Делитель напряжения: теория и принцип действия

Делитель напряжения позволяет получить меньшее напряжение из большего, напряжение может быть как постоянным, так и переменным.

Рис. 1. Схема простейшего делителя напряжения

Простейшая схема делителя напряжения содержит минимум два сопротивления. Если величины сопротивлений одинаковы, то согласно закону Ома, на выходе делителя будет получено напряжение, в два раза меньшее, чем на входе, так как падение напряжений на резисторах будет одинаковым. Для других случаев величина падения напряжений на резисторах делителя определяется по формулам

U_R1 = I*R1; U_R2 = I*R2       (1)

где U_R1, U_R2 — падения напряжения на резисторах R1 и R2 соответственно, I — ток в цепи. В схемах делителей выходное напряжение обычно снимают с нижнего по схеме резистора.

Сумма падений напряжений U_R1, U_R2 на резисторах равна напряжению источника питания. Ток в цепи будет равен напряжению источника питания, делённому на сумму сопротивлений резисторов R1 и R2:

I = U_пит / (R1 + R2)       (2)

Рассмотрим практическую схему делителя постоянного напряжения (рис.2)

Рис. 2. Делитель постоянного напряжения.

Ток, протекающий в этой схеме, согласно формуле (2) будет равен

I = 10 / (10000+40000) = 0,0002 А = 0,2 мА.

Тогда согласно формуле (1) падение напряжения на резисторах делителя напряжения будет равно:

U_R1 = 0,0002*10000 = 2 В;
U_R2 = 0,0002*40000 = 8 В.

Если из формулы (1) вывести ток:

I = U_R1 / R1       (3)

И подставить его значение в формулу (2), то получится универсальная формула для расчёта делителя напряжения:

U_R1 / R1 = U_пит / (R1 + R2)

Откуда

U_R1 = U_пит * R1 / (R1 + R2)       (4)

Подставляя значения напряжения и сопротивлений в формулу (4), получим величину напряжения на резисторе R1:

U_R1 = 10 * 10000 / (10000+40000) = 2 В,

и на резисторе R2:

U_R2 = 10 * 40000 / (10000+40000) = 8 В.

Делитель напряжения с реактивными элементами в цепи переменного тока

В вышеприведённой схеме делителя напряжения (рис. 2) были использованы активные элементы — резисторы, и питание схемы осуществлялось постоянным напряжением (хотя схему можно питать и переменным током). Делитель напряжения может содержать так же и реактивные компоненты (конденсаторы, катушки индуктивности), но в этом случае для нормальной работы потребуется питание синусоидальным током (рис. 3).

Рис. 3. Ёмкостный делитель напряжения в цепи переменного тока.

Изображённый на рисунке 3 ёмкостный делитель напряжения работает аналогично резистивному делителю, но рассчитывается несколько иначе, поскольку реактивное сопротивление конденсаторов обратно пропорционально их ёмкости:

R_c = 1/(2 * π * f * C)

Здесь R_c — реактивное сопротивление конденсатора;
π — число Пи = 3,14159…;
f — частота синусоидального напряжения, Гц;
C — ёмкость конденсатора, Фарад.

То есть чем больше ёмкость конденсатора, тем меньше его сопротивление, и следовательно в схеме делителя напряжения на конденсаторе с большей ёмкостью падение напряжения будет меньше, чем на конденсаторе с меньшей ёмкостью. Следовательно, формула (4) для ёмкостного делителя напряжения примет следующий вид:

U_С1 = U_пит * С2 / (С1 + С2)       (5)

U_С1 = 10 * 40*10^-9 / (10*10^-9+40*10^-9) = 8 В,
U_С2 = 10 * 10*10^-9 / (10*10^-9+40*10^-9) = 2 В.

Индуктивный делитель напряжения (рис. 4.) так же как и ёмкостный требует для своей работы синусоидальное питающее напряжение.

Рис. 4. Индуктивный делитель напряжения в цепи переменного тока.

Поскольку реактивное сопротивление катушки индуктивности в цепи переменного тока пропорционально номиналу катушки:

R_L = 2 * π * f * L

Здесь R_c — реактивное сопротивление катушки индуктивности;
π — число Пи = 3,14159…;
f — частота синусоидального напряжения, Гц;
L — индуктивность катушки, Генри.

То следовательно и формула для расчёта индуктивного делителя напряжения будет точно такой же, как и формула для расчёта резистивного делителя напряжения (4), где вместо сопротивлений будут использоваться индуктивности:

U_L1 = U

пит * L1 / (L1 + L2)       (6)

Подставив в эту формулу параметры элементов из рисунка 4, получим:

U_L1 = 10 * 10*10^-6 / (10*10^-6+40*10^-6) = 2 В,
U_L2 = 10 * 40*10^-6 / (10*10^-6+40*10^-6) = 8 В.

В заключении следует отметить, что во всех расчётах величина нагрузки была принята равной бесконечности, поэтому полученные значения верны при работе рассмотренных делителей на сопротивление нагрузки, во много раз большее, чем величина собственных сопротивлений.

BACK

Делитель напряжения — Основы электроники

Делитель напряжения это цепь или схема соединения резисторов, применяемая для получения разных напряжений от одного источника питания.

Рассмотрим цепь из двух последовательно соединенных резисторов с разными сопротивлениями (рис. 1).

Рисунок 1. Последовательная цепь есть простейший делитель напряжения.

Согласно закону Ома если приложить к такой цепи напряжение, то падение напряжения на этих резисторах будет тоже разным.

U_R1=I*R1;

U_R2=I*R2.

Схема, изображенная на рисунке 1, и есть простейший делитель напряжения на резисторах. Обычно делитель напряжения изображают, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Классическая схема делителя напряжения.

Для примера разберем простейший делитель напряжения, изображенный на рисунке 2. В нем R1 = 2 кОм, R2 = 1 кОм и на­пряжение источника питания, оно же и есть входное напряжения делителя Uвх = 30 вольт. Напряжение в точке А равно полному напряжению источника, т. е. 30 вольт. Напряжение Uвых, то есть в точке В равно напряжению на R2.Определим напряжение Uвых.

Общий ток в цепи равен:

(1)

Для нашего примера I=30 В/ (1 кОм + 2 кОм) = 0,01 А = 10 мА.

Напряжение на R2 будет равно:

(2)

Для нашего примера UR2 = 0,01 А*1000 Ом = 10 В.

Выходное напряжение можно вычислить вторым способом, подставив в выражение (2) значение тока (1), тогда получим:

(3)

U_R2 = 30 В*1 кОм/(1 кОм + 2 кОм) = 10 В.

Второй способ применим для любого делителя напряжения, состоящего из двух и более резисторов, включенных последовательно. Напряжение в любой точке схемы можно вычислить с помощью калькулятора за один прием, минуя вычисление тока.

Делитель напряжения из двух последовательно включенных резисторов с равными сопротивлениями

Если делитель напряжения состоит из двух одинаковых резисторов, то приложенное напряжение делится на них пополам.

Uвых = Uвх/2

Делитель напряжения из трех последовательно включенных резисторов с равными сопротивлениями

На рисунке 3 изображен делитель напряжения, состоящий из трех одинаковых резисторов сопротивлением в 1 кОм каждый. Вычислим напряжение в точках

А и В относительно точки Е.

Рисунок 3. Делитель напряжения из трех резисторов.

Общее сопротивление R= R1+R2+R3 = 1 кОм + 1 кОм + 1 кОм = 3 кОм

Напряжение в точке А относительно точки Е будет равно:

Тгда Ua-e =30 В/(1 кОм + 1 кОм + 1 кОм)*1 кОм = 10 В.

Напряжение в точке В относительно точки Е будет равно:

Тгда Ub-e =30 В/(1 кОм + 1 кОм + 1 кОм)*(1 кОм + 1 кОм) = 20 В.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

Добавить комментарий

Делитель напряжения — Вольтик.ру

Перед схемотехниками нередко стоит задача получения пониженного напряжения из высокого напряжения. Это можно сделать с помощью делителя напряжения – простой схемы с использованием двух резисторов. С их помощью можно создать выходное напряжение в несколько раз меньшее, чем входное напряжение.

Простота и надежность делителя напряжения сделали его схему фундаментальной в схемотехнике. При ее внедрении необходимо уделить максимум внимания непосредственно схеме и точности расчета напряжения по специальной формуле.

Существует несколько вариантов схем делителя напряжения, с которыми можно будет познакомиться ниже. Особенностью каждой из них является наличие двух резисторов и входного напряжения. Резистор, расположенный у плюса входного напряжения, обозначен на схемах R1, расположенный у минуса – R2. Падение напряжения у второго резистора обозначается Uout. Оно и является результатом работы схемы делителя напряжения.

Чтобы произвести расчет напряжения делителя нужно знать значения следующих величин: сопротивление первого и второго резистора (R1, R2) и входное напряжение Uin. Для расчета используется следующая формула:

Знакомые со школьным курсом физики без труда смогут определить, что в основе этого уравнения лежит закон Ома. Для определения напряжения на выходе делителя выводится формула с использованием силы тока I1 и I2, протекающего через резисторы R1, R2:

Используя закон Ома, мы получаем следующую формулу для Uout:

В этом уравнении для нас остается неизвестной величина I2, но если предположить, что она равна I1, то наша схема приобретет следующий вид:

В этой схеме неизвестным остается Uin – сопротивление на обоих резисторах R1, R2. Так как они соединены последовательно, то их совместное сопротивление суммируется:

В итоге схема делителя напряжения упрощается:

Исходя из школьной формулы U=I*R и помня, что суммарное сопротивление равно R1 + R2, записываем закон Ома в следующем виде:

Так как мы приняли I1=I2, то получаем уравнение, которое нам наглядно демонстрирует, что выходное напряжение будет прямо пропорциональным отношению сопротивлений и входному напряжению.

Делитель напряжения широко используется в радиоэлектронике, приведем несколько примеров:

• потенциометры;
• резистивные датчики;
• фоторезисторы.

Схемы делителей напряжения

Добавлено 13 января 2021 в 05:06

Сохранить или поделиться

Давайте проанализируем простую последовательную схему и определим падение напряжения на отдельных резисторах:

Рисунок 1 – Схема последовательной цепиРисунок 2 – Табличный метод. Шаг 1

По заданным значениям отдельных сопротивлений мы можем определить общее сопротивление цепи, зная, что последовательные сопротивления суммируются.

Рисунок 3 – Табличный метод. Шаг 2

Теперь мы можем использовать закон Ома (I = E/R) для определения общего тока, который, как мы знаем, будет таким же, как ток каждого резистора, поскольку токи во всех частях последовательной цепи одинаковы.

Рисунок 4 – Табличный метод. Шаг 3

Теперь, зная, что ток в цепи равен 2 мА, мы можем использовать закон Ома (E = IR) для расчета напряжения на каждом резисторе:

Рисунок 5 – Табличный метод. Шаг 4

Должно быть очевидно, что падение напряжения на каждом резисторе пропорционально его сопротивлению, учитывая, что ток одинаков на всех резисторах. Обратите внимание, что напряжение на R₂ вдвое больше, чем на R₁, так же как сопротивление R₂ в два раза больше, чем у R₁.

Если бы мы изменили общее напряжение, то обнаружили бы, что эта пропорциональность падений напряжения остается постоянной.

Рисунок 6 – Пропорциональность падений напряжения остается постоянной

Несмотря на то, что напряжение источника изменилось, напряжение на R₂ по-прежнему ровно вдвое больше, чем на R₁. Пропорциональность падений напряжения (соотношение между ними) строго зависит от значений сопротивлений.

При более внимательном наблюдении становится очевидным, что падение напряжения на каждом резисторе также является фиксированной долей напряжения питания. Например, напряжение на R₁ составляло 10 вольт при питании от батареи 45 вольт. Когда напряжение аккумулятора было увеличено до 180 вольт (в 4 раза больше), падение напряжения на R₁ также увеличилось в 4 раза (с 10 до 40 вольт). Однако соотношение между падением напряжения R₁ и общим напряжением не изменилось:

\[\frac{E_{R1}}{E_{общ}} = \frac{10 \ В}{45 \ В} = \frac{40 \ В}{180 \ В} = 0,22222\]

Точно так же ни один из других коэффициентов падения напряжения не изменился с увеличением напряжения питания:

\[\frac{E_{R2}}{E_{общ}} = \frac{20 \ В}{45 \ В} = \frac{80 \ В}{180 \ В} = 0,44444\]

\[\frac{E_{R3}}{E_{общ}} = \frac{15 \ В}{45 \ В} = \frac{60 \ В}{180 \ В} = 0,33333\]

Формула делителя напряжения

По этой причине последовательную цепь часто называют делителем напряжения из-за ее способности пропорционально делить общее напряжение на дробные части с постоянными коэффициентами. Применив немного алгебры, мы можем вывести формулу для определения падения напряжения на последовательном резисторе, не учитывая ничего, кроме общего напряжения, сопротивления отдельного резистора и общего сопротивления.

Падение напряжения на любом резисторе:

\[E_n = I_n R_n\]

Сила тока в последовательной цепи:

\[I_{общ} = \frac{E_{общ}}{R_{общ}}\]

Подставляем E_общ/R_общ вместо I_n в первую формулу…

Падение напряжения на любом резисторе в последовательнй цепи:

\[E_n = \frac{E_{общ}}{R_{общ}} R_n\]

или

\[\large E_n = \frac{R_n}{R_{общ}} E_{общ}\]

В схеме делителя напряжения отношение отдельного сопротивления к общему сопротивлению равно отношению отдельного падения напряжения к общему напряжению питания. Эта формула известна как формула делителя напряжения, и это сокращенный метод определения падения напряжения в последовательной цепи без проведения расчетов тока по закону Ома.

Пример использования формулы делителя напряжения

Используя эту формулу, мы можем повторно проанализировать падение напряжения в примере схемы за меньшее количество шагов:

Рисунок 7 – Схема последовательной цепи

\[E_{R1} = 45 \ В \ \frac{5 \ кОм}{22,5 \ кОм} = 10 В\]

\[E_{R2} = 45 \ В \ \frac{10 \ кОм}{22,5 \ кОм} = 20 В\]

\[E_{R3} = 45 \ В \ \frac{7,5 \ кОм}{22,5 \ кОм} = 15 В\]

Компоненты, делящие напряжение

Делители напряжения находят широкое применение в измерительных схемах, где как часть схемы измерения напряжения для «деления» напряжения на точные пропорции используются определенные комбинации последовательных резисторов.

Рисунок 8 – Делитель напряжения

Потенциометры как компоненты, делящие напряжение

Одним из устройств, часто используемых в качестве элемента деления напряжения, является потенциометр, который представляет собой резистор с подвижным элементом, перемещаемым ручкой или рычагом. Подвижный элемент, обычно называемый ползунком, вступает в контакт с резистивной полосой материала в любой, выбранной вручную точке:

Рисунок 9 – Потенциометр

Контакт ползунка – это обращенная влево стрелка, нарисованная в середине вертикального обозначения резистора. При перемещении вверх он контактирует с резистивной полосой ближе к клемме 1 и дальше от клеммы 2, уменьшая сопротивление от него до клеммы 1 и повышая сопротивление от него до клеммы 2. При перемещении вниз происходит противоположный эффект. Сопротивление, измеренное между клеммами 1 и 2, постоянно для любого положения ползунка.

Рисунок 10 – Принцип действия потенциометра

Поворотные и линейные потенциометры

Ниже показано внутреннее устройство двух типов потенциометров: поворотного и линейного.

Линейные потенциометры

Рисунок 11 – Конструкция линейного потенциометра

Некоторые линейные потенциометры приводятся в действие прямолинейным движением рычага или ползунковой кнопки. Другие, подобные изображенному на рисунке выше, приводятся в действие поворотным винтом для точной регулировки. Потенциометры последнего типа иногда называют «подстроечниками» потому, что они хорошо работают в приложениях, требующих «подстройки» переменного сопротивления до некоторого точного значения.

Следует отметить, что не все линейные потенциометры имеют такое же назначение выводов, как показано на этом рисунке. У некоторых вывод ползунка находится посередине между двумя крайними выводами.

Поворотный потенциометр

На изображении ниже показана конструкция поворотного потенциометра.

Рисунок 12 – Поворотный потенциометр

На фотографии ниже показан реальный поворотный потенциометр с открытыми для удобства просмотра ползунком и резистивным элементом. Вал, который перемещает ползунок, повернут почти до конца по часовой стрелке, поэтому ползунок почти касается левого конечного вывода резистивного элемента:

Рисунок 13 – Поворотный потенциометр с открытыми ползунком и резистивным элементом

Вот тот же потенциометр с валом ползунка, перемещенным почти до упора против часовой стрелки, поэтому ползунок теперь находится рядом с другим крайним концом хода:

Рисунок 14 – Потенциометр с валом ползунка, повернутым до упора против часовой стрелки

Влияние регулировки потенциометра на схему

Если между внешними выводами (по всей длине резистивного элемента) приложено постоянное напряжение, положение ползунка будет отводить часть приложенного напряжения, измеряемого между контактом ползунка и любым из двух других выводов. Значение коэффициента деления полностью зависит от физического положения ползунка:

Рисунок 15 – Потенциометр как переменный делитель напряжения

Важность потенциометров

Как и в случае с фиксированным делителем напряжения, коэффициент деления напряжения потенциометра строго зависит от сопротивления, а не от величины приложенного напряжения. Другими словами, если ручка потенциометра или рычаг перемещается в положение 50 процентов (точное центральное положение), падение напряжения между ползунком и любым крайним выводом будет составлять ровно 1/2 от приложенного напряжения, независимо от того, что с этим напряжением происходит, или каково полное сопротивление потенциометра. Другими словами, потенциометр работает как регулируемый делитель напряжения, где коэффициент деления напряжения устанавливается положением ползунка.

Это применение потенциометра является очень полезным средством получения изменяемого напряжения от источника фиксированного напряжения, такого как аккумулятор. Если для схемы, которую вы собираете, требуется определенная величина напряжения, которая меньше, чем значение напряжения доступной батареи, вы можете подключить внешние выводы потенциометра к этой батарее и «выбрать» для использования в вашей цепи любое необходимое напряжение между ползунком и одним из внешних выводов потенциометра:

Рисунок 16 – Применение потенциометра

При таком использовании название «потенциометр» имеет смысл: он «измеряет» (контролирует) приложенный к нему потенциал (напряжение), создавая изменяемый коэффициент деления напряжения. Такое использование трехполюсного потенциометра в качестве переменного делителя напряжения очень популярно в схемотехнике.

Примеры небольших потенциометров

Ниже показано несколько небольших потенциометров, которые обычно используются в бытовом электронном оборудовании, а также любителями и студентами при построении схем:

Рисунок 17 – Примеры небольших потенциометров

Меньшие устройства слева и справа предназначены для подключения к беспаечной макетной плате или для пайки в печатную плату. Устройства посередине предназначены для установки на плоской панели с проводами, припаянными к каждому из трех выводов.

Ниже показано еще три потенциометра, более специализированных, чем только что показанный набор:

Рисунок 18 – Примеры потенциометров размером побольше

Большое устройство «Helipot» – это лабораторный потенциометр, предназначенный для быстрого и легкого подключения к цепи. Устройство в нижнем левом углу фотографии представляет собой потенциометр того же типа, только без корпуса и поворотного счетного диска. Оба этих потенциометра представляют собой прецизионные устройства, в которых используются многооборотные спиралевидные резистивные ленты и ползунковые механизмы для точной регулировки. Устройство в правом нижнем углу представляет собой потенциометр для монтажа на панели, предназначенный для работы в тяжелых промышленных условиях.

Резюме

• Последовательные цепи делят общее напряжение питания на отдельные падения напряжения, коэффициенты деления строго зависят от сопротивлений: E_Rn = E_общ(R_n/R_общ)
• Потенциометр – это элемент переменного сопротивления с тремя точками подключения, часто используемый в качестве регулируемого делителя напряжения.

Оригинал статьи:

Теги

Делитель напряженияДля начинающихЗакон ОмаОбучениеПоследовательная цепьПотенциометрСхемотехника

Сохранить или поделиться

Емкостной делитель напряжения ⋆ diodov.net

Простейший емкостной делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов и используется для снижения величины U на отдельных элементах электрической цепи.

Делитель постоянного напряжения на конденсаторах чаще всего применяют многоуровневых инверторов напряжения, широко используемых как на электроподвижном составе, так и в других направлениях силовой электроники.

Главная сложность практического применения такой схемы (и всех подобных схем) заключается в невозможности обеспечения равномерного разряда конденсаторов, вследствие чего напряжения на них будет распределяться не поровну. Чем сильнее разряжен один конденсатор по сравнению с другим (иди с другими), тем большая разница в U будет на них, что наглядно отображает формула:

По этой причине подобные схемы крайне нестабильно работают и обязательно предусматривают узлов подзарядки конденсаторов с целью выравнивания напряжения на последних.

Емкостной делитель напряжения в цепи переменного тока

В радиоэлектронике в большей степени находят применение емкостные делители переменного напряжения.

Конденсатор, как и катушка индуктивности, относится к реактивному элементу, то есть потребляет реактивную мощность от источника переменного тока, в отличие от резистора, который является активным элементов и потребляет исключительно активную мощность.

Реактивный элемент

Здесь следует кратко пояснить разницу между активной и реактивной мощностями. Активная мощность выполняет полезную работу и реализуется только в том случае, когда ток и напряжение направлены в одном направлении и не отстают друг от друга, то есть находятся в одной фазе, что имеет место только на резисторе. На конденсаторе ток отстает от напряжения на угол φ = 90°. В результате чего ток напряжение находятся в противофазе, поэтому когда ток имеет максимальное значение напряжение равно нулю, а произведение этих двух величин дают мощность, которая в таком случае равна нулю, так как один из множителей равен нулю. Следовательно, мощность не потребляется.

Аналогичные процессы протекают и в цепи с катушкой индуктивности. Разница лишь в том, что на индуктивности i отстает от u на угол φ = 90°.

Реактивная мощность проявляется только в цепях переменного тока. Она составляет часть полной мощности и определяется по формуле:

Реактивная мощность в отличие от активной, не потребляется нагрузкой, а циркулирует между источником питания и нагрузкой. Поэтому конденсатора и катушка индуктивности являются реактивными элементами, не потребляющими активную мощность и по этой причине они практически не нагреваются.

Расчет сопротивления делителя напряжения на конденсаторах заключается в определении необходимых значений сопротивлений.

Сопротивление конденсатора X_C является величиной не постоянной и зависит от частоты переменного тока f и емкости C:

Как видно из формулы, сопротивление снижается с увеличением частоты и емкости. Для постоянного тока, частота которого равна нулю, сопротивление стремится к бесконечности, поэтому, рассматриваемая далее схема емкостного делителя напряжения не применяется постоянном токе.

Для снижения величины u_вых, например в два раза, емкости C1 и C2 должны быть равны. Универсальные формулами для определения выходных u_вых1 и u_вых2 в зависимости от входного и емкостей C1 и C2 имеют вид, аналогичный для резисторных делителей:

Поскольку частота переменного тока для всех конденсаторов одинакова, то формулу можно упростить:

Индуктивный делитель напряжения

В качестве делителей переменного напряжения также, но гораздо реже, применяют катушки индуктивности, которые относятся к реактивным элементам. Однако, в отличие от конденсаторов, которые являются накопителями электрического поля, катушки индуктивности накапливают магнитное поле.

Индуктивное сопротивление зависит от индуктивности L и частоты переменного тока f. С ростом этих параметров сопротивление катушки переменному току возрастает.

X_L = 2πfL.

Упрощенный вариант формулы:

 

Как вы наверняка уже заметили, чтобы рассчитать емкостной делитель напряжения достаточно знать емкости конденсаторов, а индуктивный делитель – индуктивности.

Еще статьи по данной теме

Делитель напряжения схема. Делитель напряжения

При проектировании электрических цепей возникают случаи, когда необходимо уменьшить величину напряжения (разделить его на несколько частей) и только часть подавать на нагрузку. Для этих целей используют делители напряжения . Они основаны на втором законе Кирхгофа .

Самая простая схема — резистивный делитель напряжения. Последовательно с подключаются два сопротивления R1 и R2.

При последовательном подключении сопротивлений через них протекает одинаковый ток I.

В результате, согласно закону Ома , напряжения на резисторах делится пропорционально их номиналу.

Подключаем нагрузку параллельно к R1 или к R2. В результате на нагрузке будет напряжение равное U R2 .

Примеры применения делителя напряжения

1. Как делитель напряжения. Представьте, что у Вас есть лампочка, которая может работать только от 6 вольт и есть батарейка на 9 вольт. В этом случае при подключении лампочки к батарейке, лампочка сгорит. Для того, чтобы лампочка работала в номинальном режиме, напряжение 9 В необходимо разделить на 6 и 3 вольта. Данную задачу выполняют простейшие делители напряжения на резисторах.
2. Датчик параметр — напряжение. Сопротивление резистивных элементов зависит от многих параметров, например температура. Помещаем одно из сопротивлений в среду с изменяющейся температурой. В результате при изменении температуры будет изменяться сопротивление одного из делителей напряжения. Изменяется ток через делитель. Согласно закону Ома входное напряжение перераспределяется между двумя сопротивлениями.
3. Усилитель напряжения. Делитель напряжения может использоваться для усиления входного напряжения. Это возможно, если динамическое сопротивление одного из элементов делителя отрицательное, например на участке вольт-амперной характеристики туннельного диода.

Ограничения при использовании резистивных делителей напряжения

• Номинал сопротивлений делителя напряжения на резисторах должен быть в 100 — 1000 раз меньше, чем номинальное сопротивление нагрузки, подключаемой к делителю. В противном случае сопротивление нагрузки уменьшит величину разделенного делителем напряжения.
• Малые значения сопротивлений, являющихся делителем напряжения, приводят к большим потерям активной мощности . Через делитель протекают большие токи. Необходимо подбирать сопротивления, чтобы они не перегорали и могли рассеять такую величину отдаваемой энергии в окружающую среду.
• Резистивный делитель напряжения нельзя использовать для подключения мощных электрических приборов: электрические машины , нагревательные элементы, индукционные печи.
• Снижение КПД схемы за счет потерь на активных элементах делителя напряжения.
• Для получения точных результатов в делителе напряжения необходимо использовать прецизионные (высокоточные) сопротивления.

). Можно представить как два участка цепи, называемые плечами , сумма напряжений на которых равна входному напряжению. Плечо между нулевым потенциалом и средней точкой называют нижним , а другое — верхним . Различают линейные и нелинейные делители напряжения. В линейных выходное напряжение изменяется по линейному закону в зависимости от входного. Такие делители используются для задания потенциалов и рабочих напряжений в различных точках электронных схем. В нелинейных делителях выходное напряжение зависит от коэффициента нелинейно. Нелинейные делители напряжения применяются в функциональных потенциометрах . Сопротивление может быть как активным , так и реактивным .

Резистивный делитель напряжения

Простейший резистивный делитель напряжения представляет собой два последовательно включённых резистора и , подключённых к источнику напряжения . Поскольку резисторы соединены последовательно, то ток через них будет одинаков в соответствии с Первым правилом Кирхгофа . Падение напряжения на каждом резисторе согласно закону Ома будет пропорционально сопротивлению (ток, как было установлено ранее, одинаков):

Для каждого резистора:

Разделив выражение для на выражение для в итоге получаем:
Таким образом, отношение напряжений и в точности равно отношению сопротивлений и .
Используя равенство
, в котором , а
И, выражая из него соотношение для тока:

Получим формулу, связывающую выходное () и входное () напряжение делителя:

Следует обратить внимание, что сопротивление нагрузки делителя напряжения должно быть много больше собственного сопротивления делителя, так, чтобы в расчетах этим сопротивлением, включенным параллельно можно было бы пренебречь. Для выбора конкретных значений сопротивлений на практике, как правило, достаточно следовать следующему алгоритму . Сначала необходимо определить величину тока делителя, работающего при отключенной нагрузке. Этот ток должен быть значительно больше тока (обычно принимают превышение от 10 раз по величине), потребляемого нагрузкой, но, однако, при этом указанный ток не должен создавать излишнюю нагрузку на источник напряжения . Исходя из величины тока, по закону Ома определяют значение суммарного сопротивления . Остается только взять конкретные значения сопротивлений из стандартного ряда , отношение величин которых близко́ требуемому отношению напряжений, а сумма величин близка расчетной. При расчете реального делителя необходимо учитывать температурный коэффициент сопротивления , допуски на номинальные значения сопротивлений, диапазон изменения входного напряжения и возможные изменения свойств нагрузки делителя, а также максимальную рассеиваемую мощность резисторов — она должна превышать выделяемую на них мощность , где — ток источника при отключенной нагрузке (в этом случае через резисторы течет максимально возможный ток) .

Применение

Делитель напряжения имеет важное значение в схемотехнике. В качестве реактивного делителя напряжения как пример можно привести простейший электрический фильтр , а в качестве нелинейного — параметрический стабилизатор напряжения .

Делители напряжения использовались как электромеханическое запоминающее устройство в АВМ . В таких устройствах запоминаемым величинам соответствуют углы поворота реостатов. Подобные устройства могут неограниченное время хранить информацию.

Усилитель напряжения

Делитель напряжения может использоваться для усиления входного напряжения — это возможно, если , а — отрицательно, например как на участке вольт-амперной характеристики туннельного диода

Ограничения в применении резистивных делителей напряжения

• Номинал сопротивлений делителя должен быть в 100 — 1000 раз меньше, чем номинальное сопротивление нагрузки.

• Малые значения сопротивлений, являющихся делителем напряжения, приводят к возникновению больших токов в делителе. Снижается КПД схемы из-за нагрева сопротивлений.

• Резистивный делитель напряжения нельзя использовать для подключения мощных электрических приборов: электрические машины, нагревательные элементы.

Нормативно-техническая документация

• ГОСТ 11282-93 (МЭК 524-75) — Резистивные делители напряжения постоянного тока

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Делитель напряжения» в других словарях:

делитель напряжения — делитель напряжения Преобразующее устройство, состоящее из плеч высокого и низкого напряжения, таких, что напряжение входа прикладывается ко всему устройству, а напряжение выхода снимается с плеча низкого напряжения. [МЭС… … Справочник технического переводчика

Большой Энциклопедический словарь

Устройство, позволяющее снимать (использовать) только часть имеющегося постоянного или переменного напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Используется в радио и… … Энциклопедический словарь

делитель напряжения — įtampos dalytuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. potential divider; voltage divider vok. Spannungsteiler, m rus. делитель напряжения, m pranc. diviseur de tension, m … Automatikos terminų žodynas

делитель напряжения — įtampos dalytuvas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įtaisas nuolatinei ar kintamajai įtampai dalyti į dvi ar daugiau dalių. atitikmenys: angl. potential divider; voltage divider vok. Spannungsteiler, m rus. делитель… …

делитель напряжения — įtampos dalytuvas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įtaisas, sudarytas iš rezistorių, induktyvumo ričių, kondensatorių, transformatorių arba iš šių elementų derinio taip, kad tarp dviejų šio įtaiso taškų susidarytų… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

делитель напряжения — įtampos dalytuvas statusas T sritis chemija apibrėžtis Įtaisas nuolatinei ar kintamajai įtampai dalyti į dvi ar daugiau dalių. atitikmenys: angl. potential divider; voltage divider rus. делитель напряжения … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

делитель напряжения — įtampos dalytuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. voltage divider vok. Spannungsteiler, m rus. делитель напряжения, m pranc. diviseur de tension, m … Fizikos terminų žodynas

Электротехническое устройство для деления напряжения постоянного или переменное тока на части. Любой Д. н. состоит из активных или реактивных электрических сопротивлений. Обычно Д. н. применяют для измерения напряжения. При низких… … Большая советская энциклопедия

Электротехническое устройство, позволяющее снимать (использовать) только часть имеющегося постоянного или переменного напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. При… … Энциклопедия техники

В составе делителя напряжения для получения фиксированного значения напряжения используют резисторы. В этом случае выходное напряжение U вых связано с входным U вх (без учета возможного сопротивления нагрузки) следующим соотношением:

U вых = U вх х (R2 / R1 + R2)

Рис. 1. Делитель напряжения

Пример. С помощью резисторного делителя нужно получить на нагрузке сопротивлением 100 кОм напряжение 1 В от источника постоянного напряжения 5 В. Требуемый коэффициент деления напряжения 1/5 = 0,2. Используем делитель, схема которого приведена на рис. 1.

Сопротивление резисторов R1 и R2 должно быть значительно меньше 100 кОм. В этом случае при расчете делителя сопротивление нагрузки можно не учитывать.

Следовательно, R2 / (R1 +R2) R2 = 0,2

R2 = 0 ,2R1 + 0,2R2 .

R1 = 4R2

Поэтому можно выбрать R2 = 1 кОм, R1 — 4 кОм. Сопротивление R1 получим путем последовательного соединения стандартных резисторов 1,8 и 2,2 кОм, выполненных на основе металлической пленки с точностью ±1% (мощностью 0,25 Вт).

Следует помнить, что сам делитель потребляет ток от первичного источника (в данном случае 1 мА) и этот ток будет возрастать с уменьшением сопротивлений резисторов делителя.

Для получения заданного значения напряжения следует применять высокоточные резисторы.

Недостатком простого резисторного делителя напряжения является то, что с изменением сопротивления нагрузки выходное напряжение (U вых) делителя изменяется. Ддя уменьшения влияния нагрузки на U выхнеобходимо выбирать соротивление R2 по крайней мере в 10 раз меньше минимального сопротивления нагрузки.

Важно помнить о том, что с уменьшением сопротивлений резисторов R1 и R2 растет ток, потребляемый от источника входного напряжения. Обычно этот ток не должен превышать 1-10 мА.

Резисторы используются также для того, чтобы заданную долю общего тока направить в соответствующее плечо делителя. Например, в схеме на рис. 2 ток I составляет часть общего тока I вх, определяемую сопротивлениями резисторов Rl и R2, т.е. можно записать, что I вых = I вх х (R1 / R2 + R1)

Пример. Стрелка измерительного прибора отклоняется на всю шкалу в том случае, если постоянный ток в подвижной катушке равен 1 мА. Активное сопротивление обмотки катушки составляет 100 Ом. Рассчитайте сопротивление так, чтобы стрелка прибора максимально отклонялась при входном токе 10 мА (см. рис. 3) .

Рис. 2 Делитель тока

Рис. 3.

Коэффициент деления тока определяется соотношением:

I вых / I вх = 1/10 = 0,1 = R1 / R2 + R1 , R2 = 100 Ом.

Отсюда,

0,1R1 + 0,1R2 = R1

0,1R1 + 10 = R1

R1 = 10/0 ,9 = 11,1 Ом

Требуемое сопротивление резистора R1 можно получить путем последовательного соединения двух стандартных резисторов сопротивлением 9,1 и 2 Ом, выполненных на основе толстопленочной технологии с точностью ±2% (0,25 Вт). Заметим еще раз, что на рис. 3 сопротивление R2 — это .

Для обеспечения хорошей точности деления токов следует использовать высокоточные (± 1 %) резисторы.

Делители напряжения получили широкое распространение в электронике, потому что именно они позволяют оптимальным образом решать задачи регулировки напряжения. Существуют различные схематичные решения: от простейших, например, в некоторых настенных светильниках, до достаточно сложных, как в платах управления переключением обмоток нормализаторов сетевого напряжения.

Что такое делитель напряжения? Формулировка проста — это устройство, которое в зависимости от коэффициента передачи (настраивается отдельно) регулирует значение выходного напряжения относительно входного.

Раньше на прилавках магазинов часто можно было встретить светильник-бра, рассчитанный на две лампы. Его особенностью являлось то, что сами лампы были рассчитаны на работу с напряжением 127 Вольт. При этом вся система подключалась к бытовой электросети с 220 В и вполне успешно работала. Никаких чудес! Все дело в том, что способ соединения проводников формировал не что иное, как делитель напряжения. Вспомним основы электротехники, а именно потребителей. Как известно, при последовательном способе включения равна, а напряжение изменяется (вспоминаем закон Ома). Поэтому в примере со светильником однотипные лампы включены последовательно, что дает уменьшение питающего их напряжения в два раза (110 В). Также делитель напряжения можно встретить в устройстве, распределяющем сигнал с одной антенны на несколько телевизоров. На самом деле примеров много.

Давайте рассмотрим простейший делитель напряжения на основе двух резисторов R1 и R2. Сопротивления включены последовательно, на свободные выводы подается входное напряжение U. Из средней точки проводника, соединяющего резисторы, есть дополнительный вывод. То есть получается три конца: два — это внешние выводы (между ними полное значение напряжения U), а также средний, формирующий U1 и U2.

Выполним расчет делителя напряжения, воспользовавшись законом Ома. Так как I = U / R, то U является произведением тока на сопротивление. Соответственно, на участке с R1 напряжение составит U1, а для R2 составит U2. Ток при этом равен Учитывая закон для полной цепи, получаем, что питающее U является суммой U1+U2.

Чему же равен ток при данных условиях? Обобщая уравнения, получаем:

I = U / (R1+R2).

Отсюда можно определить значение напряжения (U exit) на выходе делителя (это может быть как U1, так и U2):

U exit = U * R2 / (R1+R2).

Для делителей на регулируемых сопротивлениях существует ряд важных особенностей, которые необходимо учитывать как на этапе расчетов, так и при эксплуатации.

Прежде всего, такие решения нельзя использовать для регулировки напряжения мощных потребителей. Например, таким способом невозможно запитать электродвигатель. Одна из причин — это номиналы самих резисторов. Сопротивления на киловатты если и существуют, то представляют собой массивные устройства, рассеивающие внушительную часть энергии в виде тепла.

Значение сопротивления подключенной нагрузки не должно быть меньше, чем схемы самого делителя, в противном случае всю систему потребуется пересчитывать. В идеальном варианте различие R делителя и R нагрузки должно быть максимально большим. Важно точно подобрать значения R1 и R2, так как завышенные номиналы повлекут за собой излишнее а заниженные будут перегреваться, затрачивая энергию на нагрев.

Рассчитывая делитель, обычно подбирают значение его тока в несколько раз (например, в 10) больше, чем ампераж подключаемой нагрузки. Далее, зная ток и напряжение, вычисляют суммарное сопротивление (R1+R2). Далее по таблицам подбирают ближайшие стандартные значения R1 и R2 (учитывая их допустимую мощность, чтобы избежать чрезмерного нагрева).

напряжения на резисторе и после

При разработке печатных плат для электронного оборудования специалистам часто приходится выполнять расчет делителя. С виду простая схема помогает уменьшить выходное напряжение, необходимое для питания отдельных элементов цепи. Такая компоновка является базовой для электроники. В основу изучения принципа действия входят два момента: схематическое исполнение и формула для вычисления параметров работы делителя.

Что такое делитель напряжения

Схематическое исполнение понижающего устройства представляет собой последовательную цепь, состоящую из двух резистивных элементов. Суммарные значения сопротивлений позволяют уменьшить входящее напряжение до необходимых параметров на выходе. Между собой они связаны передаточным коэффициентом, находящимся в интервале от 0 до 1, включая границы (0<=aplha<=1).

Общее представление делителя напряжения

Существует несколько вариантов схематического исполнения приборов, но все они обладают одним и тем же функционалом — понижать вольтаж для потребителей, однако ток на всех полюсах остается одинаковым. Два последовательных участка цепи называют плечами. Нижнее плечо находится между центральной точкой и нулевым потенциалом. Именно здесь необходимо снимать показатели работы схемы. Другое плечо является верхним.

 

Простая схема на резисторах

В зависимости от расположения резисторов, различают линейные и нелинейные схемы делителей. Первый вариант используют для создания разности потенциалов и вольтажа в нескольких точках рабочих узлов. Понижение входного напряжения определяется по линейному закону.

Дополнительная информация! Понижающие узлы применяют для постоянного и переменного тока. Структурное исполнение обоих отличается друг от друга, поскольку в некоторых случаях требует включение дополнительных фильтров для подавления помех и шумов.

В нелинейных схемах разница определяется по передаточному коэффициенту. Такие устройства активно применяют в потенциометрах. Здесь учитывают присутствие активного и реактивного сопротивления, включая нелинейные и токовые нагрузки.

Принцип работы делителя напряжения

В состав простейшей понижающей схемы всегда входит не меньше одного резистора. Если элементы обладают одинаковыми коэффициентами сопротивляемости электронов, то на выходе вольтаж понизится в два раза. Для каждого узла понижение рассчитывается по закону Ома.

Внимание! Сумма пониженных величин в каждой точке равна общему вольтажу источника питания.

Схема с несколькими резисторами

Резисторы используют в принципиальных схемах с источником питания постоянного тока. В цепях переменного напряжения присутствует еще и реактивное сопротивление, куда входят конденсаторы, индуктивные катушки и другие элементы с электромагнитными полями.

В цепях с синусоидальным током в качестве резистивного элемента выступает конденсатор или катушка. Их называют емкостными. Расчет ведется уже по другой формуле, так как емкость конденсаторов обратно пропорциональна их реактивному сопротивлению. Для вычисления резистивной составляющей необходимо учитывать постоянное число ПИ, частоту синусоидального тока (Гц) и емкость (Фарад). Таким образом получается, что с увеличением емкости падает сопротивление и наоборот.

Кроме конденсаторов, в качестве реактивных компонентов также могут выступать индуктивные катушки, которые могут присутствовать в платах переменного тока. Коэффициент реактивного сопротивления обмоток также прямо пропорционален их номинальным значениям. Для вычислений также необходимо постоянное число ПИ, частота переменного магнитного поля (Гц) и индуктивность (Генри).

Делитель на индукционных катушках

Внимание! В описании выше токовая нагрузка равна бесконечности, поэтому все значения верны только при полученных показателях делителя на сопротивления нагрузки. Они в несколько раз больше внутреннего.

Формула для расчета делителя напряжения

Начинающие радиолюбители часто задаются главным вопросом, как правильно рассчитать напряжение после резистора. Для этого необходимо знать, какой ток пойдет по цепи. В простейших схемах постоянного тока его вычисляют по линейному закону Ома. Формула расчета выглядит U=I*R, где:

• U — напряжение, В;
• I — ток, А;

В цепях с синусоидальным током, где присутствует реактивное сопротивление катушки или конденсатора, формула выглядит как R=1/(2*pi*f*L) и R=1/(2*pi*f*C) соответственно. В формуле использованы показатели:

График зависимости показателей от сопротивления

• R — реактивное сопротивление;
• R — сопротивление, Ом.
• pi — постоянное число Пи, равное 3,14;
• f — частота, Гц;
• L — индуктивность катушки, Генри;
• C — емкость конденсатора, Фарад.

Получив в расчетах внутреннюю резистивность элементов, далее можно воспользоваться линейной формулой для вычисления выходного значения.

На резисторе

В схеме делителя всегда участвует не меньше двух узлов нагрузки. Их коэффициенты могут быть равны другу, но и отличаться. Поэтому порой возникает необходимость получить номинал выходного вольтажа для каждого из них. Для этого используют всем известную формулу закона Ома: U=I*R.

После резистора

Для расчета показателя после резистора необходимо учитывать номиналы обоих элементов, так как они работают совместно друг с другом. Применив закон Ома, получается следующая формула: Uвых=Uпит*R1/(R1+R2), где:

• Uвых — вольтаж на выходе, В;
• Uпит — входной вольтаж, В;
• R1 — первый узел, Ом;
• R2 — второй узел, Ом.

Падение потенциалов за резистором рассчитывают для каждого узла в отдельности. То есть для второго элемента формула будет выглядеть так: Uвых=Uпит*R2/(R1+R2).

Делитель позволяет разработчикам получить несколько номинальных значений выходного напряжения от одного питающего источника. По этой причине схема получила широкое применение в электронике как в понижающих блоках питания, так и в качестве интегрированного узла электроцепи.

Делители напряжения — схемы, уравнения и приложения

Делитель напряжения, также известный как делитель потенциала, представляет собой очень распространенную простую схему, которая используется для преобразования большого напряжения в небольшое. Из этой статьи вы узнаете о:

• Что такое делитель напряжения?
• Схемы делителя напряжения
• Уравнение / формула делителя напряжения
• Применение делителей напряжения

Что такое делитель напряжения?

• Пассивная линейная схема, вырабатывающая выходное напряжение, составляющее часть входного напряжения.
• Он уменьшает входное напряжение до меньшего напряжения в зависимости от соотношения двух резисторов путем распределения входного напряжения между компонентами делителя.
• Часто используется для подачи напряжения, отличного от имеющегося в наличии аккумулятора или источника питания.
• Выходное напряжение делителя напряжения зависит от сопротивления входящей нагрузки.

Схема делителя напряжения

Схема делителя напряжения обычно выглядит так в схеме с последовательностью из 2 резисторов.

• R1 = резистор, ближайший к входному напряжению (Vin)
• R2 = резистор, ближайший к земле
• В _вход = входное напряжение
• В _выход = выходное напряжение на R2, которое является разделенным напряжением (1/4 от входное напряжение)

Формула / уравнение делителя напряжения

Уравнение для определения выходного напряжения цепи делителя:

R2 / R1 + R2 = Ratio определяет масштабный коэффициент уменьшенного напряжения.

Например,
V _в = 100, R ₁ = 20, R ₂ = 10

С помощью калькулятора получите:

Правило делителя напряжения

• Правило деления напряжения гласит: Напряжение, разделенное между двумя последовательными резисторами, прямо пропорционально их сопротивлению.
• Это означает, что ваша схема может иметь более 2 резисторов!
• Формула правила делителя напряжения:

Пример уравнения правила делителя напряжения:

Закон Ома

Теперь мы можем использовать закон Ома для расчета напряжения, протекающего через каждый резистор:

• Уравнение для закона Ома = E = IR
  • E = Ток на каждом резисторе
  • I = Ток цепи
  • R = Сопротивление

	R1	R2	R3	Всего
E (В)	5	10	15	30
I (А)	2.5 м	2,5	2,5 м	2,5 м
R (Ом)	2K	4K	6K	12K

Таким образом, ток на каждом резисторе составляет 5 В, 10 В и 15 В. соответственно!

Упрощенные уравнения

• Если вы решаете для R1,

• Если вы решаете для R2, ​​

Применение делителей напряжения

Цепи делителей напряжения

очень распространены и используются во многих приложениях.Вот несколько примеров того, где находится схема делителя напряжения:

Потенциометр

• Потенциометр — это пассивный электронный компонент с функцией скольжения или вращения, который действует как регулируемый делитель напряжения.
• Входное напряжение подается по всей длине потенциометра, а выходное напряжение (падение напряжения) регулируется фиксированным и скользящим контактом потенциометра.
• Существует два типа потенциометров
  • Поворотные потенциометры (поворотная ручка)
  • Линейный потенциометр (ползунок)
• Компания Seeed предлагает оба типа!

Grove — Потенциометр скольжения

• Как это работает?
  • Ручной стеклоочиститель, который перемещается, касается резистивной полосы материала.Когда он перемещается ближе к клемме 1 и дальше от клеммы 2, сопротивление уменьшается до клеммы 1, в то время как сопротивление увеличивается на клемме 2, и наоборот.
• Потенциометр полезен для получения переменного напряжения от источника постоянного напряжения. Он может подключать внешние клеммы потенциометра к источнику напряжения и контролировать необходимое напряжение между потенциометром и одной из внешних клемм вашей цепи.
• Потенциометр Grove — Slide включает линейный переменный резистор с максимальным сопротивлением 10 кОм.При перемещении ползунка выходное напряжение будет варьироваться от 0 В до применяемого вами Vcc.
• Он подключается к другим модулям Grove через стандартный 4-контактный кабель Grove.
• Ниже приведено изображение принципиальной схемы потенциометра:

• У него много целей, например, в качестве регулируемого резистора, автономного делителя напряжения с Arduino или даже в качестве устройства интерфейса пользователя (HID), что означает, что его можно использовать для управления автомобилем!
• Некоторые проекты, которые вы можете выполнять с помощью Grove — Slide Potentiometer, похожи на создание своего собственного Beatbox или Boombox с Arduino!

Grove — Датчик угла поворота (P)

• Датчик угла поворота Grove-Rotary (P) может выдавать аналоговый выходной сигнал от 0 до Vcc (5 В постоянного тока с Seeeduino) на разъеме D1.
• Со значением сопротивления 10 кОм идеально подходит для использования с Arduino.
• Он поддерживается на всех платформах MCU, таких как Arduino, Raspberry Pi, BeagleBone, Wio, а также LinkIt ONE.
• Один из проектов, который вы можете сделать с этим потенциометром, — это использовать его для управления яркостью светодиодов.

Использование Arduino для управления яркостью светодиода с помощью датчика угла поворота Grove (P)

Grove — Делитель напряжения

• Grove — делитель напряжения предоставляет интерфейс для измерения внешнего напряжения, который устраняет необходимость подключения сопротивления к входному интерфейсу.
• С помощью дискового переключателя вы можете легко выбрать коэффициент усиления напряжения, что упрощает его использование.

Чтение резистивных датчиков

• Большинство датчиков представляют собой простые резистивные устройства, такие как наш Grove — инфракрасный датчик отражения. Однако большинство из них могут считывать только напряжение, но не сопротивление.
• Добавив в схему еще один резистор, мы можем создать делитель напряжения вместе с датчиком.
• Поскольку мы можем проверить выход делителя напряжения, теперь мы можем рассчитать величину сопротивления датчика.
• Пример схемы показан ниже, где R2 — резистивный датчик:

• Например, резистивный датчик представляет собой датчик температуры Grove, который представляет собой термистор с сопротивлением комнатной температуры 350 Ом, где сопротивление R1 фиксировано на 350 Ом
• Использование уравнения делителя напряжения:

Температура	Vin (фиксированная)	R2	R1	R2 / (R1 + R2)	Vout
Холодная	5V	300 Ом	350 Ом	0 .46	2,3 В
Комнатная температура	5 В	350 Ом	350 Ом	0,5	2,5 В
Горячий	5 В	400 Ом	350 Ом	0,53	2,65 В

Переключатели уровня

• Что происходит, когда встречаются датчик и микроконтроллер с двумя разными напряжениями? Без выравнивания напряжения, например, напрямую связав микроконтроллер с логическим выходом 5 В с микроконтроллером 3.Входной датчик 3 В может вызвать повреждение цепи 3,3 В.
• Вот где главный герой: делитель напряжения спасает положение, действуя как переключатель уровня, который соединяет две цепи, использующие разные рабочие напряжения.
• Делитель напряжения может помочь снизить напряжение с микроконтроллера (например, с 5 В до 3,3 В), чтобы избежать повреждения датчика, что делает его безопасным для обращения с датчиком.
• Обратите внимание, что делитель напряжения может работать только в одном направлении: понижать напряжение, но не повышать.
• Вот таблица комбинаций резисторов для понижения часто встречающихся напряжений:

Комбинация резисторов	Напряжения, которые необходимо выровнять
4,7 кОм и 3,9 кОм	9 В до 5 В
3,6 кОм и 9,1 кОм	от 12В до 3,3В
от 3,3 кОм и 5,7 кОм	от 9В до 3,3В

• Обратите внимание, что не рекомендуется использовать делитель напряжения для понижения уровня большой нагрузки, такой как 12В. до 5 В, поскольку они не предназначены для подачи такого питания на нагрузку, как с такой нагрузкой, это может расплавить резистор.(Вместо этого вы можете использовать регуляторы напряжения, такие как наш регулируемый преобразователь постоянного и постоянного тока (1,25 В — 35 В и 3 А)

Резюме

Обладая всеми знаниями делителя напряжения в ваших руках, вы можете превратить любое напряжение в меньшее, как фокусник! Хотите проверить свои навыки, создав свой собственный проект делителя напряжения? Вот несколько идей проектов, которые помогут вам начать использовать потенциометр и Arduino для создания битбокса или бумбокса на нашей вики-странице: Grove — Slide Potentiometer Wiki

Следите за нами и ставьте лайки:

Продолжить чтение

Делитель напряжения (делитель потенциала) и делитель тока

Делитель напряжения и Делитель тока — это наиболее распространенные правила, применяемые в практической электронике.Как вы знаете, в схеме есть два типа комбинаций: последовательное и параллельное соединение. Параллельные схемы также известны как схемы делителей тока, потому что в этих схемах ток делится через каждый резистор. В то время как последовательные цепи известны как схемы делителей напряжения, потому что здесь напряжение делится на все резисторы. Правило деления напряжения и правило деления тока необходимо для понимания напряжения и тока, протекающих через каждый резистор.Эти правила разделения используются в большинстве распространенных электронных устройств.

Схема делителя напряжения

Чтобы пропустить ток через электрический проводник, необходимо приложить электродвижущую силу. Когда мы говорим, что ток I проходит через резистор R, из этого логически следует, что сила, действующая на резистор R. Эта сила известна как разность потенциалов или падение напряжения на резисторе R. любая часть электрической цепи трех величин i.е. напряжение, ток и сопротивление объединяются.

Как мы узнали, последовательная схема называется схемой делителя напряжения. Это схема, которая делит напряжение на мелкие части. Итак, с источником питания и двумя резисторами мы можем сделать простую схему делителя напряжения. Здесь нам нужно соединить два резистора последовательно, а затем подать источник напряжения через последовательную цепь.

Схема делителя напряжения

В этом случае подключаются резистор R1 на 5 Ом и резистор R2 с сопротивлением 10 Ом.Напряжения V _out1 и V _out2 делятся между резисторами R1 и R2. Их можно рассчитать с помощью простого уравнения деления напряжения.

Где R _x — это резистор, на котором нам нужно найти напряжение, а R _total — полное сопротивление (R1 + R2) в цепи. Его можно просто рассчитать, сложив их все, поскольку они соединены последовательно. Таким образом, в данной схеме значения напряжения на каждом резисторе равны

.

Следовательно, напряжение на R1 составляет 4 В, а напряжение на R2 — 8 В.Таким образом, здесь напряжение делится в цепи между резисторами. Следовательно, это называется схемой делителя напряжения.

Делители напряжения

используются во многих приложениях, но они широко используются во всех типах переменных резисторов. Возьмем пример потенциометра. Потенциометр — это переменный резистор, который можно использовать для создания регулируемого делителя напряжения. Потенциометр имеет три клеммы, две клеммы подключены к концам резистора, а средняя клемма подключена к дворнику.У него одно сопротивление. Два внешних контакта подключены к источнику напряжения, а средний вывод действует как делитель напряжения.

Цепь делителя тока

Делитель тока — это цепь, которая делит ток на мелкие части. Как мы узнали, параллельные цепи представляют собой схему делителя тока. Таким образом, с источником питания и двумя параллельными резисторами мы можем сделать простую схему делителя тока. Как и в схеме делителя тока, здесь нам нужно соединить два резистора параллельно, а затем подать источник тока через параллельную цепь.

Цепь делителя тока

«I ₁ » и «I ₂ » — это ток, разделенный между резисторами R1 и R2. Их можно рассчитать с помощью простого уравнения деления тока.

«I _n » — это требуемый ток, протекающий через резистор R _n . R _eq — эквивалентное сопротивление параллельных резисторов.

Эквивалентное сопротивление (R _eq ) равно

Таким образом, ток, протекающий через резисторы R1 и R2, будет равен

.

Здесь резисторы одинакового номинала, поэтому ток через каждый резистор будет делиться ровно пополам.Таким образом, это известно как схема делителя тока.

Практически каждая цепь, с которой мы сталкиваемся, представляет собой схему делителя напряжения или тока, либо они могут быть обеими сразу. Делители напряжения используются во множестве приложений, таких как переменные резисторы (потенциометр), LDR, термисторы и современные устройства, такие как акселерометр. Цепи делителя тока в основном используются для упрощения схем, которые упростят прогнозирование выбора резистора.

Расчет делителя напряжения

Просмотрите схему делителя напряжения, представленную здесь, и рассчитайте выходное напряжение с помощью калькулятора делителя напряжения по следующей формуле делителя напряжения:

В _выход = (В _дюйм x R ₂ ) / (R ₁ + R ₂ )

Здесь:

• В _в — входное напряжение
• R1 — сопротивление 1-го резистора,
• R2 — сопротивление 2-го резистора,
• V _out — выходное напряжение.

В качестве альтернативы вы также можете использовать этот калькулятор делителя напряжения, чтобы получить любые 3 известных значения в цепи и вычислить 4-е.

---

Схема делителя потенциала — очень распространенная схема, используемая в электронике, где входное напряжение должно быть преобразовано в другое напряжение, меньшее, чем оно. Эта схема очень полезна для всех аналоговых схем, где требуются переменные напряжения, поэтому важно понимать, как эта схема работает и как рассчитывать значения резисторов.

Схема делителя напряжения — это очень простая схема, состоящая всего из двух резисторов (R1 и R2), как показано выше. Требуемое выходное напряжение (Vout) можно получить на резисторе R2. Используя эти два резистора, мы можем преобразовать входное напряжение в любое требуемое выходное напряжение, это выходное напряжение определяется значением сопротивления R1 и R2. Формулы для расчета Vout показаны ниже.

V _out = (V _дюйм x R ₂ ) / (R ₁ + R ₂ )

Где, Vout = выходное напряжение Vin = входное напряжение и R1 = верхний резистор R2 = нижний резистор

Мы можем использовать вышеупомянутый калькулятор делителя напряжения для вычисления любого из значений, упомянутых в формулах делителя напряжения , но теперь давайте узнаем, как были получены эти формулы.Рассмотрим схему ниже, которую можно использовать для преобразования входного сигнала 5 В в выходное напряжение 3,3 В для анализа

.

Чтобы понять, как выводятся формулы потенциального дайвера, нам нужен калькулятор закона Ома, согласно закону Ома падение напряжения в любом месте является произведением тока, протекающего по цепи, и сопротивления в ней.

Напряжение = Ток, протекающий через × Сопротивление на напряжении

Давайте воспользуемся этим, чтобы вычислить входное напряжение (Vin) для вышеуказанной схемы.Здесь есть два резистора на входном напряжении Vin, следовательно,

Входное напряжение = ток × (сопротивление 1 + сопротивление 2)

Vin = I × (R1 + R2) ( 1)

Аналогичным образом рассчитаем выходное напряжение (Vout), здесь есть только один резистор (R2), следовательно,

Выходное напряжение = ток × сопротивление R2

Vвых. = I × R2 ( 2)

Если мы посмотрим на уравнения 1 и 2, мы можем заметить, что значение тока одинаковое, поэтому давайте перепишем

Уравнение 1 как, I = Vin / (R1 + R2)

Уравнение 2 как, I = Vout / R2

Поскольку ток, протекающий по цепи, постоянен, ток I останется одинаковым для обоих уравнений, поэтому мы можем приравнять их как

Вин / (R1 + R2) = Vout / R2

V _out = (V _дюйм x R ₂ ) / (R ₁ + R ₂ )

Давайте проверим этот делитель напряжения по формуле для указанной выше схемы, где Vin = 5 В, R1 = 1000 Ом и R2 = 2000 Ом.

Выход = (5 × 2000) / (1000/2000)

Выход = (10000) / (3000)

Vout = 3,3333 В

Еще одним важным фактором, который следует учитывать при выборе номиналов резистора, является его номинальная мощность (P) . Как только вы узнаете значения I (в зависимости от нагрузки), Vin, R1 и R2, сложите R1 и R2 вместе, чтобы получить R _ИТОГО , и используйте калькулятор закона Ома, чтобы узнать номинальную мощность (ватт), необходимую для резисторов. Или просто используйте формулы P = VI, чтобы определить номинальную мощность вашего резистора.Если не выбрана правильная номинальная мощность, резистор будет перегреваться и также может сгореть.

Что такое делитель напряжения?

Делитель напряжения представляет собой простую схему, которая может понижать напряжение. Он распределяет входное напряжение между компонентами схемы. Лучшим примером делителя напряжения являются два последовательно соединенных резистора, при этом входное напряжение прикладывается к паре резисторов, а выходное напряжение снимается с точки между ними. Он используется для создания разных уровней напряжения от общего источника напряжения, но с одинаковым током для всех компонентов в последовательной цепи.

Схема делителя напряжения

Падение напряжения и входное напряжение

Падение напряжения на R2 — это выходное напряжение, а также разделенное напряжение в цепи. Делитель напряжения относительно земли создается путем последовательного соединения двух резисторов. Входное напряжение прикладывается к последовательным сопротивлениям R ₁ и R ₂ , а выходное напряжение — через R ₂ . Отсюда следует, что то же самое значение электрического тока, протекающего через каждый резистивный элемент цепи, некуда больше деваться.Таким образом обеспечивается падение напряжения IxR на каждом резистивном элементе.

Имея напряжение питания, мы можем применить закон напряжения Кирхгофа и закон Ома, чтобы найти падение напряжения на каждом резисторе, рассчитанное исходя из общего тока, протекающего через них.

Используя KVL (закон Кирхгофа),

С законом Ома,

Используя два приведенных выше уравнения, вы получите:

Уравнения делителя напряжения

В делителе напряжения выходное напряжение всегда уменьшает входное напряжение и ток, протекающий через последовательную сеть, которые можно рассчитать по закону Ома, I = V / R.Поскольку ток общий для обоих резисторов, ток на них одинаков. Мы можем рассчитать падение напряжения на резисторе R ₂ , используя следующее уравнение:

Из приведенного выше уравнения вы можете решить падение напряжения на R ₂ :

Аналогично, для резистора R ₁ можно использовать уравнение:

Тогда при решении падения напряжения на R1:

Пример задачи

Рассчитайте падение напряжения, возникающее на каждом резисторе, и сколько тока будет протекать через резистор 30 Ом, подключенный последовательно с резистором 50 Ом, когда напряжение питания на последовательной комбинации составляет 10 вольт постоянного тока.

Расчет сопротивления

Рассчитайте общее сопротивление в цепи и просто сложите все это, поскольку резисторы включены последовательно.

Общее сопротивление позволит вам рассчитать ток, протекающий в резисторах.

Используя приведенные выше уравнения, можно рассчитать падение напряжения на резисторах.

Делитель напряжения и правило 10%

Вы должны знать подаваемое напряжение и сопротивление нагрузки при создании делителя напряжения для конкретной нагрузки.Делитель напряжения должен иметь только 10% тока утечки — ток, непрерывно потребляемый от источника напряжения, чтобы уменьшить влияние изменений нагрузки или обеспечить падение напряжения на резисторе. Это означает, что ток, проходящий через нагрузку, в десять раз больше тока, проходящего через нижнюю часть делителя напряжения на землю.

Например:

Этот делитель напряжения должен обеспечивать напряжение 25 В и ток 910 мА на нагрузку от источника напряжения 100 В.

Расчет R1 и R2

Определите размер резистора, используемого в цепи делителя напряжения, используя 10% эмпирическое правило. Ток в резисторе делителя должен составлять примерно 10% тока нагрузки. Этот ток, который не проходит ни через одно из устройств нагрузки, называется током утечки.

Сначала определите требования к нагрузке и доступный источник напряжения.

Затем найдите истекающий ток, применив правило 10%.

После получения тока утечки теперь можно рассчитать сопротивление кровотока на R1.

Затем найдите общий ток, сложив ток нагрузки и утечки.

Теперь по рассчитанным значениям вы можете найти значение R2.

Теперь вы можете перерисовать схему делителя напряжения, следуя правилу 10%.

Обратите внимание, что на первом рисунке значение сопротивления параллельной сети всегда меньше, чем значение наименьшего резистора в сети, поскольку нагрузка, подключенная между точкой B и землей, образует параллельную сеть нагрузки и резистора R1.

Лестница напряжения

Лестница напряжения — это цепь, состоящая из нескольких последовательно включенных резисторов, с напряжением, подаваемым на всю сеть резисторов. На каждом резисторе в сети падение напряжения выше, чем на предыдущем. Поскольку резисторы в лестнице включены последовательно, ток везде одинаковый. Чтобы получить его значение, вам следует разделить общее напряжение на общее сопротивление. Падение напряжения на каждом резисторе можно рассчитать, умножив общий ток на значение каждого резистора.Напряжение относительно земли в любом узле может быть определено как сумма напряжений, падающих на каждый резистор между этим узлом и землей.

Лестничная схема напряжения

Основное руководство по делителям напряжения

В этом руководстве мы исследуем очень важный и фундаментальный элемент электронных схем, а именно делители напряжения.

Делитель напряжения — это довольно простая пассивная схема, которая играет очень важную роль.Проще говоря, делитель напряжения преобразует большое напряжение в меньшее.

Базовая схема делителя напряжения состоит из двух последовательно соединенных резисторов, которые создают выходное напряжение, составляющее лишь часть входного напряжения.

Входное напряжение подается на два резистора, а желаемое выходное напряжение поступает от соединения между двумя резисторами. Второй резистор обычно подключается к земле.

Базовая схема делителя напряжения

Ниже приведены некоторые примеры того, как можно увидеть схему или нарисовать схему делителя напряжения.

Все схемы делителей напряжения должны выглядеть примерно одинаково. Цепи должны состоять из двух резисторов. Один резистор должен быть подключен к земле, другой — к источнику напряжения и проводу, идущему между парой с выходным напряжением.

Как вы можете видеть в базовой настройке схемы делителя напряжения, резистор, ближайший к входному напряжению ( Vin, ), обычно обозначается как R1. Резистор, ближайший к заземлению, обычно обозначается как R2 .

Падение напряжения, вызванное входным напряжением, проходящим через пару резисторов ( R1 и R2 ), обозначается как Vout .

Результирующее падение напряжения — это то, что мы будем называть нашим разделенным напряжением. Это разделенное напряжение является частью исходного входного напряжения ( Vin ).

Мы используем R1 , R2 , Vin и Vout для именования элементов схемы, поскольку они имеют решающее значение для понимания значений, которые вам понадобятся для уравнения делителя напряжения.

Формула делителя напряжения

Уравнение делителя напряжения предполагает, что вам известны три значения, используемые в цепи.

Значения, которые вам нужно знать, чтобы использовать уравнение, следующие три.

Вам необходимо знать как номиналы резистора ( R1, и R2, ), так и входное напряжение ( Vin ).

Использование этих трех значений в приведенном ниже уравнении позволит нам рассчитать выходное напряжение схемы делителя напряжения.

Теперь мы в последний раз рассмотрим переменные, используемые в уравнении делителя напряжения, чтобы вы имели твердое представление о каждой переменной.

• Vin — входное напряжение, измеренное в вольтах ( В )
• R1 — сопротивление первого резистора в делителе напряжения, измеренное в Ом Ω
• R2 — сопротивление 2-й резистор в делителе напряжения, измеренное в Ом Ом
• Vout — это выходное напряжение, измеренное в вольтах ( В, )

Калькулятор делителя напряжения

Если вы хотите быстро рассчитать выходное напряжение генерируемые вашей схемой делителя напряжения, вы можете использовать наш удобный калькулятор.

Все, что вам нужно сделать, это ввести значения для ваших двух резисторов и входного напряжения, калькулятор автоматически рассчитает соответствующее выходное напряжение.

Примеры формул делителя напряжения

Для нашего первого примера использования формулы делителя напряжения мы собираемся использовать следующие значения:

• Vin как 5 v,
• R1 как 220 Ω резистор,
• и R2 в качестве резистора 680 Ом.

Теперь, если мы подставим эти значения в уравнение делителя напряжения, мы должны получить что-то вроде того, что мы показали ниже.

Для начала мы сложим значения резисторов R1 и R2 вместе. Таким образом, в нашем примере выше это будет 220 + 680 , что равно 900 .

Мы заменим 220 + 680 в нашей формуле на наш результат, так что мы получим следующее уравнение.

Теперь, когда мы выполнили простое сложение, мы можем, наконец, вычислить часть деления уравнения делителя напряжения.

Просто разделите значение R2 на рассчитанное значение R1 + R2 . В нашем примере это будет 680 , разделенное на 900 .

Используя калькулятор, мы получим 0,7555555555555556 , но для простоты мы округлим это число до 2 десятичных знаков, то есть число станет 0.76 .

Замените часть деления в вашей формуле полученным значением, теперь ваше уравнение должно выглядеть так, как показано ниже.

Наконец, мы можем просто умножить Vin на нашу рассчитанную величину деления резистора. В нашем случае просто умножьте 5 на 0,76 .

Результат этого умножения даст вам сумму Vout . В нашем случае это результат 3.8 Вольт.

Упрощение формулы

Есть несколько упрощений, которые мы можем сделать для уравнения делителя напряжения.Однако в этом руководстве мы проведем вас только по следующему.

Используя упрощения, вы можете упростить быструю оценку схемы делителя напряжения.

Это упрощение говорит о том, что если номиналы резистора R1 и резистора R2 одинаковы, то выходное напряжение равно половине входного напряжения.

Применение делителя напряжения

Делители напряжения находят множество применений в электронных схемах и являются основным компонентом многих электронных схем.

Ниже мы покажем вам некоторые из немногих применений схемы делителя напряжения.

Потенциометры

Потенциометр является одним из наиболее часто используемых элементов электронной схемы и используется в качестве основного компонента в большом количестве различных продуктов.

Вот некоторые примеры устройств, в которых используется потенциометр:

• Измерение положения на джойстике
• Создание опорного напряжения
• Управление уровнем звука в динамиках
• Среди прочего

Потенциометр — это переменный резистор, который действует как регулируемые делители напряжения.

Внутри потенциометра находится единственный резистор, разделенный стеклоочистителем. Этот дворник — это то, что вы перемещаете, что регулирует соотношение между двумя половинами резистора.

Снаружи горшка вы найдете три контакта, контакты с обеих сторон представляют собой соединение между каждым концом резистора, вы можете рассматривать их как R1 и R2 .

Штифт посередине — это то, что подсоединено к дворнику. Теоретически это похоже на Vout в схеме делителя напряжения.

Чтобы подключить потенциометр таким образом, чтобы он действовал как регулируемый делитель напряжения, вам необходимо подключить одну сторону к входному напряжению ( Vin, ), а другую сторону — к заземлению.

Если оба внешних контакта подключены правильно, средний контакт будет действовать как выход вашего делителя напряжения ( Vout ).

При повороте потенциометра в одну сторону напряжение приближается к нулю, а при установке в другую сторону напряжение приближается к входному.

Вращение потенциометра в среднее положение фактически означает, что выходное напряжение будет вдвое меньше входного.

Сдвигатель уровня

Сдвигатель уровня — важная концепция, которую необходимо понимать при работе с цифровой электроникой. Их также можно назвать схемами «переключателя логического уровня» или «схемой преобразования уровня напряжения».

Уровнемеры используются для переключения напряжения с одного уровня на другой. Это часто используется для обеспечения совместимости между ИС, которые имеют разные требования к напряжению.

Некоторые из более сложных датчиков, которые используют интерфейсы, такие как UART, SPI или I2C для передачи своих показаний, часто имеют дело с разными уровнями напряжения.

Одним из примеров возможного использования этого является работа с платой микроконтроллера, такой как Raspberry Pi.

Raspberry Pi — интересный пример использования переключателя уровня. Несмотря на то, что Raspberry Pi обеспечивает выходы питания как 5 В, так и 3,3 В, его контакты GPIO предназначены только для обработки входа 3,3 В.

Использование делителя напряжения в цепи позволит нам понизить напряжение с 5 В до 3,3 В для входного контакта.

Ниже мы рассмотрим пример использования схемы делителя напряжения с Raspberry Pi для сдвига уровня выходного сигнала датчика с 5 В до 3,3 В.

Пример смещения уровня

Например, в нашем руководстве по датчику расстояния мы используем ультразвуковой датчик HC-SR04.

Этот датчик использует входное напряжение 5 В, что означает, что нам нужно понизить выходной сигнал на выводе Echo с 5 В до 3.3 В до того, как он достигнет контактов GPIO.

Мы можем рассчитать резисторы, которые нам нужны, выбрав начальное значение резистора. Резисторы между 1 кОм — 10 кОм лучше всего подходят для понижения напряжения с 5 В до 3,3 В .

В нашем примере мы будем использовать резистор 1 кОм . Чтобы найти второй резистор, который нам нужно использовать, мы воспользуемся еще одной перестроенной версией уравнения делителя напряжения.

Чтобы вычислить значение R2 , нам нужно знать Vin , Vout и значение нашего резистора R1, который мы планируем использовать.

Имея под рукой эти 3 значения, мы можем использовать следующее уравнение.

Заполнив это уравнение нашими известными значениями, мы можем использовать его для расчета номинала резистора, который нам нужен, чтобы понизить напряжение с 5 В до 3,3 В.

С нашими входными и выходными значениями и нашим резистором R1 1 кОм вы должны получить следующее уравнение.

Сначала вы должны вычислить обе половины деления, если вы умножите на Vout ( 3.3 ) на значение R1 ( 1000 ) должно получиться 3300 .

Теперь нам также нужно сделать нижнюю половину, вычитая , Vout из Vin , в этом примере это 5 — 3,3 , что равно 1,7 .

Наконец, разделите оба значения, чтобы получить значение сопротивления, в нашем примере это 3300 , разделенное на 1,7 .

Помещая это в калькулятор, мы получаем большое длинное число, но мы упростим его до ближайших 2 десятичных знаков.

Используя это значение, мы можем сделать вывод, что резистора 2 кОм должно быть более чем достаточно для понижения напряжения 5 В до 3,3 В .

Считывание резистивных датчиков

Вы можете заметить одну вещь: многие датчики в реальном мире представляют собой простые резистивные устройства, предназначенные для реакции на определенные элементы.

Например, датчик LDR (светозависимый резистор), подобный тому, который мы используем в нашем учебнике по датчику освещенности, работает, создавая сопротивление, пропорциональное количеству подобных, которые его касаются.

Есть также много других датчиков, которые фактически представляют собой просто модные резисторы, такие как термисторы, датчики изгиба и чувствительные к силе резисторы.

К сожалению, в отличие от напряжения (в сочетании с аналого-цифровым преобразователем) сопротивление на таких компьютерах, как Raspberry Pi, не так просто измерить.

Однако мы можем упростить задачу, переделав схему в делитель напряжения. Это просто, как добавить резистор, поэтому схема будет больше похожа на схемы, которые мы показали ранее в этом руководстве.

Таким образом, мы можем использовать напряжение, подаваемое нам от делителя напряжения, для расчета текущего уровня освещенности.

Добавив резистор известного вам значения, например резистор 1 кОм, вы затем сможете вычислить сопротивление LDR при различных уровнях освещенности, изменив формулу, использованную ранее.

Все, что нам нужно знать, это номинал резистора Vin , Vout и R1 .

Используя приведенное выше уравнение, вы можете быстро рассчитать сопротивление LDR на самом темном и самом ярком уровнях света.

Это даст нам представление о его самом высоком и самом низком сопротивлении.

Когда у вас есть оба этих значения сопротивления, вы можете вычислить значение резистора, которое находится между ними, это даст вам наибольшее разрешение для расчета текущего света через аналого-цифровой преобразователь.

Например, сопротивление фотоэлемента может варьироваться от 1 кОм, на свету и приблизительно 10 кОм, в темноте.

Итак, используя резистор, значение которого находится где-то посередине, например, 5.Резистор 1 кОм , мы можем получить самый широкий диапазон от нашего LDR.

Я надеюсь, что это руководство помогло вам понять, что такое делитель напряжения и как его можно использовать в схемах, а также рассчитать результирующее напряжение.

Если вы думаете, что мы что-то упустили или ошиблись, то обязательно сообщите нам об этом в разделе комментариев ниже. Мы также открыты для любых других отзывов, которые могут у вас возникнуть.

Основы схемы делителя напряжения

В этом руководстве мы узнаем об одной из широко известных и используемых схем в электронике i.е. Делитель напряжения или делитель потенциала. Мы увидим базовую схему делителя напряжения и проанализируем ее функциональность. Мы также рассмотрим формулу для калькулятора делителя напряжения (выведем ее из закона Ома) и, наконец, некоторые общие применения типичной схемы делителя напряжения.

Введение

В электронике существует множество базовых схем, которые на бумаге могут показаться простыми, но практически служат большой цели. Одной из таких схем является схема делителя напряжения, которую иногда называют схемой делителя потенциала.

Прежде чем углубиться в понимание схемы делителя напряжения, давайте сначала рассмотрим проблему и посмотрим, как мы можем решить ее с помощью делителя потенциала.

Рассмотрим микроконтроллер, работающий от источника питания 5 В. Для простоты пусть этот микроконтроллер будет Arduino (а для ATmega328P на плате Arduino Uno требуется источник питания 5 В).

Теперь предположим, что вы хотите реализовать проект, который включает в себя модуль Bluetooth (например, Bluetooth Controlled Home Appliances или DIY Robotic Arm на базе Bluetooth).Один из часто используемых модулей Bluetooth для проектов DIY — HC-05.

Модуль Bluetooth HC-05 может быть подключен к Arduino Uno с использованием связи UART, то есть контактов 0 и 1 Arduino Uno (RX и TX соответственно). Эти контакты должны быть подключены к соответствующим контактам TX и RX модуля Bluetooth HC-05. Но здесь есть проблема.

Если вы использовали этот модуль ранее или видели один из наших проектов, реализованных с использованием этого модуля, то вы, возможно, знакомы с его номинальной мощностью i.е. он работает от источника питания 3,3 В. Это означает, что контакты RX и TX HC-05 работают на уровне 3,3 В.

Обратите внимание, что некоторые модули HC-05 могут питаться от источника питания 5 В, поскольку они имеют встроенный регулятор от 5 до 3,3 В. Но это ограничено источником питания и контактами связи, то есть RX и TX по-прежнему работают на уровне 3,3 В.

Это означает, что мы не можем напрямую подключить модуль Bluetooth Arduino Uno и HC-05, используя их контакты UART в качестве выхода 5 В для TX Arduino Uno (который должен быть подключен к 3.Вывод 3V RX на HC-05) может повредить периферийное устройство или, что еще хуже, полностью разрушить модуль.

Обратите внимание, что TX модуля HC-05 Bluetooth может быть подключен к RX модуля Arduino Uno напрямую, так как выход TX модуля HC-05 составляет 3,3 В, и у Arduino Uno не будет проблем с этим. Проблема только в другом пути, т.е. 5 В TX Arduino Uno и 3.3 В RX HC-05.

Итак, мы должны сначала преобразовать сигнал 5 В с контакта TX Arduino Uno в уровень 3,3 В, а затем подключить его к контакту RX модуля Bluetooth HC-05.Вот где пригодится простая схема делителя напряжения.

Что такое схема делителя напряжения?

Схема делителя напряжения или схема делителя потенциала — это простая электронная схема, которая преобразует более высокое входное напряжение в более низкое выходное напряжение, просто используя пару резисторов. Он часто используется в аналоговых схемах, например, в схемах на основе операционных усилителей, где требуемое напряжение может быть переменным.

На следующем изображении показана простая схема делителя напряжения, состоящая из двух резисторов R1 и R2.VIN — это входное напряжение, а VOUT — выходное напряжение, снимаемое на резисторе R2.

Таким образом, просто используя два резистора R1 и R2, мы можем преобразовать любое входное напряжение VIN в любое желаемое выходное напряжение VOUT, соответствующим образом выбрав значения R1 и R2.

Уравнение делителя напряжения

Формула для расчета выходного напряжения VOUT сети делителя напряжения приведена ниже:

VOUT = (VIN * R2) / (R1 + R2)

Где, VIN = Входное напряжение

VOUT = выходное напряжение

R1 и R2 значения двух резисторов.

Из приведенного выше уравнения формулы делителя напряжения мы можем подтвердить, что коэффициент масштабирования для выходного напряжения определяется соотношением R2 / (R1 + R2) .

Получение уравнения делителя напряжения

В основе схемы делителя напряжения лежит закон Ома. Фактически, мы можем вывести уравнение делителя напряжения, просто используя закон Ома. Мы знаем, согласно закону Ома, что ток, протекающий в цепи, прямо пропорционален напряжению, соответствующему потенциалу, различающемуся в цепи.

В приведенном выше утверждении константа пропорциональности — это сопротивление цепи (или компонента).

Используя закон Ома в приведенной выше схеме, мы можем вычислить входное напряжение как

VIN = I * R1 + I * R2 = I * (R1 + R2)

Аналогично выходное напряжение

VOUT = I * R2

Если мы рассмотрим два приведенных выше уравнения, станет ясно, что ток одинаков в обоих уравнениях, и, следовательно, мы можем переписать приведенные выше уравнения следующим образом:

I = VIN / (R1 + R2) и

I = VOUT / R2

Приравнивая два приведенных выше уравнения, получаем

VOUT / R2 = VIN / (R1 + R2)

Наконец, VOUT = VIN * R2 / (R1 + R2)

Пример

Давайте посмотрим на пример уравнения делителя напряжения.Пусть VIN равен 5 В, а значения R1 и R2 равны 10000 Ом (10 кОм) и 20000 Ом (20 кОм) соответственно. Из приведенного выше уравнения мы можем рассчитать значение VOUT следующим образом:

VOUT = 5 * 20000 / (10000 + 20000)

VOUT = 3,3 В

Эта комбинация R1 как 10 кОм и R2 как 20 кОм является одной из обычно используемых схем делителя напряжения для преобразования сигнала уровня 5 В в сигнал уровня 3,3 В.

Приложения

Делители напряжения

довольно часто используются как в аналоговых, так и в цифровых схемах.Некоторые из распространенных применений схем делителя напряжения упомянуты ниже.

Уровнемеры

Одно из основных применений делителя напряжения — это устройство для сдвига уровня. Как уже упоминалось во введении, если микроконтроллер и датчик работают с разными уровнями напряжения, то с этим справится простой переключатель уровня, состоящий из пары резисторов, настроенных в стиле делителя напряжения.

Типичное требование — преобразовать сигнал 5 В с микроконтроллера в сигнал 3.Сигнал 3В для датчика. Мы можем сделать это, просто используя два резистора 10 кОм и 20 кОм в качестве R1 и R2.

ПРИМЕЧАНИЕ: резистор 20 кОм не является обычным, и вы можете использовать два резистора 10 кОм последовательно. В качестве альтернативы можно использовать резистор 1 кОм в качестве R1 и довольно распространенный резистор 2,2 кОм в качестве R2. В этом случае выходное напряжение будет 3,4 В, но оно будет приемлемым для датчика.

Потенциометры

Потенциометр или просто POT — это переменный резистор с тремя выводами.С помощью потенциометра можно реализовать схему делителя напряжения с переменным выходным напряжением. Вы можете добиться этого, подключив входное напряжение к крайним контактам потенциометра, а выходное напряжение — через клемму стеклоочистителя.

Регулируя положение дворника потенциометра, также изменяется выходное напряжение.

Резистивные датчики (LDR и термистор)

В проектах DIY обычно используются два датчика: LDR (светозависимый резистор) и термистор.Оба эти датчика относятся к резистивному типу. Но проблема в том, что микроконтроллер, такой как, например, Arduino, будет считывать только напряжения на входе.

Подключив резистивные датчики (LDR или термистор) в схему делителя напряжения, вы можете получить напряжение на датчике и запрограммировать микроконтроллер на соответствующее масштабирование значения.

Делители напряжения

| Книга Ultimate Electronics

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем

---

Чрезвычайно распространенная конфигурация резисторов 2+.Приближения, рекомендации по проектированию. Пример светодиодного регулятора тока. Читать 22 мин

Делители напряжения — это просто определенные комбинации резисторов, последовательно подключенных к идеальным источникам напряжения и тока.

В то время как математика решения этих схем была рассмотрена в предыдущих разделах, делители напряжения заслужили свое собственное название, потому что они появляются достаточно часто, чтобы быть полезным сокращением при анализе многих более крупных схем. (Поскольку более сложные подсхемы могут быть аппроксимированы как один резистор, этот термин и методы также могут применяться в более широком смысле, помимо резисторов.Мы начнем с идеального случая, рассмотрим неидеальный случай, а затем покажем, когда приближения полезны при проектировании и анализе.

Когда вы видите, как опытный инженер-электрик бросает быстрый взгляд на аналоговую схему и быстро определяет, что происходит, он, скорее всего, делает приближения делителя напряжения в своей голове — иногда даже не осознавая этого!

---

Идеальный делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных резисторов. Физически это иногда реализуется в виде потенциометра, который разделяет один физический резистор на два с физически подвижным проводящим центральным контактом.Но чаще всего это два дискретных постоянных резистора.

Когда на пару подается напряжение, выходное напряжение составляет некоторую часть входного напряжения:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Измените сопротивления и посмотрите, как изменяется выходное напряжение в ответ.

Это можно увидеть, используя закон Кирхгофа плюс закон Ома, чтобы записать сумму разностей напряжений вокруг контура:

vin-iR1-iR2 = 0вин = i (R1 + R2) vinR1 + R2 = i

Теперь мы можем записать закон Ома для R2, ​​vout = iR2 (поскольку другой конец R2 заземлен), и подставляем в наше выражение для тока контура i выше:

vout = vin (R2R1 + R2)

Для удобства вытащим дробь f , коэффициент делителя напряжения :

f = R2R1 + R2

где vout = vin⋅f .Поскольку сопротивления не могут быть отрицательными, 0≤f≤1 .

Есть несколько особых случаев, о которых следует подумать:

1. В относительно частом частном случае двух равных сопротивлений R1 = R2 , отношение f = 12 .
2. Если R1≫R2 отношение f → 0 .
3. Если R1≪R2 отношение f → 1 .

Эти приближения невероятно полезны, и более подробные версии разработаны в Алгебраических приближениях.

Делитель напряжения всегда выдает уменьшенную версию входного напряжения.Вот пример с делителем напряжения, управляемым синусоидой от функционального генератора:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше и посмотреть на взаимосвязь между входными и выходными сигналами.

---

Поскольку делитель напряжения выводит масштабированную мультипликативно версию входного сигнала, если мы возьмем логарифм обеих сторон (по любому основанию), мы обнаружим, что коэффициент делителя напряжения превращается в аддитивную константу:

vout = vin⋅flog (vout) = журнал (vin) + журнал (f)

As f≤1 , всегда будет так, что log (f) ≤0 .

Вот пример с функциональным генератором, управляющим делителем напряжения, где мы отображаем напряжения в логарифмической шкале:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Обратите внимание, как в логарифмическом масштабе две кривые кажутся просто сдвинутыми по вертикали на постоянное смещение. В разделе «Advanced Graphing» измените его обратно на линейный масштаб, чтобы увидеть исходный сигнал.

В этом примере мы особо позаботились о том, чтобы наш входной сигнал оставался строго положительным, но вы также можете применить ту же логику к амплитуде сигнала, который со временем становится как положительным, так и отрицательным.В этом случае делитель напряжения производит сдвиг амплитудного графика в частотной области:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.

При запуске этого моделирования графики входного и выходного напряжений с уровнем −6 дБ. сдвиг между входной и выходной амплитудой. Это −6 дБ потому что амплитуда напряжения уменьшается вдвое. Дополнительные сведения см. В разделах «Порядок величины», «Логарифмические шкалы» и «Децибелы».

---

Делители напряжения могут быть выполнены с N резисторы серии N − 1 узлы между ними.Пока нет тока, входящего или выходящего из цепи делителя напряжения, с точки зрения любого конкретного ответвления, резисторы «вверху» можно объединить в один, а резисторы «внизу» можно объединить в другой.

Это упрощает создание большого количества соотношений напряжений для одного входа. Например:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.

На схеме выше используются пять последовательно соединенных резисторов. Он превращает 12-вольтовый вход в четыре разных выхода, которые могут быть полезны в блоке питания компьютера.

Поскольку это последовательная цепь, существует только один ток, и его легко определить, рассматривая последовательно включенные резисторы:

итотал = vin∑R

Падение напряжения на любом резисторе будет равно:

.

Δvn = Rn⋅итотал

и доля полного падения напряжения на любом резисторе Rn это:

fn = Δvnvinfn = Rn⋅itotalvinfn = (Rnvin) (vin∑R) fn = Rn∑R

Дробное падение напряжения на одном резисторе — это просто отношение его сопротивления к сумме всех сопротивлений.

Для пяти последовательно соединенных выше резисторов мы можем рассчитать напряжения на каждом узле (относительно земли), посмотрев на отношение сопротивления «ниже» этого узла (то есть между этим узлом и землей) к общему сопротивлению цепи. В этом примере с узлами и резисторами, как указано выше:

vA = (Δv1) = vin (f1) vB = (Δv1 + Δv2) = vin (f1 + f2) vC = (Δv1 + Δv2 + Δv3) = vin (f1 + f2 + f3) vD = (Δv1 + Δv2 + Δv3 + Δv4) = vin (f1 + f2 + f3 + f4)

Когда мы разработаем решение для схемы выше:

vA = vin (R1R1 + R2 + R3 + R4 + R5) = 2.5 VvB = vin (R1 + R2R1 + R2 + R3 + R4 + R5) = 3,3 VvC = vin (R1 + R2 + R3R1 + R2 + R3 + R4 + R5) = 5,0 VvD = vin (R1 + R2 + R3 + R4R1 + R2 + R3 + R4 + R5) = 9,0 В

Конечно, для решения проблем мы выбрали определенные значения, которые было легко вычислить вручную: вы могли заметить, что мы выбрали vin = 12 В. и ∑R = 12 кОм так что итотал = 1 мА .

Как мы увидим позже, схемы этого типа не очень энергоэффективны и не могут обеспечивать большой ток. Однако это был бы один из потенциально действенных способов превратить одно опорное напряжение в ряд других пропорциональных опорных напряжений, которые затем можно было бы использовать как часть контура обратной связи в конструкции эффективного импульсного источника питания.

---

Один из распространенных способов решения проблем — это заметить, когда резисторы в делителе напряжения являются целыми числами, кратными друг другу.

Например, если R1 = 100 Ом, R2 = 300 Ом , то есть соотношение 3: 1. Всякий раз, когда соотношение 3: 1, независимо от фактических значений, мы будем иметь f = R2R1 + R2 = 34. .

Это также помогает в дизайне. Если вы пытаетесь достичь известной доли напряжения f которое вы можете выразить в виде дроби целых чисел, тогда вы можете быстро вычислить необходимое соотношение сопротивлений.

Например, если вы пытаетесь попасть, f = 0,4 = 25 , вы можете найти значения резисторов, где R2 = 2x, R1 = 3x для любого значения x , так что R2R1 = 23 . (Продолжайте читать ниже, чтобы узнать, как мы выбираем x !)

В некоторых ситуациях прототипирования, если целые числа в числителе и знаменателе достаточно малы, вы можете просто использовать пять равных резисторов, соединяя два последовательно, чтобы сформировать R2. и три последовательно для R1 .

---

Когда мы включаем источник управляющего напряжения, мы можем включить рассмотрение того, что происходит, когда мы смотрим на промежуточный вывод делителя напряжения, чтобы найти эквивалентную схему Тевенина:

Напряжение холостого хода — это просто напряжение, которое мы измеряем на этих клеммах без протекания внешнего тока, которое является всего лишь дробным входным напряжением, которое мы вычислили выше:

Veq = vout, без нагрузки = vin (R2R1 + R2)

Как только мы начнем позволять току течь извне к этим клеммам и от них, измеренное напряжение изменится.Как описано в разделе Thevenin, мы можем вставить источник тестового тока и установить все независимые источники на ноль, чтобы вычислить эквивалентное сопротивление:

Отсюда ясно, что эквивалентное сопротивление равно сопротивлению двух резисторов, включенных параллельно:

Req = R1 // R2 = R1R2R1 + R2

Таким образом, двухрезисторный делитель напряжения имеет вид однорезисторной схемы замещения Тевенина:

---

Мы только что преобразовали двухрезисторный делитель напряжения в однорезисторную эквивалентную схему Тевенина, которая имеет идентичное поведение кривой вольт-амперной характеристики по отношению к некоторой внешней подключенной нагрузке.Но когда у нас есть эквивалентная схема Тевенина, часто самое полезное, что с ней делать, — это подключить ее к какой-либо внешней нагрузке. Если эта нагрузка представляет собой резистор, то мы только что создали новый делитель напряжения .

Например, мы могли бы взять схему с тремя резисторами слева и рассмотреть R1 и R2 как делитель напряжения, а затем заменить их их эквивалентом Тевенина:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.

Вы должны запустить моделирование, чтобы убедиться, что R3 имеет одинаковый ток, протекающий через него в обоих случаях.

Замена делителя напряжения его эквивалентом Тевенина может сама по себе сформировать новый делитель напряжения, что также может быть решено таким же образом. Это отличный метод решения проблем.

---

Эквивалентный пример Thevenin, приведенный выше, особенно полезен, потому что он поднимает концепцию нагрузки : что происходит, когда текущая «нагрузка» снимается со средней клеммы делителя напряжения?

В приведенной выше математике идеального делителя напряжения мы вычислили выходное напряжение как функцию входного напряжения vin и коэффициент делителя напряжения f = R2R1 + R2 Только.Но этот расчет предполагал, что тот же ток i протекала через оба резистора R1 и R2.

В нагруженном делителе напряжения дело обстоит иначе: есть некоторый внешний ток i3 извлекается из середины делителя напряжения:

В результате, если i3 ≠ 0 , то также будет i1 ≠ i2 . Это нарушает фундаментальное предположение, сделанное нами ранее для идеальных делителей напряжения.

Обратите внимание, что ни схема, ни уравнения «не знают», что R3 является внешней нагрузкой, а R2 — частью исходного делителя напряжения.Оба резистора подключены к одной и той же паре узлов, и математика работает одинаково, если мы поменяем имена, которые мы даем. Тем не менее, проведя границу, отделяющую внутреннее от внешнего, и подумав об этом таким образом, делители напряжения под нагрузкой становятся полезными для проектирования и анализа схем, как мы увидим ниже.

Теперь, когда мы применяем наши правила для решения цепных систем, у нас есть разные значения тока в разных ветвях цепи. Наше уравнение закона тока Кирхгофа плюс два наших уравнения закона Ома образуют следующую систему из трех уравнений:

i1 = i2 + i3vin-vout = i1R1vout = i2R2

Мы хотим решить эту систему для одного выражения vout как функция от vin, R1, R2 и i3 .(Мы решили лечить i3 в качестве независимой переменной, поэтому мы можем видеть влияние тока нагрузки напрямую, а не связывать его с напряжением через сопротивление R3 .) Поучительно решать эту проблему вручную, так что вы можете увидеть, как подход Solving Circuit Systems дает тот же ответ, что и подход Тевенина, описанный выше, поэтому, пожалуйста, возьмите лист бумаги и следуйте инструкциям.

Сначала мы перегруппируем несколько уравнений, взяв i2 = i1 − i3 из первого уравнения и подставляем в третье, чтобы получить:

vout = (i1 − i3) R2

Мы также возьмем второе уравнение и разделим обе части на R1. :

i1 = vin-voutR1

Мы можем объединить эти два, заменив i1 :

vout = (vin-voutR1-i3) R2

Отсюда нам просто нужно заняться алгеброй.Раздайте R2 :

vout = (vin − vout) (R2R1) −i3R2

Забрать ваут условия в левой части:

vout (1 + R2R1) = vin (R2R1) −i3R2

Заменить (1 + R2R1) = (R1 + R2R1) :

vout (R1 + R2R1) = vin (R2R1) −i3R2

И разделите, чтобы изолировать вау :

vout = vin (R2R1) (R1R1 + R2) −i3R2 (R1R1 + R2) vout = vin (R2R1 + R2) −i3 (R1R2R1 + R2)

Это уравнение описывает выходное напряжение нагруженного делителя напряжения.

Посмотрите внимательно на коэффициенты при вин и i3 :

1. Коэффициент при вин , (R2R1 + R2) , это просто коэффициент делителя напряжения f мы нашли ранее в ненагруженном ящике.Если i3 = 0 , затем разделитель разгружается, и общее уравнение упрощается, чтобы быть таким же, как мы нашли в начале этого раздела.
2. Коэффициент для i3 равно (R1R2R1 + R2) = R1 // R2 , параллельно сопротивления двух резисторов! (Да, параллельно — хотя R1 и R2, по-видимому, входят в состав делителя напряжения серии !) Это тот же противоречивый результат, который мы только что нашли в разделе «Эквивалент Тевенина» выше.

Этот пример показывает, что возможность решить схему из KCL и KVL может потребовать некоторой алгебраической работы, но это всегда работает и всегда дает правильный ответ.Если вы не уверены, правильно ли применяете эквивалентный процесс Thevenin, вы всегда можете вставить тестовый источник тока i3. и приступайте к решению схемы вручную.

---

Что такое интуиция за током нагрузки в нагруженном делителе напряжения, вызывающим падение напряжения, пропорциональное параллельному сопротивлению R1 и R2, которые (без учета нагрузки) кажутся включенными последовательно?

Быстрый способ запомнить это — рассмотреть крайние случаи и работать в обратном направлении.

С одной стороны, рассмотрим R1 = 0 или R2 = 0 (но не оба сразу). В этом случае выходное напряжение вообще не изменится с i3. . Нулевое сопротивление параллельно с ненулевым сопротивлением всегда равно нулевому эквивалентному сопротивлению. В этом случае нагрузка напрямую подключена (с нулевым сопротивлением) к одному концу источника напряжения.

Вот как упрощается нагруженный делитель напряжения при крайнем нулевом сопротивлении:

С другой стороны, рассмотрим R1 = ∞ или R2 = ∞ (но не оба сразу).В этом случае делитель напряжения отключен с одной стороны. Бесконечное сопротивление параллельно с конечным сопротивлением всегда равно конечному сопротивлению.

(Для параллельных сопротивлений помните, что полное сопротивление всегда на меньше , чем наименьших отдельных сопротивлений. Или, что эквивалентно, общая проводимость всегда на больше , чем наибольших отдельных проводимостей.)

Вот как упрощается нагруженный делитель напряжения на пределе бесконечного сопротивления:

Уравнение идеального делителя напряжения правильно сводится к этим случаям, если падение напряжения из-за нагрузки пропорционально параллельному сопротивлению R1 // R2 .

А как насчет случая посередине, где оба сопротивления конечны? Один из способов подумать об этом заключается в том, что небольшое увеличение тока нагрузки i3 имеет двойной эффект: увеличение i1 и уменьшая i2 . Фактически ни один из двух токов i1 или i2 нужно изменить на полную величину изменения i3 , потому что они буквально разделяют разницу (с противоположным знаком, но это просто вопрос маркировки токов):

Δi1 − Δi2 = Δi3

Например, если R1 = R2 , то они разделят разницу поровну: Δi1 = 12Δi3 , причем Δi2 = −12Δi3 .Поскольку величина изменения тока через каждый резистор меньше, его изменение напряжения также меньше, просто из-за закона Ома.

На этом рисунке показано, как ток нагрузки делится поровну обоими резисторами делителя напряжения, когда R1 = R2. :

Мы можем смоделировать этот эффект численно:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Обратите внимание, что крутизна отдельных токов для R1 и R2 составляет половину крутизны, чем у испытательного тока.Измените сопротивление и посмотрите, как изменится поведение в ответ.

---

На практике загружены практически все реальные делители напряжения: что-то будет подключено к среднему выводу, так что промежуточная точка будет полезной — иначе мы бы просто использовали один резистор или вообще не использовали!

Однако, как видно из уравнения нагруженного делителя напряжения, математика для определения vout значительно усложняется, когда мы вводим ток нагрузки i3 .Было бы неплохо знать, когда это возможно, и небезопасно рассчитывать делитель напряжения как примерно без нагрузки.

Ответ приходит из рассмотрения дополнительного падения напряжения из-за нагрузки как члена ошибки аппроксимации verr :

vout = vin (R2R1 + R2) −i3 (R1R2R1 + R2) vout = vout, идеальный + verr

Если сосредоточиться только на термине ошибки:

verr = −i3 (R1R2R1 + R2) verr = −i3 (R1 // R2)

Если нам известна максимальная величина тока нагрузки | i3, max | , и мы можем определить максимальную ошибку напряжения | verr, max | мы готовы терпеть, тогда мы можем ограничить (R1 // R2) :

| i3, max | (R1 // R2) ≤ | verr, max | (R1 // R2) ≤ | verr, max || i3, max |

Если наша допустимая погрешность напряжения мала, сопротивление также должно быть небольшим.Если допустимый ток нагрузки велик, это также приведет к уменьшению сопротивления. Определение этого в терминах максимальных допусков означает, что даже если фактический ток нагрузки меняется, пока он меньше, чем максимальный ток нагрузки, на который мы рассчитали, мы можем быть уверены, что наш делитель напряжения по-прежнему будет в пределах наших проектных ограничений.

Это невероятно полезно на практике, потому что это означает, что нам не нужно проектировать всю систему сразу. Приближения позволяют разделить большую проектную проблему на серию более мелких, где мы можем решать одну часть за раз. Это дает два преимущества:

1. Более быстрое время проектирования. Часто бывает проще решить две маленькие подзадачи, чем одну большую.
2. Более надежная работа. Решение, которое мы достигаем путем декомпозиции нашей системы на модули с границами ошибок, может быть более терпимым к непреднамеренной дисперсии компонентов, поскольку оно уже было разработано с учетом рассчитанных границ ошибок. Напротив, оптимизированное решение «все сразу» может быть неожиданно хрупким, когда какой-либо компонент на 5% отличается от желаемого значения.(Этот риск хрупкости особенно велик, когда мы начинаем добавлять какие-либо нелинейные элементы схемы, такие как транзисторы и усилители.)

---

Давайте рассмотрим типичный пример проектной задачи, когда мы должны спроектировать делитель напряжения как часть более крупной схемы.

Мы разработаем контроллер постоянного тока для светодиода (светоизлучающего диода), при этом мы хотим, чтобы светодиод потреблял не более 20 мА тока, чтобы предотвратить его выгорание. Варианты изготовления означают, что мы не знаем точное напряжение светодиода, при котором будет возникать напряжение, поэтому нам необходимо управление светодиодами на основе тока, даже если у нас есть регулируемое напряжение в качестве источника питания.

При сохранении деталей для следующей главы, один из способов создать практический источник тока — это использовать BJT (Biploar Junction Transistor) с резистором для обратной связи. Нам нужно закрепить один вывод (базу) этого транзистора на 1,7 В, а у нас есть блок питания на 5 В. Для этого мы можем использовать делитель напряжения:

Мы разделили схему на три основных элемента: источник напряжения и делитель напряжения (V1, R1 и R2), транзисторный источник тока (Q1 и RE) и нагрузку, которой мы пытаемся управлять (D1 ).

Теперь нам нужно найти неизвестные резисторы R1 и R2, чтобы установить соответствующее напряжение смещения базы для нашего транзистора. На самом деле делитель напряжения загружен, что требует гораздо больше информации для расчета точного базового напряжения. В соответствии с приведенным выше уравнением для нагруженного делителя напряжения нам также необходимо знать базовый ток, и это быстро усложнится, поскольку это циклически зависит от сопротивлений R1 и R2, а также от свойств самих транзисторов и светодиода. Сложность вычислений растет экспоненциально!

Вместо этого давайте сделаем предположение, что мы можем рассматривать делитель напряжения R1 и R2 как приблизительно ненагруженный и довольно просто найти желаемое выходное напряжение.Если делитель напряжения не нагружен:

voutvin = f = R2R1 + R2f (R1 + R2) = R2fR1 = R2 (1 − f) R2R1 = f1 − fR2R1 = voutvin1 − voutvinR2R1 = voutvin − vout

так что если мы знаем vin = 5 В и vout = 1,7 В , то:

R2R1 = 1,75–1,7R2R1 = 0,52

Сделав предположение, что мы можем решить делитель напряжения как ненагруженный, мы быстро решили для отношения R2R1 .

Это говорит нам относительных сопротивлений двух резисторов в делителе напряжения, чтобы получить желаемое напряжение.Однако мы еще не установили их абсолютных значений: мы могли бы выбрать (R1 = 10 Ом, R2 = 5,2 Ом) или (R1 = 1 МОм, R2 = 520 кОм) и оба будут соответствовать нашему требованию по соотношению.

Выбор места для фиксации этих абсолютных значений имеет практические инженерные компромиссы в обоих крайних случаях:

1. Если сопротивление слишком мало: сам делитель напряжения потребляет большой ток (i = 5 VR1 + R2 ) и мощности (P = (5 В) 2R1 + R2 ). Это расточительно: это увеличивает наши требования к источнику питания или разряжает нашу батарею быстрее, и мы должны начать думать о тепловыделении резистора и температурных коэффициентах, а также о физических ожогах пользователей, прикоснувшись к этим горячим резисторам!
2. Если сопротивление слишком велико: то ошибка напряжения из-за нагрузки | verr | = i3 (R1 // R2) будет неприемлемо большим, и мы не получим ожидаемое заданное значение напряжения.

Как выбрать?

У нас есть инженерный компромисс между потребляемой мощностью и точностью. Это типичный инженерный компромисс, на который должен пойти дизайнер. Правильный подход к проектированию будет заключаться в том, чтобы поставить некоторые разумные границы на желаемый уровень точности и убедиться, что это дает разумный результат по потребляемой мощности.

Допустим, мы хотим, чтобы желаемое напряжение было в пределах 5% от проектного целевого значения. Эта цифра в 5% может показаться произвольной.Разумный способ выбрать бюджет ошибки — рассмотреть значения на разных порядках величины с обеих сторон: 50%, очевидно, слишком большая ошибка практически во всех обстоятельствах; 10%, вероятно, было бы хорошо, если бы мы действительно не заботились о точности; 1% или 0,5% потребует от нас более точной информации о других компонентах нашей системы, таких как светодиоды и сами транзисторы, не говоря уже о резисторах, точность которых обычно составляет всего 1% или 5%. 5% красиво посередине! (Это часто используемая отправная точка для достижения цели дизайна, если у вас нет причин выбрать иное.)

Выбор 5% в качестве максимально допустимой погрешности напряжения позволяет нам сказать:

vout = 1,7 В ± 5% vout = 1,7 В ± 85 мВ | verr | ≤85 мВ

Из вышесказанного мы знаем, что для нагруженного делителя напряжения | verr | = i3 (R1 // R2) . Мы еще не рассмотрели биполярные переходные транзисторы, такие как Q1, но пока просто предположим, что базовый ток (который равен i3 ) — небольшая часть тока нагрузки (коллектора) iL , вероятно, между 100≤iLi3≤200 — т.е. базовый ток, вероятно, будет составлять от 0,5% до 1% от тока нашего светодиода.

Это очень грубое предположение плюс знание того, что желаемый ток нагрузки светодиода iL = 20 мА. , объедините, чтобы позволить нам поставить максимум на i3 :

i3≤iL100i3≤20 мА 100i3≤200 мкА

Это устанавливает максимальный предел значений сопротивления:

i3 (R1 // R2) ≤85 мВ (R1 // R2) ≤85 мВ 200 мкА (R1 // R2) ≤425 Ом

Теперь мы знаем, что хотим, чтобы параллельное сопротивление R1 и R2 было не более 425 Ом. .

Мы снова воспользуемся другим приближением (обратите внимание: добавляем больше ошибок, за пределами наших ранее установленных границ!) И помним, что если два резистора имеют очень разные значения, мы можем аппроксимировать их параллельное сопротивление примерно как меньшее сопротивление.Наше соотношение R2R1 = 0,52 не достаточно большой, чтобы это было правдой, но он достаточно хорош для решения «обратной стороны конверта» и позволяет нам быстро выбрать некоторые общие значения резисторов, зная, что мы ищем примерно соотношение два к одному. где меньшее значение составляет примерно 400 Ом. ориентировочно:

R1 = 910 Ом R2 = 470 Ом

Это дешевые и распространенные номиналы резисторов, и мы получаем:

(R1 // R2) = R1R2R1 + R2 = 310 Ом R2R1 = 0,516

Это соответствует нашему ограничению погрешности напряжения и почти в точности соответствует нашему желаемому соотношению.Это достаточно близко, чтобы другие допуски (например, отдельные резисторы и транзисторы) преобладали в общей ошибке.

Вот наша последняя схема управления током светодиода с R1 и R2 на месте:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Запустите моделирование постоянного тока и посмотрите, как регулируется ток светодиода, равный примерно 20 мА. Вы также увидите расчетную рассеиваемую мощность на резисторах делителя напряжения P (R1) + P (R2). .

Насколько чувствительна эта схема к выбранным нами конкретным значениям R1 и R2? Что, если мы сохраним соотношение f = R2R1 = 0.52 , но выбрать разные (как большие, так и меньшие) номиналы резисторов? Режим DC Sweep симулятора позволяет нам быстро ответить на этот вопрос. Сначала мы определяем свободную переменную параметра x , а затем позвольте двум сопротивлениям масштабироваться вместе с ним:

R1 = xR2 = 0,52x

Вот симуляция, показывающая ток светодиода с различными значениями x :

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Запустите DC Sweep по параметру x и посмотрите, как изменяется ток светодиода, когда мы регулируем сопротивление на много порядков величины.

Обратите внимание, как точка, которую мы выбрали выше, x = 910 , находится прямо перед «коленом» — визуально почти кусочно-линейным изменением поведения на кривой — где производительность начинает быстро ухудшаться. Мы построили график с использованием логарифмической шкалы для параметра, чтобы вы могли увидеть эффект замены сопротивлений на многие порядки величины. Прокрутите вниз, чтобы увидеть график рассеивания тепла резистором, так как это то, что мы обычно стараемся минимизировать. Симуляторы контуров позволяют быстро увидеть этот эффект «колена», а не рассчитывать его по множеству точек.

Выбирая точку чуть ближе к устойчивой стороне колена, мы получаем желаемое стабильное поведение при минимальном потреблении энергии.

---

Мы можем использовать симулятор, чтобы посмотреть, правильно ли работает схема, если разные значения компонентов различаются. Можно ожидать расхождения в значениях светодиода, транзистора и всех резисторов. Мы также можем ожидать некоторых отклонений в напряжении источника питания.

В каждом случае мы можем использовать режим моделирования DC Sweep для изменения компонента.

Вот что происходит, когда транзистор становится сильнее или слабее:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Ток светодиода не сильно зависит от характеристик транзистора.

А вот что происходит, когда индикатор немного отличается:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Ток светодиода также не сильно зависит от его параметров — мы разработали хороший регулятор тока!

Мы также можем использовать DC Sweep для изменения двух разных параметров.Например, предположим, что и R1, и R2 имеют 5% диапазонов допуска:

.

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Ток светодиода нанесен на график для различных комбинаций значений R1 и R2.

В этом случае мы видим примерно +/- 10% общего диапазона токов светодиодов, что соответствует объединенным ошибкам наших двух отдельных допусков +/- 5%.

В производстве мы хотели бы проверить все углы нашего процесса — все наши крайние допуски для всех наших компонентов — в любом случае убедиться, что схема по-прежнему работает достаточно хорошо.Если этого не произойдет, нам придется перепроектировать или спроектировать схему, используя компоненты с более жесткими допусками, что может увеличить стоимость.

Если у вас есть N параметры компонента с полями допуска, которые теоретически могут составлять 2N углы проверять! На практике мы используем нашу инженерную интуицию для поиска наиболее потенциально проблемных из них, и мы проектируем наши схемы так, чтобы они были надежными по конструкции, как указано выше.

---

Один из распространенных случаев использования делителя напряжения — измерение неизвестного значения сопротивления.Например, мы можем использовать фиксированное значение сопротивления R1 и неизвестное значение R2, которое мы хотим определить. (R2 может быть, например, резистором, зависящим от температуры или света.)

В этом случае мы можем измерить выходное напряжение делителя напряжения vout (например, с помощью мультиметра или аналого-цифрового преобразователя) и выразить это как долю известного приложенного напряжения vin . Затем мы решаем уравнение идеального делителя напряжения для неизвестного сопротивления следующим образом:

voutvin = f = R2R1 + R2fR1 + fR2 = R2fR1 = (1 − f) R2R2 = R1 (f1 − f)

Если мы знаем R1 , и мы можем измерить f , затем вычисляя R2 просто.

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Развертка по постоянному току меняет R2. График настроен так, чтобы показать отношение f на верхнем графике, а затем использует приведенное выше уравнение для обратного вычисления значения R2 от измеренных напряжений.

---

Вернитесь к содержанию, чтобы продолжить. Скоро появятся новые разделы!

---

Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: Практическое проектирование и анализ схем.