Как запитать низковольтное реле постоянного тока (на 12, 24 В) от переменного напряжения 220 В, схема

Как запитать низковольтное реле постоянного тока (на 12, 24 В) от переменного напряжения 220 В, схема

В данной статье предлагаю вам простую схему, с помощью которой можно подключить обычное низковольтное реле к сети 220 вольт. То есть, бывают случаи, когда вам для своего устройства или какой либо схемы нужно использовать промежуточное реле, что питается от сетевого переменного напряжения 220 В. Под рукой такого реле нет. Хотя есть реле, рассчитанные на более низкое напряжение и постоянные ток. Либо же есть ненужное устройство, с которого такое низковольтное реле можно снять. И с помощью предлагаемой простой схемы бестрансформаторного блока питания можно из низковольтного реле сделать реле на 220 вольт.

Перед тем, как собирать эту простую схему сначала нужно измерить постоянный ток, который потребляет катушка вашего низковольтного реле.

Для этого просто нужно взять свой мультиметр, перевести его в режим измерения постоянного тока на пределе до 200 мА. Как правило, в среднем, маломощные низковольтные реле потребляют ток около 50 мА. Точность величины потребляемого тока катушкой реле позволит подобрать емкость конденсатора, что обеспечить наиболее благополучный режим работы реле. То есть, если емкость гасящего конденсатора C1 будет больше, чем нужно, то на катушке вашего реле будет оседать большее напряжение, и через нее будет протекать больший ток. Такой режим работы будет нагревать реле, что не совсем хорошо.

Итак, вы измерили ток, который потребляет ваше низковольтное реле и он допустим равен 70 мА. Далее внизу рисунка схемы имеются две формулы для расчета емкости гасящего конденсатора C1. Первая формула является упрощенным вариантом, которой можно пользоваться в случае, когда постоянное напряжение на выходе бестрансформаторного блока питания не будет больше 20 вольт. То есть, если вы используете реле, катушка которого рассчитана на напряжение 12 вольт, то можно использовать первую, упрощенную формулу. Если катушка вашего реле рассчитана на напряжение 24 или даже 36 вольт, то желательно уже пользоваться формулой №2.

Поскольку 12 вольтовые реле встречаются чаще, то я буду использовать упрощенную формулу №1. Итак, я уже знаю, что катушка моего реле потребляет 70 мА. В первую формулу я ток подставляю не в миллиамперах, а в амперах (основных единицах измерения по системе СИ). То есть мой ток равен 0,07 ампер. В формуле используется напряжение сети, то есть 220 вольт. И после простого вычисления я получаю, что емкость моего гасящего конденсатора должна быть 1 мкф (микрофарад). Конечно, если по формуле получилось допустим 1,13 мкф, то вполне допустимо округление и в место такой нестандартной емкости можно просто поставить 1 мкф. На схему такое небольшое округление никак не повлияет.

Причем стоит обязательно учесть, что гасящий конденсатор должен быть пленочный, то есть не электролит (который имеющий полярность). Дело все в том, что поскольку через гасящий конденсатор протекает переменный ток и электролитический конденсатор просто у вас выйдет из строя (обратная полярность его начнет сильно разогревать изнутри, что приведет к последующему вздутию и разрыву верхней его части). Рабочее напряжение у конденсатора должно быть не менее 400 вольт. В крайнем случае можно поставить на 250 вольт, но все же лучше на 400 В.

Итак, мы рассчитали и уже знаем емкость гасящего конденсатора. Теперь об остальных компонентах схемы. Параллельно гасящему конденсатору C1 стоит постоянный резистор. Он нужен для того, чтобы разряжать конденсатор после того, как реле будет отключено от сетевого напряжения. Это нужно, чтобы исключить возможность случайного удара током человека от заряженного конденсатора (хоть величина заряда и не опасна для здоровья человека, но будет весьма неприятно). В схеме резистор R1 стоит на 1 мОм. Хотя его можно ставить в пределах где-то от 100к и до 2 мОм.

Далее в схеме мы видим обычный диодный выпрямительный мост. Поскольку рабочий ток схемы весьма мал (до 100 мА), то диоды подойдут практически любые (выпрямительные), которые способны выдерживать прямой ток до 100 миллиампер и обратное напряжение более 350 вольт. А поскольку современные диоды при своих малых размерах имеют достаточно хорошие характеристики, то можно использовать практически любые из них. К примеру наиболее распространенные типа 1n4007 (выдерживают прямой ток до 1 ампера и обратное напряжение до 1000 вольт).

На схеме после диодного моста пунктиром обозначен еще один конденсатора, который ставить не обязательно. Поскольку на выходе диодного моста мы имеем скачкообразное напряжение с частотой 100 герц, то с таким видом тока катушка реле вполне нормально справляется и работает вполне нормально (без дребезгов, с четким и уверенным срабатыванием). Но, чтобы было совсем правильно, то конденсатора C2 можно и поставить, чтобы уменьшить выходные пульсации на выходе диодного моста. Но слишком большая емкость этого конденсатора также будет вредна (появится небольшая задержка и инерционность срабатывания и отпускания реле).

Данный сглаживающий конденсатора должен иметь емкость где-то от 1 до 3 микрофарад. Напряжение этого электролитического конденсатора должно быть процентов на 25 больше, чем используемое выходное напряжение. То есть, если я планирую использовать реле с напряжением 12 вольт, то выходной конденсатор у меня должен быть рассчитан на напряжение не менее 16 вольт. В идеальном случае его напряжение должно быть не менее 400 вольт, поскольку в случае случайного отсоединения катушки реле от самой схемы произойдет увеличение выходного напряжения до 310 вольт (хотя и с ограниченным выходным током). И это увеличенное напряжение легко может вывести выходной конденсатор из строя (если он был рассчитан на более низкое напряжение).

В подобные схемы иногда еще на выход диодного моста ставят обычный стабилитрон, рассчитанный на напряжение, которое имеет сама катушка реле. Поставить его конечно можно, но это не принципиально важно. Дело в том, что катушка имеет свое определенное активное сопротивление. Когда мы ограничиваем силу тока гасящим конденсатором, то величина этого активного сопротивления делает естественное падение напряжения на катушке. И в итоге величина напряжение на выходе бестрансформаторного блока питания будет равна рабочему напряжению используемого реле. Ведь не просто так мы делали расчет емкости гасящего конденсатора!

Ну и не забываем о электрической безопасности. Чтобы обезопасить схему от случайного КЗ (короткого замыкания) желательно в нее добавить обычный плавкий предохранитель с током около 0,5 ампер. В этом случае даже при случайном возникновении КЗ ничего страшного не произойдет.

Выбор сечения провода для постоянного тока и пониженного напряжения

Говорят, что в своё время между Эдисоном и Тесла проходило соперничество — какой ток выбрать для передачи на большие расстояния — переменный или постоянный? Эдисон был за то, чтобы для передачи электричества использовать постоянный ток. Тесла утверждал, что переменный ток легче передавать и преобразовывать.

Впоследствии, как известно, победил Тесла. Сейчас повсеместно используется переменный ток, в России с частотой 50 Гц. Такой ток дешевле передавать на большие расстояния. Хотя, есть и линии электропередач постоянного тока специального применения.

А если использовать высокие напряжения (например, 110 или 10 кВ), то выходит значительная экономия на проводах, по сравнению с низким напряжением. Об этом я рассказываю в статье про то, чем отличается напряжение 380В от 220В.

Тесла потом пошёл ещё дальше — нашёл способ, как передавать электрический ток совсем без проводов. Чем вызвал большое недовольство производителей меди. Но это уже тема совсем другой статьи.

Кстати, если Вам интересно то, о чем я пишу, подписывайтесь на получение новых статей и вступайте в группу в ВК!

Падение напряжения на проводе

Статья будет конкретная, с теоретическими выкладками и формулами. Кому не интересно, что откуда и почему, советую перейти сразу к Таблице 2 — Выбор сечения провода в зависимости от тока и падения напряжения.

И ещё — расчет потерь напряжения на длинной мощной трехфазной кабельной линии. Пример расчета реальной линии.

Итак, если взять неизменной мощность, то при понижении напряжения ток должен возрастать, согласно формуле:

P = I U. (1)

При этом падение напряжения на проводе за счет сопротивления рассчитывается, исходя из закона Ома:

U = R I. (2)

Из этих двух формул видно, что при понижении питающего напряжения потери на проводе возрастают. Поэтому чем ниже питающее напряжение, тем большее сечение провода нужно использовать, чтобы передать ту же мощность.

Для постоянного тока, где используется низкое напряжение, приходится тщательно подходить к вопросу сечения и длины, поскольку именно от этих двух параметров зависит, сколько вольт пропадёт зря.

Сопротивление медного провода постоянному току

Сопротивление провода зависит от удельного сопротивления ρ, которое измеряется в Ом·мм²/м. Величина удельного сопротивления определяет сопротивление отрезка провода длиной 1 м и сечением 1 мм².

Сопротивление того же куска медного провода длиной 1 м рассчитывается по формуле:

R = (ρ l) / S, где (3)

R — сопротивление провода, Ом,

ρ — удельное сопротивление провода, Ом·мм²/м,

l — длина провода, м,

S — площадь поперечного сечения, мм².

Сопротивление медного провода равно 0,0175 Ом·мм²/м, это значение будем дальше использовать при расчетах.

Не факт, что производители медного кабеля используют чистую медь «0,0175 пробы», поэтому на практике всегда сечение берется с запасом, а от перегрузки провода используют защитные автоматы, тоже с запасом.

Из формулы (3) следует, что для отрезка медного провода сечением 1 мм² и длиной 1 м сопротивление будет 0,0175 Ом. Для длины 1 км — 17,5 Ом. Но это только теория, на практике всё хуже.

Ниже приведу табличку, рассчитанную по формуле (3), в которой приводится сопротивление медного провода для разных площадей сечения.

Таблица 0. Сопротивление медного провода в зависимости от площади сечения

Расчет падения напряжения на проводе для постоянного тока

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push(<>);
Теперь по формуле (2) рассчитаем падение напряжения на проводе:

U = ((ρ l) / S) I , (4)

То есть, это то напряжение, которое упадёт на проводе заданного сечения и длины при определённом токе.

Вот такие табличные данные будут для длины 1 м и тока 1А:

Таблица 1.
Падение напряжения на медном проводе 1 м разного сечения и токе 1А:

Эта таблица не очень информативна, удобнее знать падение напряжения для разных токов и сечений. Напоминаю, что расчеты по выбору сечения провода для постоянного тока проводятся по формуле (4).

Таблица 2.
Падение напряжения при разном сечении провода (верхняя строка) и токе (левый столбец).
Длина = 1 метр

Какие пояснения можно сделать для этой таблицы?

1. Красным цветом я отметил те случаи, когда провод будет перегреваться, то есть ток будет выше максимально допустимого для данного сечения. Пользовался таблицей, приведенной у меня на сайте: Выбор площади сечения провода.

2. Синий цвет — когда применение слишком толстого провода экономически и технически нецелесообразно и дорого. За порог взял падение менее 1 В на длине 100 м.

Как пользоваться таблицей выбора сечения?

Пользоваться таблицей 2 очень просто. Например, нужно запитать некое устройство током 10А и постоянным напряжением 12В. Длина линии — 5 м. На выходе блока питания можем установить напряжение 12,5 В, следовательно, максимальное падение — 0,5В.

В наличии — провод сечением 1,5 квадрата. Что видим из таблицы? На 5 метрах при токе 10 А потеряем 0,1167 В х 5м = 0,58 В. Вроде бы подходит, учитывая, что большинство потребителей терпит отклонение +-10%.

Но. ПрОвода ведь у нас фактически два, плюс и минус, эти два провода образуют кабель, на котором и падает напряжение питания нагрузки. И так как общая длина — 10 метров, то падение будет на самом деле 0,58+0,58=1,16 В.

Иначе говоря, при таком раскладе на выходе БП 12,5 Вольт, а на входе устройства — 11,34. Этот пример актуален для питания светодиодной ленты.

И это — не учитывая переходное сопротивление контактов и неидеальность провода («проба» меди не та, примеси, и т.п.)

Поэтому такой кусок кабеля скорее всего не подойдет, нужен провод сечением 2,5 квадрата. Он даст падение 0,7 В на линии 10 м, что приемлемо.

А если другого провода нет? Есть два пути, чтобы снизить потерю напряжения в проводах.

1. Надо размещать источник питания 12,5 В как можно ближе к нагрузке. Если брать пример выше, 5 метров нас устроит. Так всегда и делают, чтобы сэкономить на проводе.

2. Повышать выходное напряжение источника питания. Это черевато тем, что с уменьшением тока нагрузки напряжение на нагрузке может подняться до недопустимых пределов.

Например, в частном секторе на выходе трансформатора (подстанции) устанавливают 250-260 Вольт, в домах около подстанции лампочки горят как свечи. В смысле, недолго. А жители на окраине района жалуются, что напряжение нестабильное, и опускается до 150-160 Вольт. Потеря 100 Вольт! Умножив на ток, можно вычислить мощность, которая отапливает улицу, и кто за это платит? Мы, графа в квитанции «потери».

Вывод по выбору сечения провода для постоянного напряжения:

Чем короче и толще провод, по которому течет постоянный ток, тем меньше падение напряжения на нём, тем лучше. То есть, потеря напряжения в проводах минимальна.

Если смотреть на таблицу 2, нужно выбирать значения сверху-справа, не переходя в «синюю» зону.

Для переменного тока ситуация та же, но вопрос не стоит столь остро — там мощность передается за счет повышения напряжения и понижения тока. См. формулу (1).

В заключение — таблица, в которой падение постоянного напряжения задано пределом 2% , а напряжение питания равно 12 В. Искомый параметр — максимальная длина провода.

Внимание! Имеется ввиду двухпроводная линия, например кабель, содержащий 2 провода. То есть, тот случай, когда через кабель длиной 1 м ток делает путь 2 м, туда-сюда. Я привёл этот вариант, т.к. он чаще всего встречается на практике. Для одного провода, чтобы узнать падение на нём напряжения, надо число внутри таблицы умножить на 2. Спасибо внимательным читателям!

Таблица 3. Максимальная длина провода для падения постоянного напряжения 2%.

Наша полторашка по этой таблице может иметь длину только 1 метр. Падать на ней будет 2%, или 0,24В. Проверяем по формуле (4) — всё сходится.

Если напряжение выше (например, 24 В постоянного тока), то и длина может быть соответственно больше (в 2 раза).

Всё вышесказанное относится не только к постоянному, но и вообще к низкому напряжению. И при выборе площади сечения в таких случаях следует руководствоваться не только нагревом провода, но и падением напряжения на нём. Например, при питании галогенных ламп через понижающий трансформатор.

Каким напряжением необходимо заряжать автомобильный аккумулятор

Разряженный аккумулятор не всегда требует покупки нового, часто достаточно зарядить старый, процедура неизбежна при частых холодных запусках и коротких поездках. Самые доступные по цене зарядные устройства имеют ручное управление, владелец должен знать, каким напряжением заряжать аккумулятор автомобиля.

Требуется постоянный ток, напряжение до 16,5 Вольт. Зарядка происходит в одном из двух режимов: при постоянной силе тока или постоянной величине напряжения.

• 1.1 Узнай время зарядки своего аккумулятора

Зарядка с сохранением силы тока



Зарядка АКБ Бош

На зарядном устройстве выставляется сила тока, равная 10% от номинальной емкости. Например, для АКБ 12 Вольт емкостью 55Ач требуется ток 5,5А, для 60Ач – 6А. Силу тока при этом необходимо регулярно контролировать и регулировать, так как она имеет свойство сбиваться.

При поддержании силы тока на уровне 10% в конце процесса зарядки происходит сильное газовыделение. Поэтому при достижении 14,4 Вольт силу тока снижают в 2 раза. У необслуживаемых аккумуляторов ее повторно уменьшают вдвое, когда напряжение показывает 15 Вольт.

Узнай время зарядки своего аккумулятора

Аккумулятор 12 Вольт автомобиля заряжен, когда в нем показатели напряжения и силы тока не меняются на протяжении 2-х часов. Для полноценной эксплуатации достаточно сохранения параметров в течение 1 часа. Обычно это происходит при 16,3(±0,1) Вольтах.

Зарядка с сохранением напряжения

АКБ 12 Вольт за сутки зарядится:



Напряжение зарядки, Вольт	Набранная емкость за сутки, % от номинальной
14,4	80(±5)%
15	85-90
16	95-97
16,4	100

У сильно разряженного аккумулятора сила тока в начале зарядки может достигать высоких величин, что может привести к поломке батареи, поэтому показатель ограничивают до 20А.

По мере зарядки сила тока снижается, и в конце стремится к нулю. Такой метод не требует постоянного контроля со стороны владельца. Проконтролировать процесс можно через сутки после начала, замерив, какое напряжение на клеммах. Если оно составляет 14,4(±0,1) Вольт, зарядка окончена. Необслуживаемым батареям требуется обычно более суток для достижения этого показателя. На устройствах, снабженных индикацией, загорится сигнал, свидетельствующий об окончании.

Зарядка кальциевых аккумуляторов



Зарядка кальциевого аккумулятора

Старые сухозаряженные аккумуляторы заряжаются 10%-м током, для них допустимо напряжение до 16 Вольт. Аккумуляторы 12 Вольт Ca/Ca нового образца быстро выходят из строя от такого высокого напряжения.

Максимально допустимое для них значение 14,4 Вольт при токе 10% от емкости. Такая зарядка требует большего времени, но не сокращает срок эксплуатации АКБ.

Зарядка аккумуляторов 6 Вольт

Батареи на 6 Вольт часто используются в:

• мотоциклах, скутерах;
• лодках;
• торговой, складской, промышленной технике;
• детских автомобилях;
• инвалидных колясках.

Учитывая широкое применение 6 Вольтных АКБ, они выпускаются в широком диапазоне емкости, могут иметь как 1,2Ач, так и 16Ач, или любое промежуточное значение. Заряжать такие аккумуляторы зарядником для автомобильного проблематично. Потребуется пристальный контроль, постоянная регулировка тока. Риск перегревания высок.

Наиболее подходящим зарядным устройством для АКБ 6 Вольт является зарядное устройство Imax B6 или ему подобное. Ток 10% от емкости, напряжение до 7,3В.

Зарядка литий полимерных аккумуляторов

Lipo 3.8 V заряжаются устройствами, которые идут в комплекте с ними, либо зарядниками подобным Imax B6.

Батареи заряжаются током от 20 до 100% от номинальной емкости. Для АКБ предпочтительнее меньшие величины. Главный вопрос, какое напряжение показывает заряженный аккумулятор? Набрав 70-80%, начинается зарядка при постоянном напряжении и снижающемся токе.



Литий полимерный аккумулятор

Специальные устройства для Lipo 3.8 V сигнализируют об окончании зарядки при достижении 70-80% емкости. Дальнейший набор плотности обеспечивает более редкие зарядки, однако сокращает срок эксплуатации аккумулятора в целом.

При зарядке литий-полимерных аккумуляторов 3,8 Вольт зарядное устройство должно показывать 4,2 Вольта. При возможности выставить 4,1 Вольт потребуется несколько больше времени на зарядку, но аккумулятор прослужит значительно дольше.

Зарядка аккумулятора без демонтажа с машины

Описанные выше способы подразумевают зарядку от розетки, для чего обычно требуется снятие аккумулятора. Однако зарядка может происходить и под капотом. Современные портативные устройства, такие как CTEK, имеют компактные габариты, позволяют заряжать аккумулятор 12В под капотом. Их можно оставить на ночь, чтобы утром АКБ был в рабочем состоянии. Особенно актуальны подобные зарядники для владельцев авто с кальциевыми батареями.

Подзарядка АКБ генератором

У автомобилей с двигателем внутреннего сгорания аккумулятор работает в паре с генератором. При поездках генератор подзаряжает батарею, впоследствии она дает заряд для запуска автомобиля.



Аккумулятор и генератор

Важно придерживаться рекомендаций производителя относительно емкости аккумулятора. Она тесно взаимосвязана с мощностью генератора.

При чрезмерном превышении емкости АКБ относительно рекомендованной, ей потребуется значительно больше времени на зарядку от штатного генератора. Часто в таких случаях батарея не успевает подзаряжаться до нужного уровня, начинает быстро разряжаться вплоть до глубоких разрядов.

При установке Аккумулятора емкостью меньше рекомендованной, сила тока генератора для нее оказывается слишком высокой, она быстро перегревается, может закипеть.

Срок эксплуатации АКБ в обоих описанных случаях резко сокращается.

Какое напряжение должен показывать заряженный аккумулятор, во многом зависит от его типа. Мы подробно рассмотрели основные. Бережная зарядка продлевает срок работы батарей. При своевременном обслуживании они способны служить до 5 лет и более.

Что лучше 12v постоянного или 220v переменного тока



Подавляющее большинство, имеющее загородный дом, дачу, коттедж, вынуждено обесточивать жилище в силу опасности короткого замыкания (сырость, перепад или скачёк напряжения, грозовые разряды).

Повреждения «сетевой» проводки грызунами часто приводят к возгоранию.

Почти все охранные сигнализации, датчики, системы видеонаблюдения, мониторы, ЖК(LCD)-телевизоры запитаны постоянным напряжением 12 вольт через понижающие трансформаторные устройства.

Само по себе (не говоря уже о переменном магнитном поле) трансформаторное устройство потенциально опасно и требует теплоотвода, отсутствие влаги и запылённости.

На выделяемое тепло затрачивается энергия, а бесплатной энергии не бывает (даже солнечной, т.к. преобразователь фотонов в электроны, солнечный модуль, стоит довольно дорого).

Для примера сравните нагрев блока питания и подключенного к нему телевизора или монитора.

Половину тепла выделяет блок питания. Логично ли его использование?

Не буду вдаваться в электромагнитные тонкости, но если сравнить низковольтный насос постоянного тока и «сетевой», при одинаковой производительности разница в энергопотреблении и габаритах равна двум и более (для педантов: у «сетевого» насоса, помимо индуктивного, присутствует низкое активное сопротивление).

Это относится ко всем электромоторам, трансформаторам и «намоточным» (которые гудят) изделиям. Иными словами если мощность насосов 150 ватт, то насос постоянного тока заполнит емкость 7000 литров, аналогичный переменного тока 2500 литров.

В виду меньшей материалоемкости в производстве себестоимость ниже, соответственно в продаже цена скромнее.

Коротко замечу, что в подавляющем большинстве своём генератор вырабатывает переменное напряжение с синусом 0,6 (в «сети»

Это негативно сказывается на всех электродвигателях (насосы, компрессоры холодильников и т.д.) которые рассчитаны для стандартного, сетевого синуса 0,8.

К сожалению, инверторы грешат тем же, плюс модифицированная синусоида.

Учитывая вышеизложенное, логично сделать гибридную схему питания. Независимое, раздельное энергоснабжение. Низковольтное -12v постоянного тока и

Из экономии можно использовать один, четырёх-жильный кабель (на провод заземления подключаем минус 12 вольт). Но предпочтительнее абсолютно раздельное.

При чём, для питания

220v напряжением, как правило, достаточно 2-3 розеток.

За редким исключением, все энергосберегающие «сетевые» лампы работают с частотой мерцания 400 Гц (в подтверждение этому можно услышать характерный писк лампы), и хотя это незаметно для глаз, пользы от этого не ждите.

В низковольтных энергосберегающих лампах постоянного тока этих недостатков нет.

Оставляя, на время отъезда, низковольтное напряжение снимается вопрос с питанием систем охраны, дежурного освещения, автомобильного холодильника.

Солнечные батареи, ветрогенератор в естественном режиме выполняют роль зарядного устройства. Заряжать аккумулятор сетевым, трансформаторным методом небезопасно.

Мало кто рискнет оставить на длительный срок включёнными без присмотра инверторы холодильник, компрессор которого запитан напряжением

220v с модифицированной синусоидой. Особенно если инвертор находится в помещении со значительными перепадами температур (день/ночь).

Возникает опасность оказаться в точке росы*, с непредсказуемыми последствиями.

Предложенная нетрадиционная схема питания лишь на первый взгляд усложняет жизнь. На самом деле имеет несомненные плюсы.

Это электро- и пожаробезопасность, возможность использования бестрансформаторных устройств, значительное (до 30-50%) энергосбережение и пр.

В конечном итоге переход на традиционную схему сводится только к замене ламп и подключению низковольтной сети к источнику сетевого напряжения. Стоит добавить, что нам неизвестны случаи перехода от данной схемы к традиционной.

Напряжение — Voltage

Напряжение , разность электрических потенциалов , электрическое давление или электрическое напряжение — это разность электрического потенциала между двумя точками, которая (в статическом электрическом поле ) определяется как работа, необходимая на единицу заряда для перемещения тестового заряда между двумя точками. В Международной системе единиц , в производной единицы для напряжения (разности потенциалов) называется вольт . В единицах СИ работа на единицу заряда выражается в джоулях на кулон , где 1 вольт = 1 джоуль (работы) на 1 кулон (заряда). Старое определение СИ для вольт используемой мощности и тока ; начиная с 1990 г. использовались квантовый эффект Холла и Джозефсона , а недавно (2019 г.) были введены фундаментальные физические константы для определения всех единиц СИ и производных единиц. Напряжение или разность электрических потенциалов символически обозначается упрощенно V или U , например, в контексте законов Ома или Кирхгофа . Δ V

Разность электрических потенциалов между точками может быть вызвана накоплением электрического заряда (например, конденсатора ) и электродвижущей силой (например, электромагнитной индукцией в генераторе , катушках индуктивности и трансформаторах ). В макроскопическом масштабе разность потенциалов может быть вызвана электрохимическими процессами (например, элементами и батареями), пьезоэлектрическим эффектом , вызванным давлением , и индуцированной теплом электродвижущей силой на стыках металл-металл. Эти последние процессы на микроскопическом уровне имеют физическое происхождение, о котором упоминалось ранее.

Вольтметр может быть использован для измерения напряжения (или разности потенциалов) между двумя точками в системе. Часто в качестве одной из точек используется общий опорный потенциал, такой как земля системы. Напряжение может представлять собой либо источник энергии, либо потерю, рассеяние или накопление энергии.

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Определение

Определение

Существует несколько полезных способов определения напряжения, включая стандартное определение, упомянутое ранее. Есть также другие полезные определения работы на заряд (см. § Гальванический потенциал против электрохимического потенциала ).

Напряжение определяется так, что отрицательно заряженные объекты притягиваются к более высоким напряжениям, а положительно заряженные объекты — к более низким напряжениям. Следовательно, обычный ток в проводе или резисторе всегда течет от более высокого напряжения к более низкому напряжению.

Исторически для обозначения напряжения использовались такие термины, как «напряжение» и «давление». Даже сегодня термин «напряжение» все еще используется, например, во фразе « высокое напряжение » (HT), которая обычно используется в электронике на основе термоэмиссионного клапана ( вакуумной трубки ).

Определение в электростатике



В этом случае увеличение напряжения от точки A к точке B равно работе, совершаемой на единицу заряда против электрического поля, по перемещению заряда от точки A к точке B без какого-либо ускорения. Математически это выражается как криволинейный интеграл от электрического поля вдоль этого пути. В электростатике этот линейный интеграл не зависит от пройденного пути.

Согласно этому определению, любая цепь, в которой есть изменяющиеся во времени магнитные поля, такие как цепи переменного тока , не будет иметь четко определенного напряжения между узлами в цепи, поскольку электрическая сила не является консервативной силой в этих случаях. Однако на более низких частотах, когда электрическое и магнитное поля не меняются быстро, этим можно пренебречь (см. Электростатическое приближение ).

Обобщение на электродинамику

Электрический потенциал может быть обобщен на электродинамику, так что различия в электрическом потенциале между точками четко определены даже в присутствии изменяющихся во времени полей. Однако, в отличие от электростатики, электрическое поле уже нельзя выразить только через электрический потенциал. Кроме того, значение и значение разности потенциалов будет зависеть от выбора калибра .

В этом общем случае некоторые авторы используют слово «напряжение» для обозначения линейного интеграла электрического поля, а не для разницы в электрическом потенциале. В этом случае рост напряжения на некотором пути от до определяется выражением: п < displaystyle < mathcal

>> р А < displaystyle mathbf _ > р B < displaystyle mathbf _ >

Однако в этом случае «напряжение» между двумя точками зависит от пройденного пути.

Лечение в теории цепей

В анализе цепи и электротехнике , сосредоточенные элементы модель используется для представления и анализа схем. Эти элементы представляют собой идеализированные и автономные элементы схемы, используемые для моделирования физических компонентов.

При использовании модели с сосредоточенными элементами предполагается, что эффекты изменения магнитных полей, создаваемых цепью, соответствующим образом учитываются для каждого элемента. При этих предположениях электрическое поле в области, внешней по отношению к каждому компоненту, является консервативным, и напряжения между узлами в цепи четко определены, где

до тех пор, пока путь интеграции не проходит внутри какого-либо компонента. Вышеупомянутая формула используется в электростатике. Этот интеграл с траекторией интегрирования, проходящей по измерительным проводам, и есть то, что на самом деле будет измерять вольтметр.

Если неограниченные магнитные поля по всей цепи не пренебрежимо малы, то их влияние можно моделировать, добавляя элементы взаимной индуктивности . Однако в случае физического индуктора идеальное сосредоточенное представление часто бывает точным. Это связано с тем, что внешние поля индукторов обычно незначительны, особенно если индуктор имеет замкнутый магнитный путь . Если внешние поля незначительны, мы находим, что

не зависит от пути, и на выводах индуктора имеется четко определенное напряжение. Это причина того, что измерения с помощью вольтметра на катушке индуктивности часто достаточно независимы от размещения измерительных проводов.

Вольт

Вольт (символ: В ) — это производная единица для электрического потенциала , разности электрических потенциалов и электродвижущей силы . Вольт назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта (1745–1827), который изобрел гальваническую батарею , возможно, первую химическую батарею .

Гидравлическая аналогия

Простая аналогия для электрической цепи — вода, протекающая по замкнутому контуру трубопровода , приводимая в действие механическим насосом . Это можно назвать «водяным контуром». Разность потенциалов между двумя точками соответствует разнице давлений между двумя точками. Если насос создает разницу давлений между двумя точками, тогда вода, текущая из одной точки в другую, сможет выполнять работу, например приводить в движение турбину . Точно так же работа может выполняться электрическим током, управляемым разностью потенциалов, обеспечиваемой батареей . Например, напряжение, обеспечиваемое достаточно заряженной автомобильной батареей, может «протолкнуть» большой ток через обмотки автомобильного стартера . Если насос не работает, он не создает перепада давления, и турбина не вращается. Аналогичным образом, если автомобильный аккумулятор очень слабый или «мертвый» (или «разряженный»), он не будет включать стартер.

Гидравлическая аналогия — полезный способ понять многие электрические концепции. В такой системе работа по перемещению воды равна « перепаду давления » (сравните pd), умноженному на объем перемещенной воды. Точно так же в электрической цепи работа, выполняемая по перемещению электронов или других носителей заряда, равна «разности электрического давления», умноженной на количество перемещенных электрических зарядов. Что касается «потока», чем больше «разница давления» между двумя точками (разность потенциалов или разность давлений воды), тем больше поток между ними (электрический ток или поток воды). (См. « Электроэнергия ».)

Приложения



Определение измерения напряжения требует явного или неявного указания точек, в которых измеряется напряжение. При использовании вольтметра для измерения разности потенциалов один электрический провод вольтметра должен быть подключен к первой точке, а другой — ко второй точке.

Термин «напряжение» обычно используется для описания падения напряжения на электрическом устройстве (например, резисторе). Падение напряжения через устройство может быть понято как разница между измерениями на каждый терминале устройства по отношению к общей опорной точке (или земле ). Падение напряжения — это разница между двумя показаниями. Две точки в электрической цепи, которые соединены идеальным проводником без сопротивления и не находятся в пределах изменяющегося магнитного поля, имеют нулевое напряжение. Любые две точки с одинаковым потенциалом могут быть соединены проводником, и между ними не будет протекать ток.

Сложение напряжений

Напряжение между A и C является суммой напряжения между A и B , и напряжение между B и C . Различные напряжения в цепи можно вычислить, используя законы Кирхгофа .

Когда говорят об переменном токе (AC), есть разница между мгновенным напряжением и средним напряжением. Мгновенные напряжения могут быть добавлены для постоянного тока (DC) и переменного тока, но средние напряжения могут быть добавлены осмысленно только тогда, когда они применяются к сигналам, которые имеют одинаковую частоту и фазу.

Измерительные приборы



К приборам для измерения напряжения относятся вольтметр , потенциометр и осциллограф . Аналоговые вольтметры , такие как приборы с подвижной катушкой, работают, измеряя ток через фиксированный резистор, который, согласно закону Ома , пропорционален напряжению на резисторе. Потенциометр работает путем уравновешивания неизвестного напряжения с известным напряжением в мостовой схеме . Электронно -лучевой осциллограф работает путем усиления напряжения и использования его для отклонения электронного луча от прямого пути, так что отклонение луча пропорционально напряжению.

Типичные напряжения

Обычное напряжение для батареек фонарика составляет 1,5 В (постоянный ток). Обычное напряжение для автомобильных аккумуляторов составляет 12 вольт (постоянный ток).

Стандартные напряжения, подаваемые энергокомпаниями на потребителей, составляют от 110 до 120 вольт (переменного тока) и от 220 до 240 вольт (переменного тока). Напряжения в передаче электрической энергии линий , используемых для распределения электроэнергии от электростанций может быть в несколько сотен раз больше , чем потребительские напряжения, как правило , от 110 до 1200 кВ (переменного тока).

Напряжение, используемое на воздушных линиях для питания железнодорожных локомотивов, составляет от 12 кВ до 50 кВ (переменного тока) или от 0,75 кВ до 3 кВ (постоянного тока).

Гальванический потенциал против электрохимического потенциала

Внутри проводящего материала на энергию электрона влияет не только средний электрический потенциал, но и конкретная тепловая и атомная среда, в которой он находится. Когда вольтметр подключается между двумя разными типами металла, он не измеряет электростатический потенциал. разность потенциалов, а вместо этого что-то еще, на что влияет термодинамика. Величина, измеренная вольтметром, является отрицательной величиной разности электрохимического потенциала электронов ( уровня Ферми ), деленной на заряд электрона и обычно называемой разностью напряжений, в то время как чистый нескорректированный электростатический потенциал (не измеряемый вольтметром) равен иногда называют потенциалом Гальвани . Термины «напряжение» и «электрический потенциал» неоднозначны в том смысле, что на практике они могут относиться к любому из них в разных контекстах.

История

Термин электродвижущая сила был впервые использован Вольтой в письме к Джованни Альдини в 1798 году и впервые появился в опубликованной в 1801 году статье в Annales de chimie et de Physique . Под этим Вольта имел в виду силу, которая не была электростатической силой, в частности, электрохимической силой. Этот термин был использован Майклом Фарадеем в связи с электромагнитной индукцией в 1820-х годах. Однако четкого определения напряжения и метода его измерения в то время не было разработано. Вольта отличал электродвижущую силу (ЭДС) от напряжения (разности потенциалов): наблюдаемая разность потенциалов на выводах электрохимической ячейки, когда она была разомкнута, должна точно уравновешивать ЭДС ячейки, чтобы ток не протекал.

голоса
Рейтинг статьи