Όλες οι ηλεκτρονικές συσκευές περιέχουν αντιστάσεις ως κύριο στοιχείο. Χρησιμοποιείται για την αλλαγή της ποσότητας ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Το άρθρο παρουσιάζει τις ιδιότητες των αντιστάσεων και τις μεθόδους υπολογισμού της ισχύος τους.
Ανάθεση αντίστασης
Οι αντιστάσεις χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση του ρεύματος στα ηλεκτρικά κυκλώματα. Αυτή η ιδιότητα ορίζεται από τον νόμο του Ohm:
I=U/R (1)
Από τον τύπο (1) φαίνεται ξεκάθαρα ότι όσο χαμηλότερη είναι η αντίσταση, τόσο ισχυρότερο αυξάνεται το ρεύμα και αντίστροφα, όσο μικρότερη είναι η τιμή του R, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα. Είναι αυτή η ιδιότητα της ηλεκτρικής αντίστασης που χρησιμοποιείται στην ηλεκτρική μηχανική. Με βάση αυτόν τον τύπο, δημιουργούνται κυκλώματα διαιρέτη ρεύματος, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικές συσκευές.
Σε αυτό το κύκλωμα, το ρεύμα από την πηγή διαιρείται σε δύο, αντιστρόφως ανάλογες με τις αντιστάσεις των αντιστάσεων.
Εκτός από τη ρύθμιση ρεύματος, οι αντιστάσεις χρησιμοποιούνται σε διαιρέτες τάσης. Σε αυτήν την περίπτωση, ο νόμος του Ohm χρησιμοποιείται ξανά, αλλά με μια ελαφρώς διαφορετική μορφή:
U=I∙R (2)
Από τον τύπο (2) προκύπτει ότι όσο αυξάνεται η αντίσταση, αυξάνεται και η τάση. Αυτή η ιδιοκτησίαχρησιμοποιείται για την κατασκευή κυκλωμάτων διαιρέτη τάσης.
Από το διάγραμμα και τον τύπο (2) είναι σαφές ότι οι τάσεις στις αντιστάσεις κατανέμονται ανάλογα με τις αντιστάσεις.
Εικόνα αντιστάσεων σε διαγράμματα
Σύμφωνα με το πρότυπο, οι αντιστάσεις απεικονίζονται ως ορθογώνιο με διαστάσεις 10 x 4 mm και συμβολίζονται με το γράμμα R. Η ισχύς των αντιστάσεων συχνά υποδεικνύεται στο διάγραμμα. Η εικόνα αυτού του δείκτη εκτελείται με λοξές ή ευθείες γραμμές. Εάν η ισχύς είναι μεγαλύτερη από 2 watt, τότε η ονομασία γίνεται με λατινικούς αριθμούς. Αυτό γίνεται συνήθως για συρμάτινες αντιστάσεις. Ορισμένες πολιτείες, όπως οι Ηνωμένες Πολιτείες, χρησιμοποιούν άλλες συμβάσεις. Για να διευκολυνθεί η επισκευή και η ανάλυση του κυκλώματος, δίνεται συχνά η ισχύς των αντιστάσεων, η ονομασία των οποίων πραγματοποιείται σύμφωνα με το GOST 2.728-74.
Προδιαγραφές συσκευής
Το κύριο χαρακτηριστικό της αντίστασης είναι η ονομαστική αντίσταση Rn, η οποία υποδεικνύεται στο διάγραμμα κοντά στην αντίσταση και στη θήκη της. Η μονάδα αντίστασης είναι το Ohm, το kiloohm και το megaohm. Οι αντιστάσεις κατασκευάζονται με αντίσταση από κλάσματα του ωμ έως εκατοντάδες megaohms. Υπάρχουν πολλές τεχνολογίες για την παραγωγή αντιστάσεων, όλες έχουν τόσο πλεονεκτήματα όσο και μειονεκτήματα. Κατ' αρχήν, δεν υπάρχει τεχνολογία που να επιτρέπει την απολύτως ακριβή κατασκευή μιας αντίστασης με δεδομένη τιμή αντίστασης.
Το δεύτερο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η απόκλιση αντίστασης. Μετράται σε % του ονομαστικού R. Υπάρχει ένα τυπικό εύρος απόκλισης αντίστασης: ±20, ±10, ±5, ±2, ±1% και περαιτέρω έωςτιμές ±0,001%.
Το επόμενο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η ισχύς των αντιστάσεων. Κατά τη λειτουργία, θερμαίνονται από το ρεύμα που διέρχεται από αυτά. Εάν η κατανάλωση ενέργειας υπερβεί την επιτρεπόμενη τιμή, η συσκευή θα αποτύχει.
Οι αντιστάσεις αλλάζουν την αντίστασή τους όταν θερμαίνονται, επομένως για συσκευές που λειτουργούν σε μεγάλο εύρος θερμοκρασίας, εισάγεται ένα ακόμη χαρακτηριστικό - ο συντελεστής θερμοκρασίας αντίστασης. Μετράται σε ppm/°C, δηλαδή 10-6 Rn/°C (εκατομμυριοστό του Rn κατά 1°C).
Σειρά σύνδεση αντιστάσεων
Οι αντιστάσεις μπορούν να συνδεθούν με τρεις διαφορετικούς τρόπους: σειριακές, παράλληλες και μεικτές. Όταν συνδέεται σε σειρά, το ρεύμα διέρχεται από όλες τις αντιστάσεις με τη σειρά.
Με μια τέτοια σύνδεση, το ρεύμα σε οποιοδήποτε σημείο του κυκλώματος είναι το ίδιο, μπορεί να προσδιοριστεί από το νόμο του Ohm. Η συνολική αντίσταση του κυκλώματος σε αυτήν την περίπτωση είναι ίση με το άθροισμα των αντιστάσεων:
R=200+100+51+39=390 Ohm;
I=U/R=100/390=0, 256 A.
Τώρα μπορείτε να προσδιορίσετε την ισχύ όταν οι αντιστάσεις συνδέονται σε σειρά, υπολογίζεται με τον τύπο:
P=I2∙R=0, 2562∙390=25, 55 W.
Η ισχύς των υπόλοιπων αντιστάσεων προσδιορίζεται με τον ίδιο τρόπο:
P1=I2∙R1=0, 256 2∙200=13, 11 Τρίτες;
P2=I2∙R2=0, 256 2∙100=6,55W;
P3=I2∙R3=0, 256 2∙51=3, 34W;
P4=I2∙R4=0, 256 2∙39=2, 55 Τρ.
Αν προσθέσετε την ισχύ των αντιστάσεων, θα λάβετε το πλήρες P:
P=13, 11+6, 55+3, 34+2, 55=25, 55 Τρίτες.
Παράλληλη σύνδεση αντιστάσεων
Σε μια παράλληλη σύνδεση, όλες οι αρχές των αντιστάσεων συνδέονται σε έναν κόμβο του κυκλώματος και τα άκρα σε έναν άλλο. Με αυτή τη σύνδεση, το ρεύμα διακλαδώνεται και ρέει μέσα από κάθε συσκευή. Το μέγεθος του ρεύματος, σύμφωνα με το νόμο του Ohm, είναι αντιστρόφως ανάλογο με τις αντιστάσεις και η τάση σε όλες τις αντιστάσεις είναι ίδια.
Πριν βρείτε το ρεύμα, πρέπει να υπολογίσετε τη συνολική αγωγιμότητα όλων των αντιστάσεων χρησιμοποιώντας τον γνωστό τύπο:
1/R=1/R1+1/R2+1/R3 +1/R4=1/200+1/100+1/51+1/39=0, 005+0, 01+0, 0196+0, 0256=0, 06024 1/Ohm.
Η αντίσταση είναι η αμοιβαία αγωγιμότητα:
R=1/0, 06024=16,6 ohm.
Χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm, βρείτε το ρεύμα μέσω της πηγής:
I=U/R=100∙0, 06024=6, 024 A.
Γνωρίζοντας το ρεύμα μέσω της πηγής, βρείτε την ισχύ των αντιστάσεων που συνδέονται παράλληλα με τον τύπο:
P=I2∙R=6, 0242∙16, 6=602, 3 Τρ.
Σύμφωνα με το νόμο του Ohm, το ρεύμα μέσω των αντιστάσεων υπολογίζεται:
I1=U/R1=100/200=0,5A;
I2=U/R2=100/100=1 A;
I3=U/R1=100/51=1, 96A;
I1=U/R1=100/39=2, 56 A.
Ένας ελαφρώς διαφορετικός τύπος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της ισχύος των αντιστάσεων σε παράλληλη σύνδεση:
P1=U2/R1=100 2/200=50W;
P2=U2/R2=100 2/100=100W;
P3=U2/R3=100 2/51=195,9W;
P4=U2/R4=100 2/39=256, 4 Τρ.
Αν τα αθροίσετε όλα, θα έχετε την ισχύ όλων των αντιστάσεων:
P=P1+ P2+ P3+ P 4=50+100+195, 9+256, 4=602, 3 Τρ.
Μικτή σύνδεση
Σχήματα με μικτή σύνδεση αντιστάσεων περιέχουν σειριακή και παράλληλη σύνδεση ταυτόχρονα. Αυτό το κύκλωμα μετατρέπεται εύκολα αντικαθιστώντας την παράλληλη σύνδεση αντιστάσεων με σειρά. Για να το κάνετε αυτό, αντικαταστήστε πρώτα τις αντιστάσεις R2 και R6 με το συνολικό τους R2, 6, χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο:
R2, 6=R2∙R6/R 2+R6.
Με τον ίδιο τρόπο, δύο παράλληλες αντιστάσεις R4, R5 αντικαθίστανται από ένα R4, 5:
R4, 5=R4∙R5/R 4+R5.
Το αποτέλεσμα είναι ένα νέο, απλούστερο κύκλωμα. Και τα δύο σχήματα εμφανίζονται παρακάτω.
Η ισχύς των αντιστάσεων σε ένα κύκλωμα μικτής σύνδεσης καθορίζεται από τον τύπο:
P=U∙I.
Για να υπολογίσετε αυτόν τον τύπο, βρείτε πρώτα την τάση σε κάθε αντίσταση και την ποσότητα του ρεύματος που τη διέρχεται. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια άλλη μέθοδο για να προσδιορίσετε την ισχύ των αντιστάσεων. Για αυτόχρησιμοποιείται ο τύπος:
P=U∙I=(I∙R)∙I=I2∙R.
Αν είναι γνωστή μόνο η τάση μεταξύ των αντιστάσεων, τότε χρησιμοποιείται ένας άλλος τύπος:
P=U∙I=U∙(U/R)=U2/R.
Και οι τρεις τύποι χρησιμοποιούνται συχνά στην πράξη.
Υπολογισμός παραμέτρων κυκλώματος
Υπολογισμός των παραμέτρων του κυκλώματος είναι η εύρεση άγνωστων ρευμάτων και τάσεων όλων των διακλαδώσεων στα τμήματα του ηλεκτρικού κυκλώματος. Με αυτά τα δεδομένα, μπορείτε να υπολογίσετε την ισχύ κάθε αντίστασης που περιλαμβάνεται στο κύκλωμα. Απλές μέθοδοι υπολογισμού έχουν φανεί παραπάνω, αλλά στην πράξη η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη.
Σε πραγματικά κυκλώματα, συναντάται συχνά η σύνδεση αντιστάσεων με ένα αστέρι και ένα δέλτα, γεγονός που δημιουργεί σημαντικές δυσκολίες στους υπολογισμούς. Για να απλοποιηθούν τέτοια σχήματα, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι για τη μετατροπή ενός αστεριού σε τρίγωνο και αντίστροφα. Αυτή η μέθοδος απεικονίζεται στο παρακάτω διάγραμμα:
Το πρώτο κύκλωμα έχει ένα αστέρι συνδεδεμένο με τους κόμβους 0-1-3. Η αντίσταση R1 συνδέεται στον κόμβο 1, το R3 στον κόμβο 3 και το R5 στον κόμβο 0. Στο δεύτερο διάγραμμα, οι τριγωνικές αντιστάσεις συνδέονται με τους κόμβους 1-3-0. Οι αντιστάσεις R1-0 και R1-3 συνδέονται στον κόμβο 1, τα R1-3 και R3-0 συνδέονται στον κόμβο 3 και τα R3-0 και R1-0 συνδέονται στον κόμβο 0. Αυτά τα δύο σχήματα είναι απολύτως ισοδύναμα.
Για να μεταβείτε από το πρώτο κύκλωμα στο δεύτερο, υπολογίζονται οι αντιστάσεις των τριγωνικών αντιστάσεων:
R1-0=R1+R5+R1∙R5/R3;
R1-3=R1+R3+R1∙R3/R5;
R3-0=R3+R5+R3∙R5/R1.
Οι περαιτέρω μετασχηματισμοί περιορίζονται στον υπολογισμό των παράλληλων και συνδεδεμένων σε σειρά αντιστάσεων. Όταν βρεθεί η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος, το ρεύμα μέσω της πηγής βρίσκεται σύμφωνα με το νόμο του Ohm. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον νόμο, δεν είναι δύσκολο να βρούμε τα ρεύματα σε όλους τους κλάδους.
Πώς να προσδιορίσετε την ισχύ των αντιστάσεων αφού βρείτε όλα τα ρεύματα; Για να το κάνετε αυτό, χρησιμοποιήστε τον γνωστό τύπο: P=I2∙R, εφαρμόζοντάς τον για κάθε αντίσταση, θα βρούμε τη δύναμή τους.
Πειραματικός προσδιορισμός των χαρακτηριστικών στοιχείων κυκλώματος
Για να προσδιοριστούν πειραματικά τα επιθυμητά χαρακτηριστικά των στοιχείων, απαιτείται η συναρμολόγηση ενός δεδομένου κυκλώματος από πραγματικά εξαρτήματα. Μετά από αυτό, με τη βοήθεια ηλεκτρικών οργάνων μέτρησης, πραγματοποιούνται όλες οι απαραίτητες μετρήσεις. Αυτή η μέθοδος είναι εντάσεως εργασίας και δαπανηρή. Οι σχεδιαστές ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συσκευών χρησιμοποιούν προγράμματα προσομοίωσης για το σκοπό αυτό. Με τη βοήθειά τους γίνονται όλοι οι απαραίτητοι υπολογισμοί και μοντελοποιείται η συμπεριφορά των στοιχείων του κυκλώματος σε διάφορες καταστάσεις. Μόνο μετά από αυτό συναρμολογείται ένα πρωτότυπο μιας τεχνικής συσκευής. Ένα τέτοιο κοινό πρόγραμμα είναι το ισχυρό σύστημα προσομοίωσης Multisim 14.0 της National Instruments.
Πώς να προσδιορίσετε την ισχύ των αντιστάσεων χρησιμοποιώντας αυτό το πρόγραμμα; Αυτό μπορεί να γίνει με δύο τρόπους. Η πρώτη μέθοδος είναι η μέτρηση ρεύματος και τάσης με αμπερόμετρο και βολτόμετρο. Πολλαπλασιάζοντας τα αποτελέσματα της μέτρησης, προκύπτει η απαιτούμενη ισχύς.
Από αυτό το κύκλωμα προσδιορίζουμε την ισχύ αντίστασης R3:
P3=U∙I=1, 032∙0, 02=0, 02064 W=20,6mW.
Η δεύτερη μέθοδος είναι η άμεση μέτρηση της ισχύος στοχρησιμοποιώντας ένα βατόμετρο.
Από αυτό το διάγραμμα φαίνεται ότι η ισχύς της αντίστασης R3 είναι P3=20,8 mW. Η απόκλιση λόγω του σφάλματος στην πρώτη μέθοδο είναι μεγαλύτερη. Οι δυνάμεις των άλλων στοιχείων καθορίζονται με τον ίδιο τρόπο.
