Введение
Снижение электрического потенциала вдоль потока тока в цепи
В электронике падение напряжения – это уменьшение электрического потенциала на пути протекания тока в цепи. Падение напряжения во внутреннем сопротивлении источника, на проводниках, контактах и разъемах нежелательно, так как часть подаваемой энергии рассеивается. Падение напряжения на нагрузке пропорционально мощности, доступной для преобразования в этой нагрузке в другую полезную форму энергии. Например, электрический обогреватель может иметь сопротивление в десять Ом, а провода, питающие его, – сопротивление в 0,2 Ома, что составляет около 2% от общего сопротивления цепи. Это означает, что примерно 2% подаваемого напряжения теряется непосредственно в проводе. Чрезмерное падение напряжения может привести к неудовлетворительной работе обогревателя и перегреву проводов и соединений. Национальные и местные электротехнические нормы могут устанавливать руководящие указания по максимально допустимому падению напряжения в электрических проводках для обеспечения эффективности распределения и надлежащей работы электрооборудования. Максимально допустимое падение напряжения различается в разных странах. В электронном проектировании и передаче электроэнергии используются различные методы для компенсации влияния падения напряжения в длинных цепях или там, где необходимо точно поддерживать уровни напряжения. Самый простой способ уменьшить падение напряжения – увеличить диаметр проводника между источником и нагрузкой, что снижает общее сопротивление. В системах распределения электроэнергии заданное количество энергии можно передать с меньшим падением напряжения, используя более высокое напряжение. Более сложные методы используют активные элементы для компенсации избыточного падения напряжения.
Падение резистивного напряжения постоянного тока
Закон Ома может быть использован для определения падения напряжения постоянного тока путем умножения силы тока на сопротивление: V = I R. Кроме того, законы Кирхгофа для электрических цепей гласят, что в любой цепи постоянного тока сумма падений напряжения на каждом элементе цепи равна напряжению источника питания. Рассмотрим цепь постоянного тока с источником питания 9 вольт, тремя резисторами сопротивлением 67 Ом, 100 Ом и 470 Ом, а также лампочкой – все соединены последовательно. Источник постоянного тока, проводники (провода), резисторы и лампочка (нагрузка) обладают сопротивлением; все они в той или иной степени потребляют и рассеивают подводимую энергию. Их физические характеристики определяют количество потребляемой энергии. Например, сопротивление проводника постоянному току зависит от его длины, площади поперечного сечения, материала и температуры. Если измерить напряжение между источником постоянного тока и первым резистором (67 Ом), то потенциал напряжения на первом резисторе будет немного меньше девяти вольт. Ток проходит по проводнику (проводу) от источника постоянного тока к первому резистору; при этом часть подводимой энергии "теряется" (становится недоступной для нагрузки) из-за сопротивления проводника. Падение напряжения существует как в питающих, так и в возвратных проводах цепи. Если измерить падение напряжения на каждом резисторе, то полученное значение будет значительным. Это и есть энергия, потребляемая резистором. Чем больше сопротивление резистора, тем больше энергии он потребляет и тем больше падение напряжения на нем.
Реактивное падение напряжения переменного тока
Переменное напряжение дополнительно обладает вторым видом сопротивления потоку тока: реактивным сопротивлением. Сумма сопротивления и реактивного сопротивления называется импедансом. Электрический импеданс обычно обозначается переменной Z и измеряется в омах при заданной частоте. Электрический импеданс вычисляется как векторная сумма электрического сопротивления, емкостного реактивного сопротивления и индуктивного реактивного сопротивления. Величина импеданса в цепи переменного тока зависит от частоты переменного тока и магнитной проницаемости электрических проводников и электрически изолированных элементов (включая окружающие элементы), которая изменяется в зависимости от их размеров и расстояния между ними. По аналогии с законом Ома для цепей постоянного тока, электрический импеданс может быть выражен формулой I = E / Z. Таким образом, падение напряжения в цепи переменного тока является произведением тока и импеданса цепи.
Падение напряжения диода
П–n-переходы в диодах и транзисторах испытывают характерное падение напряжения при прямом смещении (см. список значений). Энергия рассеивается в виде фотонов, которые в случае светодиодов излучаются и становятся видимыми.