Як знизити постійну та змінну напругу

У деяких випадках виникає питання зниження напруги до рівня. Ця ситуація складається, наприклад, якщо є джерело живлення, вихідний рівень якого перевищує допустиме значення для споживача, або коли треба обмежити можливу напругу, наприклад, на датчику, щоб уникнути виходу його з ладу.

Принципи роботи зниження напруги

Зменшити рівень напруги на навантаженні можна у різний спосіб. Ці методи залежать від роду струму, споживаного пристроєм, потужності навантаження, бажаного ККД і т.п. Застосовуються переважно два способи зниження вольтажу:

1. Використання гасять елементів (баласту).
2. Перетворення рівня.

У першому випадку послідовно з навантаженням включають додатковий пасивний елемент, на якому падає надлишок напруги. У другому застосовують спеціальні пристрої, що перетворюють напругу одного рівня на напругу іншого рівня (так можна не тільки знижувати, а й підвищувати напругу). Кожен метод має свої переваги та недоліки, і вони залежать ще й від реалізації способу.

Якщо застосовується принцип формування напруги методом широтно-імпульсної модуляції, зміна рівня напруги може здійснюватися зміною (зниженням) ширини імпульсу – вручну чи автоматично через зворотний зв'язок.

Способи обмеження напруги

Насправді застосовуються різні рішення зниження напруги. Кожне має свою сферу застосування, а також власні переваги та недоліки.

Резистором

Найпростіший спосіб зменшити напругу – включити послідовно з навантаженням резистор. Вийде дільник напруги, одне плече якого становить баласт, а друге – навантаження.Розрахувати опір резистора можна за формулою R=U/I, де:

• R - Необхідний опір, Ом;
• U - Необхідне падіння напруги;
• I - Струм через навантаження.

Треба враховувати, що додатковий елемент обмежуватиме струм у ланцюгу, тому, можливо, доведеться точніше підібрати резистор до отримання потрібного значення напруги на навантаженні.

Резистор як елемент, що гасить

Головний недолік цього способу в тому, що падіння напруги на резистори залежить від струму, що споживається навантаженням. Якщо струм змінюватиметься, змінюватиметься і падіння напруги. Другий момент - на баласті розсіюється (марно витрачається) потужність, що залежить як від струму, так і від надлишку напруги (P = U * I). Резистор має бути розрахований на відповідний режим.

Зменшити вплив струму навантаження можна за допомогою дільника, обидва плечі якого утворюють резистори. У цьому випадку напруга на резисторах R1 і R2 розділяться пропорційно до їхніх опорів. Через верхній резистор йде струм дільника Iдел і струм навантаження Iнагр, через нижній - тільки струм дільника. Якщо вибрати співвідношення резисторів дільника і навантаження так, щоб опір навантаження було мінімум на порядок вище опору резистора нижнього плеча, зміна струму навантаження мало впливатиме на падіння напруги на паралельному ланцюгу з резистора і навантаження. Недолік такої схеми – велика марна витрата потужності через резистори R1 і R2 – він теж мінімум на порядок буде вищим за потужність, що споживається навантаженням.

Зниження напруги за допомогою резистивного дільника

Обидва підходи можна використовувати як у ланцюгах змінної напруги, і постійного.

Конденсатором

У ланцюгах змінного струму замість резистора можна використовувати конденсатор.Перевага такої побудови схеми – теоретична відсутність тепловиділення, при цьому не потрібно вирішувати проблему відведення тепла (насправді певне виділення теплової енергії має місце в діелектриці і залежить від його якості).

Конденсатор як баласт

Можна включити конденсатор як опір, що гасить - на ньому впаде частина напруги. Опір, як функцію частоти та ємності, можна розрахувати за формулою Rx=1/(2*π*f*C), а падіння напруги, як U=I/(2*π*f*C), де:

• U - Падіння напруги на елементі, що гасить, В;
• I - Струм у ланцюгу, А;
• f - Частота струму в ланцюгу, Гц;
• З - Місткість конденсатора, Ф.

Очевидно, що чим менше ємність конденсатора, тим вищий його опір.

Необхідне значення ємності розраховується за формулою З=I/(U*2*π*f*), де:

• З - Потрібна ємність, Ф;
• I - Струм у ланцюгу, А;
• U – потрібне падіння напруги на конденсаторі.

Для практичних розрахунків, можливо, доведеться перерахувати всі формули для дольних (можливо, кратних) одиниць – ємність у мікрофаради, струм – у міліампери тощо.

Як знизити напругу 12?

Відповідно до ПУЕ для живлення переносного освітлення має застосовуватися напруга не вище 50 Вольт, а при роботі в особливо небезпечних та замкнутих просторах – 12 Вольт (ПУЕ 6.1.16-18). При цьому живлення має здійснюватись через трансформатори. Це потрібно для того, щоб унеможливити ураження електричним струмом. Та й не завжди вихідні параметри блоків живлення чи акумуляторів дозволяють підключити гаджети чи іншу електроніку. У зв'язку з цим ми розповімо у тому, як знизити напруга постійного і змінного струму до потрібного вам значення.

Знижуємо змінну напругу

Розглянемо типові ситуації, коли потрібно опустити напругу, щоб підключити прилад, який працює від змінного струму, але напруга живлення не відповідає звичним 220 Вольтам. Це може бути як різна побутова техніка, інструмент, так і згадані вище світильники.

Підключення побутової техніки зі США на 110 В до мережі 220 В

Мабуть, найчастіша ситуація виникає, коли людина купує із зарубіжних інтернет-магазинів якийсь прилад, а після її отримання визначає, що вона розрахована на харчування від 110 Вольт. Перший варіант - це перемотати трансформатор живлення, але більшість приладів працюють від імпульсного джерела живлення, а для підключення електроінструменту - краще взагалі обійтися без перемотування. Для цього необхідно використовувати понижувальний трансформатор. Крім цього, ви можете знизити напругу в мережі за допомогою автотрансформатора або звичайного трансформатора з відведеннями від первинної обмотки на 110-127В - такі часто зустрічалися в радянських телевізорах та інших електроприладах.

Однак при використанні такого включення трансформатора, якщо відбудеться, обрив частини обмотки після відведення 110 Вольт (див. малюнок нижче) всі 220В підійдуть на прилад і він вийде з ладу.

Якщо говорити про готові пристрої, то можна звернути увагу на автотрансформатори «ШТІЛЬ».

Важливо! При покупці трансформаторів або автотрансформаторів враховуйте номінальний струм його обмоток та потужність, яку він витримає.

Більш надійним варіантом вирішення проблеми буде знизити напругу з 220 до 110В або 220 до 127В за допомогою трансформатора. На ринку є безліч компаній, які продають такі вироби, переважно це тороїдальні трансформатори.Вони бувають у металевих боксах або корпусах менших розмірів із вбудованою розеткою, а також у вигляді адаптерів у пластикових корпусах.

Підіб'ємо підсумки, перерахувавши основні вимоги до трансформатора для живлення 110В приладів:

1. На виході трансформатора має бути 110В, але в вході – 220В.
2. Потужність трансформатора повинна бути більшою ніж потужність приладу, що підключається хоча б на 20%.
3. Бажано захистити первинний та вторинний ланцюг за допомогою запобіжника.
4. Доступ до висновків високої напруги має бути обмеженим, а всі з'єднання ізольовані.

Знижуємо напругу для живлення низьковольтних світильників

На початку статті ми згадали про те, що переносний світильник повинен живитись від зниженої напруги. У побуті це питання буде особливо актуальним для автолюбителів під час ремонту автомобіля в гаражі. Такі ж світильники використовуються і як місцеве джерело світла на верстатах (свердлильних, токарних, заточувальних та інших).

Для того, щоб знизити напругу з 220 до 36В, можна використовувати трансформатори марки:

• ВЗГ 0.25 220/36В;
• ОСМ 0.063кВт 220/36;
• ОСЗР 0.063кВт 220/36В;
• Ящик з понижувальним трансформатором ЯТП-0,2522036В (це готове рішення в металевому корпусі для монтажу в приміщеннях, клас захисту IP54).

Для зниження напруги з 220 до 12В можна використовувати трансформатори марки:

• ОСО25 220/12В;
• TRS 300W AC 220 B-AC 12B (тороїдальний не займає багато місця);
• 30ВА, 230/12В, 2,5А INDEL TSZS30/005M (маломощний для встановлення на DIN рейку).

Зниження напруги у будинку

Поряд із стрибками в електромережі часто виникає проблема з підвищеною та зниженою напругою. Це призводить до передчасного виходу з експлуатації нагрівальних приладів, ламп та інших пристроїв у споживача.Допустимо вам потрібно знизити напругу з 260 до 220В, отже ваш вибір – використання стабілізатора напруги. Вони бувають різних типів, найдешевший із них – релейний, по суті це автотрансформатор, у якому реле автоматично перемикають відводи від обмотки.

Якщо вам потрібно захистити конкретний прилад, наприклад комп'ютер - використовуйте малопотужні моделі потужністю близько 1000 ВА (1 кВа), такі як SVEN VR-L1000, його вартість 17-20 доларів. Але врахуйте, що активна вихідна потужність у них менша за зазначену повну у Вольт-Амперах. Наприклад, модель на 1 кВА може живити навантаження до 0,3-0,4 кВт. Також дивіться характеристики. Вказана модель витримує до 285 Вольт, але більшість моделей упираються в 260 В.

Щоб захистити весь будинок у більшості випадків вистачить моделі RUCELF SRWII-12000-L її повна потужність 12000 ВА, а здатність навантаження по активній потужності - 10000 Вт. Він витримує вхідну напругу до 270В.

Більш докладно дізнатися про те, як вибрати стабілізатор напруги та які бувають стабілізатори, ми розповідали у статтях:

Баластний конденсатор для живлення малопотужних пристроїв

Для живлення малопотужних пристроїв можна обійтися без трансформатора одним конденсатором. Така схема називається безтрансфторматорний блок живлення на баластному конденсаторі. Принцип його роботи ґрунтується на обмеженні струму за допомогою реактивного опору ємності. Нижче ви бачите варіанти її реалізації.

Розрахунок ємності баластного конденсатора для бестранформаторного живлення проводиться виходячи із споживання струму навантаженням та напруги її живлення.

Або за такою формулою результат вони дають приблизно однаковий:

До речі, вираз під коренем в результаті при розрахунках конденсаторів для живлення пристроїв від 5-20В дає приблизно 220 або значення дорівнює Uвхідному.

Таке джерело живлення підходить для підключення приймачів, світлодіодів, нічників, заряджання невеликих акумуляторів та інших малопотужних споживачів.

Знижуємо постійну напругу

При конструюванні електроніки нерідко виникає необхідність зниження напруги наявного блоку живлення. Ми також розглянемо кілька типових ситуацій.

Якщо ви працюєте з мікроконтролерами – могли помітити, деякі з них працюють від 3 Вольт. Знайти відповідні блоки живлення буває непросто, тому можна використовувати зарядний пристрій телефону. Тоді вам потрібно зменшити його вихід з 5 до 3 Вольт (3,3В). Це можна зробити, якщо опустити вихідну напругу блоку живлення шляхом заміни стабілітрона в ланцюзі зворотного зв'язку. Ви можете досягти будь-якої напруги як підвищеної, так і зниженої – встановивши стабілітрон потрібного номіналу. Визначити його можна методом підбору, на схемі нижче виділено червоним еліпсом.

А на платі він виглядає так:

На наступному відео автор демонструє таку переробку, тільки не зниження, але в підвищення вихідних параметрів.

На зарядних пристроях досконалішої конструкції використовується регульований стабілітрон TL431, тоді регулювання можливе заміною резистора або співвідношенням пари резисторів, залежно від схемотехніки. На схемі нижче вони позначені червоним.

Крім заміни стабілітрона на платі ЗУ, можна опустити напругу за допомогою резистора та стабілітрона - це називається параметричний стабілізатор.

Ще один варіант - встановити в розрив ланцюга ланцюжок з діодів. На кожному кремнієвому діоді впаде близько 0,6-0,7 Вольт.Так опустити напругу до потрібного рівня можна, набравши потрібну кількість діодів.

Часто виникає необхідність підключити пристрій до бортової мережі автомобіля, він коливається від 12 до 14,3-14,7 Вольт. Щоб знизити напругу постійного струму з 12 до 9 Вольт можна використовувати лінійний стабілізатор типу L7809, а щоб опустити з 12 до 5 Вольт – використовуйте L7805. Або їх аналоги ams1117-5.0 або ams1117-9.0 або amsr-7805-nz і подібні до будь-якої потрібної напруги. Схему підключення таких стабілізаторів зображено нижче.

Для живлення потужніших споживачів зручно використовувати імпульсні перетворювачі для зниження та регулювання напруги від джерела живлення. Прикладом таких пристроїв є плати на LM2596, а в англомовних інтернет-магазинах їх можна знайти за запитами DC-DC step down або DC-DC buck converter.

Насамкінець рекомендуємо переглянути відео, на яких наочно розглянуті способи зниження напруги:

Ось і всі найбільш раціональні варіанти, що дозволяють знизити напругу постійного та змінного струму. Сподіваємося, надана інформація була для вас корисною та цікавою!

Напевно, ви не знаєте: