Параметры напряжения: Параметры переменного напряжения — Практическая электроника

Параметры переменного напряжения — Практическая электроника

Как вы помните из предыдущей статьи, переменное напряжение — это напряжение, которое меняется со временем. Оно может меняться с каким-то периодом, а может быть хаотичным. Но не стоит также забывать, что и переменное напряжение обладает своими особенными параметрами.

Среднее значение напряжения

Среднее значение переменного напряжения Uср — это, грубо говоря, площадь под осциллограммой относительно нуля за какой-то промежуток времени. Чтобы это понять, давайте рассмотрим вот такую осциллограмму.

среднее значение напряжения за период

Например,чему равняется среднее значение напряжения за эти два полупериода? В данном случае ноль вольт. Почему так? Площади S1 и S2 равны. Но все дело в том, что площадь S2 берется со знаком «минус». А так как площади равны, то в сумме они дают ноль: S1+(-S2)=S1-S2=0. Для бесконечного по времени синусоидального сигнала среднее значение напряжения также равняется нулю.

То же самое касается и других сигналов, например, двухполярного меандра. Меандр — это прямоугольный сигнал, у которого длительности паузы и импульса равны. В этом случае его среднее напряжение также будет равняться нулю.

меандр

Средневыпрямленное значение напряжения

Чаще всего используют средневыпрямленное значение напряжения Uср. выпр. То есть площадь сигнала, которая «пробивает пол» берут не с отрицательным знаком, а с положительным.

средневыпрямленное значение напряжения будет уже равняться не нулю, а S1+S2=2S1=2S2. Здесь мы суммируем площади, независимо от того, с каким они знаком.

На практике средневыпрямленное значение напряжения получить легко, использовав диодный мост. После выпрямления синусоидального сигнала, график будет выглядеть вот так:

выпрямленное переменное напряжение после диодного моста

Для того, чтобы примерно узнать, чему равняется средневыпрямленное напряжение, достаточно узнать максимальную амплитуду синусоидального сигнала Umax и сосчитать ее по формуле:

Среднеквадратичное значение напряжения

Чаще всего используют среднеквадратичное значение напряжения или его еще по-другому называют действующим. В литературе обозначается просто буквой U. Чтобы его вычислить, тут уже  простым графиком не отделаешься. Среднеквадратичное значение —  это значение постоянного напряжения, который, проходя через  нагрузку (скажем, лампу накаливания), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество мощности, какое выделит в этой нагрузке переменное напряжение. В английском языке среднеквадратичное напряжение  обозначается так: RMS (rms) — root mean square.

Связь между амплитудным и среднеквадратическим значением устанавливается через коэффициент амплитуды K_a:

Вот некоторые значения коэффициента амплитуды K_a для некоторых сигналов переменного напряжения:

Более точные значения 1,41 и 1,73 — это √2 и √3 соответственно.

Как измерить среднеквадратичное значение напряжения

Для правильного замера среднеквадратического значения напряжения у нас должен быть мультиметр с логотипом T-RMS. RMS — как вы уже знаете — это среднеквадратическое значение. А что за буква «T» впереди? Думаю, вы помните, как раньше была мода на одно словечко: «тру». «Она вся такая тру…», «Ты тру или не тру?» и тд. Тру (true) — с англ. правильный, верный.

[quads id=1]

Так вот, T-RMS  расшифровывается как True RMS —  «правильное среднеквадратическое значение». Мои токоизмерительные клещи могут замерять этот параметр без труда, так как на них есть логотип «T-RMS».

мультиметр с True RMS

Проведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:

Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц

генератор частоты

А вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры

треугольный сигнал

И теперь вопрос: чему будет равно среднеквадратическое напряжение этого сигнала?

Так как один квадратик у нас равняется 1 Вольт (мы это видим внизу осциллограммы в красной рамке), то получается, что амплитуда Umax этого треугольного сигнала равняется 4 Вольта. Для того, чтобы рассчитать среднеквадратическое напряжение, мы воспользуемся формулой:

Итак, смотрим нашу табличку и находим интересующий нас сигнал:

Для нас не важно, пробивает ли сигнал «пол» или нет, главное, чтобы сохранялась форма сигнала. Видим, что наш коэффициент амплитуды K_a= 1,73.

Подставляем его в формулу и вычисляем среднеквадратическое значение нашего треугольного сигнала

Проверяем нашим прибором, так ли оно на самом деле?

Супер! И в правду Тrue RMS.

Замеряем это же самое напряжение с помощью моего китайского мультиметра

Он меня обманул :-(. Он умеет измерять только среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, а у нас сигнал треугольный.

Самый интересный сигнал в плане расчетов — это двуполярный меандр, ну тот есть тот, который «пробивает пол».

Его амплитудное Umax, средневыпрямленное Uср.выпр. и среднеквадратичное напряжение U равняется одному и тому же значению. В данном случае это 1 Вольт.

Вот вам небольшая картинка, чтобы не путаться

среднее, среднеквадратичное и пиковое значения напряжения

• Сред.  — средневыпрямленное значение сигнала. Это и есть площадь под кривой
• СКЗ — среднеквадратичное напряжение. Как мы видим, для синусоидальных сигналов, оно будет больше, чем средневыпрямленное.
• Пик. — амплитудное значение сигнала
• Пик-пик. — размах или двойная амплитаду. Или иначе, амплитуда от пика до пика.

Так что же все-таки показывает мультиметр при измерении переменного напряжения? Показывает он НЕ амплитудное, НЕ среднее  и НЕ среднее выпрямленное напряжение, а среднее квадратическое, то есть действующее напряжение! Об этом всегда помним.

Переменное напряжение и его параметры

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал, как рассчитать индуктивность катушки выполненной на разомкнутом сердечнике (например, ферритовой антенны, контурных катушек радиоприёмников, катушек с построечными сердечниками и т. д.). Сегодняшняя статья посвящена переменному напряжению и параметрам, которые его характеризуют.

Что такое переменное напряжение?

Как известно электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, которое возникает под действием разности потенциалов или напряжения. Одной из основных характеристик любого типа напряжения является его зависимость от времени. В зависимости от данной характеристики различают постоянной напряжение, значение которого с течением времени практически не изменяется и переменное напряжение, изменяющееся во времени.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Переменное напряжение в свою очередь бывает периодическим и непериодическим. Периодическим называется такое напряжение, значения которого повторяются через равные промежутки времени. Непериодическое напряжение может изменять своё значение в любой период времени. Данная статья посвящена периодическому переменному напряжению.

Постоянное (слева), периодическое (в центре) и непериодическое (справа) переменное напряжение.

Минимальное время, за которое значение переменного напряжения повторяется, называется периодом. Любое периодическое переменное напряжение можно описать какой-либо функциональной зависимостью. Если время обозначить через t, то такая зависимость будет иметь вид F(t), тогда в любой период времени зависимость будет иметь вид

где Т – период.

Величина обратная периоду Т, называется частотой f. Единицей измерения частоты является Герц, а единицей измерения периода является Секунда

Наиболее часто встречающаяся функциональная зависимость периодического переменного напряжения является синусоидальная зависимость, график которой представлен ниже

Синусоидальное переменное напряжение.

Из математики известно, что синусоида является простейшей периодической функцией, и все другие периодические функции, возможно, представить в виде некоторого количества таких синусоид, имеющих кратные частоты.

Поэтому необходимо изначально рассмотреть особенности синусоидального напряжения.

Таким образом, синусоидальное напряжение в любой момент времени, мгновенное напряжение, описывается следующим выражением

где U_m – максимальное значение напряжения или амплитуда,

ω –угловая частота, скорость изменения аргумента (угла),

φ – начальная фаза, определяемая смещением синусоиды относительно начала координат, определяется точкой перехода отрицательной полуволны в положительную полуволну.

Величина (ωt + φ) называется фазой, характеризующая значение напряжения в данный момент времени.

Таким образом, амплитуда U_m, угловая частота ω и начальная фаза φ являются основными параметрами переменного напряжения и определяют его значение в каждый момент времени.

Обычно, при рассмотрении синусоидального напряжения считают, что начальная фаза равна нулю, тогда

В практической деятельности, довольно часто, используют ещё ряд параметров переменного напряжения, такие как, действующее напряжение, среднее напряжение и коэффициент формы, которые мы рассмотрим ниже.

Что такое действующее напряжение переменного тока?

Как я писал выше, одним из основных параметров переменного напряжения является амплитуда U_m, однако использовать в расчётах данную величину не удобно, так как временной интервал в течение, которого значение напряжения u равно амплитудному U_m ничтожно мал, по сравнению с периодом Т напряжения. Использовать мгновенное значение напряжения u, также не очень удобно, вследствие больших объёмов расчётов. Тогда возникает вопрос, какое значение переменного напряжения использовать при расчётах?

Для решения данного вопроса необходимо обратиться к энергии, которая выделяется под воздействием переменного напряжения, и сравнить её с энергией, которая выделяется под воздействием постоянного напряжения. Для решения данного вопроса обратимся к закону Джоуля – Ленца для постоянного напряжения

Для переменного напряжения мгновенное значение выделяемой энергии составит

где u – мгновенное значение напряжения

Тогда количество энергии за полный период от t₀ = 0 до t₁ = T составит

Приравняв выражения для количества энергии при переменном напряжении и постоянном напряжении и выразив полученное выражение через постоянное напряжение, получим действующее значение переменного напряжения

Получившееся выражение, позволяет вычислить действующее значение напряжение U для периодического переменного напряжения любой формы.

Из выше изложенного можно сделать вывод, что действующее значение переменного напряжения называется такое постоянное напряжение, которое за такое же время и на таком же сопротивлении выделяет такую же энергию, которая выделяется данным переменным напряжением.

Действующее значение синусоидального напряжения.

Вычислим действующее значение синусоидального напряжения

Стоит отметить, все напряжения электротехнических устройств определяются, как правило, действующим значением напряжения.

Для определения амплитудного значения синусоидального напряжения необходимо преобразовать полученное выражение

Таким образом если в розетке у нас U = 230 В, следовательно, амплитудное значение данного напряжения

Действующее напряжение также имеет название эффективного

напряжения и среднеквадратичного напряжения.

С действующим напряжением разобрались, теперь рассмотрим среднее значение напряжение.

Что такое среднее значение переменного напряжения?

Ещё одним параметром переменного напряжения, который его характеризует, является средним значением переменного напряжения. В отличие от действующего значения переменного напряжения, которое характеризует работу переменного напряжения, среднее значение напряжения характеризует количество электричества, которое перемещается из одной точки цепи в другую, под действием переменного напряжения. Среднее значение напряжения за период определяется следующим выражением

где Т – период переменного напряжения,

f_u(t) – функциональная зависимость напряжения от времени.

Таким образом, среднее значение переменного напряжения численно будет равно высоте прямоугольника с основанием T, площадь которого равна площади, ограниченной функцией f

u(t) и осью Ox за период Т.

Среднее значение переменного напряжения.

В случае синусоидальной функции, можно говорить только о среднем значении за полупериод, так как в течение всего периода положительная полуволна компенсируется отрицательной полуволной, и тогда среднее за период напряжение будет равно нулю.

Таким образом, среднее за полупериод Т/2 значение переменного напряжения синусоидальной формы будет равно

где U_m – максимальное значение напряжения или амплитуда,

ω –угловая частота, скорость изменения аргумента (угла).

Какие коэффициенты, характеризуют переменное напряжение?

Иногда возникает необходимость охарактеризовать форму переменного напряжения. Для этой цели существует ряд параметров данного переменного напряжения:

1. Коэффициент формы переменного напряжения k_ф – показывает как относится действующее значение переменного напряжения U к его среднему значению U_cp.

Так для синусоидального напряжения коэффициент формы составит

2. Коэффициент амплитуды переменного напряжения k_а – показывает как относится амплитудное значение переменного напряжения U_m к его действующему значению U

Так для синусоидального напряжения коэффициент амплитуды составит

На сегодня всё, в следующей статье я рассмотрю прохождение переменного напряжения через сопротивление, индуктивность и емкость.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Что такое напряжение » Заметки по электронике

Напряжение — это один из основных параметров, описывающих электрические условия в цепи, а вольт, являющийся единицей измерения напряжения, является одним из ключевых параметров любой электрической или электронной цепи.

---

Напряжение Включает:
Что такое напряжение Электрическое поле Делитель напряжения/потенциала Электродвижущая сила

---

Напряжение является одним из основных параметров, связанных с любой электрической или электронной схемой. Напряжение широко используется в спецификациях множества электрических элементов, от аккумуляторов до радиоприемников и лампочек до бритв, и, кроме того, это ключевой параметр, который также измеряется в цепях и используется в расчетах электронных схем.

Единицей измерения напряжения или разности потенциалов является вольт, который широко используется во всех аспектах электрических и электронных схем и проектирования электронных схем. Наряду с током и сопротивлением единица измерения напряжения имеет важное значение при разработке и реализации любой схемы.

Рабочее напряжение элемента оборудования очень важно — необходимо подключать электрические и электронные элементы к источникам питания с правильным напряжением. Подключите лампочку на 240 вольт к 12-вольтовой батарее, и она не загорится, но подключите небольшое USB-устройство на 5 В к источнику питания 240 вольт, и будет течь слишком большой ток, и он сгорит и будет непоправимо поврежден.

Кроме того, уровни напряжения в цепи дают ключ к ее работе — если присутствует неправильное напряжение, это может указывать на причину неисправности. Кроме того, многие электрические и электронные компоненты имеют максимальное рабочее напряжение, поэтому очень важно не выходить за их технические характеристики.

По этим и многим другим причинам электрическое напряжение является ключевым параметром, и знание того, что такое напряжение, может быть ключевым требованием в любых обстоятельствах.

Основы напряжения

Напряжение можно рассматривать как давление, которое заставляет заряженные электроны течь в электрической цепи. Этот поток электронов представляет собой электрический ток, который течет

Напряжение, показанное в простой цепи

Если положительный потенциал поместить на один конец проводника, то это привлечет к нему отрицательные заряды, потому что противоположные заряды притягиваются. Чем выше потенциал, притягивающий заряды, тем больше притяжение и больше ток.

Чем выше разность потенциалов, тем больше притяжение электронов и больше ток.

По сути, напряжение представляет собой электрическое давление и измеряется в вольтах, которые можно представить буквой V.

Обычно буква V используется для обозначения вольт в уравнении, подобном закону Ома, но иногда может использоваться буква E — это означает ЭДС или электродвижущую силу.

Чтобы получить представление о том, что такое напряжение и как оно влияет на электрические и электронные схемы, часто полезно в качестве базовой аналогии представить воду в трубе, возможно, даже водопроводную систему в доме.

Резервуар для воды размещается высоко, чтобы обеспечить давление (напряжение), чтобы заставить воду течь (ток) по трубам. Чем больше давление, тем выше расход воды.

Алессандро Вольта

Единицей напряжения или электрического потенциала является вольт, названный в честь Алессандро Вольта, итальянского физика, жившего между 1745 и 1827 годами.

Записка об Алессандро Вольте:

Алессандро Вольта был одним из пионеров динамического электричества. Исследуя основные свойства электричества, он изобрел первую батарею и продвинул понимание электричества.

Подробнее о Алессандро Вольта.

Разность потенциалов

Электрический потенциал или напряжение — это мера электрического давления, способного вызвать ток в цепи. Полезным сравнением для этих целей является простая система, содержащая воду, такую ​​как резервуар для воды с присоединенной трубой и вода, проходящая через полуоткрытый кран. Чем выше уровень воды над краном, тем большее давление нагнетает воду через трубу и через полуоткрытый кран. Чем больше давление воды, тем больше воды пройдет через систему при заданном уровне сопротивления в системе.

Чем выше уровень воды, тем больше давление, нагнетающее воду через систему

Аналогично с электрической системой, чем выше электрическое давление или разность потенциалов в секции системы, тем большее количество воды пройдет через систему за один заданный уровень электрического сопротивления.

Чем выше электрическое давление или напряжение, тем выше ток для данного уровня сопротивления

. Можно видеть, что повышение давления воды увеличивает расход. Для электрической цепи повышение электрического потенциала или напряжения увеличивает протекающий ток.

Рассматривая аналогию с водной системой как объяснение разности потенциалов, стоит помнить, что это только базовая аналогия, и между резервуаром для воды и электрической цепью есть некоторые принципиальные различия, особенно с точки зрения факта что электрическая схема именно такая, а водяная система нет. Однако он хорошо иллюстрирует концепцию давления и электрического потенциала в доступной для понимания манере.

Что такое вольт: единица измерения напряжения

Основной единицей напряжения является вольт, названный в честь итальянского ученого Алессандро Вольта, который сделал несколько первых батарей и провел много других экспериментов с электричеством.

Определение вольта:

Стандартная единица напряжения или разности потенциалов и электродвижущей силы в Международной системе единиц (СИ) формально определяется как разность электрических потенциалов между двумя точками проводника, по которому течет постоянный ток в один ампер, когда мощность, рассеиваемая между этими точками, равна одному ватту.

Чтобы дать представление о возможном напряжении, радиостанция CB обычно работает от источника питания около 12 вольт (12 В). Элементы, используемые в бытовых батареях, имеют напряжение около 1,5 вольт. Перезаряжаемые никель-кадмиевые элементы имеют немного меньшее напряжение 1,2 вольта, но обычно могут использоваться взаимозаменяемо с неперезаряжаемыми типами.

В других областях могут встречаться напряжения намного меньше и намного больше, чем это. Входной сигнал аудиоусилителя будет меньше этого, а напряжения часто будут измеряться в милливольтах (мВ) или тысячных долях вольта. Сигналы на входе радио еще меньше и часто измеряются в микровольтах (мкВ) или миллионных долях вольта.

В другом крайнем случае можно услышать о гораздо больших напряжениях. Для электронно-лучевых трубок в телевизорах или компьютерных мониторах требуется напряжение в несколько киловольт (кВ) или тысячи вольт, и даже более высокие напряжения в миллионы вольт или мегавольт (МВ) можно услышать в связи с такими темами, как молния.

ЭДС и ФД

При работе с напряжениями часто встречаются два термина: электродвижущая сила, ЭДС и разность потенциалов, ЧР. Эти термины имеют много общего, но также и некоторые ключевые и очень важные различия.

И ЭДС, и напряжение используют одну и ту же единицу измерения — вольт, но то, что обозначают эти термины, отличается.

Подробнее о . . . . ЭДС и напряжение — что это такое, различия и т. д.

Как измерить напряжение

Одним из ключевых параметров, который необходимо знать в любой электрической или электронной схеме, является напряжение. Существует несколько способов измерения напряжения, но одним из наиболее распространенных является использование мультиметра. Можно использовать как аналоговые, так и цифровые мультиметры, но в наши дни чаще всего используются цифровые мультиметры, поскольку они более точны и доступны по очень разумной цене.

Примечание о том, как измерять напряжение с помощью мультиметра:

Напряжение является одним из ключевых параметров, который необходимо знать в любой электрической или электронной цепи. Напряжение можно легко измерить с помощью аналогового или цифрового мультиметра, где очень легко получить точные показания.

Подробнее о как измерять напряжение.

Напряжение является одной из трех основных электрических единиц наряду с током и сопротивлением. Напряжение является ключом к процессу проектирования электронных схем, а также любых электрических цепей. Соответственно, он используется практически во всех процессах проектирования и является параметром, который связан с очень многими электрическими и электронными компонентами.

Дополнительные основные понятия и руководства по электронике:
Напряжение Текущий Власть Сопротивление Емкость Индуктивность Трансформеры Децибел, дБ Законы Кирхгофа Q, добротность РЧ-шум Сигналы
    Возврат в меню основных понятий электроники. . .

Важные параметры, которые необходимо учитывать при выборе регулятора напряжения для вашей конструкции

Регулятор напряжения представляет собой простое и экономичное устройство, которое может изменять входное напряжение на выходе на другом уровне и может поддерживать постоянное выходное напряжение даже при изменении условия нагрузки. Почти все электронные устройства, от зарядного устройства для сотового телефона до кондиционеров и сложных электромеханических устройств, используют регулятор напряжения для подачи различных напряжений постоянного тока на разные компоненты устройства. Кроме того, во всех схемах питания используются микросхемы стабилизатора напряжения.

Например, в вашем смартфоне регулятор напряжения используется для повышения или понижения напряжения батареи для компонентов (таких как светодиод подсветки, микрофон, SIM-карта и т. д.), которые требуют более высокого или более низкого напряжения, чем батарея. . Выбор неправильного регулятора напряжения может привести к снижению надежности, увеличению энергопотребления и даже к перегоранию компонентов.

Итак, в этой статье мы обсудим некоторые важные параметры, которые следует учитывать при выборе регулятора напряжения для вашего проекта .

Важные факторы для выбора регулятора напряжения

1. Входное и выходное напряжение

Первый шаг к выбору стабилизатора напряжения – это знание входного и выходного напряжения, с которыми вы будете работать. Линейным регуляторам напряжения требуется входное напряжение, превышающее номинальное выходное напряжение. Если входное напряжение меньше желаемого выходного напряжения, то это приводит к состоянию недостаточного напряжения, что приводит к тому, что регулятор отключается и обеспечивает нерегулируемый выходной сигнал.

Например, , если вы используете стабилизатор напряжения 5 В с падением напряжения 2 В, тогда входное напряжение должно быть как минимум равно 7 В для регулируемого выхода. Входное напряжение ниже 7 В приведет к нерегулируемому выходному напряжению.

Существуют различные типы регуляторов напряжения для различных диапазонов входного и выходного напряжения. Например, вам понадобится регулятор напряжения 5 В для Arduino Uno и стабилизатор напряжения 3,3 В для ESP8266. Вы даже можете использовать регулятор переменного напряжения, который можно использовать для различных выходных приложений.

2. Падение напряжения

Падение напряжения – это разница между входным и выходным напряжением регулятора напряжения. Например, мин. Входное напряжение для 7805 составляет 7 В, а выходное напряжение составляет 5 В, поэтому падение напряжения составляет 2 В. Если входное напряжение упадет ниже, выходное напряжение (5 В) + падение напряжения (2 В) приведет к нерегулируемому выходному сигналу, который может повредить ваше устройство. Поэтому перед выбором регулятора напряжения проверьте падение напряжения.

Напряжение отпускания зависит от регулятора напряжения; например, вы можете найти ряд 5-вольтовых регуляторов с различным падением напряжения. Линейные стабилизаторы могут быть чрезвычайно эффективными, когда они работают с очень низким падением входного напряжения. Поэтому, если вы используете батарею в качестве источника питания, вы можете использовать регуляторы LDO для большей эффективности.

3. Рассеиваемая мощность

Линейные стабилизаторы напряжения рассеивают больше энергии, чем импульсные регуляторы напряжения. Чрезмерное рассеивание мощности может привести к разрядке батареи, перегреву или повреждению устройства. Поэтому, если вы используете линейный стабилизатор напряжения, сначала рассчитайте рассеиваемую мощность. Для линейных регуляторов рассеиваемая мощность может быть рассчитана по:

  Мощность = (Входное напряжение – Выходное напряжение) x Ток  

Вы можете использовать импульсные стабилизаторы напряжения вместо линейных стабилизаторов напряжения, чтобы избежать проблемы рассеивания мощности.

4. КПД

КПД – это отношение выходной мощности к входной мощности, пропорциональное отношению выходного напряжения к входному напряжению. Таким образом, эффективность регуляторов напряжения напрямую ограничена падением напряжения и током покоя, поскольку чем выше падение напряжения, тем ниже эффективность.

Для повышения эффективности необходимо минимизировать падение напряжения и ток покоя, а также минимизировать разность напряжений между входом и выходом.

5. Точность напряжения

Общая точность регулятора напряжения зависит от регулирования сети, регулирования нагрузки, дрейфа опорного напряжения, дрейфа напряжения усилителя ошибки и температурного коэффициента.