Як понизити напругу: способи і прилади

Треба знати, як зменшити напругу в ланцюги, щоб не пошкодити електричні прилади. Всім відомо, що до будинків підходить два дроти – нуль і фаза. Це називається однофазною мережею. Трифазна вкрай рідко використовується в приватному секторі і багатоквартирних будинках. Потреби в ній просто немає, так як вся побутова техніка живиться від мережі змінного однофазного струму. Але от у самій техніці потрібно робити перетворення – знижувати змінну напругу, перетворювати його в постійне, змінювати амплітуду та інші характеристики. Саме ці моменти і потрібно розглянути.

Зниження напруги за допомогою трансформаторів

Найпростіший спосіб – це використовувати трансформатор зниженої напруги, який здійснює перетворення. Первинна обмотка містить більше число витків, ніж вторинна. Якщо є необхідність знизити напругу вдвічі або втричі, вторинну обмотку можна і не використовувати. Первинна обмотка трансформатора використовується в якості індуктивного подільника (якщо від неї є відводи). У побутовій техніці використовуються трансформатори, з вторинних обмоток яких знімається напруга 512 або 24 Вольта. Це найбільш часто використовувані значення в сучасній побутовій техніці. 20-30 років тому велика частина техніки харчувалася напругою 9 Вольт. А лампові телевізори і підсилювачі вимагали наявності постійної напруги 150-250 В і змінного для ниток розжарення 63 (деякі лампи харчувалися від 126). Тому вторинна обмотка трансформаторів містила таку ж кількість витків, як і первинна. У сучасній техніці все частіше використовуються інверторні блоки живлення (як на комп'ютерних БП), в їх конструкцію входить трансформатор підвищує типу, він має дуже маленькі габарити.

Дільник напруги на індуктивностях

Індуктивність – це котушка, намотана мідним (як правило) дротом на металевому або феромагнітному осерді. Трансформатор – це один з видів індуктивності. Якщо від середини первинної обмотки зробити відвід, то між ним і крайніми висновками буде рівне напруга. І воно буде дорівнює половині напруги живлення. Але це в тому випадку, якщо сам трансформатор розрахований на роботу саме з таким годує напругою. Але можна використовувати кілька котушок (для прикладу можна взяти дві), з'єднати їх послідовно і включити в мережу змінного струму. Знаючи значення індуктивностей, нескладно зробити розрахунок падіння на кожній з них:

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

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

В цих формулах L1 і L2 – індуктивності першої та другої котушок, U1 – напруга живильної мережі у Вольтах, U(L1) і U(L2) – падіння напруги на першій і другій індуктивностях відповідно. Схема такого дільника широко застосовується в колах вимірювальних пристроїв.

Дільник на конденсаторах

Дуже популярна схема, використовується для зниження значення живильної мережі змінного струму. Застосовувати її в ланцюгах постійного струму не можна, так як конденсатор, по теоремі Кірхгофа, в ланцюзі постійного струму – це розрив. Іншими словами, струм по ньому протікати не буде. Але зате при роботі в ланцюзі змінного струму конденсатор має реактивним опором, яке здатне погасити напругу. Схема дільника схожа на ту, яка була описана вище, але замість індуктивностей використовуються конденсатори. Розрахунок проводиться за наступними формулами:

Реактивний опір конденсатора: Х(С) = 1 /(2 * 314 *f * C).

Падіння напруги на С1: U(C1) = (C2 * U) /(C1 + C2).

Падіння напруги на С2: U(C1) = (C1 * U) /(C1 + C2).

Тут С1 і С2 – ємності конденсаторів, U – напруга живильної мережі, f – частота струму.

Дільник на резисторах

Схема багато в чому схожа на попередні, але використовуються постійні резистори. Методика розрахунку такого дільника трохи відрізняється від наведених вище. Використовуватися схема може як в ланцюгах змінного, так і постійного струму. Можна сказати, що вона універсальна. З її допомогою можна зібрати понижуючий перетворювач напруги. Розрахунок падіння на кожному резисторі проводиться за наступними формулами:

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

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

Потрібно відзначити один нюанс: величина опору навантаження повинна бути на 1-2 порядки менше, ніж у розділювальних резисторів. В іншому випадку точність розрахунку буде дуже груба.

Практична схема блоку живлення: трансформатор

Для вибору живлячого трансформатора вам потрібно знати кілька основних даних:

Потужність споживачів, які потрібно підключати.

Значення напруги живильної мережі.

Значення необхідного напруги у вторинній обмотці.

Щоб розрахувати число витків у первинній обмотці, вам потрібно 50 розділити на площу перерізу сердечника. Перетин обчислюється за формулою: S = 12 * ?P1. А потужність Р1 = Р2 /ККД. Коефіцієнт корисної дії трансформатора ніколи не буде більше 08 (або 80%). Тому при розрахунку береться максимальне значення – 08. Потужність у вторинній обмотці: Р2 = U2 * I2. Ці дані відомі за замовчуванням, тому провести розрахунок не складе праці. Ось як знизити напругу до 12 вольт, використовуючи трансформатор. Але це не все: побутова техніка живиться постійним струмом, а на виході вторинної обмотки - змінний. Потрібно зробити ще кілька перетворень.

Схема блоку живлення: випрямляч і фільтр

Далі йде перетворення змінного струму в постійний. Для цього використовуються напівпровідникові діоди або складання. Найпростіший тип випрямляча складається з одного діода. Називається він однополуперіодний. Але максимальне поширення отримала мостова схема, яка дозволяє не просто випрямити змінний струм, але і максимально позбутися від пульсацій. Але така схема перетворювача все одно неповна, так як від змінної складової одними напівпровідниковими діодами не позбутися. А понижуючі трансформатори напруги 220 В здатні перетворити змінну напругу в таке ж по частоті, але з меншим значенням. Електролітичні конденсатори використовуються в блоках харчування в якості фільтрів. По теоремі Кірхгофа, такий конденсатор в колі змінного струму є провідником, а при роботі з постійним - розривом. Тому постійна складова буде протікати безперешкодно, а змінна замкнеться сама на себе, отже, не пройде далі цього фільтра. Простота і надійність – це саме те, що характеризує такі фільтри. Також можуть застосовуватися опору та індуктивності для згладжування пульсацій. Подібні конструкції використовуються навіть в автомобільних генераторах.

Стабілізація напруги

Ви дізналися, як знизити напругу до потрібного рівня. Тепер його потрібно стабілізувати. Для цього використовуються спеціальні прилади – стабілітрони, які виготовлені з напівпровідникових компонентів. Вони встановлюються на виході блоку живлення постійного струму. Принцип роботи полягає в тому, що напівпровідник здатний пропустити певну напругу, надлишок перетворюється в тепло і віддається допомогою радіатора в атмосферу. Іншими словами, якщо на виході БЖ 15 вольт, а встановлений стабілізатор 12 В, то він пропустить саме стільки, скільки потрібно. А різниця в 3 піде на нагрівання елемента (закон збереження енергії діє).

Висновок

Абсолютно інша конструкція – це стабілізатор напруги понижуючий, він робить кілька перетворень. Спочатку напруга мережі перетвориться в постійну з великою частотою (до 50000 Гц). Воно стабілізується і подається на імпульсний трансформатор. Далі відбувається зворотне перетворення до робочого напруги (мережевого або меншого за значенням). Завдяки використанню електронних ключів (тиристорів) постійна напруга перетворюється в змінну з необхідною частотою (в мережах нашої країни - 50 Гц).