Как понизить постоянное напряжение

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт (резистор, микросхема) 📹

В этой статье расскажу о весьма банальных вещах, что не менялись уже не одно десятилетие, да они вообще не менялись. Другое дело, что с тех пор как был изучен принцип снижения напряжения в замкнутой цепи за счет сопротивления, появились и другие принципы питания нагрузки, за счет ШИМ, но тема это отдельная, хотя и заслуживающая внимания. Поэтому продолжу все-таки по порядку логического русла, когда расскажу о законе Ома, потом о его применении для различных радиоэлементов участвующих в понижении напряжения, а после уже можно упомянуть и о ШИМ.

Закон Ома при понижении напряжения

Собственно был такой дядька Георг Ом, который изучал протекание тока в цепи. Производил измерения, делал определенные выводы и заключения. Итогами его работы стала формула Ома, как говорят закон Ома. Закон описывает зависимость падения напряжения, тока от сопротивления.
Сам закон весьма понятен и схож с представлением таких физических событий как протекание жидкости по трубопроводу. Где жидкость, а вернее ее расход это ток, а ее давление это напряжение. Ну и само собой любые изменения сечения или препятствия в трубе для потока, это будет сопротивлением. Итого получается, что сопротивление «душит» давление, когда из трубы под давлением, могут просто капать капли, и тут же падает и расход. Давление и расход величины весьма зависящие друг от друга, как ток и напряжение. В общем если все записать формулой, то получается так:

R=U/I; То есть давление (U) прямо пропорционально сопротивлению в трубе (R), но если расход (I) будет большой, то значит сопротивления как такового нет… И увеличенный расход должен показывать на пониженное сопротивление.

Весьма туманно, но объективно! Осталось сказать, что закон то этот впрочем, был получен эмпирическим путем, то есть окончательные факторы его изменения весьма не определены.
Теперь вооружившись теоретическими знаниями, продолжим наш путь в познании того, как же снизить нам напряжение.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью резистора

Самое простое это взять и использовать нестабилизированную схему. То есть когда напряжение просто понизим за счет сопротивления и все. Рассказывать о таком принципе особо нечего, просто считаем по формуле выше и все. Приведу пример. Скажем снижаем с 12 вольт до 5.

R=U/I. С напряжением понятно, однако смотрите, у нас недостаточно данных! Ничего не известно о «расходе», о токе потребления. То есть если вы решите посчитать сопротивление для понижения напряжения, то обязательно надо знать, сколько же «хочет кушать» наша нагрузка.

Эту величину вам необходимо будет посмотреть на приборе, который вы собираетесь питать или в инструкции к нему. Примем условно ток потребления 50 мА=0,05 А. Осталось также еще заметить, что по этой формуле мы подберем сопротивление, которое будет полностью гасить напряжение, а нам надо оставить 5 вольт, то 12-5=7 вольт подставляем в формулу.
R= 7/0,05=140 Ом нужно сопротивление, чтобы после из 12 вольт получить 5, с током на нагрузке в 50 мА.
Осталось упомянуть о не менее важном! О том, что любое гашение энергии, а в данном случае напряжение, связано с рассеиваемой мощностью, то есть наш резистор должен будет «выдержать» то тепло, которое будет рассеивать. Мощность резистора считается по формуле.
P=U*I. Получаем. P=7*0,05=0,35 Вт должна быть мощность резистора. Не менее. Вот теперь курс расчет для резистора можно считать завершенным.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью микросхемы

Ничего принципиально не меняется и в этом случае. Если сравнивать этот вариант понижения через микросхему, с вариантом использующим резистор. По факту здесь все один в один, разве что добавляются полезные «интеллектуальные» особенности подстройки внутреннего сопротивления микросхемы исходя из тока потребления. То есть, как мы поняли из абзаца выше, в зависимости от тока потребления, расчетное сопротивление должно «плавать». Именно это и происходит в микросхеме, когда сопротивление подстраивается под нагрузку таким образом, что на выходе микросхемы всегда одно и тоже напряжение питания! Ну и плюсом идут такие «полезные плюшки» как защита от перегрева и короткого замыкания. Что касательно микросхем, так называемых стабилизаторов напряжения на 5 вольт, то это могут быть: LM7805, КРЕН142ЕН5А. Подключение тоже весьма простое.

Само собой для эффективной работы микросхемы ставим ее на радиатор. Ток стабилизации ограничен 1,5 -2 А.
Вот такие вот принципы понижения напряжения с 12 на 5 вольт. Теперь один раз их поняв, вы сможете легко рассчитать какое сопротивление надо поставить или как подобрать микросхему, чтобы получить любое другое более низкое напряжение.
Осталось сказать пару слов о ШИМ.

Широко импульсная модуляция весьма перспективный и самое главное высокоэффективный метод питания нагрузки, но опять же со своими подводными камнями. Вся суть ШИМ сводится к тому, чтобы выдавать импульсами такое напряжение питание, которое суммарно с моментами отсутствия напряжения будет давать мощность и среднее напряжение достаточное для работы нагрузки. И здесь могут быть проблемы, если подключить источник питания от одного устройства к другому. Ну, самые простые проблемы это отсутствие тех характеристик, которые заявлены. Возможны помехи, неустойчивая работа. В худшем случае ШИМ источник питания может и вовсе сжечь прибор, под которые не предназначен изначально!

Что такое напряжение, как понизить и повысить напряжение

Напряжение и сила тока – две основных величины в электричестве. Кроме них выделяют и ряд других величин: заряд, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля, магнитная индукция и другие. Практикующему электрику или электронщику в повседневной работе чаще всего приходится оперировать именно напряжением и током – Вольтами и Амперами. В этой статье мы расскажем именно о напряжении, о том, что это такое и как с ним работать.

Определение физической величины

Напряжение это разность потенциалов между двумя точками, характеризует выполненную работу электрического поля по переносу заряда из первой точки во вторую. Измеряется напряжение в Вольтах. Значит, напряжение может присутствовать только между двумя точками пространства. Следовательно, измерить напряжение в одной точке нельзя.

Потенциал обозначается буквой “Ф”, а напряжение буквой “U”. Если выразить через разность потенциалов, напряжение равно:

Если выразить через работу, тогда:

где A – работа, q – заряд.

Измерение напряжения

Напряжение измеряется с помощью вольтметра. Щупы вольтметра подключают на две точки напряжение, между которыми нас интересует, или на выводы детали, падение напряжения на которой мы хотим измерить. При этом любое подключение к схеме может влиять на её работу. Это значит, что при добавлении параллельно элементу какой-либо нагрузки ток в цепи изменить и напряжение на элементе измениться по закону Ома.

Вывод:

Вольтметр должен обладать максимально высоким входным сопротивлением, чтобы при его подключении итоговое сопротивление на измеряемом участке оставалось практически неизменным. Сопротивление вольтметра должно стремиться к бесконечности, и чем оно больше, тем большая достоверность показаний.

На точность измерений (класс точности) влияет целый ряд параметров. Для стрелочных приборов – это и точность градуировки измерительной шкалы, конструктивные особенности подвеса стрелки, качество и целостность электромагнитной катушки, состояние возвратных пружин, точность подбора шунта и прочее.

Для цифровых приборов – в основном точность подбора резисторов в измерительном делителе напряжения, разрядность АЦП (чем больше, тем точнее), качество измерительных щупов.

Для измерения постоянного напряжения с помощью цифрового прибора (например, мультиметра), как правило, не имеет значения правильность подключения щупов к измеряемой цепи. Если вы подключите положительный щуп к точке с более отрицательным потенциалом, чем у точки, к которой подключен отрицательный щуп – то на дисплее перед результатом измерения появится знак “–”.

А вот если вы меряете стрелочным прибором нужно быть внимательным, При неправильном подсоединении щупов стрелка начнет отклоняться в сторону нуля, упрется в ограничитель. При измерении напряжений близких к пределу измерений или больше она может заклинить или погнуться, после чего о точности и дальнейшей работе этого прибора говорить не приходится.

Для большинства измерений в быту и в электронике на любительском уровне достаточно и вольтметра встроенного в мультиметры типа DT-830 и подобных.

Чем больше измеряемые значения – тем ниже требования к точности, ведь если вы измеряете доли вольта и у вас погрешность в 0.1В – это существенно исказит картину, а если вы измеряете сотни или тысяч вольт, то погрешность и в 5 вольт не сыграет существенной роли.

Что делать если напряжение не подходит для питания нагрузки

Для питания каждого конкретного устройства или аппарата нужно подать напряжение определенной величины, но случается, так что имеющийся у вас источник питания не подходит и выдает низкое или слишком высокое напряжение. Решается эта проблема разными способами, в зависимости от требуемой мощности, напряжения и силы тока.

Как понизить напряжение сопротивлением?

Сопротивление ограничивает ток и при его протекании падает напряжение на сопротивление (токоограничивающий резистор). Такой способ позволяет понизить напряжение для питания маломощных устройств с токами потребления в десятки, максимум сотни миллиампер.

Примером такого питания можно выделить включение светодиода в сеть постоянного тока 12 (например, бортовая сеть автомобиля до 14.7 Вольт). Тогда, если светодиод рассчитан на питание от 3.3 В, током в 20 мА, нужен резистор R:

R=(14.7-3.3)/0.02)= 570 Ом

Но резисторы отличаются по максимальной рассеиваемой мощности:

Ближайший по номиналу в большую сторону – резистор на 0.25 Вт.

Именно рассеиваемая мощность и накладывает ограничение на такой способ питания, обычно мощность резисторов не превышает 5-10 Вт. Получается, что если нужно погасить большое напряжение или запитать таким образом нагрузку мощнее, придется ставить несколько резисторов т.к. мощности одного не хватит и ее можно распределить между несколькими.

Способ снижения напряжения резистором работает и в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока.

Недостаток – выходное напряжение ничем нестабилизировано и при увеличении и снижении тока оно изменяется пропорционально номиналу резистора.

Как понизить переменное напряжение дросселем или конденсатором?

Если речь вести только о переменном токе, то можно использовать реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление есть только в цепях переменного тока, это связно с особенностями накопления энергии в конденсаторах и катушках индуктивности и законами коммутации.

Дроссель и конденсатор в переменном токе могут быть использованы в роли балластного сопротивления.

Реактивное сопротивление дросселя (и любого индуктивного элемента) зависит от частоты переменного тока (для бытовой электросети 50 Гц) и индуктивности, оно рассчитывается по формуле:

где ω – угловая частота в рад/с, L-индуктивность, 2пи – необходимо для перевода угловой частоты в обычную, f – частота напряжения в Гц.

Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его емкости (чем меньше С, тем больше сопротивление) и частоты тока в цепи (чем больше частота, тем меньше сопротивление). Его можно рассчитать так:

Пример использования индуктивного сопротивление – это питание люминесцентных ламп освещения, ДРЛ ламп и ДНаТ. Дроссель ограничивает ток через лампу, в ЛЛ и ДНаТ лампах он используется в паре со стартером или импульсным зажигающем устройством (пусковое реле) для формирования всплеска высокого напряжения включающего лампу. Это связано с природой и принципом работы таких светильников.

А конденсатор используют для питания маломощных устройств, его устанавливают последовательно с питаемой цепью. Такой блок питания называется “бестрансфоматорный блок питания с балластным (гасящим) конденсатором”.

Очень часто встречают в качестве ограничителя тока заряда аккумуляторов (например, свинцовых) в носимых фонарях и маломощных радиоприемниках. Недостатки такой схемы очевидны – нет контроля уровня заряда аккумулятора, их выкипание, недозаряд, нестабильность напряжения.

Как понизить и стабилизировать напряжение постоянного тока

Чтобы добиться стабильного выходного напряжения можно использовать параметрические и линейные стабилизаторы. Часто их делают на отечественных микросхемах типа КРЕН или зарубежных типа L78xx, L79xx.

Линейный преобразователь LM317 позволяет стабилизировать любое значение напряжения, он регулируемый до 37В, вы можете сделать простейший регулируемый блок питания на его основе.

Если нужно незначительно снизить напряжение и стабилизировать его описанные ИМС не подойдут. Чтобы они работали должна быть разница порядка 2В и более. Для этого созданы LDO(low dropout)-стабилизаторы. Их отличие заключается в том, что для стабилизации выходного напряжение нужно, чтобы входное его превышало на величину от 1В. Пример такого стабилизатора AMS1117, выпускается в версиях от 1.2 до 5В, чаще всего используют версии на 5 и 3.3В, например в платах Arduino и многом другом.

Конструкция всех вышеописанных линейных понижающих стабилизаторов последовательного типа имеет существенный недостаток – низкий КПД. Чем больше разница между входным и выходным напряжением – тем он ниже. Он просто «сжигает» лишнее напряжение, переводя его в тепло, а потери энергии равны:

Компания AMTECH выпускает ШИМ аналоги преобразователей типа L78xx, они работают по принципу широтно-импульсной модуляции и их КПД равен всегда более 90%.

Они просто включают и выключают напряжение с частотой до 300 кГц (пульсации минимальны). А действующее напряжение стабилизируется на нужном уровне. А схема включения аналогичная линейным аналогам.

Как повысить постоянное напряжение?

Для повышения напряжения производят импульсные преобразователи напряжения. Они могут быть включены и по схеме повышения (boost), и понижения (buck), и по повышающе-понижающей (buck-boost) схеме. Давайте рассмотрим несколько представителей:

1. Плата на базе микросхемы XL6009

2. Плата на базе LM2577, работает на повышение и понижение выходного напряжения.

3. Плата преобразователь на FP6291, подходит для сборки 5 V источника питания, например powerbank. С помощью корректировке номиналов резисторов может перестраиваться на другие напряжения, как и любые другие подобные преобразователь – нужно корректировать цепи обратной связи.

4. Плата на базе MT3608

Здесь всё подписано на плате – площадки для пайки входного – IN и выходного – OUT напряжения. Платы могут иметь регулировку выходного напряжения, а в некоторых случая и ограничения тока, что позволяет сделать простой и эффективный лабораторный блок питания. Большинство преобразователей, как линейных, так и импульсных имеют защиту от КЗ.

Как повысить переменное напряжение?

Для корректировки переменного напряжения используют два основных способа:

Автотрансформатор – это дроссель с одной обмоткой. Обмотка имеет отвод от определенного количества витков, так подключаясь между одним из концов обмотки и отводом, на концах обмотки вы получаете повышенное напряжение во столько раз, во сколько соотносится общее количество витков и количество витков до отвода.

Промышленностью выпускаются ЛАТРы – лабораторные автотрансформаторы, специальные электромеханические устройства для регулировки напряжения. Очень широко применение они нашли в разработке электронных устройств и ремонте источников питания. Регулировка достигается за счет скользящего щеточного контакта, к которому подключается питаемое устройство.

Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки. Это значит, что на выходных клеммах может запросто оказаться высокое напряжение, отсюда опасность поражения электрическим током.

Трансформатор – это классический способ изменения величины напряжения. Здесь есть гальваническая развязка от сети, что повышает безопасность таких установок. Величина напряжения на вторичной обмотке зависит от напряжений на первичной обмотки и коэффициента трансформации.

Отдельный вид – это импульсные трансформаторы. Они работают на высоких частотах в десятки и сотни кГц. Используются в подавляющем большинстве импульсных блоках питания, например:

Зарядное устройство вашего смартфона;

Блок питания ноутбука;

Блок питания компьютера.

За счет работы на большой частоте снижаются массогабаритные показатели, они в разы меньше чем у сетевых (50/60 Гц) трансформаторов, количество витков на обмотках и, как следствие, цена. Переход на импульсные блоки питания позволил уменьшить габариты и вес всей современной электроники, снизить её потребление за счет увеличения кпд (в импульсных схемах 70-98%).

В магазинах часто встречаются электронные траснформаторы, на их вход подаётся сетевое напряжение 220В, а на выходе например 12 В переменное высокочастотное, для использования в нагрузке которая питается от постоянного тока нужно дополнительно устанавливать на выход диодный мост из высокоскоростных диодов.

Внутри находится импульсный трансформатор, транзисторные ключи, драйвер, или автогенераторная схема, как изображена ниже.

Достоинства – простота схемы, гальваническая развязка и малые размеры.

Недостатки – большинство моделей, что встречаются в продаже, имеют обратную связь по току, это значит что без нагрузки с минимальной мощностью (указано в спецификациях конкретного прибора) он просто не включится. Отдельные экземпляры оборудованы уже ОС по напряжению и работают на холостом ходу без проблем.

Используются чаще всего для питания 12В галогенных ламп, например точечные светильники подвесного потолка.

Заключение

Мы рассмотрели базовые сведения о напряжении, его измерении, а также регулировки. Современная элементная база и ассортимент готовых блоков и преобразователей позволяет реализовывать любые источники питания с необходимыми выходными характеристиками. Подробнее о каждом из способов можно написать отдельную статью, в пределах этой я постарался уместить базовые сведения, необходимые для быстрого подбора удобного для вас решения.

Как понизить постоянное и переменное напряжение — обзор способов

Понижаем переменное напряжение

Рассмотрим типовые ситуации, когда нужно опустить напряжение, чтобы подключить прибор, который работает от переменного тока, но напряжение его питания не соответствует привычным 220 Вольтам. Это может быть, как различная бытовая техника, инструмент, так и упомянутые выше светильники.

Подключение бытовой техники из США на 110 В к сети 220 В

Пожалуй, самая частая ситуация возникает, когда человек покупает из зарубежных интернет-магазинов какой-то прибор, а по его получении определяет, что он рассчитан на питание от 110 Вольт. Первый вариант – это перемотать трансформатор питающий устройство, но большинство приборов работают от импульсного источника питания, а для подключения электроинструмента – лучше вообще обойтись без перемотки. Для этого нужно использовать понижающий трансформатор. Кроме этого вы можете понизить напряжение в сети с помощью автотрансформатора или обычного трансформатора с отводами от первичной обмотки на 110-127В – такие часто встречались в советских телевизорах и других электроприборах.

Однако при использовании такого включения трансформатора, если произойдет, обрыв части обмотки после отвода 110 Вольт (см. рисунок ниже) все 220В подойдут на прибор, и он выйдет из строя.

Если говорить о готовых устройствах, то можно обратить внимание на автотрансформаторы «ШТИЛЬ».

Важно! При покупке трансформаторов или автотрансформаторов учитывайте номинальный ток его обмоток и мощность, которую он выдержит.

Более надежным вариантом решения проблемы будет понизить напряжение с 220 до 110В или с 220 до 127В с помощью трансформатора. На рынке есть множество компаний, которые продают такие изделия, в основном это тороидальные трансформаторы. Они бывают в металлических боксах или корпусах меньших размеров со встроенной розеткой, а также в виде адаптеров в пластиковых корпусах.

Подведём итоги, перечислив основные требования к трансформатору для питания 110В приборов:

1. На выходе трансформатора должно быть 110В, а на входе – 220В.
2. Мощность трансформатора должна быть больше чем мощность подключаемого прибора хотя бы на 20%.
3. Желательно защитить первичную и вторичную цепь с помощью предохранителя.
4. Доступ к выводам высокого напряжения должен быть ограничен, а все соединения изолированы.

Понижаем напряжение для питания низковольтных светильников

В начале статьи мы упомянули о том, что переносной светильник должен питаться от пониженного напряжения. В быту этот вопрос будет особо актуален для автолюбителей при ремонте автомобиля в гараже. Такие же светильники используются и в качестве местного источника света на станках (сверлильных, токарных, заточных и прочих).

Для того чтобы понизить напряжение с 220 до 36В, можно использовать трансформаторы марки:

• ОСО 0.25 220/36В;
• ОСМ 0.063кВт 220/36;
• ОСЗР 0.063кВт 220/36В;
• Ящик с понижающим трансформатором ЯТП-0,25 220 36В (это готовое решение в металлическом корпусе для монтажа в помещениях, класс защиты IP54).

Для понижения напряжения с 220 до 12В можно использовать трансформаторы марки:

• ОСО25 220/12В;
• TRS 300W AC 220 B-AC 12B (тороидальный не занимает много места);
• 30ВА, 230/12В, 2,5А INDEL TSZS30/005M (маломощный для установки на DIN рейку).

Понижение напряжения в доме

Наряду со скачками в электросети часто возникает проблема с повышенным и пониженным напряжением. Это приводит к преждевременному выходу из строя нагревательных приборов, ламп и других устройств у потребителя. Допустим вам нужно понизить напряжение с 260 до 220В, значит ваш выбор – использование стабилизатора напряжения. Они бывают разных типов, самый дешевый из них – релейный, по сути это автотрансформатор, в котором реле автоматически переключают отводы от обмотки.

Если вам нужно защитить конкретный прибор, например, компьютер – используйте маломощные модели мощностью порядка 1000 ВА (1 кВа), такие, как SVEN VR-L1000, его стоимость 17-20 долларов. Но учтите, что активная выходная мощность у них меньше указанной полной в Вольт-Амперах. К примеру, модель на 1 кВА, может питать нагрузку до 0,3-0,4 кВт. Также смотрите на характеристики. Указанная модель выдерживает до 285 Вольт, но большинство моделей упираются в 260 В.

Чтобы защитить весь дом в большинстве случаев хватит модели RUCELF SRWII-12000-L её полная мощность 12000 ВА, а нагрузочная способность по активной мощности – 10000 Вт. Он выдерживает входное напряжение вплоть до 270В.

Более подробно узнать о том, как выбрать стабилизатор напряжения и какие бывают стабилизаторы, мы рассказывали в статьях:

Балластный конденсатор для питания маломощных устройств

Для питания маломощных устройств можно обойтись без трансформатора – одним конденсатором. Такая схема называется бестрансфторматорный блок питания на балластном конденсаторе. Принцип его работы основан на ограничении тока с помощью реактивного сопротивления ёмкости. Ниже вы видите варианты её реализации.

Расчёт ёмкости балластного конденсатора для бестранформаторного питания производится исходя из потребления тока нагрузкой и напряжения её питания.

Или по такой формуле, результат они дают приблизительно одинаковый:

Кстати, выражение под корнем в результате при расчётах конденсаторов для питания устройств от 5-20В даёт примерно 220, или значение равное Uвходному.

Такой источник питания подходит для подключения приёмников, светодиодов, ночников, зарядки небольших аккумуляторов и других маломощных потребителей.

Понижаем постоянное напряжение

При конструировании электроники часто возникает необходимость понижения напряжения имеющегося блока питания. Мы также рассмотрим несколько типовых ситуаций.

Если вы работаете с микроконтроллерами – могли заметить, что некоторые из них работают от 3 Вольт. Найти соответствующие блоки питания бывает непросто, поэтому можно использовать зарядное устройство для телефона. Тогда вам нужно понизить его выход с 5 до 3 Вольт (3,3В). Это можно сделать, если опустить выходное напряжение блока питания путём замены стабилитрона в цепи обратной связи. Вы можете добиться любого напряжения как повышенного, так и пониженного – установив стабилитрон нужного номинала. Определить его можно методом подбора, на схеме ниже он выделен красным эллипсом.

А на плате он выглядит следующим образом:

На следующем видео автор демонстрирует такую переделку, только не на понижение, а на повышение выходных параметров.

На зарядных устройствах более совершенной конструкции используется регулируемый стабилитрон TL431, тогда регулировка возможна заменой резистора или соотношением пары резисторов, в зависимости от схемотехники. На схеме ниже они обозначены красным.

Кроме замены стабилитрона на плате ЗУ, можно опустить напряжение с помощью резистора и стабилитрона – это называется параметрический стабилизатор.

Еще один вариант – установить в разрыв цепи цепочку из диодов. На каждом кремниевом диоде упадёт около 0,6-0,7 Вольт. Так опустить напряжение до нужного уровня можно, набрав нужное количество диодов.

Часто возникает необходимость подключить устройство к бортовой сети автомобиля, оно колеблется от 12 до 14,3-14,7 Вольт. Чтобы понизить напряжение постоянного тока с 12 до 9 Вольт можно использовать линейный стабилизатор типа L7809, а, чтобы опустить с 12 до 5 Вольт – используйте L7805. Или их аналоги ams1117-5.0 или ams1117-9.0 или amsr-7805-nz и подобные на любое нужное напряжение. Схема подключения таких стабилизаторов изображена ниже.

Для питания более мощных потребителей удобно использовать импульсные преобразователи для понижения и регулировки напряжения от источника питания. Примером таких устройств являются платы на LM2596, а в англо-язычных интернет-магазинах их можно найти по запросам «DC-DC step down» или «DC-DC buck converter».

Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на которых наглядно рассмотрены способы понижения напряжения:

Вот и все наиболее рациональные варианты, позволяющие понизить напряжение постоянного и переменного тока. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Наверняка вы не знаете:

Как понизить напряжение: способы и приборы

Нужно знать, как понизить напряжение в цепи, чтобы не повредить электрические приборы. Всем известно, что к домам подходит два провода – ноль и фаза. Это называется однофазной сетью. Трехфазная крайне редко используется в частном секторе и многоквартирных домах. Необходимости в ней просто нет, так как вся бытовая техника питается от сети переменного однофазного тока. Но вот в самой технике требуется делать преобразования – понижать переменное напряжение, преобразовывать его в постоянное, изменять амплитуду и прочие характеристики. Именно эти моменты и нужно рассмотреть.

Снижение напряжения с помощью трансформаторов

Самый простой способ – это использовать трансформатор пониженного напряжения, который совершает преобразования. Первичная обмотка содержит большее число витков, чем вторичная. Если есть необходимость снизить напряжение вдвое или втрое, вторичную обмотку можно и не использовать. Первичная обмотка трансформатора используется в качестве индуктивного делителя (если от нее имеются отводы). В бытовой технике используются трансформаторы, со вторичных обмоток которых снимается напряжение 5, 12 или 24 Вольта.

Это наиболее часто используемые значения в современной бытовой технике. 20-30 лет назад большая часть техники питалась напряжением в 9 Вольт. А ламповые телевизоры и усилители требовали наличия постоянного напряжения 150-250 В и переменного для нитей накала 6,3 (некоторые лампы питались от 12,6 В). Поэтому вторичная обмотка трансформаторов содержала такое же количество витков, как и первичная. В современной технике все чаще используются инверторные блоки питания (как на компьютерных БП), в их конструкцию входит трансформатор повышающего типа, он имеет очень маленькие габариты.

Делитель напряжения на индуктивностях

Индуктивность – это катушка, намотанная медным (как правило) проводом на металлическом или ферромагнитном сердечнике. Трансформатор – это один из видов индуктивности. Если от середины первичной обмотки сделать отвод, то между ним и крайними выводами будет равное напряжение. И оно будет равно половине напряжения питания. Но это в том случае, если сам трансформатор рассчитан на работу именно с таким питающим напряжением.

Но можно использовать несколько катушек (для примера можно взять две), соединить их последовательно и включить в сеть переменного тока. Зная значения индуктивностей, несложно произвести расчет падения на каждой из них:

1. U(L1) = U1 * (L1 / (L1 + L2)).
2. U(L2) = U1 * (L2 / (L1 + L2)).

В этих формулах L1 и L2 – индуктивности первой и второй катушек, U1 – напряжение питающей сети в Вольтах, U(L1) и U(L2) – падение напряжения на первой и второй индуктивностях соответственно. Схема такого делителя широко применяется в цепях измерительных устройств.

Делитель на конденсаторах

Очень популярная схема, используется для снижения значения питающей сети переменного тока. Применять ее в цепях постоянного тока нельзя, так как конденсатор, по теореме Кирхгофа, в цепи постоянного тока – это разрыв. Другими словами, ток по нему протекать не будет. Но зато при работе в цепи переменного тока конденсатор обладает реактивным сопротивлением, которое и способно погасить напряжение. Схема делителя похожа на ту, которая была описана выше, но вместо индуктивностей используются конденсаторы. Расчет производится по следующим формулам:

1. Реактивное сопротивление конденсатора: Х(С) = 1 / (2 * 3,14 *f * C).
2. Падение напряжения на С1: U(C1) = (C2 * U) / (C1 + C2).
3. Падение напряжения на С2: U(C1) = (C1 * U) / (C1 + C2).

Здесь С1 и С2 – емкости конденсаторов, U – напряжение в питающей сети, f – частота тока.

Делитель на резисторах

Схема во многом похожа на предыдущие, но используются постоянные резисторы. Методика расчета такого делителя немного отличается от приведенных выше. Использоваться схема может как в цепях переменного, так и постоянного тока. Можно сказать, что она универсальная. С ее помощью можно собрать понижающий преобразователь напряжения. Расчет падения на каждом резисторе производится по следующим формулам:

1. U(R1) = (R1 * U) / (R1 + R2).
2. U(R2) = (R2 * U) / (R1 + R2).

Нужно отметить один нюанс: величина сопротивления нагрузки должна быть на 1-2 порядка меньше, чем у делительных резисторов. В противном случае точность расчета будет очень грубая.

Практическая схема блока питания: трансформатор

Для выбора питающего трансформатора вам потребуется знать несколько основных данных:

1. Мощность потребителей, которые нужно подключать.
2. Значение напряжения питающей сети.
3. Значение необходимого напряжения во вторичной обмотке.

Чтобы рассчитать число витков в первичной обмотке, вам нужно 50 разделить на площадь сечения сердечника. Сечение вычисляется по формуле:

А мощность Р1 = Р2 / КПД. Коэффициент полезного действия трансформатора никогда не будет более 0,8 (или 80%). Поэтому при расчете берется максимальное значение – 0,8.

Мощность во вторичной обмотке:

Эти данные известны по умолчанию, поэтому произвести расчет не составит труда. Вот как понизить напряжение до 12 вольт, используя трансформатор. Но это не все: бытовая техника питается постоянным током, а на выходе вторичной обмотки – переменный. Потребуется совершить еще несколько преобразований.

Схема блока питания: выпрямитель и фильтр

Далее идет преобразование переменного тока в постоянный. Для этого используются полупроводниковые диоды или сборки. Самый простой тип выпрямителя состоит из одного диода. Называется он однополупериодный. Но максимальное распространение получила мостовая схема, которая позволяет не просто выпрямить переменный ток, но и избавиться максимально от пульсаций. Но такая схема преобразователя все равно неполная, так как от переменной составляющей одними полупроводниковыми диодами не избавиться. А понижающие трансформаторы напряжения 220 В способны преобразовать переменное напряжение в такое же по частоте, но с меньшим значением.

Электролитические конденсаторы используются в блоках питания в качестве фильтров. По теореме Кирхгофа, такой конденсатор в цепи переменного тока является проводником, а при работе с постоянным – разрывом. Поэтому постоянная составляющая будет протекать беспрепятственно, а переменная замкнется сама на себя, следовательно, не пройдет дальше этого фильтра. Простота и надежность – это именно то, что характеризует такие фильтры. Также могут применяться сопротивления и индуктивности для сглаживания пульсаций. Подобные конструкции используются даже в автомобильных генераторах.

Стабилизация напряжения

Вы узнали, как понизить напряжение до нужного уровня. Теперь его нужно стабилизировать. Для этого используются специальные приборы – стабилитроны, которые изготовлены из полупроводниковых компонентов. Они устанавливаются на выходе блока питания постоянного тока. Принцип работы заключается в том, что полупроводник способен пропустить определенное напряжение, излишек преобразуется в тепло и отдается посредством радиатора в атмосферу. Другими словами, если на выходе БП 15 вольт, а установлен стабилизатор на 12 В, то он пропустит именно столько, сколько нужно. А разница в 3 В пойдет на нагрев элемента (закон сохранения энергии действует).

Заключение

Совершенно другая конструкция – это стабилизатор напряжения понижающий, он делает несколько преобразований. Сначала напряжение сети преобразуется в постоянное с большой частотой (до 50 000 Гц). Оно стабилизируется и подается на импульсный трансформатор. Далее происходит обратное преобразование до рабочего напряжения (сетевого или меньшего по значению). Благодаря использованию электронных ключей (тиристоров) постоянное напряжение преобразуется в переменное с необходимой частотой (в сетях нашей страны – 50 Гц).

Как понизить напряжение?

За счет наличия большого количества международных стандартов и технических решений питание электронных устройств может осуществляться от различных номиналов. Но, далеко не все они присутствуют в свободном доступе, поэтому для получения нужной разности потенциалов придется использовать преобразователь. Такие устройства можно найти как в свободной продаже, так и собрать самостоятельно из радиодеталей.

В связи с наличием двух родов электрического тока: постоянного и переменного, вопрос, как понизить напряжение, следует рассматривать в ключе каждого из них отдельно.

Понижение напряжения постоянного тока

В практике питания бытовых приборов существует масса примеров работы электрических устройств от постоянного тока. Но номинал рабочего напряжения может существенно отличаться, к примеру, если из 36 В вам нужно получить 12 В, или в ситуациях, когда от USB разъема персонального компьютера нужно запитать прибор от 3 В вместо имеющихся 5 вольт.

Для снижения такого уровня от блока питания или другого источника почти вполовину можно использовать как простые методы – включение в цепь дополнительного сопротивления, так и более эффективные – заменить стабилизатор напряжения в ветке обратной связи.

Рис. 1. Замена резистора или стабилитрона

На рисунке выше приведен пример схемы блока питания, в котором вы можете понизить вольтаж путем изменения параметров резистора и стабилитрона. Этот узел на рисунке обведен красным кругом, но в других моделях место установки, как и способ подсоединения, может отличаться. На некоторых схемах, чтобы понизить напряжение вы сможете воспользоваться лишь одним стабилитроном.

Если у вас нет возможности подключаться к блоку питания – можно обойтись и менее изящными методами. К примеру, вы можете понизить напряжение за счет включения в цепь резистора или подобрать диоды, второй вариант является более практичным для цепей постоянного тока. Этот принцип основан на падении напряжения за счет внутреннего сопротивления элементов. В зависимости от соотношения проводимости рабочей нагрузки и полупроводникового элемента может понадобиться около 3 – 4 диодов.

Рис. 2. Понижение постоянного напряжения диодами

На рисунке выше показана принципиальная схема понижения напряжения при помощи диодов. Для этого они включаются в цепь последовательно по отношению к нагрузке. При этом выходное напряжение окажется ниже входного ровно на такую величину, которая будет падать на каждом диоде в цепи. Это довольно простой и доступный способ, позволяющий понизить напряжение, но его основной недостаток – расход мощности для каждого диода, что приведет к дополнительным затратам электроэнергии.

Понижение напряжения переменного тока

Переменное напряжение в 220 Вольт повсеместно используется для бытовых нужд, за счет физических особенностей его куда проще понизить до какой-либо величины или осуществлять любые другие манипуляции. В большинстве случаев, электрические приборы и так рассчитаны на питание от электрической сети, но если они были приобретены за рубежом, то и уровень напряжения для них может существенно отличаться.

К примеру, привезенные из США устройства питаются от 110В переменного тока, и некоторые умельцы берутся перематывать понижающий трансформатор для получения нужного уровня. Но, следует отметить, что импульсный преобразователь, которым часто комплектуется различный электроинструмент и приборы не стоит перематывать, так как это приведет к его некорректной работе в дальнейшем. Куда целесообразнее установить автотрансформатор или другой на нужный вам номинал, чтобы понизить напряжение.

С помощью трансформатора

Изменение величины напряжения при помощи электрических машин используется в блоках питания и подзарядных устройствах. Но чтобы понизить вольтаж источника в такой способ, можно использовать различные типы преобразовательных трансформаторов:

• С выводом от средней точки – могут выдавать разность потенциалов как 220В, так и в два раза меньшее – 127В или 110В. От него вы сможете взять установленный номинал на те же 110В со средней точки. Это заводские изделия, которые массово устанавливались в старых советских телевизорах и других приборах. Но у этой схемы преобразователя имеется существенный недостаток – если нарушить целостность обмотки ниже среднего вывода, то на выходе трансформатора получится номинал значительно большей величины.

Рис. 3. Понижение трансформатором с отводом от средней точки

• Автотрансформатором – это универсальная электрическая машина, которая способна не только понизить вольтаж, но и повысить его до нужного вам уровня. Для этого достаточно перевести ручку в нужное положение и проследить полученные показания на вольтметре.

Рис. 4. Использование автотрансформатора

• Понижающим трансформатором с преобразованием 220В на нужный вам номинал или с любого другого напряжения переменной частоты. Реализовать этот метод можно как уже готовыми моделями трансформаторов, так и самодельными. За счет наличия большого количества инструментов и приспособлений, сегодня каждый может собрать трансформатор с заданными параметрами в домашних условиях. Более детально об этом вы можете узнать из соответствующей статьи: https://www.asutpp.ru/transformator-svoimi-rukami.html

Выбирая конкретную модель электрической машины, чтобы понизить напряжение, обратите внимание на характеристики конкретной модели по отношению к тем устройствам, которые вы хотите запитать.

Наиболее актуальными параметрами у трансформаторов являются:

• Мощность – трансформатор должен не только соответствовать, подключаемой к нему нагрузке, но и превосходить ее, хотя бы на 10 – 20%. В противном случае максимальный ток приведет к перегреву обмоток трансформатора и дальнейшему выходу со строя.
• Номинал напряжения – выбирается и для первичной, и для вторичной цепи. Оба параметра одинаково важны, так как, выбрав модель с входным напряжением на 200 или 190В, на выходе вы при питании от 220В получится пропорционально большая величина.
• Защита от поражения электротоком – все обмотки и выводы от них должны обязательно иметь достаточную изоляцию и защиту от прикосновения.
• Класс пыле- влагозащищенности – определяет устойчивость оборудования к воздействию окружающих факторов. В современных приборах обозначается индексом IP.

Помимо этого любой преобразователь напряжения, даже импульсный трансформатор, следовало бы защитить от токов короткого замыкания и перегрузки в обмотках. Это существенно сократит затраты на ремонт при возникновении аварийных ситуаций.

С помощью резистора

Для понижения напряжения в цепь нагрузки последовательно включается делитель напряжения в виде активного сопротивления.

Основной сложностью в регулировке напряжения на подключаемом приборе является зависимость от нескольких параметров:

• величины напряжения;
• сопротивления нагрузки;
• мощности источника.

Если вы будете понижать от бытовой сети, то ее можно считать источником бесконечной мощности и принять эту составляющую за константу. Тогда расчет резистора будет выполняться таким методом:

• R – сопротивление резистора;
• R_Н – сопротивление прибора нагрузки;
• I – ток, который должен обеспечиваться в номинальном режиме прибора;
• U_C – напряжение в сети.

После вычисления номинала резистора можете подобрать соответствующую модель из имеющегося ряда. Стоит отметить, что куда удобнее менять потенциал при помощи переменного резистора, включенного в цепь. Подключив его последовательно с нагрузкой, вы можете подбирать положение таким образом, чтобы понизить напряжение до необходимой величины. Однако эффективным способ назвать нельзя, так как помимо работы в приборе, электрическая энергия будет просто рассеиваться на резисторе, поэтому этот вариант является временным или одноразовым решением.