Для чего нужен делитель напряжения
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
К недостаткам следует отнести следующие:
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:
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.
Делитель напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях
С целью получения фиксированного значения напряжения, равного доле от исходного значения, в электрических цепях применяют делители напряжения. Делители напряжения могут состоять из двух или более элементов, которыми могут служить резисторы либо реактивные сопротивления (конденсаторы или катушки индуктивности).
Делитель напряжения — комбинация из сопротивлений, служащая для того, чтобы разделить подводимое напряжение на части.
В простейшем виде делитель напряжения представляется парой участков электрической цепи, соединенных последовательно друг с другом, которые и называются плечами делителя. Верхним плечом называется тот участок, который расположен между точкой положительного напряжения и выбранной точкой соединения участков, а нижним плечом — участок между точкой соединения (выбранной точкой, нулевой точкой) и общим проводом.
Делители напряжения на резисторах
Конечно, делители напряжения могут применяться как в цепях постоянного тока, так и в цепях тока переменного. Делители на резисторах подходят и для тех, и для других цепей, однако используются они только в цепях низкого напряжения. Для питания устройств делители напряжения на резисторах не применяют.
В простейшем виде резистивный делитель напряжения состоит всего из пары резисторов, соединенных последовательно. Делимое напряжение подается на делитель, в результате на каждом резисторе падает определенная доля этого напряжения, пропорциональная номиналу резистора. Сумма падений напряжений равна здесь напряжению подаваемому на делитель.
Согласно закону Ома для участка электрической цепи, на каждом резисторе падение напряжения будет прямо пропорционально току и величине сопротивления резистора. А согласно первому правилу Кирхгофа, ток через данную цепь будет везде один и тот же. Так, на каждый резистор придутся падения напряжения:
И напряжение на концах участка цепи будет равно:
А ток в цепи делителя составит:
Теперь если подставить выражение для тока в формулы для падений напряжений на резисторах, то получим формулы для нахождения величин напряжений на каждом из резисторов делителя:
Подбирая величины сопротивлений R1 и R2 можно выделить любую часть всего подводимого напряжения. В том случае, когда напряжение нужно разделить на несколько частей, последовательно с источником напряжения включается несколько сопротивлений.
Используя делитель напряжения на резисторах для тех или иных целей, важно понимать, что присоединенная к одному из плеч делителя нагрузка, будь то измерительный прибор или что-нибудь другое, должна иметь собственное сопротивление значительно большее, чем общее сопротивление резисторов, образующих делитель. В противном случае сопротивление нагрузки само должно учитываться в расчетах, будучи рассмотрено как параллельный плечу резистор, входящий в состав делителя.
Пример: есть источник постоянного напряжения 5 вольт, необходимо подобрать к нему резисторы для делителя напряжения, чтобы снимать с делителя измерительный сигнал величиной в 2 вольта. Допустимая рассеиваемая на делителе мощность не должна превышать 0,02 Вт.
Решение: Пусть максимальная мощность, рассеиваемая на делителе, равна 0,02 Вт, тогда минимальное общее сопротивление делителя при 5 вольтах найдем из закона Ома, оно получится равно 1250 Ом. Пусть 1,47 кОм — выбранное нами общее сопротивление делителя, тогда 2 вольта упадет на 588 омах. Выберем постоянный резистор на 470 Ом и переменный на 1 кОм. Установим на переменном резисторе значение в 588 Ом.
Делители напряжения на резисторах широко применяются сегодня в электронных схемах. На этих схемах значения величин резисторов для делителей выбираются исходя из параметров активных элементов схем. Как правило, делители стоят в измерительных цепях схем, в цепях обратной связи преобразователей напряжения и т. д. Минус таких решений заключается в том, что резисторы рассеивают на себе мощность в виде тепла, однако целесообразность оправдывает эти малые потери энергии.
Делители напряжения на конденсаторах
В цепях переменного тока, в высоковольтных схемах, применяют делители напряжения на конденсаторах. Здесь используется реактивный характер сопротивления конденсаторов в цепях переменного тока. Величина реактивного сопротивления конденсатора в цепи переменного тока зависит от электроемкости конденсатора и от частоты напряжения. Вот формула для нахождения этого сопротивления:
Формула свидетельствует о том, что чем больше электроемкость конденсатора — тем его реактивное (емкостное) сопротивление меньше и чем выше частота — тем так же меньше реактивное сопротивление. Такие делители используются в измерительных схемах цепей переменного тока, падения напряжений на плечах считается аналогично случаю с постоянными активными сопротивлениями (резисторами, см. выше).
Достоинство конденсаторов, применяемых в делителях, состоит в том, что рассеивание энергии в форме тепла получается минимальным, и зависит только от качества диэлектрика.
Делитель напряжения на индуктивностях
Индуктивный делитель напряжения — еще один вид делителей, применяемых в измерительной электронике переменного тока, особенно в низковольтных схемах, работающих на высоких частотах. Сопротивление катушек для переменного тока высокой частоты носит преимущественно реактивный (индуктивный) характер, оно находится по формуле:
Формула свидетельствует о том, что чем больше индуктивность и чем выше частота — тем выше сопротивление катушки переменному току. Здесь важно понимать, что провод катушки имеет активное сопротивление, поэтому мощность, рассеиваемая в виде тепла, свойственная делителю на индуктивностях, значительно выше, чем у делителей на конденсаторах.
В любительской электронике делители напряжения часто используются при подключении аналоговых датчиков к модулям Ардуино.
Делитель напряжения
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
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,
UR2 = 10 * 40000 / (10000+40000) = 8 В.
Делитель напряжения с реактивными элементами в цепи переменного тока
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:
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:
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:
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:
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.