Как измерить падение напряжения

11

3 Измерение падения напряжения на участке электрической цепи

Задача состоит в измерении падения напряжения на участке электрической цепи вольтметром, у которого внутреннее сопротивление не равно бесконечности. При расчете погрешности измерения необходимо будет учитывать две составляющие: погрешность, обусловленную согласованием «объект измерения – вольтметр». Предполагается, что вольтметр подключен к источнику не постоянно, а только на время измерения. Электрическая цепь имитируется двумя резисторами, образующими делитель напряжения.

Схема соединений экспериментальной установки приведена на рис. 3 а, а эквивалентная электрическая схема на рис. 3 б.

Рисунок 3б. Схема электрическая эквивалентная: Е – э.д.с. источника (внутреннее сопротивление его близко к нулю – ); R₁ и R₂ – сопротивления резисторов, составляющих электрическую цепь делителя напряжения; V – идеализированный вольтметр; R_v – внутреннее сопротивление реального вольтметра

3.1 По заданному преподавателем приближённому значению э.д.с. источника Е и значениями сопротивлений электрической цепи R₁ и R₂ рассчитать ожидаемое значение падения напряжения на сопротивлении R₂. При этом внутренним сопротивлением источника R_и пренебречь. Установить требуемый предел измерения вольтметра и определить его внутреннее сопротивление R_V на данном пределе.

3.2 Собрать установку по схеме, изображённой на рис. 3 а.

3.3 Произвести измерение падения напряжения, сняв показания со шкалы прибора .

3.4 Рассчитать действительное значение абсолютной погрешности согласования:

.

3.5 Внести поправку в результат измерения падения напряжения:

.

3.6 Рассчитать пределы допускаемой абсолютной погреш-ности измерения падения напряжения, обусловленной классом точности:

,

где – пределы допускаемой приведённой погрешности прибора (класса точности); U_к – предел измерения.

3.7 Записать результат измерения в виде интервала, в котором находиться истинное значение падения напряжения:

и в условном виде .

3.9 Рассчитать пределы допускаемой относительной погрешности измерения по формуле

и сравнить их с пределом допускаемой приведенной погрешности прибора.

4 Косвенное измерение силы электрического тока в цепи

Задача состоит в измерении силы общего тока, потребляемого электрической цепью, содержащей две параллельных ветви (рис. 4 б). Предполагается, что значение общего тока I_x, потребляемого от источника э.д.с., превышает наибольший предел измерения имеющегося миллиамперметра. Значение тока I_x вычисляется как результат косвенного измерения по результатам прямых измерений токов I₁ и I₂, протекающих в ветвях цепи:

Измерение токов I₁ и I₂ осуществляется одним и тем же миллиамперметром, поочередно подключаемым то в одну ветвь, то в другую.

Схема соединений экспериментальной установки приведена на рис. 4 а, а эквивалентная электрическая схема на рис. 4 б.

4.1 По заданному преподавателем приближённому значению э.д.с. источника Е и номинальным значениям сопротивлений электрической цепи R₁ и R₂ рассчитать ожидаемые значения токов I₁ и I₂, выбрать предел (или пределы) измерения миллиамперметра и определить его внутреннее сопротивление R_А (или R_А1 и R_А2).

4.2 Собрать установку по схеме, изображённой на рис.4 а.

4.3 Произвести измерения токов I₁ и I₂, поочерёдно подключая миллиамперметр то последовательно с сопротивлением R₁, то – с R₂.

4.4 Рассчитать действительные значения абсолютных погрешностей от несогласования:

,

4.5 Внести поправки в результаты измерений токов:

,

.

4.6 Рассчитать результат косвенного измерения силы тока I_x:

.

4.7 Определить пределы допускаемых абсолютных погрешностей измерения токов I₁ и I₂, обусловленных классом точности миллиамперметра:

и

В частном случае ΔI₁= ΔI₂, если используется один предел измерения.

4.8 Рассчитать пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения суммарного тока I_x по следующей формуле:

.

4.9 Записать результат измерения в виде интервала, в котором находится истинное значение силы тока I_x:

.

и в виде: .

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.

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:

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.

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.

• 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.

Как рассчитать падение напряжения на резисторах?

Познавательное

Простая электрическая цепь состоит из источника питания, проводников и сопротивлений. На практике же электроцепи редко бывают простыми и включают в себя несколько различных ответвлений и повторных соединений.

В больших масштабах в роли сопротивлений может выступать бытовая техника, осветительные приборы и другие потребители. Давайте разберемся, что происходит с током и напряжением на каждом таком потребителе или резисторе с точки зрения электротехники.

Основы электротехники

Закон Ома гласит, что напряжение равно силе тока умноженной на сопротивление. Это может относиться к цепи в целом, участку цепи или к конкретному резистору. Самая распространенная форма этого закона записывается:

Два типа схем в электротехнике

Последовательная цепь

Здесь ток протекает по одному проводнику. Независимо от того, какие сопротивления встречаются на его пути, просто суммируйте их, чтобы получить общее сопротивление цепи в целом:

Последовательная цепь

Параллельная цепь

В этом случае проводник разветвляется на два или более других проводника, на каждом из которых имеется своё сопротивление. В этом случае полное сопротивление определяется как:

Параллельная цепь

Если взглянуть на эту формулу, можно сделать вывод, что добавляя сопротивления одинаковой величины, вы уменьшаете сопротивление цепи в целом. Согласно закону Ома это фактически увеличивает ток!

Если это кажется нелогичным, представьте себе поток автомобилей, которые выезжают с парковки через один шлагбаум и тот же самый поток который выезжает со стоянки, которая имеет несколько выездов. Несколько выездов явно увеличит поток покидающих стоянку машин.

Падение напряжения в последовательной цепи

Если вы хотите найти падение напряжения на отдельных резисторах в цепи, выполните следующие действия:

1. Рассчитайте общее сопротивление, сложив отдельные значения R.
2. Рассчитайте ток в цепи, который одинаков для каждого резистора, поскольку в цепи только один проводник.
3. Рассчитайте падение напряжения на каждом резисторе, используя закон Ома.

Пример: источник питания 24 В и три резистора подключены последовательно, где R₁ = 4 Ом, R₂ = 2 Ом и R₃ = 6 Ом. Чему равно падение напряжения на каждом резисторе?

• Сначала рассчитаем общее сопротивление: 4 + 2 + 6 = 12 Ом.
• Далее рассчитываем ток: 24 В / 12 Ом = 2 А
• Теперь используем ток, чтобы вычислить падение напряжения на каждом резисторе. Используя Закон Ома (U = IR) для каждого резистора, получим значения R₁, R₂ и R₃ равными 8 В, 4 В и 12 В соответственно.

Падение напряжения в параллельной цепи

Пример: источник питания 24 В и три резистора подключены параллельно, где R₁ = 4 Ом, R₂ = 2 Ом и R₃ = 6 Ом, как и в предыдущей схеме. Чему будет равно падение напряжения на каждом резисторе?

Схема для решения задачи на паралельно подключенное сопротивление

В этом случае все проще: независимо от значения сопротивления падение напряжения на каждом резисторе одинаково. Это означает, что падение напряжения на каждом из них — это просто общее напряжение цепи, деленное на количество резисторов в цепи, или 24 В / 3 = 8 В.

Применяя эти несложные правила вы сможете рассчитать падение напряжения даже в сложной цепи, достаточно лишь разделить её на простые участки.

Инженер по телевизионному оборудованию Электрика и электроника, это не только моё хобби, но и работа