Падение напряжения. Приложенное напряжение на участке цепи. Пример расчета падения напряжения

Закон Ома для участка цепи – одна из основ электротехники. Сила тока в проводнике (участке цепи) прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (участка электрической цепи) [Г.С. Ом, 1826].

Начиная с азов: закон Ома в действии

Прежде чем разбираться с понятием падения напряжения необходимо вспомнить фундаментальный и основополагающий закон в электротехнике, а именно – закон Ома для отдельного участка цепи:

I = U/R

Где сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R). Почему именно для отдельного участка цепи? Потому что закон Ома для полного участка цепи включает в себя сумму активного и реактивного (индуктивного и емкостного) сопротивлений. Такие многочисленные данные нужны при серьёзных расчётах, чаще всего уже в области энергетики.

Рисунок 1: Закон Ома и его производные формулыРисунок 1: Закон Ома и его производные формулы

Рисунок 1: Закон Ома и его производные формулы

Из данной формулы можно найти напряжение – разницу потенциалов:

U = I*R

Такое простое равенство сопутствует всем электрикам в их работе и пригодится при расчёте падения напряжения в кабеле определённой длины.

Что означает падение напряжения

Падение происходит, когда происходит перенос нагрузки на всем участке электрической цепи. Действие этой нагрузки напрямую зависит от параметра напряженности в ее узловых элементах. Когда определяется сечение проводника, важно участь, что его значение должно быть таким, чтобы в процессе нагрузки сохранялось в определенных границах, которые должны поддерживаться для нормального выполнения работы сети.

Мнемоническая диаграмма для закона Ома

Более того, нельзя пренебрегать и характеристикой сопротивляемости проводников, из которых состоит цепь. Оно, конечно, незначительное, но его влияние весьма существенно. Падение  происходит при передаче тока. Именно поэтому, чтобы, например, двигатель или цель освещения работали стабильно, необходимо поддерживать оптимальный уровень, для этого тщательно рассчитывают провода электроцепи.

Важно! Предел допустимого значения рассматриваемой характеристики отличается от страны к стране. Забывать это нельзя. Если она снижается ниже значений, которые определены в определенной стране, следует использовать провода с большим сечением.

Любой электроприбор будет работать полноценно, если к нему подается то значение, на которое он рассчитан. Если провод взят неверно, то из-за него происходят большие потери электронапряжения, и оборудование будет работать с заниженными параметрами. Особенно актуально это для постоянного тока и низкой напряженности. Например, если оно равно 12 В, то потеря одного-двух вольт уже будет критической.

Закон Ома для участка цепи

Основы электротехники

Закон Ома гласит, что напряжение равно силе тока умноженной на сопротивление. Это может относиться к цепи в целом, участку цепи или к конкретному резистору. Самая распространенная форма этого закона записывается:

U=IR

Два типа схем в электротехнике

Последовательная цепь

Здесь ток протекает по одному проводнику. Независимо от того, какие сопротивления встречаются на его пути, просто суммируйте их, чтобы получить общее сопротивление цепи в целом:

Rобщй = R1 + R2 + … + RN(последовательная цепь)

Последовательная цепь. Источник: Нарисовал самПоследовательная цепь. Источник: Нарисовал сам

Последовательная цепь. Источник: Нарисовал сам

Параллельная цепь

В этом случае проводник разветвляется на два или более других проводника, на каждом из которых имеется своё сопротивление. В этом случае полное сопротивление определяется как:

1/Rобщ = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/R N (параллельная цепь)й

Параллельная цепь. Источник: Собственный рисунокПараллельная цепь. Источник: Собственный рисунок

Параллельная цепь. Источник: Собственный рисунок

Если взглянуть на эту формулу, можно сделать вывод, что добавляя сопротивления одинаковой величины, вы уменьшаете сопротивление цепи в целом. Согласно закону Ома это фактически увеличивает ток!

Если это кажется нелогичным, представьте себе поток автомобилей, которые выезжают с парковки через один шлагбаум и тот же самый поток который выезжает со стоянки, которая имеет несколько выездов. Несколько выездов явно увеличит поток покидающих стоянку машин.

Расчёт электропроводки по падению напряжения

Влияет ли длина и сечение кабеля на напряжение? Влияет и это прекрасно видно на примере закона Ома, который подробно рассматривался в предыдущем параграфе.

Каждый проводник обладает каким-либо сопротивлением, величина которого зависит от материала самого проводника. Например, медь проводит электрический ток куда лучше алюминия, а серебро – лучше меди и т.д. Кабель, по всей своей длине создаёт незначительное сопротивление току, что в конечном итоге приводит к падению напряжения на его концах.

Для того, чтобы найти падение напряжения на кабели, необходимо найти его сопротивление по формуле:

r = ρ*(l/S)

Где ρ (греческая буква «ро») – удельное сопротивление материала, из которого выполнен проводник. Его необходимо найти в таблицах электротехнических справочников. l – длина проводника, а S – его поперечное сечение.

Рисунок 2: Удельное сопротивление некоторых элементовРисунок 2: Удельное сопротивление некоторых элементов

Рисунок 2: Удельное сопротивление некоторых элементов

Когда сопротивление провода или кабеля найдено, можно посчитать падение напряжения на его участке по закону Ома. Для укрепления информации можно воспользоваться следующим примером:

Мощность лампы – 100 Вт.

Проводник – медный, длиной 5 м и сечением 1,5 мм2.

Падение напряжения составит:

U = 0,45 А * 3,35 Ом = 1,5 В.

При мощности потребителя 100 В, падение напряжения на кабеле длиной 5 м и сечением 1,5 мм2 составит 1,5 В.

Рисунок 3: Более сложный расчёт падения напряжения в кабелеРисунок 3: Более сложный расчёт падения напряжения в кабеле

Рисунок 3: Более сложный расчёт падения напряжения в кабеле

Калькулятор, который основан на законе Ома

Используйте этот калькулятор, который основан на законе Ома для расчета соотношений между током, напряжением, сопротивлением и мощностью в электрических цепях. Чтобы воспользоваться калькулятором, введите значения в 2 любых поля и нажмите кнопку «рассчитать».

Диаграмма Закона Ома для участка цепи

Причины падения напряжения

Перекос фаз в трехфазной цепи

Прежде всего нужно разобраться: это вина поставщика электроэнергии или потребителя. Проблемы с сетью возникают по таким причинам:

  • износ линий электропередач;
  • недостаточная мощность трансформаторов;
  • дисбаланс мощности или перекос фаз.

Эти проблемы связаны с поставщиком, самостоятельно их решить невозможно. Чтобы понять, правильно или нет работают высоковольтные линии, придется вызывать представителей энергосбыта. Они сделают замеры и составят заключение.

Удостовериться, что вина падения не связана с поставщиком, можно самостоятельно. Прежде всего, стоит выяснить у соседей, есть ли у них подобные проблемы. Для измерения напряжения в быту подойдет мультиметр. Его стоимость до 1000 рублей. Если прибор на входе в квартиру показывает нормальное напряжение, причину нужно искать в домашней сети.

Падать напряжение может из-за большой протяженности проводки. Когда длина сети превышает 100 метров, а сечение проводников 16 мм, колебания станут регулярными. Чтобы исправить ситуацию, придется менять проводку.

Слабые контакты – это дополнительное сопротивление току. К приборам он доходит в недостаточном количестве. К тому же неисправные контакты могут вызвать замыкание и привести к пожару. Чтобы нормализовать показатели, нужно заменить аварийный участок цепи и подгоревшие контакты.

Виновником может быть неправильное соединение проводов, идущих от ЛЭП к дому. Иногда вопреки требованиям безопасности соединяют медные провода с алюминиевыми или медные проводники соединены вместо клемм скруткой. Клеммы и зажимы изготовлены из некачественных материалов, либо срок их годности вышел.

Возможно, неисправность заключается в самом вводном аппарате. В этом случае его следует заменить.

References[edit]

  • Electrical Principles for the Electrical Trades (Jim Jennesson) 5th edition

Чувствительность отдельных приборов к пониженному напряжению

Включение некоторых приборов в сеть с пониженным напряжением не опасно, но влияет на эффективность их работы. Например, может наблюдаться следующее:

  • обычные лампы накаливания работают, но светят тусклее;
  • электроплиты, духовки, чайники, утюги и пр. нагреваются медленнее.

А вот телевизорам последних моделей это ничем не грозит — они могут работать в широком диапазоне входного напряжения.

Опасно низкое напряжение для электродвигателей, электромагнитов, плат управления. Например, при падении напряжения значительно возрастает нагрузка на обмотки электродвигателей — увеличивается сила тока, — что приводит к их перегреву, а нередко и к сгоранию. Это является причиной отказа в работе холодильников и насосов при очень низком напряжении. А не сгорают они лишь благодаря встроенной защите, которая их просто вовремя отключает. Опасно низкое напряжение и для всевозможных электронных приборов.  

Таблица-шпаргалка

Используя закон Ома для участка цепи, а также формулу для мощности электрического тока: P = U*I – я подготовил для вас полезную таблицу-шпаргалку, которая позволяет соотносить между собой сопротивление (R), силу тока (I), напряжение (U) и мощность электрического тока (P). Будет точно полезно не только школьникам!

Известные величины R (сопротивление) I (сила тока) U (напряжение) P (мощность)
Ток и сопротивление U = I × R P = I2 × R
Напряжение и ток R = U / I P = U × I
Мощность и ток R = P / I2 U = P / I
Напряжение и сопротивление I = U / R P = U2 / R
Мощность и сопротивление I = P / R
Напряжение и мощность R = U2 / R I = P / U
  • Freeware NEC Tables, CEC Tables and Electrical Calculation for your PC
  • Voltage Drop Calculator
  • Voltage drop of British mains cables
  • BS 7671:2008 Cable Sizing Tool
  • Cable Size & Volt Drop Calculator UK

Что называется падением напряжения?

Падение напряжения — постепенное уменьшение напряжения вдоль проводника, по которому течёт электрический ток, обусловленное тем, что проводник обладает активным сопротивлением. Под падением напряжения также понимают величину, на которую меняется потенциал при переходе из одной точки цепи в другую.

Список использованной литературы

  1. Физика, 8 класс. Л.А. Исаченкова, Ю.Д. Лещинский, В.В. Дорофейчик. Издательство «Народная асвета»
  2. Физика. 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. Перышкин А.В.

Применение диодов

Не следует думать, что диоды применяются лишь как выпрямительные и детекторные приборы. Кроме этого можно выделить еще множество их профессий. ВАХ диодов позволяет использовать их там, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов. Это преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи. Широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения).

Выпрямительные диоды.

С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала. Кроме перечисленных устройств диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Достаточно вспомнить логические операции И, ИЛИ и их сочетания. Одной из разновидностей диодов являются светодиоды. Когда-то они применялись лишь как индикаторы в различных устройствах. Теперь они везде и повсюду от простейших фонариков до телевизоров с LED – подсветкой, не заметить их просто невозможно.

Будет интересно Как устроен туннельный диод?

Параметры диодов

Параметров у диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен. Основные параметры выпрямительных диодов приведены в таблице ниже.

Таблица основных параметров выпрямительных диодов.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются. Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

  • U пр.– допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
  • U обр.– допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине.

Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

  • I пр.– прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.
  • I обр.– обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.
  • U стаб.– напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Будет интересно SMD транзисторы

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Диоды высокого тока.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...