В этой статье расскажу о весьма банальных вещах, что не менялись уже не одно десятилетие, да они вообще не менялись. Другое дело, что с тех пор как был изучен принцип снижения напряжения в замкнутой цепи за счет сопротивления, появились и другие принципы питания нагрузки, за счет ШИМ, но тема это отдельная, хотя и заслуживающая внимания. Поэтому продолжу все-таки по порядку логического русла, когда расскажу о законе Ома, потом о его применении для различных радиоэлементов участвующих в понижении напряжения, а после уже можно упомянуть и о ШИМ.
Закон Ома при понижении напряжения
Собственно был такой дядька Георг Ом, который изучал протекание тока в цепи. Производил измерения, делал определенные выводы и заключения. Итогами его работы стала формула Ома, как говорят закон Ома. Закон описывает зависимость падения напряжения, тока от сопротивления.
Сам закон весьма понятен и схож с представлением таких физических событий как протекание жидкости по трубопроводу. Где жидкость, а вернее ее расход это ток, а ее давление это напряжение. Ну и само собой любые изменения сечения или препятствия в трубе для потока, это будет сопротивлением. Итого получается, что сопротивление «душит» давление, когда из трубы под давлением, могут просто капать капли, и тут же падает и расход. Давление и расход величины весьма зависящие друг от друга, как ток и напряжение. В общем если все записать формулой, то получается так:
R=U/I; То есть давление (U) прямо пропорционально сопротивлению в трубе (R), но если расход (I) будет большой, то значит сопротивления как такового нет… И увеличенный расход должен показывать на пониженное сопротивление.
Весьма туманно, но объективно! Осталось сказать, что закон то этот впрочем, был получен эмпирическим путем, то есть окончательные факторы его изменения весьма не определены.
Теперь вооружившись теоретическими знаниями, продолжим наш путь в познании того, как же снизить нам напряжение.
Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью резистора
Самое простое это взять и использовать нестабилизированную схему. То есть когда напряжение просто понизим за счет сопротивления и все. Рассказывать о таком принципе особо нечего, просто считаем по формуле выше и все. Приведу пример. Скажем снижаем с 12 вольт до 5.
R=U/I. С напряжением понятно, однако смотрите, у нас недостаточно данных! Ничего не известно о «расходе», о токе потребления. То есть если вы решите посчитать сопротивление для понижения напряжения, то обязательно надо знать, сколько же «хочет кушать» наша нагрузка.
Эту величину вам необходимо будет посмотреть на приборе, который вы собираетесь питать или в инструкции к нему. Примем условно ток потребления 50 мА=0,05 А. Осталось также еще заметить, что по этой формуле мы подберем сопротивление, которое будет полностью гасить напряжение, а нам надо оставить 5 вольт, то 12-5=7 вольт подставляем в формулу.
R= 7/0,05=140 Ом нужно сопротивление, чтобы после из 12 вольт получить 5, с током на нагрузке в 50 мА.
Осталось упомянуть о не менее важном! О том, что любое гашение энергии, а в данном случае напряжение, связано с рассеиваемой мощностью, то есть наш резистор должен будет «выдержать» то тепло, которое будет рассеивать. Мощность резистора считается по формуле.
P=U*I. Получаем. P=7*0,05=0,35 Вт должна быть мощность резистора. Не менее. Вот теперь курс расчет для резистора можно считать завершенным.
Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью микросхемы
Ничего принципиально не меняется и в этом случае. Если сравнивать этот вариант понижения через микросхему, с вариантом использующим резистор. По факту здесь все один в один, разве что добавляются полезные «интеллектуальные» особенности подстройки внутреннего сопротивления микросхемы исходя из тока потребления. То есть, как мы поняли из абзаца выше, в зависимости от тока потребления, расчетное сопротивление должно «плавать». Именно это и происходит в микросхеме, когда сопротивление подстраивается под нагрузку таким образом, что на выходе микросхемы всегда одно и тоже напряжение питания! Ну и плюсом идут такие «полезные плюшки» как защита от перегрева и короткого замыкания. Что касательно микросхем, так называемых стабилизаторов напряжения на 5 вольт, то это могут быть: LM7805, КРЕН142ЕН5А. Подключение тоже весьма простое.
Само собой для эффективной работы микросхемы ставим ее на радиатор. Ток стабилизации ограничен 1,5 -2 А.
Вот такие вот принципы понижения напряжения с 12 на 5 вольт. Теперь один раз их поняв, вы сможете легко рассчитать какое сопротивление надо поставить или как подобрать микросхему, чтобы получить любое другое более низкое напряжение.
Осталось сказать пару слов о ШИМ.
Широко импульсная модуляция весьма перспективный и самое главное высокоэффективный метод питания нагрузки, но опять же со своими подводными камнями. Вся суть ШИМ сводится к тому, чтобы выдавать импульсами такое напряжение питание, которое суммарно с моментами отсутствия напряжения будет давать мощность и среднее напряжение достаточное для работы нагрузки. И здесь могут быть проблемы, если подключить источник питания от одного устройства к другому. Ну, самые простые проблемы это отсутствие тех характеристик, которые заявлены. Возможны помехи, неустойчивая работа. В худшем случае ШИМ источник питания может и вовсе сжечь прибор, под которые не предназначен изначально!
Напряжение и сила тока – две основных величины в электричестве. Кроме них выделяют и ряд других величин: заряд, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля, магнитная индукция и другие. Практикующему электрику или электронщику в повседневной работе чаще всего приходится оперировать именно напряжением и током – Вольтами и Амперами. В этой статье мы расскажем именно о напряжении, о том, что это такое и как с ним работать.
Определение физической величины
Напряжение это разность потенциалов между двумя точками, характеризует выполненную работу электрического поля по переносу заряда из первой точки во вторую. Измеряется напряжение в Вольтах. Значит, напряжение может присутствовать только между двумя точками пространства. Следовательно, измерить напряжение в одной точке нельзя.
Потенциал обозначается буквой "Ф", а напряжение буквой "U". Если выразить через разность потенциалов, напряжение равно:
Если выразить через работу, тогда:
где A – работа, q – заряд.
Измерение напряжения
Напряжение измеряется с помощью вольтметра. Щупы вольтметра подключают на две точки напряжение, между которыми нас интересует, или на выводы детали, падение напряжения на которой мы хотим измерить. При этом любое подключение к схеме может влиять на её работу. Это значит, что при добавлении параллельно элементу какой-либо нагрузки ток в цепи изменить и напряжение на элементе измениться по закону Ома.
Вывод:
Вольтметр должен обладать максимально высоким входным сопротивлением, чтобы при его подключении итоговое сопротивление на измеряемом участке оставалось практически неизменным. Сопротивление вольтметра должно стремиться к бесконечности, и чем оно больше, тем большая достоверность показаний.
На точность измерений (класс точности) влияет целый ряд параметров. Для стрелочных приборов – это и точность градуировки измерительной шкалы, конструктивные особенности подвеса стрелки, качество и целостность электромагнитной катушки, состояние возвратных пружин, точность подбора шунта и прочее.
Для цифровых приборов – в основном точность подбора резисторов в измерительном делителе напряжения, разрядность АЦП (чем больше, тем точнее), качество измерительных щупов.
Для измерения постоянного напряжения с помощью цифрового прибора (например, мультиметра), как правило, не имеет значения правильность подключения щупов к измеряемой цепи. Если вы подключите положительный щуп к точке с более отрицательным потенциалом, чем у точки, к которой подключен отрицательный щуп – то на дисплее перед результатом измерения появится знак "–".
А вот если вы меряете стрелочным прибором нужно быть внимательным, При неправильном подсоединении щупов стрелка начнет отклоняться в сторону нуля, упрется в ограничитель. При измерении напряжений близких к пределу измерений или больше она может заклинить или погнуться, после чего о точности и дальнейшей работе этого прибора говорить не приходится.
Для большинства измерений в быту и в электронике на любительском уровне достаточно и вольтметра встроенного в мультиметры типа DT-830 и подобных.
Чем больше измеряемые значения – тем ниже требования к точности, ведь если вы измеряете доли вольта и у вас погрешность в 0.1В – это существенно исказит картину, а если вы измеряете сотни или тысяч вольт, то погрешность и в 5 вольт не сыграет существенной роли.
Что делать если напряжение не подходит для питания нагрузки
Для питания каждого конкретного устройства или аппарата нужно подать напряжение определенной величины, но случается, так что имеющийся у вас источник питания не подходит и выдает низкое или слишком высокое напряжение. Решается эта проблема разными способами, в зависимости от требуемой мощности, напряжения и силы тока.
Как понизить напряжение сопротивлением?
Сопротивление ограничивает ток и при его протекании падает напряжение на сопротивление (токоограничивающий резистор). Такой способ позволяет понизить напряжение для питания маломощных устройств с токами потребления в десятки, максимум сотни миллиампер.
Примером такого питания можно выделить включение светодиода в сеть постоянного тока 12 (например, бортовая сеть автомобиля до 14.7 Вольт). Тогда, если светодиод рассчитан на питание от 3.3 В, током в 20 мА, нужен резистор R:
R=(14.7-3.3)/0.02)= 570 Ом
Но резисторы отличаются по максимальной рассеиваемой мощности:
Ближайший по номиналу в большую сторону – резистор на 0.25 Вт.
Именно рассеиваемая мощность и накладывает ограничение на такой способ питания, обычно мощность резисторов не превышает 5-10 Вт. Получается, что если нужно погасить большое напряжение или запитать таким образом нагрузку мощнее, придется ставить несколько резисторов т.к. мощности одного не хватит и ее можно распределить между несколькими.
Способ снижения напряжения резистором работает и в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока.
Недостаток – выходное напряжение ничем нестабилизировано и при увеличении и снижении тока оно изменяется пропорционально номиналу резистора.
Как понизить переменное напряжение дросселем или конденсатором?
Если речь вести только о переменном токе, то можно использовать реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление есть только в цепях переменного тока, это связно с особенностями накопления энергии в конденсаторах и катушках индуктивности и законами коммутации.
Дроссель и конденсатор в переменном токе могут быть использованы в роли балластного сопротивления.
Реактивное сопротивление дросселя (и любого индуктивного элемента) зависит от частоты переменного тока (для бытовой электросети 50 Гц) и индуктивности, оно рассчитывается по формуле:
где ω – угловая частота в рад/с, L-индуктивность, 2пи – необходимо для перевода угловой частоты в обычную, f – частота напряжения в Гц.
Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его емкости (чем меньше С, тем больше сопротивление) и частоты тока в цепи (чем больше частота, тем меньше сопротивление). Его можно рассчитать так:
Пример использования индуктивного сопротивление – это питание люминесцентных ламп освещения, ДРЛ ламп и ДНаТ. Дроссель ограничивает ток через лампу, в ЛЛ и ДНаТ лампах он используется в паре со стартером или импульсным зажигающем устройством (пусковое реле) для формирования всплеска высокого напряжения включающего лампу. Это связано с природой и принципом работы таких светильников.
А конденсатор используют для питания маломощных устройств, его устанавливают последовательно с питаемой цепью. Такой блок питания называется "бестрансфоматорный блок питания с балластным (гасящим) конденсатором".
Очень часто встречают в качестве ограничителя тока заряда аккумуляторов (например, свинцовых) в носимых фонарях и маломощных радиоприемниках. Недостатки такой схемы очевидны – нет контроля уровня заряда аккумулятора, их выкипание, недозаряд, нестабильность напряжения.
Как понизить и стабилизировать напряжение постоянного тока
Чтобы добиться стабильного выходного напряжения можно использовать параметрические и линейные стабилизаторы. Часто их делают на отечественных микросхемах типа КРЕН или зарубежных типа L78xx, L79xx.
Линейный преобразователь LM317 позволяет стабилизировать любое значение напряжения, он регулируемый до 37В, вы можете сделать простейший регулируемый блок питания на его основе.
Если нужно незначительно снизить напряжение и стабилизировать его описанные ИМС не подойдут. Чтобы они работали должна быть разница порядка 2В и более. Для этого созданы LDO(low dropout)-стабилизаторы. Их отличие заключается в том, что для стабилизации выходного напряжение нужно, чтобы входное его превышало на величину от 1В. Пример такого стабилизатора AMS1117, выпускается в версиях от 1.2 до 5В, чаще всего используют версии на 5 и 3.3В, например в платах Arduino и многом другом.
Конструкция всех вышеописанных линейных понижающих стабилизаторов последовательного типа имеет существенный недостаток – низкий КПД. Чем больше разница между входным и выходным напряжением – тем он ниже. Он просто «сжигает» лишнее напряжение, переводя его в тепло, а потери энергии равны:
Компания AMTECH выпускает ШИМ аналоги преобразователей типа L78xx, они работают по принципу широтно-импульсной модуляции и их КПД равен всегда более 90%.
Они просто включают и выключают напряжение с частотой до 300 кГц (пульсации минимальны). А действующее напряжение стабилизируется на нужном уровне. А схема включения аналогичная линейным аналогам.
Как повысить постоянное напряжение?
Для повышения напряжения производят импульсные преобразователи напряжения. Они могут быть включены и по схеме повышения (boost), и понижения (buck), и по повышающе-понижающей (buck-boost) схеме. Давайте рассмотрим несколько представителей:
1. Плата на базе микросхемы XL6009
2. Плата на базе LM2577, работает на повышение и понижение выходного напряжения.
3. Плата преобразователь на FP6291, подходит для сборки 5 V источника питания, например powerbank. С помощью корректировке номиналов резисторов может перестраиваться на другие напряжения, как и любые другие подобные преобразователь – нужно корректировать цепи обратной связи.
4. Плата на базе MT3608
Здесь всё подписано на плате – площадки для пайки входного – IN и выходного – OUT напряжения. Платы могут иметь регулировку выходного напряжения, а в некоторых случая и ограничения тока, что позволяет сделать простой и эффективный лабораторный блок питания. Большинство преобразователей, как линейных, так и импульсных имеют защиту от КЗ.
Как повысить переменное напряжение?
Для корректировки переменного напряжения используют два основных способа:
Автотрансформатор – это дроссель с одной обмоткой. Обмотка имеет отвод от определенного количества витков, так подключаясь между одним из концов обмотки и отводом, на концах обмотки вы получаете повышенное напряжение во столько раз, во сколько соотносится общее количество витков и количество витков до отвода.
Промышленностью выпускаются ЛАТРы – лабораторные автотрансформаторы, специальные электромеханические устройства для регулировки напряжения. Очень широко применение они нашли в разработке электронных устройств и ремонте источников питания. Регулировка достигается за счет скользящего щеточного контакта, к которому подключается питаемое устройство.
Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки. Это значит, что на выходных клеммах может запросто оказаться высокое напряжение, отсюда опасность поражения электрическим током.
Трансформатор – это классический способ изменения величины напряжения. Здесь есть гальваническая развязка от сети, что повышает безопасность таких установок. Величина напряжения на вторичной обмотке зависит от напряжений на первичной обмотки и коэффициента трансформации.
Отдельный вид – это импульсные трансформаторы. Они работают на высоких частотах в десятки и сотни кГц. Используются в подавляющем большинстве импульсных блоках питания, например:
Зарядное устройство вашего смартфона;
Блок питания ноутбука;
Блок питания компьютера.
За счет работы на большой частоте снижаются массогабаритные показатели, они в разы меньше чем у сетевых (50/60 Гц) трансформаторов, количество витков на обмотках и, как следствие, цена. Переход на импульсные блоки питания позволил уменьшить габариты и вес всей современной электроники, снизить её потребление за счет увеличения кпд (в импульсных схемах 70-98%).
В магазинах часто встречаются электронные траснформаторы, на их вход подаётся сетевое напряжение 220В, а на выходе например 12 В переменное высокочастотное, для использования в нагрузке которая питается от постоянного тока нужно дополнительно устанавливать на выход диодный мост из высокоскоростных диодов.
Внутри находится импульсный трансформатор, транзисторные ключи, драйвер, или автогенераторная схема, как изображена ниже.
Достоинства – простота схемы, гальваническая развязка и малые размеры.
Недостатки – большинство моделей, что встречаются в продаже, имеют обратную связь по току, это значит что без нагрузки с минимальной мощностью (указано в спецификациях конкретного прибора) он просто не включится. Отдельные экземпляры оборудованы уже ОС по напряжению и работают на холостом ходу без проблем.
Используются чаще всего для питания 12В галогенных ламп, например точечные светильники подвесного потолка.
Заключение
Мы рассмотрели базовые сведения о напряжении, его измерении, а также регулировки. Современная элементная база и ассортимент готовых блоков и преобразователей позволяет реализовывать любые источники питания с необходимыми выходными характеристиками. Подробнее о каждом из способов можно написать отдельную статью, в пределах этой я постарался уместить базовые сведения, необходимые для быстрого подбора удобного для вас решения.
DC-DC преобразователь 12>3 Вольт, был создан для запитки маломощных плееров с питанием от двух пальчиковых батареек. Поскольку плееры были предназначены для работы в автомобиле, а бортовая сеть автомобиля доставляет 12 Вольт, то каким-то образом нужно было понизить напряжения до номинала 3-4 Вольт.
При заведенном двигателе автомобиля, напряжение бортовой сети повышается до 14 Вольт, это тоже нужно принять во внимание.
3 Вольт" w />
Недолго думая, решил изготовить самый простой понижающий преобразователь, если представленное устройство вообще можно назвать преобразователем. Конструкция DC-DC преобразователя довольно проста и основана на явлении спада напряжения, которое проходит через кристалл полупроводникового диода. Как известно, проходя через полупроводниковый диод, номинал постоянного напряжения спадает в районе 0,7 Вольт. Поэтому, чтобы получить нужный спад напряжения, были использованы 12 дешевых полупроводниковых диода серии IN4007. Это обычные выпрямительные диоды с током 1 Ампер и с обратным напряжением порядка 1000 Вольт, желательно использовать именно эти диоды, поскольку они являются самым доступным и дешевым вариантом. Ни в коем случае не стоит использовать диоды с барьером Шоттки, на них спад напряжения слишком мал, следовательно, для наших целей они не подходят.
3 Вольт" w />
После диодов желательно поставить конденсатор (электролит 100-470мкФ) для сглаживания пульсаций и помех.
Выходное напряжение нашего «DC-DC преобразователя» составляет 3,3-3,7 Вольт, выходной ток (максимальный) до 1 Ампер. В ходе работы диоды должны чуток перегреваться, но это вполне нормально.
3 Вольт" w />
Весь монтаж можно выполнить на обычной макетной плате или же навесным образом, но не стоит забывать, что вибрации могут разрушить места припоев, поэтому в случае использования навесного варианта, диоды желательно приклеить друг к другу с помощью термоклея.
3 Вольт" w />
Аналогичным способом можно понизить напряжение бортовой сети автомобиля до 5 Вольт, для зарядки портативной цифровой электроники — планшетных компьютеров, навигаторов, GPS приемников и мобильных телефонов.
