Ток через мощность: разбираемся во взаимосвязях этих величин

Работа и мощность тока | Физика

Какую работу совершает электрический ток, проходя по тому или иному участку цепи? Чтобы определить это, вспомним, что такое напряжение. Согласно формуле (11.1) U = A/q. Отсюда следует, что

A = qU,     (18.1)

где A — работа тока; q — электрический заряд, прошедший за данное время через рассматриваемый участок цепи. Подставляя в последнее равенство выражение q = It, получаем

A = IUt.     (18.2)

Итак, чтобы найти работу тока на участке цепи, надо напряжение на концах этого участка U умножить на силу тока I и на время t, в течение которого совершалась работа.

Действие тока характеризуют не только работой A, но и мощностью P. Мощность тока показывает, какую работу совершает ток за единицу времени. Если за время t была совершена работа A, то мощность тока P = A/t. Подставляя в это равенство выражение (18.2), получаем

P = IU.      (18.3)

Итак, чтобы найти мощность электрического тока P, надо силу тока I умножить на напряжение U.

В Международной системе единиц (СИ) работу выражают в джоулях (Дж), мощность — в ваттах (Вт), а время — в секундах (с). При этом

1 Вт = 1 Дж/с, 1 Дж = 1 Вт · с.

Мощности некоторых электроустройств, выраженные в киловаттах (1 кВт = 1000 Вт), приведены в таблице 5.

Рассчитаем наибольшую допустимую мощность потребителей электроэнергии, которые могут одновременно работать в квартире. Так как в жилых зданиях сила тока в проводке не должна превышать I = 10 А, то при напряжении U = 220 В соответствующая электрическая мощность оказывается равной:

P = 10 A · 220 В = 2200 Вт = 2,2 кВт.

Одновременное включение в сеть приборов с большей суммарной мощностью приведет к увеличению силы тока и потому недопустимо.

В быту работу тока (или израсходованную на совершение этой работы электроэнергию) измеряют с помощью специального прибора, называемого электрическим счетчиком (счетчиком электроэнергии). При прохождении тока через этот счетчик внутри его начинает вращаться легкий алюминиевый диск. Скорость его вращения оказывается пропорциональной силе тока и напряжению. Поэтому по числу оборотов, сделанных им за данное время, можно судить о работе, совершенной током за это время. Работа тока при этом выражается обычно в киловатт-часах (кВт·ч).

1 кВт·ч — это работа, совершаемая электрическим током мощностью 1 кВт в течение 1 ч. Так как 1 кВт = 1000 Вт, а 1 ч = 3600 с, то

1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 3 600 000 Дж.

??? 1. Как находится работа электрического тока? 2. По какой формуле находится мощность тока? 3. С помощью какого прибора измеряют работу тока? Какая единица работы при этом используется? 4. Сложите мощности всех имеющихся у вас дома электрических устройств. Допустимо ли их одновременное включение в сеть? Почему?

Экспериментальное задание. Рассмотрите у себя дома счетчик электроэнергии. Выясните, как снимаются с него показания. Измерьте с его помощью электроэнергию, израсходованную задень. В течение следующего дня старайтесь экономить энергию — не оставляйте включенным свет, если это не нужно; выключайте электроприборы, которыми в данный момент не пользуетесь; не смотрите все подряд по телевизору. После этого определите с помощью счетчика, сколько электроэнергии вам удалось сэкономить. Вычислите стоимость этой энергии. Сколько денег вам удастся сберечь при подобной экономии энергии за месяц?

Мощность постоянного тока

Мощность постоянного тока P – это величина, которая показывает какую работу совершил постоянный ток по перемещению электрического заряда за единицу времени. Измеряется электрическая мощность, как и механическая – в ваттах.

Для того чтобы понять что такое электрическая мощность представим себе электрическое поле, в котором находится свободная частица.

Под действием напряженности E электрического поля, частица перемещается из точки a в точку b.  

При перемещении частицы из точки a в точку b электрическое поле совершает работу А. Эта работа зависит от напряженности, заряда и расстояния между a и b. 

Так как работа зависит еще и от величины заряда, то энергетической характеристикой электрического поля служит напряжение, которое является отношением работы A по перемещению заряда к величине самого заряда Q.

Если заряд равен единичному (Q=1), то получается, что напряжение это есть работа по перемещению единичного заряда из точки a в точку b.

Мощность определяется как отношение работы к  промежутку времени , за который была совершена эта работа.

Выходит, что мощность, затрачиваемая на единичный заряд равна

А на некоторое количество зарядов Q

Если присмотреться ко второму множителю, то можно рассмотреть в нем электрический ток, который выражен как скорость изменения заряда. Таким образом, получаем всем известную формулу

Для того чтобы узнать, какое количество энергии выделилось источником постоянного тока, нужно воспользоваться законом Джоуля –Ленца. 

Пример

Узнать какое количество энергии получит резистор от источника за 10 секунд, если его сопротивление равно 100 Ом, а ЭДС источника равно 12 В. Сопротивление источника принять равным нулю.

Найдем силу тока по закону Ома 

Посчитаем мощность

Такое количество энергии получает резистор за секунду, а за десять секунд он получит в десять раз больше

Рекомендуем прочесть статью о балансе мощностей и о мгновенной мощности.

§ 13. Работа и мощность электрического тока

Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 30). В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Например, в электрических генераторах 1, приводимых во вращение каким-либо механизмом, происходит превращение в электрическую энергию механической, в термогенераторах 2 — тепловой, в аккумуляторах 9 при их разряде и гальванических элементах 10 — химической, в фотоэлементах 11 — лучистой.
Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую, лучистую и пр. Например, в электродвигателях 3 электрическая энергия превращается в механическую, в электронагревательных приборах 5 — в тепловую, в электролитических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их заряде — в химическую, в электрических лампах 6 — в лучистую и тепловую, в антеннах 4 радиопередатчиков — в лучистую.

Рис. 30. Пути превращения энергии из одного вида в другой

Мерой количества энергии является работа. Работа W, совершаемая электрическим током за время t при известном напряжении U силе тока I, равна произведению напряжения на силу тока и на время его действия:

W = UIt (29)

Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который называют также ватт-секундой (Вт*с), — очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы — ватт-час (1 Вт*ч = 3600 Дж), киловатт-час (1 кВт*ч = 1000 Вт*ч = 3,6*10⁶ Дж), мегаватт-час (1 МВт*ч=1000 кВт*ч=3,6*10⁹ Дж).

Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению напряжения U на силу тока I:

P = UI (30)

Используя закон Ома для определения силы тока и напряжения в зависимости от сопротивления R и проводимости G, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в формуле (30) напряжение U=IR или силу тока I=U/R=UG, то получим

P = I²R (31)

или

P = U²/R = U²G (32)

Следовательно, электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадрату напряжения, умноженному на проводимость.

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: киловаттами (1 кВт =1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт=1 000 000 Вт).

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превращении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии, часть ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.
Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэффициентом полезного действия источника или приемника. Коэффициент полезного действия (к. п. д.)

? = P₂/P₁ = P₂/(P₂ + ?P) (33)

где

Р₂ — отдаваемая (полезная) мощность;
Р₁ — получаемая мощность;
?Р — потери мощности.

К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в процентах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86—92 %, мощные трансформаторы — 96—98 %, тяговые подстанции — 94—96 %, контактная сеть электрифицированных железных дорог — около 90 %, генераторы тепловозов — 92—94 %.
Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электрической цепи (рис. 31). Генератор 1, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Р_mx = 28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Р_эл = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. ?_ген = Р_эл/Р_mx = 26/28,9 = 0,9.

Мощность Р_эл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности ?P_пр = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.

Рис. 31. Схема преобразования энергии в электрической цепи

В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. ?дв = 10/10,8 = 0,925. Из мощности 6 кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на Создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеивается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расходуется не вся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем пространстве. При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необходимо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.

Работа и мощность тока | Центр физики частиц и высоких энергий НИИ ЯП БГУ

Любые машины, установки и приборы, приводимые в движение электричеством, являются потребителями электрической энергии.

Чем больше электрической энергии потребляет ежесекундно установка, тем больше масштаб производимых ею работ. Важнейшей характеристикой электрической машины, установки, прибора является мощность — количество потребляемой в секунду электрической энергии.

Чтобы узнать мощность установки, надо умножить электрическое напряжение, при котором она работает, на силу проходящего через установку тока. Почему это так — понять нетрудно. Как мы уже знаем, напряжение, подведённое к установке, показывает, какую работу совершает поле, перемещая через установку один кулон электричества. Сила тока в амперах выражает число кулонов, прошедших за 1 секунду. Если мы умножим работу, совершённую над каждым зарядом, на число зарядов, прошедших за секунду, то узнаем полную работу, совершённую электрическим полем за 1 секунду. А это и есть поглощённая в установке мощность. За счёт этой затрачиваемой ежесекундно электрической энергии совершается полезная работа установки.

Итак,

мощность=напряжение х сила тока.

Мощность измеряется в ваттах и киловаттах.

1 ватт — это такая мощность, которая выделяется в проводнике в том случае, когда напряжение поля на концах проводника равно одному вольту, а сила тока в проводнике— одному амперу. 1000 ватт составляет 1′киловатт.

Через дуговой фонарь, который мы видим на рис. 12, идёт ток в 5 ампер. Этот ток вызван электрическим полем напряжением в 55 вольт. Перемножая напряжение и силу тока, узнаем, что мощность дуги равна

55×5=275 ватт=0,275 киловатта.

Чем больше мощность дуги, тем больше даёт она тепла и света.

Мощность лампочки карманного фонаря равна примерно 1 ватту, т. е. 0,001 киловатта. Мощность советского шагающего экскаватора около 7000 киловатт.

Замечательным и очень важным для практики свойством электрической энергии является лёгкая возможность её концентрации и дробления. Современный советский тепловой генератор (турбогенератор) развивает мощность в 100 000 киловатт. Эта мощность равна мощности 40 тяжёлых паровозов ФД. От сети, питаемой этим генератором, черпает энергию огромный стан для прокатки металла мощностью свыше 25 ООО киловатт, и электрические часы, мощность которых всего лишь 0,000003 киловатта.

Мощность электрического прибора или установки показывает, сколько электроэнергии потребляется в одну секунду. Общее количество энергии, поступившей в установку за какое-то время, мы узнаем, если умножим мощность установки на время её работы:

энергия = мощность х время.

Эта величина характеризует объём работы, совершённой установкой.

Если бы вся поглощаемая электроэнергия шла на совершение полезной работы, то, умножая мощность на время, мы узнали бы величину работы, которую выполнила установка (например, подъёмный кран). Однако часть электроэнергии затрачивается на преодоление трения движущихся частей самой установки, на нагрев обмотки и другие непроизводительные работы. Поэтому полезная работа установки меньше, чем потребляемая ею электроэнергия. Отношение полезной работы к поглощённой энергии называется коэффициентом полезного действия установки. Электрические машины обладают высоким коэффициентом полезного действия.

В технике энергия и работа измеряются в кило-ват т-ч асах. 1 киловатт-час — это такая энергия, которая потребляется за час прибором мощностью в 1 киловатт. В качестве более мелкой единицы применяют 1 гектоватт-час, равный 0,1 киловатт-часа.

Представление о том, чему равна энергия в один киловатт-час, дают следующие цифры, приведённые известным советским энергетиком академиком А. В. Винтером.

Для выплавки 1 тонны чугуна или стали нужно затратить 20 киловатт-часов. На добычу каждой тонны нефти — 28 киловатт-часов. 40 киловатт-часов электроэнергии затрачивает электротрактор на вспашку 1 гектара.

Энергия в 1 киловатт-час позволяет выполнить любую из следующих работ:

1)    добыть и доставить на поверхность земли 75 килограммов угля;

2)    прокатать 50 килограммов металлических изделий;

3)    изготовить 10 метров хлопчатобумажной ткани;

4)    выпечь 88 килограммов хлеба;

5)    вывести в инкубаторе 30 цыплят

Система измерения потребляемой процессором мощности своими руками / Overclockers.

ua

Статья прислана на конкурс Летний АвторRUN!

Предупреждение: никто кроме вас не несет ответственности при выходе из строя вашего железа в результате неудачных экспериментов.

В современных компьютерах можно контролировать много разных параметров — напряжения на основных узлах системы, температуру, частоту процессора и других устройств, частоту вращения вентиляторов. Но не контролируется такой важный параметр как потребляемая мощность основных узлов системы. Есть некоторые блоки питания, которые могут измерять суммарную потребляемую мощность от сети, но при этом не учитывается КПД самого источника питания и невозможно определение потребления по отдельным узлам системы. Устранить это упущение я поставил за целью данной статьи. Далее будет описано устройство, позволяющее измерять мощность, потребляемую центральным процессором и видеокартой через кабель дополнительного питания по линии +12В с использованием микроконтроллера и представления результатов на отдельный индикатор.

Теория

Мощность определяется произведением тока потребления на напряжение по линии потребления. Измерение напряжения не составляет особой трудности в отличие от тока. В электронике широко применяются три типа датчиков тока: резистивный датчик, трансформатор тока и датчик на основе эффекта Холла. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки.

Резистивный датчик — самый простой и доступный метод, дает возможность измерять постоянный и переменный ток, имеет линейную характеристику и высокую точность. Основные недостатки отсутствие гальванической развязки, потери на измерительном резисторе, что приводит к падению выходного напряжения и разогреву резистора. Для уменьшения динамических потерь на измерительном резисторе (шунт) делают его сопротивление довольно малым исходя из тока нагрузки, чтобы падение напряжения не влияло на характеристики устройства, что приводит к необходимости усиления сигнала снятого с шунта.

Трансформатор тока — более дорогой метод, применяется только для измерения переменного тока . Преимущества данного метода: отсутствие потерь в линии измерения, гальваническая развязка, отсутствие источника питания. Основной недостаток трансформатора тока — измерение только переменного тока.

Датчик на основе эффекта Холла – основан на появлении напряжения на концах полоски проводника или полупроводника, помещенного перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Для меди напряжение Холла составляет около 24мкВ/кГс, для полупроводника – свыше 100 мВ/кГс с учетом направления магнитного поля, что вполне достаточно для датчика тока. Главным преимуществом является отсутствие потерь и гальваническая развязка. В датчиках Холла выходное напряжение пропорционально магнитному полю, которое в свою очередь пропорционально току. Основные недостатки — меньшая точность, чем у резистивных датчиков тока, влияние внешних магнитных полей и требующийся для работы внешний источник питания.

Для наших целей подходят резистивные датчики и датчик тока на эффекте Холла. Датчики тока на эффекте Холла имеют интегрированную силовую шину, простую схему включения, но они пока достаточно дороги. Использование резистивных датчиков требует наличия самих шунтов, а также схемы усиления и преобразования полученного сигнала, сам же ток определяется по закону Ома (Iш = Uш/Rш), падение напряжения на шунте, сопротивление которого постоянно и известно. В системе с несколькими источниками разного напряжения питания измерительный шунт нужно устанавливать только в плюсовую линию для положительных напряжений и в минусовую для отрицательных. Но АЦП работает с напряжениями от нуля до напряжения опорного источника, поэтому напряжение на шунте нужно преобразовать в соответствующий вид, для этого используют различные схемы усиления напряжения. Широко применяются две схемы: дифференциальный усилитель напряжения (рисунок 1) и преобразователь напряжение — ток (рисунок 2).

Рисунок 1
Рисунок 2

Практика

При разработке принципиальной электрической схемы, были использованы недорогие и доступные комплектующие. Я использовал микроконтроллер AТMega8 фирмы ATMEL — это 8-ми битный RISC-контроллер, который имеет 8 каналов АЦП разрядностью 10 бит, три канала аппаратного ШИМ, внутренний откалиброванный RC-генератор. Был использован контроллер в 32-выводном корпусе TQFP, по причине наличия нескольких таких микросхем. Дополнительно было решено добавить два канала измерения температуры и два канала управлением вентиляторами. Принципиальная электрическая схема устройства находится здесь.

Центральный процессор во всех новых материнских платах питается от +12 В через дополнительный 4-х или 8-ми контактный разъем на материнской плате. Мощные видеокарты так же питаются через дополнительный 6-ти контактный разъем, у топовых моделей питание подается уже через несколько разъемов дополнительного питания. Так как ток потребления импульсный, то будет измеряться средняя (действующая) мощность, она больше соответствует выделяемой тепловой мощности, чем импульсная пиковая.

Для практической реализации измерения тока, после многочисленных экспериментов я применил схему преобразователя напряжение-ток. Был использован дешевый операционный усилитель LM358. Но для того чтобы он смог работать с входным напряжением 12 В, напряжение питания самой микросхемы, по ее технической документации, должно быть как минимум на 2 В выше входного сигнала. Поэтому питание на операционный усилитель было взято с обмотки силового трансформатора по линии 12 В, через отдельный выпрямитель и параметрический стабилизатор на 15 В.

В качестве шунтов я использовать сами провода, по которым поступает питание на процессор и видеокарту. Провода имеют не нулевое сопротивление, оно зависит от материала, диаметра и длины проводника, при больших токах на проводах падает достаточное напряжение для работы системы, а дополнительные шунты привели бы к еще большему падению напряжения на схеме питания процессора и узлов видеокарты.

Сигнальные провода подпаяны на концах одного из желтых проводов по линии +12 В в кабелях питания процессора и видеокарты, это нужно сделать как можно ближе к разъему с одной стороны и к точке впаивания кабеля в самом блоке питания.

Процессорная часть системы была собрана на другой плате размером примерно 127х35 мм, которая без проблем вписывается в 5-ти дюймовый отсек, для монтажа в системный блок использовалась заглушка от 5-ти дюймового отсека с отверстиями для индикатора и кнопок управления.

В качестве датчиков температуры используются цифровые датчики DS18B20 фирмы Dallas Semiconductor в корпусе ТО-92, работающие в диапазоне температур от –55°C до +125°C с точностью измерения 0,1°C. Датчики имеют интерфейс связи 1-WIRE, который дает возможность считывать информацию по одному сигнальному проводу. Я использовал схему включения по двум проводам с паразитным питанием. В текущей версии прошивки реализовано измерение температуры от 0°C до +99°C с точностью 1°C . При отсутствии подключенного датчика вместо температуры отображаются прочерки. Также отображаются состояние ШИМ на вентиляторах.

Схема управления вентиляторами импульсная с частотой ШИМ около 80 кГц, в качестве драйвера использовалась микросхема IR4428 фирмы International Rectifier, двухканальный драйвер мощных полевых транзисторов с двухтактным выходом, с максимальным рабочим током 1,5 А. Настройка оборотов производится кнопками S1-S4:

• S1 – «UP»
• S2 – «SET»
• S3 – «DOWN»
• S4 – «SEL»

Для устранения дребезга контактов в кнопках, контролер реагирует на отпускание кнопки при нажатии на время около секунды.

При включении питания в течение двух секунд происходит раскрутка вентиляторов с максимальным напряжением, при этом на дисплей выводится информация о версии прошивки устройства.

Потом на выходах управления устанавливается значение ШИМ, записанное в памяти контролера по соответствующему каналу. На дисплей выводится информация о потребляемой мощности схемой питания процессора, видеокарты и напряжение питания по линии +12В. Переключение между индикацией мощности с напряжением питания, индикацией температуры и управлением оборотов вентиляторами производится кнопкой «SEL» в циклической форме, управление оборотами с помощью кнопок «UP» и «DOWN», запись значений в память — кнопкой «SET». Если не нажимать кнопку «SET», то настройка сохранится только до выключения системы. В нынешней версии прошивки обороты регулируются вручную в диапазоне от 30% до 90%. Полная остановка мне не нужна, а получить полные 12 В на вентиляторах оказалось невозможным, но об этом дальше.

Калибровка схемы измерения тока производится при отключенном от компьютера блоке питания, с помощью мультиметра и мощных резисторов номиналом 2 Ома и 50 Вт или автомобильных галагеновых ламп на 12 В и мощностью около 50 Вт. При калибровке тока потребляемого процессором к блоку питания подключается один резистор на линию +5 В, другой резистор через амперметр подключается к разъему питания процессора, в котором замыкаются вместе оба желтых провода — так как питание на процессор идет по двум проводам, то и нужно калибровать под сопротивление двух проводов. Блок питания включается замыканием зеленого провода на любой из черных проводов в 20-ти контактном разъеме. Одновременным нажатием кнопок «SEL» и «SET» на время около одной секунды производится вход в меню калибровки токов и напряжения, далее кнопками «UP» и «DOWN» производится настройка значения тока на дисплее, чтобы его показания соответствовали показаниям амперметра. Потом необходимо на секунду нажать кнопку «SET» значение делителя для тока по линии процессора сохранится в память контролера, потом контролер переключится на настройку тока по линии питания видеокарты.

Но так как у нас мультиметр только один, выключаем БП и подключаем резистор через амперметр к разъему дополнительного питания видеокарты, при этом замыкаем все желтые провода в разъеме, в моем случае три провода. Заходим в меню настройки кнопкой «SEL» выбираем настройку тока питания видеокарты и аналогичным способом настраиваем ток по линии питания видеокарты, после записи контролер переключается на настройку измерения напряжения питания по линии +12 В.

Отключаем мультиметр, подключаем резистор на любой из желтых проводов, мультиметр подключаем на измерение постоянного напряжения на линии +12 В, производим настройку напряжения на дисплее до соответствия показаниям мультиметра, нажимаем «SEТ» контролер переключается в режим измерения потребляемой мощности и напряжения по линии +12 В.

Эту процедуру нужно проводить при смене БП или проводов на дополнительное питание процессора или видеокарты.

Файлы программы контроллера и чертеж печатной платы, подготовленный для переноса изображения на фольгу утюжным методом, находится в архиве.

Схема простейшего SPI программатора на COM-порт:

Контролер можно прошить программой Uniprof. Если СОМ-порт отсутствует? то в ее описании есть схема программатора для LPT-порта. При прошивке контроллера нужно выставить FUSE биты в соответствии с следующим скриншотом.

Советую особо не ковыряться в этом разделе и изменять только fuse low — можно остаться без контроллера, который «вылечится» лишь только с помощью параллельного программатора.

Испытание

Испытание и дальнейшая эксплуатация производилось на системе следующей конфигурации:

• Материнская плата: ASUSTek P5N-SLI (nvidia 650i), LGA 775;
• Процессор: Intel Core 2 Duo E4400 2000 МГц, FSB 200 МГц x 4, L2 2 x 2 Мб;
• Система охлаждения CPU: Thermaltake Sonic Tower;
• Видеокарта: Palit 8800GTS, 320Mб, 320 бит;
• Оперативная память: 2 x 1024 Мб DDR2 PC5300 Kingston Value Ram;
• Дисковая подсистема: SATA-II 250 Гб, Segate ST3250620AS, 7200 об/мин, 16 Мб, NCQ;
• Блок питания: Chieftec GPS-400AA-101A.

Тестирование процессора проводилось в программе S&M v1.7.3 (она создает не самою большую нагрузку на процессор), так как ТАТ на имеющейся конфигурации отказался запускаться.

На частоте 3150 МГц при напряжении на процессоре 1,45 В потребление в простое составило около 25 Вт, под нагрузкой в S&M потребление около 75 Вт.

На частоте 3500 МГц при напряжении на процессоре 1,55 В потребление под нагрузкой в S&M уже было около 110 ватт.

Тестирование видео проводилось утилитой ATITool 0.25 при прогреве волосатым кубом. В номинале на частоте видеопроцессора 504/1188 МГц и частоте памяти 1600 МГц (DDR), потребление видеокартой составило около 70 Вт.

С разгоном на частоте видеопроцессора 621/1458 МГц и частоте памяти 2000 МГц, потребление было около 80 Вт.

Ожидания по потреблению процессора полностью подтвердились, но вот потребление видеокарты оказалось как-то маловато. Все стало на свои места после осмотра разводки питания видеокарты, от разъема дополнительного питания, питается только графический процессор, а память питается от +12 В с разъема PCI-Express x16. Таким образом, это были результаты потребления системой питания видеопроцессора. Общее потребление можно организовать установкой перемычки с +12 В разъема дополнительного питания на вход схемы питания видеопамяти и заклеить скотчем контакты питания +12 В на разъеме PCI-Express видеокарты.

Выводы

Поставленную задачу удалось реализовать приблизительно на 90%, потому что меряется не потребление самого процессора и видеопроцессора, а потребление системами питания соответствующих узлов системы. Питание мощных узлов компьютера производится от импульсных стабилизаторов по схеме синхронного выпрямителя и имеют КПД в пределах 80-90%, таким образом можно сделать поправку по потребляемой мощности соответствующих узлов на -10%-20% от замеренных значений.

Необходимо будет дописать программу микроконтроллера для измерения температуры в полном рабочем диапазоне DS18B20 и сделать возможность автоматической регулировки частоты вращения вентиляторов от температуры.

Использование в качестве драйвера микросхемы IR4428 при максимальном ШИМе не дает возможности получить на выходе регулятора напряжение 12 В. Причина оказалась в том, что верхний ключ в драйвере включен по схеме с общим стоком и работает как повторитель, поэтому падение напряжения на верхнем ключе IR4428 составляет около 2,5 В. Для желающих получить максимальное напряжение на выходе нужно будет собирать схему с дополнительным внешним ключом на P-канальном полевом транзисторе и диоде Шоттки. При этом нужно поменять местами сигналы на входах микросхемы IR4428.

Основная теория цепей постоянного тока | Глава 1 — Напряжение, ток, энергия и мощность

Взаимосвязь напряжения и тока

Земля — ​​динамичное место. Объекты движутся, происходят химические реакции, температура повышается и понижается. Это изобилие вечной активности связано с концепцией энергии . Различные формы энергии — тепловая, механическая, химическая и т. Д. — являются проявлениями фундаментальной сущности, которая приводит к физическим изменениям при передаче от одного объекта к другому.

Электричество — это форма энергии, которая возникает в результате существования и движения заряженных частиц, называемых электронами. Когда накопление электронов создает разницу в электрической потенциальной энергии между двумя точками, мы имеем напряжение (в уравнениях напряжение обозначается как V). Если эти две точки соединены проводящим материалом, электроны естественным образом перейдут от более низкого напряжения к более высокому; это движение называется , электрический ток , обозначается I.

Электричество — это особенно удобный и универсальный вид энергии, и это сделало его мощным инструментом в руках бесчисленных умных людей, которые спроектировали все, от большого электрического оборудования до крошечных электронных устройств. Удивительно представить себе разнообразную и сложную функциональность, которая начинается с электрической энергии, которая может передаваться через два небольших медных провода.

Сравнение напряжения и тока

	Текущий	Напряжение
Обозначение	I	В
Отношения	Ток не может течь без напряжения	Напряжение может существовать без тока
Измерено с	Амперметр	Вольтметр
Шт.	А или ампер или сила тока	В или вольт или напряжение
Единица СИ	1 ампер = 1 кулон в секунду	1 вольт = 1 джоуль / кулон (В = W / C)
Поле	Магнитный	электростатический
Последовательное соединение	Ток одинаков для всех	Напряжение распределяется по компонентам
Параллельное соединение	Ток распределяется по компонентам	Напряжения одинаковы для всех компонентов

Мощность в электронике и способы ее расчета

В научном контексте мощность означает скорость передачи энергии.Таким образом, электрическая мощность — это скорость, с которой передается электрическая энергия. Единица измерения Вт (Вт), где один ватт равен передаче одного джоуля (Дж) энергии за одну секунду (с).

`1 \ W = 1 \ \ frac {J} {s}`

Электрическая мощность в ваттах равна напряжению в вольтах, умноженному на ток в амперах.

`\ text {power} = \ text {напряжение} \ \ times \ text {current}`

Единица измерения вольт (В) определяется как джоули на кулон, то есть передает энергию (в джоулях) на кулон заряда. ампер (А) — это кулоны в секунду, то есть сколько кулонов заряда проходит через заданную точку за одну секунду. Мы можем использовать эту информацию, чтобы подтвердить, что единица измерения электроэнергии соответствует приведенной выше формуле:

`\ frac {\ text {джоули}} {\ text {second}} = \ frac {\ text {джоули}} {\ text {coulomb}} \ times \ frac {\ text {coulombs}} {\ text { второй}} `

В правой части уравнения два «кулоновских» члена сокращаются, и мы остаемся с джоулями в секунду.

Когда мы анализируем схемы, мы обычно обсуждаем мощность, используя термин «рассеиваемая» или «потребляемая» вместо «переданная». Это подчеркивает тот факт, что мощность покидает электрическую систему или используется электрическим компонентом. Мы не говорим «передан», потому что, как правило, конечное состояние или местоположение энергии не имеет значения.

Например, если напряжение на резисторе составляет 5 В, а ток через резистор составляет 0,5 А, резистор передает 2,5 Вт мощности (в виде тепла) в окружающую среду. Однако в большинстве случаев мы не собираемся передавать энергию. Мы просто хотим спроектировать функциональную схему и, следовательно, думаем о том, сколько мощности теряется (т.е., рассеянный) или использованный (т. е. потребленный).

Два распространенных типа напряжения: постоянный и переменный ток

Есть два распространенных способа передачи электроэнергии: постоянный ток и переменный ток.

Постоянный ток (DC) может увеличиваться или уменьшаться всевозможными способами, но величина изменений обычно невелика по сравнению со средним значением. Однако наиболее фундаментальной характеристикой постоянного тока является следующее: он не меняет направление регулярно.В этом отличие от переменного тока (AC) , который регулярно меняет направление и используется во всем мире для распределения электроэнергии.

Термины «постоянный ток» и «переменный ток» стали прилагательными, которые часто используются для описания напряжения. Сначала это может немного сбить с толку: что такое напряжение постоянного или переменного тока? Это не лучшая терминология, но вполне стандартная. Напряжение постоянного тока — это напряжение, которое производит или будет производить постоянный ток, а переменное напряжение создает или будет производить переменный ток — и это создает другую терминологическую проблему.Иногда к слову «ток» добавляются «постоянный ток» и «переменный ток», хотя эти фразы означают «постоянный ток» и «переменный ток». Суть в том, что «постоянный ток» и «переменный ток» больше не являются точными эквивалентами «постоянного тока» и «переменного тока»; Постоянный ток в общем относится к величинам, которые не меняют полярность регулярно или имеют очень низкую частоту, а переменный ток в общем случае относится к величинам, которые регулярно меняют полярность на частоте, которая не является «очень низкой» в контексте данная система.

На данный момент мы сосредоточимся на цепях постоянного тока. Цепи переменного тока немного сложнее и будут обсуждаться позже в этой главе.

Обозначения напряжения

Что такое напряжение постоянного тока?

Пожалуй, самый известный источник постоянного напряжения — это аккумулятор. Аккумулятор — это устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую; он обеспечивает напряжение, которое не меняется быстро или не меняет полярность, но напряжение постепенно уменьшается по мере разряда батареи.

Напряжение постоянного тока можно измерить с помощью вольтметра или (чаще) многофункционального устройства, известного как мультиметр (сокращенно DMM, где D означает «цифровой»). Мультиметры могут измерять, помимо прочего, напряжение, ток и сопротивление.

Рис. 1. Измерение напряжения, отображаемое на цифровом дисплее мультиметра.

Вольтметр обеспечивает самый простой способ определения точного значения постоянного напряжения, хотя в некоторых случаях он не может передать важную информацию, поскольку не может четко отображать быстрые изменения. В настоящее время это важное соображение, поскольку многие напряжения постоянного тока генерируются импульсными регуляторами, что приводит к высокочастотным колебаниям, называемым пульсациями .

Что такое постоянный ток?

Когда между двумя клеммами присутствует постоянное напряжение и к клеммам подключен провод или резистивный элемент, протекает постоянный ток. Самый распространенный резистивный элемент — резистор; мы узнаем больше об этом компоненте на следующей странице. Лампа накаливания также является резистивным элементом.

Ток можно измерить с помощью устройства, называемого амперметром (или функции амперметра мультиметра), но измерение тока менее удобно, чем измерение напряжения. Щупы вольтметра просто помещаются в контакт с двумя проводящими поверхностями (т.е. без изменения схемы), тогда как щупы амперметра должны быть вставлены в путь тока:

Рис. 2. В этой схеме используется переключатель для установления пути тока во время нормальной работы и прерывания пути тока, когда необходимо вставить амперметр или цифровой мультиметр.

Обычный расход тока по сравнению с Электронный поток

Очень важно понимать разницу между обычным потоком тока и электронным потоком . Электроны имеют отрицательный заряд, и, следовательно, они переходят от более низкого напряжения к более высокому. Однако на рисунке 2 стрелка указывает, что ток течет от положительного полюса аккумулятора к отрицательному полюсу аккумулятора — другими словами, от более высокого напряжения к более низкому напряжению.

Обычный ток изначально был основан на предположении, что электричество связано с движением положительно заряженных частиц. Теперь мы знаем, что это неверно, но в контексте анализа цепей модель обычного протекания тока не является неверной. Это совершенно справедливо, потому что при последовательном применении всегда дает точные результаты. Кроме того, он имеет преимущество создания интуитивно понятной ситуации, в которой ток течет от более высокого напряжения к более низкому напряжению, точно так же, как жидкость течет от более высокого давления к более низкому давлению, а вода падает с более высокой отметки на более низкую.

В мире электротехники схемы обсуждаются и анализируются с использованием обычного тока, а не электронного.

Как измерить постоянный ток

Рассмотрим простой случай, когда аккумулятор питает две лампочки разного сопротивления.

Рис. 3. Базовая схема, состоящая из батареи 3 В и двух резистивных элементов.

Когда через лампочку протекает ток, сопротивление нити накала вызывает потерю напряжения, пропорциональную сопротивлению и величине тока.Мы называем это напряжением на лампе или падением напряжения лампы .

Рис. 4. Вольтметры используются для измерения напряжения на лампочках.

Мы видим, что напряжение на лампочке A составляет 2 В, а напряжение на лампе B равно 1 В.

Затем мы измерим силу тока.

Рисунок 5.Амперметр вставляется таким образом, чтобы ток, протекающий через лампочки, проходил через один датчик через схему измерения тока устройства и выводился из другого датчика.

Предположим, мы измеряем 1А. Мы выполнили необходимые измерения для определения рассеиваемой мощности лампочек.

Расчет мощности постоянного тока

Для расчета мощности, рассеиваемой каждой лампочкой, мы подставляем измеренные значения в формулу, приведенную выше.

Если мы хотим узнать мощность, рассеиваемую всей схемой, мы складываем мощность, рассеиваемую отдельными компонентами:

Или мы можем умножить ток, подаваемый от батареи, на напряжение батареи:

Следите за обновлениями, потому что на следующей странице мы познакомим вас с законом Ома, который выражает фундаментальную взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением.

электроэнергии — Как в линиях электропередач используется высокое напряжение с низким током?

Это не на 100% верно, так как предполагается передача постоянного тока, но это дает простейшую форму идеи: даже если сами линии передачи находятся под высоким напряжением, это не означает напрямую, так как напряжения не определены относительно к чему-нибудь особенному (они определены относительно какой-либо другой линии, параллельной вашей линии передачи). 2 R $, в то время как мощность , используемая на удаленном терминале, равна $ P_U = I V_1, $, и они тривиально сводятся к этому полная мощность $ P_T = I V_0 $.2 $, поэтому в важном случае мы должны поднять напряжение, чтобы снизить потери.

Хорошо, это обман, и если вы слишком много думаете о передаче постоянного тока, вы будете бороться с этим: «в конце концов, текущий ток течет только из-за некоторого сопротивления, приложенного к $ V_1 $, и если вы не настроите все в порядке с $ R $, тогда у вас неправильное напряжение, и все взрывается, так что у нас даже на самом деле есть этот компромисс ? в $ R $ «и т. д.Он передает самую важную часть идеи — , где резистор — , но ему не хватает истинной силы, потому что это не переменный ток. Для переменного тока вам понадобится линия передачи. Для всего этого вам понадобится исчисление с несколькими переменными и частные производные. Извините, если это пролетит над вашей головой.

Простейшая типовая линия передачи выглядит так: разделите длину $ L $ линии на сегменты размером $ \ delta x $, затем смоделируйте их каждый как цепь L-R-C:

Система передачи обычно содержит два проводника рядом друг с другом, с некоторой удельной емкостью $ c $ и индуктивностью на единицу длины $ \ ell $, а также некоторым сопротивлением на единицу длины $ \ rho. .2} + \ rho ~ c ~ {\ partial V \ over \ partial t}. $$

Теперь мы должны управлять этой системой с входом в $ x = 0 $, $ V_0 \ cos (\ omega t) $, тогда вообще на выходе вы увидите какой-то выход $ V_1 \ cos (\ omega t + \ phi) $ для некоторой разности фаз $ \ phi $ и разности амплитуд $ V_1 $.

Потеря напряжения от $ V_0 $ до $ V_1 $ происходит от $ \ rho $ и является потерей передачи. Это отличается от значения $ V_1 $, которое, безусловно, можно использовать для извлечения энергии. Подключите резистор на другом конце и измерьте выходную мощность через этот резистор: удерживая эту константу, вы обнаружите, что правильный способ потерять меньше энергии — использовать более высокое значение $ V_0.$ Я почти уверен, что это применимо, даже если мы добавим трансформатор, чтобы «понизить» выход до постоянного напряжения.

Мощность и энергия

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Выполните расчеты мощности, напряжения, тока и сопротивления.
• • с использованием соответствующих единиц и подразделов.
• Различайте мощность и энергию в электрических цепях.

Мощность резисторов

Когда через резистор протекает ток, электрическая энергия преобразуется в ТЕПЛОВУЮ энергию. Тепло, генерируемое в компонентах цепи, каждый из которых обладает хотя бы некоторым сопротивлением, рассеивается в воздухе вокруг компонентов. Скорость рассеивания тепла называется МОЩНОСТЬЮ, обозначается буквой P и измеряется в ваттах (Вт).

Количество рассеиваемой мощности может быть вычислено с использованием любых двух величин, используемых в расчетах по закону Ома.Помните, как и в любой формуле, в формуле должны использоваться ОСНОВНЫЕ КОЛИЧЕСТВА, т. Е. ВОЛЬТЫ, ОМЫ и АМПЕРЫ (не милли, мег и т. Д.). ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

Чтобы найти мощность P, используя V и I

Чтобы найти мощность P, используя V и R

Чтобы найти мощность P, используя I и R

Перед тем, как начать, подумайте об этих нескольких советах, они облегчат решение, если внимательно следовать им.

1. Разработайте ответы с помощью карандаша и бумаги; в противном случае легко запутаться на полпути и получить неправильный ответ.

2. Конечно, ответ — это не просто число, это будет определенное количество ватт (или несколько или несколько единиц ватт). Не забудьте указать правильную единицу измерения (например, Вт или мВт и т. Д.), А также число, иначе ответ не имеет смысла.

3. Преобразуйте все вспомогательные единицы, такие как мВ или кОм, в ватты, указав их в соответствующей формуле. Ошибка здесь даст действительно глупые ответы, в тысячи раз слишком большие или слишком маленькие.

4. Хотя структура этих формул мощности кажется очень похожей на формулы закона Ома, есть небольшое различие — они содержат некоторые элементы в квадрате (I ² и V ² ).Будьте очень осторожны при использовании трюка с треугольником для транспонирования этих формул. Если вам нужно связать мощность с сопротивлением, то I или V необходимо возвести в квадрат (умножить на себя). Однако вы можете построить треугольник, который соответствует любой из формул для получения R, как показано ниже.

Не забудьте загрузить нашу брошюру «Подсказки по математике», в которой показано, как использовать калькулятор с показателями степени и инженерной нотацией, чтобы иметь дело с этими частями и каждый раз получать правильный ответ.

У вас нет научного калькулятора? Буклет «Подсказки по математике» объясняет, что вам нужно (и что вам не нужно, чтобы не тратить деньги без надобности). Если вы не хотите покупать научный калькулятор, вы всегда можете получить его бесплатно в сети. Пользователи ПК могут попробовать Calc98 на сайте www.calculator.org/download.html. Какой бы калькулятор вы ни выбрали, прочтите инструкции, чтобы ознакомиться с методами работы, которые вам следует использовать, поскольку они варьируются от калькулятора к калькулятору.

Важно знать о влиянии рассеивания мощности в компонентах: чем больше мощность, тем больше тепла должно рассеиваться компонентом. Обычно это означает, что компоненты, рассеивающие большое количество энергии, нагреваются, а также они будут значительно больше по размеру, чем типы с низким энергопотреблением. Если компоненту требуется рассеивать больше энергии, чем он предназначен, он не сможет достаточно быстро избавиться от выделяемого тепла. Его температура повысится, и перегрев может вызвать полный выход из строя компонента и, возможно, повреждение других компонентов и самой печатной платы (PCB).В качестве меры предосторожности резисторы большой мощности часто устанавливают вне печатной платы с помощью более длинных выводных проводов, заключенных в керамические гильзы. Резисторы с проволочной обмоткой большой мощности могут даже быть заключены в металлический радиатор и прикреплены болтами к большой металлической поверхности, такой как корпус оборудования, чтобы избавиться от нежелательного тепла. Примеры резисторов большой мощности показаны на странице конструкции резистора.

Такие компоненты, как резисторы, имеют определенную номинальную мощность, указанную производителем (в ваттах или милливаттах).Этот рейтинг (параметр) необходимо проверять при замене компонента, чтобы не произошло завышения рейтинга. Это важный фактор безопасности при обслуживании электронного оборудования.

TIP

Тепло, выделяемое резисторами большой мощности, является основной причиной преждевременного выхода из строя многих цепей. Либо сам резистор выходит из строя из-за «разомкнутой цепи», особенно в резисторах с проволочной обмоткой. В резисторах из углеродного состава длительный перегрев может привести к изменению значения. Это может увеличиваться в типах с высоким сопротивлением или более опасно уменьшаться (позволяя увеличить ток) в типах с низким сопротивлением.Увеличение тока, вызванное этим уменьшением сопротивления, только ускоряет процесс, и в конечном итоге резистор (а иногда и другие связанные компоненты) сгорает!

Энергия в резисторах

Если определенное количество мощности рассеивается в течение заданного времени, то рассеивается ЭНЕРГИЯ. Энергия (мощность x время) измеряется в Джоулях, и, включив время (t) в формулы мощности, можно рассчитать энергию, рассеиваемую компонентом или схемой.

Рассеиваемая энергия = Pt или VIt или V ² t / R или даже I ² Rt Джоулей

Обратите внимание, что в формулах для энергии такие величины, как мощность, время, сопротивление, ток и напряжение, должны быть преобразованы в их основные единицы, например.грамм. Ватты, секунды, Ом, Амперы, Вольт и т. Д. Никаких дополнительных единиц или нескольких единиц! Как описано в буклете «Советы по математике».

Все вышеперечисленные единицы являются частью интегрированной системы международно стандартизированных единиц; Система S.I. (Système International d´Unités). Эта система устанавливает основные единицы для любых электрических, механических и физических свойств и их отношения друг к другу. Он также включает в себя стандартную форму кратных и подкратных чисел, описанную в буклете «Подсказки по математике».

Мощность, ток и разность потенциалов на резисторе — AP Class

Закон Ома

Если бы вы хотели экспериментально определить взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением, что бы вы могли сделать?

Хороший способ определить это соотношение — измерить ток в цепи, состоящей из источника напряжения, такого как батарея, и резистора.Вы можете изменить величину напряжения, возможно, изменив количество используемых батарей, и посмотреть, как изменится ток в ответ.

При измерении таких величин, как напряжение, сопротивление и ток, очень важно убедиться, что вы используете правильные единицы измерения. Обычно ток измеряется в амперах (А), напряжение измеряется в вольтах (В), а сопротивление измеряется в омах.

После того, как вы измерили ток (в А) и напряжение (в В), график может помочь вам понять данные.Если вы построили график напряжения на оси y и тока на оси x , вы получите график, аналогичный показанному ниже:

Этот график дает вам довольно важную информацию о том, что происходит в цепи. Во-первых, вы заметили, что график представляет собой прямую линию? Это означает, что для этого резистора существует прямая зависимость между током и напряжением. Мы называем это соотношение Законом Ома , который гласит, что ток через резистор прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению резистора.

Закон Ома:

Ток = Напряжение / Сопротивление

I = V / R

Это означает, что при повышении напряжения увеличивается и ток. Однако по мере увеличения сопротивления ток падает. Вспомните автомобили, пытающиеся избежать аварии на шоссе. Чем больше полос будет заблокировано аварией, тем медленнее сможет двигаться транспорт. Увеличение сопротивления резистора так же влияет на ток в цепи.

Наклон линии на этом графике также важен.Закон Ома можно переставить и записать как V = I x R . Поскольку ток был нанесен на ось x , а напряжение было нанесено на ось y , наклон этой линии равен сопротивлению резистора, поэтому сопротивление этого конкретного резистора должно быть 10 Ом.

Омические и неомические резисторы

Резисторы, соответствующие закону Ома, известны как омические . Многие резисторы омические, а другие нет, и они называются неомическими .Вы также можете определить, является ли резистор омическим или неомическим, посмотрев на график зависимости тока от напряжения. Если график представляет собой прямую линию, значит, резистор подчиняется закону Ома. Если это НЕ прямая линия, значит, резистор неомический.

Резисторы и мощность

Резисторы всегда преобразуют электрическую энергию в другие формы энергии, такие как световая и тепловая энергия.Скорость преобразования энергии известна как мощность , и мощность обычно измеряется в ваттах (1 Вт = 1 Джоуль энергии / сек). Таким образом, мощность 25 Вт будет означать, что 25 Джоулей электрической энергии преобразуется в другие формы каждую секунду. Эта скорость изменяется при изменении как тока, так и напряжения.

Мощность = ток x напряжение

P = I x V

Резюме урока

Скорость, с которой протекают заряды через цепь, называется током .Заряды могут двигаться, потому что им была придана некоторая энергия за счет движения через разность потенциалов, также известную как , напряжение . Когда резистор находится в электрической цепи, он замедляет поток заряда, уменьшая ток в цепи.

Закон Ома гласит, что ток через резистор прямо пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален его сопротивлению. Резисторы, которые подчиняются закону Ома, известны как Ом, , и график зависимости напряжения от него.ток через омический резистор будет прямолинейным. Если график не прямой, значит резистор неомический .

Закон Ома: V = I x R

Скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в другие формы с помощью резистора, известна как мощность .

Мощность: P = I x V

ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК — прикладное промышленное электричество

Переменный ток

Большинство студентов, изучающих электричество, начинают свое изучение с так называемого постоянного тока (DC), то есть электричества, протекающего в постоянном направлении и / или обладающего напряжением постоянной полярности.Постоянный ток — это вид электричества, производимого батареей (с определенными положительными и отрицательными клеммами), или вид заряда, генерируемый при трении определенных типов материалов друг о друга.

Переменный ток против постоянного

Такой же полезный и простой для понимания, как постоянный ток, это не единственный используемый «вид» электричества. Определенные источники электричества (в первую очередь роторные электромеханические генераторы) естественным образом вырабатывают напряжения, меняющие полярность, меняя положительную и отрицательную на противоположные с течением времени.Либо как полярность переключения напряжения, либо как направление переключения тока вперед и назад, этот «вид» электричества известен как переменный ток (AC):

Рисунок 4.1 Постоянный и переменный ток

В то время как знакомый символ батареи используется как общий символ для любого источника постоянного напряжения, круг с волнистой линией внутри является общим символом для любого источника переменного напряжения.

Кто-то может задаться вопросом, зачем вообще возиться с такой вещью, как кондиционер. Верно, что в некоторых случаях переменный ток не имеет практического преимущества перед постоянным током.В приложениях, где электричество используется для рассеивания энергии в виде тепла, полярность или направление тока не имеют значения, пока на нагрузку подается достаточное напряжение и ток для получения желаемого тепла (рассеивание мощности). Однако с помощью переменного тока можно создавать электрические генераторы, двигатели и системы распределения энергии, которые намного более эффективны, чем постоянный ток, и поэтому мы обнаруживаем, что переменный ток используется преимущественно во всем мире в приложениях с большой мощностью. Чтобы объяснить подробности того, почему это так, необходимы некоторые базовые знания о AC.

Генераторы переменного тока

Если машина сконструирована так, чтобы вращать магнитное поле вокруг набора неподвижных проволочных катушек с вращением вала, переменное напряжение будет создаваться на проволочных катушках, когда этот вал вращается, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея. Это основной принцип работы генератора переменного тока, также известного как генератор переменного тока :

Рисунок 4.2 Работа генератора переменного тока

Обратите внимание, как полярность напряжения на проволочных катушках меняется на противоположные по мере прохождения противоположных полюсов вращающегося магнита.При подключении к нагрузке эта реверсивная полярность напряжения создает реверсивное направление тока в цепи. Чем быстрее вращается вал генератора, тем быстрее будет вращаться магнит, что приведет к появлению переменного напряжения и тока, которые чаще меняют направление за заданный промежуток времени.

Хотя генераторы постоянного тока работают по тому же общему принципу электромагнитной индукции, их конструкция не так проста, как их аналоги переменного тока. В генераторе постоянного тока катушка с проводом установлена ​​на валу, где магнит находится на генераторе переменного тока, и электрические соединения с этой вращающейся катушкой выполняются через неподвижные угольные «щетки», контактирующие с медными полосками на вращающемся валу.Все это необходимо для переключения изменяющейся выходной полярности катушки на внешнюю цепь, чтобы внешняя цепь видела постоянную полярность:

Рис. 4.3. Работа генератора постоянного тока

. Показанный выше генератор выдает два импульса напряжения на один оборот вала, причем оба импульса имеют одинаковое направление (полярность). Чтобы генератор постоянного тока вырабатывал постоянное напряжение , а не короткие импульсы напряжения каждые 1/2 оборота, имеется несколько наборов катушек, периодически контактирующих с щетками.Схема, показанная выше, немного упрощена, чем то, что вы видите в реальной жизни.

Проблемы, связанные с замыканием и разрывом электрического контакта с движущейся катушкой, должны быть очевидны (искрение и нагрев), особенно если вал генератора вращается с высокой скоростью. Если атмосфера, окружающая машину, содержит легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, практические проблемы искрообразования щеточных контактов еще больше. Генератор переменного тока (генератор переменного тока) не требует для работы щеток и коммутаторов, поэтому он невосприимчив к этим проблемам, с которыми сталкиваются генераторы постоянного тока.

Двигатели переменного тока

Преимущества переменного тока по сравнению с постоянным током с точки зрения конструкции генератора также отражены в электродвигателях. В то время как двигатели постоянного тока требуют использования щеток для электрического контакта с движущимися катушками проволоки, двигатели переменного тока этого не делают. Фактически, конструкции двигателей переменного и постоянного тока очень похожи на их аналоги-генераторы (идентичны для этого руководства), двигатель переменного тока зависит от реверсивного магнитного поля, создаваемого переменным током через его неподвижные катушки провода для вращения вращающегося магнита. вокруг его вала, а двигатель постоянного тока зависит от контактов щетки, замыкая и размыкая соединения, для обратного тока через вращающуюся катушку каждые 1/2 оборота (180 градусов).

Трансформаторы

Итак, мы знаем, что генераторы переменного тока и двигатели переменного тока обычно проще, чем генераторы постоянного тока и двигатели постоянного тока. Эта относительная простота означает большую надежность и более низкую стоимость производства. Но для чего еще нужен AC? Конечно, это должно быть что-то большее, чем детали конструкции генераторов и двигателей! Действительно есть. Существует эффект электромагнетизма, известный как взаимная индукция , при котором две или более катушек провода размещены так, что изменяющееся магнитное поле, создаваемое одной, индуцирует напряжение в другой.Если у нас есть две взаимно индуктивные катушки, и мы запитываем одну катушку переменным током, мы создадим переменное напряжение в другой катушке. При использовании как таковое это устройство известно как трансформатор :

.
Рисунок 4.4 Трансформатор «преобразует» переменное напряжение и ток.

Основное значение трансформатора — его способность повышать или понижать напряжение с катушки с питанием на катушку без питания. Напряжение переменного тока, индуцированное в обмотанной («вторичной») катушке, равно напряжению переменного тока на питаемой («первичной») катушке, умноженному на отношение витков вторичной катушки к виткам первичной катушки.Если вторичная обмотка питает нагрузку, ток через вторичную обмотку прямо противоположен: ток первичной обмотки умножается на отношение первичных и вторичных витков. Эта взаимосвязь имеет очень близкую механическую аналогию, в которой крутящий момент и скорость используются для представления напряжения и тока соответственно:

Рисунок 4.5 Зубчатая передача умножения скорости снижает крутящий момент и увеличивает скорость. Понижающий трансформатор понижает напряжение и увеличивает ток.

Если передаточное число обмоток изменено так, что первичная обмотка имеет меньше витков, чем вторичная обмотка, трансформатор «повышает» напряжение от уровня источника до более высокого уровня на нагрузке:

Рисунок 4.6-ступенчатая понижающая передача увеличивает крутящий момент и снижает скорость. Повышающий трансформатор увеличивает напряжение и уменьшает ток.

Способность трансформатора с легкостью повышать или понижать переменное напряжение дает переменному току преимущество, не имеющее себе равных с постоянным током, в области распределения мощности на рисунке ниже. При передаче электроэнергии на большие расстояния гораздо эффективнее делать это с помощью повышенных напряжений и пониженных токов (провод меньшего диаметра с меньшими резистивными потерями мощности), затем понижать напряжение и повышать ток для промышленность, бизнес или потребительское использование.

Рисунок 4.7 Трансформаторы обеспечивают эффективную передачу электроэнергии высокого напряжения на большие расстояния.

Трансформаторная технология сделала возможным распределение электроэнергии на большие расстояния. Без возможности эффективно повышать и понижать напряжение было бы непомерно дорого строить энергосистемы для чего-либо, кроме использования на близком расстоянии (в пределах нескольких миль максимум).

Какими бы полезными ни были трансформаторы, они работают только с переменным током, а не с постоянным током. Поскольку явление взаимной индуктивности зависит от изменения магнитных полей , а постоянный ток (DC) может создавать только постоянные магнитные поля, трансформаторы просто не будут работать с постоянным током.Конечно, постоянный ток может прерываться (пульсировать) через первичную обмотку трансформатора для создания изменяющегося магнитного поля (как это делается в автомобильных системах зажигания для выработки питания высоковольтной свечи зажигания от низковольтной батареи постоянного тока), но Импульсный постоянный ток не так уж отличается от переменного тока. Возможно, именно поэтому переменный ток в большей степени, чем какая-либо другая причина, находит такое широкое применение в энергосистемах.

• DC означает «постоянный ток», что означает напряжение или ток, который сохраняет постоянную полярность или направление, соответственно, с течением времени.
• AC означает «переменный ток», что означает напряжение или ток, который со временем меняет полярность или направление соответственно.

Электромеханические генераторы переменного тока

• , известные как генераторы переменного тока , имеют более простую конструкцию, чем электромеханические генераторы постоянного тока.

Конструкция двигателей переменного и постоянного тока

• очень точно соответствует принципам конструкции генератора.
• Трансформатор представляет собой пару взаимно индуктивных катушек, используемых для передачи мощности переменного тока от одной катушки к другой.Часто количество витков в каждой катушке устанавливается так, чтобы создать увеличение или уменьшение напряжения от активной (первичной) катушки к обмотке без питания (вторичной).
• Вторичное напряжение = Первичное напряжение (вторичные витки / первичные витки)
• Вторичный ток = первичный ток (первичные витки / вторичные витки)

Измерения величины переменного тока

На данный момент мы знаем, что переменное напряжение меняется по полярности, а переменный ток — по направлению.Мы также знаем, что переменный ток может изменяться множеством различных способов, и, отслеживая изменение во времени, мы можем построить его в виде «формы волны». Мы можем измерить скорость чередования, измерив время, необходимое для развития волны, прежде чем она повторится («период»), и выразить это как количество циклов в единицу времени или «частоту». В музыке частота такая же, как , высота звука , что является важным свойством, отличающим одну ноту от другой.

Однако мы сталкиваемся с проблемой измерения, если пытаемся выразить, насколько велика или мала величина переменного тока.С постоянным током, где величины напряжения и тока обычно стабильны, у нас нет проблем с выражением того, сколько напряжения или тока у нас есть в любой части цепи. Но как дать единичное измерение величины чему-то, что постоянно меняется?

Способы выражения величины сигнала переменного тока

Один из способов выразить интенсивность или величину (также называемую амплитудой ) величины переменного тока — это измерить высоту его пика на графике формы сигнала.Это известно как пик , или , пик , значение сигнала переменного тока:

Рисунок 4.8 Пиковое напряжение формы сигнала.

Другой способ — измерить общую высоту между противоположными вершинами. Это известно как размах сигнала (P-P) сигнала переменного тока:

Рис. 4.9. Размах напряжения сигнала.

К сожалению, любое из этих выражений амплитуды сигнала может вводить в заблуждение при сравнении двух разных типов волн. Например, прямоугольная волна с пиком 10 вольт, очевидно, представляет собой большее количество напряжения в течение большего количества времени, чем треугольная волна с пиком 10 вольт.Влияние этих двух напряжений переменного тока, питающих нагрузку, будет совершенно различным:

Рисунок 4.10 Прямоугольная волна дает больший эффект нагрева, чем такая же треугольная волна пикового напряжения.

Один из способов выразить амплитуду волн различной формы более эквивалентным способом — это математически усреднить значения всех точек на графике формы волны до единого совокупного числа. Это измерение амплитуды известно просто как среднее значение сигнала.Если мы усредним все точки на осциллограмме алгебраически (то есть, рассмотрев их знак , положительный или отрицательный), среднее значение для большинства сигналов технически будет равно нулю, потому что все положительные точки компенсируют все отрицательные точки на протяжении полный цикл:

Рисунок 4.11 Среднее значение синусоиды равно нулю.

Это, конечно, будет верно для любой формы волны, имеющей участки равной площади выше и ниже «нулевой» линии графика. Однако, как практическая мера совокупного значения формы волны, «среднее» обычно определяется как математическое среднее абсолютных значений всех точек за цикл.Другими словами, мы вычисляем практическое среднее значение сигнала, рассматривая все точки на волне как положительные величины, как если бы форма сигнала выглядела так:

Рис. 4.12 Форма волны, измеренная измерителем «среднего отклика» переменного тока.

Нечувствительные к полярности механические движения счетчика (счетчики, рассчитанные на одинаковую реакцию на положительные и отрицательные полупериоды переменного напряжения или тока) регистрируются пропорционально (практическому) среднему значению формы волны, потому что инерция стрелки по отношению к напряжению пружина естественным образом усредняет силу, создаваемую изменяющимися значениями напряжения / тока с течением времени.И наоборот, чувствительные к полярности движения измерителя бесполезно вибрируют при воздействии переменного напряжения или тока, их стрелки быстро колеблются около нулевой отметки, указывая истинное (алгебраическое) среднее значение нуля для симметричной формы волны. Когда в этом тексте упоминается «среднее» значение формы сигнала, предполагается, что подразумевается «практическое» определение среднего значения, если не указано иное.

Другой метод получения совокупного значения амплитуды сигнала основан на способности сигнала выполнять полезную работу при приложении к сопротивлению нагрузки.К сожалению, измерение переменного тока, основанное на работе, выполняемой осциллограммой, не совпадает со «средним» значением этой формы сигнала, потому что мощность , рассеиваемая данной нагрузкой (работа, выполняемая в единицу времени), не прямо пропорциональна величине любого из них. приложенное к нему напряжение или ток. Напротив, мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока, приложенного к сопротивлению (P = E ² / R и P = I ² R). Хотя математика такого измерения амплитуды может быть непростой, польза от этого есть.

Рассмотрим ленточную пилу и лобзик, две части современного деревообрабатывающего оборудования. Пилы обоих типов режут дерево с помощью тонкого зубчатого металлического полотна с моторным приводом. Но в то время как ленточная пила использует непрерывное движение полотна для резки, лобзик использует возвратно-поступательное движение. Сравнение переменного тока (AC) с постоянным током (DC) можно сравнить со сравнением этих двух типов пил:

Рис. 4.13. Аналогия постоянного и переменного тока с помощью ленточной пилы и лобзика.

Проблема попытки описать изменяющиеся величины переменного напряжения или тока в одном совокупном измерении также присутствует в этой аналогии с пилой: как бы мы могли выразить скорость полотна лобзика? Полотно ленточной пилы движется с постоянной скоростью, подобно тому, как проталкивает постоянное напряжение или постоянный ток движется с постоянной величиной.С другой стороны, полотно лобзика движется вперед и назад, скорость его вращения постоянно меняется. Более того, возвратно-поступательное движение любых двух лобзиков может быть неодинаковым, в зависимости от механической конструкции пил. Один лобзик может двигать лезвие синусоидальным движением, а другой — треугольником. Оценка лобзика на основе его максимальной скорости лезвия может ввести в заблуждение при сравнении одного лобзика с другим (или лобзика с ленточной пилой!). Несмотря на то, что эти разные пилы перемещают свои полотна по-разному, они одинаковы в одном отношении: все они режут древесину, и количественное сравнение этой общей функции может служить общей основой для оценки скорости полотна.

Представьте себе лобзик и ленточную пилу бок о бок, оснащенные одинаковыми лезвиями (одинаковым шагом зубьев, углом и т. Д.), Одинаково способными резать одинаковую толщину одного и того же вида древесины с одинаковой скоростью. Можно сказать, что эти две пилы были эквивалентны или равны по своей режущей способности. Можно ли использовать это сравнение, чтобы приписать «эквивалентную» скорость полотна ленточной пилы возвратно-поступательному движению полотна лобзика; связать эффективность лесозаготовки одного с другим? Это общая идея, используемая для присвоения измерения «эквивалента постоянного тока» любому переменному напряжению или току: независимо от величины постоянного напряжения или тока, будет происходить такое же количество рассеивания тепловой энергии через равное сопротивление:

Рисунок 4.14 Среднеквадратичное напряжение вызывает тот же эффект нагрева, что и такое же напряжение постоянного тока.

Как среднеквадратичное значение (СКЗ) соотносится с переменным током?

В двух схемах, приведенных выше, у нас одинаковое сопротивление нагрузки (2 Ом), рассеивающее одинаковое количество энергии в виде тепла (50 Вт), одна питается от переменного тока, а другая от постоянного тока. Поскольку изображенный выше источник переменного напряжения эквивалентен (с точки зрения мощности, подаваемой на нагрузку) 10-вольтовой батарее постоянного тока, мы бы назвали это «10-вольтовым» источником переменного тока. Более конкретно, мы бы обозначили его значение напряжения как 10 вольт RMS .Квалификатор «RMS» означает Среднеквадратическое значение , алгоритм, используемый для получения значения эквивалента постоянного тока из точек на графике (по сути, процедура состоит из возведения в квадрат всех положительных и отрицательных точек на графике формы сигнала, усреднения этих квадратов значений. , а затем извлечение квадратного корня из этого среднего, чтобы получить окончательный ответ). Иногда вместо «RMS» используются альтернативные термины эквивалент или эквивалент постоянного тока , но количество и принцип одинаковы.

Измерение амплитуды

RMS — лучший способ связать величины переменного тока с величинами постоянного тока или другими величинами переменного тока с различной формой волны при измерении электрической мощности. По другим соображениям лучше всего использовать измерения от пика до пика. Например, при определении правильного размера провода (допустимой нагрузки) для передачи электроэнергии от источника к нагрузке лучше всего использовать измерение среднеквадратичного тока, потому что основной проблемой, связанной с током, является перегрев провода, который является функцией рассеивание мощности, вызванное током через сопротивление провода.Однако при оценке изоляторов для работы в высоковольтных системах переменного тока измерения пикового напряжения являются наиболее подходящими, поскольку здесь основной проблемой является «пробой» изолятора, вызванный кратковременными скачками напряжения независимо от времени.

Инструменты, используемые для измерения амплитуды сигнала

Измерения пиков и размаха лучше всего выполнять с помощью осциллографа, который может фиксировать пики формы сигнала с высокой степенью точности благодаря быстрому срабатыванию электронно-лучевой трубки в ответ на изменения напряжения.Для измерений RMS будут работать аналоговые измерительные приборы (D’Arsonval, Weston, железная лопасть, электродинамометр), если они были откалиброваны в значениях RMS. Поскольку механическая инерция и демпфирующие эффекты движения электромеханического измерителя делают отклонение стрелки естественным образом пропорциональным среднему значению переменного тока, а не истинному среднеквадратичному значению, аналоговые измерители должны быть специально откалиброваны (или неправильно откалиброваны, в зависимости от как вы на это смотрите), чтобы указать напряжение или ток в единицах RMS.Точность этой калибровки зависит от предполагаемой формы волны, обычно синусоидальной.

Электронные счетчики, специально разработанные для измерения среднеквадратичных значений, лучше всего подходят для этой задачи. Некоторые производители инструментов разработали хитроумные методы определения среднеквадратичного значения любой формы волны. Один из таких производителей производит измерители True-RMS с крошечным резистивным нагревательным элементом, питаемым напряжением, пропорциональным измеряемому. Эффект нагрева этого элемента сопротивления измеряется термически, чтобы получить истинное среднеквадратичное значение без каких-либо математических вычислений, только законы физики в действии в соответствии с определением среднеквадратичного значения.Точность этого типа измерения RMS не зависит от формы волны.

Взаимосвязь пика, размаха, среднего и среднеквадратичного значения

Для «чистых» сигналов существуют простые коэффициенты преобразования для приравнивания значений пикового, разностного, среднего (практического, а не алгебраического) и среднеквадратичного значений друг к другу:

Рисунок 4.15 Коэффициенты преобразования для распространенных сигналов.

В дополнение к измерениям RMS, среднего, пика (пика) и размаха сигнала переменного тока существуют соотношения, выражающие пропорциональность между некоторыми из этих основных измерений.Пик-фактор сигнала переменного тока, например, представляет собой отношение его пикового (пикового) значения, деленного на его среднеквадратичное значение. Форм-фактор сигнала переменного тока — это отношение его среднеквадратичного значения к его среднему значению. Сигналы прямоугольной формы всегда имеют пик и коэффициент формы, равные 1, поскольку пик такой же, как среднеквадратичное и среднее значения. Синусоидальные сигналы имеют среднеквадратичное значение 0,707 (величина, обратная квадратному корню из 2) и форм-фактор 1,11 (0,707 / 0,636). Сигналы треугольной и пилообразной формы имеют среднеквадратичное значение 0.577 (величина, обратная квадратному корню из 3) и форм-фактор 1,15 (0,577 / 0,5).

Имейте в виду, что константы преобразования, показанные здесь для пиковых, среднеквадратичных и средних амплитуд синусоидальных, прямоугольных и треугольных волн, верны только для чистых форм этих форм волны. Среднеквадратичные и средние значения искаженных форм волн не связаны одним и тем же соотношением:

Рис. 4.16. Сигналы произвольной формы не имеют простого преобразования.

Это очень важная концепция, которую необходимо понимать при использовании аналогового измерительного механизма Д’Арсонваля для измерения переменного напряжения или тока.Аналоговый механизм Д’Арсонваля, откалиброванный для индикации среднеквадратичной амплитуды синусоидальной волны, будет точным только при измерении чистых синусоидальных волн. Если форма сигнала измеряемого напряжения или тока не является чистой синусоидой, показание измерителя не будет истинным среднеквадратичным значением формы сигнала, потому что степень отклонения стрелки в аналоговом перемещении измерителя Д’Арсонваля равна пропорционально среднему значению сигнала, а не среднеквадратичному значению. Калибровка измерителя RMS получается путем «перекоса» диапазона измерителя так, чтобы он отображал небольшое кратное среднему значению, которое будет равно среднеквадратичному значению для определенной формы волны и только для конкретной формы волны .

Поскольку форма синусоидальной волны является наиболее распространенной в электрических измерениях, она является формой волны, принятой для калибровки аналогового измерителя, а небольшое кратное, используемое при калибровке измерителя, составляет 1,1107 (коэффициент формы: 0,707 / 0,636: отношение среднеквадратичных значений деленное на среднее значение для синусоидального сигнала). Любая форма волны, кроме чистой синусоиды, будет иметь другое соотношение среднеквадратичных и средних значений, и, таким образом, измеритель, откалиброванный для синусоидального напряжения или тока, не будет показывать истинное среднеквадратичное значение при считывании несинусоидальной волны.Имейте в виду, что это ограничение применяется только к простым аналоговым счетчикам переменного тока, не использующим технологию True-RMS.

• Амплитуда сигнала переменного тока — это его высота, как показано на графике во времени. Измерение амплитуды может принимать форму пика, размаха, среднего или среднеквадратичного значения.
• Пиковая амплитуда — это высота сигнала переменного тока, измеренная от нулевой отметки до самой высокой положительной или самой низкой отрицательной точки на графике.Также известен как гребень амплитуда волны .
• Полная амплитуда — это общая высота сигнала переменного тока, измеренная от максимальных положительных до максимальных отрицательных пиков на графике. Часто обозначается как «П-П».
• Средняя амплитуда — это математическое «среднее» всех точек сигнала за период одного цикла. Технически, средняя амплитуда любой формы волны с участками равной площади выше и ниже «нулевой» линии на графике равна нулю.Однако в качестве практической меры амплитуды среднее значение сигнала часто вычисляется как математическое среднее абсолютных значений всех точек (принимая все отрицательные значения и считая их положительными). Для синусоиды среднее значение, вычисленное таким образом, составляет примерно 0,637 от его пикового значения.
• «RMS» означает среднеквадратическое значение и является способом выражения величины переменного напряжения или тока в терминах, функционально эквивалентных постоянному току. Например, среднеквадратичное значение 10 вольт переменного тока — это величина напряжения, при которой через резистор заданного значения рассеивается такое же количество тепла, как и у источника питания постоянного тока на 10 вольт.Также известен как «эквивалент» или «эквивалент постоянного тока» для переменного напряжения или тока. Для синусоидальной волны среднеквадратичное значение составляет примерно 0,707 от его пикового значения.
• Пик-фактор сигнала переменного тока — это отношение его пика (пик) к его среднеквадратичному значению.
• Форм-фактор сигнала переменного тока — это отношение его среднеквадратичного значения к его среднему значению.
• Аналоговые, электромеханические движения счетчика реагируют пропорционально среднему значению переменного напряжения или тока.Когда требуется индикация среднеквадратичного значения, калибровка измерителя должна быть соответственно «искажена». Это означает, что точность показаний RMS электромеханического измерителя зависит от чистоты формы волны: от того, точно ли она совпадает с формой волны, используемой при калибровке.

Рис. 4.17. Принципиальная схема однофазной системы питания мало показывает схему практического подключения силовой цепи.

На рисунке выше изображена очень простая цепь переменного тока. Если бы рассеиваемая мощность нагрузочного резистора была значительной, мы могли бы назвать это «цепью питания» или «системой питания», а не рассматривать ее как обычную цепь.Различие между «силовой цепью» и «обычной цепью» может показаться произвольным, но с практической точки зрения это определенно не так.

Анализ практических цепей

Одной из таких проблем является размер и стоимость проводки, необходимой для подачи питания от источника переменного тока к нагрузке. Обычно мы не задумываемся об этом, если мы просто анализируем цепь ради изучения законов электричества. Однако в реальном мире это может стать серьезной проблемой.Если мы дадим источнику в приведенной выше схеме значение напряжения, а также дадим значения рассеиваемой мощности для двух нагрузочных резисторов, мы сможем определить потребности в проводке для этой конкретной схемы:

С практической точки зрения, проводка для нагрузок 20 кВт при 120 В перем. Тока довольно значительна (167 А).

[латекс] I = \ frac {P} {E} [/ латекс]

[латекс] I = \ frac {10kW} {120V} [/ latex]

[латекс] I = 83,33A \ text {(для каждого нагрузочного резистора)} [/ латекс]

[латекс] I_ {total} = I_ \ text {load # 1} + I_ \ text {load # 2} [/ latex]

[латекс] P_ {total} = (10 кВт) + (10 кВт) [/ латекс]

[латекс] I_ {total} = (83.33 A) + (83,33 A) [/ латекс]

[латекс] P_ {total} = (20кВт) [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I_ {total} = 166,67 A} [/ латекс]

Из приведенного выше примера 83,33 ампера для каждого нагрузочного резистора на рисунке выше в сумме дают 166,66 ампера полного тока цепи. Это немалое количество тока, и для него потребуются медные проводники сечением не менее 1/0 калибра. Такая проволока имеет диаметр более 1/4 дюйма (6 мм) и весит более 300 фунтов на тысячу футов.Учтите, что медь тоже не дешевая! В наших интересах найти способы минимизировать такие затраты, если мы проектируем энергосистему с проводами большой длины.

Один из способов сделать это — увеличить напряжение источника питания и использовать нагрузки, рассчитанные на рассеивание 10 кВт каждая при этом более высоком напряжении. Нагрузки, конечно, должны иметь более высокие значения сопротивления, чтобы рассеивать ту же мощность, что и раньше (по 10 кВт каждая) при более высоком напряжении, чем раньше. Преимущество будет заключаться в меньшем потреблении тока, что позволяет использовать меньший, более легкий и дешевый провод:

[латекс] I = \ frac {P} {E} [/ латекс]

[латекс] I = \ frac {10кВт} {240V} [/ латекс]

[латекс] I = 41.67 A \ text {(для каждого нагрузочного резистора)} [/ latex]

[латекс] I_ {total} = I_ \ text {load # 1} + I_ \ text {load # 2} [/ latex]

[латекс] P_ {total} = (10 кВт) + (10 кВт) [/ латекс]

[латекс] I_ {total} = (41,67 A) + (41,67 A) [/ латекс]

[латекс] P_ {total} = (20кВт) [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I_ {total} = 83,33 A} [/ латекс]

Теперь у наших общий ток цепи равен 83.33 ампера, вдвое меньше, чем было раньше. Теперь мы можем использовать проволоку калибра 4, которая весит меньше половины того, что весит проволока калибра 1/0 на единицу длины. Это значительное снижение стоимости системы без снижения производительности. Вот почему разработчики систем распределения электроэнергии предпочитают передавать электроэнергию с использованием очень высоких напряжений (многие тысячи вольт): чтобы извлечь выгоду из экономии за счет использования меньшего, более легкого и дешевого провода.

Опасности повышения напряжения источника

Однако это решение не лишено недостатков.Еще одна практическая проблема с силовыми цепями — опасность поражения электрическим током от высокого напряжения. Опять же, обычно это не то, на чем мы концентрируемся при изучении законов электричества, но это очень серьезная проблема в реальном мире, особенно когда имеют дело с большими объемами энергии. Повышение эффективности, достигаемое за счет увеличения напряжения в цепи, представляет повышенную опасность поражения электрическим током. Электрораспределительные компании решают эту проблему, протягивая свои линии электропередач вдоль высоких опор или башен и изолируя линии от несущих конструкций с помощью больших фарфоровых изоляторов.

В точке использования (потребителя электроэнергии) все еще остается вопрос, какое напряжение использовать для питания нагрузок. Высокое напряжение обеспечивает большую эффективность системы за счет уменьшения тока в проводнике, но не всегда целесообразно держать силовую проводку вне досягаемости в точке использования, как это можно сделать в распределительных системах. Этим компромиссом между эффективностью и опасностью европейские проектировщики энергосистем решили рискнуть, поскольку все их домашние хозяйства и бытовая техника работают при номинальном напряжении 240 вольт вместо 120 вольт, как в Северной Америке.Вот почему туристы из Америки, посещающие Европу, должны носить с собой небольшие понижающие трансформаторы для своих портативных приборов, чтобы понижать мощность 240 В переменного тока (вольт переменного тока) до более подходящих 120 В переменного тока.

Решения для подачи напряжения потребителям

Понижающие трансформаторы в конечной точке энергоснабжения

Есть ли способ одновременно реализовать преимущества повышения эффективности и снижения угрозы безопасности? Одним из решений может быть установка понижающих трансформаторов в конечной точке энергопотребления, как это должен делать американский турист, находясь в Европе.Однако это было бы дорого и неудобно для чего угодно, кроме очень малых нагрузок (где трансформаторы можно построить дешево) или очень больших нагрузок (где стоимость толстых медных проводов превысила бы стоимость трансформатора).

Две нагрузки низкого напряжения в серии

Альтернативным решением могло бы быть использование источника более высокого напряжения для обеспечения питания двух последовательно соединенных нагрузок с более низким напряжением. Этот подход сочетает в себе эффективность высоковольтной системы с безопасностью низковольтной системы:

Рисунок 4.18 Последовательно подключенные нагрузки 120 В переменного тока, управляемые источником 240 В переменного тока при общем токе 83,3 А.

Обратите внимание на обозначения полярности (+ и -) для каждого показанного напряжения, а также на однонаправленные стрелки для тока. По большей части я избегал обозначать «полярности» в цепях переменного тока, которые мы анализировали, даже несмотря на то, что обозначения действительны для обеспечения системы отсчета для фазы. В следующих разделах этой главы фазовые отношения станут очень важными, поэтому я введу эти обозначения в начале главы для вашего ознакомления.

Ток через каждую нагрузку такой же, как и в простой 120-вольтовой цепи, но токи не складываются, потому что нагрузки включены последовательно, а не параллельно. Напряжение на каждой нагрузке составляет всего 120 вольт, а не 240, поэтому запас прочности выше. Имейте в виду, что у нас все еще есть полные 240 вольт на проводах системы питания, но каждая нагрузка работает при пониженном напряжении. Если кто-то и будет шокирован, скорее всего, это произойдет от контакта с проводниками конкретной нагрузки, а не от контакта с основными проводами энергосистемы.

Модификации конструкции с двумя сериями нагрузок

У этой конструкции есть только один недостаток: последствия отказа одной нагрузки разомкнутой или выключенной (при условии, что каждая нагрузка имеет последовательный переключатель включения / выключения для прерывания тока) не благоприятны. В случае последовательной цепи, если бы одна из нагрузок разомкнулась, ток остановился бы и в другой нагрузке. По этой причине нам необходимо немного изменить дизайн:

Рисунок 4.19 Добавление нейтрального проводника позволяет управлять нагрузками индивидуально.\ circ [/ латекс]

[латекс] I_1 = \ frac {P_1} {E_1} [/ латекс]

[latex] = \ frac {10kW} {120V} [/ latex]

[латекс] I_1 = 83,33 А [/ латекс]

[латекс] I_2 = \ frac {P_2} {E_2} [/ латекс]

[latex] = \ frac {10kW} {120V} [/ latex]

[латекс] I_2 = 83,33 А [/ латекс]

[латекс] P_ {всего} = (10кВт) + (10кВт) [/ латекс]

[латекс] = (20кВт) [/ латекс]

Двухфазная система питания

Вместо одного 240-вольтового источника питания мы используем два 120-вольтовых источника (в фазе друг с другом!), Последовательно для получения 240 вольт, а затем подводим третий провод к точке соединения между нагрузками, чтобы справиться с возможностью одного загрузочное отверстие.Это называется энергосистемой с расщепленной фазой . Три провода меньшего размера по-прежнему дешевле, чем два провода, необходимые для простой параллельной конструкции, поэтому мы все еще впереди по эффективности. Проницательный наблюдатель заметит, что нейтральный провод должен передавать только разницы тока между двумя нагрузками обратно к источнику. В приведенном выше случае при идеально «сбалансированных» нагрузках, потребляющих одинаковое количество энергии, нейтральный провод пропускает нулевой ток.

Обратите внимание на то, как нейтральный провод подключен к заземлению со стороны источника питания.Это обычная особенность в энергосистемах, содержащих «нейтральные» провода, поскольку заземление нейтрального провода обеспечивает минимально возможное напряжение в любой момент времени между любым «горячим» проводом и заземлением.

Важным компонентом системы с расщепленной фазой является двойной источник переменного напряжения. К счастью, спроектировать и построить его нетрудно. Поскольку большинство систем переменного тока в любом случае получают питание от понижающего трансформатора (понижая напряжение с высоких уровней распределения до напряжения пользовательского уровня, такого как 120 или 240), этот трансформатор может быть построен с вторичной обмоткой с центральным отводом:

Рисунок 4.20 Американское питание 120/240 В переменного тока поступает от сетевого трансформатора с центральным ответвлением.

Если переменный ток поступает непосредственно от генератора (генератора переменного тока), катушки могут быть аналогичным образом с центральным отводом для того же эффекта. Дополнительные расходы на включение центрального отвода в обмотку трансформатора или генератора минимальны.

Вот где действительно важны обозначения полярности (+) и (-). Это обозначение часто используется для обозначения фазировки нескольких источников напряжения переменного тока , поэтому ясно, помогают ли они («повышают») друг друга или противостоят («компенсируют») друг друга.Если бы не эта маркировка полярности, фазовые отношения между несколькими источниками переменного тока могли бы быть очень запутанными. Обратите внимание, что на схеме источники с расщепленной фазой (каждый 120 вольт, 0 °) с отметками полярности (+) — (-), как и батареи с последовательным подключением, альтернативно могут быть представлены как таковые:

Рисунок 4.21 Источник 120/240 В переменного тока с разделенной фазой эквивалентен двум последовательным источникам переменного тока 120 В переменного тока.

Чтобы математически рассчитать напряжение между «горячими» проводами, мы должны из вычесть напряжения, потому что отметки их полярности показывают, что они противоположны друг другу:

Полярный

[латекс] \ begin {align} & 120 \ angle 0 \ text {°} \\ — & 120 \ angle 180 \ text {°} \\ = & \ pmb {120 \ angle 0 \ text {°}} \ конец {align} [/ latex]

Прямоугольный

[латекс] \ begin {align} & 120 + \ text {j} 0 \ text {V} \\ — & (- {120} + \ text {j} 0) \ text {V} \\ = & \ pmb {240 + \ text {j} 0 \ text {V}} \ end {align} [/ latex]

Если мы отметим общую точку подключения двух источников (нейтральный провод) одинаковым знаком полярности (-), мы должны выразить их относительные фазовые сдвиги как разнесенные на 180 °.В противном случае мы бы обозначили два источника напряжения, прямо противоположных друг другу, что дало бы 0 вольт между двумя «горячими» проводниками. Почему я трачу время на уточнение отметок полярности и фазовых углов? В следующем разделе будет больше смысла!

Системы электропитания в американских домах и легкой промышленности чаще всего бывают расщепленными, обеспечивая так называемое питание 120/240 В переменного тока. Термин «разделенная фаза» просто относится к источнику питания с разделенным напряжением в такой системе. В более общем смысле, этот тип источника питания переменного тока называется однофазным , потому что оба сигнала напряжения синфазны или синхронизированы друг с другом.

Термин «однофазный» противопоставляется другому типу энергосистемы, называемому «многофазный», который мы собираемся изучить подробно. Приносим извинения за длинное введение, приведшее к заглавной теме этой главы. Преимущества многофазных систем питания становятся более очевидными, если сначала хорошо разбираться в однофазных системах.

• Однофазные системы питания определяются наличием источника переменного тока только с одной формой волны напряжения.
• Система питания с расщепленной фазой — это система с несколькими (синфазными) источниками переменного напряжения, подключенными последовательно, доставляющими мощность на нагрузки с более чем одним напряжением и более чем двумя проводами. Они используются в первую очередь для достижения баланса между эффективностью системы (низкие токи в проводниках) и безопасностью (низкие напряжения нагрузки).
• Источники переменного тока с разделенной фазой можно легко создать, отводя от средней точки обмотки катушек трансформаторов или генераторов переменного тока.

Фаза переменного тока

Все начинает усложняться, когда нам нужно связать два или более переменного напряжения или тока, которые не совпадают друг с другом.Под «несоответствием» я подразумеваю, что две формы сигнала не синхронизированы: их пики и нулевые точки не совпадают в одни и те же моменты времени. График на рисунке ниже иллюстрирует это.

Рис. 4.22. Формы волн вне фазы

Две волны, показанные выше (A и B), имеют одинаковую амплитуду и частоту, но они не совпадают друг с другом. Технически это называется фазовым сдвигом . Ранее мы видели, как можно построить «синусоидальную волну», вычислив тригонометрическую синусоидальную функцию для углов от 0 до 360 градусов, то есть полного круга.Начальной точкой синусоидальной волны была нулевая амплитуда при нулевом градусе, прогрессирующая до полной положительной амплитуды при 90 градусах, нуля при 180 градусах, полной отрицательной при 270 градусах и возврата к начальной точке нуля при 360 градусах. Мы можем использовать эту угловую шкалу вдоль горизонтальной оси нашего графика формы волны, чтобы выразить, насколько далеко одна волна отличается от другой:

Рис. 4.23. Волна A опережает волну B на 45 °.

Сдвиг между этими двумя формами волны составляет около 45 градусов, причем волна «A» опережает волну «B».Выборка различных фазовых сдвигов представлена ​​на следующих графиках, чтобы лучше проиллюстрировать эту концепцию:

Рисунок 4.24 Примеры фазовых сдвигов.

Поскольку формы сигналов в приведенных выше примерах имеют одинаковую частоту, они будут отклоняться от шага на одинаковую угловую величину в каждый момент времени. По этой причине мы можем выразить фазовый сдвиг для двух или более сигналов одной и той же частоты как постоянную величину для всей волны, а не просто выражение сдвига между любыми двумя конкретными точками вдоль волн.То есть можно с уверенностью сказать что-то вроде: «Напряжение« A »сдвинуто по фазе на 45 градусов с напряжением« B »». Какая бы форма волны ни была впереди в своем развитии, считается, что опережает , а следующая — , отстает от . Фазовый сдвиг, как и напряжение, всегда является измерением относительно двух вещей. На самом деле не существует такой вещи, как форма волны с абсолютным измерением фазы , потому что не существует известного универсального эталона для фазы. Обычно при анализе цепей переменного тока форма волны напряжения источника питания используется в качестве эталона для фазы, это напряжение указано как «xxx вольт при 0 градусах».”Любое другое переменное напряжение или ток в этой цепи будет иметь фазовый сдвиг, выраженный в терминах относительно этого напряжения источника. Это то, что делает расчеты цепи переменного тока более сложными, чем вычисления постоянного тока. При применении закона Ома и закона Кирхгофа величины переменного напряжения и тока должны отражать фазовый сдвиг, а также амплитуду. Математические операции сложения, вычитания, умножения и деления должны оперировать этими величинами фазового сдвига, а также амплитуды. К счастью, существует математическая система величин, называемая комплексными числами , идеально подходящая для этой задачи представления амплитуды и фазы.Поскольку комплексные числа так важны для понимания цепей переменного тока, следующая глава будет посвящена только этому предмету.

• Фазовый сдвиг — это когда две или более формы сигналов не совпадают друг с другом.
• Величину фазового сдвига между двумя волнами можно выразить в градусах, как это определено в градусах на горизонтальной оси графика формы волны, используемой при построении тригонометрической синусоидальной функции.
• Форма волны с опережением определяется как одна форма волны, которая опережает другую в своем развитии.Сигнал с запаздыванием на — это сигнал, который отстает от другого. Пример:

• Расчеты для анализа цепей переменного тока должны учитывать как амплитуду, так и фазовый сдвиг форм сигналов напряжения и тока, чтобы быть полностью точными. Это требует использования математической системы под названием комплексных чисел .

Что такое двухфазные системы питания?

Двухфазные энергосистемы достигают высокого КПД проводников. и — низкий риск для безопасности за счет разделения общего напряжения на меньшие части и питания нескольких нагрузок с этими меньшими напряжениями при одновременном потреблении токов на уровнях, типичных для системы полного напряжения.Между прочим, этот метод работает так же хорошо для систем питания постоянного тока, как и для однофазных систем переменного тока. Такие системы обычно называют трехпроводными системами , а не расщепленными фазами , потому что понятие «фаза» ограничивается переменным током.

Но из нашего опыта работы с векторами и комплексными числами мы знаем, что напряжения переменного тока не всегда складываются, как мы думаем, если они не совпадают по фазе друг с другом. Этот принцип, применяемый к энергосистемам, может быть использован для создания энергосистем с еще более высоким КПД проводников и меньшей опасностью поражения электрическим током, чем с расщепленной фазой.

Два источника напряжения, не совпадающих по фазе на 120 °

Предположим, что у нас есть два источника переменного напряжения, соединенных последовательно, как и в системе с расщепленными фазами, которую мы видели раньше, за исключением того, что каждый источник напряжения сдвинул фазу на 120 ° друг с другом:

Пара источников 120 В перем. Тока, фазированных под углом 120 °, аналогично разделенной фазе.

Поскольку каждый источник напряжения составляет 120 вольт, и каждый нагрузочный резистор подключен непосредственно параллельно своему соответствующему источнику, напряжение на каждой нагрузке должно также составлять 120 вольт.Учитывая ток нагрузки 83,33 А, каждая нагрузка все равно должна рассеивать 10 киловатт мощности. Однако напряжение между двумя «горячими» проводами не составляет 240 вольт (120 ∠ 0 ° — 120 ∠ 180 °), потому что разность фаз между двумя источниками не равна 180 °. Вместо этого напряжение:

[латекс] E_ {total} = (120 \ text {V} \ angle \ text {0 °}) — (120 \ text {V} \ angle \ text {120 °}) [/ latex]

[латекс] \ pmb {E_ {total} = 207,85 \ text {V} \ angle \ text {-30 °}} [/ латекс]

Условно мы говорим, что напряжение между «горячими» проводниками составляет 208 вольт (округляя в большую сторону), и, таким образом, напряжение системы питания обозначено как 120/208 В.

Если мы посчитаем ток через «нейтральный» провод, то обнаружим, что он не равен нулю, даже при сбалансированном сопротивлении нагрузки. Закон Кирхгофа говорит нам, что токи, входящие и выходящие из узла между двумя нагрузками, должны быть равны нулю:

[латекс] I _ {\ text {load # 1}} + I _ {\ text {load # 2}} + I _ {\ text {нейтральный}} = 0A [/ latex]

[латекс] \ begin {align} I _ {\ text {нейтральный}} = & -I _ {\ text {load # 1}} — I _ {\ text {load # 2}} \\ = & — (83.33 A \ angle \ text {0 °}) — (83,33 A \ angle \ text {120 °}) \\ = & \ pmb {83,33 A \ angle \ text {240 °}} \ text {или} \ pmb { 83,33 A \ angle \ text {-120 °}} \ end {align} [/ latex]

Итак, мы обнаруживаем, что «нейтральный» провод имеет полный ток 83,33 А, как и каждый «горячий» провод.

Обратите внимание, что мы все еще передаем 20 кВт общей мощности двум нагрузкам, при этом «горячий» провод каждой нагрузки, как и раньше, выдерживает 83,33 А. При одинаковом количестве тока через каждый «горячий» провод, мы должны использовать медные проводники одинакового сечения, поэтому мы не снизили стоимость системы по сравнению с системой с разделением фаз 120/240.Тем не менее, мы добились повышения безопасности, поскольку общее напряжение между двумя «горячими» проводниками на 32 вольт ниже, чем было в системе с расщепленной фазой (208 вольт вместо 240 вольт).

Три источника напряжения вне фазы 120 °

Тот факт, что нейтральный провод пропускает ток 83,33 А, открывает интересную возможность: поскольку по нему в любом случае протекает ток, почему бы не использовать этот третий провод в качестве еще одного «горячего» проводника, запитав другой нагрузочный резистор третьим источником 120 В, имеющим фазу. угол 240 °? Таким образом, мы могли бы передать на больше мощности (еще 10 кВт) без необходимости добавления дополнительных проводников.Посмотрим, как это может выглядеть:

Рис. 4.25. Если третья нагрузка смещена под углом 120 ° к двум другим, токи такие же, как и для двух нагрузок.

Многофазная цепь

Эта схема, которую мы анализировали с тремя источниками напряжения, называется многофазной цепью . Префикс «поли» просто означает «более одного», как в « поли теизм» (вера в более чем одно божество), « поли гон» (геометрическая форма, состоящая из нескольких отрезков линии: например, пятиугольник и шестиугольник ) и « поли атомный» (вещество, состоящее из нескольких типов атомов).Поскольку все источники напряжения находятся под разными фазовыми углами (в данном случае три разных фазовых угла), это схема « poly phase». В частности, это трехфазная цепь , которая используется преимущественно в крупных системах распределения электроэнергии.

Однофазная система

Давайте рассмотрим преимущества трехфазной системы питания по сравнению с однофазной системой с эквивалентным напряжением нагрузки и мощностью. Однофазная система с тремя нагрузками, подключенными напрямую параллельно, будет иметь очень высокий общий ток (83.33 раза по 3, или 250 ампер.

Рисунок 4.26 Для сравнения, три нагрузки по 10 кВт в системе 120 В переменного тока потребляют 250 А.

Для этого потребуется медный провод калибра 3/0 ( очень большой, большой!), По цене около 510 фунтов на тысячу футов и со значительным ценником. Если бы расстояние от источника до нагрузки составляло 1000 футов, нам потребовалось бы более полутонны медного провода для выполнения этой работы.

Двухфазная система

С другой стороны, мы могли бы построить двухфазную систему с двумя нагрузками по 15 кВт, 120 В.

Рисунок 4.27. Система с разделенной фазой потребляет половину тока 125 А при 240 В переменного тока по сравнению с системой на 120 В переменного тока.

Наш ток вдвое меньше того, который был при простой параллельной схеме, что является большим улучшением. Мы могли бы обойтись без использования медного провода калибра 2 при общей массе около 600 фунтов, из расчета около 200 фунтов на тысячу футов с тремя участками по 1000 футов каждый между источником и нагрузками. Тем не менее, мы также должны учитывать повышенную угрозу безопасности, связанную с наличием в системе 240 вольт, даже если каждая нагрузка получает только 120 вольт.В целом существует большая вероятность поражения электрическим током.

Трехфазная система

Если сравнить эти два примера с нашей трехфазной системой (рисунок выше), преимущества становятся очевидными. Во-первых, токи в проводниках немного меньше (83,33 ампер против 125 или 250 ампер), что позволяет использовать гораздо более тонкий и легкий провод. Мы можем использовать провод калибра 4 с плотностью около 125 фунтов на тысячу футов, что составит 500 фунтов (четыре участка по 1000 футов каждый) для нашей примерной схемы.Это обеспечивает значительную экономию затрат по сравнению с системой с разделением фаз, с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что максимальное напряжение в системе ниже (208 против 240).

Остается ответить на один вопрос: как вообще мы можем получить три источника переменного напряжения, фазовые углы которых разнесены точно на 120 °? Очевидно, что мы не можем отводить по центру обмотку трансформатора или генератора переменного тока, как это было в системе с расщепленной фазой, поскольку это может дать нам только формы волны напряжения, которые либо совпадают по фазе, либо не совпадают по фазе на 180 °.Возможно, мы могли бы придумать способ использования конденсаторов и катушек индуктивности для создания фазовых сдвигов на 120 °, но тогда эти фазовые сдвиги также будут зависеть от фазовых углов наших импедансов нагрузки (замена резистивной нагрузки емкостной или индуктивной нагрузкой изменится. все!).

Лучший способ получить фазовые сдвиги, которые мы ищем, — это генерировать его в источнике: сконструировать генератор переменного тока (генератор переменного тока), обеспечивающий мощность таким образом, чтобы вращающееся магнитное поле проходило через три набора проволочных обмоток, каждая установите на расстоянии 120 ° по окружности машины, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 4.28 (a) Однофазный генератор переменного тока, (b) Трехфазный генератор переменного тока.

Вместе шесть «полюсных» обмоток трехфазного генератора переменного тока соединены, чтобы образовать три пары обмоток, каждая пара вырабатывает переменное напряжение с фазовым углом 120 °, смещенным от любой из двух других пар обмоток. Межсоединения между парами обмоток (как показано для однофазного генератора переменного тока: перемычка между обмотками 1a и 1b) для простоты не показаны на чертеже трехфазного генератора.

В нашем примере схемы мы показали три источника напряжения, соединенных вместе в конфигурации «Y» (иногда называемой конфигурацией «звезда»), с одним выводом каждого источника, привязанным к общей точке (узлу, к которому мы прикрепили «нейтраль Дирижер). Обычный способ изобразить эту схему подключения — нарисовать обмотки в форме буквы «Y», как показано на рисунке ниже.

Рисунок 4.29. Y-образная конфигурация генератора.

Конфигурация «Y» — не единственный доступный нам вариант, но, вероятно, поначалу ее легче всего понять.Подробнее об этом мы поговорим позже в этой главе.

• Однофазная система питания — это система, в которой имеется только один источник переменного напряжения (одна форма волны напряжения источника).
• Система питания с расщепленной фазой — это система, в которой есть два источника напряжения, сдвинутых по фазе на 180 ° друг от друга, которые питают две последовательно соединенные нагрузки. Преимуществом этого является возможность иметь более низкие токи в проводниках при сохранении низкого напряжения нагрузки по соображениям безопасности.
• Многофазная система питания использует несколько источников напряжения, находящихся под разными фазовыми углами друг от друга (много «фаз» формы волны напряжения в работе). Многофазная система питания может обеспечивать большую мощность при меньшем напряжении с проводниками меньшего сечения, чем однофазные или двухфазные системы.
• Источники сдвинутого по фазе напряжения, необходимые для многофазной системы питания, создаются в генераторах переменного тока с несколькими наборами проводов обмоток. Эти наборы обмоток расположены по окружности вращения ротора под желаемым углом (-ами).

Трехфазный генератор переменного тока

Давайте возьмем схему трехфазного генератора переменного тока, представленную ранее, и посмотрим, что происходит при вращении магнита.

Рисунок 4.30 Трехфазный генератор переменного тока

Фазовый сдвиг на 120 ° является функцией фактического углового сдвига трех пар обмоток. Если магнит вращается по часовой стрелке, обмотка 3 будет генерировать свое пиковое мгновенное напряжение ровно 120 ° (вращения вала генератора) после обмотки 2, которое достигнет своего пика 120 ° после обмотки 1.Магнит проходит через каждую пару полюсов в разных положениях во вращательном движении вала. То, где мы решим разместить обмотки, будет определять величину фазового сдвига между формами сигналов переменного напряжения обмоток. Если мы сделаем обмотку 1 нашим «эталонным» источником напряжения для фазового угла (0 °), то обмотка 2 будет иметь фазовый угол -120 ° (120 ° с запаздыванием или 240 ° вперед), а обмотка 3 будет иметь угол -240 °. (или 120 ° вперед).

Последовательность фаз

Эта последовательность фазовых сдвигов имеет определенный порядок.Для вращения вала по часовой стрелке порядок 1-2-3 (сначала обмотка 1 пика, затем обмотка 2, затем обмотка 3). Этот порядок повторяется, пока мы продолжаем вращать вал генератора.

Рисунок 4.31 Чередование фаз по часовой стрелке: 1-2-3.

Однако, если мы обратим вращение вала генератора переменного тока (повернем его против часовой стрелки), магнит пройдет мимо пар полюсов в противоположной последовательности. Вместо 1-2-3 у нас будет 3-2-1.Теперь форма волны обмотки 2 будет впереди на 120 ° впереди 1 вместо запаздывания, а 3 будет еще на 120 ° впереди 2.

Рисунок 4.32 Последовательность фаз при вращении против часовой стрелки: 3-2-1.

Порядок последовательностей сигналов напряжения в многофазной системе называется чередованием фаз или чередованием фаз . Если мы используем многофазный источник напряжения для питания резистивных нагрузок, чередование фаз не будет иметь никакого значения. Независимо от того, 1-2-3 или 3-2-1, значения напряжения и тока будут одинаковыми.Как мы вскоре увидим, есть некоторые применения трехфазного питания, которые зависят от того, имеет ли чередование фаз то или иное направление.

Детекторы чередования фаз

Поскольку вольтметры и амперметры бесполезны для определения чередования фаз в действующей системе питания, нам нужен какой-то другой прибор, способный выполнять эту работу.

В одной оригинальной схеме используется конденсатор для введения фазового сдвига между напряжением и током, который затем используется для определения последовательности путем сравнения яркости двух индикаторных ламп на рисунке ниже.

Рисунок 4.33 Детектор последовательности фаз сравнивает яркость двух ламп.

Две лампы имеют одинаковое сопротивление нити накала и мощность. Конденсатор рассчитан на то, чтобы иметь примерно такое же реактивное сопротивление на системной частоте, что и сопротивление каждой лампы. Если бы конденсатор был заменен резистором, равным сопротивлению ламп, две лампы светились бы с одинаковой яркостью, схема сбалансирована. Однако конденсатор вносит фазовый сдвиг между напряжением и током в третьем плече цепи, равный 90 °.Этот фазовый сдвиг больше 0 °, но меньше 120 ° приводит к смещению значений напряжения и тока на двух лампах в соответствии с их фазовым сдвигом относительно фазы 3.

Обмен горячими проводами

Существует гораздо более простой способ изменить последовательность фаз, чем реверсировать чередование генератора: просто поменяйте местами любые два из трех «горячих» проводов, идущих к трехфазной нагрузке.

Этот трюк станет более понятным, если мы еще раз посмотрим на последовательность фаз трехфазного источника напряжения:

1-2-3 вращения: 1-2-3-1-2-3-1-2-3-1-2-3-1-2-3.. .

3-2-1 вращение: 3-2-1-3-2-1-3-2-1-3-2-1-3-2-1. . .

То, что обычно обозначается как «1-2-3» чередования фаз, можно также назвать «2-3-1» или «3-1-2», идя слева направо в числовой строке выше? Точно так же противоположное вращение (3-2-1) можно так же легко назвать «2-1-3» или «1-3-2».

Начиная с чередования фаз 3-2-1, мы можем попробовать все возможности для замены любых двух проводов за раз и посмотреть, что произойдет с результирующей последовательностью на рисунке ниже.

Рисунок 4.34. Все возможности перестановки любых двух проводов.

Независимо от того, какую пару «горячих» проводов из трех мы выберем для замены, чередование фаз в конечном итоге меняется на противоположное (1-2-3 меняются на 2-1-3, 1-3-2 или 3-2. -1, все равнозначно).

• Чередование фаз или последовательность фаз — это порядок, в котором формы волны напряжения многофазного источника переменного тока достигают своих соответствующих пиков. Для трехфазной системы есть только две возможные последовательности фаз: 1-2-3 и 3-2-1, соответствующие двум возможным направлениям вращения генератора.
• Чередование фаз не влияет на резистивные нагрузки, но оказывает влияние на несбалансированные реактивные нагрузки, как показано в работе схемы детектора поворота фаз.
• Чередование фаз можно изменить, поменяв местами любые два из трех «горячих» выводов, подающих трехфазное питание на трехфазную нагрузку.

Трехфазное соединение звездой (Y)

Первоначально мы исследовали идею трехфазных систем питания, соединив три источника напряжения вместе в так называемой конфигурации «Y» (или «звезда»).Эта конфигурация источников напряжения характеризуется общей точкой подключения, соединяющей одну сторону каждого источника.

Рисунок 4.35 Трехфазное соединение «Y» имеет три источника напряжения, подключенных к общей точке.

Если мы нарисуем схему, показывающую, что каждый источник напряжения представляет собой катушку с проводом (генератор переменного тока или обмотку трансформатора), и произведем небольшую перестановку, конфигурация «Y» станет более очевидной на рисунке ниже.

Рисунок 4.36. Трехфазное четырехпроводное соединение «Y» использует «общий» четвертый провод.

Три проводника, идущие от источников напряжения (обмоток) к нагрузке, обычно называются линиями , а сами обмотки обычно называют фазами . В системе с Y-соединением может или не может быть (рисунок ниже) нейтральный провод, присоединенный к точке соединения посередине, хотя это, безусловно, помогает облегчить потенциальные проблемы, если один из элементов трехфазной нагрузки выйдет из строя, как обсуждалось. ранее.

Рисунок 4.37 Трехфазное трехпроводное соединение «Y» не использует нейтральный провод.

Значения напряжения и тока в трехфазных системах

Когда мы измеряем напряжение и ток в трехфазных системах, нам нужно указать , где мы измеряем. Напряжение сети означает величину напряжения, измеренного между любыми двумя проводниками линии в сбалансированной трехфазной системе. В приведенной выше схеме линейное напряжение составляет примерно 208 вольт. Фазное напряжение относится к напряжению, измеренному на любом одном компоненте (обмотка источника или сопротивление нагрузки) в сбалансированном трехфазном источнике или нагрузке.Для схемы, показанной выше, фазное напряжение составляет 120 вольт. Термины линейный ток и фазный ток следуют той же логике: первый относится к току через любой один линейный проводник, а второй — к току через любой один компонент.

Источники и нагрузки, подключенные по схеме Y, всегда имеют линейное напряжение больше, чем фазное, а линейные токи равны фазным токам. Если источник или нагрузка, подключенные по схеме Y, сбалансированы, линейное напряжение будет равно фазному напряжению, умноженному на квадратный корень из 3:

.

Для цепей «Y»:

[латекс] \ begin {align} \ tag {4.1} \ text {E} _ {\ text {line}} & = \ sqrt {3} \ text {E} _ {\ text {phase}} \\ \ text {I} _ {\ text {line}} & = \ text {I} _ {\ text {phase}} \ end {align} [/ latex]

Однако конфигурация «Y» не единственная допустимая для соединения трехфазного источника напряжения или элементов нагрузки.

Трехфазная конфигурация, треугольник (Δ)

Другая конфигурация известна как «Дельта» из-за ее геометрического сходства с одноименной греческой буквой (Δ). Обратите внимание на полярность каждой обмотки на рисунке ниже.

Рисунок 4.38 Трехфазное, трехпроводное соединение Δ не имеет общего.

На первый взгляд кажется, что три таких источника напряжения могут вызвать короткое замыкание, электроны текут по треугольнику, и ничто иное, как внутренний импеданс обмоток, сдерживает их. Однако из-за фазовых углов этих трех источников напряжения это не так.

Закон Кирхгофа о напряжении при соединении треугольником

Для быстрой проверки этого можно использовать закон Кирхгофа, чтобы увидеть, равны ли три напряжения вокруг контура нулю.Если они это сделают, тогда не будет доступного напряжения для проталкивания тока вокруг этого контура и, следовательно, не будет циркулирующего тока. Начиная с верхнего витка и двигаясь против часовой стрелки, наше выражение KVL выглядит примерно так:

[латекс] (120 \ text {V} \ angle \ text {0 °}) + (120 \ text {V} \ angle \ text {240 °}) + (120 \ text {V} \ angle \ text { 120 °}) [/ латекс]

Все равно нулю?

Да!

В самом деле, если мы сложим эти три векторные величины вместе, они в сумме дадут ноль.Еще один способ проверить тот факт, что эти три источника напряжения могут быть соединены вместе в петлю без возникновения циркулирующих токов, — это разомкнуть петлю в одной точке соединения и рассчитать напряжение на разрыве:

Рисунок 4.39 Напряжение в открытом состоянии Δ должно быть нулевым.

Начиная с правой обмотки (120 В 120 °) и продвигаясь против часовой стрелки, наше уравнение KVL выглядит следующим образом:

[латекс] (120 \ text {V} \ angle \ text {120 °}) + (120 \ text {V} \ angle \ text {0 °}) + (120 \ text {V} \ angle \ text { 240 °}) + \ text {E} _ {\ text {break}} = 0 [/ latex]

[латекс] 0 + \ text {E} _ {\ text {break}} = 0 [/ латекс]

[латекс] \ text {E} _ {\ text {break}} = 0 [/ латекс]

Конечно, на разрыве будет нулевое напряжение, говорящее нам о том, что ток не будет циркулировать в треугольной петле обмоток, когда это соединение будет выполнено.

Установив, что трехфазный источник напряжения, подключенный по схеме Δ, не сгорит до резкости из-за циркулирующих токов, перейдем к его практическому использованию в качестве источника питания в трехфазных цепях. Поскольку каждая пара линейных проводов подключена непосредственно к одной обмотке в цепи Δ, линейное напряжение будет равно фазному напряжению. И наоборот, поскольку каждый линейный проводник присоединяется к узлу между двумя обмотками, линейный ток будет векторной суммой двух соединяющихся фазных токов.Неудивительно, что результирующие уравнения для Δ-конфигурации выглядят следующим образом:

Для цепей Δ («треугольник»):

[латекс] \ begin {align} \ tag {4.2} \ text {E} _ {\ text {line}} & = \ text {E} _ {\ text {phase}} \\ \ text {I} _ {\ text {line}} & = \ sqrt {3} \ text {I} _ {\ text {phase}} \ end {align} [/ latex]

Анализ цепи примера соединения треугольником

Давайте посмотрим, как это работает на примере схемы: (Рисунок ниже)

Когда каждое сопротивление нагрузки получает 120 В от соответствующей фазной обмотки источника, ток в каждой фазе этой цепи будет 83.33 ампера:

[латекс] I \: = \ frac {P} {E} [/ латекс]

[латекс] I \: = \ frac {10 кВт} {120 В} [/ латекс]

[латекс] \ pmb {I = 83.33A} \ text {(для каждого нагрузочного резистора и обмотки источника)} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = √3 \ text {I} _ {\ text {phase}} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = √3 (83,33 A) [/ латекс]

[латекс] \ pmb {\ text {I} _ {\ text {line}} = 144,34 A} [/ latex]

Преимущества трехфазной системы Delta

Таким образом, ток каждой линии в этой трехфазной энергосистеме равен 144.34 ампера, что значительно больше, чем линейные токи в системе с Y-соединением, которую мы рассматривали ранее. Можно задаться вопросом, не потеряли ли мы здесь все преимущества трехфазного питания, учитывая тот факт, что у нас такие большие токи в проводниках, что требует более толстого и более дорогостоящего провода. Ответ — нет. Хотя для этой схемы потребуется три медных проводника калибра 1 (на расстоянии 1000 футов между источником и нагрузкой это составляет чуть более 750 фунтов меди для всей системы), это все же меньше, чем 1000+ фунтов меди, необходимых для Однофазная система, обеспечивающая одинаковую мощность (30 кВт) при одинаковом напряжении (120 В между проводниками).

Одним из явных преимуществ системы с Δ-соединением является отсутствие нейтрального провода. В системе с Y-соединением нейтральный провод был необходим на случай, если одна из фазных нагрузок выйдет из строя (или отключится), чтобы не допустить изменения фазных напряжений на нагрузке. Это не обязательно (или даже возможно!) В схеме с Δ-соединением. Когда каждый элемент фазы нагрузки напрямую подключен к соответствующей обмотке фазы источника, фазное напряжение будет постоянным независимо от обрывов в элементах нагрузки.

Возможно, самым большим преимуществом источника с Δ-подключением является его отказоустойчивость. Одна из обмоток трехфазного источника, подключенного по схеме Δ, может открыться при отказе (рисунок ниже) без влияния на напряжение или ток нагрузки!

Рис. 4.40. Даже при отказе обмотки источника линейное напряжение по-прежнему составляет 120 В, а напряжение фазы нагрузки по-прежнему составляет 120 В. Единственная разница заключается в дополнительном токе в оставшихся функциональных обмотках источника.

Единственным последствием разрыва обмотки источника для источника, подключенного по схеме Δ, является увеличение фазного тока в остальных обмотках.Сравните эту отказоустойчивость с системой с Y-соединением и обмоткой с открытым источником на рисунке ниже.

Рис. 4.41. Разомкнутая обмотка источника «Y» уменьшает вдвое напряжение на двух нагрузках подключенной нагрузки Δ.

При Δ-подключенной нагрузке два сопротивления испытывают пониженное напряжение, в то время как одно остается при исходном линейном напряжении, 208. Нагрузка, подключенная по схеме Y, постигает еще худшую судьбу (рисунок ниже) с таким же отказом обмотки в схеме с Y-подключением. источник.

Рисунок 4.42 Обмотка с открытым истоком системы «Y-Y» снижает вдвое напряжение на двух нагрузках и полностью теряет одну нагрузку.

В этом случае два сопротивления нагрузки испытывают пониженное напряжение, а третье полностью теряет напряжение питания! По этой причине источники с Δ-соединением предпочтительнее для надежности. Однако, если требуются двойные напряжения (например, 120/208) или предпочтительны для более низких линейных токов, предпочтительной конфигурацией являются системы с Y-соединением.

• Проводники, подключенные к трем точкам трехфазного источника или нагрузки, называются линиями .
• Три компонента, составляющие трехфазный источник или нагрузку, называются фазами .
• Напряжение линии — это напряжение, измеренное между любыми двумя линиями в трехфазной цепи.
• Фазное напряжение — это напряжение, измеренное на отдельном компоненте трехфазного источника или нагрузки.
• Линейный ток — это ток через любую линию между трехфазным источником и нагрузкой.
• Фазный ток — это ток через любой компонент, содержащий трехфазный источник или нагрузку.
• В симметричных Y-цепях линейное напряжение равно фазному напряжению, умноженному на квадратный корень из 3, а линейный ток равен фазному току.
• Для цепей «Y»:

[латекс] \ text {E} _ {\ text {line}} = \ sqrt {3} \ text {E} _ {\ text {phase}} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = \ text {I} _ {\ text {phase}} [/ latex]

• В симметричных Δ-цепях линейное напряжение равно фазному напряжению, а линейный ток равен фазному току, умноженному на квадратный корень из 3.
• Для цепей Δ («треугольник»):

[латекс] \ text {E} _ {\ text {line}} = \ text {E} _ {\ text {phase}} [/ latex]

[латекс] \ text {I} _ {\ text {line}} = \ sqrt {3} \ text {I} _ {\ text {phase}} [/ latex]

• Трехфазные источники напряжения, подключенные по схеме Δ, обеспечивают большую надежность в случае отказа обмотки, чем источники с подключением по схеме Y Однако источники, подключенные по схеме Y, могут выдавать такое же количество энергии при меньшем линейном токе, чем источники, подключенные по схеме Δ.

Использование резисторов для измерения тока: это больше, чем просто I = V / R

Измерение динамического потока тока всегда было важным параметром для управления производительностью системы, и это стало еще более важным с распространением более интеллектуальных функций управления для устройств. и системы.Наиболее распространенный способ точного выполнения этого измерения — использование измерительного резистора известного номинала, подключенного последовательно с нагрузкой, с последующим измерением падения напряжения IR на этом резисторе. Применяя закон Ома, определить ток просто — по крайней мере, так кажется.

Хотя использование резистора является эффективной и прямой основой для такого определения, оно также имеет множество конструктивных проблем и тонкостей, несмотря на его ясность. Они охватывают электрический интерфейс, размер и выбор резистора, а также многие механические аспекты:

Электрический интерфейс

Вы выбираете датчик с высокой или с низкой стороны? При измерении со стороны низкого напряжения резистор помещается между нагрузкой и «землей» (или, во многих случаях, «общей цепью») (рис.1) , который позволяет подключать цепь измерения напряжения непосредственно к земле. Хотя компоненты в этой топологии не подвержены каким-либо проблемам с высоким напряжением, это часто нежелательно и даже неприемлемо по двум причинам.

1. При измерении на стороне низкого напряжения резистор помещается между нагрузкой и общим проводом; он упрощает интерфейс с аналоговым интерфейсом для считывания напряжения, но создает проблемы с целостностью нагрузки и контролем.

Во-первых, это означает, что сама нагрузка не заземлена, что непрактично по механическим причинам во многих установках.Например, наличие в автомобиле незаземленного стартера и его изоляция от шасси — задача проектирования и монтажа. Это также требует наличия обратного провода, который может передавать ток нагрузки обратно к источнику, а не использовать шасси. Во-вторых, даже если подключение и монтаж не рассматриваются, размещение любого сопротивления между нагрузкой и землей (общим) отрицательно влияет на динамику контура управления и управление.

2. Измерение на стороне высокого напряжения — это более широко используемый подход, несмотря на то, что он приносит новые проблемы с синфазным напряжением.

Решение состоит в том, чтобы использовать измерение на стороне высокого напряжения, с резистором вместо этого, помещенным между шиной питания и нагрузкой (рис. 2) . Это устраняет проблемы, возникающие при снятии заземления нагрузки, но возникает новая проблема. Схема, измеряющая напряжение на этом резисторе, теперь не может быть заземлена, что означает, что используется дифференциальный или инструментальный усилитель. Этот усилитель должен иметь номинальное синфазное напряжение (CMV) выше, чем напряжение на шине. В общем, если напряжение на шине выше, чем номинальное значение CMV стандартных ИС (обычно около 100 В), то необходимы более сложные подходы к обеспечению этого интерфейса.

Альтернативный подход заключается в использовании схемы интерфейса, которая включает гальваническую развязку между входом чувствительного усилителя и выходом (рис. 3) . Это означает, что между двумя аналоговыми секциями не существует омического тракта — он выглядит как неизолированный усилитель, за исключением внутренней изоляции.

3. Гальваническую развязку можно получить несколькими способами. Независимо от используемого подхода, в результате информация о сигнале проходит через барьер без омического пути между входом и выходом.

Этот подход имеет и другие полезные особенности: он значительно улучшает производительность системы за счет устранения контуров заземления и связанных с ними проблем; упрощает последующую схему и упрощает или устраняет связанные с безопасностью компоновку и требования к проводке по зазорам и утечкам; добавляет барьер электробезопасности между высоким напряжением и остальной частью системы; и во многих приложениях предписывается стандартами безопасности и нормативными требованиями.

Изоляция может быть реализована с помощью полностью аналогового развязывающего усилителя; в качестве альтернативы, подсхема, состоящая из неизолированного усилителя, за которым следует аналого-цифровой преобразователь и изолятор (который может использовать оптические, емкостные и магнитные принципы), работающий от изолированного источника питания, независимого от основного источника питания, может быть использовал (рис.4) . Независимо от выбранного решения по изоляции, схема измерения напряжения для более высоких напряжений на шине может усложняться в отношении спецификации и компоновки, но часто нет другого практического варианта.

4. Изоляция иногда реализуется в цифровой области с использованием изолированного входного каскада (усилитель, АЦП, изолятор) и изолированного источника питания. AD7401A объединяет все необходимые функции в одном корпусе. (Любезно предоставлено Analog Devices Inc.)

Размер и выбор резистора

В идеале значение чувствительного резистора должно быть относительно большим, чтобы результирующее падение напряжения также было большим, что минимизирует влияние схемных и системных шумов на измеряемое напряжение, а также максимально увеличивает его динамический диапазон.Однако большее значение при данном токе также означает меньшее напряжение — и, следовательно, меньшую доступную мощность — для нагрузки из-за падения ИК-излучения, а также самонагрева резистора I ² R, потери мощности и дополнительной тепловой нагрузки. . Это явно компромиссная ситуация.

На практике обычно желательно поддерживать максимальное напряжение на чувствительном резисторе на уровне 100 мВ или ниже, чтобы соответствующие значения резистора находились в диапазоне десятков миллиом и даже ниже. Смысловые резисторы этих небольших номиналов широко доступны; даже резисторы сопротивлением 1 мОм и ниже входят в стандартное предложение по каталогу (рис.5) . При таких низких значениях даже сопротивление омических контактов измерительной схемы является фактором в расчетах.

5. Этот токоизмерительный резистор 0,2 мОм выдерживает до 200 А и может рассеивать 15 Вт. Он имеет размеры 15 × 7,75 × 1,4 мм, а конструкция из специального сплава имеет TCR ± 100 ppm / ° C. (Предоставлено TT Electronics)

Дилемма выбора резистора не заканчивается определением значения, которое уравновешивает компромисс между напряжением и потерей мощности в зависимости от диапазона считывания.Во-первых, рассеяние резистора вызывает самонагревание, что означает, что выбранный тип резистора должен иметь подходящую номинальную мощность, и его номинальные характеристики должны снижаться при более высоких температурах.

Кроме того, любое самонагревание приведет к отклонению резистора от номинального значения. Насколько он дрейфует, зависит от материала и конструкции сенсорного резистора. Стандартный чип-резистор имеет температурный коэффициент сопротивления (TCR) около ± 500 ppm / ° C (равный 0,05% / ° C), в то время как стандартные чувствительные резисторы, изготовленные из специальных материалов и технологий изготовления, доступны с TCR ± 100 ppm. / ° C, примерно до ± 20 ppm / ° C.Предлагаются даже высокоточные устройства (по гораздо более высокой цене) с точностью до ± 1 ppm / ° C.

Обратите внимание, что использование отрезка медного провода или дорожки на печатной плате может показаться хорошим способом получить чувствительный резистор миллиомным сопротивлением почти по нулевой цене. Однако TCR меди составляет около 4000 ppm / ° C (0,4% / ° C), что на порядки меньше, чем у чувствительного резистора с низким TCR.

В некоторых случаях жизнеспособной тактикой для снижения повышения температуры из-за самонагрева является использование большей мощности, которая будет меньше зависеть от самонагрева.Но они тоже имеют несколько более высокую стоимость компонентов и большую занимаемую площадь. Разработчик должен провести тщательный анализ тока, рассеяния, влияния TCR и любого снижения характеристик, необходимого для долгосрочной надежности и производительности.

Механические аспекты

При очень низких уровнях тока физический размер резистора измерения тока примерно такой же, как у других резисторов. Но по мере увеличения номинальной мощности необходимы резисторы физически большего размера, и это повлияет как на компоновку печатной платы (при условии, что резистор установлен на плате), так и на тепловую ситуацию как резистора, так и его окружения.

Для резисторов с более высоким номиналом размещение и установка становятся серьезной проблемой; Монтаж печатной платы на поверхность может быть невозможным; значительно возрастают проблемы с недвижимостью и тепловыми проблемами. Для более крупных устройств могут даже потребоваться монтажные кронштейны или прижимы, чтобы свести эффекты движения и вибрации к приемлемому минимуму.

Не следует упускать из виду и трудность выполнения «простых» электрических соединений. Когда провода выдерживают десятки или даже сотни ампер, соединения между этими проводами и выводами резистора требуют тщательного планирования и более крупных и прочных поверхностей, которые, конечно же, могут включать винты и зажимы.Подумайте о типичном автомобильном аккумуляторе внутреннего сгорания, который должен выдавать более 100 А для запуска автомобиля от скромного аккумулятора на 12 В. Даже сопротивление контакта 100 мОм на плюсовой клемме аккумулятора приводит к потере питания 1,2 В в сценарии, когда запас по напряжению невелик.

Кроме того, даже если измеренное напряжение низкое, синфазное напряжение может быть не низким, и в соединениях могут протекать высокие токи. В результате возникают проблемы с безопасностью и доступом, которые влияют на прокладку кабелей, маршрутизацию, возможные короткие замыкания и доступность.Кроме того, разработчик должен спланировать, где и как подключать относительно тонкие провода, чувствительные к напряжению, к контактам, по которым также проходит более высокий ток нагрузки. Сопротивление контактов измерительного провода может выглядеть как сопротивление самого измерительного резистора, поэтому при расчетах I = V / R необходимо учитывать это дополнительное сопротивление. Даже TCR любых контактов также может быть проблемой в ситуациях с более высокой точностью.

Использование резистора для измерения тока — очень поучительный пример того, как сложно перейти от решения, которое в принципе очень простое, к решению, которое работает, работает хорошо и работает в диапазоне ожидаемых условий эксплуатации приложения.К счастью, это решение также широко используется, поэтому многие проблемы можно решить, используя опыт прикладных инженеров от поставщиков резисторов или экспертов в области измерения высокого тока.

Как измерить ток и мощность с помощью токоизмерительного резистора

Ниже представлена ​​диаграмма

показывающий, как измерить ток с помощью шунтирующего резистора.

Это пример

как 0.Прецизионный резистор 05 Ом можно использовать для измерения /

рассчитать переменный или постоянный ток и мощность, вырабатываемую вашим велосипедом

педальный электрогенератор. Это электрическая схема (см.

схему ниже), однако вам не обязательно быть электриком.

инженер, чтобы понять это. Один провод педали силового велосипеда

Генератор в этом случае подключается к лампочке.

Другой провод педали питания

велосипедный генератор проходит через прецизионный резистор и подключается к

лампочка.Затем вам нужно будет измерить две вещи на

ТО ЖЕ время, чтобы получить ваш расчет мощности. Итак, вы могли догадаться, что вы

потребуются два вольтметра или два сбора данных LabVIEW

каналы на ваш компьютер.

Первое, от чего измеряешь

Вы педалировали мощность велосипедного генератора — это напряжение, исходящее от генератора.

Второе — это напряжение на выводах с точностью 0,05 Ом.

резистор. Ток, протекающий через резистор и свет

build рассчитывается с использованием закона Ома.V = IR или напряжение = ток x

сопротивление. Вы можете выразить формулу другим способом решения текущего

который равен I = V / R или ток = напряжение, деленное на сопротивление.

Другими словами, вы делите

напряжение с резистора на 0,05. Затем вы используете формулу мощности

P = IV или мощность = ток x напряжение. (См. Формулу выше)

ВНИМАНИЕ — ваша точность

резистор может получиться очень

горячий

если у вас много напряжения и тока

через это.Прежде чем выбрать прецизионный резистор, необходимо рассчитать, как

он будет рассеивать большую мощность. Затем выберите резистор и радиатор,

надлежащая номинальная мощность. Деталь Caddock выше имеет большой радиатор.

область крепления, чтобы вы могли прикрутить его к куску металла, чтобы рассеять тепло

генерируется из него.

ЧТО ЕСЛИ У ВАС НЕТ

ТОЧНЫЙ РЕЗИСТОР ??

Если у вас нет прецизионного резистора

тогда вы можете использовать только откалиброванный отрезок провода примерно с одним или

длина двух футов.В следующей таблице показано сопротивление на фут.

проволоки по размеру проволоки. Обычно провод в стене вашего дома

розетки — 12 AWG. Так что если, например, вы пытаетесь

Измерьте ток от источника питания 24 В, и у вас будет

вольтметр, измеренный с точностью до 0,001 вольт, вы можете

крючком установите в блок питания 2-футовую секцию провода 12-го калибра.

линии и поместите щупы вольтметра на оба конца 2-футовой

сечение провода.Затем вы прочитаете и разделите

это на (2 x 0,00187 Ом), чтобы получить свой ток.

AWG Сопротивление калибра провода на фут от

(http://www.radiolocman.com/electrical-engineering/circuit-cache.