Co je to reostat: zařízení a princip činnosti

Reostat je zařízení používané v elektrickém obvodu k regulaci proudu a napětí změnou odporu otáčením knoflíku nebo pohybem posuvníku. Mnoho lidí si toto zařízení možná pamatuje z hodin fyziky, kdy se reostat používal ke změně jasu žárovky. V elektrickém obvodu se reostat používá k regulaci zvuku ve starých audiosystémech nebo jako jednoduchý stmívač k nastavení jasu svítidla.

Reostat byl vynalezen na začátku 19. století německým fyzikem Johannem Christianem Poggendorfem. Doposud se toto zařízení hojně používalo v elektrotechnice, ale postupně ustoupilo moderním elektronickým a digitálním technologiím. Zároveň jeho role v mnoha elektrických zařízeních zůstává stále nezastupitelná.

Princip činnosti reostatu

Princip činnosti zařízení je založen na stupňovité nebo plynulé změně odporu. Této funkce je dosaženo změnou polohy kontaktu posuvníku, který zahrnuje požadovanou část vysokooporového materiálu v obvodu. Vynikajícím vizuálním příkladem je cvičný reostat. V něm je nichromový drát navinutý na vodorovné keramické tyči. Na vrcholu vodivé tyče je pohyblivý posuvník s kontaktními deskami dotýkajícími se vinutí. V počáteční poloze je veškerý drát zahrnut v obvodu a odpor reostatu je v maximálním režimu. Pohybem posuvníku se část drátu z obvodu vyloučí, protože proud prochází částí drátu a poté po nejkratší dráze odporu přes kontaktní desky a vodivou tyč. Reostat v elektrickém obvodu tak umožňuje měnit odpor, čímž jej zmenšuje nebo zvětšuje.

Reostaty používané v elektrotechnice mají kompaktnější prstencovou konstrukci, tj. vinutí je vyrobeno na prstencové základně a jezdec ve formě otočného mechanismu (jezdce) je upevněn ve středu prstence. Variabilní rezistory s krokovým přepínáním jsou sadou konstantních rezistorů zapojených sériově v obvodu. V tomto případě je do obvodu přidán spínač, který v závislosti na poloze odebírá proud z určitého kontaktu mezi rezistory.

Jaký je význam reostatu v elektrickém obvodu?

V obvodu elektrického spotřebiče může reostat plnit funkce nastavovacího, trimovacího rezistoru nebo děliče napětí (potenciometru). Nejjednodušším příkladem je nastavení otáček kolektorového elektromotoru. V tomto případě se zařízení používá jako nastavovací a je zapojeno do série s vinutím motoru. Zvýšením odporu klesá proud a snižují se otáčky motoru. Tento princip se často používá v elektrických vrtačkách, šroubovácích a úhlových bruskách.

Nastavení proměnným odporem se také často provádí u osvětlení a dalších elektrických obvodů s nízkým proudem. U výkonných elektrických zařízení je nastavení reostatem obtížné, protože výkon sériově vyráběných proměnných odporů je poměrně omezený. Navíc takový odpor často vyžaduje nucené chlazení. V tomto případě je vhodnější použít autotransformátor. Zároveň stojí za zmínku, že existují i supervýkonné reostaty. Jedním z nich je vícekanálový zatěžovací reostat s celkovým výkonem 3000 kW. Používá se pro testování reostatů nových sériových dieselových lokomotiv. Hmotnost takové instalace je několik tun a rozměry jsou srovnatelné s vagónem. A pokud si chcete koupit suchý transformátor, můžete tak učinit na webových stránkách https://eltcom.ru/products/sukhie-transformatory/.

Kroková regulace proměnných rezistorů se často vyskytuje v elektrických měřicích zařízeních. Například pomocí krokového obvodu k obejití voltmetru lze změnit rozsah měřeného napětí. V tomto případě je rezistor připojen k zařízení paralelně a funguje jako dělič napětí. Sériové zapojení rezistoru s krokovou regulací lze nalézt v domácích ventilátorech, kapesních svítilnách a dalších zařízeních.

Dalším účelem reostatu v elektrickém obvodu je kalibrace. V tomto případě se používají nízkopříkonové variabilní trimrové rezistory.

Zpravidla jsou skryté pod pouzdrem a nejsou ovládány z přístrojové desky. Jejich funkcí je kalibrace (jemné doladění) činnosti obvodu, což se provádí ve výrobním závodě nebo v opravnách. Tyto rezistory se dále nenastavují a fungují jako konstantní odpor. Takové rezistory se používají ve většině elektronických zařízení.

Viz také:

• Pulzní stabilizátor napětí
• Je možné nainstalovat stabilizátor napětí před elektroměr?
• Potřeba stabilizátorů napětí

Podle svého účelu se reostaty dělí na následující typy:

• spouštění, používané ke snížení spouštěcího proudu při spouštění elektromotoru;
• spouštěcí řídicí zařízení, používaná především u stejnosměrných motorů, stejně jako se střídavým napětím v případě asynchronního elektromotoru s fázovým rotorem;
• nosný, vytvářející odpor v elektrickém obvodu;
• předřadník, nezbytný k absorpci přebytečné energie, která vzniká například při brzdění elektromotoru.

Reostaty se také používají k omezení proudu v budicím vinutí stejnosměrných elektrických strojů. To pomáhá snižovat proudové rázy a dynamické přetížení, které mohou poškodit jak samotný pohon, tak i mechanismus k němu připojený. Použití odporu při spouštění prodlužuje životnost kartáčů a kolektoru.

Vnější vzhled posuvného reostatu s ochranným pouzdrem

Speciálním typem reostatu je potenciometr. Jedná se o dělič napětí založený na proměnném rezistoru. Díky němu lze v elektronických obvodech používat různá napětí bez použití dalších transformátorů nebo napájecích zdrojů. Regulace proudu pomocí reostatu se široce používá v radiotechnice, například ke změně hlasitosti reproduktoru.

Čtěte také: Nejlepší reflektory podle recenzí zákazníků

Princip

Princip činnosti všech reostatů je podobný. Nejjednodušší konstrukční a vizuálně srozumitelný princip činnosti má posuvný reostat. Je připojen k obvodu přes spodní a horní svorky. Konstrukce je provedena tak, že proud neprochází přes závity, ale celou délkou drátu vybraného posuvníkem. To je dáno spolehlivou izolací mezi vodiči.

Ve většině poloh běžce je zapojena pouze část reostatu. V tomto případě změna délky vodiče vede k regulaci proudu v obvodu. Pro snížení opotřebení závitů má běžec kluzný kontakt, často vyrobený z grafitové tyče nebo kola.

Zařízení posuvného reostatu

Reostat může pracovat v režimu potenciometru. K tomu je nutné při zapojení použít všechny tři svorky. Dvě spodní slouží jako vstup. Jsou připojeny ke zdroji napětí. Horní a jedna ze spodních svorek jsou výstup. Pohybem posuvníku se nastavuje napětí mezi nimi.

Reostat používaný jako dělič napětí

Kromě potenciometru může reostat pracovat také v režimu předřadníku, kdy je nutné vytvořit aktivní zátěž pro spotřebu energie. V tomto případě je nutné zohlednit disipační schopnosti zařízení. Nadměrné teplo může zařízení vyřadit z provozu, proto se doporučuje připojit reostat k síti po předchozím výpočtu disipovaného výkonu a v případě potřeby zajistit dostatečné chlazení.

Princip činnosti

Bez ohledu na typ reostatu je princip fungování pro všechny přibližně stejný. Například posuvný reostat funguje následovně:

• Připojení k síti se provádí pomocí svorek umístěných na obou stranách válce;
• Proud prochází po celé délce v závislosti na umístění jezdce. Pokud je tedy posuvník ve středu zařízení, proud prochází pouze doprostřed; pokud je posuvník umístěn na konci zařízení, pak prochází celý proud, proto je napětí maximální.

Nejčastěji je do provozu zapojena pouze část zařízení, tzn. Posuvník nedosahuje k okraji reostatu. Změna umístění posuvníku je přímo úměrná změně síly proudu. Reostat je zapojen do elektrické sítě v sérii.

Typy reostatů

Oblíbeným typem reostatu používaného v průmyslu a elektrické dopravě, jako jsou tramvaje, je zařízení vyrobené ve tvaru torusu. Regulace probíhá, když se jezdec otáčí kolem své osy. V tomto případě se posouvá podél vinutí umístěných toroidně.

Torusový reostat mění odpory prakticky bez přerušení obvodu. Pákový typ je pravý opak. Rezistory jsou umístěny na speciálním rámu a jejich volba probíhá pomocí páky. Jakékoli přepínání je doprovázeno přerušením obvodu. Navíc v obvodech s pákovým reostatem neexistuje možnost plynulé regulace odporu. Veškeré přepínání vede k postupným změnám parametrů sítě. Diskrétnost kroků závisí na počtu rezistorů na rámu a regulačním rozsahu.

Stejně jako pákové reostaty, i zástrčkové reostaty regulují odpor postupně. Charakteristickým rysem je změna parametrů sítě bez přerušení obvodu. Když je zástrčka v propojce, většina proudu protéká mimo odpor. Počet možných možností přepnutí závisí na velikosti zásobníku. Vytažením zástrčky se proud přesměruje na rezistor.

Čtěte také: Vestavěné LED stropní bodová světla – typy a funkční vlastnosti

Mezi specifické typy patří trubicové reostaty a kapalinové reostaty. Vzhledem k řadě nedostatků se tato zařízení příliš nepoužívají. Kapalinové reostaty se nacházejí pouze ve výbušném prostředí, kde plní funkce řízení motoru. Trubkové reostaty se nacházejí v laboratořích a hodinách fyziky, protože jejich spolehlivost a přesnost jsou pro široké použití nedostatečné.

Přehled

Elektrický proud je pohyb volných nabitých částic pod vlivem elektromagnetického pole. Jakákoli látka se skládá z atomů, které tvoří krystalovou mřížku pomocí kovalentních vazeb. Když vodičem protéká elektrický proud, jeho částice interagují s uzly krystalové mřížky. Nosiče náboje mají kinetickou energii (Ek), která závisí na hmotnosti částice (m) a její rychlosti (V3). Je určeno vzorcem: Ek = m * sqr (V3) / 2.

Když se částice srazí s uzly krystalové mřížky, dojde k úplnému nebo částečnému přenosu energie do atomu.

Energetický potenciál volného nosiče náboje je však obnoven, protože je neustále ovlivňován elektromagnetickým polem. Proces interakce částic s atomy se několikrát opakuje, dokud se vliv elektromagnetického pole nezastaví nebo částice zcela neprojde vodičem. Tento fyzikální jev se nazývá elektrický odpor nebo vodivost. Poslední hodnota je převrácená hodnota odporu. Odpor je označen písmenem „R“ a vodivost písmenem „G“.

Jednotkou odporu je Ohm. Vypočítává se pomocí určitých vzorců nebo se měří elektronickým měřicím zařízením nazývaným ohmmetr.

Fyzická závislost

Hodnota R závisí na počtu volných nosičů náboje, jejichž počet je určen na základě elektronického vzorce látky. Lze ji určit z periodické tabulky chemických prvků D.I. Látky jsou klasifikovány podle vodivosti takto: vodiče, polovodiče a izolanty (nevodiče).

Mezi vodiče patří všechny kovy, elektrolyty a ionizované plyny.

V kovech jsou nosiči náboje volné elektrony, v elektrolytech – anionty a kationty a v ionizovaných plynech – elektrony a ionty. Polovodiče jsou schopny za určitých podmínek vést elektrický proud. V polovodičích jsou nosiči náboje volné elektrony a díry. Izolátory nebo dielektrika nejsou schopny vést elektřinu, protože v jejich struktuře nejsou žádné volné nosiče náboje.

Veličina, která určuje druh materiálu a jeho schopnost vedení, se nazývá rezistivita (p). Existuje také převrácená hodnota týkající se měrného odporu. Nazývá se vodivost (σ) a souvisí s p podle následujícího vzorce: p = 1/a. Při provádění výpočtů je nutné vzít v úvahu závislost elektrického odporu materiálu na dalších fyzikálních veličinách nebo faktorech, mezi které patří:

• geometrické součásti;
• elektrické veličiny;
• indikátory teploty.

Tyto tři skupiny faktorů je třeba vzít v úvahu při výrobě reostatů, rezistorů a jiných odporových zátěžových prvků. Při opravách a návrhu zařízení je třeba vzít v úvahu všechny faktory, protože nesprávné výpočty mohou vést k selhání rádiového zařízení.

Možná vás bude zajímat toto: Technické vlastnosti a typy elektronických stmívačů

Geometrie materiálu

Geometrie vodiče (polovodiče) zahrnuje jeho délku (L) a plochu průřezu (S). Hodnotu S lze vypočítat pomocí abstraktního algoritmu, který je vhodný pro všechny formy vodičů a polovodičů. Vypadá to takto:

1. Vizuálně určete tvar obrazce v průřezu (kruh, obdélník nebo čtverec).
2. Najděte v referenčních knihách nebo na internetu vzorec pro zjištění plochy průřezu obrázku.
3. Změřte potřebné geometrické parametry (například průměr) a dosaďte je do vzorce.
4. Provádějte matematické výpočty.

Pokud je vodič lankový (skládá se z mnoha vodičů), měla by být vypočtena plocha průřezu jednoho vodiče a poté vynásobena počtem vodičů. Na základě všeho můžeme odvodit závislost hodnoty odporu na typu látky, délce a ploše průřezu vodiče: R = p * L / S.

Čtěte také: Co je termočlánek pro plynový kotel: 5 výhod

Fyzikální význam závislosti je následující: elektrický proud se pohybuje vodičem, jehož typ je určen parametrem p, a jeho částice procházejí určitou délkou L o průřezu S (s malou plochou průřezu dochází k častějším srážkám elektronů s uzly krystalové mřížky).

Geometrické parametry však nejsou jedinými faktory ovlivňujícími hodnotu vodivosti materiálu.

Vliv parametrů elektřiny

Aby bylo možné vzít v úvahu vliv proudu a napětí na R, měli byste věnovat pozornost Ohmovu zákonu. Má dvě formulace používané pro výpočty: pro celý řetězec nebo jeho část. Ohmův zákon pro úplný obvod ukazuje závislost hodnoty proudu (i) na elektromotorické síle (e) a hodnotě R, sestávající ze součtu vnitřního (Rinternal) a vnějšího (External) odporu.

Proměnná Rinternal je vnitřní odpor zdroje energie (generátor, baterie, transformátor atd.). Rext je odpor všech spotřebitelů elektrické energie a spojovacích vodičů. Ohmův zákon pro úplný obvod spojuje všechny tyto veličiny s následujícím vztahem: i = e / (externí + vnitřní). Hodnota Rext je určena vzorcem: Vnější = (e / i) – Vnitřní.

Pro část obvodu je vztah pro zjištění odporu zjednodušen, protože EMF a Rinternal se neberou v úvahu. Tento zákon ukazuje přímo úměrnou závislost proudu (I) na napětí (U) a také nepřímo úměrnou hodnotě odporu R: I = U/R. V některých případech tyto faktory nemusí stačit pro přesné výpočty, protože existuje další závislost – teplotní indikátory materiálu.

Vliv teploty na vodivost

Odpor ovlivňuje vodivost materiálu, ale závisí na teplotě. K prokázání této hypotézy je třeba sestavit elektrický obvod skládající se z následujících součástí: žárovka, zdroj energie (12 V), kus nichromového drátu a ampérmetr. Lze zvolit jakýkoli zdroj napájení.

Bude vás zajímat toto: Vlastnosti děliče napětí

Je důležité, aby hodnota napětí nebyla vyšší než jmenovitá hodnota rozdílu potenciálů lampy, to znamená, že baterie je 12 V a lampa musí být také 12 V. Prvky obvodu jsou zapojeny do série. Doporučuje se položit kus drátu na žáruvzdornou cihlu, protože když nichrom protéká elektrický proud, zahřeje se.

Pro sledování aktuálních hodnot, které se budou v průběhu času měnit, je zapotřebí ampérmetr. Lampa je světelné „signalizační zařízení“, které umožňuje vizuálně pozorovat nárůst odporu. Jas jeho záře bude postupně slábnout. Když obvodem protéká proud, Ohmův zákon je vizuálně potvrzen pro část obvodu. Jak se R zvyšuje, proud klesá. Závislost měrného odporu p závisí na následujících proměnných:

1. Tabulková hodnota měrného odporu (p0), vypočtená při teplotě +20 stupňů Celsia.
2. Teplotní koeficient „a“, který se pro kovy považuje za větší než 0 (a > 0) a pro elektrolyty – menší než 0 (a < 0).

Tabulkovou hodnotu p0 lze zjistit ze speciálních elektrotechnických příruček nebo z internetu. Závislost p na teplotě je popsána následujícím vztahem: p = p0 * [1 + a * (t – 20)]. V případě potřeby můžete do vzorce pro závislost R na délce a průřezu dosadit p: R = p0 * [1 + a * (t – 20)] * L / S.

Nemá smysl provádět přesné výpočty odporu, ale tyto vlastnosti je třeba vzít v úvahu při výrobě a opravách různých zařízení.

Odpor by se měl měřit ohmmetrem, ale profesionální radioamatéři doporučují použít multimetr. Je kombinovaný a umožňuje měřit nejen odpor, ale i proud a napětí. Existují modely, které umí měřit frekvenci, testovat polovodičová zařízení atd.

Návrhové prvky

Podle materiálu, ze kterého jsou vyrobeny, se reostaty dělí na:

• kovové, které jsou nejrozšířenější;
• keramika, nejčastěji používaná při nízkém výkonu;
• uhlí, stále používané v průmyslu;
• kapalina, která zajišťuje co nejplynulejší regulaci.

Odvod tepla může být vzduchem, vodou nebo olejem. Kapalinové chlazení se používá, když není možné odvádět teplo od povrchu rezistoru. Pro zvýšení odvodu tepla lze použít chladič s ventilátorem.

Senzory na bázi reostatů

Mezi polohou jezdce reostatu, jeho odporem, silou proudu v obvodu a napětím existují přímé závislosti. Tyto vlastnosti tvoří základ úhlového snímače. Každá poloha rotoru v takovém zařízení odpovídá určité elektrické hodnotě.

Postupně jsou takové senzory nahrazovány magnetickými a optickými zařízeními. To je dáno tím, že charakteristika závislosti úhlu a odporu není odolná vůči šumu a vlivu teplotních účinků. Přechod na digitální systémy také přispívá k nahrazení reostatických senzorů. Odporové měřiče se nacházejí pouze v obvodech používajících analogové signály.

Jak je zařízení připojeno k síti

Zařízení se k obvodu připojuje dvěma způsoby: sériově a paralelně. Při sériovém zapojení se odpor zařízení sčítá. Celkový odpor bude větší než kterýkoli z nich braný samostatně.

Schéma elektrických obvodů, kde jsou označeny reostaty s paralelním zapojením, vypadá takto:

U takového zapojení se sčítají hodnoty, které jsou inverzní k odporu, tj. celková vodivost se skládá z vodivostí každé složky.

Prezentované výkresy jsou určeny pro nejjednodušší zařízení. Čím více prvků obsahují, tím složitější je zařízení vytvořené na jejich základě.