No Image

Что такое делитель напряжения

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
11 марта 2020

Делитель напряжения — это простая схема, которая позволяет получить из высокого напряжения пониженное напряжение.

Используя только два резистора и входное напряжение, мы можем создать выходное напряжение, составляющее определенную часть от входного. Делитель напряжения является одной из наиболее фундаментальных схем в электронике. В вопросе изучения работы делителя напряжения следует отметить два основных момента – это сама схема и формула расчета.

Схема делителя напряжения на резисторах

Схема делителя напряжения включает в себя входной источник напряжения и два резистора. Ниже вы можете увидеть несколько схематических вариантов изображения делителя, но все они несут один и тот же функционал.

Обозначим резистор, который находится ближе к плюсу входного напряжения (Uin) как R1, а резистор находящийся ближе к минусу как R2. Падение напряжения (Uout) на резисторе R2 — это пониженное напряжение, полученное в результате применения резисторного делителя напряжения.

Расчет делителя напряжения на резисторах

Расчет делителя напряжения предполагает, что нам известно, по крайней мере, три величины из приведенной выше схемы: входное напряжение и сопротивление обоих резисторов. Зная эти величины, мы можем рассчитать выходное напряжение.

Формула делителя напряжения

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

Для того чтобы узнать какое напряжение будет на выходе делителя, выведем формулу исходя из закона Ома. Предположим, что мы знаем значения Uin, R1 и R2. Теперь на основании этих данных выведем формулу для Uout. Давайте начнем с обозначения токов I1 и I2, которые протекают через резисторы R1 и R2 соответственно:

Наша цель состоит в том, чтобы вычислить Uout, а это достаточно просто используя закон Ома:

Хорошо. Мы знаем значение R2, но пока неизвестно сила тока I2. Но мы знаем кое-что о ней. Мы можем предположить, что I1 равно I2. При этом наша схема будет выглядеть следующим образом:

Что мы знаем о Uin? Ну, Uin это напряжение на обоих резисторах R1 и R2. Эти резисторы соединены последовательно, при этом их сопротивления суммируются:

И, на какое-то время, мы можем упростить схему:

Закон Ома в его наиболее простом вид: Uin = I *R. Помня, что R состоит из R1+R2, формула может быть записана в следующем виде:

А так как I1 равно I2, то:

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

Делитель напряжения — калькулятор онлайн

Применение делителя напряжения на резисторах

В радиоэлектронике есть много способов применения делителя напряжения. Вот только некоторые примеры где вы можете обнаружить их.

Потенциометры

Потенциометр представляет собой переменный резистор, который может быть использован для создания регулируемого делителя напряжения.

Изнутри потенциометр представляет собой резистор и скользящий контакт, который делит резистор на две части и передвигается между этими двумя частями. С внешней стороны, как правило, у потенциометра имеется три вывода: два контакта подсоединены к выводам резистора, в то время как третий (центральный) подключен к скользящему контакту.

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

Переведите движок потенциометра в верхнее положение и напряжение на выходе будет равно входному напряжению. Теперь переведите движок в крайнее нижнее положение и на выходе будет нулевое напряжение. Если же установить ручку потенциометра в среднее положение, то мы получим половину входного напряжения.

Резистивные датчики

Большинство датчиков применяемых в различных устройствах представляют собой резистивные устройства. Фоторезистор представляет собой переменный резистор, который изменяет свое сопротивление, пропорциональное количеству света, падающего на него. Так же есть и другие датчики, такие как датчики давления, ускорения и термисторы и др.

Так же резистивный делитель напряжения помогает измерить напряжение при помощи микроконтроллера (при наличии АЦП).

Пример работы делителя напряжения на фоторезисторе.

Допустим, сопротивление фоторезистора изменяется от 1 кОм (при освещении) и до 10 кОм (при полной темноте). Если мы дополним схему постоянным сопротивлением примерно 5,6 кОм, то мы можем получить широкий диапазон изменения выходного напряжения при изменении освещенности фоторезистора.

Как мы видим, размах выходного напряжения при уровне освещения от яркого до темного получается в районе 2,45 вольт, что является отличным диапазоном для работы большинства АЦП.

21 комментарий

Короче,делитель напряжения — это следящая ( сравнивающая ) цепочка в системах автоматического регулирования. Её можно увидеть в регуляторах напряжеия генераторов.

Отличная статья, жаль, что про рассеиваемую мощность не сказано ни слова.

спасибо,понравилось.вопрос-схема где показаны способы присоединения делителей
правый(внизу) измеряют снимаемое (Uout) c
Uout и минуса входящего?

Просто и понятно описано, чтобы понять даже ребенку.

За калькуляторы отдельное спасибо — очень удобно!

Увы. Врет калькулятор безбожно!
Пытался рассчитать делитель с 6В на 2.5В.
Жаль нельзя скриншот вставить.
Результаты:
По формуле 1: R1 = 4.8K, R2 = 22K, Vin = 6В, Vout = 4.4В. (Значения резисторов взяты из результатов формулы 3)
По формуле2: Vin = 6В, Vout = 2.5В, R1+R2 = 26,4K. Результат: R1 = 666,667, R2 = 3,333K. В сумме ну никак не 26К, которые в исходных данных забиты.
По формуле3: Vin=6B, Vout = 2,5B, R2=22K. Результат: R1 = 4,4K. (при расчете вручную 30800)
Т.е. результаты ну совсем рядом не стояли. А по идее формулы должны сходные результаты давать.
Кроме этого, в формуле 1. R1 указано 4.8К, при этом Vout = 4.4В. Если указать R1 4.84, то результат уже 1.245. Добавили 0.04К, а напряжение упало аж в 4 раза? А если добавить еще 0.004К, то на выходе уже 152 мВ. Т.е. в 10 раз меньше предыдущего.
В общем не фонтан.

Читайте также:  Посадка сливы осенью на урале

Читайте примечание внизу калькулятора…

вполне приличный калькулятор.спасибо.

Спасибо за отличный и удобный калькулятор!

Рассчитать резистор R2 для выходного напряжения (Uout) и резистора R1-добавить для удобства расчетов

смысла формулы не пойму , почему в делителе нужно умножать именно на R2, Ток течет от плюса к минусу чисто условно, он с таким же успехом идет и наоборот, Впечатление , что формула хоть и верная но притянута за уши .

При умножении на R1 ты вычислишь разницу напряжений Uin-Uout

А как будет влиять на систему нагрузка? Она снизит сопротивление цепи.

Без учета нарузки это сферический конь в вакууме.

Сама идея создать калькуляторы хорошая.
Только вот изначально необходимо вводить условие нагрузки. Без этого такие калькуляторы совершенно бессмысленные, и годятся разве что для демонстрации закона Ома.
И хорошо бы сделать калькулятор на несколько коэффициентов деления, например 1:1 — 1:10 — 1:100 — 1:1000, и конечно же с условием входного сопротивления нагрузки.
И в этом же калькуляторе должны быть строки для отображения мощности рассеяния резисторов делителя.
И при этом необходимо ещё учитывать температуру резисторов. Собственно, все проекты начинаются с задания диапазона рабочих температур. А иначе при работе все эти резисторы перекосит по сопротивлению напрочь.
Вобщем, в таком виде это не калькуляторы, а бессмысленные игрушки.

Блин, ребята! Такие делители применяются исключительно для задания какого-нибудь опорного напряжения для компаратора или для задания точки смещения транзистора. В таких условиях просто принимается что сопротивление нагрузки (т.е. входа этого самого компаратора) на порядки больше, и, соответственно сопротивление такой нагрузки почти не влияет на конечный результат. Да и отклонение резисторов а также температурный дрейф будут вносить бОльшие искажения, нежели сопротивление входа компаратора. А если требуется более точное напряжение, то ставят точные стабилитроны или вобще специализированную микросхему — ИОН (источник опорного напряжения). Но никто через такие делители не запитывает именно полноценную нагрузку. Частный случай такого делителя, это если вместо нижнего резистора ставится стабилитрон. Тогда расчёт по мощности упирается в допустимую мощность стабилитрона, а мощность нагрузки должа быть в разы меньше, т.е. таким образом можно разве что подать питание на одну-две микросхемы маломощные.

отличная подборка, присоединюсь к уже озвученному, жаль нет расчёта по мощности )))

да кстати сколько ват рассеит резистор как посчитать?

Тупит ваш калькулятор, у меня практическая схема R1=260 Ом 10W, R2=120 Ом 5W, при входном 56В на выходе 18В. Мигалка для электропогрузчика с бортовым 56В. Ваш калькулятор перекрывает выходные значения сообщением о мощности и величине сопротивления.

Хороший калькулятор, спасибо автору. Но для полного удобства не хватает расчёта R2 при известном R1 и напряжениях. Как раз столкнулся с такой задачей, пришлось решать методом перебора с последовательным приближением. Все равно это будет переменный резистор, главное понять какой туда повесить чтобы покрыть весь диапазон выходных напряжений, не рискуя разорвать ОС при «шуршании» бегунка резистора (регулируемый БП).

Нужно еще один калькулятор — чтобы по Uin, Uout и I выдавал нужные сопротивления (когда нужно, чтобы ток был определенной величины — не больше заданной, но и не на порядки меньше: например, ток 10мА при 10В->3В, если брать килоомные сопротивления, меня не устраивает)

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.

Читайте также:  Как поклеить стеклообои на потолок

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.

U=I*R

Так как они соединены последовательно, то:

U1=I*R1

U2=I*R2

Тогда если сложить выражения:

U1+U2=I(R1+R2)

Если выразить отсюда ток, получится:

Подставив предыдущее выражение, имеем следующую формулу:

Посчитаем для нашего примера:

Делитель напряжения может быть выполнен и на реактивных сопротивлениях:

  • на конденсаторах (емкостной);
  • на катушках индуктивности (индуктивный).

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.

Читайте также:  Горячая вода через теплообменник

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 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

где UR1, UR2 — 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 UR1, UR2 на резисторах равна напряжению источника питания. Ток в цепи будет равен напряжению источника питания, делённому на сумму сопротивлений резисторов R1 и R2:

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:

UR1 = 0,0002*10000 = 2 В;
UR2 = 0,0002*40000 = 8 В.

Если из формулы (1) вывести ток:

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

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

UR1 = 10 * 10000 / (10000+40000) = 2 В,

и на резисторе R2:

UR2 = 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:

Здесь Rc — 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:

UС1 = 10 * 40*10 -9 / (10*10 -9 +40*10 -9 ) = 8 В,
UС2 = 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:

Здесь Rc — 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:

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

UL1 = 10 * 10*10 -6 / (10*10 -6 +40*10 -6 ) = 2 В,
UL2 = 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.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
No Image Строительство
0 комментариев
Adblock detector