Как измерить падение напряжения

Измеряем прямое падение напряжения на неизвестном светодиоде

В целом данная тема уже рассматривалась достаточно часто.

Следует помнить, что для нормальной работы светодиодов важен ток потребления… и, по сути, не важно само напряжения питания — оно может быть и 5 вольт и 25 и 1025… главное, чтобы было ограничение по току потребления светодиода.

А вот падение напряжения надо знать чтобы понимать «сколько останется» напряжения после светодиода…

Например, падение напряжения на светодиоде — 4 вольта, тогда при подаче на него питания в 7 вольт (при наличии ограничения тока до рабочего параметра) светодиод загорится, но уже после него в цепи будет 3 вольта — 7-4=3

Последовательно соединенные светодиоды с таким падением напряжения в количестве 2-х штук (при таком напряжении питания — в 7 вольт) светиться уже не будут, поскольку общая сумма падения напряжения будет больше, чем сам источник питания.

Как правило у каждого светодиода есть свои паспортные характеристики, где и можно узнать как прямое падение напряжения, так и рабочий ток потребления…

Однако иногда в наличии просто имеется какая то куча светодиодов «без каких либо характеристик»… вот и надо как то выяснить те или иные параметры.

Для проверки можно использовать «мультиметр» для проверки полупроводников.
Типа такого с Али

Он вполне может показать прямое падение маломощного светодиода и еще покажет расположение анода и катода.

Кстати, мощные светодиоды он не тестирует…
По крайней мере «орлиный глаз» оказался ему не по зубам — он определял его как конденсатор.

Также прямое падение напряжение на светодиоде можно померить обычным мультиметром.
Включаем схему:

1. плюс питания — токоограничивающий резистор — анод светодиода
2. минус питания — на катод светодиода
3. к ножкам светодиода подключаем мультиметр в режиме измерения напряжения.

Подаем постоянное напряжение питания с нуля (можно и сразу подать воль от 4-х для маломощных светодиодов).
Постепенно увеличиваем напряжение питания и следим за показаниями мультиметра.
Как только показания мультиметра перестанут сильно увеличиваться в не зависимости от увеличения напряжения питания, это и будет значение прямого падения напряжения на светодиоде.

Вот пример: я на маломощный светодиод подаю через токоограничивающий резистор в 1,5кОма напряжение 9 вольт, на на самом светодиоде при этом присутствует 1,9 вольт.
1,9 вольт — это и есть прямое падение напряжения данного светодиода.

Или на примере более мощного светодиода «орлиный глаз»:
Через тот же резистор 1,5 кОма (имеющийся резистор в 33 Ом можно проигнорировать) я подаю 14 вольт.
Однако на самом светодиоде наблюдаем напряжение не более 8 вольт:

При подаче напряжения питания 12 вольт, мой светодиод «орлиный глаз» потребляет 72мА, при 13 вольтах — 90мА и начинает сильно греться — на корпусе светодиода я замерил 62 градуса после чего прекратил подачу напряжения питания.
Так что токоограничение для данного светодиода надо делать где то в пределах 70мА и резистор помощнее надо ставить или использовать регулятор тока.

А вот видео по измерениям…

0:00 — используем «тестер полупроводников»
1:20 — используем мультиметр для замера падения напряжения на маломощном светодиоде
5:17 — замер падения напряжения на «орлином глазе»

Разбор корпуса светодиода «орлиный глаз» я рассматривал в статье — Вскрытие «Орлиного глаза» в блоге.

А вот можно сделать пробник светодиодов из шприца…
А подключив к мультиметру в режиме измерения напряжения (естественно) — и падение напряжения на светодиоде:

Обнаружение падения напряжения с использованием мультиметра

При достаточной квалификации электрика диагностику неисправностей электросистемы автомобиля можно осуществить, воспользовавшись таким простым прибором, как функциональный цифровой мультиметр. При этом зачастую ошибок в диагностике можно избежать, всего лишь имея навыки правильного считывания показаний мультиметра.

При измерении напряжения показания мультиметра отображают значение разницы потенциала между красным и черным щупом. Например, если красный щуп замкнуть на 12 В, а черный на 0 В, на табло мультиметра высветится показатель 12 В (разница между 12 и 0). Однако если оба щупа замкнуть на 12 В, разности напряжения между щупами не будет, и на дисплей мультиметра будет выведен показатель 0 вольт.

Контрольное напряжение – прежде всего

Перед проведением любых испытаний электрической системы автомобиля следует убедиться в наличии контрольного напряжения. Измеряется оно на подключенной АКБ автомобиля, приложением щупов мультиметра к обоим клеммам. Красный щуп замыкается на положительную клемму (+), а черный — на отрицательную (-).

Для правильного выполнения процедуры измерения придерживайтесь таких инструкций:

1. При выключенном мультиметре убедитесь, что щупы подключены к нужным разъемам мультиметра (обычно есть разъемы для переменного и постоянного тока, иногда – два разъема для постоянного тока разной силы)
2. Переключите мультиметр в режим «Вольты постоянного тока»
3. Выберите положение круглого переключателя, соответствующее десяткам вольт (обычно маркируется «20»).
4. После этого замкните красный и черный щупы на клеммы аккумулятора.

Замер на цепи – не показатель

В приведенном примере, если измерение напряжения выполняется на противоположных клеммах АКБ автомобиля (при выключенном двигателе), мультиметр покажет приблизительно 12,7 вольт. Это и есть значение разницы потенциалов.

Если же считывание проводится с предохранителя (или любых двух участков цепи) – на исправной цепи мультиметр покажет 0 вольт, поскольку потенциал на красном и черном щупе идентичен.

После ознакомления с теоретическими аспектами, диагностика неисправностей становится более понятной. Теперь можно искать место падения напряжения по цепи.

Проверка отдельного кабеля

В приведенном выше примере показано падение напряжения от положительной клеммы аккумулятора к положительной клемме стартера. При обнаружении такового следует проверить кабель на предмет наличия или отсутствия разрывов. Для выполнения данного теста мультиметр находился в режиме «Вольты постоянного тока», а щупы прикладываются к разным концам исследуемого кабеля. Стартер проворачиваем для подачи нагрузки на кабель.

Предполагаемый результат не должен превышать приблизительно 0,5 вольт, что свидетельствует о возможности нормальной эксплуатации кабеля – разница обусловлена сопротивлением самого кабеля. Если же результат изменения превышает рекомендованную величину в полвольта, это может свидетельствовать о повреждении кабеля или о высоком сопротивлении в цепи.

Исправный кабель берет не больше полувольта

Аналогичный метод испытаний можно применить к любой электрической цепи.
При замыкании мультиметра на отрицательную клемму аккумулятора и контакта стартера на массу, как показано ниже, следует ожидать результата показаний около 0,5 вольт для кабеля, пригодного к эксплуатации.

Аналогичный метод измерения падения напряжения может применяться к любой электрической цепи автомобиля и является надежным методом определения таких типов неисправностей:

• Открытый контур (разрыв провода или перегоревший предохранитель),
• Высокое сопротивление (поражение клеммы коррозией или повреждение провода),
• Неисправность потребителя.

Информация предоставлена компанией Delphi .

Что такое падение напряжения?

Под термином падение напряжения понимают снижение напряжения вдоль проводника, которое обусловлено наличием сопротивления проводника. Другое определение величины падения напряжения связано с характеристикой электростатического поля, называемой электростатическим потенциалом φ.

Что означает падение напряжения

Сила воздействия поля на заряды добавляет им порцию энергии, то есть производится работа. Частное от деления работы А, произведённой полем по перемещению заряженной частицы из начальной точки в конечную, к количеству заряда q и есть электрическое напряжение U между данными точками:

Из формулы следует, что электрическое напряжение — это работа по передвижению заряда размером в 1 кулон из начальной точки в конечную. Воспользовавшись предыдущей формулой, можно получить формулу для вычисления произведённой работы:

Потенциал

Силовой характеристикой поля Е является его напряжённость. Понятие потенциала было введено для количественной характеристики энергетических способностей поля. Потенциал поля — это потенциальная энергия W_p заряда, делённая на его величину:

Тогда напряжение U равно:

Таким образом, напряжение — это разность потенциалов.

От уменьшения потенциала к падению напряжения

По мере протекания тока по цепи происходит изменение электрического потенциала в меньшую сторону и, как следствие, уменьшение напряжения, которое определяется термином «падение напряжения» (от англ. voltage drop). Для того чтобы падение напряжения на потребителях электроэнергии (элементах схем, бытовых приборах, электродвигателях и т.д.) было в пределах, обеспечивающих нормальную работу, необходимо минимизировать потери напряжения на сопротивлении источника, соединительных проводов, контактов и разъёмов, на которых бесполезно рассеивается энергия заряженных частиц.

Как рассчитать

Оценки и точные расчёты величины падения напряжения основаны на фундаментальном физическом законе Ома, названным в честь немецкого исследователя Георга Ома, открывшего этот закон в 1826 г.

Рис.1. Георг Симон Ом (1789-1854) На основании серии многочисленных экспериментов, измеряя зависимость величины тока через различные проводники от прикладываемого напряжения, исследователь получил следующую математическую формулу: I=U/R, где:

• I — ток в цепи (измеряется в амперах, А);
• U — падение напряжения (измеряется в вольтах, В);
• R — сопротивление, единицей измерения которого является Ом, названная также в честь немецкого первооткрывателя.

Таким образом, значение силы тока I в электрической цепи находится в прямой пропорциональной зависимости от величины U и в обратной пропорциональной зависимости от величины сопротивления R. Формула является базовой для расчёта падения напряжения, при этом в зависимости от имеющихся справочных или измерительных данных могут быть два варианта вычислений.

Через силу тока и сопротивление

Воспользовавшись формулой выше, можно получить следующее выражение:

То есть, зная величину протекающего тока, которая может быть измерена прибором (амперметром), и величину сопротивления, получаем искомое значение U с помощью умножения величины тока I на значение сопротивления R. Если значение R заранее неизвестно, то основная формула, применяемая для вычисления R, выглядит следующим образом:

• L — длина проводника, м;
• S — площадь поперечного сечения, м 2 ;
• ρ — удельное сопротивление.

Длина и площадь легко измеряются доступными средствами. Величины удельных сопротивлений всех электротехнических материалов давно измерены, сведены в таблицы и находятся в открытом доступе. Величина ρ равна сопротивлению проводника длиной 1 м, имеющего площадь поперечного сечения 1 м 2 .

Через мощность и силу тока

Второй вариант вычисления основан на формуле, связывающей мощность P электрической энергии, выделяемой на нагрузке, с током I и падением напряжения U:

Формула является следствием закона Джоуля-Ленца, открытого почти одновременно двумя физиками (английским и русским) в 1841 г.

Рис. 2. Д.П. Джоуль и Э.Х. Ленц Было замечено, что протекание тока через нагрузку всегда сопровождается выделением тепла Q. Исследователям удалось установить функциональную связь между количеством выделяемого тепла Q и другими измеряемыми (или вычисляемыми) величинами, выраженную формулой: Q=I 2 *R*t, где:

• I — ток, А;
• R — сопротивление, Ом;
• t — время измерения, с;
• Q — количество тепла, Дж.

Мощность P, по определению — это энергия, в данном случае Q, выделяемая в единицу времени. То есть, поделив обе части уравнения на время t, получим выражение для мощности P:

Воспользовавшись формулой, получаем выражение для P:

Следовательно, зная ток, протекающий через нагрузку и потребляемую ей мощность, можем рассчитать падение напряжения:

Формула верна для случая цепей постоянного тока. Для расчётов цепей переменного напряжения и тока справедлива следующая формула:

В данном случае буквой φ обозначается коэффициент мощности, значение которого определяется свойствами нагрузки. Для электроприборов, имеющих исключительно активную нагрузку (нагревательные элементы, лампы накаливания), коэффициент cos φ практически равен единице. Для учёта возможной реактивной составляющей при работе таких устройств хорошим приближением считается значение cos φ равное 0,95. Для электрооборудования с существенным присутствием реактивной компоненты (трансформаторы, электродвигатели, конденсаторы) cos φ принимается равным 0,8.

К чему приводит потеря напряжения

В силу различных причин, входное напряжение, подающееся для энергоёмких потребителей (здания, промышленные объекты), может быть ниже установленных нормативов. Например, падение по длине кабеля обусловлено протеканием больших токов, вызывающих рост сопротивления. Потери возрастают на протяжённых линиях электропередач. При отклонении входных напряжений ниже установленных нормативов возможны следующие негативные последствия:

• Возможны сбои в работе промышленных установок и осветительного оборудования.
• При низких значениях входного напряжения возникает большая вероятность выхода из строя электроприборов.
• Падает вращающий момент, необходимый для запуска компрессорной техники и электродвигателей.
• Возникает нежелательный дисбаланс в токовой нагрузке в начале линии и на её конце.
• Осветительное оборудование начинает функционировать «вполнакала», что не допускается нормами СанПиНа и требованиями техники безопасности.
• Деформируются выходные характеристики и режимы эксплуатации электрических приборов. Типичным примером является возрастание времени, требуемого для нагрева воды бойлером.
• Резко повышается вероятность спонтанных сбоев в работе электроники.

От чего зависит

Потери электроэнергии, связанные с её транспортировкой по проводам, неизбежны в силу вышеизложенных физических причин. Основная причина связана с падением напряжения на сопротивлении проводов. Из закона Ома следует, что чем выше сопротивление провода, тем больше на нём падение напряжения (потери). Для низковольтных сетей с параметрами 220-380 В потери минимизируются с помощью выбора кабеля, имеющего оптимальную площадь сечения.

Из формулы следует, что сопротивление падает при увеличении площади сечения и, наоборот, растёт при увеличении длины провода. Очевидно также, что чем меньше удельное сопротивление металла, из которого изготовлен провод, тем меньше R. Всегда предпочтительнее выбор провода с медной жилой по сравнению с алюминиевой, т.к. ρ_меди = 0,0175 Ом*мм 2 /м, в то время как ρ_{алюминия} = 0,028 Ом*мм 2 /м. Следует учитывать, что вариант использования медного провода дороже алюминиевого. Подводя итог этого раздела, можно сказать, что для уменьшения потерь электроэнергии следует:

• Оптимизировать длину прокладываемых проводов — убрать «всё лишнее».
• По возможности использовать провода с медной жилой.
• Рассчитать оптимальное сечение используемого провода при максимально допустимой нагрузке.

Допустимые значения

Основным документом, устанавливающим рамки допустимых отклонений, является ГОСТ 29322-2014 «Межгосударственный стандарт. Напряжения стандартные». ГОСТ устанавливает понятия краткосрочного и длительного допустимого отклонения.

В соответствии с данным документом краткосрочно допустимы отклонения на 10% как в большую, так и в меньшую сторону. Например, для типичного напряжения 220 В значения в диапазоне 207-253 В на короткое время считаются допустимыми. Длительное допустимое отклонение должно быть не более 5%. Для 220 В диапазон сужается до 218-242 В.

При выходе напряжения из допустимых границ следует действовать следующим образом:

• Обратиться с заявлением в энергосбытовую или управляющую компанию.
• Присутствовать при проведении контрольных замеров, подтверждающих факт недопустимых отклонений.
• Зафиксировать проведённые замеры и причину недопустимых отклонений.
• При длительном бюрократическом пути решения данной проблемы самостоятельно задача решается путем установки за свой счёт необходимого количества источников бесперебойного питания.

Как понизить напряжение с помощью резистора

При использовании серийных источников питания в виде аккумуляторов или батарей часто возникает необходимость в понижении этого напряжения до значения, которое обеспечивает нормальную работоспособность схемы или устройства. Проще всего такие задачи решаются с помощью резисторов, выполняющих роль делителя напряжения. Типичная схема такого делителя приведена на Рис.3.

Рис.3. Принципиальная схема делителя напряжения (GND – «земля»)

Напряжение от источника U₀ = +5 В подаётся на два последовательно подключённых резистора R₁ и R₂. При последовательном соединении через оба резистора протекает одинаковый ток I, следовательно, согласно закону Ома, падение напряжение на каждом резисторе будет составлять:

Формулы отражают суть делителя напряжения, а на Рис.3 показаны три варианта такого делителя.

Заключение

Падение напряжения, связанное с потерями электрической энергии, присутствует во всех электрических цепях и сетях. Минимизации этих потерь можно добиться правильным выбором проводов (материал жилы, длина и сечение), по которым идет трансфер электроэнергии. Допустимые отклонения напряжения регулируются нормативными документами.

Расчёт потерь напряжения в кабеле

Потеря напряжения в кабеле — величина, равная разности между установившимися значениями действующего напряжения, измеренными в двух точках системы электроснабжения (по ГОСТ 23875-88). Этот параметр необходимо знать при производстве любых электромонтажных работ — начиная от видеонаблюдения и ОПС и заканчивая системами электроснабжения промышленных объектов.

Рис.1	Рис.2

При равенстве сопротивлений Zп 1 =Zп 2 =Zп 3 и Zн 1 =Zн 2 =Zн 3 ток в нулевом проводе отсутствует (Рис.1), поэтому для трёхфазных линий потери напряжения рассчитываются для одного проводника.

В двух- и однофазных линиях, а также в цепи постоянного тока, ток идёт по двум проводникам (Рис.2), поэтому вводится коэффициент 2 (при условии равенства Zп 1 =Zп 2 ).

Доступна Windows-версия программы расчёта потерь напряжения

Пояснения к расчёту

Расчёт потерь линейного (между фазами) напряжения в кабеле при трёхфазном переменном токе производится по формулам:

или (если известен ток)

где

Расчёт потерь фазного (между фазой и нулевым проводом) напряжения в кабеле производится по формулам:

или (если известен ток)

где

Для расчёта потерь линейного напряжения U=380 В; 3 фазы.

Для расчёта потерь фазного напряжения U=220 В; 1 фаза.

P — активная мощность передаваемая по линии, Вт;
Q — реактивная мощность передаваемая по линии, ВАр;
R — удельное активное сопротивление кабельной линии, Ом/м;
X — удельное индуктивное сопротивление кабельной линии, Ом/м;
L — длина кабельной линии, м;
Uл — линейное напряжение сети, В;
Uф — фазное напряжение сети, В.

Пожелания, замечания, рекомендации по улучшению раздела расчётов на нашем сайте просьба присылать по электронной почте support@ivtechno.ru

Разрешается копирование java-скриптов при условии ссылки на источник.

Похожие публикации:

1. Где посмотреть объявления о покупке
2. Как открыть порше 911 при севшем аккумуляторе
3. Как снять подрулевой переключатель киа рио
4. Максимальная 30 минутная мощность квт что это