Was ist Spannung, wie kann man die Spannung senken und erhöhen?

Spannung und Stromstärke sind zwei Hauptgrößen in Elektrizität. Zusätzlich zu ihnen werden eine Reihe anderer Größen unterschieden: Ladung, Magnetfeldstärke, elektrische Feldstärke, magnetische Induktion und andere. Ein praktizierender Elektriker oder Elektronikingenieur im Arbeitsalltag muss meistens mit Spannung und Strom arbeiten - Volt und Ampere. In diesem Artikel werden wir speziell über Spannungen sprechen, darüber, was es ist und wie man damit arbeitet.

Bestimmung der physikalischen Größe

Die Spannung ist die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten und kennzeichnet die Arbeit des elektrischen Feldes zur Übertragung der Ladung vom ersten zum zweiten Punkt. Gemessene Spannung in Volt. Dies bedeutet, dass Spannung nur zwischen zwei Punkten im Raum anliegen kann. Daher ist es unmöglich, die Spannung an einem Punkt zu messen.

Das Potential wird durch den Buchstaben "F" und die Spannung durch den Buchstaben "U" angezeigt. In Bezug auf die Potentialdifferenz ausgedrückt beträgt die Spannung:

U = F1-F2

Wenn durch Arbeit ausgedrückt, dann:

U = A / q,

wo A Arbeit ist, ist q Ladung.

Spannungsmessung

Die Spannung wird mit einem Voltmeter gemessen. Die Voltmeter-Sonden verbinden die Spannung mit zwei Punkten, zwischen denen wir interessiert sind, oder mit den Klemmen des Teils, dem Spannungsabfall, an dem wir messen möchten. Darüber hinaus kann jede Verbindung zur Schaltung deren Betrieb beeinträchtigen. Dies bedeutet, dass sich beim Hinzufügen einer Last parallel zu einem Element der Strom in der Schaltung und die Spannung am Element gemäß dem Ohmschen Gesetz ändert.

Fazit:

Das Voltmeter sollte den höchsten Eingangswiderstand haben, damit beim Anschließen der Gesamtwiderstand im Messbereich nahezu unverändert bleibt. Der Widerstand des Voltmeters sollte gegen unendlich tendieren. Je größer er ist, desto zuverlässiger sind die Messwerte.

Die Messgenauigkeit (Genauigkeitsklasse) wird durch eine Reihe von Parametern beeinflusst. Bei Messuhren umfasst dies die Genauigkeit der Teilung der Messskala, die Konstruktionsmerkmale der Pfeilaufhängung, die Qualität und Integrität der elektromagnetischen Spule, den Zustand der Rückstellfedern, die Genauigkeit der Shunt-Auswahl usw.

Bei digitalen Geräten - hauptsächlich die Genauigkeit der Auswahl der Widerstände im Messspannungsteiler, die Auflösung des ADC (je genauer, desto genauer), die Qualität der Messsonden.

Zum Messen der Gleichspannung mit einem digitalen Instrument (z. Multimeter) spielt in der Regel die korrekte Verbindung der Sonden mit dem Messkreis keine Rolle. Wenn Sie eine positive Sonde an einen Punkt anschließen, der ein negativeres Potential aufweist als der Punkt, an den eine negative Sonde angeschlossen ist, wird vor dem Messergebnis ein „-“ angezeigt.

Wenn Sie jedoch mit einem Zeiger messen, müssen Sie vorsichtig sein. Wenn die Sonden nicht richtig angeschlossen sind, beginnt der Pfeil gegen Null abzuweichen und liegt am Begrenzer an. Bei der Messung von Spannungen nahe der Messgrenze oder darüber kann es zu einem Stau oder einer Biegung kommen. Danach muss nicht mehr über die Genauigkeit und den weiteren Betrieb dieses Geräts gesprochen werden.

Für die meisten Messungen im Alltag und in der Elektronik auf Amateurebene reicht ein in Multimeter wie DT-830 und dergleichen eingebautes Voltmeter aus.

Je größer die gemessenen Werte sind, desto geringer sind die Genauigkeitsanforderungen. Wenn Sie Volt messen und einen Fehler von 0,1 V haben, wird das Bild dadurch erheblich verzerrt. Wenn Sie Hunderte oder Tausende von Volt messen, spielt ein Fehler von 5 Volt keine wesentliche Rolle.

Was tun, wenn die Spannung nicht zur Versorgung der Last geeignet ist?

Um jedes bestimmte Gerät oder Gerät mit Strom zu versorgen, müssen Sie eine Spannung mit einem bestimmten Wert anlegen. Es kommt jedoch vor, dass die von Ihnen verwendete Stromquelle nicht geeignet ist und eine niedrige oder zu hohe Spannung erzeugt.Dieses Problem wird je nach erforderlicher Leistung, Spannung und Stromstärke auf verschiedene Weise gelöst.

Wie kann der Spannungswiderstand gesenkt werden?

Der Widerstand begrenzt den Strom und wenn er fließt, fällt die Spannung auf den Widerstand ab (Strombegrenzungswiderstand). Mit dieser Methode können Sie die Spannung senken, um Geräte mit geringem Stromverbrauch mit Strömen von zehn, maximal Hunderten von Milliampere zu versorgen.

Ein Beispiel für eine solche Stromversorgung ist die Aufnahme einer LED in ein Gleichstromnetz 12 (beispielsweise ein Bordfahrzeugnetz mit bis zu 14,7 Volt). Wenn die LED für eine Stromversorgung von 3,3 V mit einem Strom von 20 mA ausgelegt ist, benötigen Sie einen Widerstand R:

R = (14,7-3,3) / 0,02) = 570 Ohm

Widerstände unterscheiden sich jedoch in der maximalen Verlustleistung:

P = (14,7-3,3) * 0,02 = 0,228 W.

Der am nächsten liegende Wert ist ein Widerstand von 0,25 W.

Es ist normalerweise die Verlustleistung, die diese Art der Stromversorgung einschränkt Leistungswiderstände überschreitet nicht 5-10 Watt. Es stellt sich heraus, dass Sie, wenn Sie eine große Spannung abführen oder die Last auf diese Weise mit Strom versorgen müssen, mehrere Widerstände als einsetzen müssen Die Kraft von einem reicht nicht aus und kann auf mehrere verteilt werden.

Ein Verfahren zum Reduzieren der Spannung mit einem Widerstand funktioniert sowohl in Gleichstrom- als auch in Wechselstromkreisen.

Der Nachteil ist, dass die Ausgangsspannung in keiner Weise stabilisiert wird und sich mit zunehmendem und abnehmendem Strom proportional zum Wert des Widerstands ändert.

Wie kann man Wechselspannung mit einer Drossel oder einem Kondensator reduzieren?

Wenn wir nur über Wechselstrom sprechen, können wir Reaktanz verwenden. Der reaktive Widerstand ist nur in Wechselstromkreisen vorhanden. Dies liegt an den Merkmalen der Energiespeicherung in Kondensatoren und Induktivitäten sowie an den Schaltgesetzen.

Induktivitätsdrossel und Kondensator können als Vorschaltgerät verwendet werden.

Die Reaktanz des Induktors (und eines induktiven Elements) hängt von der Frequenz des Wechselstroms (für ein Haushaltsnetz mit 50 Hz) und der Induktivität ab und wird nach folgender Formel berechnet:

wobei ω die Winkelfrequenz in rad / s ist, L-Induktivität, 2pi erforderlich ist, um die Winkelfrequenz in Normal umzuwandeln, f die Spannungsfrequenz in Hz ist.

Die Reaktanz eines Kondensators hängt von seiner Kapazität (je niedriger C, desto größer der Widerstand) und der Frequenz des Stroms in der Schaltung (je höher die Frequenz, desto niedriger der Widerstand) ab. Es kann wie folgt berechnet werden:

Ein Beispiel für die Verwendung von induktivem Widerstand ist die Lieferung von Leuchtstofflampen, DRL-Lampen und DNaT. Der Induktor begrenzt den Strom durch die Lampe. Bei LL- und DNT-Lampen wird er in Verbindung mit einem Anlasser oder einer gepulsten Zündvorrichtung (Startrelais) verwendet, um einen Hochspannungsstoß zu bilden, der die Lampe einschaltet. Dies liegt an der Art und dem Funktionsprinzip solcher Lampen.

Ein Kondensator wird zur Stromversorgung von Geräten mit geringem Stromverbrauch verwendet und in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet. Eine solche Stromversorgung wird als "transformatorlose Stromversorgung mit einem Ballastkondensator" bezeichnet.

Sehr oft werden sie als Strombegrenzer für das Laden von Batterien (z. B. Blei) in tragbaren Taschenlampen und Funkgeräten mit geringem Stromverbrauch verwendet. Die Nachteile eines solchen Schemas liegen auf der Hand: Es gibt keine Kontrolle über den Ladezustand der Batterie, deren Abkochen, Unterladung und Spannungsinstabilität.

So senken und stabilisieren Sie die Gleichspannung

Um eine stabile Ausgangsspannung zu erreichen, können parametrische und lineare Stabilisatoren verwendet werden. Oft werden sie auf inländischen Mikroschaltkreisen vom Typ KREN oder vom ausländischen Typ L78xx, L79xx hergestellt.

Mit dem Linearwandler LM317 können Sie jeden Spannungswert stabilisieren. Er ist auf 37 V einstellbar und kann darauf basierend die einfachste geregelte Stromversorgung herstellen.

Wenn Sie die Spannung leicht reduzieren und stabilisieren müssen, funktionieren die beschriebenen ICs nicht. Damit sie funktionieren, muss es einen Unterschied in der Größenordnung von 2 V oder mehr geben. Hierzu werden LDO-Stabilisatoren (Low Dropout) erstellt.Ihr Unterschied liegt in der Tatsache, dass zur Stabilisierung der Ausgangsspannung die Eingangsspannung um einen Wert von 1 V überschritten werden muss. Ein Beispiel für einen solchen Stabilisator ist AMS1117, das in Versionen von 1,2 bis 5 V erhältlich ist. Meistens werden beispielsweise Versionen von 5 und 3,3 V verwendet in Arduino-Brettern und vieles mehr.

Das Design aller oben beschriebenen linearen Abwärtsstabilisatoren eines sequentiellen Typs hat einen signifikanten Nachteil - einen geringen Wirkungsgrad. Je größer die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist, desto geringer ist sie. Er "verbrennt" einfach die überschüssige Spannung und wandelt sie in Wärme um. Der Energieverlust ist gleich:

Verlust = (Uin-Uout) * I.

Die Firma AMTECH stellt PWM-Analoga von L78xx-Wandlern her, sie arbeiten nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation und ihr Wirkungsgrad beträgt immer mehr als 90%.

Sie schalten die Spannung einfach mit einer Frequenz von bis zu 300 kHz ein und aus (Welligkeit ist minimal). Und die Stromspannung ist auf dem richtigen Niveau stabilisiert. Und die Schaltschaltung ähnelt linearen Analoga.

Wie erhöht man die konstante Spannung?

Zur Erhöhung der Spannung werden Impulsspannungswandler erzeugt. Sie können in das Schema Boost (Boost), Buck (Buck) und Buck-Boost (Buck-Boost) aufgenommen werden. Schauen wir uns einige Vertreter an:

1. Karte basierend auf dem XL6009-Chip

2. Die auf LM2577 basierende Karte erhöht und verringert die Ausgangsspannung.

3. Die Konverterplatine des FP6291 eignet sich zum Zusammenbau eines 5-V-Netzteils, beispielsweise einer Powerbank. Durch Anpassen der Werte der Widerstände kann sie wie bei jedem anderen ähnlichen Wandler auf andere Spannungen eingestellt werden - Sie müssen die Rückkopplungsschaltungen anpassen.

4. Board basierend auf MT3608

Hier ist alles auf der Platine signiert - die Plattform zum Löten der Eingangs- und Ausgangsspannungen. Die Platinen können eine Einstellung der Ausgangsspannung und in einigen Fällen Strombegrenzungen haben, was eine einfache und effektive Labornetzversorgung ermöglicht. Die meisten linearen und pulsierenden Wandler sind kurzschlussfest.

Wie kann man die Wechselspannung erhöhen?

Zum Einstellen der Wechselspannung werden zwei Hauptmethoden verwendet:

1. Autotransformator;

2. Der Transformator.

Autotransformator - Dies ist ein Induktor mit einer Wicklung. Die Wicklung hat einen Abgriff ab einer bestimmten Anzahl von Windungen. Wenn Sie also zwischen einem der Enden der Wicklung und einem Abgriff eine Verbindung herstellen, erhalten Sie an den Enden der Wicklung eine erhöhte Spannung, die um das Vielfache der Gesamtzahl der Windungen und der Anzahl der Windungen vor dem Abgriff erhöht ist.

Die Industrie produziert LATRs - Labor-Spartransformatoren, spezielle elektromechanische Geräte zur Spannungsregelung. Sie fanden sehr breite Anwendung in der Entwicklung elektronischer Geräte und der Reparatur von Netzteilen. Die Einstellung erfolgt über einen Gleitbürstenkontakt, an den das angetriebene Gerät angeschlossen ist.

Der Nachteil solcher Geräte ist das Fehlen einer galvanischen Trennung. Dies bedeutet, dass an den Ausgangsklemmen leicht Hochspannung entstehen kann, wodurch die Gefahr eines Stromschlags besteht.

Transformator - Dies ist eine klassische Methode, um die Größe der Spannung zu ändern. Es besteht eine galvanische Trennung vom Netzwerk, was die Sicherheit solcher Anlagen erhöht. Die Größe der Spannung an der Sekundärwicklung hängt von der Spannung an der Primärwicklung und dem Transformationsverhältnis ab.

Uvt = Uperv * Ktr

Ktr = N1 / N2

Eine separate Ansicht ist Impulstransformatoren. Sie arbeiten bei hohen Frequenzen von zehn und Hunderten von kHz. Sie werden in der überwiegenden Mehrheit der Schaltnetzteile verwendet, zum Beispiel:

• Ladegerät Ihres Smartphones;

• Laptop-Netzteil;

• Computer-Netzteil.

Aufgrund der Arbeit mit einer hohen Frequenz werden die Gesamtabmessungen reduziert, sie sind um ein Vielfaches geringer als die von Netzwerktransformatoren (50/60 Hz), die Anzahl der Windungen an den Wicklungen und infolgedessen der Preis.Der Übergang zu Schaltnetzteilen ermöglichte es, die Abmessungen und das Gewicht aller modernen Elektronikgeräte zu reduzieren und ihren Verbrauch durch Effizienzsteigerung zu reduzieren (in Impulsschaltungen 70-98%).

Elektronische Transformatoren sind häufig in Geschäften zu finden. An ihren Eingang wird eine Netzspannung von 220 V angelegt, und beispielsweise werden 12 V an einem Ausgang mit hochfrequentem Wechselstrom ausgegeben. Diodenbrücke von Hochgeschwindigkeitsdioden.

Im Inneren befinden sich ein Impulstransformator, Transistorschalter, ein Treiber oder eine selbstoszillierende Schaltung, wie unten gezeigt.

Vorteile - Einfachheit der Schaltung, galvanische Trennung und geringe Größe.

Nachteile - Die meisten Modelle, die zum Verkauf angeboten werden, haben eine aktuelle Rückmeldung. Dies bedeutet, dass sie sich ohne eine Last mit minimaler Leistung (in den technischen Daten eines bestimmten Geräts angegeben) einfach nicht einschalten lässt. Einzelne Instanzen sind bereits mit Spannungsbetriebssystemen ausgestattet und können problemlos im Leerlauf betrieben werden.

Sie werden am häufigsten zur Stromversorgung von 12-V-Halogenlampen verwendet, z. B. Scheinwerfer einer abgehängten Decke.

Fazit

Wir haben uns grundlegende Informationen über die Spannung, ihre Messung und Einstellung angesehen. Eine moderne Elementbasis und eine Auswahl an vorgefertigten Einheiten und Wandlern ermöglichen es Ihnen, alle Stromquellen mit den erforderlichen Ausgangseigenschaften zu implementieren. Sie können einen separaten Artikel ausführlicher über jede der Methoden schreiben. In diesem Artikel habe ich versucht, die grundlegenden Informationen zu finden, die für die schnelle Auswahl einer für Sie geeigneten Lösung erforderlich sind.