Как определить входное и выходное напряжение

Входное и выходное сопротивление

Все электронные устройства состоят из блоков. Их еще часто называют каскады, модули, узлы и т.д. Например, (рис. 1) состоит из двух блоков.

Рис. 1 — Схема источника питания

На рисунке 1 в левом блоке мы получаем постоянное напряжение, а в правом блоке его стабилизируем (рис. 2).

Рис. 2 — Блочная схема источника питания

Блочная схема — это условное деление. В этом примере мы могли бы даже взять трансформатор, как отдельный блок, который понижает переменное напряжение одного номинала к другому. Как нам удобнее, так и делим на блоки нашу электронную безделушку. Метод «от простого к сложному» полностью работает в нашем мире. На низшем уровне находятся радиоэлементы, на высшем — готовое устройство, например, телевизор.

Как вы поняли, любое устройство состоит из блоков, которые выполняют определенную функцию.

На словах все выходит прекрасно, но всегда есть подводные камни, которые следует изучить, чтобы начать проектировать электронные устройства. Некоторые из этих камушков называются входным и выходным сопротивлением.

Резистор хоть и обладает сопротивлением, но это активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор будут уже обладать, так называемым, реактивным сопротивлением.

Если прислушаться фразам, то входное сопротивление — это сопротивление какого-то входа, а выходное — сопротивление какого-либо выхода. Ну да, все почти так и есть. И где же нам найти в схеме эти входные и выходные сопротивления? А вот «прячутся» они в самих блоках радиоэлектронных устройств.

Входное сопротивление

В блочной схеме вход блока располагается слева, выход — справа.

Рис. 3 — Входы и выходы в блочной схеме

Как и полагается, этот блок используется в каком-нибудь радиоэлектронном устройстве и выполняет какую-либо функцию. Значит, на его вход будет подаваться какое-то входное напряжение U_вх от другого блока или от источника питания, а на его выходе появится напряжение U_вых (или не появится, если блок является конечным).

Рис. 4 — Входное и выходное напряжения

Но раз уж мы подаем напряжение на вход (входное напряжение U_вх), следовательно, у нас этот блок будет потреблять какую-то силу тока I_вх.

Рис. 5 — Сила тока на входе

От чего зависит I_вх ? Вообще, от чего зависит сила тока в цепи? Вспоминаем закон Ома для участка цепи:

Значит, сила тока у нас зависит от напряжения и от сопротивления. Предположим, что напряжение у нас не меняется, следовательно, сила тока в цепи будет зависеть от. СОПРОТИВЛЕНИЯ. Но где нам его найти? А прячется оно в самом каскаде и называется входным сопротивлением.

Рис. 6 — Входное сопротивление

То есть, разобрав такой блок, внутри него мы можем найти этот резистор? Конечно же нет. Он является своего рода сопротивлением радиоэлементов, соединенных по схеме этого блока.

Измерение входного сопротивления

Как мы знаем, на каждый блок подается какой-либо сигнал от предыдущего блока или это может быть даже питание от сети или батареи. Что нам остается сделать?

1. Замерить напряжение U_вх , подаваемое на блок.
2. Замерить силу тока I_вх , которую потребляет блок.
3. По закону Ома найти входное сопротивление R_вх .

Если у вас входное сопротивление получается очень большое, чтобы замерить его как можно точнее, используют вот такую схему.

Рис. 7 — Измерение входного сопротивления

Мы с вами знаем, что если входное сопротивление у нас большое, то входная сила тока в цепи у нас будет очень маленькая (из закона Ома).

Падение напряжения на резисторе R обозначим, как

Из всего этого получаем.

Когда мы проводим эти измерения, имейте ввиду, что напряжение на выходе генератора не должно меняться!

Итак, давайте посчитаем, какой же резистор нам необходимо подобрать, чтобы как можно точнее замерять это входное сопротивление. Допустим, что у нас входное сопротивление R_вх=1 МОм, а резистор взяли R = 1 КОм. Пусть генератор выдает постоянное напряжение U=10 В. В результате, у нас получается цепь с двумя сопротивлениями. Правило делителя напряжения гласит: сумма падений напряжений на всех сопротивлениях в цепи равняется ЭДС генератора.

Рис. 8 — Делитель напряжения

Рассчитываем силу тока в цепи в амперах:

Получается, что падение напряжения на сопротивлении R в вольтах будет:

Грубо говоря 0,01 В. Вряд ли вы сможете точно замерить такое маленькое напряжение на своем мультиметре.

Какой отсюда вывод? Для более точного измерения высокого входного сопротивления надо брать добавочное сопротивление также очень большого номинала. В этом случае работает правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, и наоборот, на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение.

Давайте теперь на практике попробуем замерить входное сопротивление какого-либо устройства. Итак, выставляем на блоке питания рабочее напряжение этого транзистор-метра, то есть 9 В, и во включенном состоянии замеряем потребляемую силу тока. По схеме все это будет выглядеть вот так:

А на деле вот так:

Итак, у нас получилось 22,5 миллиАмпер.

Теперь, зная значение потребляемого тока, можно найти по этой формуле входное сопротивление:

Выходное сопротивление

Яркий пример выходного сопротивления — это закон Ома для полной цепи, в котором есть так называемое «внутреннее сопротивление».

Что мы имели? У нас был автомобильный аккумулятор, с помощью которого мы поджигали галогеновую лампочку. Перед тем, как цеплять лампочку, мы замеряли напряжение на клеммах аккумулятора:

И как только подсоединяли лампочку, у нас напряжение на аккумуляторе становилось меньше.

Разница напряжения, то есть 0,3 В (12,09 -11,79) у нас падало на так называемом внутреннем сопротивлении r . Оно же и есть ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Его также называют еще сопротивлением источника или эквивалентным сопротивлением.

У всех аккумуляторов есть это внутреннее сопротивление r, и «цепляется» оно последовательно с источником ЭДС ( Е ).

Рис. 13 — Внутреннее сопротивление аккумулятора

Выходным сопротивлением обладают все источники питания. Это может быть блок питания, генератор частоты, либо вообще какой-нибудь усилитель.

В теореме Тевенина говорилось, что любую цепь, которая имеет две клеммы и содержит в себе много различных источников ЭДС и резисторов разного номинала можно привести к источнику ЭДС с каким-то значением напряжения ( E_экв ) и с каким-то внутренним сопротивлением ( R_экв ).

E_экв — эквивалентный источник ЭДС

R_экв — эквивалентное сопротивление

То есть получается, если какой-либо источник напряжения питает нагрузку, значит, в источнике напряжения есть ЭДС и эквивалентное сопротивление, оно же выходное сопротивление.

В режиме холостого хода (то есть, когда к выходным клеммам не подцеплена нагрузка) с помощью мультиметра мы можем замерить ЭДС ( E ). С замером ЭДС вроде бы понятно, но вот как замерить R_вых ?

В принципе, можно устроить короткое замыкание. То есть замкнуть выходные клеммы толстым медным проводом, по которому у нас будет течь ток короткого замыкания I_кз .

Рис. 15 — Ток короткого замыкания

В результате у нас получается замкнутая цепь с одним резистором. Из закона Ома получаем, что

Но есть небольшая загвоздка. Теоретически — формула верна. Но на практике я бы не рекомендовал использовать этот способ. В этом случае сила тока достигает бешенного значения, да вообще, вся схема ведет себя неадекватно.

Есть другой, более безопасный способ. Не буду повторяться, просто скопирую со статьи закон Ома для полной цепи, где мы находили внутреннее сопротивление аккумулятора. В той статье, мы к акуму цепляли галогеновую лампочку, которая была нагрузкой R. В результате по цепи шел электрический ток. На лампочке и на внутреннем сопротивлении у нас падало напряжение, сумма которых равнялась ЭДС.

Итак, для начала замеряем напряжение на аккумуляторе без лампочки (рис. 17).

Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе U_r тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае E = 12,09 В.

Как только мы цепанули нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:

Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение

следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило

Сила тока в цепи равняется I =4,35 Ампер. ЭДС у нас равняется E=12,09 Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи вычисляем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:

r = (12,09 — 11,79)/4,35 = 0,069 [Ом]

Выводы

Входное и выходное сопротивление каскадов (блоков) в электронике играют очень важную роль при согласовании узлов радиоэлектронных схем. Все качественные вольтметры и осциллографы также стараются делать с очень высоким входным сопротивлением, чтобы оно меньше сказывалось на замеряемый сигнал и не гасило его амплитуду.

С выходным сопротивлением все намного интереснее. Когда мы подключаем низкоомную нагрузку, то чем больше внутреннее сопротивление, тем больше напряжение падает на внутреннем сопротивлении. То есть в нагрузку будет отдаваться меньшее напряжение, так как разница осядет на внутреннем резисторе. Поэтому, качественные источники питания, типа блока питания либо генератора частоты, пытаются делать как можно с меньшим выходным сопротивлением, чтобы напряжение на выходе «не проседало» при подключении низкоомной нагрузки. Даже если сильно просядет, то мы можем вручную подкорректировать с помощью регулировки выходного напряжения, которые есть в каждом нормальном источнике питания. В некоторых источниках это делается уже автоматически.

2.5.Входное и выходное напряжения.

Выходное напряжение ОУ зависит от разности напряжений на его входах , где – напряжения на не инвертирующем и инвертирующем входах усилителя. Поэтому для ОУ справедливо:

, (1.3)

где K – коэффициент усиления ОУ без обратной связи (разомкнутого усилителя). Предположим, что (напряжение на входе (+) положительно по отношению к напряжению на входе (–)), тогда выходное напряжение положительно, рис. 1.7,а.

В случае если (напряжение на входе (+) отрицательно по отношению к напряжению на входе (–)), выходное напряжение отрицательно, рис. 1.7,б.

Общая зависимость представлена на рис. 1.8. Выходное напряжение линейно зависит от лишь в некотором диапазоне изменения последнего (от до ) и не может превышать величины U_НАС.

Рис. 1.8. Амплитудная характеристика операционного усилителя

2.6.Два правила, справедливые для идеального оу.

Определим значения и . В соответствии с (1.3) имеем

(1.4)

Величина K чрезвычайно велика; она может достигать 200000 единици более. Приняв K=200000, для ОУ, запитанного от источника 12 В, на основании (1.4) получим:

,

.

Здесь допущено, что . Напряжение 60 мкВ очень мало. В типичном измерительном приборе напряжения наведенных шумов, сетевых наводок и напряжения от токов утечки могут превышать 1 мВ (1000 мкВ). В силу этого можно принять . Последнее позволяет сформулировать важное правило.

Правило 1. Если ОУ находится в линейном режиме (выходное напряжение ), разность напряжений между его входами равна нулю ().

Для того чтобы ОУ работал в линейном режиме, в схему необходимо ввести отрицательную обратную связь (ООС). Образно можно сказать, что, будучи охвачен ООС операционный усилитель сделает все от него зависящее, чтобы устранить разность напряжений между своими входами.

ОУ является хорошим усилителем напряжения с большим входным сопротивлением. Для идеального ОУ сопротивления по обоим входам можно считать равными бесконечности. Отсюда следует второе важное правило.

Правило 2. Входы ОУ тока не потребляют.

2.7.Идеальный и реальный оу.

Для идеального ОУ справедливо:

Коэффициент усиления дифференциального сигнала K бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала.

Коэффициент усиления синфазного сигнала (напряжения общего для обоих входов) K_СИНФ равен нулю.

Сопротивление по обоим входам бесконечно велико.

Напряжение смещения равно нулю.

Скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика.

Дрейф (изменение во времени выходного напряжения) отсутствует.

Параметры реального ОУ несколько хуже. Однако в большинстве случаев для анализа схем на операционных усилителях можно использовать оба правила, справедливые для идеального ОУ. Этот подход и будет использоваться в дальнейшем. Знание реальных значений параметров конкретного ОУ позволяет оценить погрешность схемы преобразования сигнала и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУв конкретной схеме.

2.8.Параметры и характеристики оу.

Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на входные, выходные и характеристики передачи.

К входным параметрам относятся: напряжение смещения; средний входной ток; разность входных токов; входные сопротивления; коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазного напряжения); диапазон синфазных входных напряжений; температурный дрейф напряжения смещения; температурные дрейфы среднего входного тока и разности входных токов; напряжение шумов, приведенное к входу; коэффициент влияния нестабильности источника питания на напряжение смещения.

Напряжение смещения Е_СМ– дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение усилителя равно нулю.

Средний входной ток I_ВХ– среднеарифметическое значение токов обоих входов усилителя, измеренных при таком входном напряжении U_ВХ, при котором выходное напряжение U_ВЫХ равно 0. Эти токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Другими словами, входные токи – это токи, потребляемые входами ОУ.

Разность входных токов ΔI_ВХ– это разность токов, потребляемых входами ОУ.

Входные сопротивленияв зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяются на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).

Входное сопротивление для дифференциального сигнала R_{ВХ. ДИФ}– это полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то время как другой вход соединен с общим выводом (заземлен).

Входное сопротивление для синфазного сигнала R_{ВХ. СИНФ}характеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_{ОС СИНФ}определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, которое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:

(1.5)

С учетом (1.5) напряжение на выходе ОУ, появляющееся при одновременной подаче дифференциального и синфазного входных сигналов, равно .

Для каждого ОУ указывается диапазон изменения U_{ВХ. ДИФ} и U_{ВХ. СИНФ}, превышение предельных значений, которых может привести к потере работоспособности усилителя.

Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токовхарактеризуют изменения соответствующих параметров с температурой и составляют мкВ/°С и нА/°С. Наиболее важно учитывать данные параметры в прецизионных устройствах, так как компенсация их влияния на выходное напряжение затруднительна. Температурные дрейфы являются основной причиной появления температурных погрешностей устройств с ОУ.

Коэффициент влияния нестабильности источника питания К_П– отношение изменения напряжения смещенияΔЕ_СМ к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений ΔU_П.

К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода.

Коэффициент усиления по напряжению ОУК– отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения при работе усилителя на линейном участке характеристики:

Частота единичного усиления f₁ это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.

Скорость нарастания выходного напряжения это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном значении его амплитуды. Скорость нарастания определяется при подаче на вход усилителя импульса напряжения прямоугольной формы.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.