Električni upor: Kaj je in kaj počne? (Vključeni primeri)

Polje: Osnovna elektrotehnika

China

Kaj je električni upor?

Upor (tudi električni upor) je definiran kot dvokonečni pasivni električni element, ki zagotavlja električno upornost toku. Upornost je merilo nasprotovanja toku v uporu. Številčneje upor, večja je ovira za pretok toka. Obstaja veliko različnih vrst uporov, kot so na primer termistorji.

V električnih in elektronskih vezih je glavna funkcija upora "upirati" pretok elektronov, torej električni tok. Zato se imenuje "upor".

Upori so pasivni električni elementi. To pomeni, da ne morejo dostavljati energije vezu, ampak jo sprejemajo in jo odvajajo v obliki toplote, dokler skozi njih teče tok.

Različni upori se uporabljajo v električnih in elektronskih vezih za omejevanje pretoka toka ali ustvarjanje padce napetosti. Upori so na voljo v mnogih različnih vrednostih upornosti, od ulomkov Ohmov (Ω) do milijonov Ohmov.

Po Ohmovem zakonu je napetost (V) na uporu neposredno sorazmerna s tokom (I), ki teče skozi njega. Kjer je upornost R konstanta sorazmerja.

Kaj naredi upor?

V električnih in elektronskih vezih se uporabljajo upori za omejevanje in reguliranje pretoka struje, razdeljevanje napetosti, prilagajanje nivojev signalov, polarizacijo aktivnih elementov itd.

Na primer, veliko uporov je povezanih v vrsto za omejevanje pretoka struje skozi svetlobnega dioda (LED). Druge primere obravnavamo spodaj.

Ščitite pred hitrimi spremembami napetosti

Zapletna vez je kombinacija upora in kondenzatorja, ki sta povezana vzporedno z tiristorjem, za potlačevanje hitrega naraščanja napetosti na tiristorju. To se imenuje zapletna vez, ki ščiti tiristor pred visokimi $\frac{dv}{dt}$ .

Upori se uporabljajo tudi za zaščito LED svetil pred hitrimi spremembami napetosti. LED svetila so občutljiva na visoke električne tokove, zato bodo poškodovana, če upor ni uporabljen za nadzor pretoka električne struje skozi LED.

Priskrbite pravo napetost s ustvarjanjem padca napetosti

Vsak element v električni vez, kot so svetila ali ključi, zahteva določeno napetost. Za to se uporabljajo upori, ki zagotavljajo pravo napetost s ustvarjanjem padca napetosti na elementih.

Kaj meri električni upor (enote upornikov)?

Enota SI za upornik (električni upor se meri v) ohmih in se označuje z Ω. Enota ohm (Ω) je poimenovana v čast velikega nemškega fizika in matematika Georga Simona Ohma.

V sistemu SI je ohm enak 1 volt na amper. Torej,

$\begin{align*} 1\,\,Ohm = 1 \frac{Volt}{Ampere} \end{align*}$

Zato se uporniki meritajo tudi v voltih na amper.

Uporniki so izdelani in specifičirani v širokem obsegu vrednosti. Zato so odvodi enot upornikov prilagojeni njihovim vrednostim, kot so miliohm (1 mΩ = 10-3 Ω), kiloohm (1 kΩ = 103 Ω) in megaohm (1 MΩ = 106 Ω) itd.

Simbol električnega upornika v vezju

Obstajata dva glavna simbola za električne upornike v vezju. Najpogostejši simbol za upornik je črta z zavojnicami, ki se široko uporablja v Severni Ameriki.

Drugi simbol za upornik je majhen pravokotnik, ki se široko uporablja v Evropi in Aziji, in se imenuje mednarodni simbol za upornik.

Simbol za upornike je prikazan na spodnji sliki.

Podjetniški WeChat posnetek zaslona_1710134355893.png — Simbol upornika

Podjetniški WeChat posnetek zaslona_1710134362141.png — Simbol upornika

Vrzelni in vzporedni uporniki

Formula za vrzelno vezavo upornikov

Spodnji krog prikazuje število upornikov n, povezanih v vrzelno vezavo.

Če je dva ali več upornikov povezanih v vrzelno vezavo, potem je ekvivalentna upornost vrzelno povezanih upornikov enaka vsoti njihovih posameznih upornosti.

Matematično to izrazimo kot

$\begin{align*} R_e_q_. = R_1 + R_2 + ........ + R_n \end{align*}$

$\begin{align*} R_e_q_. = \sum_{i=1}^{n} R_n \end{align*}$

V vrstni vezi je tok skozi vsak posamezen upor konstanten (tj. tok skozi vsak upor je enak).

Primer

Kot je prikazano v električnem vezju spodaj, so trije upori, 5 Ω, 10 Ω in 15 Ω, povezani v vrsto. Poiščite ekvivalentni upor vrstno povezanih uporov.

Rešitev:

Podani podatki: $R_1 = 5 \,\,\Omega, R_2 = 10 \,\,\Omega$ in $\,\,R_3 = 15 \,\,\Omega$

Glede na formulo,

$\begin{align*} \begin{split} & R_e_q_. = R_1 + R_2 + ........ + R_n \\ & = 5 + 10 + 15 \\ & R_e_q_.= 30\,\,\Omega \end{split} \end{align*}$

Tako dobimo enakovredno upornost zaporedno povezanih upornikov 30 Ω.

(opomba: na zgornjem shemi je napisano 25 Ω. Gre za tiskarsko napako, pravilni rezultat je 30 Ω)

Formula za vzporedno povezane upornike

Spodnja shema prikazuje število upornikov n, ki so povezani vzporedno.

Če sta dva ali več upornikov povezana vzporedno, potem je enakovredna upornost vzporedno povezanih upornikov enaka obratni vrednosti vsote obratnih vrednosti posameznih upornosti.

Matematično se to izraža kot

$\begin{align*} \frac{1}{R_e_q_.} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ........ + \frac{1}{R_n} \end{align*}$

$\begin{align*} R_e_q_. = \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{R_n} \end{align*}$

V vzporedni vezavi ostane napetost, ki teče skozi posamezen upornik, konstantna (tj. napetost skozi vsak upornik je enaka).

Uporniške vezave (primeri uporabe)

Omejevalni upornik za LED

Omejevanje toka v LED-ju je zelo pomembno. Če preveč toka teče skozi LED, bo poškodovan. Zato se uporablja omejevalni upornik, ki omejuje ali zmanjša tok v LED.

Omejevalni uporniki so povezani zaporedno s LED-jem, da omejijo tok, ki teče skozi LED, na varno vrednost. Na primer, kot je prikazano na spodnji sliki, je omejevalni upornik povezan zaporedno s LED-jem.

Izračun potrebne vrednosti omejevalnega upornika

Pri izračunu vrednosti omejevalnega upornika moramo poznavati tri specifikacije ali karakteristične vrednosti LED-a:

Napetost v smeri napajanja LED-a (iz podatkovnega lista)
Največji tok v smeri napajanja LED-a (iz podatkovnega lista)
Vs = napajalna napetost

Napetost v smeri napajanja je napetost, potrebna za vklop LED-a, in običajno znaša med 1,7 V in 3,4 V, odvisno od barve LED svetil. Največji tok v smeri napajanja je zvezni tok, ki teče skozi LED, in običajno znaša okoli 20 mA za osnovne LED-e.

Zdaj lahko izračunamo potrebno vrednost ograničnega upornika z naslednjo enačbo,

$\begin{align*} R = \frac{V_S - V_F}{I_F} \end{align*}$

Kjer je, $V_S$ = Ponudna napetost

$V_F$ = Napetost pri napredu

$I_F$ = maksimalni tok pri napredu

Oglejmo si primer izračuna potrebne vrednosti ograničnega upornika z gornjo enačbo.

Uporniki za povlečenje

Uporniki za povlečenje so uporabljeni v elektronskih logičnih vezjih, da zagotovijo znano stanje signala.

Drugo besede, uporniki za povlečenje se uporabljajo, da zagotovijo, da je vod povlečen na visok logični nivo, ko ni nobenega vhodnega stanja. Upornik za povlečenje navzdol deluje podobno kot upornik za povlečenje navzgor, le da povleče vod na nizki logični nivo.

Sodobni IC, mikrokontrolerji in digitalne logične vrata imajo veliko vhodov in izhodov, ki morajo biti pravilno nastavljeni. Zato se uporabljajo podvlačne upori, da se zagotovi pravilna polarizacija vhoda mikrokontrolerja ali vhoda digitalnih logičnih vrat na znano stanje.

Podvlačne upori se uporabljajo v kombinaciji z tranzistorji, preklopniki, gumbi itd., ki prekinjajo fizično povezavo slednjih komponent s talom ali VCC. Na primer, shema z podvlačnim uporom je prikazana na spodnji sliki.

企业微信截图_17101346272890.png — Shema z podvlačnim uporom

企业微信截图_17101346341956.png — Shema z podvlačnim uporom

Ko je preklop zaprt, vhodna napetost (Vin) na mikrokontrolerju ali vratu pride do tla, ko pa je preklop odprt, vhodna napetost (Vin) na mikrokontrolerju ali vratu gre na raven vhodne napetosti (Vin).

Zato lahko podvlačni upor polarizira vhod mikrokontrolerja ali vrat, ko je preklop odprt. Brez podvlačnega upora bi bili vhodi na mikrokontrolerju ali vratih plavajoči, to je v stanju visokega impedanca.

Tipična vrednost podvlačnega upora je 4,7 kΩ, vendar se lahko razlikuje glede na uporabo.

Padež napetosti skozi upor

Padež napetosti skozi upor je nič drugega kot vrednost napetosti skozi upor. Padež napetosti je tudi znana kot IR padec.

Kot vemo, je upor pasivni električni element, ki zagotavlja električni odpornost toku. Torej, glede na Ohmov zakon, bo ustvaril padež napetosti, ko tok teče skozi upor.

Matematično se padec napetosti na uporniku izraža kot,

$\begin{align*} V (Voltage \,\, Drop) = I * R \end{align*}$

Znak za IR Padec (Padec Napetosti)

Za določitev znaka padca napetosti na uporniku je zelo pomembna smer toka.

Razmislite o uporniku z upornostjo R, kjer tok (I) teče od točke A do točke B, kot je prikazano na spodnji sliki.

Torej, točka A je na višjem potencialu kot točka B. Če potujemo od A do B, je V = I R negativno, torej -I R (to je, padec potenciala). Podobno, če potujemo od točke B do točke A, je V = I R pozitivno, torej +I R (to je, naraščanje potenciala).

Sledi, da je jasno, da znak padca napetosti na uporniku odvisen je od smeri toka skozi ta upornik.

Barvni Kode Upornikov

Barvne kode upornikov se uporabljajo za identifikacijo vrednosti upornosti in procentualne tolerancije kakršnekoli upornike. Barvne kode upornikov uporabljajo barvne pasove za njihovo identifikacijo.

Kot je prikazano na spodnji sliki, so na uporniku natisnjeni štirje barvni pasovi. Od teh treh pasov so natisnjeni ob strani, četrti pa je natisnjen malo oddaljeno od tretjega pasu.

4 band resistor color code — 4 Pasovna Barvna Koda Upornika

Prva dva pasja od leve strani označujeta značilni števki, tretji pas decimalni množitelj in četrti pas toleranco.

5 band resistor code — Barvni kod za petopasne upornike

Spodnja tabela prikazuje značilne števke, decimalni množitelj in toleranco za različne barvne kode upornikov.

Ključne točke:

Zlati in srebrni pas sta vedno postavljena na desni strani.
Vrednost upornika se vedno prebere od leve proti desni.
Če ni pasu toleranc, najdite stran, ki ima pas blizu nosilca, in to naredite prvi pas.

Primer (Kako izračunati vrednost upornika?)

Kot je prikazano na spodnji sliki, ima ogljikov upornik z barvnim kodiranjem prvi pas zelen, drug modri, tretji rdeči in četrti zlati. Poiščite specifikacije upornika.

Rešitev:

Glede na tabelo barvnega kodiranja upornikov,

Zelena	Modra	Rdeča	Zlata
5	6	102	${\pm 5}{\%}$

$\begin{align} R = 56 10^2 \Omega \SI{\pm 5}{\%} \,\, \end{align*}$

Torej, vrednost upora je $5600\,\,\Omega$ z ${\pm 5}{\%}$ tolerancijo.

Sledi, da je vrednost upora med

$5600 + 5 \% = 5600 + 280 = 5880 \,\,\Omega$

$5600 - 5 \% = 5600 - 280 = 5320 \,\,\Omega$

Sledi, da je vrednost upora med $5880\,\,\Omega$ in $5320\,\,\Omega$ .

Kodiranje z znaki ali črkami (RKM koda)

Nekateri upori so tako majhni, da je težko uporabiti barvno kodiranje. V takšnih primerih se za specifikacije uporov uporablja kodiranje z znaki ali črkami. To se imenuje tudi RKM koda.

Znaki, ki se uporabljajo za kodiranje uporov, so R, K in M. Če je med dvema decimalnima številoma znak, deluje kot decimalna vejica. Na primer, znak R pomeni Ohmi, K pomeni kiloohmi, M pa megaohmi. Oglejmo si primer toga.

Upornost	Koda s črko
0,3 Ω	R3
0,47 Ω	R47
1 Ω	1R0
1 kΩ	1K
4,7 kΩ	4K7
22,3 MΩ	22M3
9,7 MΩ	9M7
2 MΩ	2M

Primer – koda s črko ali številko

Toleranca je označena z

Znak	Toleranca
F	${\pm 1}{\%}$
G	${\pm 2}{\%}$
J	${\pm 5}{\%}$
K	${\pm 10}{\%}$
M	${\pm 20}{\%}$

Primer – Upornik z črko:

Vrste upornikov

Obstaja številne vrste upornikov, vsaka z lastnimi unikatnimi lastnostmi in specifičnimi uporabnimi primeri.

Obstajata dve osnovni vrsti upornikov: fiksni uporniki in spremenljivi uporniki. Obe vrsti so navedeni spodaj.

Fiksni uporniki

Fiksni uporniki so najpogostejša vrsta upornikov. Široko se uporabljajo v elektronskih vezjih za prilagajanje in ureditev pravilnih pogojev v vezju. Vrste fiksnih upornikov so navedene spodaj.

Uglašeni uporniki (uglašeni uporniki)
Uglašeni uporniki s kamenom uglja
Uporniki s plasti ugljenovega filma
Termistor (termični upornik)
Uporniki s navitimi žicami
Uporniki za površinsko montažo
Uporniki s metalno plasti
Uporniki s plasti metalnega oksida
Debelofilmski uporniki
Tankefilmski uporniki
Uporniki s folijo
Natisnjeni uporniki s ugljem
Uporniki za šunt ampermetra (uporniki za merjenje toka)
Mrežni uporniki

Spremenljivi uporniki

Spremenljivi uporniki so sestavljeni iz enega ali več fiksnih upornikov in kliza. Ti dajejo tri povezave na element; dve sta povezani s fiksnim upornikom, tretja pa je kliz. S premikanjem kliza na različne terminalne točke lahko spreminjamo vrednost upornosti.

Vrste spremenljivih upornikov so navedene spodaj.

Prilagodljivi uporniki
Potenciometri
Variabilni uporniki (Reostat)
Upornik desetletja (Upornik za zamenjavo)
Varistorji (Nelinearni uporniki)
Upornik odvisen od svetlobe (LDR) ali Fotoresistor
Trimmerji

Drugi posebni vrste upornikov vključujejo:

Voden upornik (Voden reostat, Tekočinski reostat)
Ballastni upornik
Fenolna presnila upornika
Cermet uporniki
Tantal uporniki

Velikosti upornikov (Najpogostejše vrednosti upornikov)

Velikosti upornikov so organizirane v niz različnih serij standardnih vrednosti upornikov. Leto 1952 je Mednarodna elektrotehniška komisija (IEC) določila standardne upornosti in tolerančne vrednosti, da bi povečala združljivost med komponentami in olajšala proizvodnjo upornikov.

Te standardne vrednosti se imenujejo E serije IEC 60063 prednostnih števil. Te E serije so klasificirane kot E12, E24, E48, E96 in E192 s 12, 24, 48, 96 in 192 različnimi vrednostmi v vsaki desetletnici.

Spodaj so navedene najpogostejše vrednosti upornikov. To so E3, E6, E12 in E24 standardne vrednosti upornikov.

E3 standardna serija upornikov:

E3 serija upornikov predstavlja najpogostejše vrednosti upornikov, ki se uporabljajo v elektronski industriji.

1,0

2,2

4,7

E6 standardni niz upornikov:

Tudi E3 niz upornikov je zelo pogosto uporabljan in ponuja širok spekter običajnih vrednosti upornikov.

1.0	1.5	2.2
3.3	4.7	6.8

Serija standardnih upornikov E12:

1,0	1,2	1,5
1,8	2,2	2,7
3,3	3,9	4,7
5,6	6,8	8,2

E24 standardni niz upornikov:

1.0	1.1	1.2
1.3	1.5	1.6
1.8	2.0	2.2
2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9
4.3	4.7	5.1
5.6	6.2	6.8
7.5	8.2	9.1

Toleranca upornikov je običajno določena z ${\pm 20}{\%}$ , ${\pm 10}{\%}$ , ${\pm 5}{\%}$ , ${\pm 2}{\%}$ , in ${\pm 1}{\%}$ .

Iz česa so izdelani uporniki?

Glede na uporabo obstaja številna materiala, ki se uporabljajo za izdelavo upornikov.

Uporniki so izdelani iz ogljika ali bakra, kar težjače pretok električnega toka skozi kruto.
Najpogostejši in splošni uporniki so ogljični uporniki, ki so najprimernejši za elektronske krute nizke moči.
Zlaga manganin in constantan se uporablja za izdelavo standardnih žičnih upornikov, ker imajo visoko upornost in nizko temperaturno koeficient upornosti.
Manganin folija in žice se uporabljata za izdelavo upornikov, kot so ampermetri shunti, saj manganin ima skoraj ničelno temperaturno koeficientno upornost.
Nikel-kovinski-manganjev zlihanek se uporablja za izdelavo standardnih upornikov; žičnih upornikov, natančnih žičnih upornikov itd. Sestava tega zlihaneka je: Nikel = 4%; Kobar = 84%; Mangan = 12%.

Kaj so običajne uporabe upornika (Uporaba upornikov)

Nekateri primeri uporabe upornikov vključujejo:

Uporniki se uporabljajo v posiljevalnikih, oscilatorjih, digitalnih večmeralnikih, modulatorjih, demodulatorjih, oddajalnikih itd.
Fotouporniki se uporabljajo v alarmih za varnost doma, detektorjih plamenov, fotografskih napravah itd.
Žični uporniki se uporabljajo v shuntu s ampermetrom, kjer je potrebna visoka občutljivost, uravnotežena nadzorna tokov in natančna meritev.