Андрей Смирнов
Время чтения: ~23 мин.
Просмотров: 1

Мощность, рассеиваемая на транзисторе

Как найти сопротивление резистора в цепи

Система цветового кода резистора хороша, но нам нужно понять, как ее применять, чтобы получить правильное значение резистора. «Левая» или наиболее значимая цветная полоса – это полоса, ближайшая к соединительному выводу, полосы с цветовой кодировкой читаются слева направо следующим образом:

Цифра, цифра, множитель = цвет, цвет х 10 цветов в омах (Ω)

Например, резистор имеет следующие схемы маркировки;

Желтый Фиолетовый Красный = 4 7 2 = 4 7 x 10 2 = 4700 Ом или 4 кОм Ом.

Типичные допуски на резисторы для пленочных резисторов варьируются от 1% до 10%, в то время как для углеродных резисторов допуски составляют до 20%. Резисторы с допусками ниже 2% называются прецизионными, а резисторы с более низким допуском более дорогими. Само напряжение играет малую роль.

Большинство пятиполосных резисторов являются прецизионными резисторами с допусками 1% или 2%, в то время как большинство четырехполосных резисторов имеют допуски 5%, 10% и 20%. Цветовой код, используемый для обозначения номинального допуска резистора, имеет вид:

Коричневый = 1%, красный = 2%, золото = 5%, серебро = 10%

При последовательном соединении

Общее сопротивление цепи при последовательном соединении в электрической цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников (или отдельных участков цепи): R = R 1 + R 2.

Могут ли быть погрешности и какие

Если резистор не имеет четвертой полосы допусков, тогда допуск по умолчанию будет обозначаться 20% . Остальной ток будет рассеиваться.

Полученная мнемоника сопоставляет первую букву каждого слова каждому цвету, который составляет цветовой код резисторов в порядке возрастания величины, и есть много разных мнемонических фраз, которые можно использовать. Однако эти высказывания часто бывают очень грубыми, но тем не менее эффективными для запоминания цветов резисторов, но все же помогают определить сопротивление.

Таблица погрешнойстей для более точного определения сопротивления

Коды допусков для резисторов (±)
B = 0,1%
С = 0,25%
D = 0,5%
F = 1%
G = 2%
J = 5%
К = 10%
М = 20%

Кроме того, при чтении этих письменных кодов соблюдайте осторожность, чтобы не перепутать букву сопротивления k для килограммов с буквой допуска K для допуска 10% или буквой сопротивления M для мегаом с буквой допуска M для допуска 20%

Как рассчитать сложные схемы соединения резисторов

Сложные схемы рассчитываются путем группировки по параллельному и последовательному способу соединения.

Перед нами сложная схема – задача рассчитать общее сопротивление:

  1. R2, R3, R4 объединим в последовательную группу – применим формулу R2,3,4 = R2+R3+R4.
  2. R5 и R2,3,4 – параллельно соединенные резисторы, рассчитаем R5,2,3,4 = 1/ (1/R5+1/R2,3,4).
  3. R5,2,3,4, R1, R6 опять объединяем в последовательную группу – суммируя величины, получаем Rобщ = R5,2,3,4+R1+R6.

Для больших схем существуют специальные методы, облегчающие расчет. Один из таких методов – эквивалентное преобразование «треугольника» в «звезду». Такая система расчета применяется в том случае, когда невозможно по схеме определить последовательное или параллельное подключение резисторов.

Преобразование «звезда-треугольник»

Для соединения резистивных элементов, кроме вышеописанных способов, существует несколько других видов соединения:

  • «звезда» – соединение трех ветвей с одним общим узлом;
  • «треугольник» – соединение ветвей схемы в виде треугольника, сторонами которого служат ветви, вершины представляют узлы.

Эквивалентность замены предполагает стабильность токов, входящих в каждый узел, при одинаковых напряжения между одноименными узлами «треугольника» и «звезды».

Сопротивление резистора луча «звезды» равно произведению сопротивлений резисторов прилегающих сторон «треугольника», деленному на сумму сопротивлений резисторов трех сторон «треугольника».

RA = RAB RAC/(RAB+RAC+RDC).

Сопротивление резисторов сторон «треугольника» равно сумме произведения сопротивлений резисторов двух прилегающих лучей «звезды», деленного на сопротивление третьего луча.

RAB=(RARB+RARC+RBRС)/RC

О разнице подключения звезда и треугольник читайте здесь.

Делитель напряжения

Наиболее применяемые готовые блоки питания рассчитаны на выходные напряжения: 9, 12 или 24 вольта. В то же время большинство электронных схем и устройств использует напряжение питания в интервале от 3 до 5 В. В этом случае возникает потребность снизить величину Uпит до необходимого значения. Сделать это можно, используя делитель напряжения, который имеет много вариантов исполнения. Самый простой – делитель на резисторах.

Подобные делители напряжения применяются исключительно в маломощных контурах. Это обусловлено их низким КПД. Часть мощности блока питания рассеивается на делителе, превращаясь в тепло. Эти потери тем больше, чем больше нужно уменьшить исходное напряжение. Подключение нагрузки параллельно одному плечу требует того, чтобы Rн было намного больше резистора, установленного в этом плече. Иначе делитель будет выдавать нестабильное питание.

При такой схеме напряжение по плечам делителя распределяется согласно полученным соотношениям между R1 и R2. Величина сопротивлений при этом роли не играет. Но следует помнить, что при низких значениях R1 и R2 увеличивается и мощность на нагрузке, и величина потерь на нагревание элементов.

Внимание! Перед тем, как вычислять точные параметры, нужно помнить, как подобрать резисторы. При их равном значении напряжение на выходе делится пополам

Если равенство не соблюдается, снимать поделенное напряжение нужно с элемента, имеющего больший номинал.

Практическое значение [ править | править код ]

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока в проводах является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Подводящие провода и нагрузка соединены последовательно, значит ток в сети I на проводах и нагрузке одинаков. Мощность нагрузки и сопротивление проводов не должны зависеть от выбора напряжения источника. Выделяемая на проводах и на нагрузке мощность определяется следующими формулами

Q w = R w ⋅ I 2 , =R_cdot I^<2>,> Q c = U c ⋅ I . =U_cdot I.>

Откуда следует, что Q w = R w ⋅ Q c 2 / U c 2 =R_cdot Q_^<2>/U_^<2>> . Так как в каждом конкретном случае мощность нагрузки и сопротивление проводов остаются неизменными и выражение R w ⋅ Q c 2 cdot Q_^<2>> является константой, то тепло выделяемое на проводе обратно пропорционально квадрату напряжения на потребителе. Повышая напряжение мы снижаем тепловые потери в проводах. Это, однако, снижает электробезопасность линий электропередачи.

Разновидности резисторов

Несмотря на простоту принципа работы, существует целый ряд классификаций устройств. По способу монтажа различают:

  • Выводные – один из наиболее популярных вариантов, крепление осуществляется сквозь основу электрической платы; используется, если применение новой технологии SMD нецелесообразно или невозможно;
  • SMD – следующее «поколение» резисторов; у элементов данного типа отсутствуют боковые «усики»; применяются при сборке системных плат роботизированными системами – технология проще, крепление надежнее.

Вам это будет интересно Какой электрический ток опаснее для человека и почему


Резистор SMD

Кроме этого, учитывают методику изготовления прибора. Различают следующие варианты:

  • Проволочные – в качестве основного элемента выступает обмотка проволокой бифилярным способом, металл используют с малым удельным сопротивлением и способностью выдерживать высокие температуры;
  • Металлопленочные, композитные – основой выступают пленки из определенных сплавов (манганин, никелин, нихрон, углерод, оксиды металлов и другие).

Металлопленочные резисторыВажно! Пленка в моделях последнего типа наматывается разной толщины (тонко или толсто). Технология применяется для элементов типа SMD и чипов

Дополнительное деление – по конструкции сборке. Возможны следующие варианты:

  • Постоянные – мощность сопротивления задается на заводе при сборке, не меняется в процессе использования;
  • Переменные – модели «подстроечного» типа, оснащены дополнительным блоком управления, который регулирует мощность сопротивления;
  • Нелинейные – параметры не настраиваются вручную, а зависят от внешних данных (температуры, напряжения, света и других).

Кроме этого, существуют специализированные токовые модели – высокоомные, с повышенным уровнем частоты работы, прецизионные (позволяющие рассчитывать более точные данные).

Разновидности маркировки SMD резисторов

Важной характеристикой резисторов считается типоразмер. Простыми словами говоря, это величина, длина и ширина корпуса

Именно учитывая эти элементы, удается подобрать соответствующие разводке платы.

Рассмотрим, некоторые типовые размеры резисторов и их расшифровку по цифрам:

  1. SMD-резисторы 0201: длина =0,6 мм, ширина =0,3 мм, высота =0,23 мм. Номинальные значения составляют 0 Ом, 1 Ом — 30 МОм. Мощность всего 0,05 Вт, напряжение максимум 50 В.
  2. SMD-резисторы0402: длина =1,0 мм, ширина =0,5 мм, высота =0,35 мм. Номинальные значения составляют 0 Ом, 1 Ом — 30 МОм. Мощность всего 0,05 Вт, напряжение максимум 100 В.
  3. SMD-резисторы 0603: длина =1,6 мм, ширина =0,8 мм, высота =0,45 мм. Номинальные значения составляют 0 Ом, 1 Ом — 30 МОм. Мощность всего 0,01 Вт, напряжение максимум 100 В.
  4. SMD-резисторы 0805: длина =2,0 мм, ширина =1,2 мм, высота =0,4 мм. Номинальные значения составляют 0 Ом, 1 Ом — 30 МОм. Мощность всего 0,125 Вт, напряжение максимум 200 В.
  5. SMD-резисторы 1206: длина =3,2 мм, ширина =1,6 мм, высота =0,5 мм. Номинальные значения составляют 0 Ом, 1 Ом — 30 МОм. Мощность всего 0,25 Вт, напряжение максимум 400 В.
  6. SMD-резисторы 2010: длина =5,0 мм, ширина =2,5 мм, высота =0,55 мм. Номинальные значения составляют 0 Ом, 1 Ом — 30 МОм. Мощность всего 0,75 Вт, напряжение максимум 200 В.
  7. SMD-резисторы 2512: длина =6,35 мм, ширина =3,2 мм, высота =0,55 мм. Номинальные значения составляют 0 Ом, 1 Ом — 30 МОм. Мощность всего 1 Вт, напряжение максимум 400В.

Из этого следует, что если увеличивается маркировка чип резисторов, то повышается и номинальная рассеиваемая мощность.

Трехзначные цифры

Если маркировка осуществляется при помощи 3-х цифр, то первые две указывают на количество Ом, а последняя – количество нулей. Именно таким образом маркируются резисторы из ряда Е-24, отклонение может составлять 5%. Например, типоразмер резисторов с маркировкой 0603, 0805 и 1206.

Четырехзначные цифры

Если маркировка осуществляется при помощи 4-х цифр, то тогда первые 3 цифры – это количество Ом, а последняя – нули. Именно так составляется описание резисторов из ряда Е-96 с типоразмерами 0805, 1206. Если дополнительно еще можно рассмотреть буквенные значения, например букву R, то она играет роль запятой, которая делит доли. Например, если маркировка 4402, то это можно расшифровать, как 44 000 Ом или 44 кОм.

Стандарт EIA-96

Если резистор представлен комбинацией из букв и цифр, то первые два знака – значение Ом. Начинать маркировать детали могут с букв именно таким, и является стандарт EIA-96.

Как определить по внешнему виду

На принципиальной схеме указана нужная мощность резистора — тут все понятно. Но как определить мощность сопротивления по внешнему виду на печатной плате? Вообще, чем больше размер корпуса, тем больше тепла он рассеивает. На достаточно крупных по размеру сопротивлениях указывается номинальное сопротивление и его мощность в ваттах.

Тут есть некоторая путаница, но не все так страшно. На отечественных сопротивлениях рядом с цифрой ставят букву В. В зарубежных ставят W. Но эти буквы есть не всегда. В импортных может стоять V или SW перед цифрой. Еще в импортных может тоже стоять буква B, а в отечественных МЛТ может не стоять ничего или буква W. Запутанная история, конечно. Но с опытом появляется хоть какая-то ясность.

Как определить мощность резистора: стоит в маркировке

А ведь есть маленькие резисторы, на которых и номинал-то с трудом помещается. В импортных он нанесен . Как у них узнать мощность рассеивания?

В старом ГОСТе была таблица соответствий размеров и мощностей. Резисторы отечественного производства по прежнему делают в соответствии с этой таблицей. Импортные, кстати, тоже, но они по размерам чуть меньше отечественных. Тем не менее их также можно идентифицировать. Если сомневаетесь, к какой группе отнести конкретный экземпляр, лучше считать что он имеет более низкую способность рассеивать тепло. Меньше шансов, что деталь скоро перегорит.

Тип резистора Диаметр, мм Длинна, ммРассеиваемая мощность, Вт
ВС2,57,00,125
УЛМ, ВС5,516,50,25
ВС5,526,50,5
7,630,51
9,848,52
25755
3012010
КИМ1,83,80,05
2,580,125
МЛТ260,125
370,125
4,210,80,5
6,6131
8,618,52

С размерами сопротивлений и их мощностью вроде понятно. Не все так однозначно. Есть резисторы большого размера с малой рассеивающей способностью и наоборот. Но в таких случаях, проставляют этот параметр в маркировке.

Мощность SMD-резисторов

SMD-компоненты предназначены для поверхностного монтажа и имеют миниатюрные размеры. Мощность резисторов SMD определяется по размерам. Также она есть в характеристиках, но необходимо знать серию и производителя. Таблица мощности СМД резисторов содержит наиболее часто встречающиеся номиналы.

Размеры SMD-резисторов — вот по какому признаку можно определить мощность этих элементов

Код imperialКод metrikДлинна inch/mmШирина inch/mmВысота inch/mmМощность, Вт
020106030,024/0,60,012/0,30,01/0,251/20 (0,05)
040210050,04/1,00,02/0,50,014/0,351/16 (0,062)
060316080,06/1,550,03/0,850,018/0,451/10 (0,10)
080521120,08/2,00,05/1,20,018/0,451/8 (0,125)
120632160,12/3,20,06/1,60,022/0,551/4 (0,25)
121032250,12/3,20,10/2,50,022/0,551/2 (0,50)
121832460,12/3,20,18/4,60,022/0,551,0
201050250,20/2,00,10/2,50,024/0,63/4 (0,75)
251263320,25/6,30,12/3,20,024/0,61,0

В общем-то, у этого типа радиоэлементов нет другого оперативного способа определения тока, при котором они могут работать, кроме как по размерам. Можно узнать по характеристикам, но их найти не всегда просто.

Как измерить сопротивление резистора

Любой резистор обладает сопротивлением. Кто не в курсе, что такое сопротивление и как оно измеряется, в срочном порядке читаем эту статью. Сопротивление измеряется в Омах. Но как же нам узнать сопротивление резистора? Есть прямой и косвенный методы.

Прямой метод он самый простой. Нам нужно взять мультиметр и просто замерять сопротивление резистора. Давайте рассмотрим, как все это выглядит. Я беру мультиметр, выставляю крутилку на измерение сопротивления и цепляюсь к выводам резистора.

измерение сопротивления

Резистор я брал на 1 кОм. Он мне показал 976 Ом, что в принципе тоже нормально, так как у таких резисторов всегда существует некая погрешность.

Косвенный метод измерения заключается в том, что мы будем рассчитывать сопротивление резистора через закон Ома.

формула сопротивления через закон Ома

Поэтому, чтобы узнать сопротивление резистора, нам надо напряжение на концах резистора поделить на силу тока, которая течет через резистор. Все довольно просто!

Допустим, я хочу узнать сопротивление нити накала лампочки, когда она источает свет. Думаю, некоторые из вас в курсе, что сопротивление холодной вольфрамовой нити и раскаленной – это абсолютно разные сопротивления. Я ведь не смогу измерить мультиметром в режиме измерения сопротивления раскаленную вольфрамовую нить лампы накаливания, так ведь? Поэтому, нам как нельзя кстати подойдет эта формула

Давайте же узнаем это на опыте. У меня есть лабораторный блок питания, который показывает сразу напряжение и силу тока, которая течет через нагрузку. Беру лампу, выставляю на блоке питания напряжение, которое написано на самой лампе и подключаю ее к клеммам блока питания.

лампа накаливания потребление тока

Итак, получается, что на выводах лампы сейчас напряжение 12 Вольт, а ток, который течет в цепи, а следовательно и через лампу  0,71 Ампер.

Получаем, что сопротивление раскаленной нити лампы в данном случае составляет

Управление энергопотреблением

На сегодняшний день разработка процессоров, которые эффективно выполняют задачи без перегрева, является основной задачей почти всех производителей процессоров. Некоторые реализации ЦП потребляют очень мало энергии; например, процессоры в мобильных телефонах часто потребляют всего несколько ватт электроэнергии, в то время как некоторые микроконтроллеры, используемые во встроенных системах, могут потреблять всего несколько милливатт или даже всего несколько микроватт. Для сравнения, процессоры в персональных компьютерах общего назначения , таких как настольные и портативные компьютеры , рассеивают значительно больше энергии из-за их более высокой сложности и скорости. Эти микроэлектронные процессоры могут потреблять мощность порядка десятков или даже сотен ватт. Исторически ранние процессоры, реализованные на электронных лампах, потребляли мощность порядка многих киловатт .

ЦП настольных компьютеров обычно используют значительную часть энергии, потребляемой компьютером . Другие основные области применения включают быстрые видеокарты , которые содержат графические процессоры и блоки питания . В ноутбуках подсветка ЖК -дисплея также потребляет значительную часть общей мощности. Несмотря на то , что в персональных компьютерах установлены функции энергосбережения, когда они простаивают, общее потребление современных высокопроизводительных процессоров является значительным. Это резко контрастирует с гораздо более низким энергопотреблением процессоров, разработанных для устройств с низким энергопотреблением. Один из таких процессоров, Intel XScale , может работать на частоте 600  МГц, потребляя менее 1 Вт энергии, тогда как процессоры Intel x86 для ПК с той же производительностью потребляют в несколько раз больше энергии.

У этого шаблона есть некоторые инженерные причины.

  • Для данного устройства работа с более высокой тактовой частотой может потребовать большей мощности. Снижение тактовой частоты или понижение напряжения обычно снижает потребление энергии; также возможно понизить напряжение микропроцессора, сохраняя при этом тактовую частоту.
  • Новые функции обычно требуют большего количества транзисторов , каждый из которых потребляет энергию. Выключение неиспользуемых областей позволяет сэкономить энергию, например, за счет стробирования часов .
  • По мере совершенствования конструкции процессоров транзисторы меньшего размера, структуры с низким напряжением и опыт проектирования могут снизить потребление энергии.

Производители процессоров обычно указывают два значения энергопотребления для ЦП:

  • типовая тепловая мощность , измеренная при нормальной нагрузке. (например, средняя мощность процессора AMD )
  • максимальная тепловая мощность , измеренная при наихудшей нагрузке

Например, Pentium 4 2,8 ГГц имеет типичную тепловую мощность 68,4 Вт и максимальную тепловую мощность 85 Вт. Когда ЦП простаивает, он потребляет намного меньше, чем типичная тепловая мощность. Таблицы данных обычно содержат расчетную тепловую мощность (TDP), которая представляет собой максимальное количество тепла, вырабатываемого ЦП, которое система охлаждения компьютера должна рассеивать . И Intel, и Advanced Micro Devices (AMD) определили TDP как максимальное тепловыделение для термически значимых периодов при выполнении несинтетических рабочих нагрузок наихудшего случая; таким образом, TDP не отражает фактическую максимальную мощность процессора. Это гарантирует, что компьютер сможет обрабатывать практически все приложения, не выходя за пределы своего теплового диапазона или не требуя системы охлаждения для максимальной теоретической мощности (что будет стоить больше, но в пользу дополнительного запаса для вычислительной мощности).

Во многих приложениях ЦП и другие компоненты большую часть времени простаивают, поэтому мощность в режиме ожидания существенно влияет на общее энергопотребление системы. Когда ЦП использует функции управления питанием для снижения энергопотребления, другие компоненты, такие как материнская плата и набор микросхем, потребляют большую часть энергии компьютера. В приложениях, где компьютер часто сильно загружен, таких как научные вычисления, производительность на ватт (сколько вычислений выполняет ЦП на единицу энергии) становится более значительной.

Источники

Есть несколько факторов, влияющих на энергопотребление процессора; они включают динамическое энергопотребление, потребляемую мощность при коротком замыкании и потери мощности из-за токов утечки транзисторов :

пcптызнак равнопdyп+пsc+плеаk{\ Displaystyle P_ {cpu} = P_ {dyn} + P_ {sc} + P_ {утечка}}

Динамическое энергопотребление возникает из-за активности логических вентилей внутри ЦП. Когда логические вентили переключаются, энергия течет, поскольку конденсаторы внутри них заряжаются и разряжаются. Динамическая мощность, потребляемая ЦП, примерно пропорциональна частоте ЦП и квадрату напряжения ЦП:

пdyпзнак равноCV2ж{\ displaystyle P_ {dyn} = CV ^ {2} f}

где C — коммутируемая емкость нагрузки, f — частота, V — напряжение.

При переключении логических вентилей некоторые транзисторы внутри могут менять состояние. Поскольку это занимает ограниченное время, может случиться так, что в течение очень короткого промежутка времени некоторые транзисторы будут работать одновременно. В этом случае прямой путь между источником и землей приводит к некоторой потере мощности при коротком замыкании. Величина этой мощности зависит от логического элемента, и ее довольно сложно смоделировать на макроуровне.

Потребляемая мощность из-за утечки мощности возникает в транзисторах на микроуровне. Между различными легированными частями транзистора всегда протекают небольшие токи. Величина этих токов зависит от состояния транзистора, его размеров, физических свойств и иногда температуры. Общая величина токов утечки имеет тенденцию увеличиваться с увеличением температуры и уменьшением размеров транзисторов.

Как динамическое энергопотребление, так и потребляемая мощность при коротком замыкании зависят от тактовой частоты, а ток утечки зависит от напряжения питания процессора. Было показано, что потребление энергии программой демонстрирует выпуклое поведение энергии, что означает, что существует оптимальная частота процессора, при которой потребление энергии минимально.

Сокращение

Энергопотребление можно снизить несколькими способами, в том числе следующими:

  • Снижение напряжения — ЦП с двойным напряжением , динамическое масштабирование напряжения , понижение напряжения и т. Д.
  • Снижение частоты — разгон , динамическое масштабирование частоты и т. Д.
  • Снижение емкости — все больше интегральных схем, которые заменяют следы на печатной плате между двумя микросхемами, с помощью металлических межсоединений на кристалле с относительно меньшей емкостью между двумя секциями одного интегрированного кристалла; диэлектрик с низким k и т. д.
  • Такие методы, как стробирование тактовых импульсов и глобальная асинхронная локальная синхронизация , которые можно рассматривать как уменьшение емкости, включаемой в каждом тактовом импульсе, или как локальное уменьшение тактовой частоты в некоторых частях микросхемы.
  • Различные методы уменьшения активности переключения — количество переходов ЦП на внешние шины данных, такие как немультиплексированная адресная шина , кодирование шины , такое как адресация кодом Грея , или кодирование кэша значений, такое как протокол питания
  • Жертвуя плотностью транзисторов в пользу более высоких частот.
  • Наслоение зон теплопроводности в рамках ЦП («Рождественские ворота»).
  • Переработка по крайней мере части этой энергии, хранящейся в конденсаторах (а не рассеивание ее в виде тепла в транзисторах) — адиабатическая схема , логика рекуперации энергии и т. Д.
  • Оптимизация машинного кода — за счет реализации оптимизации компилятора, которая планирует кластеры инструкций с использованием общих компонентов, мощность ЦП, используемая для запуска приложения, может быть значительно снижена.

Применеие на практике

Среди ролей, которые может выполнять резистор в схеме можно выделить следующие:

Токоограничивающий резистор

Пример, на котором рассматривался Закон Ома представляет собой также пример токоограничевающего резистора: у нас есть компонент, который расчитан на работу при определённом токе — резистор снижает силу тока до нужного уровня.

В случае с Ардуино следует ограничивать ток, поступающий с выходных контактов (output pins). Напряжение, в состоянии, когда контакт включен (high) составляет 5 В. Исходя из документации, ток не должен превышать 40 мА. Таким образом, чтобы безопасно увести ток с контакта в землю понадобится резистор номиналом R = U / I = 5 В / 0.04 А = 125 Ом или более.

Стягивающие и подтягивающие резисторы

Стягивающие (pull-down) и подтягивающие (pull-up) резисторы используются в схемах рядом со входными контактами логических компонентов, которым важен только факт: подаётся ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Примером являются цифровые входы Ардуино. Резисторы нужны, чтобы не оставить вход в «подвешенном» состоянии. Возьмём такую схему

Мы хотим, чтобы когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому — шумы, образующиеся вокруг: провода действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор:

Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не даёт большей части тока идти в землю: сигнал пойдёт к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.

Аналогично, подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута:

То же самое: используются резисторы больших номиналов (10 кОм и более), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутой цепи и предотвратить короткое замыкание при разомкнутой.

Делитель напряжения

Делитель напряжения (voltage divider) используется для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть. Например, из 9 В получить 5. Он подробно описан в отдельной статье.

Расчет резисторов

Для корректного подбора компонента в цепь потребуется найти значения его ключевых показателей. При разных типах соединений нескольких компонентов параметры будут принимать различные значения.

Последовательное соединение

Реактивная мощность

При использовании последовательной схемы итоговый показатель сопротивления равен сумме отдельных значений для каждого резистора. Пользуясь этим правилом, можно узнать, компонент с каким показателем надо приобрести. Например, требуется получить в цепи 220 Ом, есть устройство на 130 Ом. Следовательно, надо купить второе на 220-130=90 Ом. Ток, идущий в цепи, и ток на каждом резисторном элементе в этом случае имеют одно и то же значение.

Параллельное соединение

Формула для общего сопротивления:

R=R1*R2/(R1+R2).

Из нее можно узнавать целевое сопротивление элемента, который надо приобрести. Электроток в неразветвленной части сети в этом случае равен сумме токов отдельных веток.

Важно! В отличие от предыдущего случая, данная схема рекомендуема к использованию, если показатели для отдельных элементов превышают общее требуемое R

Смешанное соединение

Оно включает в себя сочетания структур двух ранее обозначенных типов. Чтобы посчитать показатели для отдельных резисторов, схему понадобится упростить.


Разложение смешанной схемы на части

Мощность

Для выбора нужной детали надо знать, как правильно определить мощность резистора. Это можно сделать, опираясь на формулы:

P=U2/R=I2*R.

Нужно учитывать, что использование детали с параметром, превышающим рекомендуемый, допустимо, обратный случай – нет.

Что такое падение напряжения на резисторе

Электрический ток, проходя по цепи, испытывает сопротивление, которое может изменяться под воздействием разнообразных условий внешней среды (экстремально низкие температуры или нагрев) и может зависеть от характеристик конкретного проводника. Например, чем тоньше проводник или длиннее – тем оно выше.

На значение его величины влияют следующие факторы:

  • сила тока;
  • длина проводящих частей;
  • напряжение;
  • материал проводниковых элементов;
  • нагрев (температура);
  • площадь поперечного сечения.

Резисторы можно разделить на постоянные, переменные и подстроечные. Главное их отличие друг от друга – возможность изменения показателя сопротивления. Чаще всего встречаются постоянные резисторы – данный показатель в них нельзя изменить, поэтому они и получили такое название. Переменные отличаются тем, что величину сопротивления в них можно настраивать. В подстроечном резисторе её также можно изменять, но отличие данной разновидности в том, что он не рассчитан на частое изменение параметра. Подстроечные резисторы выполняются в более компактном корпусе по сравнению с переменными.

Чтобы вычислить падение напряжения на резисторе, нужно помнить, что снижение нагрузки, приложенной ко всей цепи (то есть, напряжения, подключённого к контуру) может быть получено как для всего контура, так и для любого элемента цепи. Напряжение понижается за счёт сопротивления, которым обладают проводники.

Падение напряжения на резисторе зависит от силы проходящего тока и характеристик проводников. Температура и показатели тока также имеют значение. Например, напряжение, измеренное вольтметром на лампочке, подключённой к сети 220 В, будет немного ниже за счёт сопротивления, которым обладает лампочка.

Источники питания имеют разную величину напряжения. Это значение может превышать то, которое бывает необходимо на выходе. Чтобы нагрузка, которую требуется запитать, не сгорела, часто возникает необходимость в понижении вольтажа, в том числе с помощью резисторов.

Сравнительная таблица напряжений

Источник питанияНапряжение
NiCd аккумулятор1,2 В
Литий-железо-фосфатный аккумулятор3,3 В
Батарея типа «Крона»9 В
Автомобильный аккумулятор12 В
Аккумулятор для грузовых автомобилей24 В

В этом случае резистор должен уменьшить протекающий по цепи ток. При этом ток не превращается в тепло, происходит именно его ограничение. То есть при включении резистора в цепь ток упадёт – в этом и состоит работа резистора, при совершении которой элемент нагревается.

В общем случае падения напряжения можно рассчитать, используя простую формулу, связывающее показатели между собой.

Но в ряде случаев, например, при параллельном подключении сопротивлений, посчитать необходимую величину уже сложнее. В этом случае по специальной формуле потребуется привести сопротивление параллельных веток к одному числу:

R = R1*R2 / (R1+R2)

При необходимости также учитываются другие сопротивления, суммирующиеся с этим значением (например, сопротивление провода и источника питания).

Последовательное подключение

При последовательном же подключении светодиодов через них протекает один и тот же ток. Количество светодиодов не имеет значение, это может быть всего один светодиод, а может быть 20 или даже 100 штук.

Например, мы можем взять один светодиод 2835 и подключить его к драйверу на 180 мА и светодиод будет работать в нормальном режиме, отдавая свою максимальную мощность. А можем взять гирлянду из 10 таких же светодиодов и тогда каждый светодиод также будет работать в нормальном паспортном режиме (но общая мощность светильника, конечно, будет в 10 раз больше).

Ниже показаны две схемы включения светодиодов, обратите внимание на разницу напряжений на выходе драйвера:

Так что на вопрос, каким должно быть подключение светодиодов, последовательным или параллельным, может быть только один правильный ответ — конечно, последовательным!

Количество последовательно подключенных светодиодов ограничено только возможностями самого драйвера.

Идеальный драйвер может бесконечно повышать напряжение на своем выходе, чтобы обеспечить нужный ток через нагрузку, поэтому к нему можно подключить бесконечное количество светодиодов. Ну а реальные устройства, к сожалению, имеют ограничение по напряжению не только сверху, но и снизу.

Вот пример готового устройства:

Мы видим, что драйвер способен регулировать выходное напряжение только лишь в пределах 64…106 вольт. Если для поддержания заданного тока (350 мА) нужно будет поднять напряжение выше 106 вольт, то облом. Драйвер выдаст свой максимум (106В), а уж какой при этом будет ток — это от него уже не зависит.

И, наоборот, к такому led-драйверу нельзя подключать слишком мало светодиодов. Например, если подключить к нему цепочку из 10-ти последовательно включенных светодиодов, драйвер никак не сможет понизить свое выходное напряжение до необходимых 32-36В. И все десять светодидов, скорее всего, просто сгорят.

Наличие минимального напряжения объясняется (в зависимости от схемотехнического решения) ограничениями мощности выходного регулирующего элемента либо выходом за предельные режимы генерации импульсного преобразователя.

Разумеется, драйверы могут быть на любое входное напряжение, не обязательно на 220 вольт. Вот, например, драйвер превращающий любой источник постоянного напряжения (блок питания) от 6 до 20 вольт в источник тока на 3 А:

Вот и все. Теперь вы знаете, как включить светодиод (один или несколько) — либо через токоограничительный резистор, либо через токозадающий драйвер.

Примечания

  1. Отсюда возникает разговорное наименование резистора — сопротивление.
  2. ГОСТ Р 52002-2003
  3. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев Электроника — М.: Высшая школа, 1991. — С. 12. — ISBN 5-06-000681-6.
  4. Аксёнов А. И., Нефедов А. В. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы. — C. 126
  5. Тищенко О. Ф., Киселёв Л. Т., Коваленко А. П. Элементы приборных устройств. Часть 1. Детали, соединения и передачи. — М., Высшая школа, 1982. — с. 260
  6. Белевцев А.Т. Монтаж радиоаппаратуры и приборов / канд. техн. наук А.М. Бонч-Бруевич. — 2-е изд. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 55-64. — 255 с.
  7.  (недоступная ссылка). Дата обращения 11 ноября 2008.
  8. А. А. Бокуняев, Н. М, Борисов, Р. Г. Варламов и др. Справочная книга радиолюбителя-конструктора.-М. Радио и связь 1990—624 с.: ISBN 5-256-00658-4
  9. Белевцев А.Т. Монтаж радиоаппаратуры и приборов / канд. техн. наук А.М. Бонч-Бруевич. — 2-е изд.. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 60-61. — 255 с.
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации