Een goedkope optie voor het omzetten van de basisparameters van elektrische stroom zijn spanningsdelers. Een dergelijk toestel is gemakkelijk zelf te maken, maar daarvoor moet men het doel, de toepassingsgevallen, het werkingsprincipe en voorbeelden van berekeningen kennen.
Inhoud
Benaming en gebruik
Een transformator wordt gebruikt om wisselspanningen zo te transformeren dat een voldoende hoge stroomwaarde kan worden opgeslagen. Indien belastingen met een laag stroomverbruik (tot honderden mA) aan de schakeling moeten worden toegevoegd, is een transformator-spanningsomvormer (U) niet geschikt.
In deze gevallen kan een eenvoudige spanningsdeler (DN) worden gebruikt, die aanzienlijk minder kost. Zodra de gewenste waarde van U is bereikt, wordt deze gelijkgericht en wordt de stroom aan de verbruiker geleverd. Zo nodig moet een vermogenstrap worden gebruikt om de stroom (I) te verhogen. Daarnaast zijn er ook constante U-verdelers, maar deze modellen worden minder vaak gebruikt.
DN's worden vaak gebruikt voor het opladen van diverse apparaten waarbij het noodzakelijk is lagere U-waarden en stromen te verkrijgen voor verschillende soorten batterijen van 220 V. Bovendien is het redelijk om U-deelapparaten te gebruiken voor het maken van elektrische meetinstrumenten, computertechnologie, alsmede laboratoriumpulsen en gewone voedingseenheden.
Principe van werking
Een spanningsdeler (DN) is een apparaat waarin de uitgang U en de ingang U onderling zijn verbonden door middel van een overdrachtscoëfficiënt. De overdrachtsfactor is de verhouding tussen de U-waarden aan de uitgang en aan de ingang van de deler. De schakeling van een spanningsdeler is eenvoudig en bestaat uit een keten van twee in serie geschakelde verbruikers - radio-elementen (weerstanden, condensatoren of spoelen). Zij verschillen in hun outputkenmerken.
De belangrijkste grootheden van wisselstroom zijn spanning, stroom, weerstand, inductie (L) en capaciteit (C). Formules voor de berekening van de basiswaarden van elektriciteit (U, I, R, C, L) wanneer verbruikers in serie zijn geschakeld:
- Weerstandswaarden tellen op;
- Spanningen worden toegevoegd;
- De stroom zal worden berekend volgens de wet van Ohm voor het circuitgedeelte: I = U / R;
- De inducties worden opgeteld;
- De capaciteit van de hele keten van condensatoren: C = (C1 * C2 * ... * Cn) / (C1 + C2 + ... + Cn).
Het principe van in serie geschakelde weerstanden wordt gebruikt om een eenvoudige weerstand DN te maken. De schakeling kan conventioneel in 2 armen worden verdeeld. De eerste arm is de bovenste en bevindt zich tussen de ingang en het nulpunt van de DN, en de tweede arm is de onderste, van waaruit de uitgang U wordt genomen.
De som van de U op deze armen is gelijk aan de resulterende waarde van de inkomende U. DN's kunnen van het lineaire of het niet-lineaire type zijn. Lineaire toestellen zijn toestellen met een uitgang U die lineair varieert met de ingangswaarde. Zij worden gebruikt om de juiste U in te stellen in verschillende delen van schakelingen. Niet-lineaire worden gebruikt in functionele potentiometers. Hun weerstand kan actief, reactief en capacitief zijn.
Bovendien kan een DN ook capacitief zijn. Hij maakt gebruik van een keten van 2 condensatoren die in serie zijn geschakeld.
Het werkingsprincipe is gebaseerd op de reactieve component van de weerstand van de condensatoren in een stroomkring met een variabele component. Een condensator heeft niet alleen capacitieve kenmerken, maar ook een weerstand Xc. Deze weerstand wordt capaciteit genoemd, hangt af van de frequentie van de stroom en wordt bepaald door de formule: Xc = (1 / C) * w = w / C, waarbij w de cyclische frequentie is, C de waarde van de condensator.
De cyclische frequentie wordt berekend met de formule: w = 2 * PI * f, waarbij PI = 3,1416 en f de wisselstroomfrequentie is.
Bij het condensator- of capacitieve type zijn relatief hogere stromen mogelijk dan bij resistieve apparaten. Het wordt veel gebruikt in hoogspanningscircuits waar de U-waarde met een aantal malen moet worden verlaagd. Het heeft ook het grote voordeel dat het niet oververhit raakt.
Het inductieve type is gebaseerd op het principe van elektromagnetische inductie in wisselstroomcircuits. De stroom vloeit door een solenoïde, waarvan de weerstand van L afhangt en inductief wordt genoemd. De waarde ervan is recht evenredig met de frequentie van de wisselstroom: Xl = w * L, waarbij L de inductiewaarde van de stroomkring of de spoel is.
Een inductieve DN werkt alleen in circuits met een stroom die een variabele component heeft, en heeft een inductieve weerstand (Xl).
Voor- en nadelen
De belangrijkste nadelen van resistieve DN's zijn dat zij niet kunnen worden gebruikt in hoogfrequente circuits, de aanzienlijke spanningsval over de weerstanden, en de vermindering van het vermogen. In sommige schakelingen is het noodzakelijk het vermogen van de weerstanden te kiezen, omdat er aanzienlijke verwarming optreedt.
In de meeste wisselstroomschakelingen worden DN's met actieve belasting (resistief) gebruikt, maar met parallel aan elk van de weerstanden geschakelde compensatiecondensatoren. Deze aanpak vermindert de opwarming, maar neemt het grootste nadeel, namelijk het verlies van vermogen, niet weg. Een voordeel is het gebruik in gelijkstroomcircuits.
De actieve elementen (weerstanden) moeten worden vervangen door capacitieve elementen om het vermogensverlies in een resistieve DN op te heffen. Een capacitief element heeft verscheidene voordelen boven een resistieve DN:
- Hij wordt gebruikt in wisselstroomcircuits;
- Er is geen oververhitting;
- Het vermogensverlies wordt beperkt omdat de condensator geen stroom heeft, in tegenstelling tot een weerstand;
- Kan worden gebruikt in hoogspanningsvoedingen;
- Hoog rendement;
- Lager I-verlies.
Het nadeel is dat het niet kan worden gebruikt in constante U-circuits. Dit komt omdat de condensator in gelijkstroomcircuits geen capaciteit heeft, maar alleen als condensator werkt.
Een inductieve DN in wisselstroomcircuits heeft ook een aantal voordelen, maar kan ook worden gebruikt in constante U-circuits. Een spoel heeft een weerstand, maar vanwege de inductie is deze optie niet geschikt omdat er een aanzienlijke daling in U is. De belangrijkste voordelen ten opzichte van het resistieve type van DN:
- Toepassing in netwerken met variabele U;
- Kleine element verwarming;
- Minder vermogensverlies in wisselstroomcircuits;
- Verhoudingsgewijs hoog rendement (hoger dan capacitief);
- Gebruik in hoge-precisie meetapparatuur;
- Lagere onnauwkeurigheid;
- Belasting aan de uitgang van de deler heeft geen invloed op de delingsfactor;
- Het stroomverlies is lager dan dat van capacitieve verdelers.
De nadelen zijn de volgende:
- Het gebruik van DC U in de stroomvoorzieningsnetten leidt tot aanzienlijke stroomverliezen. Bovendien daalt de spanning drastisch als gevolg van het verbruik van elektrische energie voor inductie.
- De frequentierespons van het uitgangssignaal (zonder gebruik van een gelijkrichterbrug en filter) varieert.
- Niet geschikt voor hoogspanningswisselstroomcircuits.
Berekening van de spanningsdeler met weerstanden, condensatoren en spoelen
Nadat u het type spanningsdeler hebt gekozen, moet u de formules gebruiken om te berekenen. Een onjuiste berekening kan leiden tot doorbranden van het apparaat zelf, de stroomversterkende eindtrap, en de verbruiker. De gevolgen van onjuiste berekeningen kunnen erger zijn dan het uitvallen van radio-onderdelen: brand als gevolg van kortsluiting, en elektrocutie.
Bij het berekenen en assembleren van de schakeling moeten de veiligheidsvoorschriften duidelijk in acht worden genomen, moet het toestel vóór het inschakelen worden gecontroleerd op een correcte montage en mag het niet worden getest in een vochtige ruimte (de kans op elektrocutie neemt toe). De basiswet die bij berekeningen wordt gebruikt is de wet van Ohm voor een stroomkringdeel. De formulering is als volgt: de stroom is recht evenredig met de spanning in een circuitgedeelte en omgekeerd evenredig met de weerstand van dat gedeelte. De vermelding in de vorm van een formule is als volgt: I = U / R.
Algoritme voor het berekenen van een spanningsdeler met weerstanden:
- Totale spanning: Upit = U1 + U2, waarbij U1 en U2 de waarden zijn van U op elk van de weerstanden.
- Spanningen op de weerstanden: U1 = I * R1 en U2 = I * R2.
- Upit = I * (R1 + R2).
- Stroom bij nullast: I = U / (R1 + R2).
- De daling in U van elke weerstand: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * U pi en U2 = (R2 / (R1 + R2)) * U pi.
De waarden van R1 en R2 moeten 2 maal lager zijn dan de belastingsweerstand.
Om de spanningsdeler op de condensatoren te berekenen, kunnen de volgende formules worden gebruikt: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Upit en U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Upit.
Vergelijkbare formules om de DN bij inducties te berekenen: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Upit en U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Upit.
In de meeste gevallen worden delers gebruikt met een diodebrug en een stabilitron. Een stabilitron is een halfgeleiderapparaat dat als U-stabilisator fungeert. Diodes moeten worden gekozen met een omgekeerde U boven de toelaatbare U in deze schakeling. De stabilitron moet worden gekozen volgens het referentieboek voor de vereiste waarde van de stabilisatiespanning. Bovendien moet er een weerstand voor worden opgenomen in de schakeling, want zonder deze weerstand zal het halfgeleiderapparaat doorbranden.
Verwante artikelen:
