Меню

Измерение высокого напряжения резистором

Измерение высокого напряжения резистором

Измерение постоянных и переменных напряжений выше 1000 В является слабым местом многих ремонтных организаций и подавляющего числа индивидуалов. Это, по-видимому, объясняется тем, что производители электроизмерительной аппаратуры не желают брать на себя ответственность за потенциальный риск, связанный с повышенной опасностью подобных измерений.

Схемотехника высоковольтных измерений в принципе ничем не отличается от низковольтных при использовании обычных измерительных головок. Исключение составляют высоковольтные измерители конденсаторного типа, позволяющие измерять напряжения постоянного и переменного тока с достаточно высокой точностью (погрешность 0,2. 1,0%), но это достаточно громоздкие и дорогие приборы.

Главное отличие техники высоковольтных измерений заключается в конструкции приборов, обеспечивающей электробезопасность их использования и уменьшение зависимости погрешностей измерения от изменения состояния окружающей среды, в первую очередь — от влажности. Отсутствие, точнее, дефицит высоковольтных измерителей напряжения (ВИН) объясняется еще и широко распространенным мнением,что «киловольт туда-сюда ничего не меняет». В наиболее часто встречающейся ситуации с телевизорами и мониторами это действительно так, если бы не одно, но очень существенное, «НО»: уровень рентгеновского излучения сильно зависит от высокого напряжения на аноде кинескопа и резко возрастает (для кинескопов с диагональю 51. 64 см) при напряжениях выше 25,5 кВ. Для каждого типа кинескопа существует пороговое напряжение, при котором качество изображения и уровень рентгеновского излучения остаются в заданных пределах. Из этого следует, что при потере яркости свечения экрана нельзя добиваться ее увеличения путем повышения напряжения питания строчной развертки без контроля высокого напряжения. Особенно актуально это для мониторов из-за малого расстояния между экраном и оператором.

В схеме ВИНа (рис. 1) имеются два основных узла:

Измерение высоких напряжений.

• измерительная головка (микроамперметр);
• высоковольтное добавочное сопротивление Rд

Эти узлы определяют метрологические и эксплуатационные характеристики ВИНа, являющегося автономным прибором.

В схеме ВИНа (рис. 2) также имеются два основных узла:

Измерение высоких напряжений.

• измерительный прибор (тестер);
• высоковольтный делитель R1 R2.

Этот вариант ВИНа несколько менее удобен в работе, но более универсален, так как позволяет измерять постоянные напряжения любой полярности, а при использовании цифрового тестера обеспечивает более высокую точность и более широкий диапазон измеряемых напряжений.

Схема ВИНа (рис. 3) сочетает в себе преимущества обоих предыдущих вариантов. Поэтому более подробное описание и необходимые расчеты даны только для этой схемы.

Измерение высоких напряжений.

В качестве высоковольтного звена делителя напряжения использован резистор R1 типа КЭВ-5 сопротивлением 430. 560 МОм. Низковольтное плечо образовано резисторами R2* (подбирают в пределах 0. 5,1 кОм) и R3 (СП5-2 или СП5-3 сопротивлением 47 кОм). Резистор R4* (0. 5.1 кОм) подбирают при регулировке.

Тумблер В1 со средним положением служит для выбора полярности измерения (крайние положения) или для отключения микроамперметра при использовании внешнего тестера (среднее положение).

Переключение полярности необходимо для измерений высокого напряжения в осциллографах, СВЧ-печах и других устройствах с высоким напряжением отрицательной полярности.

В качестве измерителя желательно использовать микроамперметр типа М42004 со шкалой 30 мкА, которая соответствует напряжению 30 кВ и не требует пересчета. Конденсатор С1 любого типа емкостью 10. 100 нФ.

Гнезда Г1, Г2 (телефонные гнезда) служат для подключения внешнего цифрового тестера с входным сопротивлением не менее 1 МОм.

Регулировка ВИНа

Для регулировки ВИНа требуется либо заведомо исправный (эталонный) ВИН и источник высокого напряжения (любой исправный телевизор), либо измеритель сопротивлений до 1000 МОм с погрешностью не более 1%.

В качестве эталонного ВИНа может быть использован прибор С90 или С196, а в качестве измерителя сопротивлений — прибор Е6-21.

Регулировка по эталонному ВИНу:
• входы эталонного и проверяемого ВИНов подключите с соблюдением мер безопасности к присоске телевизора, отключенной от кинескопа. Перед отключением присоски ОБЯЗАТЕЛЬНО РАЗРЯДИТЕ кинескоп обесточенного телевизора отверткой, надежно соединенной с «землей» кинескопа;
• надежно заземлите вторые концы ВИНов;
• к гнездам Г1, Г2 подключите цифровой тестер, с которым впоследствии предполагаете использовать ВИН. Установите его в режим измерения постоянного напряжения величиной около 3 В;
• тумблер В1 поставьте в среднее положение;
• включите телевизор и зафиксируйте показания эталонного ВИНа и тестера. Показание тестера должно составлять 1/10 000 от показания эталонного ВИНа с погрешностью менее 1%. Так, если показания эталонного ВИНа равны 25 кВ, то показания тестера должны быть 2,5 В. Если погрешность более 1%, отключите телевизор, дождитесь снижения напряжения на «присоске» до значения менее 1 кВ и подберите величину резистора R2. Если даже при нулевом значении R2 показания тестера завышены, произведите регулировку подбором резистора R4*;
• поставьте тумблер В1 в положение «+».Отключите тестер от гнезд регулируемого ВИНа. Включите телевизор и зафиксируйте показания обоих ВИНов. Вращая движок переменного резистора R3, добейтесь минимальной (менее 1%) разницы в показаниях ВИНов. При невозможности получения точного совпадения поменяйте номинал резистора R4* и повторите подстройку с помощью R3.

Регулировка с использованием измерителя сопротивлений
сводится к измерению сопротивления одних и расчету и подбору других резисторов. Расчет производится в соответствии со схемой рис. 4.

Читайте также:  Сдерживающее напряжение что это такое

Измерение высоких напряжений.

На этой схеме сопротивление резистора R2 соответствует сумме сопротивлений R2* и верхней от движка (по схеме рис. 3) части R3, R3 — нижней части R3, Rn— сумме сопротивлений R4* и измерительной головки. Точка Д на схеме рис. 4 соответствует выводу движка переменного резистора. Если погрешность используемого прибора более 1%, то с помощью прибора класса не хуже 1 измерьте ток полного отклонения используемого прибора Iг по схеме рис. 5,

Измерение высоких напряжений.

на котором: БП — источник напряжения 2. 4 В, ИП -используемый прибор, ЭП -эталонный прибор.

Измерьте сопротивления R1 и Rn=R4*+Rг, где Rг -сопротивление измерительной головки.

Рассчитайте ток через резистор R1 по формуле: I(мкА) = 30 000 / R1(MOм). Рассчитайте сопротивление резистора R3 по формуле: R3 (кОм) = 30 (мкА) • Rп (кОм) / [I — Iг] (мкА).

Переменный резистор установите в положение, при котором сопротивление его нижней (по схеме) части будет равно рассчитанному значению R3.

Рассчитайте сопротивление резистора R2 по формуле: R2 (кОм) = [3000 / I (мкА)] — R3 (кОм).

Подберите величину R2*, равную расчетному значению R2.

На этом регулировка ВИНа заканчивается.

Конструкция ВИНа
Эскизы основных деталей, входящих в ВИН, показаны на рис. 6—11.

Измерение высоких напряжений.

Измерение высоких напряжений.

В дальнейшем, в тексте и на эскизе общего вида (рис. 12), слово «рис» будет опущено.

Измерение высоких напряжений.

Отсутствует эскиз задней крышки, а на эскизе корпуса 9 не показаны отверстия для клепки гаек-букс, тумблера В1, а также для установки и регулировки резистора R3.

Основные размеры корпуса даны для рекомендованного выше микроамперметра.

Самой ответственной деталью является изолятор 6, в котором размещен резистор R1 типа КЭВ-5 (КЭВ). Наиболее предпочтительным материалом для изолятора (с точки зрения качественной механической обработки) является фторопласт или плексиглас, далее следует эбонит и, на худой конец, текстолит. Механическую обработку заготовки изолятора следует производить с минимальной подачей и глубиной резания. После установки резистора R1 в изолятор его внутренний объем должен быть герметичен по отношению к внешней среде для исключения влияния влажности на погрешность ВИНа.

Порядок сборки изолятора следующий:
• КЭВ плотно вверните в гайку 7. К другому концу КЭВа коротким винтом М4 закрепите проводник из провода МГТФ сечением 0,05. 0,07 мм2 нужной длины с облуженным концом для последующей припайки в схему;
• наружную резьбу гайки 7 залейте парафином. КЭВ вставьте в изолятор, гайку 7 слегка подогрейте паяльником до размягчения парафина и вверните в изолятор до упора КЭВа в его нижнюю часть. Слегка натянув проводник, залейте парафин в отверстие нижней части изолятора до заполнения. Далее залейте парафином отверстие в гайке 7 так, чтобы свободной от заливки осталась резьба на длину резьбовой части винта 10.

К корпусу 11 приклепайте три гайки-буксы и установите тумблер В1, резистор R3, гнезда Г1, Г2, винт и гайку М5 для крепления ручки 9.

Далее закрепите на корпусе изолятор с помощью гайки 8 и, последним, микроамперметр. Произведите электрический монтаж ВИНа.

В отверстие винта 10 впаяйте кусок сапожной иглы длиной 30. 40 мм. Рекомендуется изготовить два винта 10 и один из них, без иглы, использовать с зажимом «крокодил». Винт 10 с иглой удобен для подключения ВИНа к аноду кинескопа без отсоединения присоски.

Под один из винтов задней крышки закрепите провод заземления с зажимом «крокодил».Заделка крепления, качество провода и зажима должны исключать случайное нарушение цепи заземления во время измерения. Ручка 9 изготавливается из любого материала, пригодного для изготовления изолятора 6, винт 10 — из латуни или бронзы, корпус 11 — из алюминия, гайки 7 и 8 — из любого металла.

Наверните ручку и винт 10, закрепите заднюю крышку с заземлителем и ВИН готов к калибровке и последующей эксплуатации. Для удобства при транспортировке ручку и винт с иглой можно снимать с ВИНа.

Источник



Падение напряжения на резисторе: формула расчета

Падение напряжения на резисторе

Компоненты электрической цепи

Резистор — элемент в электрической цепи, служащий для снижения напряжения на выходе. Его название происходит от лат. «resisto» – «сопротивляюсь». Из этой статьи вы узнаете, как с помощью резисторов понижается напряжение, об их характеристиках, а также о том, как произвести расчёт резистора, гасящего ток для понижения напряжения.

Что такое падение напряжения на резисторе

Электрический ток, проходя по цепи, испытывает сопротивление, которое может изменяться под воздействием разнообразных условий внешней среды (экстремально низкие температуры или нагрев) и может зависеть от характеристик конкретного проводника. Например, чем тоньше проводник или длиннее – тем оно выше.

На значение его величины влияют следующие факторы:

  • сила тока;
  • длина проводящих частей;
  • напряжение;
  • материал проводниковых элементов;
  • нагрев (температура);
  • площадь поперечного сечения.

Резисторы можно разделить на постоянные, переменные и подстроечные. Главное их отличие друг от друга – возможность изменения показателя сопротивления. Чаще всего встречаются постоянные резисторы – данный показатель в них нельзя изменить, поэтому они и получили такое название. Переменные отличаются тем, что величину сопротивления в них можно настраивать. В подстроечном резисторе её также можно изменять, но отличие данной разновидности в том, что он не рассчитан на частое изменение параметра. Подстроечные резисторы выполняются в более компактном корпусе по сравнению с переменными.

Читайте также:  Блок питания входное напряжение 220в выходное 24в

Чтобы вычислить падение напряжения на резисторе, нужно помнить, что снижение нагрузки, приложенной ко всей цепи (то есть, напряжения, подключённого к контуру) может быть получено как для всего контура, так и для любого элемента цепи. Напряжение понижается за счёт сопротивления, которым обладают проводники.

Падение напряжения на резисторе зависит от силы проходящего тока и характеристик проводников. Температура и показатели тока также имеют значение. Например, напряжение, измеренное вольтметром на лампочке, подключённой к сети 220 В, будет немного ниже за счёт сопротивления, которым обладает лампочка.

Источники питания имеют разную величину напряжения. Это значение может превышать то, которое бывает необходимо на выходе. Чтобы нагрузка, которую требуется запитать, не сгорела, часто возникает необходимость в понижении вольтажа, в том числе с помощью резисторов.

Сравнительная таблица напряжений

Источник питания Напряжение
NiCd аккумулятор 1,2 В
Литий-железо-фосфатный аккумулятор 3,3 В
Батарея типа «Крона» 9 В
Автомобильный аккумулятор 12 В
Аккумулятор для грузовых автомобилей 24 В

В этом случае резистор должен уменьшить протекающий по цепи ток. При этом ток не превращается в тепло, происходит именно его ограничение. То есть при включении резистора в цепь ток упадёт – в этом и состоит работа резистора, при совершении которой элемент нагревается.

В общем случае падения напряжения можно рассчитать, используя простую формулу, связывающее показатели между собой.

Но в ряде случаев, например, при параллельном подключении сопротивлений, посчитать необходимую величину уже сложнее. В этом случае по специальной формуле потребуется привести сопротивление параллельных веток к одному числу:

При необходимости также учитываются другие сопротивления, суммирующиеся с этим значением (например, сопротивление провода и источника питания).

Закон Ома для электрической цепи

В основе расчёта входного и выходного напряжения цепи лежит закон Ома, знакомый ещё со школы по курсу физики. Базовая формула расчёта напряжения на участке цепи выглядит так:

закон-ома

Определить напряжение в цепи переменного тока можно по следующей формуле:

в этой формуле Z означает сопротивление (Ом), которое было получено на протяжении всей цепи.

В ряде случаев показатели не могут быть рассчитаны по этим фармулам напрямую.

  1. В случаях нахождения проводников или диэлектриков под воздействием высокого напряжения.
  2. В случаях быстро изменяющихся электромагнитных полей при прохождении токов высокой частоты. В этом случае требуется учитывать также инерцию переносящих заряд частиц.
  3. В условиях возникновении свойств сверхпроводимости, если цепи работают при экстремально низких температурах.
  4. При нагреве проводника протекающим по нему током.
  5. Для светодиодов. Зависимость между током и падением напряжения в этом случае нелинейная.
  6. Для процессов в устройствах на основе полупроводников.

В зависимости от того, как элементы включены в цепь – последовательно или параллельно – общее сопротивление рассчитывают по-разному.

Параллельное и последовательное подключение

Расчёт при последовательном подключении

При последовательном соединении элементы идут друг за другом, и выход предыдущего соединяется с входом последующего. Общее сопротивление в этом случае можно посчитать по формуле:

R1…Rn – сопротивления n-элементов (Ом).

Расчёт при параллельном подключении

При параллельном соединении оба элемента цепи включаются параллельно друг другу. Сопротивление в этом случае получают через дробь, формула для его расчёта выглядит так:

R1 … Rn – сопротивления n-элементов (Ом).

Внимание! При разработке схем устройств обычно используются комбинированные соединения. Для расчёта сопротивления схема упрощается, и общее сопротивление сперва определяется для участков с параллельным соединением, а потом суммируется как для цепи с последовательными соединениями элементов.

Для упрощения и ускорения расчётов можно это сделать онлайн.

Единица измерения сопротивления резистора

В Международной системе единиц (СИ) сопротивление измеряется в омах – единице измерения, названной так в честь физика Георга Ома, который также открыл знаменитый закон для электрической цепи. Международное обозначение выглядит так: Ω. Физический смысл этой единицы заключается в следующем:

Сопротивление проводника равно 1 Ом при силе тока, равной 1 А, и напряжении на концах проводников, равном 1 В.

Оно может быть измерено с помощью прибора, называющегося омметр.

Для справки. В системе СГС сопротивление не имеет определённого названия, но в её расширениях используются статом (1 statΩ; рассчитываетсся как ток 1 статампер разделить на напряжение 1 статвольт) и абом (1 abΩ = 1*10 -9 Ом, наноом; его расчёт – ток 1 абампер разделить на напряжение величиной 1 абвольт). Размерность этой величины в СГСЭ и гауссовой системе равна TL −1 , в СГСМ — LT −1 . Обратная величина – электропроводность, её единица измерения – сименс (См), статсименс или абсименс для разных систем соотвественно.

Существует большое разнообразие резисторов с широкой линейкой стандартных величин сопротивления. Рассмотрим соотношение этих номиналов и различные приставки, использующиеся для их обозначения.

Читайте также:  Конструкция масляного трансформатора напряжения

Приставка кило- (килоом):

1 КОм равен 1000 Ом

Приставка мега- (мегаом):

1 МОм соответствует 1000 КОм или 1 000 000 Ом

Часто показатели резисторов наносятся непосредственно на их корпус. Это очень удобно. Рассмотрим обозначение их номиналов более подробно.

Резисторы с маркировкой

Номинал резистора – это то же самое, что его сопротивление. Раньше резисторы были достаточно крупными, поэтому все значения прописывались целиком на их корпусах с использованием обычных букв. Помимо сопротивления на резисторе могли указать ещё и класс точности или мощность рассеивания.

Сопротивление – основная характеристика резистора. О том, что оно из себя представляет и как рассчитывается, было рассказано выше, поэтому сейчас подробнее остановимся на особенностях их обозначений.

Для простановки значения, не привышающего 1КОм после цифры, обозначающей величину сопротивления, ставится R (или величина указывается совсем без буквы). На резисторах, выпускавшихся давно, можно встретить слово Ом. Позже принятая маркировка изменилась, теперь она используется в формате:

целая величина – R – дробный остаток

300 = 300 Ом
200 R = 200 Ом

Современные обозначения выглядят так:

4R02 = 4,02 Ом
2R2 = 2,2 Ом

Если значение меньше 1 ома, то ноль в начале обозначения опускают:

Если сопротивление больше тысячи ом, то применяются специальные приставки (мега-, кило-) для упрощения написания. Очень большие значения этой величины почти не встречаются, поэтому необходимость в префиксах Тера- и Гига- возникает крайне редко. Примеры обозначений:

K200 = 200 Ом
2К0 = 2 КОм = 2000 Ом
M200 = 0,2 МОм = 200 KОм = 100 000 Ом
3М0 = 3 МОм = 3 000 КОм = 3 000 000 Ом

Дополнительно можно рассмотреть следующую характеристику – удельное сопротивление.

Бывает, что возникает необходимость также рассчитать удельное сопротивление. Оно измеряется величиной Ом*м.

Для однородного проводника вычисляемое удельное сопротивление находится так:

l — длина отрезка проводника (м),

S — площадь сечения проводникового элемента (м 2 )

Подробнее о буквенной маркировке резисторов читайте здесь.

Характеристика мощности резистора

Мощность электрического тока на участке цепи можно узнать через произведение силы тока для него и напряжения на данном участке. Формула имеет следующий вид:

P= I * U (произведение силы тока и напряжения), где

P – значение мощности (Вт).

Резистор совершает работу по снижению силы тока, при этом он выделяет тепло в окружающее пространство. Но если работа по ограничению тока очень велика и тепло вырабатывается слишком быстро, то он перегреется и может сгореть, так как не будет успевать его рассеивать. Следует учитывать этот момент, подбирая мощность резистора

Важно! Мощность резистора – это очень важный параметр, который обязательно нужно учитывать при разработке электрических схем устройств Мощность резистора характеризуется максимальной величиной силы тока, которую он может выдерживать без перегрева и не выходя из строя.

Расчет мощности резистора

Определим мощность резистора на примере схемы с включённой нагрузкой. Например, мы имеем ток, равный 0,4А, а падение напряжения на резисторе составляет 5В. Значит, расчёт будет выглядеть следующим образом:

Следовательно, здесь потребуется резистор, мощность которого не ниже двух ватт. Лучше, если эта характеристика будет чуть выше, чтобы резистор не перегревался и не вышел из строя.

Как понизить напряжение с помощью резистора

Чтобы нагрузка, которую требуется запитать, не сгорела, часто возникает необходимость снизить входное напряжение. Проще всего этого можно добиться, используя схему с двумя резисторами, более известную как делитель напряжения. Классическая схема выглядит так:

Делитель напряжения

В этом случае напряжение подаётся на два резистора с использованием параллельного подключени, а на выходе его получают с одного. Подбор номиналов резисторов осуществляют по формуле так, чтобы напряжение, снимаемое на выходе, составляло какую-то часть от подаваемого. Расчет резистора для понижения напряжения можно воспользовавшись формулой, основанной на законе Ома:

Uвх – напряжение на входе, В;

Uвых – напряжение на выходе, В

R1 – показатель сопр. 1-ого резистора (Ом)

R2 – показатель сопр. 2-ого элемента, (Ом)

Подбор резистора для понижения напряжения

Для подбора нужного сопротивления резистора можно воспользоваться готовыми онлайн-калькуляторами или программами для моделирования работы электронных схем. Симуляторы электрических цепей способны не только рассчитать напряжение на выходе в зависимости от сопротивления элементов и способа их подключения, но и обладают функционалом, позволяющим визуализировать то, как падает ток и напряжение на резисторе. Например, приложение EveryCircuit позволяет изменять в схеме параметры элементов, выбирать скорость симуляции, получать данные в различных точках. При этом можно наблюдать за динамикой изменения значений, используя для ввода входных параметров вращающийся лимб в нижнем правом углу.

EveryCircuit

Существует ещё ряд бесплатных программ для эмуляции, позволяющие выполнить, в том числе, расчёт резистора при понижении напряжения, например:

  • EasyEDA;
  • Circuit Sims;
  • DcAcLab;

В статье мы ознакомились с понятием сопротивления, узнали о его единицах измерения, о маркировке резисторов, о программах эмулирующих работу цепи и облегчающих подбор нужного сопротивления, а также рассмотрели примеры расчёта падения напряжения на резисторе.

Источник