делитель напряжения для чего используется
Как рассчитать делитель напряжения
В электронике и сложных электрических цепях часто требуется деление входящего напряжения. Для этих целей в схему вносится устройство, которое называется делитель. Статья даст описание, что такое делитель напряжения, для чего нужен этот элемент и где он применяется. Будут приведены различные варианты этого устройства, формулы, а так же способы расчета его параметров.
Определение
Делитель электрического напряжения — это схема из комбинации электронных компонентов, необходимая для разделения действующего входящего напряжения на части и для дальнейшей передачи этих частей к разным участкам схемы. Его используют очень часто в усилителях различного предназначения.
Делители напряжения могут быть построены с использованием различных элементов. В их роли могут выступать резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Независимо из каких компонентов построено устройство, оно состоит из 2 основных частей:
Оба плеча имеют строго последовательное соединение. Сумма напряжений их выходов равна общему входящему значению за вычетом небольшой величины рассеивания.
Делитель на резисторах
Чтобы понять, как работает делитель напряжения, необходимо рассмотреть этот простой элемент, построенный с использованием резисторов. Такое устройство может использоваться для деления переменного или постоянного тока. Простейший прибор состоит из 2 резисторов с последовательным соединением. Принцип работы будет следующим:
Первоначальный расчет величины делается с использованием выражения: U=I·R.
В таких устройствах основную роль играет всем нам известный закон Ома. Согласно ему, должно сохраняться условие, при котором снижение напряжения имеет прямую пропорциональность величине сопротивления резисторов.
Принимая во внимание первый закон Кирхгофа, входящая величина напряжения будет равна величине токов, протекающих через резисторы. Ниже приведена схема резисторного делителя напряжения.
Определить величину падения напряжения на каждом резисторе можно по формулам, которые представлены ниже:
Отсюда можно сделать вывод о величине на обоих концах цепи:
Далее можно определить значение тока в цепи, используя выражение:
Значение напряжения на каждом резисторе вычисляется по отдельным формулам:
Если резистивный делитель напряжения состоит из резисторов с разными сопротивлениями, выражение поможет рассчитать величину для каждого элемента отдельно. Для примера можно выполнить следующее вычисление:
Для начала необходимо найти силу тока, протекающего по данной цепи: I=50/(5000+5000)=0.005 А=5 мА.
Далее можно узнать величину падения напряжения для каждого резистора по формуле: U1=0.005×5000=25 вольт.
Так как оба резистора имеют одинаковое сопротивление, выходная величина «U2» также равна 25 В. Теперь проведем простой расчет с разными значениями сопротивлений.
Сначала найдем силу тока: I=50/(5000+3000)=0.00625 А=6.25 мА.
Далее отдельно вычислим значение падения напряжения:
Рассчитанная величина имеет коэффициент рассеивания, который равен 2 вольта, поэтому точные значения как в примере увидеть не получится.
Благодаря данным формулам можно рассчитать любой неизвестный параметр делителя, но также необходимо помнить, что входной ток делителя должен быть минимум в 10 раз больше тока нагрузки и меньше максимального тока источника. Например, с нагрузкой в 20 мА, входящий ток должен быть больше 200 мА и источник рассчитан на такой же ток или больше. Поэтому не часто можно встретить делитель в схемах с большой нагрузкой.
Резисторный делитель электрического напряжения страдает от потерь, связанных с рассеиванием. Это связано с тем, что резисторы при работе нагреваются и часть тока при этом просто преобразуется в тепловую энергию.
Делитель на конденсаторах
Делитель электрического напряжения на конденсаторах может использоваться только в цепях переменного тока. Конденсаторы используются, как емкостные реактивные сопротивления.
В делителях конденсаторного типа должно сохраняться правило зависимости сопротивления от частоты и емкости самих конденсаторов. Если используется ёмкостный делитель, то расчет сопротивления конденсатора делается с помощью формулы:
Данная формула состоит из следующих значений:
Для подобных схем должно сохраняться условие: сопротивление всегда меньше емкости. Исходя из этого, можно сделать вывод, что чем больше ёмкостные характеристики конденсатора, тем меньше степень падения напряжения. Расчет выходящего напряжения с двумя конденсаторами можно сделать следующим образом:
Конденсаторный тип устройств более устойчивый, чем делитель напряжения на резисторах. При его работе прослеживается практически нулевая потеря при рассеивании. Причина этого эффекта в качестве и составе самого диэлектрика.
Дополнение схем
При создании схем УНЧ, инженерам необходимо занижение высоковольтного значения тока для обеспечения нормальной работы транзистора. Справится с этой задачей помогает делитель. Например, такое резисторное устройство используется для питания базового контакта транзистора. Таким образом создается обратная отрицательная связь по электрическому току, которая возникает благодаря наличию резистора R3. Схема усилителя каскада по схеме с ОЭ представлена на рисунке ниже.
При проектировании стабилизаторов используется стабилитрон, как часть балансного делителя. Такая схема помогает снизить нагрузку на устройство, значительно выровнять выходной ток. Стабилитрон, как и диод работает на пробой, если обратный ток достигает определенной величины.
Основное отличие заключается в том, что при повышении порогового значения, в стабилитроне не происходит теплового, электрического пробоя из-за линейной разности потенциалов.
Заключение
В статье была дана информация, как произвести расчет делителя напряжения, описаны разновидности этих устройств, формулы расчета. Зная, зачем используется делитель, можно применять это устройство для создания простых и сложных электронных схем с занижением напряжения до необходимых значений.
Видео по теме
Что такое делитель напряжения и где он используется
Потенциометр — это компактное устройство, состоящее из корпуса, внутри которого находится дорожка из графита и регулируемый скользящий контакт, который можно перемещать влево-вправо по дорожке поворотом ручки. Также имеется контактная площадка с тремя контактами.
Обратите внимание: сопротивление графитовой дорожки в потенциометре точно задано производителем.
При использовании устройства можно использовать только два контакта: средний и один из крайних. И в данном случае у нас получится переменный резистор. Однако если подключить два крайних контакта к источнику питания, то со среднего контакта мы сможем снимать поделенное напряжение.
Важный момент : каким бы ни было «штатное» сопротивление у потенциометра, делить напряжение он в любом случае будет одинаково.
Как устроен делитель напряжения
По сути, потенциометр — это то же самое, что и пара соединенных последовательно резистора, только поворотом ручки на потенциометре мы меняем сопротивление этих резисторов, а два обычных резистора, которые соединены между собой последовательно, «намертво» зафиксированы на одном сопротивлении.
Для примера: пара резисторов по 500 килоом (кОм) — это то же самое, что и потенциометр на 1 мегаом (МОм) с ручкой, установленной посередине.
Соответственно, два резистора по 2,5 кОм — это же самое, что и потенциометр на 5 кОм с ручкой, установленной по центру.
Таким образом, заменив резистор с одним сопротивлением на иной, меняется и поделенное напряжение. Чтобы точно рассчитать делитель, для удобства можно воспользоваться формулой, которая представлена на картинке ниже.
Если мы подключим любую нагрузку к делителю напряжения, то у нас получится параллельное соединение сопротивлений (сопротивление установленного резистора и сопротивление нагрузки).
Где можно использовать делитель напряжения
Чтобы мы не запитывали через делитель, напряжение всегда будет сильно падать. При этом резисторы еще и греются. Зачем вообще тогда нужен делитель?
Для подключения нагрузок он, конечно, никуда не годится. Проще просто ограничивать ток с помощью одного резистора или использовать стабилитрон.
Однако для сигнального тока делитель просто незаменим. Например, потенциометрами меняют громкость звуковых сигналов в усилителях. Громкость меняется как раз потому, что происходит деление напряжения звукового сигнала.
Также при помощи делителей напряжения можно создавать обратные связи в преобразователях и блоках питания.
Видео по теме
Делитель напряжения для чего используется
Часто при проектировании электронной схемы возникает необходимость получить точку с определенным уровнем сигнала. Например, создать опорную точку или смещение напряжения, запитать маломощный потребитель, понизив его уровень и ограничить ток. Именно в таких случаях нужно использовать делитель напряжения. Что это такое и как его рассчитать мы расскажем в этой статье.
Определение
Делителем напряжения называется прибор или устройство, которое понижает уровень выходного напряжения относительно входного, пропорционально коэффициенту передачи (он будет всегда ниже нуля). Такое название он получил, потому что представляет собой два и более последовательно соединенных участка цепи.
Они бывают линейными и нелинейными. При этом первые представляют собой активное или реактивное сопротивление, в которых коэффициент передачи определяется соотношением из закона Ома. К ярко выраженным нелинейным делителям относят параметрические стабилизаторы напряжения. Давайте разберемся как устроен это прибор и зачем он нужен.
Виды и принцип действия
Сразу стоит отметить, что принцип работы делителя напряжения в общем одинаков, но зависит от элементов, из которых он состоит. Различают три основных вида линейных схем:
Наиболее распространен делитель на резисторах, из-за своей простоты и легкости расчетов. На его примере и рассмотрим основные сведения об этом устройстве.
У любого делителя напряжения есть Uвходное и Uвыходное, если он состоит из двух резисторов, если резисторов три, то выходных напряжений будет два, и так далее. Можно сделать любое количество ступеней деления.
Uвходное равно напряжению питания, Uвыходное зависит от соотношения резисторов в плечах делителя. Если рассматривать схему на двух резисторах, то верхним, или как его еще называют, гасящим плечом будет R1. Нижним или выходным плечом будет R2.
Допустим у нас Uпитания 10В, сопротивление R1 — 85 Ом, а сопротивление R2 — 15 Ом. Нужно рассчитать Uвыходное.
Так как они соединены последовательно, то:
Тогда если сложить выражения:
Если выразить отсюда ток, получится:
Подставив предыдущее выражение, имеем следующую формулу:
Посчитаем для нашего примера:
Делитель напряжения может быть выполнен и на реактивных сопротивлениях:
Тогда расчеты будут аналогичны, но сопротивления рассчитывают по нижеприведенным формулам.
Особенностью и различием этих видов делителей является то, что резистивный делитель может использоваться в цепях переменного и в цепях постоянного тока, а емкостной и индуктивный только в цепях переменного тока, потому что только тогда будет работать 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 обусловлено тем, что при их работе не выделяется такого количества тепла, как при использовании в конструкциях активных сопротивлений (резисторов)
Примеры использования в схеме
Есть масса схем, где используются делители напряжения. Поэтому мы приведем сразу несколько примеров.
Допустим мы проектируем усилительный каскад, на транзисторе, который работает в классе А. Исходя из его принципа действия, нам нужно задать на базе транзистора такое напряжение смещения (U1), чтобы его рабочая точка была на линейном отрезке ВАХ, при этом чтобы ток через транзистор не был чрезмерным. Допустим нам нужно обеспечить ток базы в 0,1 мА при U1 в 0,6 Вольта.
Тогда нам нужно рассчитать сопротивления в плечах делителя, а это обратный расчет относительно того, что мы привели выше. В первую очередь находят ток через делитель. Чтобы ток нагрузки не сильно влиял на напряжения на его плечах, зададим ток через делитель на порядок выше тока нагрузки в нашем случае 1 мА. Uпитания пусть будет 12 Вольт.
Тогда общее сопротивление делителя равняется:
Соответственное верхнее плече погасит
Но это еще не весь расчет. Для полного расчета делителя нужно определить и мощность резисторов, чтобы они не сгорели. При токе 1 мА на R1 выделится мощность:
Здесь она ничтожно мала, но представьте какой мощности нужны были бы резисторы, если бы ток делителя составлял 100 мА или 1 А?
Для первого случая:
Для второго случая:
Что уже немалые для электроники цифры, в том числе и для использования в усилителях. Это не эффективно, поэтому в настоящее время используют импульсные схемы, хотя и линейные продолжают использоваться либо в любительских конструкциях, либо в специфичном оборудовании с особыми требованиями.
Второй пример – это делитель для формирования Uопорного для регулируемого стабилитрона TL431. Они применяются в большинстве недорогих блоков питания и зарядных устройств для мобильных телефонов. Схема подключения и расчетные формулы вы видите ниже. С помощью двух резисторов здесь создается точка с Uопорным в 2.5 вольта.
Еще один пример — это подключение всевозможных датчиков к микроконтроллерам. Рассмотрим несколько схем подключения датчиков к аналоговому входу популярного микроконтроллера AVR, на примере семейства плат Arduino.
В измерительных приборах есть разные пределы измерения. Такая функция реализуется также с помощью группы резисторов.
Но на этом область применения делителей напряжения не заканчивается. Именно таким образом гасятся лишние вольты при ограничении тока через светодиод, также распределяется напряжение на лампочках в гирлянде, и также вы можете запитать маломощную нагрузку.
Нелинейные делители
Мы упомянули, что к нелинейным делителям относится параметрический стабилизатор. В простейшем виде он состоит из резистора и стабилитрона. У стабилитрона условное обозначение на схеме похоже на обычный полупроводниковый диод. Разница лишь в наличии дополнительной черты на катоде.
Расчет происходит, отталкиваясь от Uстабилизации стабилитрона. Тогда если у нас есть стабилитрон на 3.3 вольта, а Uпитания равно 10 вольт, то ток стабилизации берут из даташита на стабилитрон. Например, пусть он будет равен 20 мА (0.02 А), а ток нагрузки 10 мА (0.01 А).
Разберемся как работает такой стабилизатор. Стабилитрон включается в цепь в обратном включении, то есть если Uвыходное ниже Uстабилизации – ток через него не протекает. Когда Uпитания повышается до Uстабилизации, происходит лавинный или туннельный пробой PN-перехода и через него начинает протекать ток, который называется током стабилизации. Он ограничен резистором R1, на котором гасится разница между Uвходным и Uстабилизации. При превышении максимального тока стабилизации происходит тепловой пробой и стабилитрон сгорает.
Кстати иногда можно реализовать стабилизатор на диодах. Напряжение стабилизации тогда будет равно прямому падению диодов или сумме падений цепи диодов. Ток задаете подходящий под номинал диодов и под нужды вашей схемы. Тем не менее такое решение используется крайне редко. Но такое устройство на диодах лучше назвать ограничителем, а не стабилизатором. И вариант такой же схемы для цепей переменного тока. Так вы ограничите амплитуду переменного сигнала на уровне прямого падения — 0,7В.
Вот мы и разобрались что это такое делитель напряжения и для чего он нужен. Примеров, где применяется любой из вариантов рассмотренных схем можно привести еще больше, даже потенциометр в сущности является делителем с плавной регулировкой коэффициента передачи, и часто используется в паре с постоянным резистором. В любом случае принцип действия, подбора и расчетов элементов остается неизменным.
Напоследок рекомендуем посмотреть видео, на котором более подробно рассматривается, как работает данный элемент и из чего состоит:
Делитель напряжения
Делитель напряжения — это это цепь, состоящая из двух и более пассивных радиоэлементов, которые соединены последовательно.
Делитель напряжения на резисторах
Давайте разберем самый простой делитель напряжения, состоящий из двух резисторов. Эти два резистора соединим последовательно и подадим на них напряжение. Напряжение может быть как постоянное, так и переменное.
Подавая напряжение на эту цепь, состоящую из двух резисторов, у нас получается, что цепь становится замкнутой, и в цепи начинает течь электрический ток с какой-то определенной силой тока, которая зависит от номиналов резисторов.
Итак, мы знаем, что при последовательном соединении сила тока в цепи одинакова. То есть какая сила тока протекает через резистор R1, такая же сила тока течет и через резистор R2. Как же вычислить эту силу тока? Оказывается, достаточно просто, используя закон Ома: I=U/R.
Так как наши резисторы соединены последовательно, то и их общее сопротивление будет выражаться формулой
То есть в нашем случае мы можем записать, что
Как найти напряжение, которое падает на резисторе R2?
Так как ток для обоих резисторов общий, то согласно закону Ома
Подставляем вместо I формулу
и получаем в итоге
Для другого резистора ситуация аналогичная. На нем падает напряжение
Для него формула запишется
что и требовалось доказать.
Эта формула также работает и для большого количества резисторов.
Как работает делитель напряжения на практике
Итак у нас имеются вот такие два резистора и наш любимый мультиметр:
Замеряем сопротивление маленького резистора, R1=109,7 Ом.
Замеряем сопротивление большого резистора R2=52,8 Ом.
Выставляем на блоке питания ровно 10 Вольт. Замер напряжения производим с помощью мультиметра.
Цепляемся блоком питания за эти два резистора, запаянные последовательно. Напомню, что на блоке ровно 10 Вольт. Показания амперметра на блоке питания тоже немного неточны. Силу тока мы будем замерять в дальнейшем также с помощью мультиметра.
Замеряем падение напряжения на большом резисторе, который обладает номиналом в 52,8 Ом. Мультиметр намерял 3,21 Вольта.
Замеряем напряжение на маленьком резисторе номиналом в 109,7 Ом. На нем падает напряжение 6,77 Вольт.
Ну что, с математикой, думаю, у всех в порядке. Складываем эти два значения напряжения. 3,21+6,77 = 9,98 Вольт. А куда делись еще 0,02 Вольта? Спишем на погрешность щупов и средств измерений. Вот наглядный пример того, что мы смогли разделить напряжение на два разных напряжения. Мы еще раз убедились, что сумма падений напряжений на каждом резистора равняется напряжению питания, которое подается на эту цепь.
Сила тока в цепи при последовательном соединении резисторов
Давайте убедимся, что сила тока при последовательном соединении резисторов везде одинакова. Как измерить силу тока постоянного напряжения, я писал здесь. Как видим, мультиметр показал значение 0,04 А или 40 мА в начале цепи, в середине цепи и даже в конце цепи. Где бы мы не обрывали нашу цепь, везде одно и то же значение силы тока.
Переменный резистор в роли делителя напряжения
Для того, чтобы плавно регулировать выходное напряжение, у нас есть переменный резистор в роли делителя напряжения. Его еще также называют потенциометром.
Его обозначение на схеме выглядит вот так:
Принцип работы такой: между двумя крайними контактами постоянное сопротивление. Сопротивление относительно среднего контакта по отношению к крайним может меняться в зависимости от того, куда мы будем крутить крутилку этого переменного резистора. Этот резистор рассчитан на мощность 1Вт и имеет полное сопротивление 330 Ом. Давайте посмотрим, как он будет делить напряжение.
Так как мощность небольшая, всего 1 Вт, то мы не будем нагружать его большим напряжением. Мощность, выделяемая на каком-либо резисторе рассчитывается по формуле P=I 2 R. Значит, этот переменный резистор может делить только маленькое напряжение при маленьком сопротивлении нагрузки и наоборот. Главное, чтобы значение мощности этого резистора не вышло за грани. Поэтому я буду делить напряжение в 1 Вольт.
Для этого выставляем на блоке напряжение в 1 Вольт и цепляемся к нашему резистору по двум крайним контактам.
Крутим крутилку в каком-нибудь произвольном направлении и останавливаем ее. Замеряем напряжение между левым и средним контактом и получаем 0,34 Вольта.
Замеряем напряжение между средним и правым контактом и получаем 0,64 Вольта
Суммируем напряжение и получаем 0,34+0,64=0,98 Вольт. 0,02 Вольта опять где-то затерялись. Скорее всего на щупах, так как они тоже обладают сопротивлением. Как вы видите, простой переменный резистор мы можем использовать в роли простейшего делителя напряжения.
Похожие статьи по теме «делитель напряжения»