Делитель напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях
С целью получения фиксированного значения напряжения, равного доле от исходного значения, в электрических цепях применяют делители напряжения. Делители напряжения могут состоять из двух или более элементов, которыми могут служить резисторы либо реактивные сопротивления (конденсаторы или катушки индуктивности).
Делитель напряжения — комбинация из сопротивлений, служащая для того, чтобы разделить подводимое напряжение на части.
В простейшем виде делитель напряжения представляется парой участков электрической цепи, соединенных последовательно друг с другом, которые и называются плечами делителя. Верхним плечом называется тот участок, который расположен между точкой положительного напряжения и выбранной точкой соединения участков, а нижним плечом — участок между точкой соединения (выбранной точкой, нулевой точкой) и общим проводом.
Делители напряжения на резисторах
Конечно, делители напряжения могут применяться как в цепях постоянного тока, так и в цепях тока переменного. Делители на резисторах подходят и для тех, и для других цепей, однако используются они только в цепях низкого напряжения. Для питания устройств делители напряжения на резисторах не применяют.
В простейшем виде резистивный делитель напряжения состоит всего из пары резисторов, соединенных последовательно. Делимое напряжение подается на делитель, в результате на каждом резисторе падает определенная доля этого напряжения, пропорциональная номиналу резистора. Сумма падений напряжений равна здесь напряжению подаваемому на делитель.
Согласно закону Ома для участка электрической цепи, на каждом резисторе падение напряжения будет прямо пропорционально току и величине сопротивления резистора. А согласно первому правилу Кирхгофа, ток через данную цепь будет везде один и тот же. Так, на каждый резистор придутся падения напряжения:
И напряжение на концах участка цепи будет равно:
А ток в цепи делителя составит:
Теперь если подставить выражение для тока в формулы для падений напряжений на резисторах, то получим формулы для нахождения величин напряжений на каждом из резисторов делителя:
Подбирая величины сопротивлений R1 и R2 можно выделить любую часть всего подводимого напряжения. В том случае, когда напряжение нужно разделить на несколько частей, последовательно с источником напряжения включается несколько сопротивлений.
Используя делитель напряжения на резисторах для тех или иных целей, важно понимать, что присоединенная к одному из плеч делителя нагрузка, будь то измерительный прибор или что-нибудь другое, должна иметь собственное сопротивление значительно большее, чем общее сопротивление резисторов, образующих делитель. В противном случае сопротивление нагрузки само должно учитываться в расчетах, будучи рассмотрено как параллельный плечу резистор, входящий в состав делителя.
Пример: есть источник постоянного напряжения 5 вольт, необходимо подобрать к нему резисторы для делителя напряжения, чтобы снимать с делителя измерительный сигнал величиной в 2 вольта. Допустимая рассеиваемая на делителе мощность не должна превышать 0,02 Вт.
Решение: Пусть максимальная мощность, рассеиваемая на делителе, равна 0,02 Вт, тогда минимальное общее сопротивление делителя при 5 вольтах найдем из закона Ома, оно получится равно 1250 Ом. Пусть 1,47 кОм — выбранное нами общее сопротивление делителя, тогда 2 вольта упадет на 588 омах. Выберем постоянный резистор на 470 Ом и переменный на 1 кОм. Установим на переменном резисторе значение в 588 Ом.
Делители напряжения на резисторах широко применяются сегодня в электронных схемах. На этих схемах значения величин резисторов для делителей выбираются исходя из параметров активных элементов схем. Как правило, делители стоят в измерительных цепях схем, в цепях обратной связи преобразователей напряжения и т. д. Минус таких решений заключается в том, что резисторы рассеивают на себе мощность в виде тепла, однако целесообразность оправдывает эти малые потери энергии.
Делители напряжения на конденсаторах
В цепях переменного тока, в высоковольтных схемах, применяют делители напряжения на конденсаторах. Здесь используется реактивный характер сопротивления конденсаторов в цепях переменного тока. Величина реактивного сопротивления конденсатора в цепи переменного тока зависит от электроемкости конденсатора и от частоты напряжения. Вот формула для нахождения этого сопротивления:
Формула свидетельствует о том, что чем больше электроемкость конденсатора — тем его реактивное (емкостное) сопротивление меньше и чем выше частота — тем так же меньше реактивное сопротивление. Такие делители используются в измерительных схемах цепей переменного тока, падения напряжений на плечах считается аналогично случаю с постоянными активными сопротивлениями (резисторами, см. выше).
Достоинство конденсаторов, применяемых в делителях, состоит в том, что рассеивание энергии в форме тепла получается минимальным, и зависит только от качества диэлектрика.
Делитель напряжения на индуктивностях
Индуктивный делитель напряжения — еще один вид делителей, применяемых в измерительной электронике переменного тока, особенно в низковольтных схемах, работающих на высоких частотах. Сопротивление катушек для переменного тока высокой частоты носит преимущественно реактивный (индуктивный) характер, оно находится по формуле:
Формула свидетельствует о том, что чем больше индуктивность и чем выше частота — тем выше сопротивление катушки переменному току. Здесь важно понимать, что провод катушки имеет активное сопротивление, поэтому мощность, рассеиваемая в виде тепла, свойственная делителю на индуктивностях, значительно выше, чем у делителей на конденсаторах.
В любительской электронике делители напряжения часто используются при подключении аналоговых датчиков к модулям Ардуино.
Как рассчитать радиатор для транзистора
Управление симистором: управление мощной нагрузкой на переменном токе
Кварцевый резонатор — структура, принцип работы, как проверить
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Делитель напряжения: схема и расчёт
Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения (voltage divider). Это схема, строящаяся на основе пары резисторов.
В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе Vout? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?
Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков пока к выходу Vout ничего не подключено. А суммарное сопротивление пары резисторов при последовательном соединении:
Таким образом, сила тока протекающая через резисторы
В этом случае Vout уже не может быть расчитано лишь на основе значений Vin, R1 и R2: сама нагрузка провоцирует дополнительное падение напряжения (voltage drop). Пусть нагрузкой является нечто, что потребляет ток в 10 мА при предоставленных 5 В. Тогда её сопротивление
А это в 4-8 раз выше максимальной мощности самых распространённых резисторов! Попытка воспользоваться описанной схемой со сниженными номиналами и стандартными 0.25 или 0.5 Вт резисторами ничем хорошим не закончится. Очень вероятно, что результатом будет возгарание.
Применимость
Делитель напряжения подходит для получения необходимого заниженного напряжения в случаях, когда подключенная нагрузка потребляет небольшой ток (доли или единицы миллиампер). Примером подходящего использования является считывание напряжения аналоговым входом микроконтроллера, управление базой/затвором транзистора.
Делитель не подходит для подачи напряжения на мощных потребителей вроде моторов или светодиодных лент.
Чем меньшие номиналы выбраны для делящих резисторов, тем больше энергии расходуется впустую и тем выше нагрузка на сами резисторы. Чем номиналы больше, тем больше и дополнительное (нежелательное) падение напряжения, провоцируемое самой нагрузкой.
Если потребление тока нагрузкой неравномерно во времени, Vout также будет неравномерным.
Если не указано иное, содержимое этой вики предоставляется на условиях следующей лицензии: CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International
Производные работы должны содержать ссылку на http://wiki.amperka.ru, как на первоисточник, непосредственно перед содержимым работы. Вики работает на суперском движке DokuWiki.
схемотехника/делитель-напряжения.txt · Последние изменения: 2019/06/27 17:30 — mik
Инструменты страницы
Показать исходный текст
История страницы
Ссылки сюда
Наверх
Переменные резисторы
Все электронные компоненты делятся на два класса активные и пассивные. К классу пассивных относятся резисторы.
Резисторы относятся к наиболее распространенным деталям радиоэлектронной аппаратуры. На их долю приходится от 20 до 45%, т. е. почти до половины общего количества радиодеталей в устройстве. Напомним основные теоретические положения.
Принцип работы резистора.
Принцип работы резисторов основан на использовании свойства материалов оказывать сопротивление протекающему току. Функция резисторов — это регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.
В зависимости от выполняемых функций различают:
резисторы постоянные, с фиксированной при изготовлении величиной сопротивления,
и переменные резисторы, величина сопротивления которых может быть изменена путем перемещения подвижного контакта.
Известны два способа включения переменных резисторов в схему: потенциометрический и реостатный.
Под «потенциометром » понимают переменный резистор, предназначенный для работы в потенциометрической схеме.
На практике широкое распространение получили оба способа, используемые в равной мере. Производитель и поставщик электронных компонентов заранее не может знать, в какой именно схеме будет использоваться его изделие.
Напомним, что термин «потенциометр», имеет два совершенно различные значения:
1.электроизмерительный компенсатор, прибор для определения ЭДС или напряжений компенсационным методом измерений.
С использованием мер сопротивления потенциометр может применяться для измерения тока, мощности и др. электрических величин, а с использованием соответствующих измерительных преобразователей — для измерения различных неэлектрических величин: температуры, давления, состава газов ( со-потенциометр обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения, с включенными последовательно резистором и потенциометром между входным контактом контроллера и заземлением), плотности.
Различают потенциометры постоянного и переменного тока.
В потенциометре постоянного тока измеряемое напряжение сравнивается с эдс нормального элемента. Поскольку в момент компенсации ток в цепи измеряемого напряжения равен нулю, измерения производятся без отбора мощности от объекта измерения. Точность измерений при помощи таких потенциометров достигает 0,01%, а иногда и выше.
В электронных автоматических потенциометрах, как постоянного, так и переменного тока измерения напряжения выполняются автоматически; при этом компенсация измеряемого напряжения осуществляется посредством исполнительного механизма (электродвигателя), перемещающего соответствующие движки на сопротивлениях (реохордах) потенциометра.
Исполнительный механизм управляется напряжением небаланса (разбаланса) — разностью между компенсируемым и компенсирующим напряжениями.
Результаты измерений в электронных автоматических потенциометрах выводятся в цифровой форме, что позволяет вводить полученные данные непосредственно в ЭВМ. Помимо измерений, электронные автоматические потенциометры могут выполнять функции регулирования параметров производственных процессов.
В этом случае движок реохорда устанавливают в определённое положение, задающее, например, требуемую температуру объекта регулирования, а напряжение небаланса потенциометры подают на исполнительный механизм, соответственно увеличивающий (уменьшающий) электрический нагрев или регулирующий поступление горючего.
Цифровые потенциометры являются надежной альтернативой механическим потенциометрам и превосходят их по прочности конструкции, точности разрешения, низкому уровню шумов, а также по возможности дистанционного управления.
Конструктивно потенциометры выполнены в виде цепи последовательно соединенных резисторов с управлением токосъема посредством внешнего интерфейса. Выпускаются устройства с линейной или логарифмической зависимостью сопротивления от положения движка. Также, в корпусе микросхемы может быть интегрировано до шести цифровых потенциометров.
2.Делитель напряжения с плавным регулированием сопротивления, устройство (в простейшем случае в виде проводника с большим омическим сопротивлением, снабженного скользящим контактом), при помощи которого на вход электрической цепи может быть подана часть данного напряжения.
Такие делители напряжения применяются в радиотехнике и электротехнике, в аналоговой вычислительной и в измерительной технике, а также в системах автоматики, например в качестве датчиков линейных и угловых перемещений.
Мы используем второе значение термина «потенциометр».
Очень часто вместо термина «потенциометр» используют термин «переменный резистор». Однозначного подхода к использованию терминов нет.
Так ряд производителей в кодировке своих изделий потенциометров используют термин «переменный резистор» и первые символы кода представляют как «RV» от слов «Resisror variable «, но в технической документации (спецификации, чертежах описании и т. д. ) используют термин «потенциометр».
Переменный резистор как регулируемый делитель является универсальным изделием для различных приложений.
Основные принципы работы переменного резистора.
При помощи подвижного ползунка некоторый потенциал снимается с элемента сопротивления, имеющего определенное общее напряжение. Следуя этому принципу деления напряжения переменный резистор может использоваться как источник стандартных значений и как датчик позиций. Допустимое напряжение зависит от размера и общего сопротивления.
Элементы сопротивления переменного резистора
Различают следующие элементы сопротивления:
а) Проволока как элемент сопротивления — это очень традиционное исполнение.
В зависимости от значения общего сопротивления используются различные металлические легирующие элементы. Преимущества проволоки, как элемента сопротивления: возможны малые допуски на линейность, на сопротивление и на температурный коэффициент.
Сопротивления общего назначения могут изготавливаться малыми сериями. При этом переменные резисторы отличают прекрасные электрические данные, низкие затраты на изготовление, высокая гибкость.
Недостатками являются низкая разрешающая способность из-за перехода с витка на виток, относительно невысокий срок эксплуатации из-за стирания, высокий электрический уровень шума связанный с износом, малая пригодность при ударных и вибрационных нагрузках и высокой скорости перестановки.
б) Элементы сопротивления гибридной техники.
Эта техника предлагается на рынке лишь немногими изготовителями. Она представлена промежуточным решением между проволокой и проводящими искусственными материалами, как элементами сопротивления. Витки проволоки заполняются в специальном процессе в толстослойной массе и весь элемент покрывается этой пастой.
в) Проводящие искусственные материалы как элементы сопротивления.
Эта современная технология используется прежде всего в современных одновитковых переменных резисторах, и при этом может быть достигнут очень высокий срок их эксплуатации.
Преимущества этой техники: очень высокий срок эксплуатации, практически бесконечная разрешающая способность, высокая устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, высокое число оборотов.
Однако, малые допуски при этом реализовать достаточно трудно, отсюда дороговизна изделий. Плохой температурный коэффициент делает их пригодными только для потенциометров с
Механический угол поворота потенциометра
Очень часто и особенно рукой тяжело установить точное желаемое значение, так как это требует точного позиционирования оси переменного резистора, соединенной с ползунком на высокоразрешающем элементе сопротивления. Поэтому различают:
а) Многооборотный переменный резистор.
Примером таких резисторов являются СП5-35. Много лет уже широко известен прецизионный резистор на 10 механических оборотов, то есть с механическим углом поворота до 360°. Исполнение в проволочной гибридной технике может быть приобретено за очень низкую цену.
Из-за очень больших количеств таких переменных резисторов выпускаемых в мире они используются как точные регулировщики напряжения на передних платах измерительных, управляющих и регулирующих приборов. Чем больше механический угол поворота, и тем самым механическое число поворотов, тем выше точность установки.
б) Переменный резистор с одним механическим оборотом (угол поворота 360°)
Этот вид часто используется как аналоговый датчик угла поворота. Для многих применений вполне достаточно одного поворота для всего интервала сопротивления, особенно если весь интервал сопротивления должен быстро выставляться.
Механические виды — наиболее часто используемыми видами являются:
а) Крепления в одной точке Такие крепления часто используются в сочетании с регуляторами ручного управления или при малых скоростях установки.
Прецизионные резисторы с одноточечным креплением почти всегда оснащены прецизионным подшипником скольжения в нарезной втулке. Поэтому оно рекомендуется только для медленной скорости установки без радиальных и аксиальных нагрузок на ось резистора. Эти переменные резисторы экономически более выгодны, чем соответствующие им резисторы с сервофланцем или с шарикоподшипником.
б) Прецизионный резистор с синхрофланцем (сервофланцем либо шарикоподшипником) Такие подшипники используются чаще всего в сочетании с моторами и другими элементами привода. Подшипником почти всегда является прецизионный шарикоподшипник, который выдерживает намного более высокое число оборотов, как и более высокие аксиальные и радиальные нагрузки.
При этом монтаж происходит либо с тремя нарезными отверстиями в фланце, либо с тремя, так называемыми, синхронизационными скобами. Такое строение используется в первую очередь для применения потенциометра, как аналогового датчика угла.
Моторные переменные резисторы.
В измерительной, управляющей и регулирующей технике очень часто переменные резисторы используются с приводом от различных моторов.
Существуют различные моторы:
маленькие моторы постоянного тока (якорь без железа), особенно пригодные для самых низких напряжений разбега,
миниатюрные шаговые моторы,
сервомоторы переменного тока.
Все эти моторы могут быть снабжены жесткой передачей с большим числом редуцирований. Основа моторных резисторов включает в себя прежде всего соответствующее сопряжение (а также скользящее сопряжение) как и необходимые детали крепления.
Переменные резисторы характеризуются следующими основными параметрами.
Номинальное значение сопротивления Rном. Измеряется в омах (Ом), килоомах (кОм), мегаомах (мОм). Номинальные значения сопротивлений указывают на корпусе изделия.
Допустимое отклонение действительного сопротивления от его номинального значения. Это отклонение измеряется в процентах, оно нормировано и определяется классом точности.
Номинальное значение мощности рассеивания переменного резистора Rном. Этот параметр измеряется в ваттах (Вт). Это наибольшая мощность постоянного или переменного тока, при протекании которого через переменный резистор он может работать длительное время без повреждений.
Мощность Рном, ток I, протекающий через резистор, падение напряжения U на резисторе и его сопротивление r связаны зависимостью: P=UI U=IRВ большинстве устройств радиоэлектронной аппаратуры применяют переменные резисторы с номинальной мощностью рассеивания от 0,05 до 2 Вт.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора. Характеризует относительное изменение сопротивления переменного резистора при изменении температуры окружающей среды на 1 °С и выражается в процентах.
В резисторах ТКС незначительный и составляет в среднем десятые доли — единицы процента. Собственные индуктивность и емкость. Определяются габаритными размерами, конструкцией и влияют на частотный диапазон применения резисторов.
Функциональные и конструктивные особенности переменных резисторов.
Таких характеристик несколько. Перечислим их.
Функциональная зависимость (кривая регулирования). Кривая, которая показывает зависимость величины сопротивления между подвижным контактом и одним из неподвижных контактов проводящего элемента от угла поворота. По характеру функциональной зависимости переменные резисторы разделяются на линейные и нелинейные. Характер нелинейной зависимости определяется схемными задачами, для решения которых предназначен резистор. Наиболее распространенные нелинейные зависимости — логарифмические и обратно-логарифмические.
Разрешающая способность.
Важная характеристика переменных резисторов, показывающая, какое наименьшее изменение угла поворота подвижной системы резистора может быть различимо.
Ее характеризуют минимально допустимым изменением сопротивления при весьма малом перемещении подвижного контакта. У непроволочных резисторов разрешающая способность теоретически неограниченна и лимитируется дефектами и неоднородностями проводящего слоя, контактной щетки и величиной переходного контактного сопротивления.
Шумы вращения.
При вращении подвижной системы резистора, помимо тепловых и токовых шумов на выходное напряжение, зависящее от угла поворота, накладывается еще одна составляющая — напряжение шумов вращения. Их уровень значительно превышает тепловые и токовые шумы в резисторе и достигает 30 –40 дБ. Шумы вращения особенно характерны для непроволочных потенциометров.
Источниками шумов вращения могут быть: шумы переходного сопротивления, возникающие в результате появления контактной разности потенциалов между щеткой и резистивным элементом; термоэлектродвижущая сила, возникающая от нагрева проводящего элемента при быстром вращении подвижной системы.
ДЕЛИ́ТЕЛЬ НАПРЯЖЕ́НИЯ
Схемы низковольтных делителей напряжения: а – резистивного; б – ёмкостного; в – индуктивного; u и U – напряжения; r и R – резисторы; C1 и C2 – конденсаторы; L1 и L2.
ДЕЛИ́ТЕЛЬ НАПРЯЖЕ́НИЯ, электротехнич. устройство, позволяющее снимать (использовать) только часть имеющегося постоянного или переменного напряжения посредством элементов электрич. цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Обычно применяется для измерения напряжения. Осн. характеристика Д. н. – коэф. деления, определяемый отношением входного (измеряемого) напряжения к выходному (снимаемому). Простейший Д. н. представляет собой два последовательно соединённых резистора (два плеча делителя), на которые подаётся входное напряжение $U$ (рис., а ). Коэф. деления при отсутствии нагрузки определяется формулой $$K=U/u=R/(R+r),$$ где $R$ и $r$ – сопротивления резисторов, $u$ – снимаемое напряжение. Отклонения $R$ и $r$ (а следовательно, и $K$ ) от номинальных значений обусловливают погрешность делителя. В Д. н. высокой точности применяют резисторы с малым температурным коэф. сопротивления и высокой временнóй стабильностью (напр., из манганиновой проволоки). В цепях переменного тока помимо резистивных Д. н. используются также ёмкостные с конденсаторами постоянной или переменной ёмкости (рис., б ) и индуктивные (рис., в ).
