Если попытаться перевести с греческого термин «реостат», можно получить неверное представление об этом устройстве. По-гречески rheos — «поток», а латинское слово status означает «постоянный», поэтому возникает представление о чем-то статическом, неподвижном. На самом деле это просто неточность названия, и реостат является прибором с переменными параметрами.
Общее представление и применение в электротехнике
В электротехнике применяются элементы, основной характеристикой которых является сопротивление. Такие приборы называются резисторами. Существуют ситуации, когда сопротивление резистора надо плавно изменять в определенных пределах – например, для регулирования тока или напряжения в электрической цепи. Для этого предназначена разновидность резистора с переменным сопротивлением – реостат.
Принципы изменения сопротивления и контроля тока или напряжения
Известно, что сопротивление одиночного проводника, у которого длина значительно превышает сечение, равно R=ρ*l/S, где:
- ρ – удельное сопротивление металла, из которого изготовлен провод, Ом*кв.м/м (или Ом*м);
- l – длина проводника, м;
- S – сечение проводника, кв.м.
Следовательно, у проводов, изготовленных из одного металла и имеющих равное сечение, сопротивление будет зависеть от длины.
Чем длиннее проводник, тем больше сопротивление. В этом и состоит принцип работы реостата.
Согласно закону Ома для участка цепи, ток в элементах этого участка зависит от напряжения и сопротивления: I=U/R. Таким образом, изменяя сопротивление, можно изменять ток. Для этого можно собрать стенд из:
- источника питания;
- провода с высоким удельным сопротивлением;
- амперметра;
- вольтметра.
Провод с одной стороны постоянно подключен в цепь, с другой имеется съемный контакт, который можно подсоединить в любой точке проводника. Таким способом можно изменять длину участка, включенного в электрическую цепь. Как показано выше, от длины проводника зависит его сопротивление, а от сопротивления – ток. Следовательно, изменяя протяженность активного участка провода, можно регулировать ток.
Немного изменив схему подключения провода, можно создать делитель напряжения. Падение напряжения на каждом участке проводника пропорционально его сопротивлению, а соотношение сопротивлений зависит от соотношения длин. Изменяя точку подключения можно регулировать напряжение.
Полученный прибор является прообразом реостата, широко применяемого в физике и технике.
Для наглядности работы смотрите видео.
Структура и компоненты реостата
На практике прибор в таком виде применять неудобно – он имеет большие габариты. Поэтому высокоомный провод наматывают в виде спирали на цилиндр (трубку) из керамики, фарфора или другого термостойкого изоляционного материала, тем самым уменьшая габариты при сохранении общей длины проводника. Перед намоткой провод нагревают в воздухе, чтобы его поверхность покрылась слоем оксида, который выполняет функцию межвитковой изоляции. Затем всю конструкцию оснащают подвижным контактом, который можно с усилием передвигать вдоль спирали, при этом на контактирующем участке изолирующий слой стирается. Передвигая ползунок, можно изменять длину провода, включенного в цепь. Такой прибор получил название ползункового реостата.
Обозначение реостата на схеме
На схеме реостат обозначается символом резистора, к которому добавлена стрелка, символизирующая подвижный контакт. Такое условное обозначение символизирует возможность изменения положения движка.
Разновидности
Существует и другая конструкция ползункового переменного сопротивления. Он выполняется в виде проволочного резистора с контактами под пайку. Сверху проволочная спираль покрыта слоем керамики для повышения безопасности.
Такая конструкция ухудшает охлаждение, поэтому предельный ток по отношению к массогабаритным характеристикам у таких резисторов меньше.
Габариты ползункового реостата можно еще уменьшить, изогнув керамический каркас в окружность. Такие реостаты называются проволочными потенциометрами. Они применяются в радиотехнике, там, где надо регулировать относительно большие для этой области токи. Оба упомянутых типа позволяют плавно регулировать сопротивление.
Существуют и переменные резисторы ступенчатого типа. Подвижный контакт по проводнику перемещается не непрерывно, а от одной точки к другой. Сопротивление при этом меняется скачкообразно.
При прохождении тока через реостат на нем рассеивается достаточная электрическая мощность. Если эта мощность велика, то используются приборы с жидкостным охлаждением (в отличие от классических конструкций, имеющих воздушное охлаждение). Прибор погружается в сосуд с маслом, которое служит не только теплоотводящей, но и изолирующей средой.
Там, где большие мощности не нужны (например, в слаботочных радиотехнических цепях) нет нужды применять провод с большим сечением. В этой области применяют переменные резисторы того же принципа действия, но изготовленные на основе других, непроволочных материалов – графита, композитных материалов, металлов с высоким удельным сопротивлением, полупроводников и т.п. Работают эти устройства таким же образом – посредством изменения положения подвижного контакта меняется длина активного участка проводника.
Подключение и настройка
Для регулирования тока реостат, как было показано выше, включается последовательно с нагрузкой. Через регулирующий элемент и через нагрузку протекает один и тот же ток. Регулируя сопротивление реостата, можно регулировать общее сопротивление цепи, добиваясь необходимого значения тока.
Для регулирования напряжения реостат включают параллельно источнику питания, а нагрузка подключается между подвижным контактом и общим проводом. Изменяя соотношение сопротивлений двух плеч, можно менять падение напряжения на соответствующей секции.
Недостаток подобной схемы для регулирования напряжения в том, что сопротивление нагрузки должно существенно превышать сопротивление спирали реостата. В противном случае потребитель будет шунтировать нижнее плечо делителя, значительно уменьшая его сопротивление. Чтобы этого избежать, можно снова использовать последовательную схему. В ней роль верхнего плеча делителя будет выполнять реостат, а нижнего – собственно нагрузка.
Противоречия здесь нет. Последовательную схему можно рассмотреть с другой стороны – при изменении тока через нагрузку, меняется и падение напряжения на ней U=I*R.
Преимущества в сравнении с другими регулирующими устройствами
Преимуществом реостата в отличие от других конструкций переменного сопротивления является наглядность. Во время изменения сопротивления хорошо видно, как изменяется длина проводника, включенного в цепь, и как на это откликаются измерительные приборы. По этой причине реостат часто применяется в демонстрационных целях – на лекциях, во время уроков физики и т.п.
Особенностью реостата является способность работать при больших токах. Этому способствует применение провода с большим сечением и конструктива каркаса, способствующего эффективному отводу тепла (в виде трубки). Эта особенность позволяет применять реостаты в лабораториях, например, для испытаний оборудования.
По этой же причине реостаты применяют для регулирования режимов электродвигателей с фазным ротором, например, во время пуска. Сначала сопротивление реостата максимально, а по мере набора оборотов можно его плавно уменьшать вплоть до нуля, ограничивая пусковые токи. Для торможения двигателей реостаты могут быть применены в качестве поглотителей электрической энергии при переходе двигателя в режим генератора.
Способность реостатов рассеивать большую мощность оборачиваются их недостатком – эта мощность бесполезно рассеивается в виде тепла. По этой причине область применения переменных резисторов, как непосредственных регуляторов тока и напряжения, ограничена. Для этих целей широко используются импульсные и другие схемы, позволяющие экономить электрическую энергию. Например, реостатное регулирование тока все реже применяется в сварочном оборудовании – оно вытесняется более экономичными и компактными инверторными системами.
Тем не менее, устройство с изменяемым сопротивлением, разработанное еще на заре электротехники, применяется до настоящего времени. В некоторых областях реальной альтернативы реостатам в ближайшее время не просматривается.
