Как найти напряжение на резисторах, подобрать элемент и рассчитать его падение

Что такое падение напряжения на резисторе

Электрический ток, проходящий по цепи, испытывает сопротивление, которое может изменяться под влиянием различных условий внешней среды (крайне низких температур или нагрева) и может зависеть от свойств конкретного проводника. Например, чем тоньше проводник или длиннее, тем он выше.

На стоимость влияют следующие факторы:

• сила тока;
• длина токопроводящих частей;
• напряжение;
• материал токопроводящих элементов;
• отопление (температура);
• площадь поперечного сечения.

Резисторы можно разделить на постоянные, переменные и подстроечные. Главное их отличие друг от друга — возможность менять показатель сопротивления. Чаще всего встречаются фиксированные противники — у них этот показатель изменить нельзя, поэтому они и получили такое название.

Переменные отличаются тем, что значение сопротивления в них можно регулировать. В подстроечном резисторе его тоже можно менять, но отличие этого варианта в том, что он не рассчитан на частую смену параметров. Подстроечные резисторы выполнены в более компактном корпусе по сравнению с переменными.

Для расчета падения напряжения на резисторе необходимо помнить, что уменьшение нагрузки, приложенной ко всей цепи (то есть напряжения, подключенного к цепи), можно получить как для всей цепи, так и для любого элемента цепи . Напряжение падает из-за сопротивления, которое имеют проводники.

Падение напряжения на резисторе зависит от силы проходящего тока и свойств проводников. Также важны значения температуры и тока. Например, напряжение, измеренное вольтметром на лампочке, подключенной к сети 220 В, будет несколько ниже из-за сопротивления лампочки.

Блоки питания имеют разные уровни напряжения. Это значение может превышать то, что необходимо на выходе. Чтобы управляемая нагрузка не перегорела, часто необходимо понизить напряжение, например, с помощью резисторов.

Сравнительная таблица напряжений

Источник питания	Напряжение
Никель-кадмиевая батарея	1,2 В
Литий-железо-фосфатная батарея	3,3 В
Тип батареи «Крона»	9 В
Автомобильный аккумулятор	12 В
Грузовой аккумулятор	24 В

В этом случае резистор должен уменьшать ток, протекающий по цепи. При этом ток не превращается в тепло, происходит именно его ограничение. То есть при подключении резистора к цепи ток будет падать — это работа резистора, где нагревается элемент.

В общем случае падение напряжения можно рассчитать по простой формуле, связывающей индикаторы друг с другом.

Но в некоторых случаях, например, при параллельном соединении резисторов, рассчитать требуемое значение уже сложнее. В этом случае по специальной формуле необходимо будет привести сопротивления параллельных ветвей к одному числу:

Р = Р1*Р2 / (Р1+Р2)

При необходимости учитываются и другие сопротивления, добавляемые к этому значению (например, сопротивление провода и источника питания).

Понятие и определение

Параллельное соединение резисторов имеет некий принцип, по которому выводы одного изделия соединяются между собой и работают с аналогичными выводами другого. Подобные решения предназначены специально для формирования более сложных по композиции и компоновке форм.

Что ещё нужно учитывать

Параллельное соединение определяет принцип, согласно которому значение, заданное обратным общему значению цепи, будет прямо равно сумме обратных значений включенных проводников. Такая же ситуация будет отмечена и при значительно большем числе элементов-лидеров.

Особенности включения

Параллельное соединение резисторов обеспечивает то, что показатель напряжения будет везде одинаковым, а ток зафиксирован пропорциональным.

Виды резисторов

В электронной промышленности используется множество типов резисторов. Давайте рассмотрим самые важные из них.

Постоянные резисторы

Постоянные резисторы выглядят примерно так:

Слева мы видим большой зеленый резистор, рассеивающий большую мощность. Справа крошечный резистор SMD, который рассеивает очень небольшой ток, но при этом отлично выполняет свою работу. О том, как определить сопротивление резистора, вы можете прочитать в статье маркировка резисторов.

Вот так выглядит постоянный резистор в электрических цепях:

Наше отечественное изображение резистора изображено в виде прямоугольника (слева), а зарубежный вариант (справа), или, как говорят, буржуйский, используется в зарубежных радиокругах.

Вот как отмечается сила советских противников:

Кроме того, мощность обозначена римскими цифрами. В — 5 ватт, Х — 10 ватт, Л — 50 ватт и т.д.

Какие еще типы резисторов существуют? Давайте рассмотрим самые распространенные из них:

20-ваттный стеклянный провод, 20-ваттные ручки, 30-ваттный стеклянный провод, 5-ваттные и 20-ваттные уши

1, 3, 5 Вт керамические; 5,10,25, шнур 50 ватт

2, 1, 0,5, 0,25, 0,125 Вт карбоновая конструкция; Резистор SMD типоразмеров 2010, 1206, 0805, 0603.0402; Блок резисторов SMD, 6,8,10-контактный блок резисторов, резистор в корпусе DIP

Переменные резисторы

Переменные резисторы выглядят так:

Схемы обозначены следующим образом:

Соответственно отечественная и зарубежная версии.

А вот их распиновка (распиновка):

Переменный резистор, контролирующий напряжение, называется потенциометром, а резистор, контролирующий ток, называется реостатом. Это принцип для делителя напряжения и делителя тока соответственно. Отличие потенциометра от реостата в схеме подключения самого переменного резистора. В цепи с реостатом переменного сопротивления соединены средний и крайний выводы.

квадратный идентификатор = 1

Переменные резисторы, сопротивление которых можно изменить только отверткой или шестигранным ключом, называются подстроечными переменными резисторами. Имеют специальные пазы для регулировки сопротивления (отмечены красной рамкой):

А так обозначаются подстроечные резисторы и схемы их включения в реостатном и потенциометрическом режимах.

Термисторы

Термисторы представляют собой резисторы на основе полупроводниковых материалов. Их сопротивление сильно зависит от температуры окружающей среды. Это такой важный параметр термисторов, как ТКС — коэффициент теплового сопротивления. Грубо говоря, этот коэффициент показывает, насколько изменится сопротивление термистора при изменении температуры окружающей среды.

Этот коэффициент может быть как отрицательным, так и положительным. Если ТКС отрицательный, такой термистор называется термистором, а если ТКС положительный, такой термистор называется позистор. Для термисторов при повышении температуры окружающей среды сопротивление уменьшается. У позиторов с повышением температуры окружающей среды сопротивление также увеличивается.

Так как термисторы имеют отрицательный коэффициент (НТК — отрицательный температурный коэффициент — отрицательный ТКС), а позисторы — положительный коэффициент (РТС — положительный температурный коэффициент — положительный ТКС), то на схемах они будут обозначаться соответственно.

Варисторы

Также существует особый класс резисторов, резко меняющих свое сопротивление при увеличении напряжения, — это варисторы.

Это свойство варисторов широко используется для защиты от перенапряжений в цепи, а также от импульсных перенапряжений. Допустим, у нас «подскочило» напряжение. Это все «понюхал» варистор и тут же резко поменял сопротивление в меньшую сторону.

Так как сопротивление варистора стало очень маленьким, через него сразу же начнет протекать весь электрический ток, защищая, таким образом, силовую цепь электронного устройства. В этом случае варистор забирает на себя всю мощность импульса и очень часто расплачивается за это своим ресурсом, тогда он намертво сгорает

На схемах варисторы обозначаются так:

Основы электротехники

Закон Ома гласит, что напряжение равно произведению силы тока на сопротивление. Это может относиться к цепи в целом, к части цепи или к конкретному резистору. Наиболее распространенная форма этого закона записывается:

U=ИК

Последовательная цепь

Здесь ток течет по одному проводнику. С какими бы сопротивлениями он ни столкнулся, вы просто суммируете их, чтобы получить общее сопротивление цепи в целом:

Rобщ = R1 + R2 +… + RN (последовательная цепь)

 

Параллельная цепь

В этом случае проводник разветвляется на два и более других проводника, каждый из которых имеет свое сопротивление. В этом случае импеданс определяется как:

1/Rtot = 1/R1 + 1/R2 +… + 1/RN (параллельное соединение)th

Если посмотреть на эту формулу, то можно сделать вывод, что добавляя сопротивление на ту же величину, вы уменьшаете сопротивление цепи в целом. Согласно закону Ома, это фактически увеличивает ток!

Если это кажется нелогичным, представьте себе поток автомобилей, выезжающих с парковки через один барьер, и тот же поток, выезжающий с парковки, имеющей несколько выездов. Больше выездов явно увеличит поток машин, покидающих автостоянку.

Читайте также: Можно ли ставить холодильник рядом с батареей отопления?

Закон Ома для электрической цепи

Расчет входного и выходного напряжения схемы основан на законе Ома, известном еще со школьной скамьи по физике. Основная формула расчета напряжения на участке цепи выглядит так:

Определить напряжение в цепи переменного тока можно по следующей формуле:

U=I/Z, где

в этой формуле Z обозначает сопротивление (Ом), полученное по всей цепи.

В некоторых случаях показатели не могут быть рассчитаны непосредственно по этим формулам.

1. В случаях, когда проводники или диэлектрики подвергаются воздействию высокого напряжения.
2. В случаях быстро меняющихся электромагнитных полей при прохождении токов высокой частоты. В этом случае также необходимо учитывать инерцию частиц, несущих заряд.
3. В условиях появления сверхпроводящих свойств, если цепи работают при экстремально низких температурах.
4. Когда проводник нагревается током, протекающим по нему.
5. Для светодиодов. Зависимость между током и падением напряжения в этом случае нелинейна.
6. Для процессов в устройствах на основе полупроводников.

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

Расчет при последовательном соединении

При последовательном соединении элементы следуют друг за другом, а выход предыдущего подключается ко входу следующего. Общее сопротивление в этом случае можно рассчитать по формуле:

R = R1 + R2 +… + Rn, где

R1…Rn – сопротивление n элементов (Ом).

Расчет для параллельного соединения

При параллельном соединении оба элемента схемы соединены параллельно друг с другом. В этом случае сопротивление получается через дробь, формула для расчета выглядит так:

1/R = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn, где

R1… Rn — сопротивление n элементов (Ом).

Обратите внимание на следующее! При проектировании схем агрегатов обычно применяют комбинированные соединения. Для расчета сопротивления схему упрощают, причем сначала определяют полное сопротивление для участков с параллельным соединением, а затем суммируют, как для цепи с последовательным соединением элементов.

Для упрощения и ускорения расчетов можно сделать это онлайн.

Единица измерения сопротивления резистора

В Международной системе единиц (СИ) сопротивление измеряется в омах, единица, названная в честь физика Георга Ома, который также открыл известный закон электрических цепей. Международное обозначение выглядит так: Ω. Физический смысл этой единицы следующий:

Сопротивление проводника 1 Ом при силе тока 1 А и напряжении на концах проводников 1 В.

Его можно измерить с помощью прибора, называемого омметром.

Для справки. В системе CGS сопротивление не имеет определенного названия, но в расширениях используется стат (1 статОм; рассчитывается как ток 1 стат-ампер, деленный на напряжение 1 статвольт) и абом (1 абОм = 1 * 10-9 Ом, наноом; его расчет равен току 1, который делит абампер на напряжение 1 абвольт).

Размерность этой величины в СГСЭ и системе Гаусса равна TL-1, в СГСМ — LT-1. Обратная величина – электрическая проводимость, ее единица измерения – сименс (См), статический сименс или абсименс для разных систем соответственно.

Существует большое разнообразие резисторов с широким диапазоном стандартных значений сопротивления. Рассмотрим связь между этими наименованиями и различными префиксами, используемыми для их обозначения.

Приставка кило- (килоом):

1 кОм равен 1000 Ом

Приставка мега- (мегаом):

1 МОм соответствует 1000 кОм или 1 000 000 Ом

Часто значения противников наносятся прямо на их прикрытие. Это очень практично. Рассмотрим номинал вашей деноминации более подробно.

Номинал резистора равен сопротивлению. Раньше оппоненты были достаточно крупными, поэтому все значения писались исключительно на их корпусах обычными буквами. Помимо сопротивления резистора, они могут также указывать класс точности или эффект рассеяния.

Сопротивление является основной характеристикой резистора. Что это такое и как рассчитывается, было описано выше, поэтому теперь подробнее рассмотрим особенности их обозначения.

Для обозначения значения, не превышающего 1 КОм, после цифры, обозначающей значение сопротивления, ставится R (или значение указывается вообще без буквы). На резисторах, которые производятся давно, можно встретить слово Ом. Позже принятое обозначение было изменено, теперь оно используется в формате:

целочисленное значение — R — дробный остаток

Примеры обозначения:

300 = 300 Ом
200 Р = 200 Ом

Современные обозначения выглядят так:

4R02 = 4,02 Ом
2R2 = 2,2 Ом

Если значение меньше 1 Ом, ноль в начале обозначения опускается:

0R5=R5=0,5 Ом

Если сопротивление больше тысячи Ом, для упрощения записи используют специальные приставки (мега-, кило-). Очень большие значения этого значения практически не встречаются, поэтому потребность в префиксах Tera и Giga возникает крайне редко. Примеры обозначения:

К200 = 200 Ом
2К0 = 2 КОм = 2000 Ом
M200 = 0,2 МОм = 200 кОм = 100 000 Ом
3M0 = 3 МОм = 3 000 КОм = 3 000 000 Ом

Кроме того, можно учитывать следующую характеристику – удельное сопротивление.

Бывает, что необходимо также рассчитать удельное сопротивление. Измеряется в Ом*м.

Для однородного проводника расчетное удельное сопротивление находится следующим образом:

R = (p*l)/S, где

l – длина отрезка проводника (м),

S — площадь поперечного сечения элемента проводника (м2)

Характеристика мощности резистора

Мощность электрического тока на участке цепи можно найти через произведение силы тока в нем на напряжение на этом участке. Формула выглядит следующим образом:

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

P — значение мощности (Вт).

Резистор работает на уменьшение силы тока, при этом выделяя тепло в окружающее пространство. Однако если работа по ограничению тока очень велика и тепло выделяется слишком быстро, то он перегреется и может перегореть, так как не успеет его рассеять. Этот момент следует учитывать при выборе мощности резистора

Важно! Резистивная мощность — очень важный параметр, который необходимо учитывать при разработке электрических схем устройств.Омическая мощность характеризуется максимальным током, который он может выдержать без перегрева и без выхода из строя.

Расчет мощности резистора

Определим мощность резистора на примере цепи с включенной нагрузкой. Например, у нас ток 0,4А, а падение напряжения на резисторе 5В. Таким образом, расчет будет выглядеть так:

Р=И*В;

0,4 А * 5 В = 2 Вт.

Поэтому здесь необходим резистор мощностью не менее двух ватт. Лучше, если эта характеристика будет немного выше, чтобы резистор не перегрелся и не вышел из строя.

Как понизить напряжение с помощью резистора

Чтобы нагрузка не перегорела, часто приходится уменьшать входное напряжение. Самый простой способ сделать это — использовать схему с двумя резисторами, более известную как делитель напряжения.

В этом случае напряжение подается на два резистора посредством параллельного соединения, а на выходе снимается с одного. Выбор значений сопротивлений осуществляется по формуле так, чтобы снятое на выходе напряжение было частью приложенного напряжения. Расчет сопротивления падению напряжения можно произвести по формуле, основанной на законе Ома:

Uвых= (Uвх*R2)/(R1+R2), где

Uвх – входное напряжение, В;

Uвых – выходное напряжение, В

R1 — индекс сопротивления. 1 сопротивление (Ом)

R2 — индекс сопротивления. 2 элемент, (Ом)

Смешанное соединение

Что делать, если в цепи есть как параллельные, так и последовательные резисторы? В этом случае общее сопротивление рассчитывается по секциям. При этом можно перерисовать схему, заменить составные резисторы одним «прямоугольником», но выложить над ним расчетный результат.

Пример расчета сопротивления при смешанном соединении резисторов. Рассматриваем исходную схему как набор параллельных и последовательных соединений

Шаг 1. Нашли общее сопротивление последовательно соединенных резисторов R3 и R4:

R3-4 = 3 кОм + 3 кОм = 6 кОм;

Шаг 2. Рассчитаем сопротивление параллельно соединенных резисторов R2 и R3-4:

R2-4 = 3 кОм * 6 кОм / (3 кОм + 6 кОм) = 18 кОм / 9 кОм = 2 кОм;

Шаг 3. Рассчитаем общее сопротивление последовательно соединенных резисторов R1 и R2-4:

R1-4 = R1 + R2-4 = 1 кОм + 2 кОм = 3 кОм.

Практическое применение параллельного и последовательного соединения резисторов

Почему практически можно использовать параллельное и последовательное соединение резисторов? Бывает, что при ремонте электронной техники не всегда имеется сопротивление нужного значения. За одну крону сходить в магазин дорого. Здесь могут пригодиться составные противники. Вам просто нужно соединить их последовательно или параллельно, выбрать нужное значение.

Последовательное и параллельное соединение резисторов используется для выбора нужного номинала. Проверить точное значение результирующего сопротивления можно с помощью цифрового мультиметра

При соединении с противниками сначала выкручиваются ноги. Неважно, как вы перевернете резистор (в отличие от диодов, резисторы пропускают одинаковый ток в обоих направлениях). На концах скрутку слегка обжимают пассатижами, затем припаивают. Следите, чтобы корпуса находились далеко друг от друга — тогда они будут лучше охлаждаться при работе.

Подведем итоги

В целом, падение напряжения является одной из наиболее важных проблем в электротехнике и должно быть хорошо изучено. Итак, подытожим полученные знания в нескольких пунктах:

• Напряжение определяет количество энергии, которое имеет каждый электрон: чем выше напряжение, тем больше энергии отдает каждый электрон. Но будьте осторожны, потому что, хотя энергии может быть слишком мало, ее может быть и слишком много. Слишком высокое напряжение – основная сила, разрушающая хрупкую электронику.
• Напряжение падает только при протекании электричества — падение напряжения отражает потребляемую энергию, а энергия может быть использована только тогда, когда она физически поставляется электронами. Поэтому падение напряжения происходит только тогда, когда цепь замкнута и протекает ток.
• Энергия распределяется между всеми энергоприемниками — один резистор берет на себя все — два или более уже должны быть общими. Их сопротивление определяет, сколько энергии они получают. Большее сопротивление означает большее падение напряжения, меньшее сопротивление означает меньшее потребление тока.
• Провода тоже вызывают перепады напряжения — все кабели имеют некоторое сопротивление, поэтому электрикам так важно правильно выбрать. Дело в том, что падение напряжения на кабелях должно быть как можно меньше, чтобы энергия доходила до потребителей без больших потерь.

Иногда люди не до конца понимают, что отвечает за движение электронов к батарее, поскольку напряжение между батареей и нитью накала равно 0. Поскольку электроны имеют остаточную силу, это также означает, что у них осталась некоторая кинетическая энергия.

Электроны, которые выталкиваются вперед в цепной реакции, также должны иметь некоторую остаточную энергию. Значит ли это, что напряжение, потребляемое проводами, не будет равно напряжению аккумулятора?

Дело в том, что утверждения «Напряжение между лампочкой и аккумулятором равно 0 В» и «После выхода из лампочки в них еще есть энергия» несколько спорны. Если это энергия, то почему напряжение равно 0 В? Объясняем: лампочка берет энергию от электронов, потому что у нее есть сопротивление, но и провода от батарейки к лампочке тоже.

При анализе всей цепи получается, что лампочка забирает 99,8% энергии, провод с одной стороны — 0,1% энергии, а провод с другой стороны тоже 0,1% энергии.

Теперь: Электроны покидают батарею. К моменту, когда они добрались до лампочки, они уже потеряли 0,1% из-за проводников. В лампочке они теряют еще 99,8% своей энергии, а когда покидают ее, у них остаются последние 0,1% энергии, чтобы покрыть другую половину цепи и дойти до батареи.

И даже если счетчик покажет, что там уже 0 В, если бы он был очень точным, это означало бы, что на самом деле там напряжение 0,0001 В. Это остаточная энергия, которая осталась, чтобы пересечь последний участок провода и теперь аккумулятор.

Так что резюмирую — лампочка никогда не будет потреблять ровно столько напряжения, сколько дает аккумулятор, потому что это напряжение тоже съедается проводами. На самом деле сопротивление проводов настолько мало по сравнению с лампочкой, что для простоты примем его равным 0 В.

Если только лампочка не находится в нескольких километрах от батареи, большую роль будет играть сопротивление проводов лампы.