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
Или если отавить формулу в общем виде:
Если в приведённой выше схеме заменить R1 или R2 на один из таких компонентов, Vout будет меняться в зависимости от внешних условий, влияющих на датчик. Подключив это выходное напряжение к аналоговому входу Ардуино, можно получать информацию о температуре, уровне освещённости и других параметрах среды.
Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно расчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта Vout.
Подключение нагрузки
С делителем напряжения не всё так просто, когда к выходному подключения подключается какой-либо потребитель тока, который ещё называют нагрузкой (load):
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
Подставив значение в общую формулу расчёта Vout, получим:
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
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:
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 ).
Делитель напряжения
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.
Особенности схемы
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.
Как рассчитать напряжение?
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.
Примеры использования делителя напряжений
Делитель напряжения широко используется в радиоэлектронике, приведем несколько примеров:
