Jak se měří napětí a proud?

Dnes krátce odbočím od mého obvyklého tématu vizuálního programování regulátorů a věnuji se tématu měření napětí právě tam, v zásuvce!

Tento článek se zrodil z diskuzí u čaje, kdy se mezi „vševědoucími a vševědoucími“ programátory rozhořel spor o to, čemu mnozí z nich nerozumí, totiž: jak se měří napětí v zásuvce, co ukazuje střídavý voltmetr, jaká je rozdíl mezi špičkovými a efektivními hodnotami napětí .

S největší pravděpodobností bude tento článek zajímat ty, kteří začínají vytvářet vlastní zařízení. Snad to ale pomůže někomu zkušenějšímu osvěžit paměť.

Článek hovoří o tom, jaká napětí existují ve střídavé síti, jak se měří a na co si pamatovat při navrhování elektronických obvodů.
Vše je stručně a zjednodušeně matematicky zdůvodněno, aby bylo jasné nejen „jak“, ale i „proč“.

Ti, kteří nemají zájem číst o integrálech, normách GOST a fázích, mohou okamžitě přejít k závěru.

Vstup

Když se začne mluvit o napětí v zásuvce, stereotyp „220 V v zásuvce“ jim velmi často skryje skutečný stav věcí.

Začněme tím, že podle GOST 29322-2014, síťové napětí by mělo být 230V±10% na frekvenci 50±0,2Hz (sdružené napětí 400V, fázově neutrální napětí 230V). Ale v tu samou dobu GOST je tam poznámka: „Nadále se však používají systémy 220/380 V a 240/415 V“.

Souhlasíte s tím, že to není vůbec tak jednoznačné“v zásuvce 220V“, na který jsme zvyklí. A když se začne mluvit o „fáze“”lineární“”aktuální“A”vrchol» napětí – obecně se kaše ukazuje jako pozoruhodná. Kolik voltů je tedy v zásuvce?

Chcete-li odpovědět na tuto otázku, začněme tím, jak se měří napětí v síti střídavého proudu.

Jak měřit střídavé napětí?

Než se ponoříme do džungle střídavých a napěťových obvodů, připomeňme si školní fyziku stejnosměrných obvodů.

Stejnosměrné obvody jsou jednoduchá věc. Pokud vezmeme nějakou aktivní zátěž (ať už je to obyčejná žárovka, jako na obrázku) a zapojíme ji do stejnosměrného obvodu, pak vše, co se děje v našem obvodu, bude charakterizováno pouze dvěma veličinami: napětím na zátěži U a proud protékající zátěží I. Výkon spotřebovaný zátěží se jednoznačně vypočítá pomocí vzorce známého ze školy: .

Nebo, pokud to vezmeme v úvahu podle Ohmova zákona, pak moc P, spotřebovanou zátěží žárovky, lze vypočítat pomocí vzorce.

S proměnným napětím je vše mnohem složitější: v každém časovém okamžiku může mít jinou okamžitou hodnotu. V důsledku toho se v různých okamžicích uvolní jiný výkon při zátěži připojené ke zdroji střídavého napětí (například žárovka zapojená do zásuvky). To je z hlediska popisu elektrického obvodu velmi nepohodlné.

Měli jsme ale štěstí: napětí ve vývodu je sinusové. A sinusoida, jak víte, je kompletně popsána třemi parametry: amplitudou, periodou a fází. V jednofázových sítích (a běžná zásuvka se dvěma otvory je přesně jednofázová síť) můžete zapomenout na fázi. Na obrázku jsou detailně znázorněny dvě periody jednofázového síťového napětí. Ten samý, co je ve vývodu.

Podívejme se, co všechna tato písmena na obrázku znamenají.

Období T je čas mezi dvěma sousedními minimy nebo sousedními maximy sinusoidy. Pro osvětlovací síť Ruské federace je toto období 20 milisekund, což odpovídá frekvenci 50 Hz. Frekvence kolísání napětí v elektrické síti je udržována velmi přesně, až na zlomek procenta.

Je zřejmé, že v libovolných dvou bodech sinusoidy, oddělených od sebe celočíselným počtem period, jsou napětí vždy rovna.

Amplituda Um – to je maximální napětí, vrchol sinusoidy. O efektivním napětí Ud Pojďme mluvit trochu níže.

Napětí v zásuvce (nebo v jednofázové síti) je popsáno vzorcem

kde t – aktuální okamžik, Um – amplituda (nebo špičková hodnota) napětí, T — perioda síťového napětí.

Pokud je vše víceméně jasné s jednofázovým střídavým napětím, zkusme vypočítat výkon, který vydává naše oblíbená žárovka, když je zapojena přímo do zásuvky.

Vzhledem k tomu, že žárovka je aktivní zátěž (což znamená, že její odpor nezávisí na frekvenci napětí a proudu), okamžitý výkon uvolněný žárovkou zapojenou do zásuvky se vypočítá podle vzorce

kde t je aktuální okamžik v čase a R – odpor žárovky s vyhřívanou spirálkou. Znalost amplitudy střídavého napětí Um, můžeme psát:

Je jasné, že okamžitý výkon je nepohodlný parametr a v praxi to není nijak zvlášť nutné. Proto se v praxi obvykle používá výkon zprůměrovaný za určité období.
Je to průměrný výkon, který je uveden na žárovkách, ohřívačích a dalších žehličkách pro domácnost.

Průměrný výkon se vypočítá v obecném případě pomocí vzorce:

A pro naši sinusoidu – podle mnohem jednoduššího vzorce:

Funkci můžete nahradit sami a vzít integrál, pokud mi nevěříte.

Nemyslete si, že jsem si na sílu vzpomněl jen ze zášti. Nyní pochopíte, proč jsme to potřebovali. Přejděme k další otázce.

Co ukazuje voltmetr?

U stejnosměrných obvodů je zde vše jasné – voltmetr ukazuje jediné napětí mezi dvěma kontakty.

U střídavých obvodů je vše opět složitější. Někteří (a těch není tak málo, jak jsem se přesvědčil) věří, že voltmetr ukazuje špičkovou hodnotu napětí Um, ale není tomu tak!

Vlastně voltmetry obvykle show herectví nebo efektivníto střední kvadratická, síťové napětí Ud.

Řeč je samozřejmě o voltmetrech střídavé napětí! Pokud tedy měříte síťové napětí voltmetrem, Ujistěte se, že je v režimu měření střídavého napětí.

Udělám výhradu, že existují také „špičkové voltmetry“, které ukazují hodnoty amplitudového napětí, ale v praxi se při měření napětí napájecí sítě v každodenním životě obvykle nepoužívají.

Pojďme zjistit, proč existují takové potíže. Proč prostě nezměřit amplitudu? Proč přišli s nějakou „efektivní hodnotou“ napětí?

Všechno je to o spotřebě energie. Nepsal jsem jen o ní. Faktem je, že efektivní (efektivní) hodnota střídavého napětí je rovna hodnotě takového stejnosměrného napětí, které za dobu rovnající se jedné periodě tohoto střídavého napětí vykoná stejnou práci jako příslušné střídavé napětí..

Nebo jednoduše řečeno, žárovka bude svítit stejně jasně, ať ji zapojíme do sítě s konstantním napětím 220V nebo do obvodu střídavého proudu s efektivní hodnotou napětí 220V.

Pro ty, kteří jsou již obeznámeni s integrály nebo ještě nezapomněli na matematiku, uvedu obecný vzorec pro výpočet efektivního napětí libovolného tvaru:

Z tohoto vzorce je také zřejmé, proč se efektivní (efektivní) hodnota střídavého napětí také nazývá „rms“.

Všimněte si, že radikální výraz je stejný „výkon zprůměrovaný za období“; stačí tento výraz vydělit odporem zátěže R.

Ve vztahu k sinusovému tvaru napětí se hrozný integrál po jednoduchých transformacích změní v jednoduchý vzorec:

kde Ud – efektivní nebo efektivní hodnota napětí (stejná, jakou obvykle ukazuje voltmetr), a Um — hodnota amplitudy.

Dobrá věc na efektivním napětí je, že pro aktivní zátěž se výpočet průměrného výkonu zcela shoduje s výpočtem stejnosměrného výkonu:

To není překvapivé, pokud si připomeneme definici hodnoty efektivního napětí, která byla uvedena výše.

A nakonec spočítejme, jaká je amplituda napětí v zásuvce.”na 220V“

V nejhorším případě, pokud máte síť 240V a dokonce i s tolerancí +10%, bude amplituda tolik!

Pokud tedy chcete, aby vaše zařízení napájená ze sítě fungovala stabilně a nevyhořela, vybírejte prvky, které vydrží špičková napětí min. 400V. Samozřejmě mluvíme o prvcích, které jsou přímo napájeny síťovým napětím.

Podotýkám, že pro nesinusový průběh je efektivní hodnota napětí vypočtena pomocí různých vzorců. Zájemci si mohou integrály vzít sami nebo se obrátit na referenční knihy. Zajímá nás napájecí síť a vždy by tam měla být sinusoida.

Fáze, fáze, fáze.

Kromě obvyklé jednofázové sítě osvětlení ~220V Každý slyšel o třífázové síti ~380V. Co je to? 380V? A tohle mezifázové efektivní napětí.

Pamatujete si, když jsem řekl, že v jednofázové síti můžete zapomenout na fázi sinusoidy? Takže toto nelze provést v třífázové síti!

Zjednodušeně řečeno, fáze je časový posun jedné sinusoidy vůči druhé. V jednofázové síti jsme mohli vždy vzít jako výchozí bod jakýkoli okamžik v čase – to neovlivnilo výpočty. V třífázové síti je nutné vzít v úvahu, jak daleko je jedna sinusoida od druhé. V třífázových střídavých sítích je každá fáze oddělena od druhé třetinou periody nebo o 120 градусов. Напомню, что период измеряется также в градусах и полный период равен 360 stupňů

Vezmeme-li osciloskop se třemi paprsky a zaměříme se na tři fáze a jednu nulu, uvidíme následující obrázek.

«Modrá» fáze – začíná od nulové reference. “Červená» fáze – na třetinu období (120 stupně) později. A nakonec “zelená» fáze začíná ve dvou třetinách období (240 stupně) později”modrý” Všechny fáze jsou vůči sobě absolutně symetrické.

Nezáleží na tom, kterou fázi vzít jako výchozí. Obrázek bude stejný.

Matematicky můžeme zapsat rovnice pro všechny tři fáze:

«Modrá» fáze:

«Červená» fáze:

«Zelená» fáze:

Pokud změříte napětí mezi některou z fází a nulou v třífázové síti, dostanete obvyklé 220V (nebo 230V nebo 240V – podle vašeho štěstí, viz GOST).

A pokud změříme napětí mezi dvěma fázemi, dostaneme 380V (nebo 400V nebo 415V – na to nezapomeňte).

To znamená, že třífázová síť má mnoho tváří. Lze jej použít jako tři jednofázové sítě s napětím 220V nebo jako jedna třífázová síť s napětím 380V.

Odkud to přišlo 380V? A odtud to pochází.

Pokud do vzorce pro výpočet efektivního napětí dosadíme naše údaje o libovolných dvou fázích, dostaneme:

Udf – aktuální rozhraníto lineární Napětí.

Vzhledem k tomu, že amplituda každé fáze získáme amplitudu pro mezifázové napětí. Obrázek jasně ukazuje, jak se tvoří mezifázové napětí, což je naznačeno F1-F2 dvoufázových napětí F1 и F2. Fázové napětí F1 и F2 měřeno vzhledem k nulovému vodiči. Síťové napětí F1-F2 měřeno mezi dvěma různými fázovými vodiči.

Jak vidíme, efektivní mezifázové napětí je větší než amplituda sinusového napětí jedné fáze.

Amplituda mezifázového napětí je:

V nejhorším případě (síť 240V a mezifázové napětí 415V, a dokonce 10% nahoře) amplituda mezifázového napětí bude:

Počítejte s tím při práci v třífázových sítích a volte prvky určené min 650V, pokud mají pracovat mezi dvěma fázemi!

Doufám, že je nyní jasné, co ukazuje AC voltmetr?

Závěr

Velmi stručně, téměř letmo jsme se tedy seznámili s tím, jaká napětí fungují v domácích střídavých sítích. Pojďme si stručně shrnout vše výše uvedené.

• Fázové napětí je napětí mezi fází a nulovým vodičem.
• Síťové nebo sdružené napětí je napětí mezi dvěma různými fázovými vodiči stejné třífázové sítě.
• V AC sítích Ruské federace existují tři, i když podobné, ale odlišné standardy (fázové/lineární): 220V/380V, 230V/400V a 240V/415V AC s frekvencí 50Hz.
• Střídavý voltmetr obvykle ukazuje herectví (to je střední kvadratickáto efektivní) napětí, které je několikanásobně menší než špičkové (amplitudové) napětí v síti.
• V nejhorším případě je špičkové fázové napětí přibližně 373 V a špičkové síťové napětí je 645 V. To je třeba vzít v úvahu při navrhování elektronických obvodů.

Návrhy a přání, překlepy a jen názory můžete posílat do komentářů nebo e-mailem: shiotiny@yandex.ru.

Při provádění elektroinstalačních prací na různých místech jsem narazil na to, že mnozí nerozumí základům elektrotechniky – pletou si nebo špatně definují pojmy napětí, proud, odpor. Proto pokaždé musíme vysvětlit základní věci. V této recenzi jsem se rozhodl vám říci, jak se měří napětí, co to je a na čem závisí, a také jaké existují metody výpočtu a metody jeho měření.

Pro práci s elektrickými obvody je důležité nejen umět měřit napětí, ale také rozumět tomu, jak se měří, co představuje

Napětí – co to je, jednotka měření, na čem závisí

Z hlediska vědecké terminologie je napětí práce elektrického pole pro daný pohyb nabitých částic v určité oblasti elektricky vodivého materiálu. Pokud si jev představíme z fyzické stránky, dostaneme následující:

• V normálním stavu jsou atomy látky v neutrálním stavu – protože počet protonů se rovná počtu elektronů.
• Pokud se některé elektrony odtrhnou, v jednom bodě se objeví kladně nabitá oblast a v jiném záporný náboj elektronů.
• Mezi sekcemi tak vzniká rozdíl „+“ a „-“ – potenciál.
• Při spojování oblastí vodičů vznikne proud – elektrony potečou tam, kde jich není dostatek, z místa, kde je jich nadbytek.

Síla působící mezi rozdílnými náboji se nazývá elektromotorická síla – je to také rozdíl potenciálů nebo napětí.

Aby to bylo jasnější, představte si vodárenskou věž naplněnou až po vrchol vodou. Tlak vytvořený mezi horním a dolním bodem je rozdíl potenciálů. Když je ventil zavřený, neproudí, ale existuje potenciál – a jakmile se otevře, okamžitě se objeví tlak.

Podobným způsobem vzniká proud v elektrickém vodiči. Proud vzniká, když se různě nabité oblasti uzavřou. V tomto případě je směr vždy stejný – od pozitivního kontaktu k negativnímu.

Jednotka měření, závislost na dalších parametrech

Napětí elektrického proudu se měří ve voltech (V), stejně jako jeho větší či menší derivace – 1000 voltů nebo 1 kilovolt (kV), 0,001 V nebo 1 milivolt (mV) atd. Oficiálně označeno symbolem – U Navíc podle vědecké definice se hodnota 1 V udává jako práce 1 J vynaložená na přesun náboje o velikosti 1 coulomb.

Kromě napětí se v elektrotechnice často používají tyto vzájemně závislé veličiny:

Tyto parametry souvisí podle Ohmova zákona:

I – síla elektrického proudu, v ampérech,

R – odpor, v ohmech.

Spotřeba energie (P) je definována jako součin elektrického napětí a proudu:

Jeho hodnota se měří ve wattech.

Napětí i odpor jsou veličiny, které indikují fyzikální jevy mezi dvěma body v obvodu nebo ve specifické oblasti. Proto jsou podle toho označeny.

Metody výpočtu

V praxi bylo jen zřídka nutné přesně vypočítat hodnotu napětí obvodu – nejčastěji se jednoduše měřilo voltmetry nebo univerzálním měřicím zařízením. Někdy ale musíte udělat nějaké výpočty. Poté se aplikuje známý Ohmův vzorec.

Představte si například situaci:

• Obvod obsahuje lampu s odporem 10 ohmů.
• Je známo, že proud v síti je 3 A.
• Je nutné vypočítat potenciál baterie, ze které je svítilna napájena.
• Dosazením hodnot do vzorce dostaneme = 10 × 3 = 30 V.

Podobným způsobem můžete určit kterýkoli ze 3 parametrů, přičemž znáte ostatní 2.

Metody měření

Z praktického hlediska je důležité vědět nejen co je napětí, ale také jak se měří. Ve většině případů se velikost rozdílu potenciálu zjišťuje pomocí voltmetru s příslušným limitem měření.

Navíc v závislosti na typu elektrického proudu existují následující nuance postupu měření:

Voltmetr nebo multimetr se používá v souladu s následujícími pravidly:

1. Před zahájením práce je přepínač citlivosti přístroje nastaven na požadovanou mez v sekci pro stejnosměrný proud – DC.
2. Není-li hodnota rozdílu potenciálů známa ani přibližně, přístroj se nastaví na maximální hodnotu a poté se při měření přepne na spodní meze.
3. Kontakty elektroměru jsou zapojeny do elektrického obvodu v souladu s polaritou. V opačném případě se na analogovém modelu bude šipka vychylovat v opačném směru a na digitálním modelu bude mít naměřená hodnota znaménko „-“.

Moderní digitální přístroje s displejem jsou pohodlnější, lepší, přehlednější a rychlejší na ovládání. Kromě toho jsou přesnější než analogové modely, ale jsou také dražší.

V zásadě platí, že pravidla a postupy pro měření v AC síti jsou až na několik výjimek stejné:

1. Zařízení se přepne do režimu měření střídavého proudu – AC.
2. Sondy jsou připojeny ke kontaktům v libovolném pořadí.

Napětí v elektrickém obvodu můžete měřit pomocí univerzálního měřicího přístroje – multimetru

Střídavý proud se od stejnosměrného liší změnou polarity nebo směru pohybu. Ve standardní domácí síti se to děje 50krát za sekundu – proto její frekvence 50 Hz.

Multimetr snadno určí potenciální rozdíl v daném rozsahu hodnot. Samozřejmě nemusí být vždy po ruce. Pokud tedy máte jednoduchý voltmetr, můžete stále měřit potenciální rozdíl pomocí následujících triků:

• Ve stejnosměrné síti pro měření v určitém rozsahu hodnot budete muset k obvodu připojit další vnější nebo vnitřní odpor.
• Pokud je vyžadována série měření v obvodech s různými limity potenciálu, je lepší si předem připravit vhodnou sadu odporů.

Než začnete multimetr používat, musíte jej správně nakonfigurovat a vybrat vhodný limit měření.

• V síti střídavého proudu se také používá dodatečný odpor. Případně je možné připojení přes transformátor.

Střídavý proud se používá všude k vybavení různých objektů na velké vzdálenosti – od průmyslu až po soukromé domy. Konstanta se používá k napájení zařízení, když je přenosová cesta od zdroje ke spotřebiteli minimální. Navíc v každodenním životě je většina elektrických zařízení připojena ze sítě přes usměrňovač.

Video lekce o tom, co je napětí a jak se měří:

Nejdůležitější znaky

Napětí je definováno jako práce elektrického pole k přesunu náboje mezi body s nadměrnou a nedostatečnou hodnotou. Elektrický proud vzniká při spojení kontaktů různých polarit. V tomto případě proudí elektrický proud z „+“ do „-“.

Napětí se měří ve voltech a závisí na takových hlavních parametrech elektrického obvodu, jako je proud, odpor a výkon. Velikost rozdílu potenciálů se vypočítá podle Ohmova zákona.

Pro měření elektrického napětí v síti použijte voltmetr nebo univerzální měřicí přístroj – multimetr. Při provádění postupu byste měli vzít v úvahu konkrétní nastavení měřiče a charakteristiky typu obvodu – konstantní nebo proměnný.

Napište do komentářů, byly nějaké případy, kdy jste museli změřit nebo vypočítat napětí v obvodu?