Snížení napětí: Jak omezit proud pomocí diody, rezistoru, kondenzátoru
V některých případech vyvstává otázka snížení napětí na požadovanou úroveň. Tato situace nastává například v případě, že existuje napájecí zdroj, jehož výstupní úroveň překračuje přípustnou hodnotu pro spotřebitele, nebo když je nutné omezit možné napětí např. na senzoru, aby nedošlo k jeho poruše.
Pracovní principy snižování napětí
Úroveň napětí na zátěži můžete snížit různými způsoby. Tyto metody závisí na typu proudu spotřebovaného zařízením, výkonu zátěže, požadované účinnosti atd. Ke snížení napětí se používají hlavně dva způsoby:
- Použití tlumicích prvků (balast).
- Převod úrovní.
V prvním případě je do série se zátěží zapojen přídavný pasivní prvek, kterým přepětí klesá. Ve druhém se používají speciální zařízení, která převádějí napětí jedné úrovně na napětí jiné úrovně (takto můžete nejen snížit, ale i zvýšit napětí). Každá metoda má své výhody a nevýhody a závisí také na implementaci metody.
Pokud je použit princip generování napětí metodou pulsně šířkové modulace, pak lze úroveň napětí měnit změnou (snížením) šířky pulsu – ručně nebo automaticky prostřednictvím zpětné vazby.
Metody omezení napětí
V praxi se pro snížení napětí používají různá řešení. Každý z nich má svou vlastní oblast použití, stejně jako své vlastní výhody a nevýhody.
Rezistor
Nejjednodušší způsob, jak snížit napětí, je zapojit rezistor do série se zátěží. Výsledkem je dělič napětí, jehož jedno rameno je předřadník a druhé je zátěž. Odpor odporu lze vypočítat pomocí vzorce R=U/I, kde:
Je třeba vzít v úvahu, že přídavný prvek omezí proud v obvodu, z tohoto důvodu může být nutné přesněji volit odpor, dokud se na zátěži nedosáhne požadované hodnoty napětí.
Hlavní nevýhodou této metody je, že úbytek napětí na rezistoru závisí na proudu spotřebovaném zátěží. Pokud se změní proud, změní se i úbytek napětí. Druhým bodem je, že energie se rozptyluje (plýtvá) na předřadníku v závislosti na proudu a přepětí (P=U*I). Rezistor musí být navržen pro příslušný režim.
Vliv zatěžovacího proudu můžete snížit pomocí děliče, jehož obě ramena tvoří odpory. V tomto případě napětí na rezistorech R1 и R2 budou rozděleny v poměru k jejich odporům. Horním rezistorem protéká proud děliče Idiv a proud zátěže Iload pouze spodním rezistorem. Pokud zvolíte poměr děliče a zatěžovacích rezistorů tak, aby byl zatěžovací odpor alespoň o řád vyšší než odpor spodního rezistoru, pak bude mít změna zatěžovacího proudu malý vliv na pokles napětí na paralelní obvod rezistoru a zátěže. Nevýhodou takového obvodu je velké plýtvání energií přes odpory R1 и R2 – bude také minimálně o řád vyšší než výkon spotřebovaný zátěží.
Oba přístupy lze použít v obvodech střídavého i stejnosměrného napětí.
Kondenzátor
Ve střídavých obvodech lze místo rezistoru použít kondenzátor. Výhodou takového návrhu obvodu je teoretická absence vývinu tepla a není potřeba řešit problém odvodu tepla (ve skutečnosti dochází k určitému uvolnění tepelné energie v dielektriku a závisí na jeho kvalitě).
Kondenzátor můžete zapnout jako tlumící odpor – část napětí na něm klesne. Odpor jako funkci frekvence a kapacity lze vypočítat pomocí vzorce Rx=1/(2*π*f*C), a pokles napětí je jako U=I/(2*π*f*C), kde:
- U – pokles napětí na tlumicím prvku, V;
- I – proud v obvodu, A;
- f – frekvence proudu v obvodu, Hz;
- С – kapacita kondenzátoru, F.
Je zřejmé, že čím menší je kapacita kondenzátoru, tím vyšší je jeho odpor.
Požadovaná hodnota kapacity se vypočítá pomocí vzorce С=I/(U*2*π*f*), kde:
- С – požadovaná kapacita, F;
- I – proud v obvodu, A;
- U – požadovaný úbytek napětí na kondenzátoru.
Pro praktické výpočty možná budete muset přepočítat všechny vzorce pro podnásobky (možná i více) jednotek – kapacitu na mikrofarady, proud na miliampéry atd.