הנגד הוא אחד האלמנטים הנפוצים ביותר במעגל חשמלי. בעזרתו, הזרם מוגבל והמתח משתנה. בעת תכנון מעגלים, לעתים קרובות יש צורך לחשב את ההתנגדות כדי להוריד את המתח. זה חשוב בעת בניית מחיצות עבור מכשירים דיגיטליים או ספקי כוח, ולכן כל חובב רדיו אמור להיות מסוגל לבצע חישובים כאלה.
תוֹכֶן
-
הגדרה פיזית
- ערך התנגדות
- עכבת נגד
- חיבור מקביל
- הכללה רציפה
- חישוב מחלק מתח
- חישובים באינטרנט
הגדרה פיזית
נגד הוא אלמנט המשמש במעגל חשמלי ואינו דורש מקור חשמל לצורך פעולתו. הוא נועד להפוך זרם למתח ולהיפך. בנוסף, הוא יכול להמיר אנרגיה חשמלית לחום ולהגביל את כמות הזרם. אבל לפני חישוב מפל המתח על פני הנגד, רצוי להבין את מהות התהליך הזה.
נגד הוא אלמנט נפוץ מאוד, המאופיין במספר פרמטרים. העיקריים שבהם הם:
- הִתנַגְדוּת;
- כמות האנרגיה המתפזרת;
- מתח הפעלה;
- כּוֹחַ;
- עמידות להשפעות סביבתיות;
- מרכיב טפילי.
אלמנט חשמלי פסיבי מצוין בתרשים כמלבן עם שני מובילים מאמצע הצדדים הצדדיים שלו. במרכז האיור ניתן לציין את הכוח בספרות רומיות או במקפים. לדוגמה, הפס האנכי מייצג את הספק העמידות של התא של 1 וואט. המלבן המוצלב בכינויים בתרשים מציין שנגד כזה הוא משתנה.
ניתן לייצר נגדים עם התנגדות קבועה ומשתנה. מגוון של האחרונים הם גוזמים. הם נבדלים ממשתנים רק בדרך של קביעת הערך הרצוי.
בתרשימים ובספרות הטכנית, המכשיר מסומן באות הלטינית R, שלצדה מצוין המספר הסידורי והערך שלו בהתאם למערכת היחידות הבינלאומית (SI). לדוגמה, R12 5kΩ הוא נגד 5kΩ הממוקם במעגל במספר 12.
בייצור האלמנט, נעשה שימוש בשכבה התנגדות, שיכולה להיות סרט או בתפזורת. הוא מוחל על בסיס דיאלקטרי ומכוסה בסרט מגן למעלה.
ערך התנגדות
התנגדות היא גודל בסיסי בתהליכים חשמליים. ערכו קשור תמיד לזרם ולמתח. התלות הכללית שלהם מתוארת באמצעות חוק אוהם: עוצמת הזרם הנובעת בקטע המעגל היא ישירה פרופורציונלי להפרש הפוטנציאל בין נקודות הקיצון של סעיף זה ובפרופורציונלי הפוך שלו הִתנַגְדוּת. מחוק זה נמצא התנגדות לפי הנוסחה הבאה:
R = U / I, כאשר:
- R - התנגדות בקטע של המעגל, אוהם.
- אני הוא הזרם הזורם בקטע הזה, א.
- U הוא הפרש הפוטנציאל בצמתים של חלק מהמעגל, V.
למעשה, ההתנגדות של יסוד נקבעת על פי המבנה הפיזי שלו והיא נובעת מתנודות של אטומים בסריג הגביש. לכן, כל החומרים נבדלים בין מוליכים, מוליכים למחצה ודיאלקטריים, בהתאם ליכולת הולכת חשמל.
זרם הוא התנועה המכוונת של נושאי מטען. להתרחשותו, יש צורך שלחומר יהיו אלקטרונים חופשיים. אם שדה חשמלי מופעל על גוף פיזי כזה, אז המטענים שהוא מניע יתחילו להתנגש באי-הומוגניות מבניות. פגמים אלה נוצרים עקב זיהומים שונים, הפרה של מחזוריות הסריג, תנודות תרמיות. מכה אותם, האלקטרון צורך אנרגיה, המומרת לחום. כתוצאה מכך, המטען מאבד מומנטום, וגודל הפרש הפוטנציאל יורד.
אבל החוק של אוהם אינו חל על כל החומרים. באלקטרוליטים, דיאלקטריים ומוליכים למחצה, לא תמיד נצפה קשר ליניארי בין שלושת הכמויות. ההתנגדות של חומרים כאלה תלויה בפרמטרים הפיזיים של המוליך, כלומר, אורכו ושטח החתך שלו, בעוד שהוא רגיש לשינויי טמפרטורה.
תלות זו מתוארת באמצעות הנוסחה R = p * l / S. כלומר, ההתנגדות עומדת ביחס ישר לאורך ובפרופורציונלי הפוך לשטח המוליך. ערך p נקרא התנגדות והוא נקבע לפי סוג החומר. הערך שלו נלקח מהספרייה.
עכבת נגד
חוק אוהם חל על נגד אידיאלי ללא התנגדות טפילית. העכבה (עכבה) נקבעת על סמך המעגל המקביל. החישוב המדויק של ההתנגדות להורדת המתח חייב להתבצע באמצעות נוסחאות אחרות. מעגל הנגדים המקביל, בנוסף לעכבה אקטיבית, מכיל גם התנגדות קיבולית ואינדוקטיבית.
הראשון מוביל להצטברות איטית של מטען, שמתפוגג כאשר כיוון הזרם משתנה. ככל שהקיבול הטפילי גדול יותר, כך לוקח יותר זמן לטעון. בהתאם לכך, ככל שהזרם משנה את כיוונו מהר יותר, ההתנגדות הקיבולית שלו נמוכה יותר. השני מאופיין בשדה מגנטי, שהמראה שלו מונע מהזרם לשנות כיוון, לכן, ככל שהזרם משנה את תנועתו מהר יותר, ההתנגדות האינדוקטיבית גדלה.
העכבה מחושבת באמצעות הנוסחה: I = U / Z, כאשר Z = (R2 + (Xc-Xl) 2) ½. איפה:
- R - ערך פעיל, R = p * l / s.
- Xc - כמות קיבולית, Xc = 1 / w * C.
- Xl - כמות אינדוקטיבית, Xl = w * C.
- w הוא התדר המחזורי, w = 2πƒ.
לדעת את ההתנגדות הכוללת של הנגד, אתה יכול לחשב בצורה מדויקת יותר את ירידת המתח בו. אבל כדי למדוד רכיבים טפיליים, תצטרך להשתמש במכשירים מיוחדים מאוד. בחישובים קונבנציונליים, ההתנגדות מחושבת תוך התחשבות בערכה הפעיל בלבד, וערכים טפיליים נחשבים זניחים.
חיבור מקביל
במעגלים חשמליים, נעשה שימוש בחיבור מקבילי וגם בחיבור טורי על חלקי המעגל. הראשון הוא מעגל שבו כל אחד מהאלמנטים שלו מחובר לשני באמצעות שני המגעים, אך אין חיבור חשמלי ישיר בין המסופים שלו. ט. ה. ישנן שתי נקודות (צמתים חשמליים) אליהן מחוברים מספר נגדים.
עם הפעלה כזו, הזרם העובר דרך הצומת מתחיל להתפצל, וערך שונה יזרום בכל אלמנט. כמות הזרם בכל אלמנט תהיה פרופורציונלית ישירות להתנגדות הנגד, ולכן המוליכות הכוללת בקטע זה תגדל, והעכבה שלו תקטן.
הנוסחה שבאמצעותה ניתן לחשב את המוליכות הכוללת נראית כך: G = 1 / Rtotal = 1 / R1 + 1 / R2 +... + 1 / Rn, כאשר n - מציין את המספר הסידורי של הנגד במעגל.
בהפיכת נוסחה זו, אתה מקבל ביטוי של הצורה: R total = 1 / G = (R1 * R2 *... * Rn) / (R1 * R2 + R2 * Rn +… + R1 * Rn. לאחר שניתח את זה, ניתן להסיק שכאשר מחובר במקביל, העכבה תמיד תהיה קטנה מהערך הקטן ביותר של הפרט נַגָד.
עם חיבור כזה, המתח בין הצמתים הוא בו-זמנית ההפרש הפוטנציאלי הכולל עבור הקטע כולו ועל פני כל נגד בודד. לכן, אם נחשב את ירידת המתח במכשיר אחד, היא תהיה זהה בכל אלמנט מחובר מקביל: U total = U 1 = U 2 =… = U n.
אבל הזרם החשמלי העובר דרך אלמנט נפרד, המבוסס על חוק אוהם, יהיה שווה ל: I Rn = U Rn / Rn.
הכללה רציפה
זהו השם של שילוב שני נגדים או יותר למקטע אחד של המעגל, שבו הם מחוברים זה לזה רק בנקודה אחת. העכבה בחיבור סדרתי מוגדרת כסכום ההתנגדויות של כל אלמנט בודד: Rtotal = R1 + R2 +... + Rn.
כתוצאה מכך, הזרם הזורם דרך מעגל כזה ילך ויפחת לאחר מעבר נגד המחובר בסדרה. ככל שיהיו יותר אלמנטים בשרשרת, כך יהיה לו קשה יותר לעבור את כולם. לפיכך, הערך הכולל שלו מוגדר כ-Itotal = U / (R1 + R2 +... + Rn).
לכן, ניתן לטעון שבחיבור סדרתי יש רק נתיב אחד לזרימת זרם. ככל שמספר הנגדים בקו גדול יותר, כך יהיה פחות זרם בסעיף זה.
לירידה בהפרש הפוטנציאל עם סוג זה של חיבור בכל אלמנט יהיה ערך משלו. היא נקבעת לפי הנוסחה URn = IRn * Rn, וככל שהעכבה של האלמנט תהיה גדולה יותר, כך תשתחרר בו יותר אנרגיה.
חישוב מחלק מתח
מחלק מתח התנגדות הוא מעגל בסיסי להורדת מתח. זה יכול להיות מורכב משני אלמנטים או יותר. המפריד הפשוט ביותר יכול להיות מיוצג בצורה של שני חלקים של השרשרת, הנקראים כתפיים. אחת מהן, שנמצאת בין הנקודה החיובית של הפוטנציאל לנקודת האפס, היא העליונה, והשנייה, בין השלילית למינוס, היא התחתונה.
מעגל זה משמש להפחתת המתח במעגלי DC ו-AC כאחד. מהות התהליך היא כדלקמן.
- מתח U מופעל על המעגל ההתנגדות מאספקת החשמל.
- זרם מתחיל לזרום דרך הנגדים בקטע הסדרתי של המעגל שנוצר על ידי נגדים R1 ו-R2.
- כתוצאה מכך משתחררת על כל אחד מהם כמות מסוימת של אנרגיה, כלומר. מתרחשת נפילת מתח.
סכום המתחים על פני כל התנופה של הקו שווה לערך הפרש הפוטנציאל של מקור הכוח. בהתאם לנוסחה: U = I * R, ירידת המתח עומדת ביחס ישר לעוצמת הזרם ולערך ההתנגדות. בהתחשב בכך שהזרם הזורם דרך הנגדים זהה, הנוסחאות U1 = I * R1 ו-U2 = I * R2 יהיו תקפות.
אז מפל המתח הכולל על פני הקטע יהיה שווה ל-U = I * (R1 + R2). בהתבסס על זה, אתה יכול למצוא את החוזק הנוכחי: I = U / (R1 + R2). באמצעות שני הביטויים הללו, אתה יכול לקבל את הנוסחאות הסופיות לחישוב מפל המתח על פני כל אלמנט:
- U1 = R1 * U / (R1 + R2);
- U2 = R2 * U / (R1 + R2).
היישום המעשי של מחלק כזה נפוץ מאוד בשל פשטות היישום של הפחתת מתח. לדוגמה, נניח שספק הכוח מוציא 12 וולט, והעומס צריך להיות מסופק עם 6 וולט, בעוד ההתנגדות שלו היא 10 קילו אוהם. כדי לפתור בעיה כזו, מומלץ להשתמש בנגדים שההתנגדות שלהם קטנה פי עשרה מערך העומס, לכן, אם לוקחים R 1 = 1 kΩ ומחליפים את כל הערכים הידועים בנוסחה של המתח על הנגד, מסתבר ש- 6 = R 2 * 12 (1000+ R 2) ומכאן R 2 = 1 kOhm.
כעת, בידיעת כל הערכים, אתה יכול לבדוק את הדיוק של החישוב. הירידה בהפרש הפוטנציאל על פני האלמנט הראשון מחושבת כ-U 1 = 1000 * 12 / (1000 + 1000) = 6 V, והמתח הכולל - Utot = U 1+ U 2 = 12 V, המתאים לערך של מקור הכוח.
יש לציין שהשימוש בנגדים נשלפים משמש רק בהספק נמוך עומסים, שכן חלק מהאנרגיה מומרת לחום, והיעילות (היעילות) היא מאוד קצר.
חישובים באינטרנט
בעזרת שפות תכנות (Java, Python, PHP) נוצרות יישומים המאפשרים חישוב מקוון של פרמטרי הנגדים הנדרשים כדי להסיר ממנו את ערך המתח הנדרש. התסריטים שנכתבו על ידם מכילים את כל הנוסחאות ואלגוריתמי החישוב הדרושים. לכן, לאחר הזנת הנתונים הראשוניים, ממש תוך שנייה ניתן יהיה לקבל את התוצאה.
בדרך כלל, המחשבונים המקוונים המוצעים מכילים ייצוג גרפי של המעגל לצורך הבהירות. המאפיינים המוצעים לקלט הם בדרך כלל:
- מתח כניסה, V;
- תת מתח, V;
- התנגדות Rn, Ohm.
שימו לב שכל הערכים מוזנים בהתאם ל-SI.
לאחר הזנת הנתונים ולחיצה על כפתור "חשב", בנוסף לקביעה ישירה של ההתנגדות הנדרשת, התוכניות לרוב נותנות את הערך המינימלי של הכוח הנדרש של האלמנטים.
לפיכך, זה לא כל כך קשה לחשב את מפל המתח על פני אלמנט התנגדות. כדי לעשות זאת, אתה צריך לדעת את התכונות של חיבור מקבילי וטורי, כמו גם את חוק אוהם. ואם יש אלמנטים רבים בשרשרת, אז אתה יכול להשתמש במחשבונים מקוונים.
