Резистори, струм і напруга

  • Час 29-06-2015, 18:36
  • Автор admin
  • Коментарів 0 Комент.
  • Силка url

У цій статті ми розглянемо резистор і його взаємодія з напругою і струмом, що проходить через нього. Ви дізнаєтеся, як розрахувати резистор з допомогою спеціальних формул. У статті також показано, як спеціальні резистори можуть бути використані в якості датчика світла і температури.

Уявлення про електрику

Новачок повинен бути в змозі уявити собі електричний струм. Навіть якщо ви зрозуміли, що електрика складається з електронів, що рухаються по провіднику, це все ще дуже важко чітко уявити собі. Ось чому я пропоную цю просту аналогію з водною системою, яку будь-який бажаючий може легко уявити собі і зрозуміти, не вникаючи в закони.

Резистори, струм і напруга

Зверніть увагу, як електричний струм схожий на потік води з повного резервуара (високої напруги) в порожній(низька напруга). У цій простій аналогії води з електричним струмом, клапан аналогічний струму обмежувального резистора.
З цієї аналогії можна вивести деякі правила, які ви повинні запам'ятати назавжди:
- Скільки струму втікає в вузол, стільки і випливає з нього
- Для того щоб протікав струм, на кінцях провідника повинні бути різні потенціали.
- Кількість води у двох посудинах можна порівняти з зарядом батареї. Коли рівень води в різних судинах стане однаковою, вона перестане текти, і при розряді акумулятора, різниці між електродами не буде і струм перестане текти.
- Електричний струм буде збільшуватися при зменшенні опору, як і швидкість потоку води буде збільшуватися зі зменшенням опору клапана.

Я міг би написати набагато більше умовиводів на основі цієї простої аналогії, але вони описані в законі Ома нижче.

Резистор

Резистори, струм і напруга

Резистори можуть бути використані для контролю і обмеження струму, отже, основним параметром резистора є його опір, який вимірюється в Омах. Не слід забувати про потужності резистора, яка вимірюється у ватах (Вт), і показує, яка кількість енергії резистор може розсіяти без перегріву і вигорання. Важливо також відзначити, що резистори використовуються не тільки для обмеження струму, вони також можуть бути використані в якості подільника напруги для отримання низької напруги з більшого. Деякі датчики засновані на тому, що опір варіюється в залежності від освітленості, температура або механічного впливу, про це докладно написано в кінці статті.

Закон Ома

Резистори, струм і напруга

Зрозуміло, що ці 3 формули виведені з основної формули закону Ома, але їх треба вивчити для розуміння більш складних формул і схем. Ви повинні бути в змозі зрозуміти і уявити собі сенс будь-якої з цих формул. Наприклад, у другій формулі показано, що збільшення напруги без зміни опору призведе до зростання струму. Тим не менш, збільшення струму не збільшить напругу (хоча це математично вірно), тому що напруга - це різниця потенціалів, яка буде створювати електричний струм, а не навпаки (див. аналогію з 2 ємностями для води). Формула 3 може використовуватися для обчислення опору токоограничивающего резистора при відомому напрузі і струмі. Це лише приклади, що показують важливість цього правила. Ви самі дізнаєтеся, як використовувати їх після прочитання статті.

Послідовне і паралельне з'єднання резисторів

Розуміння наслідків паралельного або послідовного з'єднання резисторів дуже важливо і допоможе вам зрозуміти і спростити схеми з допомогою цих простих формул для послідовного і паралельного опору:

Резистори, струм і напруга

У цьому прикладі схеми, R1 і R2 з'єднані паралельно, і можуть бути замінені одним резистором R3 у відповідності з формулою:

Резистори, струм і напруга

У випадку з 2-ма паралельно з'єднаними резисторами, формулу можна записати так:
Резистори, струм і напруга

Крім того, що цю формулу можна використовувати для спрощення схем, вона може бути використана для створення номіналів резисторів, яких у вас немає.
Зазначимо також, що значення R3 буде завжди менше, ніж у 2 інших еквівалентних резисторів, так як додавання паралельних резисторів забезпечує додаткові шляхи
електричного струму, знижуючи загальний опір ланцюга.

Резистори, струм і напруга

Послідовно з'єднані резистори можуть бути замінені одним резистором, значення якого дорівнює сумі цих двох, у зв'язку з тим, що це з'єднання забезпечує додатковий опір струму. Таким чином, еквівалентний опір R3 дуже просто обчислюється: R3=R1+R2

В інтернеті є зручні он-лайн калькулятори для розрахунку послідовного і паралельного з'єднання резисторів.

Струмообмежуючий резистор

Резистори, струм і напруга

Основна роль токоограничивающих резисторів - це контроль струму, який буде протікати через пристрій або провідник. Для розуміння їх роботи, давайте спочатку розглянемо просту схему, де лампа безпосередньо підключена до батареї 9В. Лампа, як і будь-яке інше пристрій, яке споживає електроенергію для виконання певного завдання (наприклад, светоизлучение) має внутрішній опір, яке визначає його поточне споживання. Таким чином, відтепер, будь-який пристрій може бути замінено на еквівалентний опір.

Резистори, струм і напруга

Тепер, коли лампа буде розглядатися як резистор, ми можемо використовувати закон Ома для розрахунку струму, що проходить через нього. Закон Ома свідчить, що струм, що проходить через резистор рівний різниці напруг на ньому, поділене на опір резистора: I=V/R або точніше так:
I=(V1-V2)/R
де (V1-V2) є різницею напруг до і після резистора.

Резистори, струм і напруга

Тепер зверніть увагу на малюнок вище, де доданий струму обмежувальний резистор. Він буде обмежувати струм йде до лампі, як це випливає з назви. Ви можете контролювати, кількість струму, що протікає через лампу, просто вибравши правильне значення R1. Великий резистор буде сильно знижувати струм, а невеликий резистор менш сильно (так само, як у нашій аналогії з водою).

Математично це запишеться так:

Резистори, струм і напруга

З формули випливає, що струм зменшитися, якщо значення R1 збільшиться. Таким чином, додатковий опір може бути використано для обмеження струму. Однак важливо відзначити, що це призводить до нагрівання резистора, і ви повинні правильно розрахувати його потужність, про що буде написано далі.

Ви можете скористатися он-лайн калькулятором для розрахунку токоограничительного резистора світлодіода.

Резистори як дільник напруги

Резистори, струм і напруга

Як випливає з назви, резистори можуть бути використані в якості подільника напруги, іншими словами, вони можуть бути використані для зменшення напруги шляхом ділення його. Формула:

Резистори, струм і напруга

Якщо обидва резистора мають однакове значення (R1=R2=R), то формулу можна записати так:

Резистори, струм і напруга

Резистори, струм і напруга

Інший поширений тип дільника, коли один резистор підключений до землі (0В), як показано на малюнку 6B.
Замінивши Vb на 0 у формулі 6А, отримуємо:

Резистори, струм і напруга

Вузловий аналіз

Тепер, коли ви починаєте працювати з електронними схемами, важливо вміти їх аналізувати і розраховувати всі необхідні напруги, струми і опору. Є багато способів для вивчення електронних схем, і одним з найбільш поширених методів є вузловою, де ви просто розміщуєте набір правил, і розраховуєте крок за кроком всі необхідні змінні.

Спрощені правила вузлового аналізу

Визначення вузла

Резистори, струм і напруга

Вузол - це будь-яка точка з'єднання в ланцюзі. Точки, які пов'язані один з одним, без інших компонентів між ними розглядаються як єдиний вузол. Таким чином, нескінченне число провідників в одну точку вважаються одним вузлом. Всі точки, які згруповані в один вузол, мають однакові напруги.

Визначення гілки

Резистори, струм і напруга

Гілка являє собою набір з 1 і більше компонентів, з'єднаних послідовно, і всі компоненти, які приєднані послідовно до цього ланцюга, розглядаються як одна гілка.

Резистори, струм і напруга

Всі напруги зазвичай вимірюються щодо землі 

Резистори, струм і напруга
напруга на якій завжди дорівнює 0 вольт.

Струм завжди тече від вузла з більш високою напругою на сайт з більш низьким.

Напруга на сайті може бути вирахувано з напруги близько вузла, з допомогою формули:
V1-V2=I1*(R1)
Перенесемо:
V2=V1-(I1*R1)
Де V2 є шуканим напругою, V1 є опорною напругою, яке відомо, I1 струм, що протікає від вузла 1 до вузла 2 і R1 являє собою опір між 2 вузлами.

Точно так само, як і в законі Ома, струм відгалуження можна визначити, якщо напруга 2х сусідніх вузлах і опір відомо:
I 1=(V1-V2)/R1

Поточний вхідний струм вузла дорівнює поточному вихідного струму, таким чином, це можна записати так: I 1+ I3=I2

Важливо, щоб ви були в змозі розуміти зміст цих простих формул. Наприклад, на малюнку вище, струм протікає від V1 до V2, і, отже, напруга V2 має бути менше, ніж V1.
Використовуючи відповідні правила в потрібний момент, ви зможете швидко і легко проаналізувати схему і зрозуміти її. Це вміння досягається практикою і досвідом.

Розрахунок необхідної потужності резистора

При купівлі резистора вам можуть задати питання: "Резистори якої потужності ви хочете?" або можуть просто дати 0.25 Вт резистори, оскільки вони є найбільш популярними.
Поки ви працюєте з опором більше 220 Ом, і ваш блок живлення забезпечує 9В або менше, можна працювати з 0.125 Вт або 0.25 Вт резисторами. Але якщо напруга більш 10В або значення опору менше 220 Ом, ви повинні розрахувати потужність резистора, або він може згоріти і зіпсувати прилад. Щоб вирахувати необхідну потужність резистора, ви повинні знати напруга через резистор (V) і струм, що протікає через нього (I):
P=I*V
де струм вимірюється в амперах (А), напруга в вольтах (В) і Р - розсіює потужність у ватах (Вт)

На фото надані резистори різної потужності, в основному вони відрізняються розміром.

Резистори, струм і напруга

Різновиди резисторів

Резистори можуть бути різними, починаючи від простих змінних резисторів (потенціометрів) до реагують на температуру, світло і тиск. Деякі з них будуть обговорюватися в цьому розділі.

Змінний резистор (потенціометр)

Резистори, струм і напруга
Резистори, струм і напруга

На малюнку вище показано схематичне зображення змінного резистора. Він часто згадується як потенціометр, тому що він може бути використаний в якості подільника напруги.

Резистори, струм і напруга

Вони розрізняються за розміром і формою, але всі працюють однаково. Висновки праворуч і ліворуч еквівалентні фіксованій точці (наприклад, Va і Vb на малюнку вище ліворуч), а середній висновок є рухомою частиною потенціометра, а також використовується для зміни співвідношення опору на лівому і правому висновках. Отже, потенціометр відноситься до делителям напруги, яким можна виставити будь-яку напругу від Va до Vb.
Крім того, змінний резистор може бути використаний як струму обмежує шляхом з'єднання висновків Vout і Vb, як на малюнку вище (праворуч). Уявіть собі, як струм буде текти через опір від лівого виводу до правого, поки не досягне рухомої частини, і піде за нею, при цьому, на другу частину піде дуже мало струму. Таким чином, ви можете використовувати потенціометр для регулювання струму будь-яких електронних компонентів, наприклад лампи.

LDR (світлочутливі резистори) і термістори

Є багато датчиків заснованих на резисторах, які реагують на світло, температуру або тиск. Більшість з них включаються як частина дільника напруги, яке змінюється в залежності від опору резисторів, що змінюється під впливом зовнішніх факторів.

Резистори, струм і напруга

Терморезистори

Резистори, струм і напруга

Фоторезистор (LDR)

Як ви можете бачити на малюнку 11A, фоторезистори розрізняються за розміром, але всі вони є резисторами, опір яких зменшується під впливом світла і збільшується в темряві. На жаль, фоторезистори досить повільно реагують на зміну рівня освітленості, мають досить низьку точність, але дуже прості у використанні і популярні. Як правило, опір фоторезисторів може варіюватися від 50 Ом при сонці, до більш ніж 10МОм в абсолютній темряві.

Резистори, струм і напруга

Як ми вже говорили, зміна опору змінює напруга з дільника. Вихідна напруга можна розрахувати за формулою:

Резистори, струм і напруга

Якщо припустити, що опір LDR змінюється від 10 МОм до 50 Ом, то Vout буде відповідно від 0.005 до 4.975 Ст.

Термістор схожий на фоторезистор, тим не менш, термістори маю набагато більше типів, ніж фоторезистори, наприклад, термістор може бути або з від'ємним температурним коефіцієнтом (NTC), опір якого зменшується з підвищенням температури, або позитивним температурним коефіцієнтом (PTC), опір якого буде збільшуватися з підвищенням температури. Зараз термістори реагують на зміну параметрів середовища дуже швидко і точно.

Схемотехнічне позначення резисторів

Резистори, струм і напруга

Про визначення номіналу резистора використовуючи колірну маркіровку можна почитати тут.

Tags

Коментарі до новини