Транзистор как делитель напряжения

Задание тока базы с помощью делителя напряжения.

Лабораторная работа №7. Задание рабочей точки в транзисторном каскаде (часть 2)

Цель работы: построение нагрузочной линии транзисторного каскада; задание рабочей точки транзисторного каскада; исследование параметров рабочей точки транзистора; исследование условий для перевода транзистора в режим насыщения и отсечки; определение статического коэффициента передачи транзистора по экспериментальным данным.

Теоретические положения

Задание тока базы с помощью делителя напряжения.

1.1. NPN-транзистор. Схема задания тока базы NPN транзистора с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером представлена на рис. 1.

Рис. 1. Задание тока базы NPN транзистора с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером

Аналогично пункту 1, рассмотрим режимы насыщения, усиления и отсечки. Ток коллектора в режиме насыщения описывается следующим выражением:

Независимо от сопротивления резисторов R1 и R2 делителя напряжения ток насыщения базы определяется из выражения:

а напряжение U_Б на базе равно:

Это же напряжение задается делителем напряжения. Зная Ек и U_Б, можно определить отношение сопротивлений плеч делителя:

Суммарное сопротивление делителя обычно выбирается так, чтобы ток, протекающий через него был примерно в 10 раз меньше тока коллектора. Составив систему уравнений и решив её, можно найти сопротивления R1 и R2 плеч делителя, которые обеспечивают ток базы, необходимый для перевода транзистора в режим насыщения. Аналогичным образом каскад рассчитывается и в усилительном режиме, но с учетом следующих выражений. Ток коллектора в усилительном режиме описывается уравнением нагрузочной прямой:

Ток базы определяется из выражения:

Ток коллектора связан с током эмиттера следующим выражением:

Напряжение на базе транзистора равно:

Далее рассчитываются сопротивления R1 и R2 делителя напряжения. Суммарное сопротивление делителя должно обеспечивать больший по сравнению с током базы ток делителя (обычно ток делителя берут в 10 раз меньше тока коллектора). Рабочая точка определяется пересечением нагрузочной прямой и выходной характеристики транзистора. При известных значениях сопротивлений R1 и R2 ток базы транзистора равен:

Ток эмиттера определяется по падению напряжения на сопротивлении Rэ в цепи эмиттера и вычисляется как разность потенциалов

Коэффициент нестабильности тока коллектора (S) из-за влияния тепловых токов в схеме при условии, что Uэ > UБЭО определяется как:

где

Как следует из этого выражения, при данном способе задания тока базы коэффициент нестабильности определяется элементами схемы и практически не зависит от характеристик транзистора, что улучшает стабильность рабочей точки.

Схема задания тока базы с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером на PNP-транзисторе представлена на рис. 2.

Рис. 2. Задание тока базы PNP транзистора с помощью делителя напряжения в каскаде с общим эмиттером

Для данной схемы справедливы выражения, приведенные в предыдущем пункте для схемы с NPN-транзистором, со следующей поправкой: полярность напряжений и направления токов нужно поменять на обратные.

Источник

Делитель напряжения: схема и расчёт

Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения (voltage divider). Это схема, строящаяся на основе пары резисторов.

В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе V_out? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?

Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков пока к выходу V_out ничего не подключено. А суммарное сопротивление пары резисторов при последовательном соединении:

Таким образом, сила тока протекающая через резисторы

Теперь, когда нам известен ток в R2, расчитаем напряжение вокруг него:

Или если отавить формулу в общем виде:

Так с помощью пары резисторов мы изменили значение входного напряжения с 9 до 5 В. Это простой способ получить несколько различных напряжений в одной схеме, оставив при этом только один источник питания.

Применение делителя для считывания показаний датчика

Другое применение делителя напряжения — это снятие показаний с датчиков. Существует множество компонентов, которые меняют своё сопротивление в зависимости от внешних условий. Так термисторы меняют сопротивление от нуля до определённого значения в зависимости от температуры, фоторезисторы меняют сопротивление в зависимости от интенсивности попадающего на них света и т.д.

Если в приведённой выше схеме заменить R1 или R2 на один из таких компонентов, V_out будет меняться в зависимости от внешних условий, влияющих на датчик. Подключив это выходное напряжение к аналоговому входу Ардуино, можно получать информацию о температуре, уровне освещённости и других параметрах среды.

Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно расчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта V_out.

Подключение нагрузки

С делителем напряжения не всё так просто, когда к выходному подключения подключается какой-либо потребитель тока, который ещё называют нагрузкой (load):

В этом случае V_out уже не может быть расчитано лишь на основе значений V_in, R1 и R2: сама нагрузка провоцирует дополнительное падение напряжения (voltage drop). Пусть нагрузкой является нечто, что потребляет ток в 10 мА при предоставленных 5 В. Тогда её сопротивление

В случае с подключеной нагрузкой следует рассматривать нижнюю часть делителя, как два резистора соединённых параллельно:

Подставив значение в общую формулу расчёта V_out, получим:

Как видно, мы потеряли более полутора вольт напряжения из-за подключения нагрузки. И тем ощутимее будут потери, чем больше номинал R2 по отношению к сопротивлению L. Чтобы нивелировать этот эффект мы могли бы использовать в качестве R1 и R2 резисторы, например, в 10 раз меньших номиналов.

Пропорция сохраняется, V_out не меняется:

А потери уменьшатся:

Однако, у снижения сопротивления делящих резисторов есть обратная сторона медали. Большое количество энергии от источника питания будет уходить в землю. В том числе при отсоединённой нагрузке. Это небольшая проблема, если устройство питается от сети, но — нерациональное расточительство в случае питания от батарейки.

Кроме того, нужно помнить, что резисторы расчитаны на определённую предельную мощьность. В нашем случае нагрузка на R1 равна:

А это в 4-8 раз выше максимальной мощности самых распространённых резисторов! Попытка воспользоваться описанной схемой со сниженными номиналами и стандартными 0.25 или 0.5 Вт резисторами ничем хорошим не закончится. Очень вероятно, что результатом будет возгарание.

Применимость

Делитель напряжения подходит для получения необходимого заниженного напряжения в случаях, когда подключенная нагрузка потребляет небольшой ток (доли или единицы миллиампер). Примером подходящего использования является считывание напряжения аналоговым входом микроконтроллера, управление базой/затвором транзистора.

Делитель не подходит для подачи напряжения на мощных потребителей вроде моторов или светодиодных лент.

Чем меньшие номиналы выбраны для делящих резисторов, тем больше энергии расходуется впустую и тем выше нагрузка на сами резисторы. Чем номиналы больше, тем больше и дополнительное (нежелательное) падение напряжения, провоцируемое самой нагрузкой.

Если потребление тока нагрузкой неравномерно во времени, V_out также будет неравномерным.

Источник

Как рассчитать делитель напряжения

В электронике и сложных электрических цепях часто требуется деление входящего напряжения. Для этих целей в схему вносится устройство, которое называется делитель. Статья даст описание, что такое делитель напряжения, для чего нужен этот элемент и где он применяется. Будут приведены различные варианты этого устройства, формулы, а так же способы расчета его параметров.

Определение

Делитель электрического напряжения — это схема из комбинации электронных компонентов, необходимая для разделения действующего входящего напряжения на части и для дальнейшей передачи этих частей к разным участкам схемы. Его используют очень часто в усилителях различного предназначения.

Делители напряжения могут быть построены с использованием различных элементов. В их роли могут выступать резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Независимо из каких компонентов построено устройство, оно состоит из 2 основных частей:

Оба плеча имеют строго последовательное соединение. Сумма напряжений их выходов равна общему входящему значению за вычетом небольшой величины рассеивания.

Делитель на резисторах

Чтобы понять, как работает делитель напряжения, необходимо рассмотреть этот простой элемент, построенный с использованием резисторов. Такое устройство может использоваться для деления переменного или постоянного тока. Простейший прибор состоит из 2 резисторов с последовательным соединением. Принцип работы будет следующим:

Первоначальный расчет величины делается с использованием выражения: U=I·R.

В таких устройствах основную роль играет всем нам известный закон Ома. Согласно ему, должно сохраняться условие, при котором снижение напряжения имеет прямую пропорциональность величине сопротивления резисторов.

Принимая во внимание первый закон Кирхгофа, входящая величина напряжения будет равна величине токов, протекающих через резисторы. Ниже приведена схема резисторного делителя напряжения.

Определить величину падения напряжения на каждом резисторе можно по формулам, которые представлены ниже:

Отсюда можно сделать вывод о величине на обоих концах цепи:

Далее можно определить значение тока в цепи, используя выражение:

Значение напряжения на каждом резисторе вычисляется по отдельным формулам:

Если резистивный делитель напряжения состоит из резисторов с разными сопротивлениями, выражение поможет рассчитать величину для каждого элемента отдельно. Для примера можно выполнить следующее вычисление:

Для начала необходимо найти силу тока, протекающего по данной цепи: I=50/(5000+5000)=0.005 А=5 мА.

Далее можно узнать величину падения напряжения для каждого резистора по формуле: U1=0.005×5000=25 вольт.

Так как оба резистора имеют одинаковое сопротивление, выходная величина «U2» также равна 25 В. Теперь проведем простой расчет с разными значениями сопротивлений.

Сначала найдем силу тока: I=50/(5000+3000)=0.00625 А=6.25 мА.

Далее отдельно вычислим значение падения напряжения:

Рассчитанная величина имеет коэффициент рассеивания, который равен 2 вольта, поэтому точные значения как в примере увидеть не получится.

Благодаря данным формулам можно рассчитать любой неизвестный параметр делителя, но также необходимо помнить, что входной ток делителя должен быть минимум в 10 раз больше тока нагрузки и меньше максимального тока источника. Например, с нагрузкой в 20 мА, входящий ток должен быть больше 200 мА и источник рассчитан на такой же ток или больше. Поэтому не часто можно встретить делитель в схемах с большой нагрузкой.

Резисторный делитель электрического напряжения страдает от потерь, связанных с рассеиванием. Это связано с тем, что резисторы при работе нагреваются и часть тока при этом просто преобразуется в тепловую энергию.

Делитель на конденсаторах

Делитель электрического напряжения на конденсаторах может использоваться только в цепях переменного тока. Конденсаторы используются, как емкостные реактивные сопротивления.

В делителях конденсаторного типа должно сохраняться правило зависимости сопротивления от частоты и емкости самих конденсаторов. Если используется ёмкостный делитель, то расчет сопротивления конденсатора делается с помощью формулы:

Данная формула состоит из следующих значений:

Для подобных схем должно сохраняться условие: сопротивление всегда меньше емкости. Исходя из этого, можно сделать вывод, что чем больше ёмкостные характеристики конденсатора, тем меньше степень падения напряжения. Расчет выходящего напряжения с двумя конденсаторами можно сделать следующим образом:

Конденсаторный тип устройств более устойчивый, чем делитель напряжения на резисторах. При его работе прослеживается практически нулевая потеря при рассеивании. Причина этого эффекта в качестве и составе самого диэлектрика.

Дополнение схем

При создании схем УНЧ, инженерам необходимо занижение высоковольтного значения тока для обеспечения нормальной работы транзистора. Справится с этой задачей помогает делитель. Например, такое резисторное устройство используется для питания базового контакта транзистора. Таким образом создается обратная отрицательная связь по электрическому току, которая возникает благодаря наличию резистора R3. Схема усилителя каскада по схеме с ОЭ представлена на рисунке ниже.

При проектировании стабилизаторов используется стабилитрон, как часть балансного делителя. Такая схема помогает снизить нагрузку на устройство, значительно выровнять выходной ток. Стабилитрон, как и диод работает на пробой, если обратный ток достигает определенной величины.

Основное отличие заключается в том, что при повышении порогового значения, в стабилитроне не происходит теплового, электрического пробоя из-за линейной разности потенциалов.

Заключение

В статье была дана информация, как произвести расчет делителя напряжения, описаны разновидности этих устройств, формулы расчета. Зная, зачем используется делитель, можно применять это устройство для создания простых и сложных электронных схем с занижением напряжения до необходимых значений.

Видео по теме

Источник

Основы автоэлектрики. Часть3. Энергетические законы. Мощность. Делитель напряжения. Делитель тока. Тепловая энергия

Определившись с некоторыми базовыми понятиями и законами, сегодня мы можем поговорить об энергетических законах, определившись с такими терминами, как мощность и тепловая энергия. На мой взгляд, данная статья завершает трилогию фундамента знаний, без которого практически невозможно совершать какие-либо процедуры в электрике и электронике осознанно.

Оглавление сегодняшнего материала:
1. Электричество как вид энергии.
2. Электрическая мощность.
3. Электрическая мощность при последовательном включении резисторов. Делитель напряжения.
4. Электрическая мощность при параллельном включении резисторов. Делитель тока.
5. Закон Джоуля-Ленца.

1. Электричество как вид энергии

Для начала нужно чётко понять, что электричество — это один из видов энергии, а энергетика — основа всего сущего. Об этом нам намекают даже на бытовом уровне, когда ежемесячно мы снимаем показания своих электросчётчиков в жилье, после чего мы рассчитываемся за использование электроэнергии. Так электричество — это энергия, когда мы говорим об электрическом токе, мы должны ясно осознавать, что ничто ниоткуда не берётся и не уходит в никуда.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь:

Данная цепь состоит из аккумуляторной батареи GB1, резистора R1 и тумблера S1.
Не могу не отметить условное графическое обозначение резистора. В первое статье я приводил УГО для резистора, принятое в нашей стране и некоторых других странах. Вполне можно встретить и такое, как в рассматриваемой цепи. Это принятое обозначение в США.

Аккумуляторная батарея в данном примере представляет собой источник постоянного электрического тока с постоянным напряжением. Когда тумблер выключен, контур цепи разомкнут, и току от батареи просто некуда поступать. Оговорюсь, что в реальных источниках электрического тока имеются собственные потери, но сегодня они нас не интересуют.

Не могу не напомнить очень важное моё замечание из части 1: ток не есть причина. Ток — это следствие. Для его возникновения должны выполниться два условия, согласно Закону Ома: напряжение на потребителе должно быть не равно нулю, и сам потребитель должен иметь не бесконечное сопротивление. Согласно первому правилу Кирхгофа, значение силы тока на подобном замкнутом контуре равно в любой точке. Согласно правилу последовательного включения сопротивлений, суммарное сопротивление данной цепи есть сумма сопротивлений резистора R1 и тумблера S1. Тумблер обладает бесконечным сопротивлением, поэтому условий для возникновения электрического тока в цепи нет.

Теперь мы замкнём цепь и тем самым образуем электрический контур.

Теперь сопротивление тумблера стало равно нулю (напомню, что это идеализированное понятие, так как какое-нибудь сопротивление тумблер всё же имеет, но оно значительно меньше сопротивления резистора, а потому мы можем принять его равным нулю), значит сопротивление цепи, подключенной к аккумуляторной батареи, равно сопротивлению резистора R1.

Согласно второму правилу Кирхгофа на цепи, подключенной к батареи падает напряжение, равное напряжению батареи, а значит сила тока, что возникла в цепи, равна:

I = 12В / 1кОм = 12В / 1000 Ом = 0,012 А = 12 мА

Направление движения тока по контуру я указал стрелками. В электротехнике и электронике принято считать, что электрический ток следует от плюса к минусу. Но чтобы мы с Вами хоть немного понимали физику процесса, сообщу, что электроны в этот момент следуют по контуру от минуса аккумуляторной батареи к плюсу.

Откуда же тогда такое представление о движение электрического тока от плюса к минусу? Тут нам следует опять вернуться к части 1, где мы давали определению силе тока:

Сила тока (I) — это скорость прохождения количества заряда через попереченое сечение проводника.

Запишем это в виде формулы:

I = Q/t, где Q — это заряд, а t — это время.

Заряд электрона составляет примерно:
q = –1,602176565(35)·10^(-19) Кл
Q — это есть количество электронов, умноженное на заряд одного электрона, т.е.

Тогда сила тока будет выглядить так:

Количество электронов и время — значения положительные. Заряд электрона — отрицательное. Итого мы получим I

И нам необходимо посчитать все, что умеем уже считать.
Первым делом найдём общее сопротивление последовательной цепи:

R = R1 + R2 = 330 Ом + 510 Ом = 840 Ом.

Теперь мы можем найти значение силы тока в цепи:

I = U / R = 12 В / 840 Ом = 0,01428 А = 14,28 мА

Согласно первому правилу Кирхгофа:

I = I1 = I2 = 14,28 мА

Падение напряжения же по второму правилу Кирхгофа делится между резисторами. И у нас есть несколько способов вычислить это падение:

Первый, следующий из закона Ома явно:

U1 = I1*R1 = 0,01428 А * 330 Ом = 4,71 В
U2 = I2*R2 = 0,01428 А* 510 Ом = 7,28 В

Причем, зная U1, U2 можно вычислить, используя второе правило Кирхгофа, откуда следует:

U = U1 + U2, а значит:

U2 = U — U1 = 12 В — 4,71 В = 7,29 В.

Разница в полученных значениях U2 двумя способами — это результат округления значения силы тока, которая с более высокой точностью составляет:

I = 0,0142857142857142857142857… = I = 0,0(142857)

Если бы мы округлили до 0,014, то разница значений был бы ещё больше, поэтому, если стоит задача высокой точности, старайтесь использовать более точные значения в промежуточных вычислениях.

Есть и второй способ, который является следствием из закона Ома и правил Кирхгофа. Выведем формулы:

(система 1)
U1 = I1*R1
U2 = I2*R2
U = U1 + U2
I = I1 = I2
— заменим все силы тока на I
(система 2)
U1 = I*R1
U2 = I*R2
U = U1 + U2
— подставим значения U1 и U2 и вынесем I за скобки
(система 3)
U1 = I*R1
U2 = I*R2
U = I*(R1+R2)
— выразим ток через напряжение и сопротивления
(система 4)
U1 = I*R1
U2 = I*R2
I = U / (R1+R2)
— подставим значение тока в формулы U1 и U2
(система 5)
U1 = U * R1 / (R1+R2)
U2 = U * R2 / (R1+R2)

Используя формулы последней системы, мы можем быстро вычислить падение напряжения на резисторах:
U1 = U * R1 / (R1+R2) = 12 В * 330 Ом / 840 Ом = 4,714 В
U2 = U * R2 / (R1+R2) = 12 В * 510 Ом / 840 Ом = 7,286 В

Значения округлённые, но как мы видим, более точные.

Вообще цепи последовательного включения резисторов носят название «делитель напряжения».
И для любого количества резисторов в цепи будет выполняться слудующее:

Un = U * Rn / Rобщ, где n — номер резистора, а Rобщ — сумма сопротивлений всех резисторов цепи, т.е. сопротивление всей цепи.

Ну, и последнее, что осталось нам вычислить для данной цепи, — это мощности:

P1 = U1^2 / R1 = 4,714^2 / 330 = 0,067 Вт = 67 мВт
P2 = U2^2 / R2 = 7,286^2 / 510 = 0,104 Вт = 104 мВт
P = U^2 / (R1+R2) = 12^2 / 840 = 0,171 Вт = 171 мВт

Внимательным бросается в глаза, что P = P1 + P2.
Очень важно сделать следующий вывод из закона сохранения энергии:
Потребляемая мощность электрической цепи равна сумме всех потребляющих элементов цепи.
Этот вывод справедлив не только для последовательного включения. Этот вывод общ для любых цепей.

4. Электрическая мощность при параллельном включении резисторов. Делитель тока.

Рассмотрим теперь цепь, когда два резистора включено параллельно:

Согласно второму правилу Кирхгофа, падение напряжений на обоих резисторах будет равно напряжению питания:

Ток же, согласно первому правилу Кирхгофа, будет делиться:

Именно поэтому такие цепи называются делителем тока.

Значения тока вычисляются просто:

In = U / Rn, где n — номер резистора.

Поэтому в нашем случае:

I1 = 12 В / 330 Ом = 0,0363636(36) А = 36,36 мА
I2 = 12 В / 510 Ом = 0,0235294 А = 23,52 мА

Общее сопротивление цепи:
R = 1 / (1/R1 + 1/R2) = 1 / (1/330 + 1/510) = 1 / (0,00303 + 0,00196) = 1 / 0,00499 = 200,4 Ом

I = U / R = 12 В / 200,4 Ом = 0,059880 А = 59,88 мА

Можно убедиться, что ток разделился на I1 и I2:

I1 + I2 = 36,36 мА + 23,52 мА = 59,88 мА,
что равно вычисленному значению I.

Мощности данной цепи (на этот раз ради разнообразия вычислим через силы тока и напряжения):

P1 = U*I1 = 12 В * 36,36 мА = 436,32 мВт
P2 = U*I2 = 12 В * 23,52 мА = 282,24 мВт
P = U*I = 12 В * 59,88 мА = 718,56 мВт

Ну, и можем убедиться, что закон сохранения энергии работает:
P1 + P2 = 436,32 мВт + 282,24 мВт = 718,56 мВт

5. Закон Джоуля-Ленца

Сегодня было рассмотрено немало материала. Думаю, немногие дошли до этого пункта с первого прочтения, но именно тут появляются ответы на многие вопросы.

Мы уже говорили об электричестве, как об энергии, совершающей работу по переносу заряда. У этого явления есть ещё одна особенность:

Количество тепловой энергии, выделяемой при выполнении данной работы, равно самой этой работе.

Qэ = P*t, только в данном случае Qэ — не заряд, а тепловая энергия.

Чтобы не путаться с зарядом, я буду приписывать маленькую букву э.

В классическом виде это количество теплоты выглядит так:

Данный закон носит название «Закон Джоуля-Ленца».

Не трудно проверить, что моя первая запись была права:

Qэ = I^2*R*t = I * (I/R)*t = I*U*t = P*t

В чём смысл данной записи? В том, что при прохождении тока через проводник (провод, резистор, иной электронный компонент) начинает выделяться тепло, эквивалентное мощности.

Мы живем в окружающей среде, у которой есть своя температура, и всё, что находится в ней стремится к сохранению средней температуры. Поэтому выделенная тепловая энергия рассеивается в пространстве.
Если количество выделенного тепла успевает отбираться окружающей средой, тем самым охлаждая проводник (это связано с температурой среды, её теплопроводностью, скоростью движения, площадью поверхности контакта окружающей среды и проводника), мы наблюдаем, что проводник не греется относительно окружающей среды. Как только выделяемое количество теплоты начинает превышать отбираемое, мы наблюдаем, что проводник нагревается относительно окружающей среды.

Мы уже говорили неоднократно о таком параметре резистора как «мощность рассеяния». Так вот это параметр, который позволяет резистору находиться в безопасных для него температурных режимах при температуре окружающей среды, соответствующих диапазону его применения. Простыми словами, это та мощность, которую способен отдавать резистор в окружающую среду без теплового перегрева. Именно с этим связано увеличение габаритов при увеличение заводского значения «максимальной мощности рассеивания», так как требуется бОльшая площадь контакта с окружающей средой.

Конечно, при низких температурах или принудительном охлаждении можно превышать данное значение. Но превышение в нормальных условиях может вывести элемент из строя. Простыми словами, он может сгореть.

Кроме того, в первой части я писал, что мы обратимся к вопросу сопротивления проводов. И сейчас настало самое время.

Как мы видим в классической записи закона Джоуля-Ленца можно выделить несколько важных моментов:

Зависимость выделения тепла от силы тока квадратичная.
Зависимость выделения тепла от сопротивления линейная.
Зависимость выделения тепла от времени линейная.

Со временем все понятно — если скорость отвода тепла от проводника меньше скорости нагрева, то произойдет перегрев. А скорости — это ничто иное, как временные характеристики.

Теперь представим наш провод как последовательно включенные резисторы:

Как мы помним, ток в такой цепи каждого из резисторов равен суммарному току цепи.
А вот суммарное сопротивление цепи равно сумме этих сопротивлений.
Как известно, сопротивление проводника прямо пропорционален его длине, исходя из определения сопротивления. Поэтому, приняв, к примеру, за резистор участок провода длиной 1мм, на проводе длиной 1см мы будем иметь 10 последовательно включенных таких резисторов.
Поэтому, рассматривая что 1, что 10, что 50 таких резисторов, мы будем видеть, что мощность такого резистора при одном и том же токе будет одинакова для каждого из резисторов вне зависимости от их количества.

Ну, для подтверждения этих слов, давайте проведём ряд несложных вычислений:

Пусть резистор состоит из медной проволоки сечением 0,5 мм2 и длиной 10 см.
По таблице находим значение удельного сопротивления для меди (0,017 Ом*мм2/м):

И, используя формулу для расчёта сопротивления, рассчитаем наш резистор:

R = p*l/S = 0,017 Ом*мм2/м * 0,1 м / 0,5 мм2 = 0,0034 Ом

Теперь представим, что по цепи идёт ток, равный 10 А.

Тогда мощность, зная силу тока и сопротивление, мы вычисляем следующим образом:

P = I^2*R = (10 А)^2 * 0,0034 Ом = 0,34 Вт

Теперь представим, что у нас 10 таких резисторов, включенных последовательно.
Ток по цепи идёт всё тот же.

Но на каждый резистор все так же приходится десятая часть, т.е. 0,34 Вт.

Именно по этой причине для определения параметра, аналогичного «максимальной мощности рассеяния» у резистора, для проводов, электрических дорожек и прочего служит только значение максимально допустимого тока. Поэтому при выборе провода следует искать именно этот параметр в таблицах справочников, ПУЭ, ГОСТ и так далее.

Вот пример одной из таблицы:

Так как за основу отображения в таблице берутся значения токов, но мы то с вами теперь знаем, что важно лишь, чтобы отводилась тепловая энергия, то таблицы для каждой марки кабеля, как правило, свои. Кроме того, от количества проводов в одном кабеле это значение также может меняться. Это связано с тем, что чем больше проводов в кабеле, тем сложнее отводить тепло, и разницей в способах изоляции (способности изоляции отводить тепло, количества и качества этой самой изоляции).
Важно понимать, что прокладка в жгутах тоже снижает значение максимально допустимого тока, проходящего через кабель.

Теперь обратимся к вопросу, почему порой в вопросах устранения электрической неисправности помогает элементарная замена провода или переобжим его клемм.

Мы с Вами уже представляли провод в виде последовательно включенных резисторов. Когда все жилы целы и способны проводить ток, провод работает хорошо.
Когда в многожильном кабеле повреждается одна или несколько жил, происходит увеличения одного из резисторов этой цепи, а, как мы помним, при постоянном токе выделяемое тепло за то же время зависит только от сопротивления:

Представим, что рассматриваемый нами ранее резистор-кусочек провода, при токе в 10 А рассеивающий в норме 0,34 Вт повредил две из своих десяти жил.

Это приведёт к уменьшению его сечения в 10/8 (т.е. в 1,25) раз, а значит, исходя из R = p*l/S, и увеличению сопротивления в 1,25 раз. А это значит, что если наш ток всё так же неизменно 10 А, то его мощность тоже увеличится в 1,25 раз и будет уже не 0,34 Вт, а 0,425 Вт. Если представить, что максимально допустимая мощность рассеяния была 0,4 Вт, то теперь мы будем наблюдать локальный перегрев. А это в свою очередь будет приводить к дальнейшему разрушению провода и повышению сопротивления.

А теперь вспомним, что ток есть следствие, а не причина. А значит увеличение сопротивления будет неизбежно приводить к снижению тока цепи при том же напряжении. Кроме того, будет происходить увеличение падения напряжения на проводе, который доставляет ток до какого-нибудь электронного устройства. Почему? Давайте вспомним про делитель напряжения, о котором сегодня уже говорили. И представив резистор и устройство в виде двух последовательно подключенных резисторов (а на практике даже трех — питание, устройство, земля), мы увидим, что чем больше сопротивление в проводе, тем больше напряжения оседает на нём и тем меньше напряжения на устройстве.

Аналогичная и более выраженная ситуация возникает, когда происходит окисление контактов. Окислы являются плохими проводниками, значительно хуже меди. Когда обжатый клеммой провод окисляется, происходит увеличение напряжения на проводе, снижение напряжения на питающемся устройстве и падения тока всей цепи (помним, что ток — это следствие).

Ярким примером может служить недостаточная мощность стартера. Я неоднократно наблюдал, как напряжение на клеммах стартера падало до ничтожно малых величин. Более того, нередки ситуации, когда падение напряжение на проводе массы двигателя или кузова достигали вольта и более. А мы помним, к чему это приводит.

В заключение рассмотрения закона Джоуля-Ленца должен отметить, что не всегда тепло, выделяемое электричеством, во вред. К примеру, все электронагревательные приборы верно служат этому закону. Но важно помнить, что и у этих приборов есть свои рассчитанные значения по отводу тепла. К примеру, подав напряжение на пустой чайник, где теплоотводом служит вода, вы рискует сжечь прибор. Аналогично возникнет ситуация, когда откажет электро вентилятор в тепловой пушке, где отвод тепла от нагревательного элемента находится в заводских допусках при определённой скорости воздушного потока. Отсюда же и надписи на обогревателях «Не накрывать!»

Думаю, на этой ноте стоит заканчивать сегодняшний пятничный «роман»=DDDD
Спасибо тем, у кого хватило терпения дочитать до конца. Думаю, Ваше время было потрачено не напрасно. Даже если после прочтения у вас создаётся впечатление, что вы не поняли материал, выдохните, прогуляйтесь, поспите. Живите обычной жизнью. И в какой-то момент, когда вы столкнётесь с чем-то, что могло быть описано в рамках данной или двух предыдущих статей, в автомобиле, понимание само придёт к Вам. Возможно, тогда Вам захочется прочесть материал повторно, и тогда многое станет на свои места.

Источник