Вольтметр измеряет падение напряжения

Падение напряжения

В книгах по электротехнике или описаниях радиосхем можно встретить фразу: «падение напряжения на резисторе или диоде». А почему резистор вообще вызывает падение напряжения и что это на самом деле означает? Давайте разбираться…

Электрические заряды не перемещаются по проводникам добровольно, им нужен какой-то стимул для создания электрического тока (потока). В мире электричества стимулом является напряжение – чем оно выше, тем большая сила толкает электроны, заставляя их двигаться быстрее и создавать больший ток. Но электрического напряжения как бы и нет. Это не физическое явление само по себе и не потенциальное. Напряжение и потенциал – это математические понятия, изобретенные людьми, которые не могли видеть энергию глазами, но хотели как-то ее описать.

Электрический ток – это не электроны, бесцельно перетекающие от одного полюса батареи к другому. Суть в энергии, которую они могут дать этим движением. И хотя в этом здесь важнее всего энергия, о напряжении и потенциале почему-то обычно пишут больше. Это просто отличное и очень четкое описание этой энергии. Зная о напряжении, сразу понимаем, с чем имеем дело и сколько из этого можно извлечь.

Можно предположить, что батарея на 1,5 вольта никогда не будет выделять такую энергию как удар молнии с напряжением в несколько миллионов вольт. Также знаем, что небольшой светодиод лучше не вставлять в электрическую розетку, потому что 220 В сразу его сожгет. Такое напряжение отлично подойдет для питания обычной лампочки, которая не загорится при подключении к обычному аккумулятору АА.

Это соотношение напряжения и энергии чрезвычайно простое – больше вольт означает больше энергии, которую несет с собой каждый отдельный электрон. Коэффициент преобразования прост – например, напряжение 220 В равно 220 Дж / Кл (джоуль в кулон), то есть один кулон несет энергию 220 джоулей. А поскольку мы знаем, что 1 кулон равен примерно 6 триллионам электронов, можем сказать, что при напряжении 220 В поток из 6 триллионов электронов через лампочку даст ей ровно 220 Дж энергии. Хотя конечно взаимосвязь между напряжением и энергией идет намного глубже, чем простое преобразование единиц.

Когда падает напряжение?

Казалось бы, раз в розетке 220 В, а батарея это 3 В, эти значения постоянные. А вот и нет. Напряжение падает, и попробуем понять, почему это происходит.

Существует три основных причины падения напряжения:

1. Истощение источника – если имеем дело с источником напряжения, который может быть исчерпан (например, аккумулятор или батарейка), это истощение проявляется в падении напряжения. И неудивительно – напряжение описывает энергию элемента, поэтому при потреблении этой энергии уровень напряжения также должен падать. Это явление тесно связано с так называемым внутренним сопротивлением аккумулятора.
2. Слишком большая нагрузка на источник – выключите все приборы в доме и измерьте мультиметром напряжение в розетке. Затем включите электродуховку, чайник и стиральную машину и снова измерьте напряжение – разница в обоих измерениях составит несколько вольт. Это связано с упомянутым ранее внутренним сопротивлением.
3. Падение напряжения на потребителе – два предыдущих примера говорят о ситуации, когда источник напряжения «перестает работать». А вот падение напряжения на потребителе – это совсем другая тема. У нас может быть лучший в мире источник напряжения, который практически невозможно просадить, и все же каждый подключенный к нему потребитель вызовет так называемые «падение напряжения».

Объясним почему на основе электрических цепей. Например есть батарея, несколько резисторов, лампочка и описание: Напряжение батареи составляет 9 В. Падение напряжения на каждом резисторе составляет 2 В. Падение напряжения через лампочку 1 В. Но почему резистор и лампочка вообще вызывают падение напряжения?

Стрелки «падение напряжения» всегда указывают в направлении, противоположном напряжению аккумулятора.

Падение напряжения лампочки

Давайте возьмем 3-х вольтовую батарею и подключим ее к маленькой лампочке, которая точно соответствует этому напряжению. Лампочка будет светиться благодаря электричеству, идущему от батареи. Чтобы узнать, сколько тока проходит через него, можем либо подключить амперметр, либо измерить сопротивление лампочки. Предположим оно составляет 60 Ом, следовательно, применив закон Ома, получим значение тока 0,05 А.

То что в такой схеме светит лампочка, не должно удивлять. Есть напряжение, значит есть энергия. Электричество течет, поэтому энергия поступает в лампочку. Колба получает энергию, поэтому светит и нагревается.

Когда цепь замкнута, то есть создается проводящий путь между отрицательной и положительной клеммами батареи, именно здесь начинает течь ток. Электроны в цепи начинают ускоряться и толкать друг друга, поскольку каждый из них хочет достичь положительного полюса. Обычно они могут добраться туда за доли секунды, но есть что-то, что их останавливает. Речь идет о препятствии в виде лампочки.

Нить лампы накаливания – большое препятствие для ускорения электронов, несущих энергию. Не случайно она изготовлена из чрезвычайно тонкой и плохо проводящей вольфрамовой проволоки. Втекая в нить, электроны сжимаются и сталкиваются с ее атомами и даже друг с другом. Эти столкновения заставляют электроны на мгновение замедляться и терять энергию.

Атомы нити накала все больше и больше вибрируют, и нить нагревается до белизны. Вот так лампочка начинает светиться за счет маленьких электронов. Далее они с помощью остатка своих сил и их коллег, давящих сзади, наконец достигают положительного вывода батареи, где могут спокойно завершить свою миссию.

Весь процесс – это преобразование одного типа энергии в другой. Химическая энергия хранящаяся в батарее, преобразуется в электроны кинетической энергии, отправляемые в цепь. При столкновении с атомами нити та же кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию, количество которой настолько велико, что нить нагревается и светится – вылетают фотоны. Таким образом, лампочка светит потому что получает энергию от входящих электронов.

Когда у электронов много энергии, это высокое напряжение, а если мало энергии, напряжение низкое. Итак, поскольку нить накала – это место, где энергия электронов уменьшается, это означает что также должно быть место, где каким-то образом падает напряжение.

Напряжение батареи составляет 3 В. Электроны движутся от отрицательного полюса, потенциал которого обычно принимается равным 0 В, к положительному полюсу с потенциалом +3 В. Если подключим вольтметр на обе стороны батареи, он покажет разность потенциалов 3 В.

Если бы нить накала была достаточно большой, чтобы могли приложить один из щупов вольтметра посередине ее длины, оказалось бы что напряжение составляет только половину напряжения батареи, то есть 1,5 В. Поскольку электроны, протекающие через нить, отдают ей всю свою энергию, логично что преодолев половину ее длины, они отдадут ей ровно половину этой энергии. Половина энергии = половина напряжения, показанного на вольтметре.

Если продвигать щуп дальше, напряжение будет падать, пока не окажется за нитью накала, и измеритель покажет значение 0 В. То есть вначале напряжение составляло 3 В. Перемещая щуп вольтметра по нити накала, оно постепенно упало до 0 В. Таким образом можем сказать, что падение напряжения на лампочке составляет 3 В. На «физическом» уровне говорят, что количество энергии, подводимой к лампочке, составляет ровно 3 джоуля на кулон.

Падение напряжения на нескольких резисторах

Убедились, что одна лампочка может поглотить всю энергию, выделяемую электронами, что приводит к падению напряжения, равному напряжению батареи. Но что, если в цепи две или более лампочки одна за другой? Поскольку одна лампочка «съедает» всю энергию, останется ли что-нибудь для других?

Напряжение нити составляет 1,5 вольта. Что, если разрежем нить в этой точке и соединим обе части проволокой? Что-нибудь изменится?

Теоретически, вместо одной лампочки у нас теперь две с сопротивлением по 30 Ом. Но на практике ничего не изменилось. После прохождения половины исходной нити накала, то есть первых 30 Ом, напряжение составляет 1,5 В, и этот кусок вставленного провода не добавляет здесь ничего нового.

Конечно нить можно разделить на любое количество частей и ситуация останется прежней. Итак, давайте изменим подход. Оставьте нить накала целиком, чтобы она имела сопротивление 60 Ом, и положите рядом другую такую ??же. Как будет себя вести схема? Поскольку знаем, что 60 Ом может забрать всю энергию, останется ли от нее для второй нити накала? Измеряем напряжение между ними.

Хотя каждая нить имеет по 60 Ом, по какой-то причине они решили разделить энергию поровну. Как это возможно? Раньше одна 60-омная нить накала потребляла всю энергию, но теперь она отдает половину другой. Откуда такое сотрудничество?

Все происходит из-за того, что закон Ома действительно сложно обмануть. Он не влияет на сопротивление лампы или напряжение, подаваемое батареей, но может управлять током, протекающим в цепи. Когда была одна лампочка, она забирала всю энергию, а ток, протекающий в цепи, составлял 0,05 А. После вставки второй лампочки общее сопротивление цепи увеличивается в два раза, и снова применяя закон Ома находим, что текущее значение уменьшается до значения всего 0,025 А. Это в корне меняет ситуацию.

Во-первых, удвоение тока означает, что электроны текут в цепи вдвое медленнее. А поскольку они текут вдвое медленнее, сила столкновения с атомами нити в два раза меньше. В результате электроны больше не оставляют всю энергию в нити 60 Ом, а только ее половину. С одной стороны это хорошо, потому что на прохождение второй лампочки остается еще половина энергии. Обратной стороной этого является то, что обе лампочки будут светить заметно меньше.

Подтвердить слова можно измерив напряжение за первой лампочкой. Тогда заметим, что это всего лишь 1,5 В, а одна лампочка «забирала» полные 3 В.

Если бы было три лампочки, каждая из них получала бы 1 вольт, или 1/3 всей энергии. Четыре лампочки – это деление энергии на четыре и так далее. Такое идеально равномерное распределение энергии, конечно имеет место только тогда, когда лампочки имеют одинаковое сопротивление. Если бы в цепи были лампочки с сопротивлением 30 Ом и 60 Ом, то падение напряжения было бы пропорционально распределено – 1 В на первой и 2 В на второй.

Подведем итоги

В общем падение напряжения – одна из самых важных проблем в электротехнике, и ее следует хорошо понимать. Итак, давайте подытожим полученные знания в нескольких моментах:

• Напряжение определяет количество энергии каждого электрона – чем выше напряжение, тем больше энергии будет обеспечивать каждый электрон. Но будьте осторожны, потому что хотя энергии может быть слишком мало, она также может быть слишком большой. Слишком высокое напряжение – основная сила, разрушающая хрупкую электронику.
• Напряжение падает только тогда, когда течет электричество – падение напряжения отражает потребляемую энергию, и энергия может быть использована только тогда, когда ее физически доставляют электроны. Следовательно, падение напряжения происходит только тогда, когда цепь замкнута и течет ток.
• Энергия распределяется между всеми приемниками тока – один резистор берет на себя все – два и более должны уже делиться. Их сопротивление определяет, сколько энергии они получают. Большее сопротивление означает большее падение напряжения, меньшее сопротивление означает меньшее потребление энергии.
• Провода также вызывают падение напряжения – все кабели имеют определенное сопротивление, поэтому их правильный выбор так важен для электриков. Дело в том, что падение напряжения на кабелях должно быть как можно меньше, чтобы энергия могла доходить до потребителей без больших потерь.

Иногда люди не совсем понимают, что отвечает за движение электронов к батарее, так как напряжение между ней и нитью накала равно 0. Поскольку у электронов остаточная сила, это также означает, что у них осталась некоторая кинетическая энергия. Электроны, которые прижимаются к передним в цепной реакции, также должны иметь некоторую оставшуюся энергию. Значит ли это, что напряжение, которое потребляют нити, не будет равно напряжению аккумулятора?

Дело в том, что утверждения «Между лампочкой и аккумулятором напряжение 0 В» и «После выхода из лампочки у них еще есть энергия» немного спорны. Если есть энергия, почему напряжение 0 В? Объясняем: лампочка забирает энергию у электронов, потому что у нее есть сопротивление, но и провода от батареи к лампочке тоже. Анализируя всю схему выясняется, что лампочка забирает 99,8% энергии, провод с одной стороны – 0,1% энергии, а провод с другой стороны – тоже 0,1% энергии.

Теперь: электроны выходят из батареи. Дойдя до лампочки, они уже потеряли 0,1% из-за проводников. В лампочке они теряют еще 99,8% энергии, а оставив ее, у них остаются последние 0,1% энергии, чтобы покрыть другую половину цепи и достичь батареи. И хотя измеритель показывает что там уже 0 В, если бы он был очень точным, это означало бы, что на самом деле существует какое-то напряжение в 0,0001 В. Это остаточная энергия, которая осталась чтобы пересечь последний участок провода и достичь батареи.

Итак, подведем итог – лампочка никогда не будет потреблять ровно столько напряжения, сколько обеспечивает батарея, потому что это напряжение также съедается проводами. В действительности сопротивление проводов по сравнению с лампочкой настолько низкое, что для простоты предполагаем, что оно равно 0 В. Если лампочка не находится в нескольких километрах от батареи, когда сопротивление лампы провода будут играть важную роль.

Уверены, что теперь тема падения напряжения перестанет быть для вас малопонятной, а если что осталось неясным – вопросы как обычно на форум.

Измерение напряжения вольтметром

Для измерения переменного или постоянного напряжения в цепях переменного и постоянного тока используют прибор, называемый вольтметром. Поскольку напряжение присутствует между разными точками цепи или на полюсах источника напряжения, вольтметр подключается всегда параллельно исследуемому участку цепи или параллельно клеммам источника напряжения.

Можно, конечно, включить вольтметр и последовательно, в разрыв цепи, но тогда будет измерено напряжение источника, а не на участке цепи, так как цепь будет разомкнута, а сам вольтметр имеет при этом очень большое внутреннее сопротивление.

Вольтметры выпускаются как в виде отдельных электроизмерительных приборов, так и в формате одной из функций мультиметров. Во входной цепи современного вольтметра обычно находится резистор номиналом порядка мегаома, последовательно подключенный к электронной измерительной схеме.

Вольтметр, как отдельный измерительный прибор или как одна из функций мультиметра, имеет несколько диапазонов измерения напряжения. Выбор диапазона осуществляется при помощи переключателя, расположенного на лицевой панели прибора.

Обычно на мультиметре можно выбрать одно из следующих значений (максимальное значение для диапазона): 200мВ, 2000мВ (2В), 20В, 200В, 600В и т.д. Как правило у мультиметров есть возможность измерения постоянного и переменного напряжения. Вид напряжения также выбирается на шкале переключателя.

Для измерения тока и напряжения у мультиметров имеются два отдельных гнезда для подключения щупов: одно гнездо — для измерения напряжения, второе гнездо — для измерения тока. Третье — общий провод, который остается на своем месте независимо от того, что измеряется, ток или напряжение.

Подключите щупы к соответствующим гнездам мультиметра или вольтметра. Включите прибор и переведите его в режим измерения напряжения, выбрав вид напряжения и диапазон с помощью переключателя. Если диапазон неизвестен, то стоит начать с самого большого значения из доступных на шкале переключателя, потом можно будет уменьшить.

Схема подключения вольтметра для измерения падения напряжения на лампочке:

Присоедините щупы (соблюдая осторожность!) так, чтобы прибор оказался подключен к нужным точкам цепи, между которыми требуется измерить напряжение. Спустя пару секунд прибор отобразит на своем дисплее действующее значение измеренного напряжения.

Если диапазон 600В или более, то значение измеренного напряжения будет отображено в вольтах. Если диапазон например 2000мВ или 200мВ (порядок величин напряжений, но в принципе значения на шкале могут отличаться от этих), то на дисплее будут показания в милливольтах.

Если измеряется постоянное напряжение, то, в зависимости от его полярности и от правильности расположения щупов, на дисплее может отобразиться цифра со знаком минус перед ним.

Это значит, что красный и черный щупы стоит поменять местами, поскольку красный щуп предназначен для установки на положительный полюс, а черный — на отрицательный полюс по отношению к источнику постоянного напряжения, который установлен в исследуемой цепи.

Вольтметр (или мультиметр), не предназначенный для измерения высокочастотных напряжений или более высоких напряжений, чем максимальное на его шкале, легко выйдет из строя, если с помощью него попытаться измерить высокочастотное или более высокое напряжение. В документации к прибору всегда указан род тока и максимально допустимые параметры напряжения, которое можно им мерить.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Как измерять напряжение?

Тусклый свет от приборов освещения или отказ стиральной машины выполнять свои функциональные обязанности свидетельствует о возможном падении питающего напряжения ниже нормы. В таких случаях необходимо произвести измерение напряжения, что позволит определить его соответствие заданному номиналу электрической сети.

Такая же процедура производится при ремонте электронных приборов, где измеряется падение напряжения на радиодеталях и отдельных участках цепи. Данная процедура выполняется довольно легко, но без понимания физики процесса и особенностей проведения замеров, человек рискует не только повредить дорогостоящее оборудование, но и получить электротравму, поэтому далее мы рассмотрим основные принципы измерения.

Используемые приборы

В каждом доме прибор учета электроэнергии находится в состоянии постоянного измерения переменного напряжения, но крайне редко эти данные где-либо отображаются. Некоторые из них подключаются напрямую, другие через измерительные трансформаторы.

В практических целях для измерения уровня напряжения могут применяться:

Вольтметр представляют собой устройство для проверки разности потенциалов. На практике могут встречаться как цифровые, так и аналоговые вольтметры, на которых измеряемое напряжение отображается на дисплее или посредством отклонения стрелки на циферблате соответственно.

Важными параметрами при выборе как электронного, так и стрелочного вольтметра являются единицы измерений (мВ, В, кВ), рабочий диапазон и класс точности. Однако сфера их применения ограничена и применяется, чаще всего, для лабораторных исследований, поскольку в бытовых и производственных нуждах содержать один прибор для измерения одной электрической величины нецелесообразно.

Мультиметр или цифровой тестер является более универсальным прибором, который может работать с несколькими параметрами: электрическим током, сопротивлением, частотой, температурой, напряжением и т.д. Для измерения напряжения мультиметр переключается в режим вольтметра, щупы подключаются к соответствующим разъемам. Конструктивно встречаются и цифровые и аналоговые модели, в некоторых из них можно переключать диапазон измерений, выбирать род тока, в других мультиметрах все эти величины могут подбираться автоматически.

Осциллограф – это довольно сложный прибор для измерения разности потенциалов, так как в нем на цифровом или аналоговом дисплее выводится кривая измеряемой величины. При этом можно растянуть или сократить диапазон частот, чтобы рассмотреть форму импульсных напряжений, длительность импульсов, нарастание и провалы в кривой функции. Поэтому осциллограф для измерения напряжения применяется в электрических цепях и приборах высокой точности, при изготовлении и проверке радиодеталей и т.д. Мало кто держит дома осциллограф из-за высокой стоимости и сложности выполнения операций.

Читайте также: Наибольшее сжимающее напряжение формула

Измерение напряжения в сети

Чтобы правильно выполнить измерение напряжения необходимо четко представлять принцип и объект исследования. Поэтому следует отметить, что напряжение представляет собой такую электрическую величину, которая показывает разность заряда между двумя электрическими точками. К примеру, если в одной точке заряд составит +35 В, а в другой +310 В, то разница между этими точками составит 310 – 35 = 275 В, это и будет напряжение. Соответственно измерение напряжения может производиться только относительно чего-то, поэтому используются сразу две точки.

Если говорить о падении напряжения на каком-либо объекте или участке цепи, то измерение напряжения проводиться относительно концов прибора или цепи, точек подключения и т.д. При этом важно учитывать, что цифровой вольтметр или мультиметр в режиме измерения считается бесконечным сопротивлением или разрывом в цепи.

Падение напряжения возможно только при условии протекания тока, поэтому подключение вольтметров последовательно с измеряемым объектом недопустимо, так как через него перестанет протекать ток. Аналоговый или электронный вольтметр должен подключаться только параллельно по отношению к измеряемому сигналу.

С практической точки зрения следует заметить, что аналоговые модели измерительных приборов имеют входное сопротивление равное 10 – 20 кОм, а современные мультиметры могут похвастаться 1МОм. Так как через сопротивление на входе в измерительное устройство может протекать ток утечки, этот делитель напряжения будет обуславливать снижение точности измерений. Поэтому чем ближе сопротивление на входе к бесконечности, тем более точный прибор вы используете.

Важно отметить, что замеры производятся под напряжением, из-за чего присутствует угроза поражения электротоком. Поэтому важно соблюдать элементарные меры предосторожности. Далее рассмотрим порядок выполнения измерения для постоянного и переменного напряжения.

Постоянного тока

Для цепи постоянного тока расмотрим порядок измерения напряжения при помощи цифрового мультиметра. Для этого:

1. Переведите переключатель мультиметра в положение для постоянного напряжения. На панели обозначается латинской буквой V со значком « = », знаками «+ и – », также может обозначаться аббревиатурой DC.
2. Выберете нужный предел измерения, который будет максимально приближен к предполагаемому номиналу, но выше измеряемого.
3. Установите щупы в соответствующие разъемы – черный к выводу COM, красный к выводу V.
4. Приложите щупы мультиметра сразу к двум точкам – красный к плюсу, черный к минусу. Если вы заранее не знаете положение потенциалов, и показание прибора имеет отрицательное значение, нужно просто поменять полярность подключения.

На дисплее вы увидите показания вольтметра, если значение слишком малое, переключите ручку на меньший предел измерений. Прикладывая щупы, создавайте хорошее усилие, чтобы избежать большого переходного сопротивления, иначе они внесут ощутимую погрешность измерений.

Переменного тока

В цепи переменного тока бытовой цепи важно учитывать ее опасность из-за номинала в 220/380 В. Поэтому при невозможности подключения мультиметра непосредственно в процессе эксплуатации, его присоединение должно выполняться при отключенном напряжении при помощи «крокодилов».

В остальном процесс измерения идентичен:

Переключите ручку мультиметра в положение для измерения переменного напряжения. На панели оно обозначается как V со значком «

На дисплее у вас отобразится действующее значение разности потенциалов, именно оно и является основным для всех расчетов. Но, помимо этого существует и амплитудное значение, которое больше действующего на √2 раз или 1,41 раза.

Реальные примеры измерения напряжения

Наиболее простым примером измерения напряжения в бытовых условиях является пальчиковая батарейка. В ней вам необходимо приложить черный щуп к выводу «– », а красный к выводу « + », позицию переключателя установить на 2 В постоянного напряжения.

Если показания для батарейки 1,5 В будут в пределах от 1,6 до 1,2 В, то такой источник питания считается пригодным для всего оборудования, в случае снижения значений до 1 – 0,7 В, от батарейки будут запускаться импульсные устройства, к примеру, часы. Если вольтметр покажет 0,6 В и менее, разряд достиг критического значения.

При измерении разности потенциалов в бытовой сети, вам следует коснуться щупами контактов розетки. Так как изолированная часть щупа имеет ограничительное кольцо, за которым расположен длинный стержень, вы можете безопасно проникнуть в розетку, не рискуя прикоснуться к токоведущим элементам. Допустимыми считаются отклонения от номинала на 10%, то есть от 198 до 142 В.

Также можно замерить разность потенциалов на выходе автомобильного аккумулятора или на другом элементе цепи электрической проводки. Для этого черный щуп мультиметра устанавливается на «– » клемму аккумулятора, а красный на « + » клемму.

Если аккумулятор заряжен, то показания вольтметра должны находиться в пределах от 12 до 14 В, но встречаются модели и с большим разбросом. Такое измерение позволяет диагностировать различные причины неполадок.

Что показывает вольтметр, или математика розетки

О чем эта статья

Сегодня я ненадолго отступлю от своей обычной темы о визуальном программировании контроллеров и обращусь к теме измерений напряжения прямо в ней, в розетке!

Родилась эта статья из дискуссий за чаем, когда разразился спор среди «всезнающих и всеведающих» программистов о том, чего многие из них не понимают, а именно: как измеряется напряжение в розетке, что показывает вольтметр переменного напряжения, чем отличается пиковое и действующие значения напряжений.

Скорее всего, это статья будет интересна тем, кто начинает творить свои устройства. Но, возможно, поможет и кому-то опытному освежить память.

Читайте также: Вычислить значение стандартного напряжения гэ

В статье рассказано о том, какие напряжения есть в сети переменного тока, как их измеряют и о том, что следует помнить при проектировании электронных схем.
Всему дано краткое и упрощённое математическое обоснование, чтобы было ясно не только «как», но и «почему».

Кому не интересно читать про интегралы, ГОСТы и фазы — могут сразу переходить к заключению.

Вступление

Когда люди начинают говорить о напряжении в розетке, очень часто стереотип «в розетке 220В» скрывает от их взора реальное положение дел.

Начнем с того, что согласно ГОСТ 29322-2014, сетевое напряжение должно составлять 230В±10% при частоте 50±0,2Гц (межфазное напряжение 400В, напряжение фаза-нейтраль 230В). Но в том же ГОСТ имеется примечание: «Однако системы 220/380 В и 240/415 В до сих пор продолжают применять».

Согласитесь, что это уже совсем не то однозначное «в розетке 220В», к которому мы привыкли. А когда речь начинает идти о «фазном», «линейном», «действующем» и «пиковом» напряжениях — вообще каша получается знатная. Так сколько же вольт в розетке?

Чтобы ответить на этот вопрос начнем с того, как измеряется напряжение в сети переменного тока.

Как измерять переменное напряжение?

Прежде, чем углубиться в дебри цепей переменного тока и напряжения, вспомним школьную физику цепей тока постоянного.

Цепи постоянного тока — вещь простая. Если мы возьмем некоторую активную нагрузку (пусть это будет обычная лампа накаливания, как на рисунке) и воткнем ее в цепь постоянного тока, то все, что происходит в нашей цепи будет характеризоваться всего двумя величинами: напряжением на нагрузке U и током, протекающим через нагрузку I. Мощность, которая потребляется нагрузкой однозначно вычисляется по формуле, известной со школы: .

Или, если учесть, что по закону Ома , то мощность P, потребляемую нагрузкой-лампочкой, можно вычислить по формуле .

С переменным напряжением все куда сложнее: в каждый момент времени — оно может иметь разное мгновенное значение. Следовательно, в разные моменты времени, на нагрузке, подключенной к источнику переменного напряжения (например, на лампе накаливания, воткнутой в розетку) будет выделяться разная мощность. Это очень неудобно с точки зрения описания электрической цепи.

Но нам повезло: форма напряжения в розетке синусоидальная. А синусоида, как известно, полностью описывается тремя параметрами: амплитудой, периодом и фазой. В однофазных сетях (а обычная розетка с двумя дырочками именно и есть однофазная сеть) про фазу можно забыть. На рисунке подробно показаны два периода сетевого однофазного напряжения. Того самого, что в розетке.

Рассмотрим, что означают все эти буковки на рисунке.

Период T — это время между двумя соседними минимумами или соседними максимумами синусоиды. Для осветительной сети РФ этот период составляет 20 миллисекунд, что соответствует частоте 50Гц. Частота колебаний напряжения электрической сети выдерживается очень точно, до долей процента.

Очевидно, что в любых двух точках синусоиды, отстоящих друг от друга на целое число периодов, напряжения всегда равны между собой.

Амплитуда Um — это максимальное напряжение, пик синусоиды. Про действующее напряжение Uд поговорим чуть ниже.

Напряжение в розетке (или однофазной сети) описывается формулой

где t — текущий момент времени, Um — амплитуда (или пиковое значение) напряжения, T — период сетевого напряжения.

Если с однофазным переменным напряжением более или менее все ясно, то попробуем посчитать мощность, которая выделяется на нашей любимой лампе накаливания, при втыкании ее прямо в розетку.

Так как лампа накаливания является активной нагрузкой (а это значит, что ее сопротивление не зависит от частоты напряжения и тока), то мгновенная мощность, выделяемая на лампе накаливания, воткнутой в розетку, будет вычисляться по формуле

где t — текущий момент времени, а R — сопротивление лампы накаливания при нагретой спирали. Зная амплитуду переменного напряжения Um, можно записать:

Понятно, что мгновенная мощность — неудобный параметр, да и на практике не особо нужный. Поэтому практически обычно применяется мощность, усредненная за период.
Именно усредненная мощность указана на лампочках, нагревателях и прочих бытовых утюгах.

Рассчитывается усредненная мощность в общем случае по формуле:

А для нашей синусоиды — по гораздо более простой формуле:

Можете сами подставить вместо функцию и взять интеграл, если не верите.

Не думайте, что про мощность я вспомнил просто так, из вредности. Сейчас поймете, зачем она нам была нужна. Переходим к следующему вопросу.

Что же показывает вольтметр?

Для цепей постоянного тока, тут все однозначно — вольтметр показывает единственное напряжение между двумя контактами.

С цепями переменного тока все опять сложнее. Некоторые (и этих некоторых не так мало, как я убедился) считают, что вольтметр показывает пиковое значение напряжения Um, но это не так!

На самом деле, вольтметры обычно показывают действующее или эффективное, оно же среднеквадратичное, напряжение в сети Uд.

Разумеется, речь идет о вольтметрах переменного напряжения! Поэтому, если будете измерять вольтметром напряжение сети, обязательно убедитесь, что он находится в режиме измерения переменного напряжения.

Оговорюсь, что «пиковые вольтметры», показывающие амплитудные значения напряжения, тоже существуют, но на практике при измерении напряжения питающей сети в быту обычно не применяются.

Разберемся, почему такие сложности. Почему бы не измерять просто амплитуду? Зачем выдумали какое-то «действующее значение» напряжения?

А все дело в потребляемой мощности. Я ведь не просто так писал о ней. Дело в том, что действующее (эффективное) значение переменного напряжения равно величине такого постоянного напряжения, которое за время, равное одному периоду этого переменного напряжения, произведет такую же работу, что и рассматриваемое переменное напряжение.

Читайте также: Схемы инверторных стабилизаторов напряжения для дома

Или, по-простому, лампочка накаливания будет светить одинаково ярко, воткнем ли мы ее в сеть постоянного напряжения 220В или в цепь переменного тока с действующим значением напряжения 220В.

Для тех, кто уже знаком с интегралами или еще не забыл математику, приведу общую формулу расчета действующего напряжения произвольной формы:

Из этой формулы также становится ясно, почему действующее (эффективное) значение переменного напряжения также называют «среднеквадратичным».

Заметим, что подкоренное выражение и есть та самая «усредненная за период мощность», стоит только поделить это выражение на сопротивление нагрузки R.

Применительно к синусоидальной форме напряжения, страшный интеграл после несложных преобразований превратится в простую формулу:

где Uд — действующее или среднеквадратичное значение напряжение (то самое, которое обычно показывает вольтметр), а Um — амплитудное значение.

Действующее напряжение хорошо тем, что для активной нагрузки, расчет усредненной мощности полностью совпадает с расчетом мощности на постоянном токе:

Это и не удивительно, если вспомнить определение действующего значения напряжения, которое было дано чуть выше.

Ну и, наконец, посчитаем, чему же равна амплитуда напряжения в розетке «на 220В«:

В худшем случае, если у вас сеть на 240В, да еще и с допуском +10%, амплитуда будет аж !

Поэтому, если хотите, чтобы ваши устройства, питающиеся от сети, работали стабильно и не сгорали, выбирайте элементы, которые выдерживают пиковые напряжения не менее 400В. Разумеется, речь идет об элементах, на которые непосредственно подаётся сетевое напряжение.

Отмечу, что для не-синусоидальной формы сигнала действующее значение напряжения рассчитывается по иным формулам. Кому интересно — могут сами взять интегралы или обратиться к справочникам. Нас же интересует питающая сеть, а там всегда должна быть синусоида.

Фазы, фазы, фазы…

Помимо обычной однофазной осветительной сети

220В все слышали и о трехфазной сети

380В. Что такое 380В? А это межфазное эффективное напряжение.

Помните, я сказал, что в однофазной сети про фазу синусоиды можно забыть? Так вот, в трехфазной сети этого делать нельзя!

Если говорить по простому, то фаза — это сдвиг во времени одной синусоиды относительно другой. В однофазной сети мы всегда могли принять за начало отсчета любой момент времени — на расчеты это не влияло. В трехфазной сети необходимо учитывать насколько одна синусоида отстоит от другой. В трехфазных сетях переменного тока каждая из фаз отстоит от другой на треть периода или на 120 градусов. Напомню, что период измеряется также в градусах и полный период равен 360 градусов.

Если мы возьмем осциллограф с тремя лучами и прицепимся к трем фазам и одному нулю, то увидим такую картину.

«Синяя» фаза — начинается от нуля отсчета. «Красная» фаза — на треть периода (120 градусов) позже. И, наконец «зеленая» фаза начинается на две трети периода (240 градусов) позже «синей». Все фазы абсолютно симметричны друг относительно друга.

Какую именно фазу брать за точку отсчета — не важно. Картина будет одинаковой.

Математически можно записать уравнения всех трех фаз:

«Синяя» фаза:

«Красная» фаза:

«Зеленая» фаза:

Если измерить напряжение между любой из фаз и нулем в трехфазной сети — то получим обычные 220В (или 230В или 240В — как повезет, см. ГОСТ).

А если измерить напряжение между двумя фазами — то получим 380В (или 400В или 415В — не забываем об этом).

То есть трехфазная сеть — многолика. Ее можно использовать как три однофазные сети с напряжением 220В или как одну трехфазную сеть с напряжением 380В.

Откуда взялось 380В? А вот откуда.

Если мы подставим в формулу расчета действующего напряжения наши данные о двух любых фазах, то получим:

Uдф — действующее межфазное, оно же линейное напряжение.

Учитывая, что амплитуда каждой фазы получим, чтодля межфазного напряжения. На рисунке наглядно показано, как образуется межфазное напряжение, которое обозначено F1-F2 из двух фазных напряжений фаз F1 и F2. Напряжение фаз F1 и F2 измеряется относительно нулевого провода. Линейное напряжение F1-F2 измеряется между двумя разными фазными проводами.

Как видим, что действующее межфазное напряжение больше амплитуды синусоидального напряжения одной фазы.

Амплитуда межфазного напряжения составляет:

Для наихудшего случая (сеть 240В и межфазное напряжение 415В, да еще 10% сверху) амплитуда межфазного напряжения составит:

Учтите это при работе в трехфазных сетях и выбирайте элементы, рассчитанные не менее, чем на 650В, если им предстоит работать между двумя фазами!

Надеюсь, теперь понятно что показывает вольтметр переменного тока?

Заключение

Итак, очень кратко, почти на пальцах, мы ознакомились с тем какие напряжения действуют в бытовых сетях переменного тока. Подведем краткие итоги всего, изложенного выше.

• Фазное напряжение — это напряжение между фазой и нулевым проводом.
• Линейное или межфазное напряжение — это напряжение между двумя разными фазными проводами одной трехфазной сети.
• В сетях переменного тока РФ действуют три, хоть и близких, но разных стандарта (фазное/линейное): 220В/380В, 230В/400В и 240В/415В переменного тока с частотой 50Гц.
• Вольтметр переменного тока обычно показывает действующее (оно же среднеквадратичное, оно же эффективное) напряжение, которое в раза меньше, чем пиковое (амплитудное) напряжение в сети.
• В наихудшем с точки зрения стандартов случае пиковое фазное напряжение составляет примерно 373В, а пиковое линейное напряжение — 645B. Это следует учитывать при разработке электронных схем.

Надеюсь эта статья помогла кому-то разобраться в теме и ответить для себя на некоторые вопросы.

• Напряжение
• Реле
• Трансформатор

• Что такое рекуперация на электровозе
• Чем отличается электровоз от тепловоза
• Чем глушитель отличается от резонатора
• Стойки стабилизатора как определить неисправность
• Стабилизатор поперечной устойчивости как работает

Что называется падением напряжения на участке цепи

Работа электроприборов невозможна без определенных параметров сети. Они состоят из многих факторов. Один из них – сопротивление проводников электрическому току. Учитывая сечение при выборе проводов или кабелей, необходимо брать в расчет и падение напряжения.

Основные понятия

Падение напряжения – это величина, отраженная в изменении потенциала в разных частях проводника. Протекающий от источника по направлению к нагрузке ток меняет свои параметры в силу сопротивления проводов, но его направление остается неизменным. Измерить напряжение можно с помощью вольтметра:

• двумя приборами в начале и конце линии;
• поочередное измерение в нескольких местах;
• вольтметром, подключенным параллельно кабелю.

Простейшая цепь – источник питания, проводник, нагрузка. Примером может быть лампа накаливания, включенная в розетку 220 В. Если замерить прибором напряжение на лампе, оно будет немного ниже. Падение возникло на сопротивлении лампы.

Напряжение или падение напряжения на участке цепи можно вычислять, применяя закон Ома, по формуле U = IR, где:

• U – электрическое напряжение (вольт);
• I – сила тока в проводнике (ампер);
• R – сопротивление цепи или ее элементов (ом).

Зная две любые величины, можно вычислить третью. При этом нужно учитывать род тока – переменный или постоянный. Если в цепи несколько параллельно подключенных сопротивлений, расчет несколько усложняется.

Результат понижения напряжения

Распространено явление, когда входное напряжение определяется ниже установленной нормы. Проседание по длине кабеля возникает по причине прохождения высокого тока, который вызывает увеличение сопротивления. Также потери возрастают на линиях большой протяженности, что характерно для сельской местности.

Согласно нормативам, потери от трансформатора до самого удаленного участка должны составлять не более 9%. Результат отклонения параметров от нормы может быть следующим:

• сбой работы энергозависимых установок и оборудования, осветительных приборов;
• выход электроприборов из строя при низких показателях напряжения на входе;
• снижение вращающего момента при пуске электродвигателя или компрессорной установки;
• пусковой ток приводит к перегреву и отключению двигателя;
• неравномерная токовая нагрузка в начале линии и на удаленном конце;
• осветительные приборы работают вполнакала;
• потери электроэнергии, недоиспользование мощности тока.

Изменяются характеристики и параметры эксплуатации электрических приборов. Например, из-за слабой мощности увеличивается время нагрева воды бойлером. Снижение напряжения приводит к сбоям в электронике.

В рабочем режиме потери напряжения в кабеле могут быть до 5%. Это значение допустимо для сетей энергетической отрасли, так как токи большой мощности доставляются на дальние расстояния. К таким линиям предъявляются повышенные требования. Поэтому при потерях в быту следует уделить внимание вторичным сетям распределения энергии.

Причины падения напряжения

Прежде всего нужно разобраться: это вина поставщика электроэнергии или потребителя. Проблемы с сетью возникают по таким причинам:

• износ линий электропередач;
• недостаточная мощность трансформаторов;
• дисбаланс мощности или перекос фаз.

Эти проблемы связаны с поставщиком, самостоятельно их решить невозможно. Чтобы понять, правильно или нет работают высоковольтные линии, придется вызывать представителей энергосбыта. Они сделают замеры и составят заключение.

Удостовериться, что вина падения не связана с поставщиком, можно самостоятельно. Прежде всего, стоит выяснить у соседей, есть ли у них подобные проблемы. Для измерения напряжения в быту подойдет мультиметр. Его стоимость до 1000 рублей. Если прибор на входе в квартиру показывает нормальное напряжение, причину нужно искать в домашней сети.

Падать напряжение может из-за большой протяженности проводки. Когда длина сети превышает 100 метров, а сечение проводников 16 мм, колебания станут регулярными. Чтобы исправить ситуацию, придется менять проводку.

Слабые контакты – это дополнительное сопротивление току. К приборам он доходит в недостаточном количестве. К тому же неисправные контакты могут вызвать замыкание и привести к пожару. Чтобы нормализовать показатели, нужно заменить аварийный участок цепи и подгоревшие контакты.

Виновником может быть неправильное соединение проводов, идущих от ЛЭП к дому. Иногда вопреки требованиям безопасности соединяют медные провода с алюминиевыми или медные проводники соединены вместо клемм скруткой. Клеммы и зажимы изготовлены из некачественных материалов, либо срок их годности вышел.

Возможно, неисправность заключается в самом вводном аппарате. В этом случае его следует заменить.

Как рассчитать потери

При расчете электрической линии отклонения напряжений не должны превышать регламентированных норм. Допустимые колебания для бытовых однофазных сетей – 209–231В, для трехфазной сети напряжение может варьироваться от 361 до 399 В.

Колебания силы тока и потребляемой мощности приводит к изменению напряжения в токопроводящих жилах возле потребителя. Поэтому при составлении схемы электропроводки необходимо учитывать допустимые потери.

В однофазной сети идет два провода, поэтому падение напряжения можно найти по следующей формуле: U=I*R, в свою очередь, R=(r*2i)/S.

• где r – удельное сопротивление, которое равно сопротивлению провода, сечением 1 мм2 и длиной 1м;
• i – обозначается как длина проводника;
• S – сечение кабеля.

В трехфазной сети мощности на фазных проводах компенсируют друг друга, а длина нулевого проводника не учитывается, так как по нему не идет ток. Если нагрузка по фазам неравномерная, расчет выполняют как для однофазной сети. Для линий большой протяженности дополнительно учитывают емкостное и индуктивное сопротивление.

Расчет падения можно выполнять с помощью онлайн-калькулятора, также существуют специальные таблицы. В них показаны допустимые токовые нагрузки для кабелей разных типов. При расчетах сечения кабеля должны учитываться следующие данные:

• материал изготовления проводников;
• скрытая или открытая прокладка линии;
• токовая нагрузка;
• условия окружающей среды.

При протекании тока по кабелю, проводу или шине, происходит их нагревание. Этот процесс изменяет физические свойства проводников. Происходит оплавление изоляции, перегрев контактов, перегорание провода. От правильного подбора кабеля зависит надежность и бесперебойная работа электросети.

Как уменьшить падение напряжения и снизить потери в кабеле

Можно снизить количество потерь, уменьшив сопротивление на всем участке электросети. Экономию дает способ повторного заземления нуля на каждой опоре линии электропередач.

Стоимость электроснабжения линией большой протяженности, выбранной по допустимому падению напряжения, больше выбора, выполненного по нагреву кабеля. Все же есть возможность снизить эти расходы.

• Усилить начальный потенциал питающего кабеля, подключив его к отдельному трансформатору.
• Добиться постоянных величин напряжения в сети можно с помощью установки стабилизатора возле нагрузки.
• Подключение потребителей с низкими нагрузками 12–36 В выполняют через трансформатор или блок питания.

Чем длиннее кабель линии электропередач, тем большее сопротивление возникает при прохождении по нему тока. Очевидно, что потери напряжения также выше. Снизить их можно, комбинируя способы между собой.

• Снизить расходы увеличением сечения питающего кабеля. Но этот метод потребует больших финансовых вложений.
• При разработке линий энергоснабжения следует выбирать максимально короткий путь, так как прямая линия всегда короче ломаной.
• При снижении температуры сопротивление металлов уменьшается. Вентилируемые кабельные лотки и другие конструкции снижают потери в линии.
• Уменьшение нагрузки возможно, если есть много источников питания и потребителей.

Экономию дает должное содержание и профилактика электросетей – проверка плотности и прочности контактов, использование надежных клеммников.

Подходить к вопросу сохранения энергии нужно с полной ответственностью. Проблема потери напряжения может вывести из строя дорогостоящие приборы, инструменты. Не стоит пренебрегать мерами безопасности, они будут нивелировать скачки напряжения и защищать бытовую технику и оборудование на предприятии.