Делитель напряжения: устройство, принцип работы, назначение

Определение

Делитель напряжения — это устройство или устройство, которое понижает уровень выходного напряжения относительно входного напряжения пропорционально коэффициенту передачи (он всегда будет меньше нуля). Он получил такое название, потому что представляет собой два или более последовательно соединенных участка цепи.

Они бывают линейными и нелинейными. В данном случае первые являются активными или реактивными сопротивлениями, в которых коэффициент передачи определяется соотношением закона Ома. К ярко выраженным нелинейным делителям относятся параметрические стабилизаторы напряжения. Посмотрим, как работает это устройство и зачем оно нужно.

Зачем он нам нужен?

Во многих проектах нам иногда нужно разделить напряжение. Одна из самых простых форм — делитель напряжения. Обычно это два последовательно включенных резистора. Входное напряжение «Vin» проходит через резисторы «R1» и «R2» и идет на землю. Разделенное напряжение берется между подключением резисторов «R1» и «R2». Это напряжение зависит от номиналов резисторов «R1» и «R2» и от входного напряжения «Vin».

Википедия: «Делитель напряжения — это конфигурация электрической цепи, которая делит напряжение источника на несколько последовательно соединенных резисторов.

Пример: мы используем делитель напряжения в моем проекте Arduino Multimeter. Нам это нужно, потому что максимальное напряжение, которое мы можем передать на вход Arduino, составляет 5 вольт. Например, если мы хотим измерить 40 вольт, мы не можем подключить 40 вольт напрямую к аналоговому входу Arduino, поэтому мы должны снизить напряжение. Вот почему мы используем делитель напряжения. В этом примере, чтобы подключить 40 вольт к Arduino, нам нужно выбрать резисторы «R1» и «R2» так, чтобы выход «Vout» не превышал 5 вольт. Мы можем использовать этот калькулятор делителя напряжения для расчета значений сопротивления. Нам нужно ввести входное напряжение «Vin» и значения резисторов, и мы увидим выходное напряжение «Vout». Изменяя номиналы резисторов, мы можем получить необходимое нам выходное напряжение «Vout». В случае с ардуино «Vout» не должен превышать 5 вольт.

Назначение и применение

Для преобразования переменного напряжения используется трансформатор, благодаря которому можно поддерживать достаточно высокое значение тока. Если необходимо подключить к электрической цепи нагрузку, потребляющую небольшой ток (до сотен мА), можно использовать преобразователь трансформатора напряжения (U.

В таких случаях можно использовать более простой делитель напряжения (ДН), стоимость которого значительно ниже. После получения необходимого значения U его распрямляют и подают питание потребителю. При необходимости, выходной каскад Power Boost должен использоваться для увеличения тока (I). Кроме того, есть делители и постоянная U, но эти модели используются реже других.

DN часто используются для зарядки различных устройств, где необходимо добиться более низких значений U и токов 220 В для разных типов батарей. Кроме того, устройства подразделения U целесообразно использовать для создания электроизмерительных приборов, компьютерной техники, а также лабораторных импульсных и обычных источников питания.

Виды и принцип действия

Сразу стоит отметить, что принцип работы делителя напряжения в целом одинаковый, но зависит от элементов, из которых он состоит. Есть три основных типа линейных цепей:

• резистивный;
• емкостный;
• индуктивный.

Самый распространенный делитель на резисторах, благодаря простоте и удобству расчета. На его примере рассмотрим основную информацию об этом устройстве.

У любого делителя напряжения есть Uinput и Uoutput, если он состоит из двух резисторов, если резисторов три, то будет два выходных напряжения и так далее. Может быть выполнено любое количество шагов разделения.

Uвход равен напряжению питания, Uвыход зависит от соотношения резисторов в плечах делителя. Если рассматривать схему с двумя резисторами, верхним демпфирующим плечом, или как его еще называют, будет R1. Нижнее или выходное плечо будет R2.

Допустим, у нас есть блок питания 10В, сопротивление R1 — 85 Ом, а сопротивление R2 — 15 Ом. Необходимо рассчитать выход.

Следовательно:

U = я * R

Поскольку они соединены последовательно, поэтому:

U1 = I * R1

U2 = I * R2

Итак, если вы добавите выражения:

U1 + U2 = I (R1 + R2)

Если выразить ток отсюда, мы получим:

Подставляя предыдущее выражение, получаем следующую формулу:

Посчитаем для нашего примера:

Делитель напряжения также может быть изготовлен на реакторах:

• на конденсаторах (емкостных);
• на индукторах (индуктивная).

Тогда расчеты будут аналогичными, но сопротивления рассчитываются по следующим формулам.

Для конденсаторов:

По индуктивности:

Особенностью и отличием этих типов делителей является то, что резистивный делитель можно использовать в цепях переменного и постоянного тока, а емкостной и индуктивный — только в цепях переменного тока, потому что только тогда сработает их реактивное сопротивление.

Интересно! В некоторых случаях емкостной делитель будет работать в цепях постоянного тока, хорошим примером является использование такого решения во входной цепи компьютерных блоков питания.

Использование реактивного сопротивления связано с тем, что при работе они не выделяют такое количество тепла, как при использовании в конструкциях активных резисторов (резисторов

Преимущества и недостатки

Основными недостатками резистивного ДН являются невозможность использования его в высокочастотных цепях, значительное падение напряжения на резисторах и снижение мощности. В некоторых схемах необходимо подбирать мощность резисторов, так как наблюдается значительный нагрев.

В большинстве случаев в цепях переменного тока используются DN с активной (резистивной) нагрузкой, но с использованием компенсирующих конденсаторов, подключенных параллельно каждому из резисторов. Такой подход снижает тепловыделение, но не устраняет основной недостаток потери мощности. Преимущество — использование в цепях постоянного тока.

Чтобы исключить потери мощности на резистивном ДН, активные элементы (резисторы) следует заменить на емкостные. Емкостной элемент по сравнению с резистивным ДН имеет ряд преимуществ:

1. используется в цепях переменного тока;
2. Нет перегрева;
3. Снижаются потери мощности, так как конденсатор не имеет мощности, в отличие от резистора;
4. возможно применение в высоковольтных источниках питания;
5. Высокий КПД (COP);
6. Незначительные потери I.

Недостатком является невозможность использования в схемах с постоянным U. Это связано с тем, что конденсатор в цепях постоянного тока не имеет емкостного сопротивления, а действует только как емкость.

Индуктивный ДН в цепях с переменной составляющей также имеет ряд преимуществ, но может применяться и в цепях с постоянным значением U. Катушка индуктивности имеет сопротивление, но из-за индуктивности этот вариант не подходит, так как он не является значительным падением U. Основные преимущества резистивного типа перед ДН:

1. Применение в сетях с переменным U;
2. Незначительный нагрев элементов;
3. В цепях переменного тока меньше потерь мощности;
4. Относительно высокий КПД (выше емкостного);
5. Использование в высокоточном измерительном оборудовании;
6. В нем меньше ошибок;
7. Нагрузка, подключенная к выходу делителя, не влияет на коэффициент деления;
8. Потери тока меньше, чем у емкостных делителей.

К недостаткам можно отнести следующее:

1. Применение в сетях постоянного тока приводит к значительным потерям тока. Кроме того, напряжение резко падает из-за расхода электроэнергии на индуктивность.
2. Выходной сигнал изменяется в соответствии с частотными характеристиками (без использования мостового выпрямителя и фильтра.
3. Не применяется в цепях переменного тока высокого напряжения.

Примеры использования в схеме

Существует множество схем, в которых используются делители напряжения. Поэтому мы приведем сразу несколько примеров.

Предположим, мы проектируем усилительный каскад на транзисторе, работающем в классе A. В соответствии с принципом его работы мы должны установить такое напряжение смещения (U1) на основе транзистора так, чтобы его рабочая точка была линейным сегментом I — V характеристика, при этом ток через транзистор не был чрезмерным. Допустим, нам нужно обеспечить базовый ток 0,1 мА при U1 0,6 Вольт.

Итак, нам нужно рассчитать сопротивление в плечах делителя, и это обратный расчет тому, что мы дали выше. Прежде всего найдите ток через делитель. Чтобы ток нагрузки не сильно влиял на напряжение на ее плечах, выставляем ток на делителе на порядок выше, чем ток нагрузки в нашем случае, 1 мА. Пусть блок питания будет 12 Вольт.

Тогда полное сопротивление делителя будет равно:

Rd = Мощность / I = 12 / 0,001 = 12000 Ом

R2 / R = U2 / U

ИЛИ:

R2 / (R1 + R2) = U2 / мощность

10/20 = 3/6

20 * 3/6 = 60/6/10

R2 = (R1 + R2) * U1 / U мощность = 12000 * 0,6 / 12 = 600

R1 = 12000-600 = 11400

Проверим расчеты:

U2 = U * R2 / (R1 + R2) = 12 * 600/12000 = 7200/12000 = 0,6 Вольт.

Соответствующее верхнее плечо выключится

U2 = U * R2 / (R1 + R2) = 12 * 11400/12000 = 136800/12000 = 11,4 Вольт.

Но это еще не весь расчет. Для полного расчета делителя необходимо определить мощность резисторов, чтобы они не сгорели. При токе 1 мА на R1 будет выпущено питание:

P1 = 11,4 * 0,001 = 0,0114 Вт

И на R2:

P2 = 0,6 * 0,001 = 0,000006 Вт

Здесь это ничтожно мало, но представьте, сколько мощности потребовалось бы резисторам, если бы ток делителя был 100 мА или 1 А?

Для первого случая:

P1 = 11,4 * 0,1 = 1,14 Вт

P2 = 0,6 * 0,1 = 0,06 Вт

Для второго случая:

P1 = 11,4 * 1 = 11,4 Вт

P2 = 0,6 * 1 = 0,6 Вт

Это уже немалые цифры для электроники, даже для использования в усилителях. Это неэффективно, поэтому в настоящее время используются импульсные схемы, хотя линейные продолжают использоваться как в любительских проектах, так и в специальном оборудовании с особыми требованиями.

Второй пример — делитель для формирования Uref регулируемого стабилитрона TL431. Они используются в более дешевых блоках питания и зарядных устройствах для мобильных телефонов. Ниже вы можете увидеть схему подключения и формулы расчета. С помощью двух резисторов здесь создается точка с Uref 2,5 вольт.

Другой пример — подключение к микроконтроллерам всевозможных датчиков. Рассмотрим различные схемы подключения датчиков к аналоговому входу популярного микроконтроллера AVR на примере плат семейства Arduino.

Измерительные приборы имеют разные диапазоны измерения. Эта функция также выполняется с помощью группы резисторов.

Но на этом сфера применения делителей напряжения не заканчивается. Так гаснут лишние вольты при ограничении тока через светодиод, напряжение также распределяется между лампочками в гирлянде, а еще можно запитать маломощную нагрузку.

Как работает делитель напряжения на практике

Итак, у нас есть эти два резистора и наш любимый мультиметр:

Замеряем сопротивление маленького резистора R1 = 109,7 Ом.

Замеряем сопротивление большого резистора R2 = 52,8 Ом.

Ставим на блок питания ровно 10 вольт. Измеряем напряжение мультиметром.

Цепляем блок питания на эти два резистора, впаянных последовательно. Напомню, что на колодке ровно 10 вольт. Показания амперметра на блоке питания тоже немного неточны. В будущем мы также будем измерять силу тока с помощью мультиметра.

Мы измеряем падение напряжения на большом резисторе номиналом 52,8 Ом. Мультиметр показал 3,21 вольт.

Измеряем напряжение на небольшом резисторе 109,7 Ом. На него падает напряжение 6,77 вольт.

Ну, с математикой, думаю, у всех все в порядке. Сложите эти два значения напряжения. 3,21 + 6,77 = 9,98 Вольт. А что случилось с 0,02 вольта? Удаляем погрешность щупов и средств измерений. Вот хороший пример того, как нам удалось разделить напряжение на два разных напряжения. Опять же, мы проверили, что сумма падений напряжения на каждом резисторе равна напряжению питания, приложенному к этой цепи.

Сила тока в цепи при последовательном соединении резисторов

Убедимся, что сила тока при последовательном включении резисторов везде одинакова. Как измерить силу тока постоянного напряжения я писал здесь. Как видите, мультиметр показал значение 0,04 А или 40 мА в начале цикла, в середине цикла и даже в конце цикла. Где бы мы ни разорвали нашу цепь, везде одинаковое значение силы тока.

Расчет делителя напряжения на резисторах

Чтобы сделать и рассчитать простейший делитель напряжения, просто соедините последовательно два резистора и подключите их к источнику питания. Эта схема очень распространена и используется более чем в 90% случаев.

Вход схемы имеет два контакта, а выход — три. При одинаковых значениях сопротивлений R1 и R2 выходные напряжения Uout1 и Uout2 равны и составляют половину значения входного Uin. Также вывод U можно снять с любого из резисторов — R1 или R2. Если сопротивления не совпадают, на выходе U будет резистор большего размера.

Точное соотношение между Uout1 и Uout2 рассчитывается со ссылкой на закон Ома. Резисторы вместе с источником питания образуют последовательную цепь, поэтому величина электрического тока, протекающего через R1 и R2, определяется отношением напряжения питания Uin к сумме сопротивлений:

Обратите внимание, что чем больше сумма сопротивлений, тем меньше ток I при том же Uin.

Также по закону Ома, подставляя текущее значение, находим Uout1 и Uout2:

Подставляя значение самой первой формулы в последние две формулы, мы находим значение выхода U как функцию входа и сопротивлений двух резисторов

Формула делителя напряжения

Это несложное упражнение, но очень важное для понимания того, как работает делитель напряжения. Расчет делителя основан на законе Ома.

Чтобы узнать, какое напряжение будет на выходе делителя, выведем формулу, основанную на законе Ома. Предположим, мы знаем значения Uin, R1 и R2. Теперь, основываясь на этих данных, мы выводим формулу для Uout. Начнем с обозначения токов I1 и I2, которые проходят через резисторы R1 и R2 соответственно:

Наша цель — вычислить Uout, что довольно просто с помощью закона Ома:

Паяльная станция 2 в 1 с ЖК-дисплеем Мощность: 800 Вт, температура: 100… 480 градусов, воздушный поток… Подробнее

Хороший. Мы знаем значение R2, но ток I2 еще не известен. Но мы кое-что о ней знаем. Можно считать, что I1 равно I2. В этом случае наша схема будет выглядеть так:

Что мы знаем об Уине? Ну, Uin — это напряжение на R1 и R2. Эти резисторы соединены последовательно, а их сопротивления складываются:

И на время мы можем упростить схему:

Закон Ома в его простейшей форме: Uin = I * R. Имея в виду, что R состоит из R1 + R2, формулу можно записать следующим образом:

А поскольку I1 равно I2, то:

Это уравнение показывает, что выходное напряжение прямо пропорционально входному напряжению и отношению R1 к R2.

Делитель напряжения на переменном резисторе

Схема делителя напряжения с переменным резистором называется схемой потенциометра. Поворачивая ручку регулировки громкости на музыкальном центре или автомобильной стереосистеме, вы плавно изменяете напряжение, подаваемое на усилитель звуковой частоты. Принцип работы и сборка простейшего усилителя мощности уже обсуждалась здесь выше.

По мере того, как вы перемещаете (вращаете) ручку переменного резистора сверху вниз на чертеже, U постепенно изменяется от значения источника питания до нуля.

В звуковой технике используются в основном переменные резисторы с логарифмической зависимостью, поскольку слуховой аппарат человека воспринимает звуки с этой зависимостью. Для контроля уровня звука одновременно по двум каналам используются двойные переменные резисторы.

В качестве делителя напряжения используются переменные резисторы со следующими зависимостями сопротивления от угла поворота ручки: логарифмической, линейной и экспоненциальной. Определенный тип зависимости используется для решения отдельной проблемы.

Переменный резистор в роли делителя напряжения

Для плавной регулировки выходного напряжения у нас есть переменный резистор в качестве делителя напряжения. Его еще называют потенциометром.

Его обозначение на схеме выглядит так:

Принцип работы следующий: постоянное сопротивление между двумя крайними контактами. Сопротивление относительно центрального контакта по отношению к крайнему может варьироваться в зависимости от того, куда мы повернем скрутку этого переменного резистора. Этот резистор рассчитан на 1 Вт и имеет сопротивление 330 Ом. Посмотрим, как он разделит напряжение.

Так как мощность небольшая, всего 1Вт, мы не будем заряжать его высоким напряжением. Мощность, назначенная любому резистору, рассчитывается по формуле P = I2R. Это означает, что этот переменный резистор может делить только небольшое напряжение с небольшим сопротивлением нагрузки и наоборот. Главное, чтобы величина мощности этого резистора не выходила за пределы. Поэтому напряжение разделю на 1 вольт.

Для этого выставляем на колодке напряжение 1 вольт и цепляем наш резистор на двух крайних контактах.

Поворачиваем верх в произвольную сторону и останавливаем. Замеряем напряжение между левым и средним контактом и получаем 0,34 Вольта.

Измеряем напряжение между средним и правым контактом и получаем 0,64 Вольта

Складываем напряжение и получаем 0,34 + 0,64 = 0,98 Вольт. 0,02 Вольта опять где-то теряются. Скорее всего на пробниках, так как у них тоже есть сопротивление. Как видите, мы можем использовать простой переменный резистор в качестве простого делителя напряжения.

Применяя делитель напряжения на резисторах, необходимо понимать и помнить следующее:

1. 1. КПД такой схемы довольно низкий, так как только часть мощности блока питания идет на нагрузку, а остальная мощность преобразуется в тепло, выделяемое резисторами. Чем ниже падение напряжения, тем меньше энергии от блока питания уйдет на нагрузку.

1. Поскольку нагрузка подключена параллельно одному из разделительных резисторов, т.е отводит его, общее сопротивление цепи уменьшается и перепады напряжения перераспределяются. Следовательно, сопротивление нагрузки должно быть намного больше, чем сопротивление резистора делителя. В противном случае схема будет работать нестабильно при отклонении от заданных параметров.
2. Распределение U между R1 и R2 определяется исключительно их относительными значениями, а не абсолютными значениями. В этом случае не имеет значения, равны ли R1 и R2 2 кОм и 1 кОм или 200 кОм и 100 кОм. Однако при более низких значениях сопротивления можно получить больше мощности на нагрузку, но нужно помнить, что больше мощности преобразуется в тепло, то есть будет безвозвратно потрачено впустую.
   
   

Кроме того, иногда используются более сложные делители напряжения, состоящие из нескольких последовательно соединенных резисторов.

Потенциометры

Потенциометр — это переменный резистор, который можно использовать для создания регулируемого делителя напряжения.

Внутри потенциометра находится резистор и скользящий контакт, который разделяет резистор на две части и перемещается между ними. Снаружи потенциометр, как правило, имеет три проводника: два контакта подключены к выводам резистора, а третий (в центре) подключен к скользящему контакту.

Если контакты резистора подключены к источнику напряжения (один к минусу, другой к плюсу), центральный вывод потенциометра будет имитировать делитель напряжения.

Переместите ползунок потенциометра вверх, и выходное напряжение будет равно входному. Теперь переместите ползунок в крайнее нижнее положение и на выходе будет нулевое напряжение. Если установить ручку потенциометра в центральное положение, мы получим половину входного напряжения.

Резистивные датчики

Большинство датчиков, используемых в различных устройствах, являются резистивными. Фоторезистор — это переменный резистор, сопротивление которого изменяется пропорционально количеству падающего на него света. Есть также другие датчики, такие как датчики давления, датчики ускорения и термисторы и т.д.

Кроме того, резистивный делитель напряжения помогает измерять напряжение с помощью микроконтроллера (если присутствует АЦП).