ТОЭ для старшей группы детского сада. Или как провернуть дедушку Ома в гробу

Источник: http://easyelectronics.ru/toe-dlya-starshej-gruppy-detskogo-sada-ili-kak-provernut-dedushku-oma-v-grobu.html?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=toe-dlya-starshej-gruppy-detskogo-sada-ili-kak-provernut-dedushku-oma-v-grobu

Потенциал. Ток. Падение напряжения

Вроде бы простое понятие, но я вижу по комментариям и вопросам, что вокруг него столько непонимания, что мне уже надоело. Надо с этим что то делать, буду теперь всех ссылать сюда, вместо того, чтобы каждый раз разжевывать одно и то же. Вообще это первейшее понятие теории цепей. Без его осознания на уровне спинного мозга во всей электротехнике делать просто нечего. Оно настолько основное, что его даже в школе на физике преподают, насколько я помню. Но видимо настолько невнятно, что не доходит. Пришла пора раскопать ржавую трубу канализационной электроники и бить ей по голове тем, кто до сих пор тупит в этих понятиях. :) Оригинальная тема в любом учебнике по ТОЭ, даже для СУЗов, занимает хорошо если страничку. У меня же получилась огроменная статья, такая что Капитан Очевидность просто щенок по сравнению со мной, бойтесь! А еще там полно повторений, ибо повторение мать учения.

▌Источник
Что такое источник питания? Та же батарейка, например? Если на пальцах, в двух словах, то это устройство которое за счет какой-либо энергии (химической, тепловой, электромагнитной, не важно) просто берет и растаскивает разноименные заряженные частицы в разные стороны, против их естественного стремления вернуться в нейтральное состояние.

То есть, по сути, ведет себя как обычный насос, только качает он не воду или газ, а электрический заряд, таская заряженные частицы тем или иным образом. А сила которую этот «насос» может развить называют ЭДС — электродвижущая сила. Она зависит от процесса.

Например, у химического процесса в угольной батарейке ЭДС 1.5 вольта. Это величина зависит исключительно от химических свойств электролита и электродов батарейки. Она не меняется и остается 1.5 вольта всегда, даже у безнадежно разряженной батареи. Если там хоть чуть чуть еще теплится процесс, то давать она будет полтора вольта.

Т.е. если провести аналогию, то источник питания, как и насос, может создать некую разность давлений между своим входом и выходом, за счет внешнего подвода энергии от другого процесса.

А раз так, то два насоса последовательно суммируют свои силы. А если их включить встречно, то будет разность. С батарейками точно такая же история.

Какой еще ключевой параметр любого насоса, кроме давления которое он может создать? Очевидно, что производительность. Т.е. какой обьем он может прокачать за определенный период времени. Т.е. сопротивление самого насоса. Это только в умозрительном построении у нас некая сила берет и что-то куда то качает, а у реальной помпы или турбины есть сечение патрубков или объемы рабочей камеры и даже если давление она может организовать чудовищное, то скорость прокачки все равно ограничена этой самой камерой и частотой с которой молотит поршень.

Для источника электропитания такой параметр тоже есть и интуитивно он также похож — это внутреннее сопротивление источника напряжения (есть еще внутреннее сопротивление источника тока, но это немножко другая песня, о ней ниже).

Если вспомнить нашу же химическую батарейку, то в крайне упрощенном виде ее работа выглядит примерно так:

1) Батарейка свежая и только из упаковки. Ее электролит полон сил и в нем миллиарды ионов стоят с электроном в руках и готовы и своими химическими полуторавольтовыми силешками забить его в электрод. И делают это как только хватает сил продавить его туда. Каждый, разом, при первой же возможности, как только там спадет давление. И количество желающих набросить заряду превышает возможности по его оттоку в исходящую цепь.

2) По мере разряда все больше и больше молекул вступили в реакцию. Оставшиеся по прежнему продолжают перебрасывать свой электрон за кордон, но скорость утекания их в цепь уже значительно больше чем скорость с которой новые ионы набрасывают. Ведь мало того, что их стало меньше, так еще и отстрелявшиеся товарищи тут же под ногами мешаются. В результате при не изменившейся ЭДС (сила химической реакции неизменна) скорость прокачки падает, напряжение батареи снижается.

3) Но стоит прервать цепь, например разомкнуть батарею, так толпа оставшихся ионов все же накидает туда зарядов до полутора вольт.

Именно поэтому когда замеряешь батарею вольтметром, то она вполне может показать годные полтора вольта, но при включении в устройство получаешь пшик. Ведь у вольтметра огромное сопротивление, почти разрыв. Заряд не успевает утекать по этой цепи. А вот на мощном потребителе батарейка просаживается махом.

То есть по мере разряда у батареи растет ее внутреннее сопротивление. Именно поэтому в последовательном включении батареек важно чтобы они имели равный заряд и разряжались синхронно. Иначе та что сдохнет раньше всех моментально превратится в обузу.

Как если бы вы включили несколько насосов последовательно, а один из них у вас засорился. Ну и толку от того, что он что-то там качает?

▌Цепь и потенциал
Окей, источник качает. Куда то там заряды текут… Куда? Бесконечно их куда то набивать не получится, рано или поздно этот обьект зарядится до уровня выше чем способен продавить источник и все встанет. Как если бы вы воткнули насос в глухо заваренную трубу. Пока в тупик не закачает больше давления чем может продавить насос, крыльчатка, показывающая наличие тока газа, будет крутиться. А дальше все встанет.

Чтобы не встало, то заряды надо куда то деть. Их возвращают обратно на источник, который их подхватывает и толкает дальше. Процесс замкнулся.

Вот теперь представим нашу систему как замкнутый трубопровод в котором есть узкие места, где отбирается энергия и тратится на полезное действие или на нагрев, что в данном случае значения не имеет.

Что у нас получается? Пусть у нас будет этакий трубопровод. Насос качает газ, скорость прокачки рабочей среды зависит от силы и производительности насоса, а также суммарном сопротивлении всех препятствий на пути этого газа. Где бы мы не сунули расходомер, то он везде покажет одинаковое количество прошедшего газа, цепь то замкнутая, никуда ничего не девается, ничего из ниоткуда не берется.

То же самое в электрической цепи получается. Ведь что такое электрический ток? Это, грубо говоря, число зарядов прошедшее через данную точку проводника за время. В цепи заряды из ничего не берутся и никуда не деваются, они просто крутятся в цикле, передавая энергию, сколько вошло в цепь, столько и вылезет из нее обратно в источник. Куда бы мы не сунули амперметр он везде покажет одинаковый ток. Везде. Разумеется если нет ответвлений.

Но с током все ясно. Он в контуре везде одинаковый, в любой его точке. А что с напряжением на элементах цепи? Так, а что такое вообще напряжение?

Давайте возьмем и вернемся к наший цепи пневматической, да просто измерим давление на разных ее участках.

Хороший вопрос, вот только относительно чего мы будем измерять давление? Обычный манометр измеряет относительно атмосферы. Но мы то про электроцепь, тут наша аналогия начинает буксовать. Ничего страшного, нам совершенно не важно что мы примем за ноль, главное ноль этот обозначить. Возьмем и воткнем первый манометр до нашего насоса. Там у нас будет ноль, мы так решили. После насоса, очевидно, будет скачок давления, для того насос там мы и поставили. После первой нагрузки часть потенциальной энергии уйдет из системы наружу и давление чуть упадет, после следующей еще чуть чуть и так до конца, где сравняется с входным. Немного еще потеряется на перегонах.

Аналогия с электроцепью прямая почти. Источник энергии подобен насосу, его «производительность» ограничена его внутренним сопротивлением. А «давление», т.е. напряжение которое он может накидать зависит от его ЭДС.

А дальше все аналогично, мы берем и говорим, что вот в этой точке потенциал принимаем равным нулю и считать будем от него, мы сами так захотели, нам так это было удобно. Для простоты понимания возьмем за ноль точку до источника. Там потенциал ноль. Источник кинул нам в систему энергии, потенциал возрос и напряжение подскочило на ту величину ЭДС которую может дать источник. Понятие потенциала тут напрямую связано с потенциальной энергией, т.е. мы относительно этой точки прикидываем какую энергию мы можем достать в других точках. И, естественно, чем дальше мы идем по цепи от источника энергии, чем больше тратим энергии на потребителя и тем меньше этой потенциальной энергии остается в системе. Чем дальше мы идем тем сильней падает потенциал и под конец мы придем в ноль, замкнув цепь.

Можно выбрать другую точку за ноль. Суть не изменится нисколько! Ну сместится немного вниз, попадет в отрицательные значения, но это всего лишь точка зрения:

На какую величину подскакивает потенциал при проходе источника я уже говорил — на величину ЭДС. Причем если мы идем встречно направлению, то значение берем с минусом. Как из батарейки на 5 вольт и батарейки на 1 вольт сделать источник на 4 вольта? Включить их встречно! Не самый эффективный способ, более слабая батарейка прифигиеет от такого варварского обращения, но работать будет. Аналогичным же образом делают и двуполярное питание. Видели наверное. Там где есть ноль и +V и -V. Все то же самое, но источники включаются друг за дружкой, а точку нулевого потенциала берут между ними. Тогда если идти от нее в одну сторону, то потенциал подскачет в плюс, а в другую в минус.

Так обычно делают в разных аналоговых цепях, обычно в измерительных и, иногда, в аудио.

А на какую величину потенциал падает при проходе нагрузки? А это зависит в первую очередь от сопротивления нагрузки и тока через нее. Чем выше ток и больше сопротивление тем сильней падение потенциала при проходе этой нагрузки. Зависимость тут прямая:

Вольтметр же имеет два щупа и показывает разность между потенциалами двух точек. Так что вы теперь знаете что такое разность потенциалов дельта фи. Это то самое напряжение!

▌Падение напряжения
Вот, кстати, запомните важнейший параметр который часто встречается — падение напряжения на элементе цепи. Т.е. это то насколько изменится потенциал при проходе этого элемента цепи. Для простых резистивных нагрузок его можно посчитать по закону Ома в зависимости от тока. U=I*R Другими словами, падение напряжения — это напряжение на элементе. То самое которое можно измерить вольтметром воткнув его до и после элемента.

Еще бывают хитрые элементы, прежде всего полупроводники, где падение напряжения не зависит от протекающего тока. Т.е. сколько тока через нее не гони эта подлая штука будет лишь ехидно ржать над стариной Омом и выдавать стабильное падение. Другими словами, сопротивление этого элемента зависит от силы протекающего через него тока, чем больше ток тем ниже сопротивление, но так, чтобы падение было всегда чему-то равно.

▌Обрыв
Вернемся опять к нашей системе из труб и насосов, но возьмем не простой манометр, а дифференциальный. Которые измеряет разность давлений. Аналогом его для электроцепи будет вольтметр.

Да воткнем его до и после нагрузки, то он покажет разность давлений между участками. И тут очевидно, что чем более тяжелая нагрузка для потока, тем больше будет эта разность. Может быть так, что на последующую вообще ничего не останется.

Возьмем и перекроем трубу нахрен, вообще. Что будет до и после? А ничего, насос накидает в систему давление до максимума, а с другой стороны будет ноль. В итоге все давление которое сможет развить насос высадится на задвижке. А на других разницы давления не будет и нагрузка эта встанет. Т.е. нагрузка работает только тогда, когда через нее что-то течет. Нет потока — и энергия не уходит никуда. А значит весь потенциал высадится там, где он будет давить на преграду.

С электроцепью ситуация полностью аналогичная. Зависимость же тут от тока прямая. Если мы поставим в цепь обрыв, то весь потенциал высадится там. Так как только там у нас бесконечно большое сопротивление умножится на бесконечно малый ток и это даст какую-то обозримую величину, равную потенциалу источника. На всех остальных участках относительно конечное сопротивление нагрузки будет умножаться на бесконечно малый ток.

А теперь смотрим чем это может быть черевато и где вылезают вилы в результате такого распределения потенциалов.

Простой и наглядный пример. Светодиод. Это токовый прибор, при пропускании тока в одном направлении он светится. В другом направлении — заперт и не светится. Ток обычного индикаторного светодиода около 5мА. Давайте сделаем светодиодный индикатор напряжения в сети 220 вольт. Рассчитаем токоограничивающий резистор и всобачим наш светодиод в сеть.

Напряжение у нас 220 переменные вольт. Но это действующее, а нам надо мгновенное, оно больше на 1.41, т.е. 311 вольт. Ток нам нужен 5мА. Какие проблемы? Берем да считаем по закону Ома резистор. R=U/I=311/0.005 = 62200. Т.е. нам нужен резистор примерно на 62 кОм. Окей, берем и вкорячиваем.

Включаем — светодиод сгорает. Почему? Ведь резистор должен был ограничить ток. А у нас сеть то переменная. И если в прямом направлении у нас потенциал в цепи распределяется как указано на диаграмме «а». То в обратном направлении диод запирался и ВСЕ напряжение сети, все 311 вольт, высаживаются на несчастном светодиоде. (Диаграмма «b») От чего он резко фалломорфирует и пробивается. Т.к. его обратное пробивное напряжение мало, десяток вольт всего. Как решается? Поставить параллельно, навстречу ему второй диод, можно простой, не светящийся. Тогда в одну сторону будет работать один, в другую другой.

Ну или поставить последовательно простой выпрямительный диод с большим пробивным напряжением, но это может быть черевато. Ведь если в закрытом состоянии у него ток утечки будет больше чем у светодиода (маловероятно, но вдруг. Разные они бывают, с разными ВАХ на обратной ветви характеристики), то на светик тоже может выпасть слишком тяжелая ноша.

Такая же судьба может постигнуть и разного рода реле, особенно твердотельные. В общем, все что разрывает цепь или дает на нее большое сопротивление должно быть рассчитано на максимальное напряжение системы. Иначе возможен пробой.

На этом же явлении часто новички и накалываются. Берем, например, китайский БП за 20 рублей пучок, включаем. Тычем в него вольтметром — честные 9 вольт. Подключаем БП к нашему прибору, особенно если он много кушает, а он не пашет. Не отключая прибор, тычем в питание вольтметром, а там всего вольт 5. Блок питания был слаб, внутреннее сопротивление большое, высадило все на нем, напряжение просело и вот уже не хватает для полноценной работы.

По этой же, кстати, причине в цепи тот участок где больше сопротивление начинает греться больше всех, ведь на нем высаживается большее падение напряжения, а ток он везде одинаковый. Мощность считается как падение напряжения на участке помноженное на ток через этот участок.

P = I * U

▌Короткое замыкание
Коротнули и все, два участка цепи стали одним. С нулевой разностью потенциалов между собой, а значит никакой ток никуда больше не потечет там, а весь ток потечет по новому контуру.

Если закоротить короткое источник, то вся мощность источника будет работать на его внутреннее сопротивление. Если что и перепадет в нагрузку, то лишь потому, что идеального КЗ Не бывает, всегда есть хоть небольшое, но сопротивление. Зная внутреннее сопротивление источника можно вычислить какой максимально возможный ток он может дать. Ну, на случай если это не написано на самом источнике :)

▌Нагрузка. Ток
И теперь еще раз про нагрузку. У нее ключевой параметр это сопротивление (мы сейчас в самом простейшем случае, всякие реактивные эффекты вроде индуктивности или емкости не рассматриваем). Когда через нагрузку идет ток, то на ее концах возникает разность потенциалов — падение напряжения на нагрузке. Чем больший ток идет через нагрузку, тем больше это падение. Или чем большее сопротивление у нагрузки, тем тоже падение будет выше. Зависимость тут прямая, закон Ома U = I*R, где I — ток через нагрузку, а R — ее сопротивление.

Зная это, например, можно прозванивать цепи вольтметром. Т.е. включаем и пошли смотреть напряжения на элементах. Зная примерно сколько оно должно быть в норме, то несложно найти обрыв (там будет максимальное напряжение) или кз — там будет ноль. Ну или, всякие подгорелые элементы, где сопротивление явно не в норме, но не обрыв и не кз.

Я вот выше только и дело что талдычил источник напряжения, источник напряжения… А иногда в литературе вы могли встретить и источник тока. И он даже рисуется по другому. В чем же разница? А разница тут принципиальная.

▌Источник напряжения
Источник напряжения можно сравнить с вентилятором вращаемым бесконечно быстрым мотором. Его сопротивление потоку мало, если вентилятор мы этот вентилятор заткнем, то что произойдет? А ничего особого не произойдет — перед затычкой образуется предельное давление которое этот вентилятор может развить и на этом все стабилизируется. Он будет себе молотить и держать это давление, а скорость потока будет нулевая.

Куда интересней что будет если мы его без нагрузки закольцуем на воздуховод в котором нет сопротивления воздуха. Устроим КЗ. Он будет изо всех сил пытаться удержать давление, но поток будет улетать вперед по трубе не создавая давления. Как удержать давление в условиях сверх малого сопротивления? Только разогнать поток до такой скорости, чтобы даже это сверхмалое сопротивление дало существенный эффект. Т.е. наша турбина пойдет в бесконечный разгон.

Задача источника напряжения любой ценой обеспечивать разность потенциалов между входом и выходом. Хоть как, но это надо обеспечить. Даже если мы его закоротим наглухо он все равно обеспечит эту разность потенциалов. Как? Гнать больший ток. Ведь чем больше ток через нагрузку, тем больше падение напряжения. А если нагрузка имеет ничтожно малое сопротивление? Если мы закоротим наглухо источник напряжения? А он будет изо всех сил гнать все больший и больший ток, так чтобы удержать напряжение любой ценой. На нулевое сопротивление он (в идеале) родит бесконечно большой ток. При этом у идеального источника напряжения внутреннее сопротивление равно нулю.

У реального источника напряжения есть внутреннее сопротивление. Поэтому бесконечно наращивать ток он не сможет, падение образуется на внутреннем сопротивлении и на этом все веселье закончится. А чем оно ниже, тем дольше источник сможет удерживать номинальное напряжение, несмотря на увеличение нагрузки на него (т.е. снижения сопротивления нагрузки). Т.к. падение на внутреннем сопротивлении будет сжирать меньшую часть разности потенциала.

Чтобы оценить параметры реального источника напряжения на нем указывают его номинальное напряжение, то которое он выдает. А также указывают предельный ток до которого это условие выполняется. Т.е. это тот ток, до которого ему хватит мощности удерживать свое номинальное напряжение. Чем больше ток тем большую нагрузку вывезет этот источник напряжения. Поэтому чем больше тем лучше. Правда может быть дороже и более громоздко.

Помните это и не задавайте больше вопросов из серии «А у меня был блок питания на 9V 2A он сгорел, но я нашел другой на 9V 5A, можно его использовать? Ничего не сгорит? Ведь он на 5А!»

▌Источник тока
А у источника тока задача совсем другая — ему надо не напряжение удержать, а хоть сдохнуть, но продавить через нагрузку определенный ток. Самое прямое сравнение это поршневой насос, вращаемый бесконечно сильным двигателем. Внутреннее сопротивление потоку у поршневого насоса бесконечно, это не турбина которая насквозь продувается, тут все наглухо перекрыто клапанами и поршнями. Вот молотит он своим поршнем, прогоняя кубометр воздуха за оборот и ничего его не волнует. Открыли мы его, устроили замыкание. Что произойдет? А ничего не произойдет, ну давление упадет в ноль. А он как давал свой куб за оборот так и выдает.

Гораздо интересней что будет если попытаться его заткнуть, устроить обрыв? А он, будучи бесконечно сильным, будет трамбовать свой кубометор и ничего его не волнует. При его фиксированном потоке (тот самый кубометр за оборот вала) давление на выходе, перед вентилем, подскочит просто до космических величин. А дальше вентиль сорвет к чертовой бабушке.

Разумеется идеальных насосов не бывает. Прям чтоб вообще настолько глухих, чтобы их внутреннее сопротивление было бесконечным. Нифига! Где то будут утечки, будут клапаны травить, поршень пропускать и все равно что-то да выдавит обратно. Т.е. полезный поток разделится на два, главный — что таки пойдет в нагрузку. И потери, что выдавит через конструкцию обратно. И чем плотней забит выход, тем больше уйдет в потери. А если наглухо его трубу выходную заврить, то в потери уйдет все 100%.

Та же история и с источником тока. Параметром его неидеальности также служит внутреннее сопротивление. И оно расположено параллельно. И чем оно ниже, тем более слабый наш источник тока.

Где встречаются источники тока? Самое первое, что приходит на ум, это катушка. Когда обрываешь в индуктивности ток, то он пытается течь как тек и катушка на короткий момент превращается в источник тока и горе тем кто встанет на ее пути — реле пробивает, транзистор горят, контакты искрят. Т.к. напряжение подскакивает до очень больших величин.

Второй вариант, последнее время особенно часто встречающийся — блоки питания для светодиодных ламп. Дело все тут в том, что у светодиода сопротивление зависит от приложенного к нему напряжения. Чем больше напряжение тем ниже его сопротивление. И в определенный момент, стоит превысить напряжение, как светодиод начинает все сильней открываться, его сопротивление быстро падает, а что делает источник напряжения? Правильно — он начинает вкачивать больший ток, чтобы удержать напряжение. В результате ток еще больше растет, а светодиод перегревается и дохнет.

Поэтому светодиоду чтобы светиться не нужно напряжение, ему надо чтобы через него продавили строго определенный ток. Для этого и нужен источник тока. Он выдаст свои калиброванные 100-300мА хоть на кз, хоть на один светодиод, хоть на три последовательно, да хоть на сто. Лишь бы хватило мощности. На источнике тока указывают номинальный ток, который он выдает. А также предельное напряжение которое он может надавить на выходе в попытках обеспечить заданный ток в цепи.

Например, вот у меня лежит блок питания для светодиодов. Он дает 350мА и напряжение до 20 вольт. 350мА это как раз столько, сколько нужно силовому светодиоду. А падение напряжения на этом светодиоде постоянно и составляет примерно 3.5 вольта. А значит я могу в цепочку последовательно вкорячить 20/3.5 = 5.7 … до 5 светодиодов. Оставив 0.7 вольт в запас. Поставлю больше мощи блока питания не хватит, чтобы поднять напряжение выше и продавить требуемый ток, светить будет тускло. А поставлю меньше, хоть одну штуку, все будет в порядке, блок питания сам выставит такое напряжение, чтобы ток в цепи был 350мА.

Усе. Тонна воды, повторений, и разжевывания элементарного и очевидного завершена. Первое занятие по ТОЭ для старшей группы детского сада закончено. В следующей части я еще раз проверну в гробу старину Кирхгоффа, а еще расскажу как из презерватива и канализационной трубы сделать высокоточную модель электрического конденсатора, а из старого пылесоса сколхозить индуктивность. Затем мы из трубы, бревна и фанеры будем городить транзистор и, возможно, усилитель.

О том как из труб и пружин делать повышающий преобразователь я когда то уже рассказывал.