Делитель напряжения на диодах

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

• Вычислительная техника
  • Микроконтроллеры микропроцессоры
  • ПЛИС
  • Мини-ПК
• Силовая электроника
• Датчики
• Интерфейсы
• Теория
  • Программирование
  • ТАУ и ЦОС
• Перспективные технологии
  • 3D печать
  • Робототехника
  • Искусственный интеллект
  • Криптовалюты

Чтение RSS

Пять схем делителя напряжения предназначенных не только для деления напряжения

Для чего нужен делитель напряжения

Делитель напряжения в классическом варианте представляет собой очень простую схему, состоящую из двух резисторов и предназначенную для уменьшения напряжения до нужных значений.

Но делитель напряжения с некоторыми изменениями можно использовать не только лишь для деления напряжения. В данном материале мы рассмотрим пять несложных схем, которые могут быть полезны на практике для решения тех или иных схемотехнических задач.

Для чего нужен делитель напряжения

Делитель напряжения для измерения напряжения батареи

Есть несколько разных случаев, когда вам может потребоваться «понизить» напряжение аккумулятора или батареи. В этом случае делитель не заменяет понижающий регулятор. Так, вам может потребоваться понизить напряжение аккумулятора, чтобы измерить его. Предположим, вы используете микропроцессор с 3.3 В (как у Raspberry Pi, например) или микроконтроллер (к примеру, ESP8266). Ваша плата питается от двух последовательно соединенных литий-полимерных аккумуляторов. Вместе эти батареи создают питание 7.4 вольта.

Два резистора сопротивлением 100 кОм уменьшают напряжение с 7.4 до 3.7 вольт. Хотя это уже немного, оно все еще слишком высоко для систем с напряжением 3.3 В. Когда деление напряжения пополам не работает, можно посчитать делитель напряжения с разными сопротивлениями. Взяв R1 равным 100 кОм и R2 равным 68 кОм делитель выдает около 3.0 вольта. Этого достаточно, правда?

Но здесь есть две проблемы. Во-первых, подключение этих двух резисторов последовательно к батарее создаст ток утечки. Независимо от того, что еще происходит в цепи, через делитель будет проходить 44 мкА. Вроде бы мало, но это означает, что мы тратим 325 мкВт энергии впустую. С питанием от USB не стоит беспокоиться о такой большой утечке. Однако при питании от батарей эта утечка означает меньшее время автономной работы. Во-вторых, существует проблема обратного питания, от чего тоже надо избавиться. Для этого желательно реализовать мониторинг напряжения.

Тем не менее, в большинстве приложений не требуется постоянный мониторинг напряжения батареи. Например, вы можете просто включить делитель напряжения, когда вы делаете измерение, как это показано на схеме ниже. Добавьте PNP-транзистор с высокой стороны к простому делителю напряжения. При этом цифровая линия ввода/вывода будет управлять NPN-транзистором, который включает и выключает PNP-транзистор. При такой конфигурации ни один ток не может прокрасться через защитные диоды аналогового вывода. И у вас есть полный контроль над работой делителя.

Делитель напряжения для смещения уровня напряжения

Современные микроконтроллеры основаны на 3.3-вольтовой логике с использованием в некоторых случаях 1.8 В. Использование более старого стандарта напряжения 5.0 В означает, что вам нужны сигналы ввода-вывода с изменением напряжения. Например, подключение выхода Arduino Uno непосредственно к входу ESP8266 может привести к повреждению последнего.

Конечно, для целей согласования уровней напряжения можно использовать специальные микросхемы, например, TXB0108. Но гораздо проще и дешевле воспользоваться делителем напряжения, как показано на схеме ниже, в которой напряжение с вывода Arduino Uno преобразуется для приема на вывод Raspberry Pi. Только следует учитывать, что такая схема справедлива в отношении однонаправленных сигналов.

Делитель напряжения для опорного напряжения

Не все цепи делителя напряжения используют только резисторы. Один пример, полезный для формирования опорного напряжение, содержит резистор и диод.

В данном случае применяется стабилитрон (зенеровский диод) на 3.3 В. Используя стабильный источник питания на 5.0 В, резистор на 340 Ом можно получить стабильное напряжение 3.0 вольта. Имейте в виду, что это не регулятор напряжения. Ну, по крайней мере, не тот, который может обеспечить много тока.

Делитель напряжения для формирования лесенки сопротивлений R-2R

Лестница R-2R представляет собой кучу повторяющихся резисторов или сеть резисторов. Идея состоит в том, что при включении большего количества выходов это влияет на выходное напряжение. Эта схема является одним из способов сделать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Вы активируете цифровые линии и получаете аналоговое напряжение. Поскольку это форма делителя тока, эффективность зависит от того, насколько хорошо резисторы согласованы друг с другом. Поэтому вы должны использовать прецизионные компоненты или измерять каждый, чтобы они соответствовали друг другу.

Добавьте больше резисторов в строку для большего разрешения. Используйте более подходящие резисторы для большей точности. В этом примере с резисторами 1 кОм и 2 кОм каждый бит по напряжению составляет 313 мВ. Максимальное выходное напряжение составляет 4.68 В.

Делитель напряжения для управления несколькими кнопками с помощью одного вывода

Для работы с сетью кнопок и резисторов, вы можете использовать один аналоговый вывод микроконтроллера. Между каждой кнопкой находится значение резистора. В этом примере используются резисторы 470 Ом. Когда вы нажимаете кнопку, R1 (1 кОм) образует делитель с остальной частью сети.

В данном случае мы нажимаем кнопку два (2), в итоге мы получаем напряжение делителя, состоящего из резисторов 1 кОм и 1.4 кОм. Вам не нужно использовать равные значения резисторов. Вы выбираете значения, которые дают вам широкий диапазон между кнопками. Таким образом, ваш код, считывающий аналоговый сигнал, может иметь широкий диапазон ввода.

Схемы делителей напряжения

Давайте проанализируем простую последовательную схему и определим падение напряжения на отдельных резисторах:

Рисунок 1 – Схема последовательной цепи Рисунок 2 – Табличный метод. Шаг 1

По заданным значениям отдельных сопротивлений мы можем определить общее сопротивление цепи, зная, что последовательные сопротивления суммируются.

Рисунок 3 – Табличный метод. Шаг 2

Теперь мы можем использовать закон Ома (I = E/R) для определения общего тока, который, как мы знаем, будет таким же, как ток каждого резистора, поскольку токи во всех частях последовательной цепи одинаковы.

Рисунок 4 – Табличный метод. Шаг 3

Теперь, зная, что ток в цепи равен 2 мА, мы можем использовать закон Ома (E = IR) для расчета напряжения на каждом резисторе:

Рисунок 5 – Табличный метод. Шаг 4

Должно быть очевидно, что падение напряжения на каждом резисторе пропорционально его сопротивлению, учитывая, что ток одинаков на всех резисторах. Обратите внимание, что напряжение на R₂ вдвое больше, чем на R₁, так же как сопротивление R₂ в два раза больше, чем у R₁.

Если бы мы изменили общее напряжение, то обнаружили бы, что эта пропорциональность падений напряжения остается постоянной.

Рисунок 6 – Пропорциональность падений напряжения остается постоянной

Несмотря на то, что напряжение источника изменилось, напряжение на R₂ по-прежнему ровно вдвое больше, чем на R₁. Пропорциональность падений напряжения (соотношение между ними) строго зависит от значений сопротивлений.

При более внимательном наблюдении становится очевидным, что падение напряжения на каждом резисторе также является фиксированной долей напряжения питания. Например, напряжение на R₁ составляло 10 вольт при питании от батареи 45 вольт. Когда напряжение аккумулятора было увеличено до 180 вольт (в 4 раза больше), падение напряжения на R₁ также увеличилось в 4 раза (с 10 до 40 вольт). Однако соотношение между падением напряжения R₁ и общим напряжением не изменилось:

Точно так же ни один из других коэффициентов падения напряжения не изменился с увеличением напряжения питания:

Формула делителя напряжения

По этой причине последовательную цепь часто называют делителем напряжения из-за ее способности пропорционально делить общее напряжение на дробные части с постоянными коэффициентами. Применив немного алгебры, мы можем вывести формулу для определения падения напряжения на последовательном резисторе, не учитывая ничего, кроме общего напряжения, сопротивления отдельного резистора и общего сопротивления.

Падение напряжения на любом резисторе:

Сила тока в последовательной цепи:

Подставляем E_общ/R_общ вместо I_n в первую формулу.

Падение напряжения на любом резисторе в последовательнй цепи:

В схеме делителя напряжения отношение отдельного сопротивления к общему сопротивлению равно отношению отдельного падения напряжения к общему напряжению питания. Эта формула известна как формула делителя напряжения, и это сокращенный метод определения падения напряжения в последовательной цепи без проведения расчетов тока по закону Ома.

Пример использования формулы делителя напряжения

Используя эту формулу, мы можем повторно проанализировать падение напряжения в примере схемы за меньшее количество шагов:

Рисунок 7 – Схема последовательной цепи

Компоненты, делящие напряжение

Делители напряжения находят широкое применение в измерительных схемах, где как часть схемы измерения напряжения для «деления» напряжения на точные пропорции используются определенные комбинации последовательных резисторов.

Рисунок 8 – Делитель напряжения

Потенциометры как компоненты, делящие напряжение

Одним из устройств, часто используемых в качестве элемента деления напряжения, является потенциометр, который представляет собой резистор с подвижным элементом, перемещаемым ручкой или рычагом. Подвижный элемент, обычно называемый ползунком, вступает в контакт с резистивной полосой материала в любой, выбранной вручную точке:

Рисунок 9 – Потенциометр

Контакт ползунка – это обращенная влево стрелка, нарисованная в середине вертикального обозначения резистора. При перемещении вверх он контактирует с резистивной полосой ближе к клемме 1 и дальше от клеммы 2, уменьшая сопротивление от него до клеммы 1 и повышая сопротивление от него до клеммы 2. При перемещении вниз происходит противоположный эффект. Сопротивление, измеренное между клеммами 1 и 2, постоянно для любого положения ползунка.

Рисунок 10 – Принцип действия потенциометра

Поворотные и линейные потенциометры

Ниже показано внутреннее устройство двух типов потенциометров: поворотного и линейного.

Линейные потенциометры

Некоторые линейные потенциометры приводятся в действие прямолинейным движением рычага или ползунковой кнопки. Другие, подобные изображенному на рисунке выше, приводятся в действие поворотным винтом для точной регулировки. Потенциометры последнего типа иногда называют «подстроечниками» потому, что они хорошо работают в приложениях, требующих «подстройки» переменного сопротивления до некоторого точного значения.

Следует отметить, что не все линейные потенциометры имеют такое же назначение выводов, как показано на этом рисунке. У некоторых вывод ползунка находится посередине между двумя крайними выводами.

Поворотный потенциометр

На изображении ниже показана конструкция поворотного потенциометра.

Рисунок 12 – Поворотный потенциометр

На фотографии ниже показан реальный поворотный потенциометр с открытыми для удобства просмотра ползунком и резистивным элементом. Вал, который перемещает ползунок, повернут почти до конца по часовой стрелке, поэтому ползунок почти касается левого конечного вывода резистивного элемента:

Рисунок 13 – Поворотный потенциометр с открытыми ползунком и резистивным элементом

Вот тот же потенциометр с валом ползунка, перемещенным почти до упора против часовой стрелки, поэтому ползунок теперь находится рядом с другим крайним концом хода:

Рисунок 14 – Потенциометр с валом ползунка, повернутым до упора против часовой стрелки

Влияние регулировки потенциометра на схему

Если между внешними выводами (по всей длине резистивного элемента) приложено постоянное напряжение, положение ползунка будет отводить часть приложенного напряжения, измеряемого между контактом ползунка и любым из двух других выводов. Значение коэффициента деления полностью зависит от физического положения ползунка:

Рисунок 15 – Потенциометр как переменный делитель напряжения

Важность потенциометров

Как и в случае с фиксированным делителем напряжения, коэффициент деления напряжения потенциометра строго зависит от сопротивления, а не от величины приложенного напряжения. Другими словами, если ручка потенциометра или рычаг перемещается в положение 50 процентов (точное центральное положение), падение напряжения между ползунком и любым крайним выводом будет составлять ровно 1/2 от приложенного напряжения, независимо от того, что с этим напряжением происходит, или каково полное сопротивление потенциометра. Другими словами, потенциометр работает как регулируемый делитель напряжения, где коэффициент деления напряжения устанавливается положением ползунка.

Это применение потенциометра является очень полезным средством получения изменяемого напряжения от источника фиксированного напряжения, такого как аккумулятор. Если для схемы, которую вы собираете, требуется определенная величина напряжения, которая меньше, чем значение напряжения доступной батареи, вы можете подключить внешние выводы потенциометра к этой батарее и «выбрать» для использования в вашей цепи любое необходимое напряжение между ползунком и одним из внешних выводов потенциометра:

Рисунок 16 – Применение потенциометра

При таком использовании название «потенциометр» имеет смысл: он «измеряет» (контролирует) приложенный к нему потенциал (напряжение), создавая изменяемый коэффициент деления напряжения. Такое использование трехполюсного потенциометра в качестве переменного делителя напряжения очень популярно в схемотехнике.

Примеры небольших потенциометров

Ниже показано несколько небольших потенциометров, которые обычно используются в бытовом электронном оборудовании, а также любителями и студентами при построении схем:

Рисунок 17 – Примеры небольших потенциометров

Меньшие устройства слева и справа предназначены для подключения к беспаечной макетной плате или для пайки в печатную плату. Устройства посередине предназначены для установки на плоской панели с проводами, припаянными к каждому из трех выводов.

Ниже показано еще три потенциометра, более специализированных, чем только что показанный набор:

Рисунок 18 – Примеры потенциометров размером побольше

Большое устройство «Helipot» – это лабораторный потенциометр, предназначенный для быстрого и легкого подключения к цепи. Устройство в нижнем левом углу фотографии представляет собой потенциометр того же типа, только без корпуса и поворотного счетного диска. Оба этих потенциометра представляют собой прецизионные устройства, в которых используются многооборотные спиралевидные резистивные ленты и ползунковые механизмы для точной регулировки. Устройство в правом нижнем углу представляет собой потенциометр для монтажа на панели, предназначенный для работы в тяжелых промышленных условиях.

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

Давайте докажем, что сумма падений напряжений на резисторах равняется напряжению питания, то есть нам надо доказать, что U=U_R1 +U_R2 . Подставляем значения и смотрим.

что и требовалось доказать.

Эта формула также работает и для большого количества резисторов.

На схеме выше мы видим резисторы, которые соединены последовательно. Чему будет равняться U_общ ? Так как резисторы соединены последовательно, следовательно, на каждом резисторе падает какое-то напряжение. Сумма падений напряжения на всех резисторах будет равняться U_общ . В нашем случае формула запишется как

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”

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Бюджетным вариантом преобразования основных параметров электрического тока являются делители напряжения. Такое устройство легко изготовить самостоятельно, но чтобы сделать это, нужно знать назначение, случаи применения, принцип работы и примеры расчетов.

Назначение и применение

Для преобразования переменного напряжения применяется трансформатор, благодаря которому можно сохранить достаточно высокое значение тока. Если необходимо в электрическую цепь подключить нагрузку, потребляющую небольшой ток (до сотен мА), то использование трансформаторного преобразователя напряжения (U) не является целесообразным.

В этих случаях можно использовать простейший делитель напряжения (ДН), стоимость которого существенно ниже. После получения необходимой величины U выпрямляется и происходит подача питания на потребитель. При необходимости для увеличения силы тока (I) нужно использовать выходной каскад увеличения мощности. Кроме того, существуют делители и постоянного U, но эти модели применяются реже остальных.

ДН часто применяются для зарядок различных устройств, в которых нужно получить из 220 В более низкие значения U и токов для разного типа аккумуляторов. Кроме того, целесообразно использовать устройства для деления U для создания электроизмерительных приборов, компьютерной техники, а также лабораторных импульсных и обыкновенных блоков питания.

Принцип работы

Делитель напряжения (ДН) является устройством, в котором осуществляется взаимосвязь выходного и входного U при помощи коэффициента передачи. Коэффициент передачи — отношение значений U на выходе и на входе делителя. Схема делителя напряжения проста и представляет собой цепочку из двух последовательно соединенных потребителей — радиоэлементов (резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности). По выходным характеристикам они отличаются.

У переменного тока существуют такие главные величины: напряжение, сила тока, сопротивление, индуктивность (L) и емкость (C). Формулы расчета основных величин электричества (U, I, R, C, L) при последовательном подключении потребителей:

1. Значения сопротивлений складываются;
2. Напряжения складываются;
3. Ток будет вычисляться по закону Ома для участка цепи: I = U / R;
4. Индуктивности складываются;
5. Емкость всей цепочки конденсаторов: C = (C1 * C2 * .. * Cn) / (C1 + C2 + .. + Cn).

Для изготовления простого резисторного ДН и используется принцип последовательно включенных резисторов. Условно схему можно разделить на 2 плеча. Первое плечо является верхним и находится между входом и нулевой точкой ДН, а второе — нижним, с него и снимается выходное U.

Сумма U на этих плечах равна результирующему значению входящего U. ДН бывают линейного и нелинейного типов. К линейным относятся устройства с выходным U, которое изменяется по линейному закону в зависимости от входной величины. Они применяются для задания нужных U в различных частях схем. Нелинейные применяются в функциональных потенциометрах. Их сопротивление может быть активным, реактивным и емкостным.

Кроме того, ДН может быть еще и емкостным. В нем используется цепочка из 2 конденсаторов, которые соединены последовательно.

Его принцип работы основан на реактивной составляющей сопротивления конденсаторов в цепи тока с переменной составляющей. Конденсатор обладает не только емкостными характеристиками, но и сопротивлением Xc. Это сопротивление называется емкостным, зависит от частоты тока и определяется по формуле: Xc = (1 / C) * w = w / C, где w — циклическая частота, C — значение конденсатора.

Циклическая частота вычисляется по формуле: w = 2 * ПИ * f, где ПИ = 3,1416, а f — частота переменного тока.

Конденсаторный, или емкостной, тип позволяет получать сравнительно большие токи, чем с резистивных устройств. Он получил широкое применение в высоковольтных цепях, в которых значение U необходимо снизить в несколько раз. Кроме того, он обладает существенным преимуществом — не перегревается.

Индуктивный тип ДН основан на принципе электромагнитной индукции в цепях тока с переменной составляющей. Ток протекает по соленоиду, сопротивление которого зависит от L и называется индуктивным. Его значение прямо пропорционально зависит от частоты переменного тока: Xl = w * L, где L — значение индуктивности контура или катушки.

Индуктивный ДН работает только в цепях с током, у которого есть переменная составляющая, и обладает индуктивным сопротивлением (Xl).

Преимущества и недостатки

Основными недостатками резистивного ДН являются невозможность его применения в высокочастотных цепях, существенное падение напряжений на резисторах и уменьшение мощности. В некоторых схемах нужно подбирать мощность сопротивлений, так как происходит существенный нагрев.

В большинстве случаев в цепях переменного тока применяются ДН с активной нагрузкой (резистивные), но с использованием компенсационных конденсаторов, подключенных параллельно к каждому из резисторов. Этот подход позволяет уменьшить нагрев, но не убирает основной недостаток, который заключается в потере мощности. Преимуществом является применение в цепях постоянного тока.

Для исключения потери мощности на резистивном ДН активные элементы (резисторы) следует заменить емкостными. Емкостный элемент относительно резистивного ДН обладает рядом преимуществ:

1. Применяется в цепях переменного тока;
2. Отсутствует перегрев;
3. Потеря мощности снижена, так как конденсатор не обладает, в отличие от резистора, мощностью;
4. Возможно применение в высоковольтных источниках напряжения;
5. Высокий коэффициент полезного действия (КПД);
6. Меньшие потери по I.

Недостатком является невозможность применения в схемах с постоянным U. Это связано с тем, что конденсатор в цепях с постоянным током не обладает емкостным сопротивлением, а лишь выступает в качестве емкости.

Индуктивный ДН в цепях с переменной составляющей также обладает рядом преимуществ, но его можно использовать и в цепях с постоянным значением U. Катушка индуктивности обладает сопротивлением, но из-за индуктивности этот вариант не подходит, так как происходит существенное падение U. Основные преимущества по сравнению с резистивным типом ДН:

1. Применение в сетях с переменным U;
2. Незначительный нагрев элементов;
3. Потеря мощности в цепях переменного тока меньше;
4. Сравнительно высокий КПД (выше емкостных);
5. Использование в высокоточной измерительной аппаратуре;
6. Обладает меньшей погрешностью;
7. Нагрузка, подключенная к выходу делителя, не влияет на коэффициент деления;
8. Потери по току меньше, чем у емкостных делителей.

К недостаткам следует отнести следующие:

1. Применение в сетях питания постоянного U приводит к существенным потерям по току. Кроме того, напряжение резко падает из-за расхода электрической энергии на индуктивность.
2. Выходной сигнал по частотным характеристикам (без применения выпрямительного моста и фильтра) изменяется.
3. Не применяется в высоковольтных цепях переменного тока.

Расчет делителя напряжения на резисторах конденсаторах и индуктивностях

После выбора типа делителя напряжения для расчета нужно воспользоваться формулами. При неверном расчете может сгореть само устройство, выходной каскад для усиления тока, потребитель. Последствия неправильных расчетов могут быть и хуже, чем выход из строя радиокомпонентов: пожар в результате короткого замыкания, а также поражение электрическим током.

При расчете и сборке схемы нужно четко соблюдать правила техники безопасности, проверять устройство перед включением на правильность сборки и не испытывать в сыром помещении (вероятность поражения током возрастает). Основной закон, используемый при расчетах, — закон Ома для участка цепи. Формулировка его следующая: сила тока прямо пропорциональна напряжению на участке цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. Запись в виде формулы выглядит следующим образом: I = U / R.

Алгоритм для расчета делителя напряжения на резисторах:

1. Общее напряжение: Uпит = U1 + U2, где U1 и U2 — значения U на каждом из резисторов.
2. Напряжения на резисторах: U1 = I * R1 и U2 = I * R2.
3. Uпит = I * (R1 + R2).
4. Ток без нагрузки: I = U / (R1 + R2).
5. Падение U на каждом из резисторов: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * Uпит и U2 = (R2 / (R1 + R2)) * Uпит.

Значения R1 и R2 должны быть в 2 раза меньше, чем сопротивление нагрузки.

Для расчета делителя напряжения на конденсаторах можно воспользоваться формулами: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Uпит и U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Uпит.

Аналогичны формулы для расчета ДН на индуктивностях: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Uпит и U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Uпит.

Делители применяются в большинстве случаев с диодным мостом и стабилитроном. Стабилитрон — полупроводниковый прибор, выполняющий роль стабилизатора U. Диоды следует выбирать с обратным U выше допустимого в этой цепи. Стабилитрон выбирается согласно справочнику для необходимого значения напряжения стабилизации. Кроме того, перед ним необходимо включить в схему резистор, так как без него полупроводниковый прибор сгорит.

Что такое делитель напряжения и для чего он используется

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:

• резистивные;
• емкостные;
• индуктивные.

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.

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.

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: