portal elektryka

Prawo Ohma mówi, że prąd przepływa przez przewodnik z szybkością proporcjonalną do napięcia między końcami tego przewodnika. Innymi słowy, zależność między napięciem a prądem jest stała:

I/V = const

Wzór z prawa Ohma można wykorzystać do obliczenia rezystancji jako ilorazu napięcia i prądu. Można go zapisać jako:

R = V/I

Gdzie:

R - rezystancja

V - napięcie

I - prąd

Opór wyrażany jest w omach. Nazwa jednostki i reguły pochodzi od nazwiska Georga Ohma - fizyka i wynalazcy prawa Ohma.

Należy zarazem pamiętać, że formuła prawa Ohma odnosi się tylko do substancji, które są w stanie wywoływać moc, takich jak metale i ceramika. Istnieje jednak wiele innych materiałów, dla których wzór prawa Ohma nie może być użyty, takich jak półprzewodniki i izolatory. Ponadto prawo Ohma jest obowiązuje tylko w określonych warunkach, takich jak stała temperatura.

Istnieje jednak także inna wersja prawa Ohma, która wykorzystuje położenie właściwości elektrycznych w przewodniku. Materiały przewodzące są zgodne z prawem Ohma, gdy rezystancja właściwa materiałów nie zależy od wartości i kierunku przyłożonego pola elektrycznego. Można zatem wykorzystać następującą formułę:

ρ = E / J

gdzie:

ρ - jest specyficzną rezystancją materiału przewodzącego.
E - to wektor pola elektrycznego.
J - jest bieżącym wektorem gęstości.

Jeśli chodzi o materiały izotropowe, najlepiej użyć pierwszej formuły, ponieważ jest znacznie mniej skomplikowana. Materiały izotropowe to takie, które mają takie same właściwości elektryczne we wszystkich kierunkach, takie jak metale i szkło. Ta formuła może się przydać podczas pracy z materiałami anizotropowymi, takimi jak drewno czy grafit.

Prawa Ohma możemy użyć do obliczenia prądów rozgałęzionych w sieci równoległych rezystorów. Wymaga to jednak znajomości napięcia w sieci i nie zawsze możemy określić to napięcie po prostu patrząc na obwód. Istotna w tym kontekście technika analizy obwodów polega na zastąpieniu rezystorów połączonych równolegle jednym rezystorem o wartości równej rezystancji zastępczej. Jeśli jednak obliczenia dają równoważną rezystancję, która jest większa (lub równa) dowolnemu opornikowi w sieci, prawdopodobnie coś poszło nie tak, ponieważ nawet najmniejszy opornik w równoległej sieci jest większy niż równoważna rezystancja.

Należy pamiętać, że prąd płynący przez pojedynczy rezystor nie zmienia się po dodaniu rezystorów podłączonych równolegle, ponieważ dodawanie rezystorów równolegle nie wpływa na napięcie na zaciskach rezystorów. Zmienia się tylko całkowity prąd dostarczany przez zasilacz, a nie prąd płynący przez jeden konkretny rezystor. Rezystory połączone szeregowo są równoważne jednemu rezystorowi, którego rezystancja jest sumą każdego pojedynczego rezystora. Z drugiej strony rezystory połączone równolegle dają równoważną rezystancję, która jest zawsze niższa niż każdy pojedynczy rezystor. Jeśli się nad tym zastanowi

, ma to sens: jeśli przyłożone zostanie napięcie do rezystora, płynie pewna ilość prądu. Jeśli dodany zostanie kolejny rezystor równolegle do pierwszego, zasadniczo otwiera się nowy kanał, przez który może płynąć więcej prądu. Bez względu na to, jak duży jest drugi rezystor, całkowity prąd płynący z zasilacza będzie przynajmniej nieco wyższy niż prąd płynący przez pojedynczy rezystor. A jeśli całkowity prąd jest wyższy, całkowity opór musi być niższy.

Przypomnijmy, że napięcie reprezentuje energię na jednostkę ładunku. Na przykład elektryczny ogrzewacz pomieszczeń może mieć rezystancję dziesięciu omów, a zasilające go przewody mogą mieć rezystancję 0,2 oma, czyli około 2% całkowitej rezystancji obwodu. To znaczy że około 2% dostarczanego napięcia jest tracone w samym przewodzie.

Krajowe i lokalne przepisy elektryczne mogą określać wytyczne dotyczące maksymalnego dopuszczalnego spadku napięcia także w okablowaniu elektrycznym, aby zapewnić sprawność dystrybucji i prawidłowe działanie sprzętu elektrycznego. Maksymalny dopuszczalny spadek napięcia różni się w zależności od kraju. W projektowaniu elektronicznym i przesyle mocy stosuje się różne techniki, aby skompensować wpływ spadku napięcia na długich obwodach lub tam, gdzie konieczne jest dokładne utrzymywanie poziomów napięcia. Najprostszym sposobem zmniejszenia spadku napięcia jest zwiększenie średnicy przewodnika między źródłem a obciążeniem, co obniża ogólną rezystancję. Bardziej wyrafinowane techniki wykorzystują elementy aktywne do kompensacji niepożądanego spadku napięcia.

W obwodach prądu przemiennego występuje opór wobec przepływu prądu z powodu rezystancji (podobnie jak w obwodach prądu stałego). Obwody prądu przemiennego stanowią również drugi rodzaj oporu dla przepływu prądu: reaktancję. Ta „całkowita” opozycja (opór „plus” reaktancja) nazywana jest impedancją. Impedancja w obwodzie prądu przemiennego zależy od odległości i wymiarów elementów i przewodów, częstotliwości prądu przemiennego oraz przenikalności magnetycznej elementów, przewodów i ich otoczenia. Spadek napięcia w obwodzie prądu przemiennego jest iloczynem prądu i impedancji (Z) obwodu. Impedancja elektryczna, podobnie jak rezystancja, jest wyrażana w omach. Impedancja elektryczna to suma wektorowa rezystancji elektrycznej, reaktancji pojemnościowej i reaktancji indukcyjnej. Wyraża się to wzorem E=IZ, analogicznym do prawa Ohma dla obwodów prądu stałego.

Większość obwodów w domu nie ma wystarczającego prądu lub długości, aby spowodować duży spadek napięcia. W przypadku bardzo długich obwodów, na przykład przy łączeniu domu z oddzielnym budynkiem na tej samej posesji, może być konieczne zwiększenie rozmiaru przewodów ponad minimalne wymagania dotyczące prądu znamionowego obwodu. Mocno obciążone obwody mogą również wymagać zwiększenia rozmiaru kabla, aby spełnić wymagania dotyczące spadku napięcia określone w przepisach dotyczących okablowania.

Przepisy dotyczące okablowania ustalają górną granicę dopuszczalnego spadku napięcia w obwodzie odgałęzionym. W Stanach Zjednoczonych National Electrical Code (NEC) zaleca nie więcej niż 5% spadku napięcia na gniazdku. Kanadyjski kodeks elektryczny wymaga nie więcej niż 5% spadku między wejściem serwisowym a punktem użytkowania. Przepisy brytyjskie ograniczają spadek napięcia do 4% napięcia zasilania.

W sytuacjach, gdy przewody obwodu rozciągają się na duże odległości, obliczany jest spadek napięcia. Jeśli spadek napięcia jest zbyt duży, przewód obwodu musi być zwiększona, aby utrzymać prąd między punktami. Obliczenia dla obwodu jednofazowego i obwodu trójfazowego nieznacznie się różnią.

Obliczanie spadku napięcia jednofazowego: VD = [ 2 x L x R x I ]/1 000

VD% = [ VD/napięcie źródłowe] x 100

Obliczanie spadku napięcia trójfazowego: VD = [( 2 x L x R x I)/1000] x 0,866

VD% = [ VD/napięcie źródłowe] x 100 Gdzie:

VD = Spadek napięcia (temperatura przewodu 75°C) w woltach

VD% = Procent spadku napięcia (VD ÷ napięcie źródła x 100). To właśnie ta wartość jest powszechnie nazywana „spadkiem napięcia”.

L = Jednokierunkowa długość podajnika obwodu (w stopach)

R = współczynnik rezystancji zgodnie z rozdziałem 9 NEC, tabela 8, w omach/kft

I = prąd obciążenia (w amperach)

Napięcie źródła = napięcie obwodu odgałęzionego u źródła zasilania. Zazwyczaj napięcie źródła wynosi 120, 208, 240, 277 lub 480 V.

Ponieważ nie ma idealnego przewodnika, a wszystkie materiały mają opór elektryczny, nie można całkowicie wyeliminować spadku napięcia. Istnieje jednak wiele sposobów na jego zminimalizowanie:

• Poprawa wydajności systemu

Zakładając, że obciążenie pozostaje takie samo, zwiększenie sprawności urządzeń elektrycznych zmniejsza zużycie energii. Ponieważ napięcie zasilania jest stałe, lepsza wydajność skutkuje mniejszym prądem i zmniejszonym spadkiem napięcia.

• Rozwiązywanie problemów

Niektóre problemy elektryczne powodują niepotrzebny wzrost prądu lub rezystancji, co prowadzi do większego spadku napięcia. Po rozwiązaniu tych problemów spadek napięcia powraca do normy.

• Korygowanie rozmiarów przewodów

Jeśli przewodniki w obwodzie nie zostały odpowiednio dobrane, mogą doświadczyć znacznego spadku napięcia. Przy doborze przewodów należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak prąd przy pełnym obciążeniu, temperatura otoczenia i liczba przewodów w bieżni.

• Scentralizowana dystrybucja energii elektrycznej

Jeśli główny wał elektryczny i tablice rozdzielcze znajdują się blisko środka budynku, okablowanie musi przebiegać przez mniejsze odległości, aby dotrzeć do różnych obciążeń. Ten typ układu minimalizuje spadek napięcia. Z drugiej strony, gdy szyb elektryczny i panele znajdują się na jednym końcu budynku, obwody muszą przecinać całą konstrukcję, aby dotrzeć do obciążeń po przeciwnej stronie.

• Zrównoważony rozkład obciążenia

Duże budynki komercyjne zazwyczaj wykorzystują obwody trójfazowe, które mają trzy przewody pod napięciem, jak sugeruje ich nazwa. Jeśli jedna faza jest zbyt mocno obciążona, doświadczy również większego prądu i zwiększonego spadku napięcia w porównaniu z innymi fazami.

Przesunięcie fazowe można obliczyć na podstawie częstotliwości fal i opóźnienia czasowego między nimi. W matematyce trygonometryczna funkcja sinus tworzy gładki wykres w kształcie fali, który przechodzi od wartości maksymalnej do minimalnej, powtarzając się co 360 stopni lub 2 pi radiany. Przy zerowych stopniach funkcja ma wartość zero. Przy 90 stopniach osiąga maksymalną wartość dodatnią. Przy 180 stopniach zakrzywia się z powrotem w kierunku zera. Przy 270 stopniach funkcja osiąga maksymalną ujemną wartość, a przy 360 powraca do zera, kończąc jeden pełny cykl. Kąty większe niż 360 po prostu powtarzają poprzedni cykl. Sinusoida z przesunięciem fazowym zaczyna się i kończy na wartości innej niż zero, choć pod każdym innym względem przypomina „standardową” sinusoidę.

Obliczanie przesunięcia fazowego polega na porównaniu dwóch fal, a częścią tego porównania jest wybór, która fala jest „pierwsza”, a która „druga”. W elektronice druga fala jest zwykle wyjściem wzmacniacza lub innego urządzenia, a pierwsza fala jest wejściem. W matematyce pierwsza fala może być funkcją pierwotną, a druga funkcją kolejną lub drugorzędną. Na przykład pierwszą funkcją może być y = sin(x), a drugą funkcją może być y = cos(x). Kolejność fal nie wpływa na wartość bezwzględną przesunięcia fazowego, ale określa, czy przesunięcie jest dodatnie, czy ujemne.

Porównując dwie fale, należy ustawić je od lewej do prawej, używając tego samego kąta na osi X lub jednostek czasu. Na przykład wykres dla obu może zaczynać się od 0 sekund. Należy znaleść szczyt na drugiej fali i odpowiedni szczyt na pierwszej. Szukając odpowiedniego piku, należy pozostać w obrębie jednego pełnego cyklu, w przeciwnym razie wynik różnicy faz będzie nieprawidłowy. Następnie należy zanotować wartości na osi x dla obu pików, a następnie odjąć je, aby znaleźć różnicę. Na przykład, jeśli druga fala osiąga szczyt po 0,002 sekundy, a pierwsza po 0,001 sekundy, to różnica wynosi 0,001 - 0,002 = -0,001 sekundy.

Aby zaś obliczyć przesunięcie fazowe, potrzebna jest częstotliwoś

i okres fal. Na przykład oscylator elektroniczny może wytwarzać fale sinusoidalne o częstotliwości 100 Hz. Dzielenie częstotliwości na 1 daje okres lub czas trwania każdego cyklu, więc 1/100 daje okres 0,01 sekundy. Równanie przesunięcia fazowego to ps = 360 * td / p, gdzie ps to przesunięcie fazowe w stopniach, td to różnica czasu między falami, a p to okres fali. Kontynuując przykład, 360 * -0,001 / 0,01 daje przesunięcie fazowe o -36 stopni. Ponieważ wynik jest liczbą ujemną, przesunięcie fazowe jest również ujemne; druga fala pozostaje w tyle za pierwszą o 36 stopni. Dla różnicy faz w radianach należy użyć 2 * pi * td / p; w omawianym przykładzie byłoby to 6,28 * -0,001 / 0,01 lub -0,628 radianów.

Dodajmy, że porównanie fazowe to porównanie fazy dwóch przebiegów, zwykle o tej samej częstotliwości nominalnej. Jeśli chodzi o czas i częstotliwość, celem porównania faz jest generalnie określenie przesunięcia częstotliwości (różnicy między cyklami sygnału) w odniesieniu do odniesienia. Porównanie faz można wykonać, podłączając dwa sygnały do dwukanałowego oscyloskopu. Oscyloskop wyświetli dwa sygnały sinusoidalne. Gdyby te dwie częstotliwości były dokładnie takie same, ich związek fazowy nie zmieniłby się i obie wydawałyby się nieruchome na wyświetlaczu oscyloskopu. Ponieważ te dwie częstotliwości nie są dokładnie takie same, odniesienie wydaje się być nieruchome i sygnał testowy się porusza. Mierząc prędkość ruchu sygnału testowego, można określić przesunięcie między częstotliwościami.