Как рассчитать шунт для амперметра?
Почему, я намотал вторичную обмотку на 12 вольт, а блок питания у меня выдаёт 16 вольт?.
Как измерить, какую мощность выдаёт усилитель низкой частоты?
Такие вопросы порой часто возникают от новичков радиолюбителей. Кратко напомним им, чем нужно руководствоваться в своей практической деятельности.
Закон Ома.
Основным законом, которым руководствуются радиолюбители — является Закон Ома..
Георг Симон ОМ
Georg Simon Ohm, 1787–1854
Немецкий физик. Родился в Эрлангене 16 марта в 1787 году (по другим источникам он родился в 1789-м). Окончил местный университет. Преподавал математику и естественные науки. В академических кругах его признали достаточно поздно. В 1849 году стал профессором Мюнхенского университета, хотя уже в 1827 году он опубликовал закон, который теперь носит его имя. Помимо электричества занимался акустикой и изучением человеческого слуха.
I = U/R, где R — электрическое сопротивление проводника.
Уравнение это выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока). Формулировка этого закона следующая:
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорционально его сопротивлению.
Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого. Сопротивление проводника в 1 Ом будет в том случае, если при протекающем по нему токе в 1 Ампер, падение напряжения на нём будет 1 Вольт.
Так же при прохождении тока по проводнику, на нём выделяется мощность(он нагревается), и чем больше протекающий по нему ток, тем больше выделяемая на нём мощность.
Как Вы должны знать U — это работа, выполняемая при перемещении одного кулона, а ток I — количество кулонов, проходящих за 1 сек. Поэтому произведение тока на напряжение показывает полную работу, выполненную за 1 сек, то есть электрическую мощность или мощность электрического тока в Ваттах.
Вывод: поскольку электрическая мощность «P» в одинаковой степени зависит от тока «I» и от напряжения «U», то, следовательно, одну и ту же электрическую мощность можно получить либо при большом токе и малом напряжении, или же, наоборот, при большом напряжении и малом токе.
Из всего этого вытекают следующие формулы для расчётов тока, напряжения, сопротивления, мощности.
Величины, проставляемые в этих формулах; напряжение в вольтах, сопротивление в омах, ток в амперах, мощность в ваттах.
Последняя формула определяет мощность тока и выведена на основании практических опытов, проделанных в 1841 году Д. П. Джоулем и независимо от него в 1842 году, опытами Э. Х. Ленца. Называется Законом Джоуля — Ленца. Звучит так;
Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка.
Для определения всех этих величин, есть очень интересная диаграмма (таблица), где отражены все эти формулы.
В центре искомые величины, а в секторах с соответствующими цветами — варианты решений в зависимости от известных величин.
Имеется ещё более упрощённая диаграмма для определения величин, исходя из закона Ома. Называется в простонародье — треугольник Ома.
Выглядит она следующим образом:
В этом треугольнике Ома, нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для ее вычисления.
Закон Ома также применяется ко всей цепи, но в несколько изменённой форме:
- ,
- — ЭДС цепи,
- I — сила тока в цепи,
- R — сопротивление всех элементов цепи,
- r — внутреннее сопротивление источника питания.
Закон Ома для полной цепи звучит так — Сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника.
Электрические измерения.
Нарисуем простейшую электрическую цепь, состоящую из батареи «В» и нагрузки «R», и рассмотрим, как необходимо измерять протекающий по цепи ток, и напряжение на нагрузке.
Что бы измерить протекающий в цепи ток, необходимо в разрыв источника питания и нагрузки включить измерительный прибор (амперметр).
Для того, что бы на измеряемую цепь было как можно меньше влияний и для повышения точности измерения, амперметры изготавливают с очень малым внутренним сопротивлением, то есть если включить амперметр в разрыв проверяемой цепи, то он практически не добавит к измеряемой цепи дополнительного сопротивления, и протекающий по цепи ток практически не изменится, или уменьшится на очень незначительную величину не оказывающую значительного влияния на конечный результат измерения.
Это равносильно тому, что подключить параллельно нагрузке или источнику питания обычный провод. Попросту сказать — закоротить цепь.
Если источник питания обладает хорошей мощностью — будет очень сильный Б А Х !!! Последствия могут быть самыми разными, от выхода из строя измерительного прибора (амперметра), что обычно и случается, и до выбитых пробок (АЗС) в квартире и обесточивания помещения и возможного поражения током.
Для измерения напряжения на нагрузке необходимо, что бы подключаемый к ней вольтметр не шунтировал нагрузку и не оказывал заметного влияния на результат измерения. Для этого вольтметры изготавливают с очень высоким входным сопротивлением и их наоборот подключают параллельно измеряемой цепи. Благодаря высокому входному сопротивлению вольтметра — сопротивление измеряемой цепи практически не изменяется, или изменяется очень не значительно, не оказывая заметного влияния на результат измерения.
На рисунке выше показан порядок включения амперметра и вольтметра для измерения напряжения на нагрузке и протекающего через неё тока. Так же указана полярность подключения измерительных приборов в измеряемую цепь.
Постоянный и переменный ток.
Кратко напомню — постоянный ток (DC), это такой ток, который в течении определённого промежутка времени не изменяет своей величины и направления.
Переменный ток (AC) — это ток, который в течении определённого промежутка времени периодически изменяется как по величине, так и по направлению.
На рисунке выше, на графиках изображены диаграммы постоянного (а), и переменного (б) тока.
Промежуток времени, на протяжении которого совершается полный цикл изменения тока, называется периодом. Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.
Промежуток времени, на протяжении которого совершается половина полного цикла изменения тока, называется полупериодом. Следовательно, период изменения тока (ЭДС или напряжения) состоит из двух полупериодов. Совершенно очевидно, что все периоды одного и того же переменного тока равны между собой.
В течение одного периода своего изменения,ток дважды достигает максимального значения.
Максимальное значение переменного тока (ЭДС или напряжения) называется его амплитудой или амплитудным значением тока.
Действующее (эффективное) и амплитудное значение переменного синусоидального тока (напряжения).
Переменный синусоидальный ток в течение периода имеет различные мгновенные значения. Возникает вопрос, как же его измерять? Для его измерения и введено понятие — «Действующее (или эффективное) значение» переменного тока.
Что же такое действующее (или эффективное) и амплитудное значение переменного тока?
Как Вам попроще объяснить, чтобы было понятно.
Действующее (эффективное) значение переменного тока равно такому постоянному току, который, проходя через то же сопротивление, что и переменный ток, за то же время, выделяет такое же количество энергии.
То есть если к какой либо активной нагрузке (нагревательный элемент, лампа накаливания, резистор и т.д.) подключить переменный ток, который за определённый промежуток времени (например 10 секунд) выделит на активной нагрузке то-же количество энергии, тепла на нагревательном элементе, резисторе, или разогреет спираль лампы накаливания до точно такой же светоотдачи, что и постоянный ток какой-то определённой величины за тот же промежуток времени (тоже 10 секунд) — то тогда действующее (эффективное) значение такого переменного тока будет равняться величине постоянного тока.
Все электроизмерительные приборы (амперметры, вольтметры), отградуированы для измерения действующего значения синусоидального тока или напряжения.
Что такое «Амплитудное значение» переменного тока?
Если объяснять попроще, то это самое максимальное значение (величина) синусоидального тока на самом пике (максимуме) синусоиды.
Амплитудное значение переменного тока можно измерить электронно — лучевым осциллографом, так как все осциллографы откалиброваны на измерение амплитудных значений.
Поскольку действующее значение переменного синусоидального тока пропорционально квадратному корню из площади, то оно получается в 1,41 раза меньше его амплитудного значения.
Проще говоря — если измерить величину переменного тока (напряжения) электроизмерительными приборами, отградуированными для измерения переменного синусоидального тока (напряжения), то есть например замерить величину переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора, — то амплитудное значение напряжения на этой обмотке будет соответственно в 1,41 раз больше замеренного.
Все конденсаторы в выпрямительных фильтрах соответственно заряжаются до величины амплитудного значения.
Можно посчитать, что при действующем напряжении сети 220 В, амплитудное его значение будет составлять 310 вольт (220 помножить на 1,41).
Отсюда вытекает, что если собрать выпрямитель переменного действующего напряжения 220 вольт, то конденсаторы фильтра необходимо применять на рабочее напряжение не менее чем на 350 вольт, так как они заряжаются до амплитудного (максимального) значения переменного напряжения, а ещё лучше не менее 400 вольт, для обеспечения надёжности работы выпрямителя.
Для действующего значения переменного синусоидального напряжения (тока) — справедливы формулы для расчётов сопротивлений, мощности, действующих токов и напряжений — приведённые выше в Законе Ома для постоянного тока.
Ответим на вопросы в начале статьи;
Как рассчитать шунт для амперметра?
Большинство отечественных измерительных головок для амперметров, рассчитываются на полное отклонение при подведении к ним напряжения в 75 мВ (0,075 вольта). У них на шкале имеется надпись «НШ — 75 мВ», или «Наружный шунт 75 мв», или что-то подобное.
Нам стало известно две величины, а именно — необходимый нам ток полного отклонения и напряжение полного отклонения измерительной головки.
Например, нам нужно рассчитать шунт на 20 ампер. По Закону Ома 0,075 делим на 20 = 0,00375 Ом.
Изготовить такой шунт можно из медной проволоки, посмотрев её удельное сопротивление по таблице ЗДЕСЬ . Только необходимо брать проволоку, диаметром желательно не менее 1,5 мм, так как шунт при большом токе будет греться, и показания прибора будет изменяться (при нагреве проволоки увеличится её внутреннее сопротивление).
Почему из 12 вольт переменного напряжения, стало около 16 вольт постоянного — надеюсь Вам стало понятно. У переменного напряжения 12 вольт (действующее его значение) — амплитудное значение будет в 1,41 раз больше, то есть 16,92 вольта, минус около вольта падение напряжения на диодах. В итоге получается около 16 вольт — до которых и заряжаются электролитические конденсаторы фильтра.
Как правильно измерить мощность УНЧ?
Давайте для начала вспомним теорию.
Выходная мощность усилителей НЧ измеряется на синусоидальном сигнале. У идеального двухтактного выходного каскада, максимальное амплитудное значение синусоидального сигнала на выходе может приблизиться к величине равной половине напряжения источника питания.
У каскада по мостовой схеме, выходное напряжение может приблизиться к величине напряжения источника питания.
Говоря другими словами, у автомобильной магнитолы при напряжении питания 13,5 вольт, для двухтактного выходного каскада максимальное выходное напряжение (синус) будет 6,5 вольт, а его действующее значение 4,6 вольта, для мостовой схемы соответственно 13 В. и 9,2 вольта.
Возьмём минимальную нагрузку для этих усилителей 2 Ома, соответственно максимальная выходная мощность (исходя из Закона Джоуля — Ленца) для первой магнитолы, которую она выдаст теоретически — будет 10,6 ватта, для второй — 42,3 ватта (это для нагрузки 2 Ома). На практике не более 10 и не более 40, или и того меньше. Для 4-х Ом соответственно ещё в два раза меньше. Я не говорю уже об искажениях, здесь мы просто измеряем максимальную выходную мощность.
В бытовых условиях измерять выходной сигнала усилителя (при подаче на вход синусоидального сигнала), лучше обычными «цешками» или бытовыми «цифровиками», так как они сразу измеряют действующее значение синусоидального сигнала. На выход усилителя лучше включать при замерах эквивалент нагрузки, то есть сопротивления с мощностью рассеивания, не менее максимально расчётной мощности усилителя, и с сопротивлением, равному сопротивлению предполагаемой нагрузки (это, что-бы не раздражать себя и соседей звуками во время замеров). Дальше, зная максимальное выходное напряжение и сопротивление нагрузки, рассчитываем мощность по вышеприведённым формулам, то есть напряжение в квадрате делённое на сопротивление нагрузки.
Так, что если Вы в магазине увидите подобный аппарат, и продавец Вас будет уверять, что на канал он выдаёт по 60-80 ватт — это развод, рекламный ход и т.д., если только для питания этого усилителя не применяется повышающий преобразователь.
Как вы помните из предыдущей статьи, переменное напряжение – это напряжение, которое меняется со временем. Оно может меняться с каким-то периодом, а может быть хаотичным. Но не стоит также забывать, что и переменное напряжение обладает своими особенными параметрами.
Среднее значение напряжения
Среднее значение переменного напряжения Uср – это, грубо говоря, площадь под осциллограммой относительно нуля за какой-то промежуток времени. Чтобы это понять, давайте рассмотрим вот такую осциллограмму.
среднее значение напряжения за периодНапример,чему равняется среднее значение напряжения за эти два полупериода? В данном случае ноль вольт. Почему так? Площади S1 и S2 равны. Но все дело в том, что площадь S2 берется со знаком “минус”. А так как площади равны, то в сумме они дают ноль: S1+(-S2)=S1-S2=0. Для бесконечного по времени синусоидального сигнала среднее значение напряжения также равняется нулю.
То же самое касается и других сигналов, например, двухполярного меандра. Меандр – это прямоугольный сигнал, у которого длительности паузы и импульса равны. В этом случае его среднее напряжение также будет равняться нулю.
меандрСредневыпрямленное значение напряжения
Чаще всего используют средневыпрямленное значение напряжения Uср. выпр. То есть площадь сигнала, которая “пробивает пол” берут не с отрицательным знаком, а с положительным.
средневыпрямленное значение напряжения будет уже равняться не нулю, а S1+S2=2S1=2S2. Здесь мы суммируем площади, независимо от того, с каким они знаком.
На практике средневыпрямленное значение напряжения получить легко, использовав диодный мост. После выпрямления синусоидального сигнала, график будет выглядеть вот так:
выпрямленное переменное напряжение после диодного мостаДля того, чтобы примерно узнать, чему равняется средневыпрямленное напряжение, достаточно узнать максимальную амплитуду синусоидального сигнала Umax и сосчитать ее по формуле:
Среднеквадратичное значение напряжения
Чаще всего используют среднеквадратичное значение напряжения или его еще по-другому называют действующим. В литературе обозначается просто буквой U. Чтобы его вычислить, тут уже простым графиком не отделаешься. Среднеквадратичное значение – это значение постоянного напряжения, который, проходя через нагрузку (скажем, лампу накаливания), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество мощности, какое выделит в этой нагрузке переменное напряжение. В английском языке среднеквадратичное напряжение обозначается так: RMS (rms) – root mean square.
Связь между амплитудным и среднеквадратическим значением устанавливается через коэффициент амплитуды Ka:
Вот некоторые значения коэффициента амплитуды Ka для некоторых сигналов переменного напряжения:
Более точные значения 1,41 и 1,73 – это √2 и √3 соответственно.
Как измерить среднеквадратичное значение напряжения
Для правильного замера среднеквадратического значения напряжения у нас должен быть мультиметр с логотипом T-RMS. RMS – как вы уже знаете – это среднеквадратическое значение. А что за буква “T” впереди? Думаю, вы помните, как раньше была мода на одно словечко: “тру”. “Она вся такая тру…”, “Ты тру или не тру?” и тд. Тру (true) – с англ. правильный, верный.
Так вот, T-RMS расшифровывается как True RMS – “правильное среднеквадратическое значение”. Мои токоизмерительные клещи могут замерять этот параметр без труда, так как на них есть логотип “T-RMS”.
мультиметр с True RMSПроведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:
Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц
генератор частотыА вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры
треугольный сигналИ теперь вопрос: чему будет равно среднеквадратическое напряжение этого сигнала?
Так как один квадратик у нас равняется 1 Вольт (мы это видим внизу осциллограммы в красной рамке), то получается, что амплитуда Umax этого треугольного сигнала равняется 4 Вольта. Для того, чтобы рассчитать среднеквадратическое напряжение, мы воспользуемся формулой:
Итак, смотрим нашу табличку и находим интересующий нас сигнал:
.png)
Для нас не важно, пробивает ли сигнал “пол” или нет, главное, чтобы сохранялась форма сигнала. Видим, что наш коэффициент амплитуды Ka= 1,73.
Подставляем его в формулу и вычисляем среднеквадратическое значение нашего треугольного сигнала
Проверяем нашим прибором, так ли оно на самом деле?
Супер! И в правду Тrue RMS.
Замеряем это же самое напряжение с помощью моего китайского мультиметра
Он меня обманул :-(. Он умеет измерять только среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, а у нас сигнал треугольный.
Самый интересный сигнал в плане расчетов – это двуполярный меандр, ну тот есть тот, который “пробивает пол”.
Его амплитудное Umax, средневыпрямленное Uср.выпр. и среднеквадратичное напряжение U равняется одному и тому же значению. В данном случае это 1 Вольт.
Вот вам небольшая картинка, чтобы не путаться
среднее, среднеквадратичное и пиковое значения напряжения- Сред. – средневыпрямленное значение сигнала. Это и есть площадь под кривой
- СКЗ – среднеквадратичное напряжение. Как мы видим, для синусоидальных сигналов, оно будет больше, чем средневыпрямленное.
- Пик. – амплитудное значение сигнала
- Пик-пик. – размах или двойная амплитаду. Или иначе, амплитуда от пика до пика.
Так что же все-таки показывает мультиметр при измерении переменного напряжения? Показывает он НЕ амплитудное, НЕ среднее и НЕ среднее выпрямленное напряжение, а среднее квадратическое, то есть действующее напряжение! Об этом всегда помним.
Также, рассматриваемый метод позволяет измерять частоту сетевого напряжения без использования внешних дополнительных средств, таких как компараторы. Но, при этом приходится жертвовать либо временными ресурсами МК, либо точностью измерения частоты.
Почему важно измерять действующее значение, а не какое либо другое, например, средневыпрямленное? Большинство “китайских” электронных вольтметров измеряют сетевое напряжение по средневыпрямленному значению. Методика измерения следующая: за период сетевого напряжения делается выборка из N значений амплитуды напряжения, результаты суммируются (без знака), делятся на N (усредняются), после чего полученный результат умножается на коэффициент
Указанный коэффициент определяет зависимость действующего значения синусоидального (!) сигнала от средневыпрямленного.
Такая методика измерения проста, не требует много ресурсов микроконтроллера (как временных, так и ресурсов памяти). Основным недостатком такой методики измерения является большая ошибка измерения на несинусоидальных сигналах.
Как все знают, изменение сигнала сетевого напряжения подчиняется синусоидальному закону (вследствие применения синхронных генераторов на электростанции), с частотой изменения сигнала 50 Гц (60 Гц). Однако, на практике вследствие влияния сторонних факторов (в основном подключение к сети мощных нелинейных нагрузок), а также применения инверторов с квазисинусоидальным выходным напряжением (см. рисунок), синусоида напряжения либо значительно искажается, либо заменятся прямоугольными импульсами. В таких случаях указанный выше метод измерения даст очень большую погрешность (например, в квазисинусоидальных инверторах выходное напряжение, измеренное “китайским» вольтметром может быть равно 180-200В, в то время как действующее напряжение будет равно 220В ).
Например, напряжение у меня дома
Почему важно измерять именно действующее значение напряжения (тока)? Потому что именно действующие (еще называют его эффективными) значения напряжения и тока определяют работу электрической системы (грубо говоря, электронагреватель выделяет тепло в прямой зависимости от действующих значений напряжения и тока сети).
Действующее значение измеряемой периодической величины рассчитывается по формуле
Или после дискретизации получим
Т.е. нам нужно делать выборку ряда значений за период сетевого напряжения, просуммировать значения квадратов точек выборки, поделить на количество точек за период (при определении количества точек выборки не забываем про теорему Котельникова-Шеннона), и взять квадратный корень из полученного результата.
Вроде бы ничего сложного, если бы не но:
1) Каждый период точки выборки набираются заново, что увеличивает погрешность измерения;
2) В реальной сети, около нуля напряжения, могут встречаться как “нулевые полки”, так и повторные переходы через ноль напряжения, что значительно внесет погрешность в измерение.
С первым пунктом будем бороться измерением измерением суммы квадратов точек выборки за каждый полупериод, после чего суммируя n-ую сумму квадратов с (n+1)-й и откидывая (n-1)-ую.
Со вторым пунктом будем бороться введением зон нечувствительности по напряжению (введем границы напряжения перехода через ноль с положительной и отрицательной сторон) обычно 5-10 В в обе стороны, а также зон нечувствительности по частоте (ограничим допустимую частоту сигнала напряжения).
Таким образом, мы получим рассчитанное значение действующего значения сетевого напряжения за период на каждом полупериоде сетевого напряжения.
Частота напряжения вычисляется по формуле:
где Fд — частота дискретизации (для удобства и увеличения точности измерения частоты выбрана равной 10 кГц (период выборки — 100 мкс)).
Теперь рассмотрим структурную схему измерительной части (в реальной схеме следует добавить фильтрующие и защитные элементы).
Внимание! В данном методе измерения не реализована гальваническая развязка микроконтроллера от сети. Гальваноразвязка реализуется на стороне цифрового интерфейса передачи данных от микроконтроллера.
На входе установлен дифференциальный операционный усилитель с делителем напряжения, опертым на половину опорного напряжения (2,048 В). Поскольку, для уменьшения размеров лучше применять маломощные резисторы, устанавливаем их минимум 3 шт. равными по сопротивлению — чтобы увеличить суммарное пробивное напряжения резисторов. При этом нужно подсчитать мощность потерь при максимальном входном напряжении (P=U^2/R) — чтобы не превышала допустимой мощности резисторов. Плечи дифференциального усилителя тоже делаем равными. Тогда, напряжение в точке 1 рассчитывается по формуле:
А напряжение в точке 1 будет иметь вид:
Также, половина опорного напряжения подается на один из каналов АЦП. Это позволяет в постоянном режиме (например, один раз за период) определять положение уровня нуля измеряемого напряжения.
Т.е. мы обошлись операционным усилителем с однополярным питанием, и наш входной сигнал в точке 1 изменяется от 0 до Uоп. Такой способ дает достаточно точные результаты, по сравнению, например, с выпрямлением напряжения с помощью диодов.
Расчет делителя и коэффициента АЦП сводится к следующему:
где A и В — замеры АЦП (за вычетом измеренного значения нуля сигнала — AN1) для текущего и предыдущего полупериодов; N1, N2 — число замеров для текущего и предыдущего полупериодов; Nadс — разрядность АЦП; U’оп — опорное напряжение за вычетом зон нелинейности (нечувствительности) операционного усилителя (обычно 0,6 В).
Расчет делителя удобно проводить считая сигнал постоянным, приведенным к амплитуде синусоидального, а не синусоидальным. Тогда действующее значение сигнала равно амплитудному и равно значению каждого замера.
Например, нужно рассчитать делитель для измерения максимального значения 420В переменного тока:
Сопротивление Ra выбирается в диапазоне от 500 кОм до 1500 кОм. По выбранному сопротивлению Ra рассчитывается Rb.
В итоге, алгоритм расчета действующего значения напряжения и частоты примет вид:
При этом часть затратных расчетов (деление, извлечение корня) можно перенести из прерывания в основную программу.
При расчете действующих значений на 8-ми битном МК целесообразно пользоваться целочисленными методами (с использованием масштабных коэффициентов) не прибегая к расчетам с плавающей запятой, а также упрощать по возможности арифметические операции (деление, изъятие квадратного корня и проч.). Это значительно экономит ресурсы МК.
Что же из себя представляет среднеквадратичное значение напряжения и как его замерить? Давайте разберем значение этого термина. Поможет нам в этих делах наш осциллограф OWON SDS6062 , Блок питания, а также ЛАТР (Лабораторный автотрансформатор).
Лампочка и постоянное напряжение
Для опытов нам также понадобится простая автомобильная лампа накаливания на напряжение 12 Вольт
Вот ее характеристики: рабочее напряжение U=12 Вольт, мощность Р = 21 Ватт.
Следовательно, зная мощность и напряжение лампы, можно узнать, какую силу тока будет потреблять лампочка. Из формулы P=IU, где I – сила тока, можно найти I. Значит I=P/U=21/12=1,75 Ампер.
Ладно, с лампочкой разобрались. Давайте ее зажжем. Для этого на нашем блоке питания выставляем рабочее напряжение для нашей лампы
Подаем напряжение с блока питания на лампу и вуаля!
Замеряем напряжение на клеммах-крокодилах блока питания с помощью мультиметра . Ровнехонько 12 Вольт, как и предполагалось.
К этим же клеммах цепляем и наш осциллограф
Смотрим осциллограмму:
Видите прямую линию? Это и есть осциллограмма постоянного напряжения. В течение времени у нас напряжение остается таким, каким и было и не меняется. Если посчитать, то можно вычислить, чему равняется напряжение. Так как одна клеточка у нас 5 Вольт (на фото внизу слева), то значит, наше напряжение 12 Вольт. Я также вывел это значение на дисплей осциллографа в самом нижнем левом углу: 12,03 Вольт. Все верно.
Замеряем силу тока. Как правильно замерить силу тока в цепи, можно узнать, прочитав статью как измерить ток и напряжение мультиметром?.
Получили 1,72 Ампер. А как вы помните, наше расчетное значение было 1,75 Ампер. Думаю, вину можно переложить на погрешность прибора или на лампочку 😉
Лампочка и переменное напряжение
Теперь начинается самое интересное. Берем наш ЛАТР
Ставим прибор на измерение переменного напряжения и выставляем с помощью крутилки ЛАТРа напряжение в 12 Вольт. Обратите внимание, что крутилка на мультиметре находится в диапазоне измерения переменного напряжения. Забегая вперед, скажу, что мультиметр измеряет среднеквадратичное напряжение.
Цепляем осциллограф к клеммах ЛАТРа, не забывая на осциллографе выставить замеры переменного напряжения и смотрим получившуюся осциллограмму:
Смотрим, сколько силы тока кушает наша лампочка. Все как положено, 1,71 Ампер.
Среднеквадратичное значение напряжения
Итак, что же у нас получилось? Как и постоянное напряжение, так и переменное напряжение зажигали одну и ту же лампочку, которая кушала одну и ту же мощность. Значит эта осциллограмма
и вот эта осциллограмма
Чем то похожи? Но чем???
Среднеквадратичное значение напряжения – это такое значение переменного напряжения, при котором нагрузка потребляет столько же силы тока, как и при постоянном напряжении. То есть лампочка у нас потребляла 1,71 Ампер и при постоянном токе и при переменном. То есть, в двух этих случаях, мощность, которую потребляла лампочка, была одинакова.
Также среднеквадратичное напряжение еще называют действующим или эффективным значением напряжения. С помощью несложных умозаключений, инженеры-электрики пришли к выводу действующее (оно же среднеквадратичное) напряжение синусоидального сигнала любой частоты равняется максимальной его амплитуде, поделенной на корень из двух
Стоп! Мы ведь не разобрали, что такое максимальная амплитуда! На осциллограмме максимальная амплитуда выглядит примерно вот так:
Если даже посчитать по клеточкам и посмотреть, чему равняется одна клеточка по вертикали (смотрим внизу слева, она равняется 5 Вольт), то Umax = 17 Вольт. Делим это значение на корень из двух. Я беру это значение как 1,41. Получаем, что среднеквадратичное значение равняется 17/1,41=12,06 Вольт. Ну что, все верно 😉
Значит, когда нам говорят, что напряжение в розетке равняется 220 Вольт, то мы то знаем, что на самом деле это среднеквадратичное напряжение. Максимальная амплитуда этих 220 Вольт равняется 220х1,41=310 Вольт.
Где же среднеквадратичное напряжение и максимальная амплитуда сигнала прячутся на табличке измерений? Да вот же они!
Vk – это и есть среднеквадратичное напряжение этого сигнала.
Ma – это и есть Umax.
Конечно, 16,6/1,41=11,8 Вольт, а он пишет 12,08 Вольт. Думаю, это связано с тем, что в синусоиде есть небольшие искажения, поэтому измерения немного неточные.
Итак, внимание! Кто первый напишет среднеквадратичное значение напряжения этого сигнала, получит 100 руб на мобилу 😉
Конкурс уже давненько прошел и первая в комментариях ответила Ирина Молчалина и выиграла 100 руб ;-). Правильный ответ 1 Вольт. Почему именно так, читаем эту статью.
Как измерять величину напряжение вольтметром
Вольтметр – это измерительный прибор, который предназначен для измерения напряжения постоянного или переменного тока в электрических цепях.
Вольтметр подключается параллельно к выводам источника напряжения с помощью выносных щупов. По способу отображения результатов измерений вольтметры бывают стрелочные и цифровые.
Величина напряжения измеряется в Вольтах, обозначается на приборах буквой В (в русском языке) или латинской буквой V (международное обозначение).
На электрических схемах вольтметр обозначается латинской буквой V, обведенной окружностью, как показано на фотографии.
Напряжение тока бывает постоянное и переменное. Если напряжение источника тока переменное, то перед значением ставится знак «~«, если постоянного, то знак «–«.
Например, переменное напряжение бытовой сети 220 Вольт кратко обозначается так: ~220 В или ~220 V. На батарейках и аккумуляторах при их маркировке знак «–» часто опускается, просто нанесено число. Напряжение бортовой сети автомобиля или аккумулятора обозначается так: 12 В или 12 V, а батарейки для фонарика или фотоаппарата: 1,5 В или 1,5 V. На корпусе в обязательном порядке наносится маркировка возле положительного вывода в виде знака «+«.
Полярность переменного напряжения изменяется во времени. Например, напряжение в бытовой электропроводке изменяет полярность 50 раз в секунду (частота изменения измеряется в Герцах, один Герц равен одному изменению полярности напряжения в одну секунду).
Полярность постоянного напряжения во времени не меняется. Поэтому для измерения напряжения переменного и постоянного тока требуются разные измерительные приборы.
Существуют универсальные вольтметры, с помощью которых можно измерять как переменное, так и постоянное напряжение без переключения режимов работы, например, вольтметр типа Э533.
Как измерять напряжение в электропроводке бытовой сети
Внимание! При измерении напряжения величиной выше 36 В недопустимо прикосновение к оголенным провода,так как это может привести к поражению электрическим током!
Согласно требованиям ГОСТ 13109-97 действующее значение напряжения в электрической сети должно быть 220 В ±10%, то есть может изменяться в пределах от 198 В до 242 В. Если в квартире стали тускло гореть лампочки или часто перегорать, стала нестабильно работать бытовая техника, то для принятия мер, требуется сначала измерять значение напряжения в электропроводке.
- Приступая к измерениям, необходимо подготовить прибор:
- – проверить надежность изоляции проводников с наконечниками и щупов;
- – установить переключатель пределов измерений в положение измерения переменного напряжения не менее 250 В;
– вставить разъемы проводников в гнезда прибора ориентируясь по надписям возле них;
– включить измерительный прибор (если необходимо).
Как видно на картинке, в тестере выбран предел измерения переменного напряжения 300 В, а в мультиметре 700 В. Во многих моделях тестеров, нужно установить в требуемое положение сразу несколько переключателей. Род тока (~ или –), вид измерений (В, А или Омы) и еще вставить концы щупов в нужные гнезда.
В мультиметре конец щупа черного цвета вставлен в гнездо COM (общее для всех измерений), а красного в V, общий для изменения постоянного и переменного напряжения, тока, сопротивления и частоты. Гнездо, обозначенное ma , используются для измерения малых токов, 10 А при измерении тока достигающего 10 А.
Внимание! Измерение напряжения, когда штекер вставлен в гнездо 10 А выведет прибор из строя. В лучшем случае перегорит вставленный внутри прибора предохранитель, в худшем придется покупать новый мультиметр. Особенно часто допускают ошибки при использовании приборов для измерения сопротивления, и, забыв переключить режим, измеряют напряжение. Встречал не один десяток таких неисправных приборов, с горелыми резисторами внутри.
После проведения всех подготовительных работ можно приступать к измерению. Если Вы включили мультиметр, а на индикаторе не появились цифры, значит, либо в прибор не установлена батарейка или она уже выработала свой ресурс. Обычно в мультиметрах применяется батарейка типа «Крона», напряжением 9 В, срок годности которой один год. Поэтому, даже если прибор не использовался долгое время, батарейка может быть неработоспособна. При эксплуатации мультиметра в стационарных условиях целесообразно вместо кроны использовать адаптер ~220 В/–9 В.
Вставляете концы щупов в розетку или прикасаетесь ними к проводам электропроводки.
Мультиметр сразу покажет напряжение в сети, а вот в стрелочном тестере показания надо еще уметь прочитать. На первый взгляд, кажется, что сложно, так как много шкал. Но если присмотреться, то становится ясно, по какой шкале считывать показания прибора. На рассматриваемом приборе типа ТЛ-4 (который безотказно мне служит более 40 лет!) есть 5 шкал.
Верхняя шкала используется для снятия показаний, когда переключатель стоит в положениях кратных 1 (0,1, 1, 10, 100, 1000). Шкала, расположенная чуть ниже, кратных 3 (0,3, 3, 30, 300). При измерениях напряжения переменного тока величиной 1 В и 3 В, нанесены еще 2 дополнительные шкалы. Для измерения сопротивления имеется отдельная шкала. Аналогичную градуировку имеют все тестеры, но кратность может быть любая.
Так как предел измерений был выставлен ~300 В, значит, отсчет нужно производить по второй шкале с пределом 3, умножив показания на 100. Цена маленького деления равна 0,1, следовательно, получается 2,3 + стрелка стоит посередине между штрихами, значит, б
Напряжение цепи переменного тока | Электрикам
Переменное напряжение — это напряжение, которое изменяется с течением времени. Далее будем рассматривать только гармоническое переменное напряжение (изменяется по синусоиде).
u = Umsin(2πt + Ψ ) = Umsin(ωt + Ψ )
Где u = u(t) — мгновенное значение переменного напряжения [В].
Um — максимальное значение напряжения (амплитудное значение) [В].
f — частота равная числу колебаний в 1 секунду (единица частоты f — герц (Гц) или с-1)
ω — угловая частота (омега) (единица угловой частоты — рад/с или с-1)
ω = 2πf = 2π/T
Аргумент синуса, т. е. (ωt + Ψ), называют фазой. Фаза характеризует состояние колебания (числовое значение) в данный момент времени t.
U — Действующее значение напряжения [В]:
Рассмотрим параметры напряжения в бытовой электросети.
Все мы знаем, что у нас дома в розетке поступает переменный ток, с напряжением 220 вольт и частотой 50 герц (в идеальных условиях) на самом деле допускается не большая погрешность как в меньшую, так и в большую сторону так, что не удивляйтесь если ваш вольтметр покажет не 220, а например 210 или даже 230 В.).
Большинство приборов измеряет не амплитудное, а действующее значение переменного напряжения, тока, мощности так, что если мы говорим что у нас напряжение сети 220, 380 В и т. д. то имеется виду именно действующие значения.
- Действующее значение напряжения U = 220 В.
- Амплитудное значение напряжения цепи переменного тока Um = U*√2 = 220 *√2 = 311 В.
- Угловая частота ω = 2πf = 3,14*2*50 = 314 рад/с.
- Начальная фаза Ψ = 0 град.
- Мгновенное значение u = 311sin(314t) В.
Принцип работы вольтметра
Что такое вольтметр, принцип работы
Вольтметр — это измерительный прибор, который измеряет напряжение между двумя узлами в электрической цепи.
В аналоговых вольтметрах указатель перемещается по шкале пропорционально напряжению цепи.
Цифровые вольтметры имеют цифровое отображение напряжения с использованием аналого-цифрового преобразователя.
Принцип работы вольтметра
Его работа основана на принципе закона Ома.
Закон Ома гласит: «Напряжение на сопротивлении прямо пропорционально току, проходящему через него».
Любой базовый счетчик имеет разность потенциалов на своих клеммах, когда через него протекает полномасштабный ток.
Символом для обозначения вольтметра является круг с вложенной буквой V.
Вольтметр всегда подключается параллельно к нагрузке в цепи, для которой должно измеряться напряжение.
Вольтметр постоянного тока имеет знаки полярности. Поэтому необходимо подключить клемму плюса (+) вольтметра к верхней точке потенциала, а клемму минуса (-) к нижней точке потенциала, чтобы получить отклонение вольтметра.
В вольтметре переменного тока нет знаков полярности, и его можно подключить в любом случае.
Однако в этом случае также вольтметр все еще подключен параллельно к нагрузке, для которого измеряется напряжение.
Вольтметр с диапазоном высокого напряжения создается путем последовательного соединения сопротивления с измерительным механизмом, который имеет полную шкалу напряжения, как показано на рисунке ниже.
Полная шкала напряжения
Типы вольтметров
Аналоговые вольтметры
Включает отклоняющий тип индикаторных измерителей напряжения.
Аналоговый вольтметр можно разделить на три категории.
- Инструменты с подвижной катушкой
- Движущиеся железно
- Электростатический вольтметр
Инструменты с подвижной катушкой
Тип измерительных приборов с подвижной катушкой Аналоговые вольтметры доступны в двух типах. Они есть:
- Инструменты с подвижной катушкой с постоянным магнитом
- Инструменты с подвижной катушкой
Инструменты с подвижной катушкой с постоянным магнитом
Инструменты с постоянными магнитами с подвижной катушкой реагируют только на постоянный ток. Эти инструменты имеют постоянный магнит для создания магнитного поля. Катушка намотана на кусок мягкого железа и вращается вокруг собственной вертикальной оси. Когда ток течет через катушку, отклоняющий крутящий момент генерируется в соответствии с уравнением силы Лоренца.
Приборы с подвижной катушкой типа «Динамо» состоят из двух катушек. Одна катушка зафиксирована, а другая катушка вращается вокруг нее. Взаимодействие двух полей создает отклоняющий момент.
Инструменты с подвижным железом
Инструменты с подвижным железом используются в цепях переменного тока и подразделяются на инструменты с простым подвижным железом, типом динамометра и индукционным. Он состоит из мягкого железа, содержащего подвижные и неподвижные катушки.
Взаимодействие потоков, создаваемых этими элементами, создает отклоняющий момент. Диапазоны расширены за счет удержания резисторов последовательно с катушкой.
Электростатический вольтметр
Он работает по электростатическому принципу, когда отталкивание между двумя зарядовыми пластинами отклоняется от указателя, прикрепленного к пружине.
Эти приборы используются для измерений переменного и постоянного тока высокого напряжения. Это высокочувствительные приборы, способные измерять минимальное напряжение заряда, а также напряжение высокого диапазона почти 200 кВ.
Вакуумный ламповый вольтметр
Эти типы инструментов могут работать как с переменным / постоянным напряжением, так и с измерениями сопротивления. Эти устройства используют электронный усилитель между входом и счетчиком.
Если это устройство использует вакуумную лампу в усилителе, то это называется вакуумным ламповым вольтметром (VTVM). VTVM используются в измерениях переменного тока высокой мощности.
Полевой транзистор (FET) — это транзистор, который использует электрическое поле для управления электрическим поведением устройства. Они также известны как униполярные транзисторы. Вольтметр на основе полевых транзисторов использует это свойство полевых транзисторов при измерении напряжения.
Цифровой вольтметр (DVM)
DVM отображает напряжение с помощью светодиодов или ЖК-дисплеев для отображения результата.
Прибор должен содержать аналого-цифровой преобразователь.
Устройство содержит запрограммированный микроконтроллер, АЦП и ЖК-дисплей для обеспечения точного цифрового отображения аналоговых значений от 0 до 15 вольт постоянного тока.
Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.
Как понять электричество: Вт, Ампер, Вольт и Ом
Добро пожаловать в ваше руководство по основам электричества.
Четыре основных физических количества электричества:
- Напряжение (В)
- Ток (I)
- Сопротивление (R)
- Мощность (P)
Каждая из этих величин измеряется в различных единицах:
- Напряжение измеряется в вольтах (В)
- Ток измеряется в амперах (A)
- Сопротивление измеряется в омах (Ом).
- Мощность измеряется в ваттах (Вт)
Электрическая мощность, или мощность электрической системы, всегда равна напряжению, умноженному на ток.
Система водопроводных труб часто используется в качестве аналогии, чтобы помочь людям понять, как эти единицы электроэнергии работают вместе. В этой аналогии напряжение эквивалентно давлению воды, ток — скорости потока, а сопротивление — размеру трубы.
В электротехнике существует базовое уравнение, которое объясняет, как соотносятся напряжение, ток и сопротивление. Это уравнение, написанное ниже, известно как закон Ома.
Закон Ома
ЗаконV = I x R
Ом гласит, что напряжение равно току, протекающему в цепи, умноженному на сопротивление цепи.
Один из способов понять закон Ома — применить его к воображаемой водопроводной системе, которую мы использовали для представления электрической системы.
Допустим, у нас есть резервуар с водой, прикрепленный к шлангу. Если мы увеличим давление в баке, из шланга будет выходить больше воды. Таким образом, если мы увеличим напряжение в электрической системе, мы также увеличим ток.
Если уменьшить диаметр шланга, сопротивление возрастет, и из шланга выйдет меньше воды.Таким образом, если мы увеличим сопротивление в электрической системе, мы уменьшим ток.
С этим кратким введением в работу электрической системы, давайте перейдем к каждой из единиц электричества отдельно и узнаем о них более подробно.
Что такое вольт?
Вольт — это базовый блок, используемый для измерения напряжения. Один вольт определяется как «разница в электрическом потенциале между двумя точками проводящего провода, когда электрический ток в один ампер рассеивает один ватт мощности между этими точками.«Вольт назван в честь итальянского физика Алессандро Вольта.
На приведенной выше диаграмме батареи она показывает то, что известно как разность потенциалов в электрической цепи или напряжение. Если мы вернемся к нашей аналогии с водой, батарея похожа на водяной насос, который пропускает воду через трубу. Насос увеличивает давление в трубе, заставляя воду течь.
В электротехнике мы называем это напряжение электрическим давлением и измеряем его в вольтах. Напряжение трех вольт можно записать как 3 В.
По мере увеличения числа вольт ток тоже увеличивается. Но для того, чтобы ток протекал, электрический проводник или провод должны возвращаться к батарее. Если мы разомкнем цепь, например, с помощью переключателя, ток не будет течь.
Существуют стандартные выходы напряжения для бытовых объектов, таких как батареи и бытовые розетки. В Соединенных Штатах стандартное выходное напряжение для бытовой розетки составляет 120 В. В Европе стандартное выходное напряжение для бытовой розетки составляет 230 В.Другие стандартные выходы напряжения перечислены в таблице ниже.
Что такое усилители?
Ампер, часто сокращаемый до «Ампер» или А, является базовой единицей электрического тока в Международной системе единиц. Он назван в честь французского математика и физика Андре-Мари Ампера, который считается отцом электродинамики.
Электричество состоит из потока электронов через проводник, например, электрический провод или кабель. Мы измеряем скорость потока электричества как электрический ток (так же, как мы думаем о скорости потока воды в реке как речной поток).Буква используется для представления тока в уравнении I.
Электрический ток измеряется в амперах, сокращается до ампер или просто до буквы А.
Ток 2 А может быть записан как 2А. Чем больше ток, тем больше электричества.
Международная система единиц (СИ) определяет амперы следующим образом:
«Ампер — это тот постоянный ток, который, если его поддерживать в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины с незначительным круглым поперечным сечением и разместить на расстоянии одного метра в вакууме, будет создавать между этими проводниками силу, равную 2 × 10 −7 ньютонов на метр длины.»
Что такое Ом?
Ом — это базовая единица сопротивления в электрической системе. Ом определяется как «электрическое сопротивление между двумя точками проводника, когда постоянная разность потенциалов в один вольт, приложенная к этим точкам, создает в проводнике ток в один ампер, причем проводник не является седлом какой-либо электродвижущей силы. » Ом назван в честь немецкого физика Георга Симона Ома.
Сопротивление измеряется в омах или Ом (омега) для краткости.Итак, пять Ом могут быть записаны 5 Ом.
На приведенной выше диаграмме батареи, если мы удалим лампу и снова подключим провод, чтобы батарея была закорочена, провод и батарея сильно нагрелись, и батарея скоро разрядилась, потому что в цепи практически не было бы сопротивления. Без какого-либо сопротивления огромный электрический ток будет течь, пока батарея не разрядится.
Как только мы добавляем лампочку в цепь, создается сопротивление. В настоящее время существует локальная «закупорка» (или сужение трубы, согласно нашей аналогии с водопроводной трубой), где ток испытывает некоторое сопротивление.Это значительно уменьшает ток, протекающий в цепи, поэтому энергия в батарее высвобождается медленнее.
Когда батарея пропускает ток через колбу, ее энергия выделяется в колбе в виде света и тепла. Другими словами, ток переносит накопленную энергию от батареи к лампе, где он превращается в энергию света и тепла.
Что такое ватты?
Ватт — это базовая единица мощности в электрических системах. Может также использоваться в механических системах.Он измеряет, сколько энергии выделяется в секунду в системе. На нашей диаграмме батареи величина напряжения и тока в лампе определяет, сколько энергии выделяется.
На приведенной выше диаграмме лампочка станет ярче по мере увеличения мощности, измеряемой в ваттах.
Мы можем рассчитать мощность, выделяемую в колбе и в электрической системе в целом, умножив напряжение на ток. Итак, для расчета ватт используется следующая формула.
Как рассчитать ватт
W = V * I
Например, ток 2А, протекающий через колбу с напряжением 12 В на ней, генерирует 24 Вт мощности.
Как рассчитать с помощью Вт, Ампер, Вольт и Ом
Если вы хотите выполнить электрический расчет с использованием напряжения, тока, сопротивления или мощности, обратитесь к кружку формул ниже. Например, мы можем рассчитать мощность в ваттах, ссылаясь на желтую область в круге.
Этот круг формул очень полезен для многих задач электротехники. Держите это под рукой в следующий раз, когда вы имеете дело с электрической системой.
Ниже приведены некоторые примеры уравнений, которые решаются с помощью формул.
Пример уравнений
1. Каков ток в электрической цепи с напряжением 120 В и сопротивлением 12 Ом?
I = V / R
I = 120/12
I = 10A
Ток в электрической цепи с напряжением 120 В и сопротивлением 12 Ом составляет 10 А.
2. Какое напряжение в электрической цепи с током 10 А и сопротивлением 200 Ом?
V = I x R
V = 10 x 200
В = 2000 В
Ток в электрической системе с сопротивлением 10 А и 200 Ом составляет 2000 В.
3. Какое сопротивление в электрической системе с напряжением 230 В и током 5 А?
R = V / I
R = 230/5
R = 46Ω
Сопротивление в электрической системе с 230 В и 50 А составляет 46 Ом.
Заключение
Прочитав эту статью, вы, надеюсь, лучше поймете разницу между электрическим током, напряжением, сопротивлением и электрической мощностью.Помните, что если вы знаете какие-либо два физических значения в круге формул, то вы можете вычислить каждое из двух других неизвестных значений.
,Вт / Вольт / Ампер / Ом калькулятор преобразования
Вт (Вт) — вольт (В) — усилители (А) — Ом (Ω) калькулятор.
Рассчитывает мощность / напряжение / ток / сопротивление.
Введите 2 значений , чтобы получить другие значения, и нажмите кнопку Рассчитать :
Ом расчеты
Сопротивление R в омах (Ом) равно напряжению V в вольтах (В), деленному на ток I в амперах (A):
Сопротивление R в омах (Ом) равно квадрату напряжения V в вольтах (В), деленному на мощность P в ваттах (Вт):
Сопротивление R в омах (Ом) равно мощности P в ваттах (Вт), деленной на квадрат I тока в амперах (A):
Ампер-расчеты
Ток I в амперах (A) равен напряжению V в вольтах (V), деленному на сопротивление R в омах (Ом):
Ток I в амперах (A) равен мощности P в ваттах (Вт), деленной на напряжение V в вольтах (V):
Ток I в амперах (A) равен корню квадратному из мощности P в ваттах (Вт), деленной на сопротивление R в омах (Ом):
Вольт расчетов
Напряжение V в вольтах (В) равно току I в амперах (A), умноженному на сопротивление R в омах (Ом):
Напряжение V в вольтах (В) равно мощности P в ваттах (Вт), деленной на ток I в амперах (A):
Напряжение V в вольтах (В) равно корню квадратному из мощности P в ваттах (Вт), умноженной на сопротивление R в омах (Ом):
Ватт расчет
Мощность P в ваттах (Вт) равна напряжению V в вольтах (В), умноженному на ток I в амперах (A):
Мощность P в ваттах (Вт) равна квадрату напряжения V в вольтах (V), деленному на сопротивление R в омах (Ом):
Мощность P в ваттах (Вт) равна квадрату тока I в амперах (A), умноженного на сопротивление R в омах (Ом):
закон Ома ►
См. Также
,напряжение, ток, сопротивление и закон Ома
Избранные любимец 104Основы электричества
Когда вы начинаете изучать мир электричества и электроники, очень важно начать с понимания основ напряжения, тока и сопротивления. Это три основных строительных блока, необходимых для манипулирования и использования электричества. Сначала эти концепции могут быть трудны для понимания, потому что мы не можем их «увидеть».Невозможно увидеть невооруженным глазом энергию, текущую по проводу, или напряжение батареи, сидящей на столе. Даже видимая молния в небе — это не энергетический обмен, происходящий от облаков к земле, а реакция воздуха на энергию, проходящую через нее. Чтобы обнаружить эту передачу энергии, мы должны использовать измерительные инструменты, такие как мультиметры, анализаторы спектра и осциллографы, чтобы визуализировать, что происходит с зарядом в системе. Не бойтесь, однако, этот учебник даст вам базовое понимание напряжения, тока и сопротивления и того, как эти три связаны друг с другом.
Георг Ом
Охвачено в этом уроке
- Как электрический заряд связан с напряжением, током и сопротивлением.
- Что такое напряжение, ток и сопротивление.
- Что такое закон Ома и как его использовать для понимания электричества.
- Простой эксперимент, чтобы продемонстрировать эти понятия.
Рекомендуемое Чтение
и
и
Электрический заряд
Электричество — это движение электронов.Электроны создают заряд, который мы можем использовать для работы. Ваша лампочка, стереосистема, ваш телефон и т. Д. Все используют движение электронов для выполнения работы. Все они работают, используя один и тот же основной источник энергии: движение электронов.
Три основных принципа этого урока могут быть объяснены с помощью электронов или, более конкретно, заряда, который они создают:
- Напряжение представляет собой разницу в заряде между двумя точками.
- Ток — это скорость, с которой течет заряд.
- Сопротивление — это тенденция материала сопротивляться потоку заряда (тока).
Итак, когда мы говорим об этих значениях, мы действительно описываем движение заряда и, следовательно, поведение электронов. Цепь представляет собой замкнутый контур, который позволяет перемещать заряд из одного места в другое. Компоненты в цепи позволяют нам контролировать этот заряд и использовать его для выполнения работы.
Георг Ом был баварским ученым, изучавшим электричество. Ом начинается с описания единицы сопротивления, которая определяется током и напряжением.Итак, начнем с напряжения и пойдем оттуда.
Напряжение
Мы определяем напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками в цепи. Одна точка имеет больше заряда, чем другая. Эта разница в заряде между двумя точками называется напряжением. Он измеряется в вольтах, что, технически, представляет собой разность потенциальной энергии между двумя точками, которая придаст одну джоуль энергии на кулон заряда, который проходит через него (не паникуйте, если это не имеет смысла, все будет объяснено).Устройство «Вольт» названо в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который изобрел то, что считается первой химической батареей. Напряжение представлено в уравнениях и схемах буквой «V».
При описании напряжения, тока и сопротивления распространенной аналогией является резервуар для воды. В этой аналогии заряд представлен величиной воды , напряжение представлено давлением воды , а ток представлен потоком воды . Так что для этой аналогии, помните:
- Вода = заряд
- Давление = Напряжение
- Flow = Current
Рассмотрим резервуар для воды на определенной высоте над землей.На дне этого бака есть шланг.
Давление на конце шланга может представлять напряжение. Вода в резервуаре представляет собой заряд. Чем больше воды в баке, тем выше заправка, тем больше давление измеряется на конце шланга.
Мы можем думать об этом аквариуме как о батарее, месте, где мы накапливаем определенное количество энергии, а затем высвобождаем ее. Если мы опустошим наш резервуар на определенное количество, давление, создаваемое на конце шланга, снизится. Мы можем думать об этом как о снижении напряжения, например, когда фонарик становится тусклее, когда батареи разряжаются.Также уменьшается количество воды, которая будет течь через шланг. Меньшее давление означает, что течет меньше воды, что приводит нас к течению.
Текущий
Мы можем представить количество воды, протекающей через шланг из бака, как текущее. Чем выше давление, тем выше расход и наоборот. С помощью воды мы будем измерять объем воды, протекающей через шланг в течение определенного периода времени.18 электронов (1 кулон) в секунду, проходящих через точку в цепи. Усилители представлены в уравнениях буквой «I».
Предположим теперь, что у нас есть два резервуара, каждый со шлангом, идущим снизу. В каждом баке содержится одинаковое количество воды, но шланг в одном баке уже, чем шланг в другом.
Мы измеряем одинаковое количество давления на конце любого шланга, но когда вода начнет течь, расход воды в резервуаре с более узким шлангом будет меньше, чем расход воды в резервуаре с более широкий шланг.В электрическом смысле ток через более узкий шланг меньше, чем ток через более широкий шланг. Если мы хотим, чтобы поток через оба шланга был одинаковым, мы должны увеличить количество воды (заряда) в баке с помощью более узкого шланга.
Это увеличивает давление (напряжение) на конце более узкого шланга, проталкивая больше воды через бак. Это аналогично увеличению напряжения, которое вызывает увеличение тока.
Теперь мы начинаем видеть взаимосвязь между напряжением и током.Но здесь следует учитывать третий фактор: ширину шланга. В этой аналогии ширина шланга является сопротивлением. Это означает, что нам нужно добавить еще один термин в нашу модель:
- Вода = заряд (измеряется в кулонах)
- Давление = напряжение (измеряется в вольтах)
- Поток = ток (измеряется в амперах или «Ампер» для краткости)
- Ширина шланга = сопротивление
Сопротивление
Рассмотрим снова наши два резервуара для воды, один с узкой трубой и один с широкой трубой.
Само собой разумеется, что мы не можем разместить столько же объема через узкую трубу, чем более широкую при одном и том же давлении. Это сопротивление. Узкая труба «сопротивляется» потоку воды через нее, даже если вода находится под тем же давлением, что и резервуар с более широкой трубой.
В электрическом плане это представлено двумя цепями с одинаковыми напряжениями и разными сопротивлениями. Цепь с более высоким сопротивлением позволит протекать меньшему заряду, а значит, цепь с более высоким сопротивлением протекает через нее меньше тока.18 электронов. Это значение обычно представлено в схемах греческой буквой «& ohm;», которая называется омега, и произносится как «ом».
закон Ома
Объединяя элементы напряжения, тока и сопротивления, Ом разработал формулу:
Где
- В = Напряжение в вольтах
- I = ток в амперах
- R = сопротивление в омах
Это называется законом Ома.Скажем, например, что у нас есть цепь с потенциалом 1 вольт, током 1 А и сопротивлением 1 Ом. Используя закон Ома, мы можем сказать:
Допустим, это представляет наш танк с широким шлангом. Количество воды в баке определяется как 1 вольт, а «узость» (сопротивление потоку) шланга определяется как 1 Ом. Используя закон Ома, это дает нам ток (ток) 1 ампер.
Используя эту аналогию, давайте теперь посмотрим на бак с узким шлангом. Поскольку шланг уже, его сопротивление потоку выше.Давайте определим это сопротивление как 2 Ом. Количество воды в резервуаре такое же, как и в другом резервуаре, поэтому, используя закон Ома, наше уравнение для резервуара с узким шлангом равно
а какой ток? Поскольку сопротивление больше, а напряжение одинаково, это дает нам значение тока 0,5 А:
Итак, ток ниже в баке с более высоким сопротивлением. Теперь мы можем видеть, что если мы знаем два значения закона Ома, мы можем решить для третьего.Давайте продемонстрируем это с помощью эксперимента.
Эксперимент по закону Ома
Для этого эксперимента мы хотим использовать 9-вольтовую батарею для питания светодиода. Светодиоды хрупкие и могут пропускать через них только определенное количество тока, прежде чем они сгорят. В документации на светодиод всегда будет указан «текущий рейтинг». Это максимальное количество тока, которое может пройти через конкретный светодиод, прежде чем он перегорит.
Необходимые материалы
Для выполнения экспериментов, перечисленных в конце урока, вам потребуется:
ПРИМЕЧАНИЕ. Светодиоды — это то, что называется «неомическими» устройствами.Это означает, что уравнение для тока, протекающего через сам светодиод, не так просто, как V = IR. Светодиод вводит в цепь то, что называется «падением напряжения», тем самым изменяя количество тока, проходящего через него. Однако в этом эксперименте мы просто пытаемся защитить светодиод от перегрузки по току, поэтому мы будем пренебрегать характеристиками тока светодиода и выберем значение резистора, используя закон Ома, чтобы быть уверенным, что ток через светодиод безопасно 20 мА.
Для этого примера у нас есть батарея на 9 вольт и красный светодиод с номинальным током 20 миллиампер или 0.020 ампер. Чтобы быть в безопасности, мы бы предпочли не управлять светодиодом с максимальным током, а с рекомендуемым током, который указан в его спецификации как 18 мА, или 0,018 ампер. Если мы просто подключим светодиод непосредственно к батарее, значения для закона Ома будут выглядеть следующим образом:
следовательно:
и так как у нас пока нет сопротивления:
Деление на ноль дает нам бесконечный ток! Ну, на практике не бесконечно, но столько, сколько может дать батарея. Поскольку мы НЕ хотим, чтобы через наш светодиод протекал такой большой ток, нам понадобится резистор.Наша схема должна выглядеть так:
Мы можем точно так же использовать закон Ома, чтобы определить значение резистора, которое даст нам желаемое значение тока:
следовательно:
подключая наши ценности:
решение для сопротивления:
Итак, нам нужно сопротивление резистора около 500 Ом, чтобы поддерживать ток через светодиод ниже максимального значения тока.
500 Ом не является обычным значением для готовых резисторов, поэтому вместо этого устройства используется резистор 560 Ом.Вот как выглядит наше устройство в сборе.
Удачи! Мы выбрали значение резистора, достаточно высокое, чтобы ток через светодиод был ниже его максимального значения, но достаточно низкое, чтобы ток был достаточным, чтобы светодиод был красивым и ярким.
Этот пример светодиодного / токоограничивающего резистора является обычным явлением в хобби электронике. Вам часто нужно будет использовать закон Ома, чтобы изменить количество тока, протекающего по цепи. Другой пример этой реализации виден на платах светодиодов LilyPad.
При такой настройке вместо необходимости выбирать резистор для светодиода резистор уже встроен в светодиод, поэтому ограничение тока выполняется без необходимости добавления резистора вручную.
Ограничение тока до или после светодиода?
Чтобы все было немного сложнее, вы можете разместить ограничитель тока по обе стороны от светодиода, и он будет работать точно так же!
Многие люди, впервые изучающие электронику, сталкиваются с мыслью, что ограничивающий ток резистор может находиться на любой стороне светодиода, и схема все равно будет функционировать в обычном режиме.
Представьте себе реку в непрерывном цикле, бесконечную, круговую, текущую реку. Если бы мы поместили в него плотину, вся река перестала бы течь, а не только одна сторона. Теперь представьте, что мы поместили водяное колесо в реку, которая замедляет течение реки. Не имеет значения, где в круге расположено водяное колесо, оно все равно замедлит течение всей реки .
Это упрощение, так как резистор ограничения тока не может быть размещен нигде в схеме ; он может быть размещен на по обе стороны от светодиода для выполнения его функции.
Для более научного ответа мы обратимся к Закону напряжения Кирхгофа. Именно из-за этого закона токоограничивающий резистор может идти с любой стороны от светодиода и все еще иметь тот же эффект. Для получения дополнительной информации и некоторых проблем с практикой использования KVL, посетите этот веб-сайт.
Ресурсы и дальнейшее развитие
Теперь вы должны понимать понятия напряжения, тока, сопротивления и того, как эти три взаимосвязаны. Поздравляем! Большинство уравнений и законов для анализа цепей могут быть получены непосредственно из закона Ома.Зная этот простой закон, вы понимаете концепцию, лежащую в основе анализа любой электрической цепи!
Эти понятия — только вершина айсберга. Если вы хотите продолжить изучение более сложных приложений закона Ома и проектирования электрических цепей, обязательно ознакомьтесь со следующими учебными пособиями.
,Разница междувольт и ватт с сравнительной диаграммой
Одно из основных различий между вольтами и ваттами заключается в том, что вольт — это единица СИ разности потенциалов и электродвижущей силы, тогда как ватт измеряет единицу мощности СИ. Другие различия между ними объяснены ниже в сравнительной таблице.
Вольт и ватт связаны друг с другом. Вольт измеряет разность потенциалов источников питания или напряжение электрических устройств.Символическое представление вольт — это V. Измерение, проведенное в вольтах, легче по сравнению с ваттами, потому что ватты — это произведение двух величин, то есть напряжения и тока. Ватт представлен W. Он измеряет мощность, используемую электрическими устройствами.
Содержание: Вольт против Ватт
- Сравнительная таблица
- Определение
- Ключевые различия
Сравнительная таблица
| Основа для сравнения | Вольт | Ватт |
|---|---|---|
| Определение | Это единица СИ разности потенциалов и ЭДС. | Это единица СИ власти. |
| Формула |  |  |
| Единицы | Электродвижущая сила и разность потенциалов | Мощность |
| Символ | В | Вт |
| Чтение | Легко | Трудно |
| Измерение | Измерьте небольшое напряжение от источника питания. | Измеряет реалистичную мощность. |
| Измерительный прибор | ВольтметрИзмеритель мощности | |
| Базовый блок | кг 2 S -3 | кг 2 A -1 S -3 |
Определение вольт
Вольт измеряет энергию, используемую электронами, движущимися от одного конца к другому. Символически он представлен заглавной алфавитной буквой V.Это измерено электрическим инструментом, названным вольтметром. Вольт имеет различные субъединицы, такие как микровольт, милливольт, киловольт и т. Д.
Определение ватта
Ватт — это единица мощности СИ. Он определяется как общая энергия, используемая устройствами в одну секунду. Один ватт определяется как энергия, необходимая одному амперу тока для прохождения через разность потенциалов в один вольт. Мощность — это произведение напряжения и тока, поэтому для измерения мощности в ваттах требуется как вольт, так и усилитель.
Ключевые различия между вольтами и ваттами
- Вольт — это единица СИ электродвижущей силы и разности потенциалов, тогда как ватт — это единица мощности СИ.
- Символическое представление вольт — это V, тогда как ватт представлен символом W.
- Считывание в вольтах легче по сравнению с ваттами, потому что ватт требует как величин напряжения, так и тока.
- В вольтах измеряется небольшое количество энергии, тогда как ватт измеряет реальную мощность, потребляемую электрическими устройствами.
- Значение в вольтах измеряется вольтметром, тогда как ватт измеряется измерителем мощности.
- Базовая единица ватт — кгм 2 S -3 , а базовая единица вольт — кгм 2 A -1 S -3 . Базовая единица — это базовая единица, которая не сочетается с другими примерами единиц измерения — метр, килограмм, секунда, ампера и т. Д.
Единица международного стандарта принята для измерения во всем мире.
,