα, C είναι η τιμή του πυκνωτή.
Η κυκλική συχνότητα υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο: w = 2 * PI * f, όπου PI = 3,1416 και f είναι η συχνότητα εναλλασσόμενου ρεύματος.
Ο πυκνωτής ή χωρητικός τύπος επιτρέπει σχετικά υψηλότερα ρεύματα από ό,τι οι συσκευές αντίστασης. Έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε κυκλώματα υψηλής τάσης όπου η τιμή U πρέπει να μειωθεί αρκετές φορές. Έχει επίσης το σημαντικό πλεονέκτημα ότι δεν υπερθερμαίνεται.
Ο επαγωγικός τύπος βασίζεται στην αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος. Το ρεύμα διαρρέει ένα σωληνοειδές, η αντίσταση του οποίου εξαρτάται από το L και ονομάζεται επαγωγικό. Η τιμή του είναι ευθέως ανάλογη της συχνότητας του εναλλασσόμενου ρεύματος: Xl = w * L, όπου L είναι η τιμή της αυτεπαγωγής του κυκλώματος ή του πηνίου.
Ένα επαγωγικό DN λειτουργεί μόνο σε κυκλώματα με ρεύμα που έχει μεταβλητή συνιστώσα και έχει επαγωγική αντίσταση (Xl).
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Τα κύρια μειονεκτήματα των αντιστατικών DN είναι ότι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας, η σημαντική πτώση τάσης στους αντιστάτες και η μείωση της ισχύος. Σε ορισμένα κυκλώματα, η ισχύς των αντιστάσεων πρέπει να προσαρμοστεί, επειδή εμφανίζεται σημαντική θέρμανση.
Στα περισσότερα κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιούνται DN ενεργού φορτίου (αντίστασης), αλλά με πυκνωτές αντιστάθμισης συνδεδεμένους παράλληλα σε κάθε μία από τις αντιστάσεις. Η προσέγγιση αυτή μειώνει τη θέρμανση αλλά δεν αίρει το κύριο μειονέκτημα που είναι η απώλεια ισχύος. Ένα πλεονέκτημα είναι η χρήση σε κυκλώματα συνεχούς ρεύματος.
Τα ενεργά στοιχεία (αντιστάσεις) πρέπει να αντικατασταθούν από χωρητικά στοιχεία για να εξαλειφθεί η απώλεια ισχύος σε ένα ωμικό DN. Ένα χωρητικό στοιχείο έχει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι ενός ωμικού DN:
- Χρησιμοποιείται σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος,
- Δεν υπάρχει υπερθέρμανση,
- Η απώλεια ισχύος μειώνεται, καθώς ο πυκνωτής δεν έχει ισχύ σε αντίθεση με έναν αντιστάτη,
- Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τροφοδοτικά υψηλής τάσης,
- Υψηλή απόδοση,
- Χαμηλότερη απώλεια I.
Το μειονέκτημα είναι ότι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κυκλώματα σταθερού U. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο πυκνωτής στα κυκλώματα συνεχούς ρεύματος δεν έχει χωρητικότητα, αλλά λειτουργεί μόνο ως πυκνωτής.
Ένα επαγωγικό DN σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος έχει επίσης ορισμένα πλεονεκτήματα, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε κυκλώματα σταθερού U. Ένα πηνίο επαγωγής έχει αντίσταση, αλλά λόγω της αυτεπαγωγής, αυτή η επιλογή δεν είναι κατάλληλη επειδή υπάρχει σημαντική πτώση στο U. Τα κύρια πλεονεκτήματα έναντι του αντιστατικού τύπου DN:
- Εφαρμογή σε δίκτυα με μεταβλητό U,
- Μικρή θέρμανση στοιχείων,
- Λιγότερες απώλειες ισχύος σε κυκλώματα εναλλασσόμενου ρεύματος,
- Συγκριτικά υψηλή απόδοση (υψηλότερη από την χωρητική),
- Χρήση σε εξοπλισμό μέτρησης υψηλής ακρίβειας,
- Χαμηλότερη ανακρίβεια,
- Το φορτίο που συνδέεται στην έξοδο του διαιρέτη δεν επηρεάζει τον συντελεστή διαίρεσης,
- Η απώλεια ρεύματος είναι χαμηλότερη από εκείνη των χωρητικών διαιρετών.
Τα μειονεκτήματα είναι τα εξής:
- Η χρήση DC U στα δίκτυα τροφοδοσίας έχει ως αποτέλεσμα σημαντικές απώλειες ρεύματος. Επιπλέον, η τάση πέφτει δραστικά λόγω της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας για την επαγωγή.
- Η απόκριση συχνότητας του σήματος εξόδου (χωρίς τη χρήση ανορθωτικής γέφυρας και φίλτρου) ποικίλλει.
- Ακατάλληλο για κυκλώματα υψηλής τάσης AC.
Υπολογισμός διαιρέτη τάσης με αντιστάσεις, πυκνωτές και πηνία
Αφού επιλέξετε τον τύπο του διαιρέτη τάσης πρέπει να χρησιμοποιήσετε τους τύπους για τον υπολογισμό. Ο λανθασμένος υπολογισμός μπορεί να προκαλέσει εγκαύματα στην ίδια τη συσκευή, στο στάδιο εξόδου ενίσχυσης ρεύματος και στον καταναλωτή. Οι συνέπειες των εσφαλμένων υπολογισμών μπορεί να είναι χειρότερες από την αστοχία των ραδιοεξαρτημάτων: πυρκαγιά λόγω βραχυκυκλώματος και ηλεκτροπληξία.
Κατά τον υπολογισμό και τη συναρμολόγηση του κυκλώματος πρέπει να τηρούνται σαφώς οι κανονισμοί ασφαλείας, η συσκευή πρέπει να ελέγχεται πριν από την ενεργοποίηση για τη σωστή συναρμολόγηση και να μην δοκιμάζεται σε υγρό χώρο (αυξάνεται η πιθανότητα ηλεκτροπληξίας). Ο βασικός νόμος που χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς είναι ο νόμος του Ohm για ένα τμήμα κυκλώματος. Η διατύπωσή του έχει ως εξής: το ρεύμα είναι ευθέως ανάλογο της τάσης σε ένα τμήμα του κυκλώματος και αντιστρόφως ανάλογο της αντίστασης του εν λόγω τμήματος. Η καταχώριση υπό μορφή τύπου έχει ως εξής: I = U / R.
Αλγόριθμος για τον υπολογισμό ενός διαιρέτη τάσης με αντιστάσεις:
- Συνολική τάση: Upit = U1 + U2, όπου U1 και U2 είναι οι τιμές του U σε κάθε έναν από τους αντιστάτες.
- Τάσεις στους αντιστάτες: U1 = I * R1 και U2 = I * R2.
- Upit = I * (R1 + R2).
- Ρεύμα χωρίς φορτίο: I = U / (R1 + R2).
- Η πτώση σε U κάθε αντίστασης: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * U pi και U2 = (R2 / (R1 + R2)) * Upit.
Οι τιμές των R1 και R2 πρέπει να είναι 2 φορές μικρότερες από την αντίσταση του φορτίου.
Για τον υπολογισμό του διαιρέτη τάσης στους πυκνωτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι ακόλουθοι τύποι: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Upit και U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Upit.
Παρόμοιοι τύποι για τον υπολογισμό του DN στις επαγωγές: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Upit και U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Upit.
Οι διαιρέτες χρησιμοποιούνται στις περισσότερες περιπτώσεις με μια γέφυρα διόδων και ένα σταθερότρο. Το σταθερόνιο είναι μια διάταξη ημιαγωγών που λειτουργεί ως σταθεροποιητής U. Οι δίοδοι πρέπει να επιλέγονται με αντίστροφο U πάνω από το επιτρεπτό U σε αυτό το κύκλωμα. Το σταθεροποιητή πρέπει να επιλέγεται σύμφωνα με το βιβλίο αναφοράς για την απαιτούμενη τιμή της τάσης σταθεροποίησης. Επιπλέον, θα πρέπει να συμπεριληφθεί στο κύκλωμα μια αντίσταση μπροστά από αυτήν, καθώς χωρίς αυτήν η διάταξη ημιαγωγών θα καεί.
Σχετικά άρθρα:
