Электроника для начинающих: источники напряжения, тока и их измерение

Время чтения: 4 минуты

Идеальный источник напряжения — двухполюсник, который поддерживает постоянный потенциал на клеммах. При подключении нагрузки с переменным сопротивлением он удерживает напряжение неизменным, регулируя токоподачу. Согласно формуле I=V/R, I меняется при изменении R, тогда как V остаётся постоянным.

Возникает теоретическая проблема: если сопротивление нагрузки стремится к нулю, ток — к бесконечности. В реальности ни одно устройство не способно выдавать бесконечно большой ток, поэтому понятие идеального источника дополняют моделью реального — батареи, сетевого блока питания и т. п. Он выдаёт нужные параметры электропитания, но только в определённом диапазоне.

Оно возникает из‑за несовершенства проводимости: например, это сопротивление электролита в батарее или проводников в сетевом блоке. Из‑за rs напряжение на клеммах снижается; его величина зависит от токопотребления нагрузки и от самого внутреннего сопротивления.

Когда к источнику подключают нагрузку R_load, она вместе с rs оказываются соединены последовательно, и напряжение на клеммах рассчитывают по правилу делителя напряжения:

Если R_load значительно больше rs (например, в 1000 раз и более), влиянием внутреннего сопротивления можно пренебречь. Но если R_load мало или сопоставимо с rs, его учитывают при расчётах и проектировании схем.

Наряду с источниками напряжения существуют источники тока. Идеальный источник поддерживает неизменный ток IS независимо от сопротивления нагрузки: напряжение на клеммах меняется так, чтобы он оставался постоянным. Реальные источники обладают большим rs, которое влияет на фактический ток на клеммах (I_T): величина зависит от него и параметров нагрузки.

Когда клеммы разомкнуты, ток равен нулю. При подключении нагрузки R_load вместе с rs образуют параллельное соединение; ток на клеммах определяют по формуле делителя:

Если R_load намного меньше rs, снижение токопадения незначительно и им часто пренебрегают. Если же R_load велико или близко к rs, внутреннее сопротивление учитывают в расчётах.

Идеальный источник тока характеризуют бесконечно большим внутренним сопротивлением: это позволяет ему сохранять постоянный ток при любых изменениях нагрузки. На практике к такому идеалу приближаются, используя источник высокого напряжения V, включённый последовательно с большим сопротивлением R: тогда в нагрузке будет поддерживаться ток порядка V/R, если сопротивление нагрузки существенно меньше R.

Например, схема с источником 1 кВ и резистором 1 МОм даёт около 1 мА с точностью до 1% в диапазоне нагрузок до 10 кОм (то есть при 0 < R_load < 10 кОм). Ток остаётся почти постоянным, потому что внутреннее сопротивление намного превышает сопротивление нагрузки.

В такой схеме напряжение Vin задаёт ток через резистор R1 на базу второго транзистора, обеспечивая его протекание через коллектор и эмиттер. Он проходит через R2. Если становится слишком большим, первый транзистор «забирает» часть тока базы у второго, ограничивая коллекторный ток на заданном уровне. Такая схема служит либо источником стабильного, либо ограничителем максимального тока в цепи.

Вольтметры, амперметры и омметры при измерениях не должны влиять на цепь. Идеальный вольтметр обладает бесконечно большим входным сопротивлением R_in и не потребляет ток. Идеальный амперметр имеет нулевое сопротивление и не создаёт падения напряжения при последовательном включении. Идеальный омметр не добавляет дополнительного сопротивления в цепь.

Реальные приборы не достигают этих идеалов. Чтобы отобразить показания, они неизбежно забирают часть тока из цепи — это и ограничивает точность измерений.

Вот базовые параметры:

Внутреннее сопротивление прибора становится частью измеряемой цепи, поэтому оно влияет на результат. Погрешность заметнее, когда сопротивление и измерителя близки. Перед работой важно проверять характеристики устройства в инструкции.

Стрелочный мультиметр основан на гальванометре, который измеряет ток IG. Принцип работы: ток в обмотке катушки создаёт магнитное поле, и ротор поворачивается в поле постоянного магнита — угол поворота пропорционален силе тока.Полное отклонение стрелки достигается при малых токовых значениях, поэтому для расширения диапазона применяют резистор‑шунт: он отводит часть тока.

Гальванометр адаптируется под разные задачи:

Хотя схема стрелочного мультиметра выглядит простой, реальные устройства сложнее: они поддерживают разные диапазоны измерений, работу с постоянным и переменным током и другие функции.

На рисунке ниже показаны две схемы соединения батарей, демонстрирующие способы увеличения напряжения питания и/или увеличения ёмкости питающего тока. Для увеличения суммарного напряжения питания батареи подключаются последовательно (отрицательный вывод одной батареи соединяется с положительным выводом следующей и так далее); сумма напряжений на клеммах батарей и составляет конечное напряжение получившейся «сборной» батареи. Для создания источника питания с увеличенной ёмкостью тока (увеличенным временем работы) батареи можно подключать параллельно: положительные выводы с положительными, отрицательные с отрицательными. Мощность, передаваемая на нагрузку, может быть найдена с помощью закона Ома: P = V2/R, где V — конечное напряжение питания, создаваемое всеми батареями в сети. Обратите внимание, что показанный здесь символ заземления служит просто в качестве опорного потенциала 0 вольт, а не в качестве истинного заземления.

При параллельном соединении батарей важно, чтобы напряжение и химический состав были одинаковыми. Различие в напряжении и кривых разряда приведёт к проблемам. Для параллельного соединения используйте свежие батареи одного типа и одного производителя.

Короткое замыкание вызывает чрезмерный ток, из‑за чего может перегореть предохранитель или выйти из строя компонент — в итоге возникает обрыв цепи. Причины КЗ: замыкание оголённых проводов, повреждение изоляции, случайное попадание припоя на два проводника на плате.

Обрыв — это разрыв цепи. Он возникает из‑за отсоединения проводов или выводов компонентов либо из‑за внутреннего повреждения компонента (с резким ростом его сопротивления).

В модели с идеальными компонентами при КЗ ток через источник напряжения был бы бесконечным, а напряжение — нулевым. В реальности внутреннее сопротивление источника и проводников его ограничивает, но при КЗ он всё равно достигает чрезмерно больших значений — например, в бытовой сети 230 В — десятков тысяч ампер.

Признаки КЗ — запах гари, перегрев компонентов. Для защиты цепей используют предохранители, подавители переходных напряжений и автоматические выключатели: они разрывают цепь, минимизируя ущерб.