Резисторы в цепях постоянного тока. Методические материалы

План урока Введение. Постановка цели и задач моделирования (5 мин). Теоретическое обоснование работы (10 мин). Моделирование. Описание окна модели и ее основных элементов. Выбор конкретного варианта работы. Выполнение моделирования и заполнение рабочих таблиц. Обработка и оформление результатов работы. Анализ полученных результатов (20 мин). Выводы из работы (5 мин). Литература Физика-10. О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик и др.; Под ред. А. А. Пинского.      Глава 5. Постоянный электрический ток.           § 50. Последовательное и параллельное соединение проводников в электрической цепи (С.259–262). Физика-10. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев.      Глава 8. Законы постоянного тока.           § 54. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление.           § 55. Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников.           § 56. Измерение силы тока и напряжения (C. 137–141). Физика. 11 класс. В. А. Касьянов.      Электродинамика. Глава 1. Постоянный электрический ток.           § 9. Соединения проводников.           § 10. Расчет сопротивления электрических цепей (С. 27–35). Методика выполнения работы Откройте модель «Цепи постоянного тока (соединение резисторов)». В верхней части модели расположено рабочее поле модели с изображениями узловых точек, в которых фиксируются элементы цепи. В низу помещены переключатели выбора элементов цепи и клавиши очистки и расчета цепи. Компьютерная модель является конструктором, с помощью которого можно создавать на экране дисплея различные разветвленные цепи постоянного тока, состоящие из источников постоянного тока, резисторов, амперметров и вольтметров. Можно изменять в определенных пределах ЭДС источников и сопротивления резисторов. Для активации соответствующего элемента схемы необходимо сначала нажать клавишу со стрелкой, а затем кликнуть мышью на выбранный элемент схемы (источник или резистор). После создания схемы следует дать команду «Рассчитать», и компьютерная программа выполнит с помощью закона Ома или (для разветвленных цепей) правил Кирхгофа расчет токов и напряжений на различных участках цепи. (Опыт 1) Соберите на рабочем поле модели электрическую схему 1, показанную на рис. 1. Величины первого и второго сопротивления, а также ЭДС источника тока выберите согласно вашему варианту из таблицы 1. Внимание! Таблицу 1 перечерчивать не нужно. Вариант 1 2 3 4 5 6 R1, Ом 2 1 4 1 2 3 R2, Ом 3 3 2 3 1 2 , В 8 8 8 5 5 6 Таблица 1.   Рассчитайте все необходимые значения и внесите данные в таблицу 2. Проведите моделирование и проверьте полученные результаты. Номер опыта I1, А I2, А I0, А R0, Ом U1, В U2, В 1 2 Таблица 2.   (Опыт 2) Соберите на рабочем поле модели электрическую схему 2, показанную на рис. 1. Величины первого и второго сопротивления, а также ЭДС источника тока выберите согласно вашему варианту из таблицы 1. Рассчитайте все необходимые значения и внесите данные в таблицу 2. Проведите моделирование и проверьте полученные результаты. Рис. 1.  Для проведения расчетов учащиеся должны дополнить схему источником тока и амперметром. Далее по закону Ома для участка цепи они рассчитывают общее сопротивление цепи и сравнивают его с полученным расчетом по формулам параллельного и последовательного соединения резисторов. Следует обратить внимание на понимание школьниками величины внутреннего сопротивления амперметра и вольтметра, а также на правила их включения в цепь. (Опыт 3) На рис. 2 показана схема со смешанным типом соединения проводников. Рассчитайте общее сопротивление такой цепи. Составьте эту схему на рабочем поле модели, добавьте необходимые элементы и проведите измерения. Сравните результаты расчета и моделирования. Начертите схему вашего соединения. Рис. 2.  Для проведения расчетов учащиеся должны дополнить схему источником тока и амперметром. Далее по закону Ома для участка цепи они рассчитывают общее сопротивление цепи и сравнивают его с полученным расчетом по формулам параллельного и последовательного соединения резисторов. Следует обратить внимание на понимание школьниками величины внутреннего сопротивления амперметра и вольтметра, а также на правила их включения в цепь. Выводы из работы Сделайте выводы по проделанной работе. Вопросы к работе В чем преимущество последовательного и параллельного соединения проводников? Сопротивление каждого проводника равно 1 Ом. Чему равно сопротивление двух таких проводников, соединенных последовательно; параллельно? Почему внутреннее сопротивление вольтметра велико, а внутреннее сопротивление амперметра мало? Домашнее задание В качестве домашнего задания для закрепления пройденного материала учащимся нужно дать несколько теоретических вопросов и расчетных задач. Примеры вопросов и задач Имеется измерительный прибор (миллиамперметр) с ценой деления i0 = 1 мА/дел. Шкала прибора имеет n = 100 делений, внутреннее сопротивление прибора r = 50 Ом. Какое добавочное сопротивление R0 нужно включить последовательно с прибором, чтобы получить вольтметр для измерения напряжений до V = 25 В? В цепь гальванометра включена термопара, состоящая из медной и из константановой проволоки длиной L = 1 м каждая и диаметром d = 0,2 мм. Чувствительность гальванометра i0 = 10–6 А/дел, его внутреннее сопротивление r = 50 Ом. На сколько делений n отклонится стрелка гальванометра, если слой термопары нагреть на ΔT = 50 °C по отношению к температуре окружающей среды? Чувствительность термопары υ0 = 40 мкВ/град, удельное сопротивление константана ρк = 0,50∙10–4 Ом∙см, удельное сопротивление меди ρ м = 0,17∙10–5 Ом∙см. В электрической цепи, указанной на рис. 3, сопротивления резисторов R1 = 10 Ом и R2 = 20 Ом. ЭДС источников тока одинаковы: δ1 = δ2 = δ. При каких значениях R3 можно подобрать такое R4, чтобы ток через гальванометр Г был бы равен нулю? Внутренним сопротивлением батареи пренебречь. Рис. 3.

Как на резисторах, конденсаторах и индуктивностях делить напряжение

Как на резисторах, конденсаторах и индуктивностях делить напряжение

Электри́ческое напряже́ние между точками A и B электрической цепи или электрического поля — физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля (включающего сторонние поля), совершаемой при переносе единичного пробного электрического заряда из точки A в точку B.

С целью получения фиксированного значения напряжения, равного доле от исходного значения, в электрических цепях применяют делители напряжения. Делители напряжения могут состоять из двух или более элементов, которыми могут служить резисторы либо реактивные сопротивления (конденсаторы или катушки индуктивности).

В простейшем виде делитель напряжения представляется парой участков электрической цепи, соединенных последовательно друг с другом, которые и называются плечами делителя. Верхним плечом называется тот участок, который расположен между точкой положительного напряжения и выбранной точкой соединения участков, а нижним плечом — участок между точкой соединения (выбранной точкой, нулевой точкой) и общим проводом.

Делители напряжения на резисторах

Конечно, делители напряжения могут применяться как в цепях постоянного тока, так и в цепях тока переменного. Делители на резисторах подходят и для тех, и для других цепей, однако используются они только в цепях низкого напряжения. Для питания устройств делители напряжения на резисторах не применяют.

В простейшем виде резистивный делитель напряжения состоит всего из пары резисторов, соединенных последовательно. Делимое напряжение подается на делитель, в результате на каждом резисторе падает определенная доля этого напряжения, пропорциональная номиналу резистора. Сумма падений напряжений равна здесь напряжению подаваемому на делитель.

Согласно закону Ома для участка электрической цепи, на каждом резисторе падение напряжения будет прямо пропорционально току и величине сопротивления резистора. А согласно первому правилу Кирхгофа, ток через данную цепь будет везде один и тот же. Так, на каждый резистор придутся падения напряжения:

И напряжение на концах участка цепи будет равно:

А ток в цепи делителя составит:

Теперь если подставить выражение для тока в формулы для падений напряжений на резисторах, то получим формулы для нахождения величин напряжений на каждом из резисторов делителя:

Используя делитель напряжения на резисторах для тех или иных целей, важно понимать, что присоединенная к одному из плеч делителя нагрузка, будь то измерительный прибор или что-нибудь другое, должна иметь собственное сопротивление значительно большее, чем общее сопротивление резисторов, образующих делитель. В противном случае сопротивление нагрузки само должно учитываться в расчетах, будучи рассмотрено как параллельный плечу резистор, входящий в состав делителя.

Пример: есть источник постоянного напряжения 5 вольт, необходимо подобрать к нему резисторы для делителя напряжения, чтобы снимать с делителя измерительный сигнал величиной в 2 вольта. Допустимая рассеиваемая на делителе мощность не должна превышать 0,02 Вт.

Решение: Пусть максимальная мощность, рассеиваемая на делителе, равна 0,02 Вт, тогда минимальное общее сопротивление делителя при 5 вольтах найдем из закона Ома, оно получится равно 1250 Ом. Пусть 1,47 кОм — выбранное нами общее сопротивление делителя, тогда 2 вольта упадет на 588 омах. Выберем постоянный резистор на 470 Ом и переменный на 1 кОм. Установим на переменном резисторе значение в 588 Ом.

Делители напряжения на резисторах широко применяются сегодня в электронных схемах. На этих схемах значения величин резисторов для делителей выбираются исходя из параметров активных элементов схем. Как правило, делители стоят в измерительных цепях схем, в цепях обратной связи преобразователей напряжения и т. д. Минус таких решений заключается в том, что резисторы рассеивают на себе мощность в виде тепла, однако целесообразность оправдывает эти малые потери энергии.

Делители напряжения на конденсаторах

В цепях переменного тока, в высоковольтных схемах, применяют делители напряжения на конденсаторах. Здесь используется реактивный характер сопротивления конденсаторов в цепях переменного тока. Величина реактивного сопротивления конденсатора в цепи переменного тока зависит от электроемкости конденсатора и от частоты напряжения. Вот формула для нахождения этого сопротивления:

Формула свидетельствует о том, что чем больше электроемкость конденсатора — тем его реактивное (емкостное) сопротивление меньше и чем выше частота — тем так же меньше реактивное сопротивление. Такие делители используются в измерительных схемах цепей переменного тока, падения напряжений на плечах считается аналогично случаю с постоянными активными сопротивлениями (резисторами, см. выше).

Достоинство конденсаторов, применяемых в делителях, состоит в том, что рассеивание энергии в форме тепла получается минимальным, и зависит только от качества диэлектрика.

Делитель напряжения на индуктивностях

Индуктивный делитель напряжения — еще один вид делителей, применяемых в измерительной электронике переменного тока, особенно в низковольтных схемах, работающих на высоких частотах. Сопротивление катушек для переменного тока высокой частоты носит преимущественно реактивный (индуктивный) характер, оно находится по формуле:

Формула свидетельствует о том, что чем больше индуктивность и чем выше частота — тем выше сопротивление катушки переменному току. Здесь важно понимать, что провод катушки имеет активное сопротивление, поэтому мощность, рассеиваемая в виде тепла, свойственная делителю на индуктивностях, значительно выше, чем у делителей на конденсаторах.

В любительской электронике делители напряжения часто используются при подключении аналоговых датчиков к модулям Ардуино.  

Ранее ЭлектроВести писали, что немецкие инженеры разработали полевой транзистор на основе оксида галлия с пробивным напряжением 1,8 кВ и рекордной добротностью — 155 МВт на квадратный сантиметр. Такие показатели приближают элемент к теоретическому лимиту оксида галлия.

По материалам: electrik.info.

2.1 Решение задач — Законы постоянного тока

Решение задач по теме «Постоянный электрический ток».

Цели:

— рассмотреть методы решения задач на использование закона Ома в цепях постоянного тока;

— показать на примерах применение правил Кирхгофа для расчета сложных разветвленных цепей постоянного тока.

Ход занятия

В ходе проведения занятия необходимо рассмотреть ряд качественных задач и далее решить несколько расчетных задач по мере возрастания их сложности.

При решении задач на законы постоянного тока нужно начертить электрическую цепь и проанализировать, как соединены резисторы, источники тока, конденсаторы. Если точки цепи имеют одинаковые потенциалы, их можно соединять между собой.

Далее рассчитывают сопротивление отдельных участков цепи или полное сопротивление цепи и используют закон Ома для участков цепи или замкнутой цепи. Если в цепи постоянного тока включен конденсатор, то ток через него не идет. Если параллельно конденсатору подключен резистор, то напряжение на резисторе и конденсаторе одинаково.

Расчет сложных разветвленных цепей проводят с помощью правил Кирхгофа. Для этого произвольно выбирают направление тока на всех участках цепи. Разбивают сложную цепь на простые замкнутые контуры, произвольно выбирают направления обхода контуров.

Составляют систему уравнений в соответствии с правилами Кирхгофа, учитывая правила выбора знаков «плюс» и «минус».

Для решения задач на превращение электрической энергии в тепловую и механическую используют закон сохранения и превращения энергии.

Качественные задачи

1. Моток голой проволоки, состоящий из семи с половиной витков, растянут между двумя вбитыми в доску гвоздями, к которым прикреплены концы проволоки. Подключив к гвоздям приборы, измерили сопротивление цепи между гвоздями. Определите, во сколько раз изменится это сопротивление, если моток размотать, оставив концы присоединенными к гвоздям.

2. Пять одинаковых сопротивлений включены по схеме, приведенной на рис. 1. Как изменится накал правой верхней спирали, если замкнуть ключ К?

3. Могут ли существовать токи, текущие от более низкого потенциала к более высокому?

4. Трамвайный провод оборвался и лежит на земле. Человек в токопроводящей обуви может подойти к нему лишь маленькими шагами. Делать же большие шаги опасно. Почему?

5. Для того, чтобы включить лампу в сеть, напряжение которой больше напряжения, на которое рассчитана лампа, можно воспользоваться одной из схем, приведенных на рис. 2. У какой из этих схем коэффициент полезного действия выше, если в каждом случае лампа горит в нормальном режиме?

6. На рис. 3 представлены две схемы для измерения сопротивления. Какую из них следует предпочесть, когда измеряемое сопротивление: а) велико; б) мало?

7. Две лампы с сопротивлениями при полном накале r и R, причем R > r , подключают к источнику электродвижущей силы. В обеих лампах вольфрамовые нити. Которая из ламп горит ярче при последовательном соединении? При параллельном соединении?

8. Гирлянда елочных фонариков сделана из 40 лампочек, соединенных последовательно и питаемых от городской сети. После того как одна лампочка перегорела, оставшиеся 39 лампочек снова соединили последовательно и включили в сеть городского тока. В каком случае в комнате будет светлее: когда горело 40 лампочек или 39?

9. Показание какого вольтметра больше (рис. 4)? Почему?

10. Ток проходит по стальной проволоке, которая при этом слегка накаляется. Если одну часть проволоки охладить, погрузив ее в воду, то другая часть накаляется сильнее. Почему? (Разность потенциалов на концах проволоки поддерживается постоянной).

11. Две стальные проволоки одной и той же длины, но разного сечения соединены параллельно между собой и включены в сеть электрического поля. В какой из них будет выделяться большее количество теплоты?

Примеры решения расчетных задач

Задача 1. По медному проводу сечением S = 1 мм2 течет ток силой I = 10 мА. Найдите среднюю скорость упорядоченного движения электронов вдоль проводника, если считать, что на каждый атом меди приходится один электрон проводимости. Молярная масса меди А = 63,6 г/моль, плотность меди = 8,9 г/см3.

Решение:

Сила тока в проводнике равна заряду, протекающему за единицу времени через поперечное сечение проводника

(1)

где n — концентрация электронов, q — заряд одного электрона, v — средняя скорость упорядоченного движения, S — площадь поперечного сечения проводника. Из (1) получим следующее выражение для средней скорости упорядоченного движения электронов:

(2)

Поскольку на каждый атом меди приходится один электрон проводимости, то концентрация электронов проводимости будет равна концентрации атомов меди. Следовательно, концентрация электронов проводимости будет связана с плотностью меди соотношением

(3)

где m — масса одного атома.

(4)

здесь NA — число Авогадро. Подставляя (4) в (3), получим:

Тогда скорость упорядоченного движения электронов будет иметь вид:

Ответ:

Задача 2. В схеме, изображенной на рис. 5, определите силу тока, протекающего через батарею в первый момент времени после замыкания ключа К; спустя большой промежуток времени. Параметры элементов схемы и внутреннее сопротивление источника r считать заданными.

Решение:

В первый момент времени конденсаторы не заряжены, и ток в цепи, согласно закону Ома, будет равен

В установившемся режиме ток течет через сопротивления R1 и R3, и сила тока будет равна

Ответ:

Задача 3. Что покажет амперметр в схеме, изображенной на рис. 6?

Решение:

Найдем силу тока, текущего через источник. Будем считать, что сопротивление амперметра очень мало. Тогда электрическую схему можно будет перерисовать так, как показано на рис. 7. После этого легко найти сопротивление всей цепи. СопротивленияR1 и R3 соединены параллельно, поэтому сопротивление участка ВС будет равно

Общее сопротивление участка цепи, содержащего сопротивления R1, R2 и R3, будет равно

Тогда общее сопротивление всей цепи определится следующим образом:

Сила тока, текущего через источник, согласно закону Ома для полной цепи, будет равна

где — электродвижущая сила источника тока.

Как видно из рис. 6, ток, идущий через источник, равен сумме токов, текущих через сопротивление R1 и амперметр IA:

Обратимся снова к рис. 7. Так как R123 = R4 , то в точке А ток I0 делится на две равные части. Через резистор R2 будет идти ток силойI2 = 2A. В точке В ток I2 снова делится поровну между резисторами R1 и R3, и через резистор R1 пойдет ток силой I1 = 1A.

В точке С можно записать I0 = I1 + IA. Отсюда

Ответ:

Задача 4. Собрана электрическая цепь, приведенная на рис. 8. Вольтметр, включенный параллельно резистору с сопротивлением R1 = 0,4 Ом, показывает U1 = 34,8 В. Напряжение на зажимах источника тока поддерживается постоянным и равным U = 100 В. Найдите отношение силы тока, идущего через вольтметр, к силе тока, идущего через резистор с сопротивлением R2 = 0,6 Ом.

Решение:

Напряжение на резисторе с сопротивлением R2 будет равно U — U1, а сила тока, идущего через этот резистор, согласно закону Ома для однородного участка цепи,

но

где I1 — сила тока, идущего через резистор с сопротивлением R1, а IV — сила тока, идущего через вольтметр. Отсюда

Тогда

Ответ:

Задача 5. Несколько источников тока соединены так, как показано на рис. 9. Каковы показания идеального амперметра и вольтметра, включенных в цепь? Сопротивлением соединительных проводов пренебречь.

Решение:

Случай 1. Считаем, что все источники одинаковы, то есть имеют одинаковую электродвижущую силу и внутреннее сопротивление r. Пусть количество источников равно n. Тогда, используя закон Ома для замкнутой цепи, получим:

Таким будет показание амперметра. Из закона Ома для неоднородного участка цепи следует, что показание вольтметра будет

Случай 2. Все источники различны. Тогда амперметр покажет силу тока

Очевидно, что показание вольтметра в этом случае

Ответ: если все источники тока одинаковы, то если электродвижущие силы источников тока различны, то

Задача 6. Найдите напряжение на конденсаторах емкостями С1 и С2 в цепи, показанной на рис. 10, если известно, что при коротком замыкании сила тока, проходящего через источник, возрастает в n раз. С1, С2, известны.

Решение:

Напряжение на резисторе, подключенном параллельно к конденсаторам,

(5)

где U1 и U2 — напряжение на первом и втором конденсаторах соответственно. Конденсаторы соединены последовательно, следовательно, заряды на них будут одинаковыми.

(6)

Решая совместно уравнение (5) и (6), получим:

(7)

Через конденсаторы ток не идет, поэтому закон Ома для рассматриваемой цепи запишется в виде:

(8)

где r — внутреннее сопротивление источника, I — сила тока, текущего через источник и резистор. Падение напряжения на резисторе, согласно закону Ома для однородного участка цепи,

(9)

Ток короткого замыкания соответствует R = 0 , то есть

Согласно условию задачи

Подставляя значение I и I0 в последнее соотношение, получим:

Отсюда R = r(n -1). Подставляя значение R в (8), получим

После подстановки I в (9) получим:

Подставляя найденное значение U в (7), получим:

Ответ:

Задача 7. Между пластинами плоского конденсатора помещен жидкий диэлектрик (рис. 11) Уровень жидкости каждую секунду равномерно поднимается на h. К пластинам подсоединен последовательно источник постоянного тока, электродвижущая сила которого , и сопротивление R. Определите ток в цепи. Ширина пластин l, расстояние между ними d, диэлектрическая проницаемость диэлектрика .

Решение:

В каждый момент времени конденсатор, частично заполненный жидкостью, можно рассматривать как совокупность двух конденсаторов, воздушного и заполненного жидкостью, соединенных параллельно. Емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей. За каждую секунду часть пластин высотой h освобождается от диэлектрика. Это приводит к изменению емкости конденсатора на

(10)

Заряд при этом стекает с пластин конденсатора и в цепи течет ток, сила которого

(11)

Поскольку напряжение между пластинами конденсатора не меняется, то изменение заряда на пластинах конденсатора за единицу времени будет равно

(12)

Тогда после подстановки в (12) получим:

то есть сила тока в цепи будет равна

(13)

Напряжение на пластинах конденсатора можно найти из закона Ома для полной цепи.

Подставив значение U в (13), получим для силы тока следующее выражение:

Ответ:

Задача 8. В схеме на рис. 12 1 = 2 В, 2 = 4 В, 3 = 6 В, R1 = 4 Ом, R2 = 6 Ом, R3 = 8 Ом. Найдите силу тока во всех участках.

Решение:

Воспользуемся правилами Кирхгофа. Зададим направления токов I1, I2, I3 . В качестве независимых контуров выберем большой контур, содержащий источники тока 1 и 3, и малый контур, содержащий источники тока 1 и 2. Обход контуров будем совершать по часовой стрелке (рис. 13). Тогда можно составить следующую систему уравнений:

Решая систему уравнений относительно токов, получим следующие значения:

Знак минус означает, что ток I1 течет в направлении, противоположном выбранному.

Ответ:

Задача 9. Электродвижущая сила батареи = 16 В, внутреннее сопротивление r = 3 Ом. Найдите сопротивление внешней части цепи, если известно, что в ней выделяется мощность Р = 16 Вт. Определите к.п.д. батареи.

Решение:

Если внешнее сопротивление равно R, то на нем выделяется полезная мощность P = I2R. Силу тока в цепи можно найти из закона Ома для полной цепи:

Тогда

Последнее выражение можно переписать в виде квадратного уравнения с неизвестным R:

Решение этого уравнения имеет вид:

Подставляя в полученное решение числа, получим R1 = 1 Ом; R2 = 9 Ом. Этим двум значениям сопротивления соответствуют к.п.д.:

Ответ:

Задача 10. Через два последовательно соединенных проводника с одинаковыми сечениями S, но разными удельными сопротивлениями 1 и 2 (2 > 1), течет ток силой I (рис. 14). Определите знак и величину поверхностной плотности заряда, возникающего на границе раздела проводников.

Решение:

Воспользуемся теоремой Гаусса для электрических полей. В качестве произвольной замкнутой поверхности, через которую будем рассчитывать поток вектора напряженности электрического поля, выберем цилиндрическую поверхность, боковая поверхность которой совпадает с поверхностью проводника (рис. 15). Векторы напряженности электрического поля в проводнике параллельны боковой поверхности цилиндра, поэтому вклад в поток вектора напряженности дают только потоки через основания цилиндрической поверхности. Поскольку каждый проводник электронейтрален, то внутри этой поверхности нескомпенсированным оказывается только заряд q на границе раздела проводников. Поэтому теорема Гаусса запишется следующим образом:

Поэтому теорема Гаусса запишется следующим образом:

(14)

Согласно закону Ома

где j — плотность тока в проводнике. Подставим значения Е1 и Е2 в (14):

(15)

Плотность тока равна , а заряд на границе раздела связан с поверхностной плотностью заряда соотношением q = S. Подставляя значения j и q в (15), получим:

Следовательно, на границе раздела скапливается положительный заряд.

Ответ:

Задачи для самостоятельной работы

1. Электродвижущая сила источника = 1,6 В, его внутреннее сопротивление r = 0,5 Ом. Сила тока в цепи I = 2,4 А. Чему равен к.п.д. источника?

Ответ: = 0,3.

2. Батарея, состоящая из двух одинаковых параллельно соединенных элементов с электродвижущими силами = 2 В, замкнута резистором, сопротивление которого R = 1,4 Ом (рис. 16). Внутреннее сопротивление элементов r1 = 1 Ом и r2 = 1,5 Ом. Найдите токи I1, I2, I, текущие в цепи.

Ответ:

3. Два потребителя, сопротивления которых R1 и R2, подключаются к сети постоянного тока первый раз параллельно, а второй — последовательно. В каком случае мощность, потребляемая от сети, будет больше?

Ответ:

4. Резистор и конденсатор соединены последовательно с источником электродвижущей силы, при этом заряд на обкладках конденсатора q1 = 610-4 Кл. Если резистор и конденсатор подключены к источнику электродвижущей силы параллельно, то заряд на обкладках конденсатора q2 = 410-4 Кл. Найдите внутреннее сопротивление источника электродвижущей силы r, если сопротивление резистора R = 45 Ом.

Ответ:

5. Определите полное сопротивление R показанной на рис. 17 цепи, если R1 = R2 = R5 = R6 = 3 Ом, R3 = 20 Ом, R4 = 24 Ом. Чему равна сила тока, идущего через каждый резистор, если к цепи приложено напряжение U = 36 В?

Ответ:

6. Два источника тока соединены, как показано на рис. 18. 1) Определите разность потенциалов между точками А и В. 2) Какой станет эта разность потенциалов, если изменить полярность включения второго источника?

Ответ:

7. Конденсаторы с емкостями С и 2С включены в цепь, как показано на рис. 19, электродвижущая сила источника равна . Какое количество теплоты выделится на резисторе с сопротивлением R после замыкания ключа К? Внутренним сопротивлением источника пренебречь.

Ответ:

8. Найдите суммарный импульс электронов в проводе длины l = 1000 м, по которому течет ток силой I = 70 А.

Ответ:

9. Во сколько раз добавочное сопротивление (шунт) должно быть больше сопротивления вольтметра, чтобы этот вольтметр позволил измерить напряжение в n= 10 раз большее, чем то, на которое он рассчитан?

Ответ: в (n — 1) раз.

10. Пучок электронов проходит ускоряющую разности потенциалов U = 1000 В и, попадая на металлическую пластину, полностью поглощается. При этом микроамперметр, включенный между пластинкой и «землей», показывает ток I = 10-3 А (рис. 20). Определите температуру металлической пластинки после поглощения ею электронного пучка, если начальная температура пластинки была Т0 = 300 К. Теплоемкость металлической пластинки С = 10 Дж/К, время действия пучка t = 100 c. Считать, что все тепло, выделившееся в пластинке, идет на ее нагревание.

Ответ:

Конспект Резистор в цепи переменного тока

Резистор в цепи переменного тока.

Цель урока: рассмотреть цепь переменного тока с резистором, ввести понятие активного сопротивления.

Ход урока.

1.Организационный момент. Приветствие учащихся, проверка отсутствующих, постановка цели урока.

2.Проверка домашней работы.

3.Изучение нового материала. Как мы с вами знаем, электрические цепи состоят из множества элементов. Каждый элемент электрической цепи обладает своим собственным сопротивлением (нагрузка). Нагрузка бывает: активная и реактивная (индуктивная, емкостное).

Сегодня на уроке мы с вами рассмотрим переменную электрическую цепь с активным сопротивлением. Как вы уже догадались по теме урока к активным сопротивлениям относится сопротивление, которым обладает резистор.

Но для начало вспомним, что будет если резистор мы подключим к источнику постоянного тока, чтобы провести сравнение поведение тока в цепи переменного тока.

Скажите пожалуйста, сразу ли ток примет максимальное значение? Что является причиной возникновения тока?

(для того чтобы в резисторе появился ток, необходимо время, для того чтобы под воздействие электрического поля электрические заряды стали двигаться)

Следовательно, давайте определим время за которое электрическое поле преодолеет расстояние от источника тока до резистора. Допустим расстояние l=0.6м, а как мы с вами знаем скорость распространения электрического поля составляет 3*10⁸м/с. t=l/v. После этого времени в резисторе установиться постоянный по величине ток. Для того чтобы определить силу тока в цепи постоянного тока, нам необходимо воспользоваться законом Ома. I=U/R, таким образом мы найдем силу тока цепи для постоянного тока.

Теперь рассмотрим подключение резистора к цепи переменного тока. В цепи переменного тока, как мы уже знаем значение силы тока и напряжения меняются с течением времени и подчиняются закону гармонических колебаний.

U=Um*cosωt, I=Im*cosωt. Соответственно, пользуясь законом Ома I(t)=U(t)/R, заменим силу тока и напряжения. Im=Um/R. Теперь сравним графики колебаний для силы тока и напряжения.

Таким образом мы наблюдаем, что изменение силы тока, повторяет изменение напряжения. Т.о. разность фаз =0. Т.о. цепи, где сдвиг фаз между I и U =0 называют активными цепями. А сопротивление данной цепи называют активным сопротивлением. Кроме этого не забываем, за счет сопротивления цепи в цепи выделяются тепло.

Теперь поговорим о самом сопротивлении резистора. От чего зависит сопротивление?

R=p*l/S, т.е. сопротивление, что в цепи постоянного тока, что в цепи переменного тока, будет постоянным. Т.к. сопротивление от силы тока и напряжения не зависит. Но есть величины зависящие от силы тока и напряжения (мощность).

Для постоянного тока P=IU=I²*R=U²/R

Q_пост.= I²*R*T

Для переменного тока P= I(t)*U(t)= I²(t)R=U²(t)/R

Q=I²mRT/2

Т.о. получается мы можем выбрать такое значение I

Q_пост= Q

I=Im/-действующее значение переменного тока

Действующим значением переменного тока называется сила такого постоянного тока, который выделяет в проводнике то же количество теплоты, что и данный переменный ток за то же время.

Аналогично и для напряжения U=Um/

4.Закрепление материала.

В цепь переменного тока с действующим значением напряжения 220 В включили активное сопротивление 50 Ом. Найдите действующее и амплитудное значение для силы тока. Ответ I=4.4А Im=6.16А

5.Домашнее задание.

способ измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока — патент РФ 2384855

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерению изоляции цепей постоянного тока. К полюсам цепи постоянного тока подключают два резистора. Другие два резистора подключают параллельно нагрузке. В место соединения резисторов между собой подключают измерительную цепь, состоящую из последовательно включенных источника измерительного напряжения и измерителя тока. Источник напряжения подключают в поочередно изменяемой полярности полюсов. Определяют эквивалентный измерительный ток как половину суммы двух абсолютных по величине значений токов, измеренных последовательно по времени при разной полярности источника напряжения. Определяют сопротивление изоляции по формуле R=Е/I_экв — 0,5r, где Е — напряжение источника, Iэкв — эквивалентный ток, r — сопротивление резисторов. Технический результат заключается в исключении погрешности измерения от тока небаланса в цепи резисторов. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула изобретения

1. Способ измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока, основанный на подключении к полюсам цепи постоянного тока цепи резисторов, состоящей из двух последовательно соединенных резисторов, включении в место соединения резисторов между собой первого конца измерительной цепи, состоящей из последовательно включенных источника измерительного напряжения и измерителя тока, подключении второго конца измерительной цепи к элементу заземления, определении измерительного тока в измерительной цепи, отличающийся тем, что, с целью исключения погрешности измерения от тока небаланса в цепи резисторов, подключают к полюсам цепи постоянного тока два резистора, имеющих одинаковую величину сопротивления, включают источник измерительного напряжения то в одной полярности, то в противоположной полярности полюсов, определяют абсолютные по величине значения измерительного тока, определяют эквивалентный измерительный ток, как половину суммы двух абсолютных по величине значений измерительного тока, измеренных последовательно по времени при разной полярности источника измерительного напряжения, определяют эквивалентное сопротивление цепи равных по величине резисторов, как половину величины одного резистора, делят величину напряжения измерительного источника на величину эквивалентного измерительного тока и вычитают от значения, полученного в результате этого деления, значение величины эквивалентного сопротивления цепи резисторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью компенсации внутреннего сопротивления измерительной цепи и повышения точности измерения при малых измерительных токах, в место соединения двух резисторов между собой дополнительно подключают нагрузочный резистор.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью определения направления смещения места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки при напряжении в цепи постоянного тока не равном нулю, определяют ток небаланса, как разницу двух абсолютных по величине значений измерительного тока, измеренных последовательно по времени при разной полярности источника измерительного напряжения, определяют, что смещение места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки произошло в сторону отрицательного полюса, если ток небаланса положительный.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью определения отношения величины смещения места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения середины сопротивления нагрузки при напряжении в цепи постоянного тока не равном нулю, определяют ток небаланса, как разницу двух абсолютных по величине значений измерительного тока, измеренных последовательно по времени при разной полярности источника измерительного напряжения, делят величину тока небаланса на величину эквивалентного измерительного тока и на величину напряжения в цепи постоянного тока, умножают на величину напряжения измерительного источника.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводится цепь контроля щеточного контакта, соединяющего измерительную цепь и цепь заземления с вращающимся валом, на котором расположены цепи постоянного тока, состоящая из последовательно включенных источника контрольного сигнала, элемента сигнализации и второго щеточного контакта, подключающаяся одним концом к месту щеточного контакта, соединяющего измерительную цепь и цепь заземления с вращающимся валом, а вторым концом и щеточным контактом — к этому вращающемуся валу.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вводится цепь увеличения контактных усилий, возникающих при разрыве щеточного контакта, соединяющего измерительную цепь и цепь заземления с вращающимся валом, на котором расположены цепи постоянного тока, состоящая из последовательно включенных источника контрольного сигнала, элемента накопления электромагнитной энергии и второго щеточного контакта, подключающаяся одним концом к месту щеточного контакта, соединяющего измерительную цепь и цепь заземления с вращающимся валом, а вторым концом и щеточным контактом — к этому вращающемуся валу.

Описание изобретения к патенту

Использование: для измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока, в элементах нагрузки цепей постоянного тока, в сетях двойного рода тока, для определения места износа изоляции, улучшения контрольно-измерительных и защитных функций системы автоматики.

Сущность изобретения: способ измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока основан на: подключении к полюсам цепи постоянного тока цепи резисторов, состоящей из двух последовательно соединенных резисторов, имеющих одинаковую величину сопротивления, включении в место соединения резисторов между собой первого конца измерительной цепи, состоящей из последовательно включенных источника измерительного напряжения и измерителя тока, подключении второго конца измерительной цепи к элементу заземления, определении измерительного тока в измерительной цепи, включении источника измерительного напряжения то в одной полярности полюсов, то в противоположной полярности полюсов, определении эквивалентного измерительного тока как половины суммы двух абсолютных по величине значений измерительного тока, измеренных последовательно по времени, определении эквивалентного сопротивления цепи двух резисторов, делении величины напряжения измерительного источника на величину эквивалентного измерительного тока и вычитании от значения, полученного в результате этого деления, значения величины эквивалентного сопротивления цепи резисторов.

Описание изобретения

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в сетях постоянного тока, имеющих элементы, требующие контроля изоляции и защиты от замыкания на землю, например в системах возбуждения электрических машин. При этом решены задачи: точности измерений, быстродействия, простоты алгоритма и удобства его применения. При реализации способа дополнительно решены задачи: определения места повреждения изоляции, контроля контактных соединений системы измерений и повышения надежности контактных соединений.

Известен способ трех отсчетов вольтметра [1] для измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока под напряжением, включающий измерение между полюсами электрической цепи, поочередное шунтирование резистором полюсов цепи на землю, измерение установившихся значений напряжений на шунтирующем резисторе, вычисление эквивалентного сопротивления изоляции как произведения величины шунтирующего резистора на отношение напряжения измеряемой цепи к сумме установившихся напряжений на шунтирующем резисторе, уменьшенного на единицу.

Недостатками этого способа являются: необходимость наличия напряжения между полюсами электрической цепи и долгая процедура трех последовательных измерений. Поэтому этот способ: лишен возможности измерения сопротивления изоляции при отсутствии напряжения между полюсами, не обеспечивает точности измерения в динамических режимах, требует для реализации способа инерционных измерительных приборов, демпфирующих колебания напряжения в нестационарных режимах, не обеспечивает необходимого быстродействия для срабатывания защиты от замыкания на землю.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения сопротивления изоляции по «методу уравновешенного моста» [2], включающий подключение к полюсам цепи двух резисторов, соединенных последовательно, определение отсутствия тока небаланса в цепи двух последовательно включенных резисторов, включение в место соединения двух резисторов между собой источника измерительного напряжения и измерителя тока, соединенных последовательно и подключенных с другой стороны этой цепи к элементу заземления, измерение тока в цепи источника измерительного напряжения при отсутствии тока небаланса в цепи последовательно включенных резисторов, определение эквивалентного сопротивления изоляции по следующей формуле:

R=(E/Iизм)-Rд-r1r2/(r1+r2),

где R — эквивалентное сопротивление изоляции сети;

Е — напряжение измерительного источника;

Iизм — ток в цепи источника измерительного напряжения;

Rд — ограничительное сопротивление;

r1, r2 — два резистора, подключенных к полюсам цепи.

В известном способе [2], выбранном за прототип, удается осуществить измерение сопротивления изоляции при отсутствии напряжения между полюсами подключением к полюсам двух резисторов 7 и 8 и включением в место соединения двух резисторов между собой переключателя 6, источника измерительного напряжения 5 и измерителя тока 3 (см. Фиг.1).

Недостаток способа-прототипа заключается в том, что для точного измерения изоляции необходимо отсутствие тока небаланса в цепи последовательно включенных резисторов. Ток небаланса возникает при несимметричном нарушении изоляции внутри какого-нибудь элемента цепи постоянного тока относительно полюсов.

Так, при несимметричном нарушении изоляции внутри элемента цепи постоянного тока 9, имеющего сопротивление Rн (см. Фиг.1) и включенного между полюсами, появляется ток небаланса в цепи последовательно включенных резисторов 7 и 8, который искажает величину измеряемого сопротивления изоляции. При этом формула для измерения тока в цепи источника измерительного напряжения 5 будет иметь следующий вид:

Iизм={Е+Uнб}/{R+Rд+r1r2/(r1+r2)},

где U — напряжение между полюсами цепи постоянного тока;

Uнб=U(R1r2-R2r1)/[(r1+r2)(R1+R2)] — напряжение небаланса в цепи последовательно включенных резисторов 7 и 8;

R1, R2 — сопротивления изоляции 1 и 2 между полюсами и землей.

Сущность изобретения заключается в том, что, как в способе-прототипе, способ измерения сопротивления изоляции, включающий подключение к полюсам цепи двух резисторов 7 и 8, соединенных последовательно, включение в место соединения двух резисторов между собой источника измерительного напряжения 5 и измерителя тока 3, соединенных последовательно и подключенных с другой стороны этой цепи к элементу заземления 10, измерение тока в цепи источника измерительного напряжения 5, но в отличие от прототипа подключают к полюсам цепи два одинаковых резистора 7 и 8, включают источник измерительного напряжения 5 то в одной полярности полюсов, то в противоположной полярности полюсов (см. Фиг.2), измеряют соответственно этим положениям источника два значения тока I1 и I2 и определяют сопротивление изоляции по следующей формуле:

R=(Е/Iэкв)-Rэкв,

где Iэкв={|I1|+|I2|}/2={|(Е+Uнб)/(R+Rэкв)|+|(-E+Uнб)/(R+Rэкв)|}/2=Е/(R+Rэкв) — эквивалентный измерительный ток;

Rэкв=r1r2/(r1+r2)=r/2 — эквивалентное сопротивление цепи резисторов 7 и 8, r=r1=r2.

Предлагаемый способ позволяет исключить учет тока небаланса в цепи последовательно включенных между полюсами резисторов и этим обеспечивает:

— автоматизацию измерения изоляции исключением процедуры предварительной настройки тока небаланса до нуля;

— повышение точности измерений сопротивления изоляции во всех аварийных ситуациях;

— ускорение процесса измерения изоляции;

— расширение функциональных возможностей реализации данного способа.

При исследовании патентной и другой научно-технической информации заявителем не были обнаружены источники, в которых были бы приведены сведения о технических решениях, содержащих совокупность отличительных признаков предлагаемого способа, хотя и известны технические решения, содержащие отдельные признаки заявляемого объекта, однако свойства и эффект, которые указанные признаки сообщают этим объектам, иные, чем в предлагаемом решении, поэтому указанные отличия являются существенными.

Способ измерения изоляции в цепях постоянного тока реализуется в устройстве (см. Фиг.2), содержащем: 1 — сопротивление изоляции между +полюсом и землей, 2 — сопротивление изоляции между -полюсом и землей, 3 — датчик тока в измерительной цепи I1, I2, 5 — источник измерительного напряжения, 7, 8 — последовательно включенные резисторы, 11 — предохранитель, 12 15 — оптопары для переключения полярности источника измерительного напряжения, 16 — стабилитроны, 17 — нагрузочный резистор (с сопротивлением r3), 18 — контроллер (для вычисления сопротивления изоляции и управления переключением полюсов источника измерительного напряжения) с модулем аналогового ввода, 19 — кнопка сброса, 20 — блок питания, 21 — сигнальные реле, 22 — разъединительные клеммы, 23 — выключатель автоматический.

С целью компенсации внутреннего сопротивления измерительной цепи и повышения точности измерения при малых измерительных токах, в место соединения двух резисторов между собой дополнительно подключают нагрузочный резистор 17 (см. Фиг.2). Ток нагрузочного резистора I3 не повлияет на определение эквивалентного измерительного тока, поэтому его можно не учитывать:

Iэкв={|I1-I3|+|I2-I3|}/2={|(E+Uнб)/(R+Rэкв)-I3|+|(-Е+Uнб)/(R+Rэкв)-I3|}/[2=Е/(R+Rэкв),

где I3 — ток нагрузочного резистора 17.

С целью определения направления смещения места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки, устанавливают, что величина напряжения в цепи постоянного тока не равна нулю. Определяют ток небаланса как разницу двух абсолютных по величине значений измерительного тока, измеренных последовательно по времени:

Iнб=|I1|-|I2|=|(E+Uнб)/(R+Rэкв)|-|(-E+Uнб)/(R+Rэкв)|=2Uнб/(R+Rэкв)={U(R1-R2)/(R1+R2)}/(R+Rэкв) — ток небаланса;

R1 — величина сопротивления изоляции между +полюсом и землей;

R2 — величина сопротивления изоляции между -полюсом и землей.

Определяют, что смещение места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки произошло в сторону положительного полюса, если ток небаланса отрицательный. Определяют, что смещение места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки произошло в сторону отрицательного полюса, если ток небаланса положительный.

Если выполняется условие Iнб<0 (или Iнб<- Iуст, где Iуст заданная минимальная величина тока Iнб), т.е. R1<R2, то идет сигнал «Замыкание положительного полюса». Если выполняется условие Iнб>0 (или Iнб>Iуст), т.е. R1>R2, то идет сигнал «Замыкание отрицательного полюса». Если U=0, то Iнб=0 и сигнала не будет.

С целью определения отношения величины смещения места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки, устанавливают, что величины напряжения в цепи постоянного тока и эквивалентного измерительного тока не равны нулю, делят величину тока небаланса на величину эквивалентного измерительного тока и на величину напряжения в цепи постоянного тока, умножают на величину напряжения измерительного источника:

(R1-R2)/(R1+R2)=(Iнб/Iэкв)(Е/U) — отношение величины смещения места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки.

С целью контроля контактов (или щеток), соединяющих измерительную цепь и цепь резисторов 7 и 8 с цепями постоянного тока, цепями нагрузки 9 и цепями заземления 10, дополнительно вводится цепь контроля, состоящая из источника контрольного сигнала 29 и элемента сигнализации 26 и подключающаяся своими концами к контактам 27 и 28 (см. Фиг.3).

С целью увеличения контактных усилий в контактах 27 и 28, соединяющих измерительную цепь и цепь резисторов 7 и 8 с цепями постоянного тока, цепями нагрузки 9 и цепями заземления 10, возникающих при разрыве контакта 27 или 28, в цепь контроля дополнительно вводится элемент накопления электромагнитной энергии (см. Фиг.3).

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов Е.А., Кудрявцев В.П. и др. Оценка погрешностей измерения сопротивления изоляции судовых сетей постоянного тока. М.: Судостроение, 1974, № 7, с.37-38.

2. Новости электротехники. № 4(52), 2008. «Как правильно измерить сопротивление изоляции электроустановок». (пп. «Метод уравновешенного моста».)// Е.Иванов, А.Дьячков.

Выбор шунтирующих резисторов в цепях постоянного оперативного тока

В этой статье я хотел бы рассказать, какие нужно выбирать шунтирующие резисторы, что бы уберечься от ложных срабатываний промежуточных реле с высоким сопротивлением обмоток(например, промежуточных реле R2…R4 фирмы Relpol, где сопротивление обмоток около 16,1 кОм при напряжении 220 В) в схемах РЗА и противоаварийной автоматики.

Когда же может возникнуть ложное срабатывание? А происходит оно, при замыкании на землю в цепях постоянного оперативного тока:

• между управляющим контактом этого реле и его обмоткой;
• при большой протяженности кабельной линии между управляющим контактом и обмоткой реле в любой точке положительного и отрицательного полюса.

Для того чтобы повысить надежность работы устройств РЗА рекомендуется руководствоваться требованиями противоаварийного циркуляра №Ц-10-87(Э) от 02.10.1987, хоть он и был издан в 1987 году, но на сегодняшний день он актуальность все еще не потерял. В данном циркуляре приводиться перечень мер по повышению надежности работы устройств РЗА с использованием реле РП-16, где сопротивление обмоток составляет около 22 кОм при напряжении 220 В, и реле РП-18 — 7 кОм при напряжении 110 В.

И так, чтобы повысить надежность работы устройств РЗА, требуется принять вот такие меры:

• Зашунтировать обмотки реле с высоким сопротивлением обмоток в схемах релейной защиты и автоматики резистором с такими параметрами:- для реле с номинальным напряжением 220 В, применить резистор с сопротивлением 5,1 кОм;
  — для реле с номинальным напряжением 110 В, применить резистор с сопротивлением 1,2 кОм;
  
• При параллельном соединении двух и более реле, шунтирующий резистор должен обеспечивать результирующее сопротивление:- при напряжении 220 В – не более 4 кОм;
  — при напряжении 110 В – не более 1 кОм.
  
• Шунтирование реле с высоким сопротивлением обмоток необходимо производить также в тех случаях, когда они используются как реле-повторители блок-контактов и как реле положения «включено» и «отключено», если управляющие блок-контакты или электромагниты включения и отключения выключателей и реле располагается на разных панелях в удаленных местах, что, как правило, имеет место на ОРУ и других объектах.

Рекомендуемые параметры шунтирующих резисторов для этих схем, приведены на Рис.1 и Рис.2.

Рис.1 — Схема шунтирования реле-повторителей

Рис.2 — Схема шунтирования реле положения «включено» и «отключено»

Таблица — Рекомендуемые параметры шунтирующих резисторов

Резисторы следует принимать типа ПЭВ или аналог с допустимым отклонением сопротивления ±5%.

При сопротивлении резисторов R10 и R11 1000 Ом, устанавливаемым по типовым решениям, для исключения ложных срабатываний электромагнитов выключателей при закорачивании обмоток реле положения, сопротивление дополнительного шунтирующего резистора Rш принимать 5100 Ом, мощность рассеивания 25 Вт.

Шунтирование реле РП-16 и РП-18 (или аналогичных реле с небольшим током срабатывания) рассмотрено также, в схемах вызывной сигнализации с использованием указательных реле серии РЭУ-11).

Всего наилучшего! До новых встреч на сайте Raschet.info.

Поделиться в социальных сетях

Резисторы

в цепях постоянного тока

• Изучив этот раздел, вы сможете описать:
• • Переходные процессы в цепях постоянного тока.
• • Разница между идеальными и практическими схемами
• • Отношения переходного напряжения и тока в простой резистивной цепи

Переходные события

В цепях переменного тока условия напряжения и тока постоянно меняются.Поэтому нам необходимо учитывать влияние времени и переходных (проходящих) событий на состояние цепи. Переходное событие — это то, что происходит в течение определенного периода времени, например, размыкание или замыкание переключателя.

Рис. 4.1.1 Идеальная схема

Идеальная электрическая схема в практическом мире

Теоретическая или «идеальная» цепь постоянного тока, такая как показано (справа), содержит только сопротивление. Однако каждая практическая (реальная) схема содержит, по крайней мере, некоторую емкость и некоторую индуктивность, а также сопротивление.Любая цепь должна содержать металлические проводники с некоторой индуктивностью. Также компоненты или провода, которые находятся рядом с другими, с изолирующим зазором (воздухом и / или пластиком) между ними, должны фактически быть конденсаторами. Поэтому чисто резистивная схема существует только теоретически. Схема, подобная показанной на рис. 4.1.1, может обладать одним свойством, например, сопротивлением, намного большим, чем емкость или индуктивность, естественно присутствующая, так что ими можно пренебречь в теоретических целях, и рассматривать схему как имеющую только сопротивление.Чтобы обозначить это, такая схема называется «идеальной схемой». То есть тот, который содержит только одно чистое свойство, в данном случае сопротивление.

Переходные условия в резистивной цепи

Переходный режим схемы Рис. 4.1.1, который происходит во время работы переключателя, показан на Рис. 4.1.2.

Сначала ток не течет, но когда переключатель замыкается на контакте B, величина протекающего тока мгновенно возрастает до максимального уровня. Это сделает ток (I) равным напряжению батареи (V), деленному на сопротивление (R).То есть;

I = V / R

Это выражение закона Ома, которое можно использовать для вычисления значения тока в любое время с учетом двух других значений.

Предположим, что V = 10 В и R = 5 Ом.

Это дает I = 10/5 = 2 Ампер.

И если R увеличивается до 10 Ом, а V остается прежним,

Тогда I = 10/10 = 1 Ампер.

Увеличение сопротивления привело к уменьшению тока.

Также, если напряжение питания увеличивается, а сопротивление остается прежним, ток увеличивается.

На рис. 4.1.2 показано, что происходит с напряжением и током, когда переключатель замкнут, а затем снова разомкнут. Как ток, так и напряжение сразу повышаются до постоянного значения при замыкании переключателя, а затем сразу же падают до нуля при размыкании переключателя.

Напряжение на резисторе ( _R В), когда переключатель остается замкнутым, определяется значением

.

В _R = I x R

Рис. 4.1.2 Что происходит в схеме.

В чем разница между E и V для напряжения?

E (модель e.m.f или электродвижущая сила) — термин, используемый для обозначения электрического потенциала, который управляет током в цепи. Напряжение (В) — это термин, используемый для обозначения разницы в электрическом потенциале между любыми двумя точками в цепи. Это может быть разность напряжений между двумя концами резистора, в этом случае она будет называться V _R , или разность потенциалов между двумя выводами питания, которую можно назвать напряжением питания или V _S . Однако на практике E и V _S могут немного отличаться.Это связано с тем, что любой источник питания, такой как батарея, будет иметь некоторое внутреннее сопротивление из-за материалов, используемых в конструкции батареи. Это сопротивление, обозначенное (r), обычно будет очень маленьким, хотя по мере разряда батареи оно будет увеличиваться, увеличивая разницу между ЭДС (E) и напряжением на клеммах батареи (V). Поскольку это сопротивление будет последовательно с сопротивлением цепи R. Из-за этого E и V _R могут немного отличаться, поэтому, чтобы быть полностью точным, E и V должны быть показаны как отдельные величины, что изменит формулу для тока на I. = E / (R + r)

Формула для V _R остается V _R = IR, но ток (I) в расчетах будет немного меньше из-за влияния r в формуле для тока.

Сопротивление R можно рассчитать как R = V _R / I

Важна ли разница из-за сопротивления источника питания (r) или нет, зависит от требуемой точности любых измерений. Например, в цепи с очень низким сопротивлением и высоким током это может быть значительным, например, падение напряжения на автомобильном аккумуляторе при питании стартера. В качестве альтернативы, если рассматриваемая цепь имеет высокое сопротивление, потребляя лишь небольшой ток питания, очень маленькое внутреннее сопротивление источника питания обычно не оказывает заметного влияния на состояние цепи.Во многих случаях, когда измерения проводятся в электронных схемах, факт введения дополнительных путей тока из-за подключения испытательного оборудования может легко изменить условия схемы в большей степени, чем влияние сопротивления источника питания (r).

Цепь серии

DC — Инженерное мышление

Изучите основные принципы последовательной цепи постоянного тока, от напряжения, тока, сопротивления и энергопотребления до использования мультиметра. Вам также предстоит решить проблему с ответами в конце.

Прокрутите вниз, чтобы просмотреть руководство по YouTube.

Помните, что электричество опасно и может быть смертельным, вы должны быть квалифицированными и компетентными для выполнения любых электромонтажных работ.

Что такое последовательная цепь постоянного тока?

Когда мы соединяем компоненты в электрической цепи, мы можем соединить их последовательно или параллельно, или мы можем объединить их, чтобы образовать последовательно-параллельную цепь. В этой статье подробно описывается тип серии, который является самым основным, мы рассмотрим другие типы в других статьях, которые вы можете прочитать ЗДЕСЬ .

Если мы разместим два компонента в линию, конец в конец или с каким-нибудь проводом между ними, то они будут соединены последовательно. У электронов есть только один путь, по которому они могут пройти, поэтому все они будут проходить через каждый из компонентов.

через GIPHY

Обратите внимание: в этих анимациях мы используем поток электронов, который изменяется от отрицательного к положительному. Возможно, вы привыкли видеть обычный ток, который меняется от положительного к отрицательному. Электронный поток — это то, что происходит на самом деле, первоначальная теория была обычной, но ее все еще преподают, потому что ее легко понять.Просто помните о двух и о том, какой из них мы используем.

Сопротивление в последовательной цепи

Каждый компонент будет иметь определенное сопротивление, сопротивление противостоит приложенному напряжению. Измеряем сопротивление в единицах Ом с символом Ом Ω.

В последовательных цепях; мы находим полное сопротивление цепи, просто складывая все сопротивления вместе. Обозначим каждый резистор заглавной буквой R и пронумеруем их R1, R2, R3 и т. Д.

.

Общее сопротивление обозначается заглавной буквой R и нижним индексом T, который обозначает общее сопротивление или общее сопротивление.

Чтобы вычислить общее сопротивление последовательной цепи очень просто, мы просто складываем значения сопротивления каждого резистора.

Допустим, у нас есть цепь с одним резистором, это наш R1, и его значение составляет 10 Ом. Каково наше полное сопротивление? Что ж, это просто, полное сопротивление 10 Ом.

Если мы затем добавим в цепь второй резистор R2 с сопротивлением 5 Ом, общее сопротивление составит 15 Ом, 10 Ом + 5 Ом.

Если мы добавим еще резистор 5 Ом, то общее сопротивление составит 20 Ом.

На самом деле провода тоже будут добавлять некоторое сопротивление, но оно очень мало, вам может потребоваться учесть это в зависимости от того, насколько точной должна быть ваша конструкция.

Ток в серии

Ток — это поток электронов. Это как вода, текущая по трубе. Чем выше ток, тем больше электронов течет. Мы измеряем ток в амперах, но инженеры сокращают его до ампер. Это обозначается заглавной буквой A.

Мы подробно рассмотрели текущее состояние в нашей предыдущей статье, проверьте ЗДЕСЬ .

Мы измеряем ток, вставляя амперметр в цепь, через которую проходят электроны. Это похоже на счетчик воды в том смысле, что вода должна проходить через него, чтобы мы могли ее измерить. Мы можем подключить к цепи мультиметр, чтобы также считывать ток.
Мультиметр должен быть помещен в цепь, чтобы снимать показания, через него будет течь ток. Измеритель добавит сопротивление цепи, но оно настолько мало, что мы обычно можем это игнорировать.

Если у вас еще нет мультиметра, мы настоятельно рекомендуем вам его приобрести, они необходимы для поиска и устранения неисправностей и понимания. Вы можете купить их по ссылке ниже.

Мы можем рассчитать полный ток цепи, разделив напряжение на сопротивление.

Если мы подключим резистор 10 Ом к батарее 9 В, 9 В ÷ 10 Ом даст нам 0,9 А.

Если мы добавим в схему еще один резистор 5 Ом, это даст нам сопротивление 15 Ом, так что 9 В ÷ 15 Ом = 0.6А.

Затем, если мы добавим еще один резистор на 5 Ом, это даст нам сопротивление 20 Ом, так что
9 В ÷ 20 Ом = 0,45 А.

Мы видим, что по мере того, как мы добавляем большее сопротивление цепи, ток уменьшается, поэтому меньше электронов течет, а это означает, что мы можем выполнять меньше работы. Мы можем визуализировать это, подключив в цепь светодиод с резистором. Чем выше сопротивление; тем ярче будет светодиод.

Мы также можем использовать резисторы для защиты компонентов в цепи. Если мы используем резистор 100 Ом с батареей 9 В, ток будет около 0.09A или 90mA, и светодиод перегоревший. Если мы используем резистор 450 Ом; ток будет около 0,02 А или 20 мА, поэтому светодиод должен быть в порядке. Если мы используем резистор 900 Ом, ток будет 0,01 А или 10 мА, и светодиод будет очень тусклым.

В последовательной цепи; ток одинаков во всей цепи. Это важно помнить. Как подробно описано ниже; если мы поместим измеритель в любое место, мы получим одинаковые показания. Это потому, что у электронов есть только один путь, и все они движутся вместе в одном направлении, поэтому,
, ток должен быть одинаковым.Неважно, где мы измеряем или где размещаем резистор, даже если мы поменяем местами резисторы, ток будет одинаковым везде в последовательной цепи.

Напряжение в серии

Помните, что напряжение — это толкающая сила электронов, это как давление в трубе. Чем выше давление; чем больше может течь воды, тем выше напряжение; тем больше электронов может течь. Мы можем видеть, что, изменяя напряжение на лампе, как показано ниже, яркость лампы увеличивается с увеличением напряжения.

Если мы поместим в цепь батарею 9В, мы подадим на цепь 9В. Мы можем увеличить это, подключив батареи последовательно.

Итак, если мы поместим две батареи 9 В в цепь последовательно, то мы получим 18 В, три батареи 9 В дадут нам 27 В.

Давайте возьмем батарею на 9 В и добавим в схему резистор R1 на 10 Ом. Если мы используем мультиметр для измерения на резисторе, мы получим показание напряжения 9 В. Если мы добавим еще резистор 10 Ом, мы получим показание 9 В на двух резисторах, но мы получим показание 4.5 В, если мы измеряем каждый из резисторов по отдельности. Значит резисторы делят напряжение.

Если мы заменим резистор R2 на резистор 5 Ом, общее напряжение снова будет 9 В, и это то, что мы увидим, если измерим на двух резисторах. Но если мы измеряем на резисторе 10 Ом, мы увидим напряжение 6 В, а если мы измерим резистор 5 Ом, мы увидим 3 В.

Если мы добавим в схему еще один резистор R3 с сопротивлением 5 Ом, мы снова получим полное падение напряжения на трех резисторах 9В.На резисторе R1 10 Ом мы читаем 4,5 В, на резисторе R2 5 Ом мы читаем 2,25 В, а на последнем резисторе R3 5 Ом мы снова видим 2,25 В.

Мы можем объединить эти показания, чтобы найти напряжение в разных частях цепи. Например, если мы измеряем от батареи и через R1, мы увидим 4,5 В. Если мы измеряем от батареи через R1 и R2, мы получим 6,75 В, потому что 4,5 В + 2,25 В.

Таким образом, в отличие от тока, когда он одинаков во всей цепи, напряжение будет различным во всей последовательной цепи.

через GIPHY

Это показывает нам, что напряжение уменьшается каждым резистором, поэтому резистор создает падение напряжения. Назначение резистора — снизить напряжение или давление. Что происходит, так это то, что резистор создает более трудный путь для прохождения электронов, и по мере их прохождения они будут сталкиваться с другими электронами. Это столкновение преобразует энергию в тепло. Столько же
электронов войдет в резистор и выйдет из него, просто у них будет меньше энергии или давления, поэтому будет падение напряжения.

Расчет падения напряжения

Мы можем рассчитать падение напряжения на каждом резисторе индивидуально, умножив общий ток в цепи на сопротивление компонента. Помните, что в последовательных цепях ток везде одинаковый. Общее падение напряжения будет суммой всех отдельных падений напряжения.

Первая схема, там был резистор на 10 Ом. В цепи был ток 0,9 А, поэтому 0,9 А x 10 Ом = 9 В. Таким образом, падение напряжения на резисторе равно 9 В, как и у источника напряжения.

Во второй цепи были резисторы 10 Ом и 5 Ом вместе, и эта схема имела ток 0,6 А, поэтому падение напряжения на первом резисторе составляет 0,6 А x 10 Ом = 6 В, на втором резисторе 5 Ом, а ток равен То же самое, поэтому 0,6 А x 5 Ом = 3 В. Общее падение напряжения составляет 6В + 3В = 9В.

Третья цепь имеет 10 Ом и два резистора по 5 Ом, цепь имеет ток 0,45 А, поэтому R1 составляет 0,45 А x 10 Ом = 4,5 В, R2 и R3 будут 0,45 А x 5 Ом = 2,25 В.
Таким образом, полное падение напряжения составляет 9 В (4.5 В + 2,25 В + 2,25 В).

Потребляемая мощность

Как мы измеряем потребляемую мощность цепи? Мы можем использовать следующие уравнения:

Либо
Мощность (Вт) = Напряжение ² / Сопротивление
, либо
Мощность (Вт) = Напряжение x Ток.

Вам может быть интересно, как резистор может потреблять энергию? Так как резистор создает падение напряжения, электроны теряют некоторую энергию. Куда уходит эта энергия? Электрическая энергия преобразуется в тепло, которое, глядя на некоторые резисторы под тепловизионной камерой, можно увидеть.

Итак, потребляемая мощность — это фактически тепло, рассеиваемое схемой.

В этой цепи сопротивление составляет 10 Ом, батарея обеспечивает 9 В, ток составляет 0,9 А, а цепь потребляет 8,1 Вт. Как это рассчитать? Используя метод 1, 9 В в квадрате или 9 умноженное на 9 будет 81, ÷ 10 Ом — 8,1 Вт. В качестве альтернативы 9 В x 0,9 А = 8,1 Вт

В следующей схеме с резистором 10 Ом и резистором 5 Ом полное сопротивление составило 15 Ом, а ток был равен 0.6A, поэтому
9В в квадрате равно 81, разделенное на 15 Ом составляет 5,4 Вт,
или 9 В x 0,6 А = 5,4 Вт.

В схеме с 10 Ом и двумя резисторами 5 Ом полное сопротивление цепи составляло 20 Ом, а ток составлял 0,45 А, поэтому
в квадрате 9 В составляет 81, деленное на 20 Ом составляет 4,05 Вт
или 9 В x 0,45 А = 4,05 W

Можете ли вы решить эту проблему?

Проблема: светодиод подключен к батарее 9 В, и ток в цепи должен быть ограничен максимум 0,02 А или 20 мА, иначе светодиод перегорит.Если мы подключили к этим резисторам, какой будет примерный ток в цепи и светодиод перегорит?

Ответ: Сначала нам нужно рассчитать полное сопротивление цепи. Мы делаем это, складывая все номиналы резисторов.
100 + 15 + 30 + 310 + 5 = 460 Ом сопротивление

Теперь посчитаем ток, разделив напряжение цепи на сопротивление.
9В ÷ 460 Ом = 0,0195А

Это меньше нашего максимального значения 0,02 А, так что все в порядке.

---

Цепи постоянного тока

, содержащие резисторы и конденсаторы — College Physics

Цели обучения

• Объясните важность постоянной времени τ и вычислите постоянную времени для данного сопротивления и емкости.
• Объясните, почему батарейки в фонарике постепенно разряжаются, а свет со временем тускнеет.
• Опишите, что происходит с графиком зависимости напряжения на конденсаторе от времени во время его зарядки.
• Объясните, как работает схема синхронизации, и перечислите некоторые приложения.
• Рассчитайте необходимую скорость стробоскопической вспышки, необходимую для «остановки» движения объекта на определенной длине.

При использовании камеры со вспышкой зарядка конденсатора, питающего вспышку, занимает несколько секунд.Световая вспышка разряжает конденсатор за крошечные доли секунды. Почему зарядка занимает больше времени, чем разрядка? Этот вопрос и ряд других явлений, связанных с зарядкой и разрядкой конденсаторов, обсуждаются в этом модуле.

RC Цепи

Цепь — это цепь, содержащая резистор и конденсатор. Конденсатор — это электрический компонент, в котором хранится электрический заряд.

(рисунок) показывает простую схему, в которой используется источник постоянного напряжения (постоянного тока).Конденсатор изначально не заряжен. Как только переключатель замыкается, ток течет к первоначально незаряженному конденсатору и от него. По мере увеличения заряда на пластинах конденсатора сопротивление потоку заряда усиливается за счет отталкивания одинаковых зарядов на каждой пластине.

Что касается напряжения, это связано с тем, что напряжение на конденсаторе определяется выражением, где — количество заряда, накопленного на каждой пластине, а — емкость. Это напряжение противодействует батарее, возрастая от нуля до максимальной ЭДС при полной зарядке.Таким образом, ток уменьшается от своего начального значения до нуля, когда напряжение на конденсаторе достигает того же значения, что и ЭДС. Когда нет тока, нет и падения, и поэтому напряжение на конденсаторе должно тогда равняться ЭДС источника напряжения. Это также можно объяснить вторым правилом Кирхгофа (правилом цикла), обсуждаемым в Правилах Кирхгофа, согласно которому алгебраическая сумма изменений потенциала вокруг любого замкнутого контура должна быть равна нулю.

Начальный ток равен, потому что все падение приходится на сопротивление.Следовательно, чем меньше сопротивление, тем быстрее будет заряжаться данный конденсатор. Обратите внимание, что в него включено внутреннее сопротивление источника напряжения, а также сопротивление конденсатора и соединительных проводов. В приведенном выше сценарии камеры со вспышкой, когда батареи, питающие камеру, начинают изнашиваться, их внутреннее сопротивление возрастает, уменьшая ток и увеличивая время, необходимое для подготовки к следующей вспышке.

Напряжение на конденсаторе изначально равно нулю и сначала быстро нарастает, так как начальный ток максимален.(Рисунок) (b) показывает график зависимости напряжения конденсатора от времени (), начиная с момента включения переключателя. Напряжение асимптотически приближается к ЭДС, поскольку чем ближе оно к ЭДС, тем меньше протекает ток. Уравнение для зависимости напряжения от времени при зарядке конденсатора через резистор, полученное с помощью расчетов, составляет

где — напряжение на конденсаторе, ЭДС равна ЭДС источника постоянного напряжения, а экспонента e = 2,718… является основанием натурального логарифма. Обратите внимание, что единицы измерения — секунды.Определяем

, где (греческая буква тау) называется постоянной времени цепи. Как отмечалось ранее, небольшое сопротивление позволяет конденсатору заряжаться быстрее. Это разумно, поскольку больший ток проходит через меньшее сопротивление. Также разумно, что чем меньше конденсатор, тем меньше времени требуется для его зарядки. Оба фактора содержатся в.

Если говорить более количественно, рассмотрим, что и когда происходит. Тогда напряжение на конденсаторе

Это означает, что со временем напряжение повышается до 0.632 от его окончательного значения. Напряжение вырастет на 0,632 от остатка в следующий раз. Характерной чертой экспоненциальной функции является то, что конечное значение никогда не достигается, но 0,632 остатка от этого значения достигается каждый раз,. Таким образом, всего за несколько значений постоянной времени, конечное значение почти достигнуто, как показано на графике на (Рисунок) (b).

Разряд конденсатора

Разряд конденсатора через резистор происходит аналогичным образом, как показано на рисунке.Первоначально ток управляется начальным напряжением на конденсаторе. По мере уменьшения напряжения ток и, следовательно, скорость разряда уменьшается, что подразумевает другую экспоненциальную формулу для. С помощью расчетов напряжение на конденсаторе, разряжающемся через резистор, оказалось равным

.

График на (Рисунок) (b) является примером этого экспоненциального затухания. Опять же, постоянная времени равна. Небольшое сопротивление позволяет конденсатору разряжаться за малое время, так как ток больше.Точно так же небольшая емкость требует меньше времени для разряда, поскольку сохраняется меньше заряда. В первом временном интервале после замыкания переключателя напряжение падает до 0,368 от исходного значения, т.к.

В течение каждого последующего времени напряжение падает до 0,368 от предыдущего значения. Через несколько раз напряжение становится очень близким к нулю, как показано на графике (Рисунок) (b).

Теперь мы можем объяснить, почему зарядка камеры со вспышкой в ​​нашем сценарии занимает намного больше времени, чем разрядка; сопротивление при зарядке значительно больше, чем при разрядке.Внутреннее сопротивление батареи составляет большую часть сопротивления во время зарядки. По мере старения аккумулятора возрастающее внутреннее сопротивление делает процесс зарядки еще медленнее. (Вы могли это заметить.)

Импульсный разряд происходит через ионизованный газ с низким сопротивлением в импульсной трубке и происходит очень быстро. Фотографии со вспышкой, такие как на (Рисунок), могут запечатлеть краткий момент быстрого движения, потому что длительность вспышки может быть меньше микросекунды. Такие вспышки могут быть очень интенсивными.

Во время Второй мировой войны снимки ночной разведки производились с воздуха, при этом одна вспышка освещала территорию противника более чем на квадратный километр. Краткость вспышки устраняет размытость изображения из-за движения самолета наблюдения. Сегодня очень важно использовать мощные импульсные лампы для накачки энергии в лазер. Короткая интенсивная вспышка может быстро возбудить лазер и позволить ему переизлучить энергию в другой форме.

Эта покадровая фотография рыжего колибри ( Selasphorus rufus ), питающегося цветком, была получена при очень короткой и интенсивной вспышке света, вызванной разрядом конденсатора через газ.(Источник: Дин Э. Биггинс, Служба рыболовства и дикой природы США)

Комплексная проблема концепции: расчет размера конденсатора — стробоскопы

Фотографию со скоростной вспышкой впервые применил Док Эдгертон в 1930-х годах, когда он был профессором электротехники в Массачусетском технологическом институте. Вы, возможно, видели примеры его работ в удивительных кадрах движущихся колибри, брызг молока на стол или пули, пробившей яблоко (см. (Рисунок)). Как упоминалось ранее в этом модуле, чтобы остановить движение и запечатлеть эти изображения, нужна очень короткая импульсная вспышка высокой интенсивности.

Предположим, кто-то хочет сделать снимок пули (движущейся), проходящей через яблоко. Продолжительность вспышки зависит от постоянной времени. Конденсатор какого размера может понадобиться в схеме, чтобы добиться успеха, если сопротивление импульсной лампы было? Предположим, яблоко представляет собой сферу диаметром

мм.

Стратегия

Мы начинаем с определения задействованных физических принципов. В этом примере рассматривается стробоскоп, о котором говорилось выше. (Рисунок) показывает схему для этого зонда.Характерное время строба обозначено как.

Решение

Мы хотим найти, но не знаем. Мы хотим, чтобы вспышка была включена только тогда, когда пуля пересекает яблоко. Поэтому нам нужно использовать кинематические уравнения, описывающие взаимосвязь между расстоянием, скоростью и временем:

Скорость пули задается как, а расстояние равно. Таким образом, время поворота равно

.

Мы устанавливаем это значение для времени пересечения равным. Следовательно,

(Примечание: емкость обычно измеряется в фарадах, определяемых как кулоны на вольт.Из уравнения видно, что это также может быть выражено в секундах на Ом.)

Обсуждение

Интервал вспышки (время перемещения пули) сегодня относительно легко получить. Стробоскопические огни открыли новые миры от науки до развлечений. Информация с изображения яблока и пули была использована в отчете комиссии Уоррена об убийстве президента Джона Ф. Кеннеди в 1963 году, чтобы подтвердить, что была выпущена только одна пуля.

RC Цепи для синхронизации Цепи

обычно используются для синхронизации.Банальный пример этого можно найти в повсеместных прерывистых системах стеклоочистителей современных автомобилей. Время между протиранием можно варьировать, регулируя сопротивление в цепи. Другой пример схемы можно найти в новых украшениях, костюмах на Хэллоуин и различных игрушках, которые имеют мигающие огни с батарейным питанием. (См. (Рисунок) для схемы синхронизации.)

Более важное применение схем для хронометража — это искусственный кардиостимулятор, используемый для контроля частоты сердечных сокращений. Частота сердечных сокращений обычно контролируется электрическими сигналами, генерируемыми сино-предсердным (SA) узлом, который находится на стенке камеры правого предсердия.Это заставляет мышцы сокращаться и перекачивать кровь. Иногда сердечный ритм ненормальный, а сердцебиение слишком высокое или слишком низкое.

Искусственный кардиостимулятор устанавливается рядом с сердцем, чтобы при необходимости передавать в сердце электрические сигналы с соответствующей постоянной времени. У кардиостимуляторов есть датчики, которые определяют движение тела и дыхание, чтобы увеличить частоту сердечных сокращений во время упражнений, чтобы удовлетворить повышенные потребности организма в крови и кислороде.

(а) Лампа в этой цепи обычно имеет очень высокое сопротивление, так что батарея заряжает конденсатор, как если бы лампы там не было.Когда напряжение достигает порогового значения, через лампу протекает ток, который резко снижает ее сопротивление, и конденсатор разряжается через лампу, как если бы батареи и зарядного резистора не было. После разряда процесс начинается снова с периодом мигания, определяемым константой. (б) График зависимости напряжения от времени для этой цепи.

Время расчета: RC Цепь в дефибрилляторе сердца

Дефибриллятор сердца используется для реанимации жертвы аварии путем разряда конденсатора через туловище ее тела.Упрощенный вариант схемы показан на (Рисунок). а) Какова постоянная времени, если используется конденсатор и сопротивление пути через его тело равно? (b) Если начальное напряжение составляет 10,0 кВ, сколько времени нужно, чтобы снизиться до?

Стратегия

Так как сопротивление и емкость даны, их просто умножить, чтобы получить постоянную времени, запрашиваемую в части (а). Чтобы найти время, за которое напряжение снизится до, мы многократно умножаем начальное напряжение на 0.368, пока не будет получено напряжение, меньшее или равное. Каждое умножение соответствует времени в секундах.

Решение для (а)

Постоянная времени дается уравнением. Ввод заданных значений сопротивления и емкости (и помня, что единицы фарада могут быть выражены как) дает

Решение для (b)

В первые 8,00 мс напряжение (10,0 кВ) снижается до 0,368 от исходного значения. То есть:

(Обратите внимание, что мы переносим дополнительную цифру для каждого промежуточного вычисления.) Еще через 8,00 мс снова умножаем на 0,368, и напряжение

Аналогично, еще через 8,00 мс напряжение

Обсуждение

Таким образом, всего через 24,0 мс напряжение упало до 498 В, или 4,98% от исходного значения. ^{Такие короткие промежутки времени полезны при дефибрилляции сердца, потому что кратковременный, но интенсивный ток вызывает кратковременное, но эффективное сокращение сердца. Фактическая схема в дефибрилляторе сердца немного сложнее, чем на рисунке (Рисунок), чтобы компенсировать магнитные эффекты и эффекты переменного тока, которые будут рассмотрены в разделе «Магнетизм».}

Проверьте свое понимание

Когда разность потенциалов на конденсаторе равна ЭДС?

Только когда ток, потребляемый или вводимый в конденсатор, равен нулю. Конденсаторы, как и батареи, имеют внутреннее сопротивление, поэтому их выходное напряжение не является ЭДС, если ток не равен нулю. На практике это сложно измерить, поэтому мы ссылаемся на напряжение конденсатора, а не на его ЭДС. Но источник разности потенциалов в конденсаторе фундаментален, и это ЭДС.

Исследование PhET: комплект для конструирования цепей (только для постоянного тока)

Комплект электроники в вашем компьютере! Создавайте схемы с резисторами, лампочками, батареями и переключателями. Измеряйте реалистичные амперметр и вольтметр. Просмотрите схему как схематическую диаграмму или переключитесь в реалистичный вид.

Концептуальные вопросы

Что касается единиц, участвующих во взаимосвязи, убедитесь, что единицы измерения сопротивления, умноженные на емкость, равны времени, то есть.

Постоянная времени при дефибрилляции сердца имеет решающее значение для ограничения времени протекания тока. Если емкость в дефибрилляционном блоке постоянная, как бы вы управляли сопротивлением в цепи, чтобы отрегулировать константу? Потребуется ли также регулировка приложенного напряжения, чтобы обеспечить надлежащее значение подаваемого тока?

При измерении ЭКГ важно измерять колебания напряжения за небольшие промежутки времени. Время ограничено константой схемы — невозможно измерить изменения времени короче чем.Как бы вы манипулировали и в цепи, чтобы обеспечить необходимые измерения?

Нарисуйте два графика зависимости заряда конденсатора от времени. Нарисуйте один для зарядки первоначально незаряженного конденсатора последовательно с резистором, как в схеме на (Рисунок), начиная с. Нарисуйте другой для разряда конденсатора через резистор, как в схеме на (Рисунок), начиная с первоначального заряда. Покажите не менее двух интервалов.

При зарядке конденсатора, как описано в связи с (Рисунок), сколько времени нужно, чтобы напряжение на конденсаторе достигло ЭДС? Это проблема?

При разрядке конденсатора, как описано в связи с (Рисунок), сколько времени требуется, чтобы напряжение на конденсаторе достигло нуля? Это проблема?

Ссылаясь на (рисунок), нарисуйте график разности потенциалов на резисторе в зависимости от времени, показывающий, по крайней мере, два интервала.Также нарисуйте график зависимости тока от времени для этой ситуации.

Длинный недорогой удлинитель подключается изнутри дома к холодильнику снаружи. Холодильник не работает должным образом. В чем может быть проблема?

В (рисунок), показывает ли график, что постоянная времени для разрядки меньше, чем для зарядки? Ожидаете ли вы, что ионизированный газ будет иметь низкое сопротивление? Как бы вы отрегулировали, чтобы увеличить время между вспышками? Повлияет ли регулировка на время разряда?

Электронное устройство может иметь конденсаторы большой емкости с высоким напряжением в секции источника питания, что создает опасность поражения электрическим током, даже когда устройство выключено.Таким образом, поперек такого конденсатора помещается «спускной резистор», как схематично показано на (Рисунок), для отвода заряда после выключения устройства. Почему сопротивление кровотока должно быть намного больше, чем эффективное сопротивление остальной цепи? Как это влияет на постоянную времени разряда конденсатора?

Спускной резистор разряжает конденсатор в этом электронном устройстве после его выключения.

Проблемные упражнения

Устройство синхронизации в системе стеклоочистителей прерывистого действия автомобиля основано на постоянной времени и использует конденсатор и переменный резистор.В каком диапазоне необходимо изменять значения для достижения постоянных времени от 2,00 до 15,0 с?

Кардиостимулятор срабатывает 72 раза в минуту, каждый раз, когда конденсатор емкостью 25,0 нФ заряжается (батареей, включенной последовательно с резистором) до 0,632 от его полного напряжения. В чем ценность сопротивления?

A 2,00- и конденсатор могут быть подключены последовательно или параллельно, так же как и 25,0- и резистор. Вычислите четыре постоянные времени, которые можно получить при последовательном соединении полученной емкости и сопротивления.

Какой процент конечного напряжения, ЭДС, после двух постоянных времени находится на первоначально незаряженном конденсаторе, заряженном через сопротивление?

Резистор, незаряженный конденсатор и эдс 6,16 В соединены последовательно. а) Каков начальный ток? б) Что такое постоянная времени? (c) Каков ток через одну постоянную времени? (d) Какое напряжение на конденсаторе после одной постоянной времени?

Дефибриллятор сердца, используемый на пациенте, имеет постоянную времени 10.0 мс из-за сопротивления пациента и емкости дефибриллятора. (а) Если дефибриллятор имеет емкость, каково сопротивление пути через пациента? (Вы можете пренебречь емкостью пациента и сопротивлением дефибриллятора.) (B) Если начальное напряжение составляет 12,0 кВ, сколько времени потребуется для его снижения?

(а)

(б) 30,0 мс

Монитор ЭКГ должен иметь постоянную времени меньше, чем для измерения изменений напряжения за небольшие промежутки времени.(а) Если сопротивление цепи (в основном из-за сопротивления груди пациента) равно, какова максимальная емкость цепи? (б) Будет ли сложно на практике ограничить емкость до значения, меньшего, чем значение, указанное в (а)?

На рисунке

(рисунок) показано, как истекающий резистор используется для разряда конденсатора после отключения электронного устройства, что позволяет человеку работать с электроникой с меньшим риском поражения электрическим током. а) Что такое постоянная времени? (б) Сколько времени потребуется, чтобы снизить напряжение на конденсаторе до 0.250% (5% от 5%) от его полного значения после начала разряда? (c) Если конденсатор заряжается до напряжения через сопротивление, рассчитайте время, необходимое для его повышения (это примерно две постоянные времени).

(а) 20,0 с

(б) 120 с

(в) 16,0 мс

Используя метод точной экспоненциальной обработки, найдите, сколько времени требуется, чтобы разрядить конденсатор через резистор до 1,00% от его первоначального напряжения.

Используя точную экспоненциальную обработку, найдите, сколько времени требуется для зарядки первоначально незаряженного конденсатора 100 пФ через резистор до 90.0% от его конечного напряжения.

Комплексные концепции

Если вы хотите сфотографировать пулю, движущуюся со скоростью 500 м / с, то очень короткая вспышка света, вызванная разрядом через импульсную лампу, может ограничить размытие. Предполагая, что движение на 1,00 мм за одну постоянную является приемлемым, и учитывая, что вспышка приводится в действие конденсатором, какое сопротивление в импульсной лампе?

Комплексные концепции

Мигание лампы в рождественской серьге основано на разряде конденсатора через его сопротивление.Эффективная продолжительность вспышки составляет 0,250 с, в течение которых она дает в среднем 0,500 Вт при среднем 3,00 В. а) Какую энергию она рассеивает? б) Сколько заряда проходит через лампу? (c) Найдите емкость. (г) Какое сопротивление лампы?

Комплексные концепции

Конденсатор, заряженный до 450 В, разряжается через резистор. (а) Найдите постоянную времени. (b) Рассчитайте повышение температуры резистора, учитывая, что его масса составляет 2,50 г, а его удельная теплоемкость равна, учитывая, что большая часть тепловой энергии сохраняется за короткое время разряда.(c) Рассчитайте новое сопротивление, предполагая, что это чистый углерод. (d) Кажется ли это изменение сопротивления значительным?

(а) 4,99 с

(б)

(в)

(г) №

Необоснованные результаты

(a) Рассчитайте емкость, необходимую для получения постоянной времени с резистором. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

Создайте свою проблему

Рассмотрим вспышку фотоаппарата.Составьте задачу, в которой вы вычисляете размер конденсатора, который накапливает энергию для лампы-вспышки. Среди факторов, которые необходимо учитывать, — это напряжение, приложенное к конденсатору, энергия, необходимая для вспышки, и соответствующий заряд, необходимый для конденсатора, сопротивление импульсной лампы во время разряда и желаемая постоянная времени.

Создайте свою проблему

Рассмотрим перезаряжаемый литиевый элемент, который будет использоваться для питания видеокамеры. Постройте задачу, в которой вы вычисляете внутреннее сопротивление ячейки во время нормальной работы.Кроме того, рассчитайте минимальное выходное напряжение зарядного устройства, которое будет использоваться для зарядки литиевого элемента. Среди прочего следует учитывать ЭДС и полезное напряжение на клеммах литиевого элемента, а также ток, который он должен обеспечивать для видеокамеры.

Глоссарий

RC-цепь

схема, содержащая как резистор, так и конденсатор

конденсатор

Электрический компонент, используемый для хранения энергии путем разделения электрического заряда на двух противоположных пластинах

емкость

максимальное количество электрической потенциальной энергии, которое может быть сохранено (или отделено) для данного электрического потенциала

11 мифов об аналоговом анализе шума

Шум — центральная тема в проектировании аналоговых схем, напрямую влияющая на объем информации, который может быть извлечен из измерения, а также на экономию, с которой может быть получена требуемая информация.К сожалению, существует большое количество путаницы и дезинформации относительно шума, который может привести к снижению производительности, дорогостоящему излишнему проектированию или неэффективному использованию ресурсов. В этой статье рассматриваются 11 самых распространенных мифов об анализе шума в аналоговых конструкциях.

1. Уменьшение номиналов резистора в цепи всегда улучшает шумовые характеристики

Хорошо известна зависимость, согласно которой шумовое напряжение увеличивается с увеличением номинала резистора в соответствии с уравнением шума Джонсона, e _rms = √4 kTRB , где e _rms — среднеквадратичное значение шума напряжения, k — постоянная Больцмана, T — температура в Кельвинах, R — сопротивление, а B — ширина полосы пропускания.Это приводит многих инженеров к выводу, что номиналы резисторов должны быть уменьшены, чтобы уменьшить шум. Хотя это часто верно, этого нельзя предполагать, потому что есть конкретные примеры, когда резисторы большего размера улучшают шумовые характеристики. Например, в большинстве случаев ток измеряется путем пропускания его через резистор и измерения результирующего напряжения. Возникающее напряжение пропорционально номиналу резистора в соответствии с законом Ома, V = I × R, но, как показано выше, шум Джонсона резистора пропорционален квадратному корню из номинала резистора.Благодаря этому соотношению можно добиться улучшения отношения сигнал / шум на 3 дБ каждый раз, когда номинал резистора удваивается. Эта тенденция продолжается вплоть до момента, когда развиваемое напряжение становится слишком большим или рассеиваемая мощность слишком высока.

2. Спектральная плотность шума всех источников шума может быть добавлена, а ширина полосы пропускания может быть принята во внимание в конце расчета

Это может сэкономить время на объединение спектральной плотности шума (нВ / √Гц) нескольких источников шума (источники шума напряжения объединяются как корень суммы квадратов) вместо вычисления среднеквадратичного шума каждого источника шума по отдельности, но это упрощение всего лишь применимо, если ширина полосы, видимая каждым источником шума, одинакова.Это становится опасной ловушкой, если полосы пропускания, видимые каждым из источников шума, различны. На рисунке 1 показаны последствия для системы с избыточной дискретизацией. Судя по спектральной плотности шума, усилитель будет доминировать над общим шумом системы, но если принять во внимание полосу пропускания, среднеквадратичный шум, вносимый каждым каскадом, будет очень похожим.

Рис. 1. Обоснование использования среднеквадратичного шума, а не спектральной плотности для расчета шума.

3.Важно учитывать каждый источник шума в ручных расчетах

Может возникнуть соблазн рассмотреть каждый источник шума в проекте, но время дизайнера ценно, и это может занять очень много времени в больших проектах. Полные расчеты шума лучше доверить программному обеспечению для моделирования. Но как дизайнер может упростить расчеты шума рук, необходимые в процессе проектирования? Игнорируйте незначительные источники шума ниже определенного порога. Если источником шума является ¹ / ^₅ e _{среднеквадратичное значение} доминирующего источника шума (или любого другого источника шума, относящегося к той же точке), он составляет менее 2% от общего шума и может быть обоснованно игнорируется.Дизайнеры спорят о том, где провести порог, ниже которого не обязательно рассматривать источник шума, а будет ли этот уровень ¹ / ^₃ , ¹ / ^₅ или ¹ / ^₁₀ (что добавляет 5%, 2% и 0,5% к общему шуму, соответственно), не стоит беспокоиться о меньших источниках шума, чем этот, пока конструкция не будет достаточно исправлена ​​для моделирования или полного расчета.

4. Выберите драйвер АЦП с уровнем шума, равным 1/10 от АЦП

В таблицах данных аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

может быть предложено управление аналоговым входом с помощью малошумящего усилителя драйвера АЦП, который имеет что-то вроде ¹ / ₁₀ шума АЦП.Однако это не всегда лучший выбор. В системе часто стоит исследовать компромисс между шумом драйвера АЦП на системном уровне.

Во-первых, если источники шума в системе, предшествующей драйверу АЦП, намного больше, чем шум драйвера АЦП, то выбор драйвера АЦП с очень низким уровнем шума не принесет никаких преимуществ для системы. Другими словами, шум драйвера АЦП должен быть соизмерим с остальной частью системы.

Во-вторых, даже в простом случае, когда есть только АЦП и усилитель для его управления, все же может быть полезно изучить компромисс между шумом и определить влияние на систему.Причину этого можно прояснить на числовом примере. Рассмотрим систему, в которой в качестве драйвера АЦП используется 16-разрядный АЦП со значением отношения сигнал / шум, равным 100 мкВ среднеквадратичного значения шума, и усилитель со среднеквадратичным значением шума 10 мкВ. Суммарный шум при объединении этих источников в виде суммы квадратов составляет 100,5 мкВ среднеквадратичного значения, что очень близко к шуму только АЦП. Следующие два варианта, которые сближают усилитель и АЦП, могут быть рассмотрены, а также их влияние на производительность системы. Если 16-разрядный АЦП заменить аналогичным 18-разрядным АЦП, который определяет отношение сигнал / шум, эквивалентное шуму 40 мкВ среднеквадратического значения, общий шум изменится до 41 мкВ среднеквадратического значения.В качестве альтернативы, если оставить 16-битный АЦП, но заменить драйвер усилителем меньшей мощности, который вносит шум в 30 мкВ среднеквадратического значения, общий шум составит 104 мкВ среднеквадратического значения. Один из этих компромиссов может быть лучшим выбором для производительности системы, чем исходная комбинация. Это просто вопрос оценки компромиссов и их влияния на систему в целом.

5. В цепях с постоянным током всегда следует учитывать шум 1 / f

Шум

1 / f представляет опасность для схем с очень низкой частотой, потому что он не поддается многим обычным методам подавления шума, таким как фильтрация нижних частот, усреднение и длительная интеграция.Однако во многих цепях постоянного тока преобладают источники белого шума до такой степени, что вычислять 1 / f-шум бесполезно, потому что он не добавляет к общему шуму. Чтобы увидеть этот эффект, рассмотрим усилитель с углом шума 1 / f, f _nc , на частоте 10 Гц и широкополосным шумом 10 нВ / √Гц. Шум за 10-секундный сбор данных вычисляется для различных полос частот с шумом 1 / f и без него, чтобы определить эффект его исключения. В этом случае широкополосный шум начинает преобладать, когда ширина полосы в 100 раз превышает f _nc , а шум 1 / f незначителен, когда ширина полосы более чем в 1000 раз f _nc .Хорошие современные биполярные усилители могут иметь углы шума значительно ниже 10 Гц, а усилители с нулевым дрейфом практически полностью устраняют шум 1 / f.

Таблица 1. Пример влияния шума 1 / f на полосу пропускания цепи

BW (Гц)	ЧБ / Ж NC	Широкополосный (нВ среднеквадратичное значение)	1 / f шум (нВ среднеквадратичное значение)	Общий шум (нВ среднеквадр.)	Увеличение из-за 1 / f
100	10	100	220	240	140%
300	30	170	250	310	77%
1000	100	320	290	430	36%
3000	300	550	330	640	16%
10000	1000	1k	360	1.1к	6%
30000	3000	1,7k	400	1,8k	3%
100000	10000	3,2 к	440	3,2 к	1%

6. Поскольку шум 1 / f увеличивается на более низких частотах, цепи постоянного тока имеют бесконечный шум

Хотя постоянный ток является полезной концепцией для анализа схем, правда в том, что если считается, что постоянный ток работает на частоте 0 Гц, то на самом деле такого нет.По мере того, как частота становится все ниже и ниже, приближаясь к 0 Гц, период становится все длиннее и длиннее, приближаясь к бесконечности. Подразумевается, что существует минимальная частота, которую можно увидеть даже в цепи, которая теоретически реагирует на постоянный ток. Эта минимальная частота зависит от продолжительности сбора данных или времени апертуры, то есть того, как долго отслеживается выходной сигнал устройства. Если инженер включает устройство и наблюдает за выводом в течение 100 секунд, артефакт самой низкой частоты, который он может наблюдать, будет равен 0.01 Гц. Это также означает, что самая низкая частота шума, которую можно наблюдать в этом случае, также составляет 0,01 Гц.

Чтобы расширить это числовым примером, рассмотрим схему постоянного тока с частотой 1 кГц, где выходной сигнал постоянно контролируется. Если определенное количество шума 1 / f наблюдается в цепи в первые 100 секунд, от 0,01 Гц до 1 кГц (5 декад частоты), то количество шума, наблюдаемого через 30 лет, составляет около 1 нГц (12 десятилетий), можно рассчитать как √12 / 5 = 1,55, или на 55% больше шума, чем наблюдалось в первые 100 секунд.Это несколько банальное увеличение даже предполагает худший случай: шум 1 / f продолжает увеличиваться до 1 нГц, для чего пока нет никаких измеренных свидетельств. Теоретически, когда время апертуры точно не определено, шум 1 / f может быть рассчитан с точностью до частоты, равной единице, в течение всего срока службы схемы. На практике в этих очень длительных изменениях временной шкалы преобладают эффекты старения и долгосрочный дрейф, а не шум 1 / f. Многие инженеры устанавливают минимальную частоту, например 0,01 Гц или 1 МГц, для расчета шума в цепях постоянного тока, чтобы сделать расчеты практичными.

7. Ширина полосы частот, эквивалентная шуму, является множителем шума.

Шумовая эквивалентная ширина полосы (NEB) является полезным упрощением для расчета шума. Некоторый шум за пределами полосы пропускания схемы может попасть в схему, потому что коэффициент усиления выше частоты среза не равен нулю. NEB — это частота среза рассчитанного идеального фильтра для кирпичной стены, который допускал бы такое же количество шума, что и фактическая схема. NEB больше полосы пропускания –3 дБ, и он был рассчитан для обычных типов фильтров и порядков, например, он равен 1.В 57 раз больше, чем полоса пропускания –3 дБ для однополюсного фильтра нижних частот или, в форме уравнения, NEB _{1-полюсный} = 1,57 × BW _{3 дБ} . Однако, похоже, существует постоянная путаница относительно того, где поместить этот коэффициент умножения в уравнение шума. Помните, что NEB — это корректировка полосы пропускания, а не шума, поэтому она идет под квадратный корень, как показано ниже:

8. Лучший выбор — усилитель с наименьшим шумом напряжения

При выборе операционного усилителя шум напряжения часто является единственной характеристикой шума, учитываемой проектировщиком.Также важно не упускать из виду текущий шум. За исключением особых случаев, таких как компенсация входного тока смещения, токовый шум обычно является дробовым шумом входного тока смещения: i _n = √2 × q × I _B . Токовый шум преобразуется в напряжение через сопротивление источника, поэтому, когда перед входом усилителя имеется большое сопротивление, токовый шум может вносить больший вклад в шум, чем шум напряжения.Типичный случай, когда токовый шум является проблемой, — это использование малошумящего операционного усилителя с большим сопротивлением последовательно со входом. Например, рассмотрим малошумящий операционный усилитель ADA4898-1 с резистором 10 кОм, включенным последовательно со входом. Шум напряжения ADA4898-1 составляет 0,9 нВ / √Гц, резистор 10 кОм имеет 12,8 нВ / √Гц, а текущий шум 2,4 пА / √Гц, умноженный на резистор 10 кОм, составляет 24 нВ / √Гц, самый большой шум. источник в системе. В подобных случаях, когда преобладает токовый шум, часто можно найти деталь с меньшим токовым шумом и тем самым уменьшить шум системы.Это особенно верно для прецизионных усилителей, но есть операционные усилители с высокоскоростным входом на полевых транзисторах, которые также могут помочь в высокоскоростных схемах. Например, вместо того, чтобы выбрать ADA4898-1 и не получить преимущества шума напряжения 0,9 нВ / √Гц, можно было бы выбрать входной усилитель JFET, такой как AD8033 или ADA4817-1.

9. Наилучшие шумовые характеристики достигаются за счет большого прироста первой ступени

Часто предлагается брать усиление на первой ступени для улучшения шумовых характеристик, что верно, потому что тогда сигнал будет больше по сравнению с шумом последующих ступеней.Однако недостатком усиления является то, что он снижает максимальный сигнал, который может принять система. В некоторых случаях, вместо того, чтобы брать большой коэффициент усиления на первом этапе, который улучшает чувствительность измерения, но ограничивает динамический диапазон, может быть лучше ограничить величину усиления, полученного на первом этапе, и оцифровать с высоким разрешением. чтобы максимально увеличить как чувствительность, так и динамический диапазон.

10. Все типы резисторов имеют одинаковый шум при заданном сопротивлении

Шум Джонсона резисторов является фундаментальным, что приводит к простому уравнению для шума определенного резистора при определенной температуре.Однако шум Джонсона — это наименьшее количество шума, которое можно наблюдать в резисторе, и это не означает, что все типы резисторов созданы одинаковыми по отношению к шуму. Также существует избыточный шум, который является источником шума 1 / f в резисторах, который сильно зависит от типа резистора. Избыточный шум, который несколько сбивает с толку также называется токовым шумом, связан с тем, как ток течет в прерывистой среде. Он определяется как индекс шума (NI) в дБ относительно 1 мкВ среднеквадратичного значения / В _{постоянного тока} на декаду.Это означает, что если есть 1 В _dc на резисторе с NI 0 дБ, избыточный шум в данной декаде частоты составляет 1 мкВ среднеквадратического значения. Углеродные и толстопленочные резисторы имеют одни из самых высоких значений NI, примерно до +10 дБ, и их лучше избегать в чувствительных к шуму частях пути прохождения сигнала. Тонкопленочные резисторы обычно намного лучше — около –20 дБ, а резисторы из металлической фольги и проволочной обмотки могут быть ниже –40 дБ.

11. При достаточном количестве приемов усреднение снижает шум на неопределенный срок

Усреднение считается способом уменьшения шума на квадратный корень из числа средних значений.Это условно верно, когда НРД плоский. Однако это соотношение нарушается в диапазоне 1 / f и в некоторых других случаях. Рассмотрим случай усреднения в системной выборке с постоянной частотой f _s , так что n выборок усредняются и прореживаются на n, а возвращается некоторое количество m прореженных выборок. При усреднении n эффективная частота дискретизации после прореживания увеличивается до f _s / n, уменьшая эффективную максимальную частоту, воспринимаемую системой, в n раз и уменьшая белый шум на √n.Однако для получения m выборок также потребовалось в n раз больше времени, поэтому самая низкая частота, которую может увидеть система, также уменьшается в n раз (помните, что нет такой вещи, как 0 Гц). Чем больше усреднений берется, тем ниже эти максимальные и минимальные частоты перемещаются в полосе частот. Как только максимальная и минимальная частоты находятся в пределах диапазона 1 / f, общий шум зависит только от отношения этих частот, поэтому увеличение числа средних значений не дает дополнительных преимуществ для шума.Та же самая логика сохраняется при длительном времени интегрирования для интегрирующего АЦП, такого как многоступенчатый. Помимо этого математического упражнения, есть и другие практические ограничения. Например, если шум квантования является доминирующим источником шума, так что выходной сигнал АЦП с входным напряжением постоянного тока представляет собой постоянный код без мерцания, тогда любое количество средних значений вернет тот же код.

использованная литература

Motchenbacher, C.Д. и Дж. А. Коннелли. Разработка малошумной электронной системы . Wiley, 1993.

Объяснение цепей серии

постоянного тока — сопротивление, напряжение и потребляемая мощность

(Последнее обновление: 12 сентября 2021 г.)

Цепи серии DC:

Цепи серии постоянного тока — В этой статье мы рассмотрим цепи серии постоянного тока. Мы рассмотрим напряжение, ток, сопротивление и потребляемую мощность. Я все объясню с помощью очень простых принципиальных схем.Чтобы было понятно и понятно, я также поделюсь с вами результатами моделирования. Я буду использовать Proteus для моделирования.

Независимо от того, какую сложную схему вы выберете, вы всегда найдете электронные компоненты, соединенные последовательно или параллельно, вы также найдете последовательную и параллельную цепи одновременно. Для простоты я буду придерживаться только последовательной схемы. Если вы новичок в электронике и хотите узнать о схемах серии DC, эта статья для вас.

Вы можете подумать, почему нам нужно начинать с цепей постоянного тока? Ответ заключается в том, что как новичок вы можете проводить некоторые базовые эксперименты с использованием светодиодов, вам может потребоваться построить схему делителя напряжения и т. Д. Итак, после прочтения этой статьи вы сможете выполнять базовые вычисления, а также сможете использовать эти знания в некоторых практических проектах.

Ссылки для покупок на Amazon:

Супер стартовый набор для начинающих

Двухканальный цифровой осциллограф 200 МГц

Переменная поставка:

Цифровой мультиметр:

Комплект паяльника: «лучший»

Переносной сверлильный станок для печатных плат:

* Обратите внимание: это партнерские ссылки.Я могу получить комиссию, если вы купите компоненты по этим ссылкам. Буду признателен за вашу поддержку!

Сопротивление в последовательных цепях:

Вы уже знаете основное определение резистора, резистор — это пассивный электронный компонент, который используется для ограничения протекания тока. У резистора нет полярности, поэтому не имеет значения, каким образом вы подключаете резистор. Итак, в любом случае, если мы поместим два резистора в линию, то есть одна ножка резистора соединена с другой ножкой резистора 2 ^и , это приведет к последовательной цепи.

В последовательных цепях общее сопротивление определяется простым сложением всех сопротивлений. Мы помечаем каждый резистор заглавной буквой R и нумеруем их как R1, R2, R3 и т. Д. Причина, по которой мы назначаем разные номера, заключается в том, что мы можем легко различить и легко указать на конкретный резистор. Как бы то ни было, общее сопротивление показано заглавной буквой R и нижним индексом T, который представляет общее сопротивление или полное сопротивление. Чтобы вычислить общее сопротивление последовательной цепи, очень просто, мы просто складываем значения сопротивления каждого резистора.

Начнем с одного резистора R1 = 100 Ом. Два вывода резистора R1 соединены с плюсом батареи 5 В и контактами GND. Если я спрошу вас, каково полное сопротивление? Уверен, ваш ответ будет 100 Ом. Вы знаете, что на самом деле сопротивление немного выше, знаете почему? Потому что у проводов, которые мы используем, есть некоторое сопротивление, которое также добавляется. Но это значение обычно слишком мало для проводов небольшой длины, и мы обычно пренебрегаем этим сопротивлением. Так что, во всяком случае, если вы подключите еще один резистор в серии.

Теперь общее сопротивление будет R _t = R1 + R2 = 100 + 10 = 110 Ом. Теперь вы можете продолжать добавлять резисторы последовательно. Все, что вам нужно, это сложить все сопротивления, чтобы найти общее сопротивление, это очень просто.

Помимо резисторов, вы также можете последовательно подключать другие электронные компоненты, вы можете подключать батареи последовательно для увеличения напряжения, вы можете подключать конденсаторы последовательно, вы можете подключать резистор последовательно со светодиодом, вы можете создавать цепь RLC , так далее.В последовательной цепи ток имеет только один путь, поэтому во всей последовательной цепи ток останется неизменным. Позвольте мне объяснить это с помощью схемы, приведенной ниже.

Три резистора R1, R2 и R3 соединены последовательно с батареей 5 В. Каждый резистор составляет 10 кОм. Поскольку все эти резисторы соединены последовательно, через все резисторы будет проходить одинаковый ток. Кстати, в этих схемах я использую поток электронов от отрицательного к положительному. Возможно, вы привыкли видеть обычный ток, который меняется от положительного к отрицательному.Электронный поток — это то, что на самом деле происходит. Обычной была первоначальная теория, но она все еще преподается, потому что ее легко понять, просто помните о тех двух, на которых мы используем. Итак, вернемся к теме. Итак, в последовательной цепи будет течь такой же ток. Давайте проверим это, добавив амперметры. Амперметр — это устройство, которое используется для измерения тока. Амперметр следует подключать последовательно, а вольтметр — параллельно. Не забывайте об этом.

Это та же схема, но на этот раз я добавил последовательно амперметры.Вы можете видеть, что через все резисторы течет один и тот же ток. Вы также можете подтвердить это расчетами.

Мы знаем из закона Ома

В = ИК

В = 5 В

Общее сопротивление = R1 + R2 + R3 = 10K + 10K + 10K = 30K Ом

Общее сопротивление R _т = 30 кОм

I =?

Итак,

Ток «I» = V / R

Ток = 5 / 30К

Ток = 0,17 мА

На этот раз я сделал небольшое изменение, то есть изменил номинал резистора R2, теперь он равен 1 кОм.Поскольку общее сопротивление изменилось, значение тока также изменилось, но вы можете видеть все тот же ток, протекающий через последовательную цепь. Давайте решим очень практичный пример, он вам всегда понадобится.

Серийный ток Цепей:

Я уверен, что вы уже знакомы с тем фактом, что ток — это поток электронов. Здесь я собираюсь привести вам очень популярный пример: поток электроники подобен воде, которая течет по трубе, поэтому чем выше ток, тем больше электронов течет.Единица измерения тока — ампер, а сокращенно — амперы. Устройство под названием Амперметр используется для измерения тока, о котором я уже говорил. Я уже объяснил метод измерения тока с помощью цифрового мультиметра. Измеритель напряжения очень прост в использовании, нам нужно только подключить измерительные щупы мультиметра параллельно с компонентом или устройством, на котором нам нужно измерить напряжение. Предположим, вы хотите измерить напряжение батареи, все, что вам нужно, это подключить положительный измерительный провод вольтметра к положительной клемме батареи, а измерительный провод GND мультиметра — с клеммой GND аккумулятора, и вы выполните показание напряжения на дисплее мультиметра.Если амперметр подключен последовательно, то ток, протекающий по цепи, будет проходить через амперметр. Это также добавит сопротивление цепи, но обычно оно слишком мало и им обычно пренебрегают.

Мультиметры

действительно хороши, поскольку они используются для измерения напряжения, сопротивления, целостности цепи, короткого замыкания и т. Д. Поэтому я настоятельно рекомендую вам купить его как можно скорее. Я предоставил ссылку для покупки на Amazon. Теперь мы рассмотрим несколько практических примеров.

Токоограничивающий резистор:

Вы очень хорошо знаете, изучая электронику, самый первый эксперимент, с которого мы начинаем, — это зажечь светодиод «Light Emitting Diode».Думаешь, это легко? Что ж, поверьте мне, я видел, как сотни парней вычисляли неправильное значение, и в итоге они сжигали светодиод. Сначала вам нужно узнать о характеристиках светодиода, таких как ток и напряжение, которые ему нужны. Если у вас есть светодиод на 5 В и источник напряжения также 5 вольт, тогда нет необходимости в каких-либо расчетах, вы можете пойти дальше и соединить положительную ножку светодиода с положительной клеммой аккумулятора и клеммой GND светодиода. с клеммой заземления аккумуляторной батареи.

Это простейшая ситуация, когда номинальные напряжения точно такие же.У вас есть светодиод на 5 В и батарея на 5 В или светодиод на 12 В и батарея на 12 В. Это очень простые ситуации.

Что делать, если напряжение светодиода отличается от напряжения аккумулятора? Допустим, у нас есть светодиод со следующими характеристиками.

Напряжение светодиода = 2,5 В

Светодиодный ток = 10 мА

Нет сомнений в том, что этот светодиод выйдет из строя в кратчайшие сроки. Теперь у вас есть варианты, чтобы успешно зажечь этот светодиод. Вы можете уменьшить напряжение источника, или вам нужно будет использовать что-то, что снизит избыточное напряжение.Теперь самый простой способ — вы можете подключить резистор последовательно со светодиодом. Как вы можете видеть на следующей схеме, светодиод D1 соединен последовательно с резистором R1, и его значение неизвестно. Теперь нам нужно найти его ценность.

То, что мы уже знаем;

Напряжение аккумуляторной батареи или напряжение источника составляет 5 вольт.

Ток светодиода составляет 10 мА, а

Напряжение светодиода составляет 2,5 В.

Итак, используя закон Ома, мы можем найти номинал резистора.Как известно

В = ИК

R = V / I

R = (5 В — 2,5 В) / 10 мА

Поскольку светодиод падает на 2,5 В, нам нужно вычесть это напряжение из напряжения батареи.

R = 200 Ом

Значит, номинал резистора должен быть не менее 200 Ом. На рынке доступны не все номиналы резисторов, поэтому вы можете выбрать резистор следующего более высокого номинала. Я обычно использую резистор на 330 Ом. Никогда не используйте резистор, значение которого меньше расчетного, иначе светодиод нагреется и срок службы сократится.Для лучшей производительности используйте резистор немного большего номинала. Как вы можете видеть на схеме ниже.

Вы можете видеть, что ток немного уменьшился, теперь он составляет 7,52 мА, и он останется холодным.

Теперь, допустим, у вас есть тот же светодиод, но на этот раз источник напряжения 12 вольт. Проделаем те же расчеты.

R = (12 В — 2,5 В) / 10 мА

На этот раз вы можете видеть, что я вычитал 2,5 вольт из 12 вольт, так как наша батарея 12 вольт.

R = 950 Ом

Если вы хотите включить 2.Для светодиода 5В вам понадобится резистор на 950 Ом. Как я сказал ранее, не все резисторы доступны на рынке, поэтому выберите резистор следующего большего номинала, который составляет 1000 Ом или 1 кОм. Вы можете легко найти этот резистор на рынке.

Теперь вы можете ясно видеть, что ток довольно близок к 10 мА, значение немного ниже 10 мА, и это потому, что мы немного используем резистор большего номинала, который просто идеален. Теперь, используя тот же метод, вы можете зажечь любой светодиод от любого источника напряжения.Вы уже знаете, что сопротивление противостоит приложенному напряжению, и сопротивление измеряется единицей Ом Ом.

Если вы используете резистор меньшего номинала, вы повредите светодиод. Если вы используете рассчитанный резистор или немного выше, он будет работать отлично, а если вы используете гораздо большее значение, светодиод не будет светиться. Потому что все напряжение будет падать на резисторе.

Напряжение в серии Цепей:

Поток электронов происходит из-за напряжения, которое является толкающей силой, и это похоже на давление в трубе, теперь, по здравому смыслу, чем выше давление, тем больше воды будет течь.То же самое относится и к напряжению: чем больше напряжение вы приложите, тем больше электронов будет течь. Вы можете проверить это, подключив источник переменного напряжения со светодиодом или небольшой двигатель постоянного тока. Возьмем, к примеру, светодиод. Предположим, мы используем тот же светодиод на 2,5 В и 10 мА.

Первоначально, когда нет напряжения или нулевого напряжения, светодиод не горит, так как нет толкающей силы и нет потока электронов, или вы можете сказать, что нет потока тока. Но когда я начну увеличивать напряжение, наступит момент, когда светодиод начнет светиться.На изображении ниже вы можете видеть, что светодиод горит, но он довольно тусклый.

Я еще больше увеличил напряжение и он стал светиться ярче.

Теперь, если вы продолжите увеличивать напряжение, оно будет становиться все ярче и ярче, и наступит время, когда светодиод перегорит. Каждое электронное устройство или компонент имеет номинальные значения напряжения и тока, которые вы не должны пересекать. Прежде чем подавать напряжение, сначала проверьте характеристики напряжения и тока, которые вы можете найти в таблицах данных.

В отличие от тока, напряжение в последовательной цепи отличается. Когда напряжение подается на резисторы, включенные последовательно, напряжение делится между всеми резисторами в цепи. Их также называют схемами делителя напряжения. Давайте посмотрим на следующую схему.

Два резистора одинакового номинала R1 = 10K и R2 = 10K соединены последовательно с источником напряжения 12В. Когда резисторы одинакового номинала подключаются последовательно, напряжение делится поровну.

Теперь изменим значение R2 на 1 кОм.

Теперь вы можете видеть, что падение напряжения на резисторе R2 уменьшилось до 1,09 В. Таким образом вы можете увеличить количество резисторов, для практики вы можете использовать резисторы разного номинала и считывать напряжение на каждом резисторе. Для расчета значений можно использовать формулу деления напряжения. Таким образом, независимо от того, сколько резисторов подключено последовательно, общее падение напряжения на всех резисторах будет точно таким же, как у источника напряжения.Вы также можете прочитать мою статью о KVL «Закон напряжения Кирхгофа» и KCL «Текущий закон Кирхгофа».

Позвольте мне привести очень практический пример. Я довольно давно использую это в разных проектах на базе Arduino.

Резистор последовательно с кнопкой:

На схеме ниже вы можете увидеть резистор 10 кОм, подключенный последовательно с кнопкой. Оба подключены к источнику 5 В. Посередине подключен вольтметр. Эта конфигурация резистора обычно известна как резистор подтягивания.Как вы можете видеть изначально, кнопка открыта, и вы можете видеть, что напряжение на вольтметре составляет 5 вольт.

Итак, напряжение между резистором и кнопкой составляет 5 вольт, вы можете взять провод из середины и подключить его к контакту ввода-вывода Arduino. На контакте будет 5 вольт.

При нажатии кнопки напряжение падает до 0 вольт. Теперь вы можете использовать эту кнопку как датчик. Когда кнопка открыта, он дает 5 В для Arduino, а когда кнопка закрыта, он дает ноль.В зависимости от сигналов 5v и 0 вы можете выполнять различные задачи с помощью Arduino.

Потребляемая мощность в последовательных цепях:

Мы можем использовать следующие формулы для измерения энергопотребления.

Мощность (Вт) = (Напряжение) ² / Сопротивление или

Мощность (Вт) = Напряжение x Ток

Как резистор может потреблять энергию?

Допустим, резистор соединен с батареей. Вы можете подумать, считается ли резистор нагрузкой, потребляющей ток?

Если это все, что подключено к клеммам аккумулятора, то ответ — да.Резистор — это нагрузка на батарею, и, следовательно, течет ток. Резистор «потребляет» мощность (не ток), и эта мощность является произведением напряжения на резисторе на протекающий ток. Текущий расход определяется из уравнения I = V / R.

Мы не говорим потребляемый, потому что один и тот же ток течет по всей цепи, как кровь по кровеносной системе. Энергия или мощность, необходимая для проталкивания тока через резистор, исходит от батареи и в итоге нагревается в резисторе.По той же аналогии, что и кислород в кровотоке (я признаю, что это не лучшая аналогия). Резисторы «ограничивают ток», «рассеивают» мощность и «потребляют» энергию.

Интересным примером могут быть светодиоды на 1 вольт и источник питания на 12 вольт. используйте один резистор и, скажем, 10 светодиодов рассчитают падение напряжения, необходимое для резистора в этом примере. 10 светодиодов на 1 вольт означают, что последовательно включенные светодиоды снизят напряжение на 10 вольт.

Значит, резистор должен только упасть с 12 до 10 или 2 вольт.Кроме того, если бы каждый светодиод был 20 мА, для последовательной проводки потребовалось бы, чтобы резистор пропускал 2 В и 20 мА; резистор потребляет 40 мВт, поэтому подойдет резистор на 1/4 Вт.

, если вы использовали 10 светодиодов на 1 В и 10 резисторов, по одному на светодиод. Тогда резистор должен будет упасть с 12 до 1, и все равно будет достаточно 20 мА. Мощность каждого резистора должна составлять 224 мВт, и вам лучше всего использовать резистор на 1/2 Вт.

Но, поскольку у вас их 10, и каждый из них потребляет 224 мВт мощности, общее количество резисторов будет потреблять 2.24 Вт мощности.

Статьи по теме:

Что такое резистор, разные типы резисторов и их применение

Последовательные и параллельные резисторы — примеры

Фоторезистор с Raspberry Pi

Углеродный резистор против металлопленочного резистора

Цветовая маркировка резистора

Нравится:

Нравится Загрузка …

Простая электронная нагрузка постоянного тока — Codrey Electronics

Существует ряд решений для создания простой электронной загрузки — вам нужно только поискать в Интернете, чтобы увидеть это.Эта статья представляет собой краткое руководство по созданию простой электронной нагрузки постоянного тока (фиктивной нагрузки), которая будет полезна для ваших будущих проектов силовой электроники. Присоединяйтесь к веселью, если у вас есть базовые знания в области силовой электроники и небольшая сумма денег, которую вы можете инвестировать!

Что такое электронная нагрузка?

Электронные нагрузки очень полезны, особенно если вы хотите спроектировать собственные схемы питания. Электронная нагрузка, также известная как фиктивная нагрузка постоянного тока, представляет собой конструкцию устройства, поэтому источник питания может потреблять определенное количество тока, не рассеивая слишком много тепла.По сути, когда вы набираете уровень тока, электронная схема нагрузки будет потреблять только это количество тока, независимо от напряжения. Намного лучше, чем просто вставить несколько силовых резисторов в качестве «пассивной» фиктивной нагрузки!

Как это работает?

В принципе, базовая схема электронной нагрузки постоянного тока содержит операционный усилитель, который управляет силовым МОП-транзистором с резистором считывания тока (иногда называемым нагрузочным резистором). Когда внешнее напряжение, которое должно быть нагружено, подключено к силовому полевому МОП-транзистору, а управляющее напряжение устанавливается многооборотным потенциометром в цепи, операционный усилитель буферизует это и устанавливает напряжение на затворе полевого МОП-транзистора.Это заставляет MOSFET пропускать некоторый ток через сток к истоку. Резистор считывания тока помогает распределять мощность с полевым МОП-транзистором, а также обеспечивает обратную связь с операционным усилителем, чтобы поддерживать уровень тока на постоянном уровне.

За сборкой

Мне нужна была переменная нагрузка для тестирования небольших источников питания постоянного тока, и я пробовал много реостатов, но они мощные, неуклюжие и очень дорогие. Поэтому я решил создать небольшую переменную нагрузку постоянного тока, которая имитировала бы резистивную нагрузку и которая также работала бы как портативное устройство.После небольшой работы я придумал это поразительно простое аппаратное решение. Вот схема моей простой электронной нагрузки постоянного тока, реализованной с помощью нескольких недорогих и легко доступных компонентов.

Схема электронной нагрузки постоянного тока

v1

Одна часть операционного усилителя LM358N (IC2) используется здесь в качестве основного компонента. Многооборотный предустановленный потенциометр 10K (P1) позволяет точно и точно регулировать ток. Я разработал схему для использования полевого МОП-транзистора IRL540N (T1) с логическим уровнем, чтобы мы могли питать схему от напряжения, намного меньшего, чем 9 В.Подойдет любой силовой полевой МОП-транзистор логического уровня с соответствующим номинальным напряжением / током, но я также протестировал конструкцию с другим полевым МОП-транзистором IRLZ44. Поскольку полевой МОП-транзистор работает как резистивный элемент, он рассеивает тепло в зависимости от протекающего через него тока. Чтобы расширить диапазон мощности нагрузки, вам необходимо прикрепить к полевому МОП-транзистору подходящий радиатор. Точно так же резистор 1R (R3) рассеивает довольно мало энергии, здесь также важен правильный радиатор. Конденсатор емкостью 1 мкФ (C4) на полевом МОП-транзисторе очень важен для предотвращения нежелательных колебаний.

Теория проектирования основана на сравнении напряжений инвертирующего и неинвертирующего входов операционного усилителя, сконфигурированного как единичный усилитель. Когда вы устанавливаете напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход, регулируя предварительно установленный потенциометр, операционный усилитель подает определенное напряжение на затвор MOSFET. В зависимости от напряжения затвора полевой МОП-транзистор будет потреблять определенное количество тока до тех пор, пока напряжение на резисторе измерения тока не станет равным напряжению на неинвертирующем выводе. Короче говоря, здесь достигается режим постоянной мощности путем вычисления желаемого заданного тока через измеренное напряжение нагрузки.

Совет

Входное напряжение нагрузки ограничено в основном номинальным значением напряжения сток-исток (Vds) полевого МОП-транзистора, а ток — значением резистора считывания тока. Обратите внимание: при подключении источника к нагрузке следует тщательно рассчитывать рассеиваемую мощность, чтобы MOSFET всегда оставался в безопасной рабочей зоне (SOA), в противном случае он будет прожарен во фритюре, как только температура его кристалла превысит запас прочности.

Относительно выбора радиатора для полевого МОП-транзистора, стандартного типа TO-220 с тепловым сопротивлением 2.5 ⁰ C / W должен быть хорошим выбором. Поскольку типичное тепловое сопротивление перехода MOSFET IRL540 к корпусу составляет 1,0 ⁰ C / Вт, тепловое сопротивление между корпусом и раковиной составляет 0,5 ⁰ C / W, а максимальный диапазон рабочих температур составляет 175 ⁰ C, максимально допустимая рассеиваемая мощность составит 175 ⁰ C — 25 ⁰ C (температура окружающей среды) / 4 ⁰ C / Вт (общее тепловое сопротивление) около 37 Вт. Точно так же попробуйте использовать силовой резистор 1R / 10W-50W в алюминиевой оболочке в качестве резистора считывания тока.По возможности выбирайте силовой резистор получше типа ТО-220 (естественно, с радиатором), так как он удобнее и эффективнее. Кроме того, хорошо подключить цифровой амперметр последовательно (см. A1 и A2 на схеме) к пути нагрузки для измерения тока, потребляемого от источника.

Элементы питания нагрузки постоянного тока

Признание

Из-за ограниченных ресурсов я оснастил свой прототип без приличных радиаторов. Я построил схему на макетной плате и предназначался только для временного использования, пока я не сделаю печатную плату, но она действительно хорошо работает.Мой прототип тестировался с блоком питания 5В / 2А. Несомненно, необходимо внести улучшения, и одно, что я сделаю, если сделаю еще одну ревизию этого дизайна, — это добавлю больше функций (возможно, с помощью микроконтроллера) для повышения надежности и безопасности. В любом случае, это забавный маленький проект, которым я хотел поделиться!

Betterment’s

Поскольку в ИС два операционных усилителя, вы также можете использовать другой, например, для создания контрольной точки для проверки тока нагрузки. Кроме того, здесь очень важен выбор операционного усилителя, потому что на самом деле востребовано то, что может хорошо справляться с межфазным напряжением и иметь низкое напряжение смещения для точной работы (знаменитый MCP6002 также оказывается хорошим выбором) .Аналогичным образом существует семейство так называемых линейных полевых МОП-транзисторов, специально разработанных для работы в линейной области с расширенной FBSOA (безопасная рабочая зона с прямым смещением). Так что в учебнике они идеально подходят для использования в качестве электронного манекена. Наконец, если вы значительно модифицируете свою схему для поглощения очень больших токов, то лучше заменить резистор считывания тока очень популярным токовым шунтом 50 А / 75 мВ (1,5 мВ / А).

Шунтирующий резистор постоянного тока 50А 75мВ

Пересмотренная идея конструкции нагрузки постоянного тока

.