Входное и выходное напряжение

Входное напряжение (U_в) — это напряжение, которое поступает на вход преобразующего устройства. Стандартной единицей измерения этой величины принято считать вольт. Уровень входного напряжения напрямую зависит от источника. Например, в бытовой сети оно составляет 220 В, в то время как на подстанции этот показатель равен 10 кВ.

Схема передачи электроэнергии

Как формируется входное напряжение

Входное напряжение вырабатывается различными источниками питания. Для бытовых и промышленных электросетей ими являются генераторы на электростанции. По электрическим линиям Uв поступает к потребителям.

При расчете электронных схем необходимо точно определить величину входного напряжения, иначе это может привести к перегрузке подключаемых устройств или же отсутствии питания, необходимого для их стабильной работы.

Формула напряжения зависит от его формы сигнала. Например, для синусоидального переменного напряжения формула имеет вид:

Формула напряжения

Формула переменного напряжения описывает его изменение во времени и является основой для анализа и расчета электрических цепей и устройств, работающих с переменным напряжением. Она представляет систему в идеальном состоянии. В реальных условиях работы электросети эти параметры немного искажаются.

Различия между переменным и постоянным входным напряжением

Переменное напряжение меняется по времени и имеет форму волны, которая может быть синусоидальной, квадратной или другой. Например, входное напряжение в розетке является переменным, поскольку заряд там постоянно меняется. Стандартная частота изменения данного параметра в бытовых сетях составляет 50 Гц.

Постоянное входное напряжение не изменяется со временем. Бесперебойные источники питания, аккумуляторы выдают именно такой ток. Некоторые устройства могут работать только с постоянным напряжением, в то время как другие могут работать только с переменным напряжением. Также существует электротехника, которая может работать с обоими типами напряжения.

Графики переменного и постоянного напряжений

Как входное напряжение влияет на работу электроники

Входное и выходное электрическое напряжение — два параметра, которые важны для стабильной работы электроустройств. Слишком низкое входное напряжение может привести к неполадкам и отказам в работе электронных устройств, а также к нестабильности их работы. Слишком высокое входное напряжение может привести к перегрузкам, перегревам, выходу из строя компонентов и повреждению устройства в целом.

Кроме того, различные устройства могут иметь свои особенности работы с различными формами входного напряжения (например, с постоянным или переменным напряжением, с различными частотами и формами сигналов). При проектировании и эксплуатации электроники важно учитывать параметры входного напряжения и обеспечивать соответствующие защитные меры (например, использование стабилизаторов напряжения, фильтров и т.д.), чтобы обеспечить надежную и безопасную работу устройства.

Схема преобразования напряжения

Значимость входного напряжения в электронных микросхемах

В каждом компьютере и бытовом приборе находятся электронные микросхемы. Они отвечают за разные функции, в том числе отключения и включения устройства. Правильность функционирования электронных микросхем зависит от значения напряжения на входе. Для каждого компонента определяется пороговое значение этого параметра.

Если напряжение на входе ниже требуемого уровня, то микросхема не будет работать. В случае значительного превышения рекомендуемого значения она просто расплавится. Другие параметры микросхем, на которые влияет входное напряжение:

• Энергопотребление. Если через розетку подается более 220 В, микросхема будет использовать больше электроэнергии. Это приведет к ее перегреву и повреждению других компонентов техники.
• Скорость работы. При недостаточно высоком напряжении производительность микросхемы падает, что приведет к проблемам со стабильным функционированием всего устройства.
• Корректность обработки данных. Если напряжение недостаточно высокое, микросхема может неверно расшифровывать поступающие от пользователя сигналы. В итоге это приведет к тому, что техника будет работать некорректно.

Современные производители сложных, высокотехнологических устройств разработали способы дополнительной защиты микросхем от скачков тока. Если входное напряжение превышает заданный уровень, компонент автоматически отключается.

Схема подключения защитного устройства

Как измеряется входное напряжение

Большинство параметров электрического тока измеряется мультиметром. С его помощью можно определить величину напряжения, сопротивления, силу тока, емкость конденсаторов и пр. Чтобы измерить переменное напряжение в розетке, необходимо:

1. Выставить мультиметр в нужный режим (ACV).
2. Указать предел измерений (750 В). На дисплее прибора отобразится указанный диапазон значений.
3. Подключить щупы для замера параметров электрического тока.
4. Подсоединить щупы к розетке.
5. Дождаться появления результатов измерений.

Замер напряжения в розетке

С помощью мультиметра можно определить заряд аккумулятора или обычной батарейки. Для этого необходимо:

1. Выставить мультиметр в режим DCV.
2. Указать предел измерений 1000 В.
3. Подсоединить красный щуп к плюсу, а черный к минусу.
4. Дождаться появления на дисплее устройства результатов измерения.

Различные проблемы, связанные с входным напряжением

Входное напряжение в сети часто не соответствует установленным нормативам, т. е. оно может быть меньше или больше нужных параметров. Потребители электроэнергии косвенно влияют на это. В большинстве случаев проблема именно в подстанции или сетях, используемых для доставки электричества. Причины низкого входного напряжения:

• Недостаточная мощность трансформатора на подстанции.
• Непропорциональная (завышенная) нагрузка по 3 фазам.
• Сечение ЛЭП и абонентских кабельных линий не соответствует проводимому току.
• Ошибки монтажа в распределительном щитке.

Для определения конкретной причины несоответствия заявленных параметров тока фактическим следует пригласить специалиста из энергораспределительной компании или непосредственно от поставщика электроэнергии.

Входящее напряжение может быть повышенным из-за технологических и аварийных причин:

• Нагрузка неравномерно распределяется между фазами. На одной фазе напряжение будет чрезмерно низким, в то время как на других начнет расти.
• Обрыв линии электропередач или повреждение кабеля. При обрыве нейтрального провода (нуля) ток высокого напряжения попадает к обычным бытовым потребителям.
• Целенаправленное повышение выходного напряжения на электроподстанции. Это делается для того, чтобы удаленные от ЛЭП абоненты смогли полноценно пользоваться электричеством.

Способы нормализации входного напряжения

Низкое входное напряжение можно нормализовать, подключив объект к сети через один мощный стабилизатор напряжения или же подсоединив отдельные электроприборы к локальным стабилизаторам. Эти устройства поддерживают параметры тока в заданных пределах.

Пример схемы стабилизатора

Современные производители изготавливают стабилизаторы для однофазных и трехфазных сетей. Мощность устройств зависит от технических характеристик и бывает от 5 Вт до 10 МВт. В промышленности самыми ходовыми моделями считаются стабилизаторы на 6 МВт. Трехфазные устройства могут быть с независимой регулировкой по каждой фазе или же с настройкой среднефазного напряжения на входе.

Внешний вид одного из стабилизаторов

Помимо стабилизаторов используют устройства защиты от перенапряжений, ограничители напряжений, реле (УЗО). Все эти приборы подключаются к сети для того, чтобы прекратить подачу электрического тока при значительном превышении предельных рабочих значений. Например, если напряжение вместо 220-230 В внезапно станет 280 В, при срабатывании защитного устройства подача электроэнергии на объект прекратится. Это сохранит подключенную к сети технику от перегрева и выгорания микросхем.

Видео по теме