Делитель напряжения 1 1000 10кв
Компанией «ТЕСТСЕТ» также выпускается образцовый делитель ДН-220пт, применяемый для поверки в трансформаторов напряжения на месте монтажа классов 35, 110 и 220 кВ.
Делитель напряжения, что это такое и как он работает разбираем на практике
Так что ;t такое делитель напряжения? Если обратиться к википедии, то там записано следующее определение: изделие, в котором входное и выходное напряжения связаны между собой определенным коэффициентом передачи. Звучит не очень понятно. В этой статье я постараюсь рассказать о делителе напряжения простым языком.
Существующие виды делителей напряжения
Немного теории и скучных формул
Существующие виды делителей напряжения
Делители напряжения бывают линейными и нелинейными. В свою очередь линейные подразделяются на:
А к нелинейным относятся, например, параметрические стабилизаторы напряжения.
Хочется заметить, что принцип работы любого делителя одинаков и различия обусловлены лишь набором компонентов, из которых он собран. Поэтому в качестве примера будет рассмотрен резистивный делитель напряжения, как наиболее простой из всех существующих.
Немного теории и скучных формул
Давайте рассмотрим следующий рисунок:
Выше представленная схема выполнена из пары резисторов соединенных последовательно. К такой схеме мы можем спокойно прилагать как постоянное, так и переменное напряжение. И как только мы подключим такую схему, то в силу вступит Закон Ома, который позволит нам многое подсчитать.
Итак, при последовательном соединении резисторов их сопротивление будет равняться сумме, а именно: R1+R2. И получается что сила тока, будет такова:
Также учтите, что при таком соединении резисторов сила тока будет одинакова на любом участке цепи.
Итак, так как у нас резисторы имеют разное сопротивление, то согласно Закону Ома, напряжение на этих элементах так же будет различно, то есть на резисторе R1 будет U1, а на R2 будет U2.
Зная это, мы можем высчитать силу тока уже так:
Выполняя простые преобразования, конечные формулы для расчета выходного напряжения будет иметь следующий вид:
Получается, что по этим формулам мы сможем подсчитать, какое падение напряжение будет на каждом из резисторов.
Проще говоря, при последовательном соединении резисторов на каждом из них будет свое напряжение и сумма этих напряжений будет равна напряжению источника питания , то есть будет справедливо следующее выражение:
То есть с помощью резисторов произошло простое деление напряжения пришедшего от источника питания.
Закрепляем на практике
Итак, со скучной теорией закончили, давайте проведем практический эксперимент. Для этого берем парочку резисторов (разного номинала), источник питания и мультиметр.
Производим измерение сопротивления наших резисторов:
Делитель напряжения на резисторах. Формула расчета, онлайн калькулятор
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 виде: Uin = I *R. Помня, что R состоит из R1+R2, формула может быть записана в следующем виде:
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.
Емкостной делитель напряжения
Простейший емкостной делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов и используется для снижения величины U на отдельных элементах электрической цепи.
Делитель постоянного напряжения на конденсаторах чаще всего применяют многоуровневых инверторов напряжения, широко используемых как на электроподвижном составе, так и в других направлениях силовой электроники.
Главная сложность практического применения такой схемы (и всех подобных схем) заключается в невозможности обеспечения равномерного разряда конденсаторов, вследствие чего напряжения на них будет распределяться не поровну. Чем сильнее разряжен один конденсатор по сравнению с другим (иди с другими), тем большая разница в U будет на них, что наглядно отображает формула:
По этой причине подобные схемы крайне нестабильно работают и обязательно предусматривают узлов подзарядки конденсаторов с целью выравнивания напряжения на последних.
Емкостной делитель напряжения в цепи переменного тока
В радиоэлектронике в большей степени находят применение емкостные делители переменного напряжения.
Конденсатор, как и катушка индуктивности, относится к реактивному элементу, то есть потребляет реактивную мощность от источника переменного тока, в отличие от резистора, который является активным элементов и потребляет исключительно активную мощность.
Реактивный элемент
Здесь следует кратко пояснить разницу между активной и реактивной мощностями. Активная мощность выполняет полезную работу и реализуется только в том случае, когда ток и напряжение направлены в одном направлении и не отстают друг от друга, то есть находятся в одной фазе, что имеет место только на резисторе. На конденсаторе ток опережает напряжение на угол φ = 90°. В результате чего ток напряжение находятся в противофазе, поэтому когда ток имеет максимальное значение напряжение равно нулю, а произведение этих двух величин дают мощность, которая в таком случае равна нулю, так как один из множителей равен нулю. Следовательно, мощность не потребляется.
Аналогичные процессы протекают и в цепи с катушкой индуктивности. Разница лишь в том, что на индуктивности i отстает от u на угол φ = 90°.
Реактивная мощность проявляется только в цепях переменного тока. Она составляет часть полной мощности и определяется по формуле:
Реактивная мощность в отличие от активной, не потребляется нагрузкой, а циркулирует между источником питания и нагрузкой. Поэтому конденсатора и катушка индуктивности являются реактивными элементами, не потребляющими активную мощность и по этой причине они практически не нагреваются.
Расчет сопротивления делителя напряжения на конденсаторах заключается в определении необходимых значений сопротивлений.
Сопротивление конденсатора XC является величиной не постоянной и зависит от частоты переменного тока f и емкости C:
Как видно из формулы, сопротивление снижается с увеличением частоты и емкости. Для постоянного тока, частота которого равна нулю, сопротивление стремится к бесконечности, поэтому, рассматриваемая далее схема емкостного делителя напряжения не применяется постоянном токе.
Для снижения величины uвых, например в два раза, емкости C1 и C2 должны быть равны. Универсальные формулами для определения выходных uвых1 и uвых2 в зависимости от входного и емкостей C1 и C2 имеют вид, аналогичный для резисторных делителей:
Поскольку частота переменного тока для всех конденсаторов одинакова, то формулу можно упростить:
Индуктивный делитель напряжения
В качестве делителей переменного напряжения также, но гораздо реже, применяют катушки индуктивности, которые относятся к реактивным элементам. Однако, в отличие от конденсаторов, которые являются накопителями электрического поля, катушки индуктивности накапливают магнитное поле.
Индуктивное сопротивление зависит от индуктивности L и частоты переменного тока f. С ростом этих параметров сопротивление катушки переменному току возрастает.
Упрощенный вариант формулы:
Как вы наверняка уже заметили, чтобы рассчитать емкостной делитель напряжения достаточно знать емкости конденсаторов, а индуктивный делитель – индуктивности.
Еще статьи по данной теме
При расчёте напряжения ёмкостного делителя где вместо реактивного сопротивления конденсатора пишется ёмкость конденсаторов(упрошённая формула)-ОШИБКА,КОТОРУЮ НАДО ИСПРАВИТЬ!А заключается она в том,что в Uвых1 не C2 в числителе должно быть,а C1.Аналогично в Uвых2. 08.11.2019 Ответить
Спасибо за статью.
Жаль, что нет расчётов токов в зависимости от ёмкостей. А как на счёт составного делителя из индуктивности и конденсатора?
Т.е. имеем последовательную LC цепочку.
Было бы интересно посмотреть работу такого варианта и выходные напряжения в зависимости от параметров элементов и частоты. 26.10.2022 Ответить
Блог
В схеме делителя напряжения, напряжение питания или напряжение схемы распределяется между всеми компонентами в цепи одинаково, в зависимости от емкости этих компонентов.
Сама схема емкостного делителя напряжения такая же, как и у схемы резистивного делителя напряжения. Но, как и резисторы, на схему емкостного делителя напряжения не влияют изменения частоты, даже если в ней используются реактивные элементы.
Конденсатор — это пассивный компонент, который накапливает электрическую энергию на металлических пластинах. Конденсатор состоит из двух пластин, и они разделены непроводящим или изолирующим материалом, так называемым «диэлектриком».
Здесь положительный заряд хранится на одной пластине, а отрицательный заряд — на другой пластине.
Когда на конденсатор подается постоянный ток, он полностью заряжается. Диэлектрический материал между пластинами действует как изолятор, а также препятствует прохождению тока через конденсатор.
Это сопротивление току, подаваемому через конденсатор, называется реактивным сопротивлением (XC) конденсатора. Реактивное сопротивление конденсатора также измеряется в омах.
Полностью заряженный конденсатор действует как источник энергии, т.к. конденсатор накапливает энергию и разряжает ее на компонентах схемы.
Если на конденсатор подается переменный ток, то конденсатор непрерывно заряжается и разряжает ток через свои пластины. В это время конденсатор также имеет реактивное сопротивление, которое изменяется в зависимости от частоты питания.
Мы знаем, что заряд, который хранится в конденсаторе, зависит от напряжения питания и емкости конденсатора . Таким же образом реактивное сопротивление также зависит от некоторых параметров.
Если конденсатор имеет меньшее значение емкости, то время, необходимое для зарядки конденсатора, меньше, т.е. требуется меньшая постоянная времени RC. Точно так же постоянная времени RC высока для большей емкости конденсаторов.
Получается, что конденсатор с большим значением емкости имеет меньшее значение реактивного сопротивления, тогда как меньшее значение емкости конденсатора имеет большее значение реактивного сопротивления, т.е. реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально значению емкости конденсатора.
Если частота приложенного тока низкая, время зарядки конденсатора увеличивается. Это указывает на высокое значение реактивного сопротивления. Таким же образом, если частота приложенного тока высокая, то реактивное сопротивление конденсатора низкое.
Читать также: Что такое Солнечная батарея?
Отсюда можно заметить, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте.
Наконец, мы можем сказать, что реактивное сопротивление (XC) любого конденсатора обратно пропорционально частоте (f) и значению емкости (C).
Формула емкостного реактивного сопротивления
Мы уже знаем, что емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте и значению емкости конденсатора. Таким образом, формула реактивного сопротивления:
XC = реактивное сопротивление конденсатора в омах (Ом)
f = частота в герцах (Гц)
C = емкость конденсатора в фарадах (Ф)
π = числовая константа (22/7 = 3,142)
Распределение напряжения в последовательно соединенных конденсаторах
Если конденсаторы соединены последовательно, распределение напряжения рассчитывается между конденсаторами, т.к. конденсаторы имеют разные значения напряжения в зависимости от значений емкости при последовательном соединении.
Реактивное сопротивление конденсатора, препятствующего прохождению тока, зависит от значения емкости и частоты приложенного тока.
Итак, теперь давайте посмотрим, как реактивное сопротивление влияет на конденсаторы, вычислив значения частоты и емкости. На картинке ниже показана схема емкостного делителя напряжения, в которой последовательно соединены 2 конденсатора.
Емкостной делитель напряжения
Два последовательно соединенных конденсатора, имеют значения емкости 10 мкФ и 22 мкФ соответственно. В схеме, напряжение в цепи равно 10В, это напряжение распределяется между обоими конденсаторами.
При последовательном соединении все конденсаторы имеют одинаковый заряд (Q), но напряжение питания (VS) не одинаково для всех конденсаторов.
Напряжение цепи распределяется между конденсаторами в зависимости от значений емкости конденсаторов, т.е. в соотношении V = Q/C.
По этим значениям мы должны рассчитать реактивное сопротивление (XC) каждого конденсатора, используя значения частоты и емкости конденсаторов.
Пример емкостного делителя напряжения №1
Теперь мы рассчитаем распределение напряжения на конденсаторы 10 мкФ и 22 мкФ, которые показаны на картинке выше, которые имеют напряжение питания 10 В с частотой 40 Гц.
Реактивное сопротивление конденсатора 10 мкФ,
Читать также: Что такое ИК-светодиод?
X C1 = 1 / 2πfC1 = 1 / (2 * 3,142 * 40 * 10 * 10-6) = 400 Ом
Реактивное сопротивление конденсатора 22 мкФ,
X C\2 = 1 / 2πfC2 = 1 / (2 * 3,142 * 40 * 22 * 10-6) = 180 Ом
Общее емкостное реактивное сопротивление цепи составляет,
XC = X C1 + X C2 = 400 Ом + 180 Ом = 580 Ом
CT = C1C2 / (C1 + C2) = (10 * 22 * 10-12) / (32 * 10-6) = 6,88 мкФ
XCT = 1 / 2πfC T = 1 / (2 * 3,142 * 40 * 6,88 * 10-6) = 580 Ом
Ток в цепи равен,
I = V/X C = 10 В/580 Ом = 17,2 мА
Теперь падение напряжения на каждом конденсаторе составляет
V C1 = I * X C1 = 17,2 мА * 400 Ом = 6,9 В
V C2 = I * X C2 = 17,2 мА * 180 Ом = 3,1 В
Пример емкостного делителя напряжения №2
Теперь мы рассчитаем падение напряжения на конденсаторах 10 мкФ и 22 мкФ, которые подключены последовательно и работают с напряжением питания 10 В с частотой 4000 Гц (4 КГц).
Реактивное сопротивление конденсатора 10 мкФ,
X C1 = 1/2πfC1 = 1 / (2 * 3,142 * 4000 * 10 * 10-6) = 4 Ом
Реактивное сопротивление конденсатора 22 мкФ,
XC\2 = 1/2πfC2 = 1 / (2 * 3,142 * 4000 * 22 * 10-6) = 1,8 Ом
Общее емкостное реактивное сопротивление цепи составляет,
XC = XC1 + XC2 = 4 Ом + 1,8 Ом = 5,8 Ом
CT = C1C2/(C1 + C2) = (10 * 22 * 10-12) / (32 * 10-6) = 6,88 мкФ
XCT = 1/2πfC T = 1 / (2 * 3,142 * 4000 * 6,88 * 10-6) = 5,8 Ом
Ток в цепи равен,
I = V/XCT = 10 В / 5,8 Ом = 1,72 А
Теперь падение напряжения на каждом конденсаторе составляет
VC1 = I * X C1 = 1,72 A * 4 Ом = 6,9 В
VC2 = I * X C2 = 1,72 A * 1,8 Ом = 3,1 В
Из двух приведенных выше примеров мы можем сделать вывод, что конденсатор с более низким значением (10 мкФ) будет заряжаться до более высокого напряжения (6,9 В), а конденсатор с более высоким значением (22 мкФ) будет заряжаться до более низкого уровня напряжения (3,1 В).
Наконец, сумма двух значений падения напряжения на конденсаторах равна напряжению питания (т.е. 6,9 В + 3,1 В = 10 В). Эти значения напряжения одинаковы для всех значений частоты, поскольку падение напряжения не зависит от частоты.
Читать также: Что такое электронная почта?
Падение напряжения на двух конденсаторах одинаково в обоих примерах, где частота различается. Частота составляет 40 Гц или 40 кГц, падение напряжения на конденсаторах одинаково в обоих случаях.
Ток, протекающий по цепи, изменяется в зависимости от частоты. Ток будет увеличиваться с увеличением частоты, он составляет 17,2 мА для частоты 40 Гц, но 1,72 А для частоты 4KHZ, то есть ток увеличится почти в 100 раз при увеличении частоты с 4 Гц до 4 Гц.
Наконец, мы можем сказать, что ток, протекающий по цепи, прямо пропорционален частоте (I α f).
Итог
Противодействие протеканию тока в конденсаторе, называется реактивным сопротивлением (XC) конденсатора. На это емкостное реактивное сопротивление влияют такие параметры, как значение емкости, частота напряжения питания, а также эти значения обратно пропорциональны реактивному сопротивлению. Схема делителя переменного напряжения распределяет напряжение питания на все конденсаторы в зависимости от их емкости. Эти падения напряжения на конденсаторах одинаковы для любой частоты напряжения питания. т.е. падение напряжения на конденсаторах не зависит от частоты. Но текущий ток зависит от частоты, а также эти два значения прямо пропорциональны друг другу. Но в схемах делителя напряжения постоянного тока вычислить падение напряжения на конденсаторах — непростая задача, поскольку оно зависит от значения реактивного сопротивления, поскольку конденсаторы блокируют прохождение постоянного тока через него после полной зарядки.
Цепи емкостного делителя напряжения используются в крупных электронных устройствах. В основном они используются в емкостных чувствительных экранах, которые изменяют свое выходное напряжение при прикосновении пальца человека. А также используются в трансформаторах для увеличения падения напряжения, где обычно сетевой трансформатор содержит микросхемы и компоненты с низким падением напряжения. Наконец, нужно сказать, что в схеме делителя напряжения падение напряжения на конденсаторах одинаково для всех значений частоты.
С Уважением, МониторБанк