Cenovo výhodnou možnosťou na prevod základných parametrov elektrického prúdu sú deliče napätia. Takéto zariadenie si môžete ľahko vyrobiť sami, ale na to potrebujete poznať účel, prípady použitia, princíp fungovania a príklady výpočtov.
Obsah
Označenie a použitie
Transformátor sa používa na transformáciu striedavého napätia tak, aby bolo možné uložiť dostatočne vysokú hodnotu prúdu. Ak sa do obvodu pridávajú záťaže s nízkym odberom prúdu (do stoviek mA), transformátorový menič napätia (U) by nebol vhodný.
V týchto prípadoch možno použiť jednoduchý delič napätia (DN), ktorý stojí podstatne menej. Po získaní požadovanej hodnoty U sa usmerní a energia sa dodá spotrebiteľovi. V prípade potreby sa musí použiť výkonový výstupný stupeň na zvýšenie prúdu (I). Okrem toho existujú aj deliace prvky s konštantným U, ale tieto modely sa používajú menej často.
DN sa často používajú na nabíjanie rôznych zariadení, pri ktorých je potrebné dosiahnuť nižšie hodnoty U a prúdy pre rôzne typy batérií z 220 V. Okrem toho je rozumné používať zariadenia na zdieľanie U na vytváranie elektrických meracích prístrojov, počítačovej techniky, ako aj laboratórnych pulzných a bežných napájacích jednotiek.
Princíp fungovania
Napäťový delič (DN) je zariadenie, v ktorom sú výstup U a vstup U vzájomne prepojené pomocou prenosového koeficientu. Prenosový faktor je pomer hodnôt U na výstupe a vstupe deliča. Obvod deliča napätia je jednoduchý a pozostáva z reťazca dvoch sériovo zapojených spotrebičov - rádiových prvkov (rezistorov, kondenzátorov alebo induktorov). Líšia sa svojimi výstupnými charakteristikami.
Hlavnými veličinami striedavého prúdu sú napätie, prúd, odpor, indukčnosť (L) a kapacita (C). Vzorce na výpočet základných hodnôt elektrickej energie (U, I, R, C, L) pri sériovom zapojení spotrebičov:
- Hodnoty odporu sa sčítajú;
- Napätia sa pridávajú;
- Prúd sa vypočíta podľa Ohmovho zákona pre daný úsek obvodu: I = U / R;
- Indukčnosti sa sčítajú;
- Kapacita celého reťazca kondenzátorov: C = (C1 * C2 * ... * Cn) / (C1 + C2 + ... + Cn).
Princíp sériovo zapojených rezistorov sa používa na vytvorenie jednoduchého rezistora DN. Obvod možno konvenčne rozdeliť na 2 ramená. Prvé rameno je horné a nachádza sa medzi vstupom a nulovým bodom DN a druhé rameno je dolné, z ktorého sa odoberá výstup U.
Súčet U na týchto ramenách sa rovná výslednej hodnote prichádzajúceho U. DN môžu byť lineárneho a nelineárneho typu. Lineárne zariadenia sú zariadenia s výstupom U, ktorý sa mení lineárne so vstupnou hodnotou. Používajú sa na nastavenie správneho U v rôznych častiach obvodov. Nelineárne sa používajú vo funkčných potenciometroch. Ich odpor môže byť aktívny, reaktívny a kapacitný.
Okrem toho môže byť DN aj kapacitný. Používa reťaz 2 kondenzátorov, ktoré sú zapojené do série.
Jeho princíp činnosti je založený na jalovej zložke odporu kondenzátorov v obvode s premenlivou zložkou. Kondenzátor má nielen kapacitné vlastnosti, ale aj odpor Xc. Tento odpor sa nazýva kapacita, závisí od frekvencie prúdu a určuje sa podľa vzorca Xc = (1 / C) * w = w / C, kde w je cyklická frekvencia, C je hodnota kondenzátora.
Cyklická frekvencia sa vypočíta podľa vzorca: w = 2 * PI * f, kde PI = 3,1416 a f je frekvencia striedavého prúdu.
Kondenzátorový alebo kapacitný typ umožňuje relatívne vyššie prúdy ako odporové zariadenia. Široko sa používa vo vysokonapäťových obvodoch, kde je potrebné niekoľkonásobne znížiť hodnotu U. Jeho významnou výhodou je aj to, že sa neprehrieva.
Indukčný typ je založený na princípe elektromagnetickej indukcie v obvodoch striedavého prúdu. Prúd preteká solenoidom, ktorého odpor závisí od L a nazýva sa indukčný. Jeho hodnota je priamo úmerná frekvencii striedavého prúdu: Xl = w * L, kde L je hodnota indukčnosti obvodu alebo cievky.
Indukčný DN funguje len v obvodoch s prúdom, ktorý má premenlivú zložku a indukčný odpor (Xl).
Výhody a nevýhody
Hlavnou nevýhodou odporových DN je, že ich nemožno použiť vo vysokofrekvenčných obvodoch, značný úbytok napätia na rezistoroch a zníženie výkonu. V niektorých obvodoch je potrebné zvoliť výkon rezistorov, pretože dochádza k značnému zahrievaniu.
Vo väčšine obvodov striedavého prúdu sa používajú aktívne (odporové) DN, ale s kompenzačnými kondenzátormi zapojenými paralelne ku každému z rezistorov. Tento prístup znižuje zahrievanie, ale neodstraňuje hlavnú nevýhodu, ktorou je strata výkonu. Výhodou je použitie v obvodoch jednosmerného prúdu.
Aktívne prvky (rezistory) sa musia nahradiť kapacitnými prvkami, aby sa eliminovali straty výkonu v odporovom DN. Kapacitný prvok má oproti odporovému DN niekoľko výhod:
- Používa sa v obvodoch striedavého prúdu;
- Nedochádza k prehrievaniu;
- Straty energie sú menšie, pretože kondenzátor nemá žiadny výkon na rozdiel od rezistora;
- Môže sa používať vo vysokonapäťových napájacích zdrojoch;
- Vysoká účinnosť;
- Nižšia strata I.
Nevýhodou je, že sa nedá použiť v obvodoch s konštantným U. Je to preto, že kondenzátor v obvodoch jednosmerného prúdu nemá žiadnu kapacitu, ale funguje len ako kondenzátor.
Indukčný DN v obvodoch striedavého prúdu má tiež množstvo výhod, ale možno ho použiť aj v obvodoch s konštantným U. Cievka induktora má odpor, ale kvôli indukčnosti nie je táto možnosť vhodná, pretože dochádza k výraznému poklesu U. Hlavné výhody oproti odporovému typu DN:
- Aplikácia v sieťach s premenlivým U;
- Menšie zahrievanie prvkov;
- Menšie straty energie v obvodoch striedavého prúdu;
- Pomerne vysoká účinnosť (vyššia ako kapacitná);
- Použitie vo vysoko presných meracích zariadeniach;
- Nižšia nepresnosť;
- Záťaž pripojená k výstupu deliča nemá vplyv na deliaci faktor;
- Prúdové straty sú nižšie ako pri kapacitných deličoch.
Nevýhody sú tieto:
- Použitie jednosmerného prúdu U v napájacích sieťach má za následok značné prúdové straty. Okrem toho napätie prudko klesá v dôsledku spotreby elektrickej energie na indukčnosť.
- Frekvenčná odozva výstupného signálu (bez použitia usmerňovacieho mostíka a filtra) sa mení.
- Nie je vhodný pre vysokonapäťové obvody striedavého prúdu.
Výpočet deliča napätia s rezistormi, kondenzátormi a induktormi
Po výbere typu deliča napätia musíte použiť vzorce na výpočet. Nesprávny výpočet môže spôsobiť spálenie samotného zariadenia, výstupného stupňa zosilňujúceho prúd a spotrebiča. Následky nesprávnych výpočtov môžu byť horšie ako porucha rádiových komponentov: požiar v dôsledku skratu a úraz elektrickým prúdom.
Pri výpočte a montáži obvodu je potrebné jednoznačne dodržiavať bezpečnostné predpisy, pred zapnutím skontrolovať správnosť montáže a neskúšať zariadenie vo vlhkej miestnosti (zvyšuje sa možnosť úrazu elektrickým prúdom). Základným zákonom používaným pri výpočtoch je Ohmov zákon pre časť obvodu. Jeho formulácia je nasledovná: prúd je priamo úmerný napätiu v časti obvodu a nepriamo úmerný odporu tejto časti. Záznam vo forme vzorca je nasledovný: I = U / R.
Algoritmus na výpočet deliča napätia s rezistormi:
- Celkové napätie: Upit = U1 + U2, kde U1 a U2 sú hodnoty U na každom z rezistorov.
- Napätia na rezistoroch: U1 = I * R1 a U2 = I * R2.
- Upit = I * (R1 + R2).
- Prúd bez záťaže: I = U / (R1 + R2).
- Úbytok U každého rezistora: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * U pi a U2 = (R2 / (R1 + R2)) * U pi.
Hodnoty R1 a R2 musia byť 2-krát nižšie ako odpor záťaže.
Na výpočet deliča napätia na kondenzátoroch možno použiť tieto vzorce: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Upit a U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Upit.
Podobné vzorce na výpočet DN pri indukčnosti: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Upit a U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Upit.
Deliace členy sa vo väčšine prípadov používajú s diódovým mostíkom a stabilitrónom. Stabilizátor je polovodičové zariadenie, ktoré funguje ako stabilizátor U. Diódy by sa mali vyberať s reverzným U nad prípustným U v tomto obvode. Stabilizátor by sa mal vybrať podľa referenčnej knihy pre požadovanú hodnotu stabilizačného napätia. Okrem toho by mal byť v obvode pred ním zaradený rezistor, pretože bez neho sa polovodičové zariadenie vypáli.
Súvisiace články:
