Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?
Делитель напряжения это цепь или схема соединения резисторов, применяемая для получения разных напряжений от одного источника питания.
Рассмотрим цепь из двух последовательно соединенных резисторов с разными сопротивлениями (рис. 1).
Рисунок 1. Последовательная цепь есть простейший делитель напряжения.
Согласно закону Ома если приложить к такой цепи напряжение, то падение напряжения на этих резисторах будет тоже разным.
UR1=I*R1;
Читайте также: Светильник на дачу своими руками Практическая электроника
UR2=I*R2.
Схема, изображенная на рисунке 1, и есть простейший делитель напряжения на резисторах. Обычно делитель напряжения изображают, как это показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Классическая схема делителя напряжения.
Для примера разберем простейший делитель напряжения, изображенный на рисунке 2. В нем R1 = 2 кОм, R2 = 1 кОм и напряжение источника питания, оно же и есть входное напряжения делителя Uвх = 30 вольт. Напряжение в точке А равно полному напряжению источника, т. е. 30 вольт. Напряжение Uвых, то есть в точке В равно напряжению на R2.Определим напряжение Uвых.
Общий ток в цепи равен:
(1)
Для нашего примера I=30 В/ (1 кОм + 2 кОм) = 0,01 А = 10 мА.
Напряжение на R2 будет равно:
(2)
Для нашего примера UR2 = 0,01 А*1000 Ом = 10 В.
Выходное напряжение можно вычислить вторым способом, подставив в выражение (2) значение тока (1), тогда получим:
(3)
UR2 = 30 В*1 кОм/(1 кОм + 2 кОм) = 10 В.
Второй способ применим для любого делителя напряжения, состоящего из двух и более резисторов, включенных последовательно. Напряжение в любой точке схемы можно вычислить с помощью калькулятора за один прием, минуя вычисление тока.
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.
Читайте также: Токопроводящий клей: виды, марки, изготовление своими руками
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=UR1 +UR2 . Подставляем значения и смотрим.
Читайте также: Как переделать польскую антенну под цифровое тв без усилителя
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 Uобщ ? Так как резисторы соединены последовательно, следовательно, на каждом резисторе падает какое-то напряжение. Сумма падений напряжения на всех резисторах будет равняться Uобщ . В нашем случае формула запишется как
Поворотные и линейные потенциометры
Ниже показано внутреннее устройство двух типов потенциометров: поворотного и линейного.
Линейные потенциометры
Рисунок 11 – Конструкция линейного потенциометра
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
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.
Читайте также: Выбор RC-цепочки, защитного диода,диода-стабилитрона, диода-резистора
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.
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.
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.
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
Двухкаскадный УЗЧ на транзисторах разной структуры
Он выполнен с непосредственной связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независящим от температуры окружающей среды. Основа температурной стабилизации — резистор R4, работаю щий аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции
Усилитель более «чувствительный” по сравнению с однокаскадным — коэффициент усиления по напряжению достигает 20. На входные гнезда можно подавать переменное напряжение амплитудой не более 30 мВ, иначе возникнут искажения, прослушиваемые в головном телефоне.
Проверяют усилитель, прикоснувшись пинцетом (или просто пальцем) входного гнезда Х1 — в телефоне раздастся громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.
Рис. 2. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах разной структуры.
Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов например, от микрофона. И конечно он позволит значительно усилить сигнал 34, снимаемый с нагрузки детекторного приемника.
Пример применения схемы делителя тока: электрическая измерительная схема
Цепи делителей тока также находят применение в измерительных схемах, где требуется, чтобы часть измеряемого тока проходила через чувствительный прибор. Используя формулу делителя тока, можно подобрать подходящий шунтирующий резистор таким образом, чтобы через измерительный прибор всегда проходила точно заданная доля общего тока:
Рисунок 7 – Измерительная схема
Трехуровневый индикатор напряжения
Он выдает световые сигналы по принципу меньше нормы — норма — больше нормы. Для этого в индикаторе использованы два светодиода красно го свечения и один — зеленого.
Рис. 6. Трехуровневый индикатор напряжения.
При некотором напряжении на движке переменного резистора R1 (напряжение в норме) оба транзистора закрыты и (работает) только зеленый светодиод HL3. Перемещение движка резистора вверх по схеме приводит к увеличению напряжения (больше нормы) на нем открывается транзистор VТ1.
Светодиод HL3 гаснет, а HL1 зажигается. Если движок перемещать вниз и уменьшать таким образом напряжение на нем (‘меньше нормы”) транзистор VТ1 закроется, а VТ2 откроется. Будет наблюдаться такая картина: вначале погаснет светодиод HL1, затем зажжется и вскоре погаснет HL3 и в заключение вспыхнет HL2.
Из-за низкой чувствительности индикатора получается плавный переход от погасания одного светодиода к зажиганию другого еще не погас полностью например, HL1, а уже зажигается HL3.
Виды и принцип действия
В основе принципа действия устройства, уменьшающего нагрузку сети, лежит первый закон Кирхгофа: сумма сходящихся в узле токов равна нулю.
Принцип работы у всех одинаковый: в них есть U исходное: такое же, как в источнике питания и получаемое на выходе из сети, зависящее от соотношения резисторов в плечах делителя. Схема, позволяющая понять принцип действия:
Различают разные устройства, в зависимости от элементов в составе:
- резистивный — более популярен из-за простоты устройства.
- ёмкостный;
- индуктивный.
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.
Пример формулы делителя тока
Используя исходную параллельную схему в качестве примера, мы можем по этой формуле пересчитать токи ветвей, если мы начнем, зная общий ток и общее сопротивление:
Если вы потратите время на сравнение формул двух делителей, вы увидите, что они очень похожи. Однако обратите внимание, что отношение в формуле делителя напряжения – это Rn (отдельное сопротивление), деленное на Rобщ, а отношение в формуле делителя тока – это Rобщ, деленное на Rn:
Делитель напряжения
В основе принципа действия устройства, уменьшающего нагрузку сети, лежит первый закон Кирхгофа: сумма сходящихся в узле токов равна нулю.
Принцип работы у всех одинаковый: в них есть U исходное: такое же, как в источнике питания и получаемое на выходе из сети, зависящее от соотношения резисторов в плечах делителя. Схема, позволяющая понять принцип действия:
Различают разные устройства, в зависимости от элементов в составе:
- резистивный — более популярен из-за простоты устройства.
- ёмкостный;
- индуктивный.
Подключение нагрузки
С делителем напряжения не всё так просто, когда к выходному подключения подключается какой-либо потребитель тока, который ещё называют нагрузкой
Читайте также: Что такое галогенная лампа: принцип работы, устройство
В этом случае V out
уже не может быть расчитано лишь на основе значений
V in
,
R1
и
R2
: сама нагрузка провоцирует дополнительное падение напряжения (voltage drop). Пусть нагрузкой является нечто, что потребляет ток в 10 мА при предоставленных 5 В. Тогда её сопротивление
В случае с подключеной нагрузкой следует рассматривать нижнюю часть делителя, как два резистора соединённых параллельно:
Подставив значение в общую формулу расчёта V out
Как видно, мы потеряли более полутора вольт напряжения из-за подключения нагрузки. И тем ощутимее будут потери, чем больше номинал R2
по отношению к сопротивлению
L
. Чтобы нивелировать этот эффект мы могли бы использовать в качестве
R1
и
R2
резисторы, например, в 10 раз меньших номиналов.
Пропорция сохраняется, V out
А потери уменьшатся:
Однако, у снижения сопротивления делящих резисторов есть обратная сторона медали. Большое количество энергии от источника питания будет уходить в землю. В том числе при отсоединённой нагрузке. Это небольшая проблема, если устройство питается от сети, но — нерациональное расточительство в случае питания от батарейки.
Кроме того, нужно помнить, что резисторы расчитаны на определённую предельную мощьность. В нашем случае нагрузка на R1
А это в 4-8 раз выше максимальной мощности самых распространённых резисторов! Попытка воспользоваться описанной схемой со сниженными номиналами и стандартными 0.25 или 0.5 Вт резисторами ничем хорошим не закончится. Очень вероятно, что результатом будет возгарание.
Читайте также: Понятие сопротивления сток-исток MOSFET транзистора в открытом состоянии
Формула для расчёта делителя напряжения
Как рассчитать резистор для понижения напряжения ?
Для расчёта получаемой в итоге нагрузки, нужно знать следующие данные: U исходное и значение сопротивления в каждом из составных элементов.
Делитель рассчитывается с учётом того, что проходящий через него ток минимум в 10 раз больше, чем на выходе и меньше, чем входящий в сеть.
Можно рассчитать общее сопротивление в резисторах:
В параллельно соединённых резисторах U1=U2, из это можно сделать вывод, что в сети протекает общий ток: I=I1+I2
Найти общий ток можно, зная закон Ома
Формула для расчета делителя напряжения
Начинающие радиолюбители часто задаются главным вопросом, как правильно рассчитать напряжение после резистора. Для этого необходимо знать, какой ток пойдет по цепи. В простейших схемах постоянного тока его вычисляют по линейному закону Ома. Формула расчета выглядит U=I*R, где:
- U — напряжение, В;
- I — ток, А;
В цепях с синусоидальным током, где присутствует реактивное сопротивление катушки или конденсатора, формула выглядит как R=1/(2*pi*f*L) и R=1/(2*pi*f*C) соответственно. В формуле использованы показатели:
График зависимости показателей от сопротивления
- R — реактивное сопротивление;
- R — сопротивление, Ом.
- pi — постоянное число Пи, равное 3,14;
- f — частота, Гц;
- L — индуктивность катушки, Генри;
- C — емкость конденсатора, Фарад.
Получив в расчетах внутреннюю резистивность элементов, далее можно воспользоваться линейной формулой для вычисления выходного значения.
На резисторе
В схеме делителя всегда участвует не меньше двух узлов нагрузки. Их коэффициенты могут быть равны другу, но и отличаться. Поэтому порой возникает необходимость получить номинал выходного вольтажа для каждого из них. Для этого используют всем известную формулу закона Ома: U=I*R.
Вам это будет интересно Все об скважности сигнала
После резистора
Для расчета показателя после резистора необходимо учитывать номиналы обоих элементов, так как они работают совместно друг с другом. Применив закон Ома, получается следующая формула: Uвых=Uпит*R1/(R1+R2), где:
Читайте также: Что такое дроссель в электрике
- Uвых — вольтаж на выходе, В;
- Uпит — входной вольтаж, В;
- R1 — первый узел, Ом;
- R2 — второй узел, Ом.
Падение потенциалов за резистором рассчитывают для каждого узла в отдельности. То есть для второго элемента формула будет выглядеть так: Uвых=Uпит*R2/(R1+R2).
Делитель позволяет разработчикам получить несколько номинальных значений выходного напряжения от одного питающего источника. По этой причине схема получила широкое применение в электронике как в понижающих блоках питания, так и в качестве интегрированного узла электроцепи.
Расчет делителя напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях
Делитель на резисторах — отличается своей универсальностью: используют при постоянном и переменном токе, но только при пониженном сопротивлении цепи.
Согласно закону Ома и правилу Кирхгофа через всю цепь будет проходить один и тот же ток.
Тогда на каждом из резисторов: U1= I х R1 и U2 = I х R2 Ток в цепи устройства:
Уменьшение на конденсаторах применяют для цепей с высоким переменным током. В нём минимальная потеря энергии на выходе. Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его электроёмкости и частоты напряжения в цепи.
Формула для вычисления сопротивления:
Делитель на индуктивностях используется при переменном низком токе на высоких частотах. Сопротивление катушки переменного тока прямо пропорционально зависит от индуктивности и частоты. У провода катушки имеется активное сопротивление, из-за чего мощность такого прибора больше, чем у аналогов.
Сопротивление катушки находится по формуле:
Принцип работы делителя напряжения
В состав простейшей понижающей схемы всегда входит не меньше одного резистора. Если элементы обладают одинаковыми коэффициентами сопротивляемости электронов, то на выходе вольтаж понизится в два раза. Для каждого узла понижение рассчитывается по закону Ома.
Вам это будет интересно Особенности ватта и вольта
Внимание! Сумма пониженных величин в каждой точке равна общему вольтажу источника питания.
Схема с несколькими резисторами
Резисторы используют в принципиальных схемах с источником питания постоянного тока. В цепях переменного напряжения присутствует еще и реактивное сопротивление, куда входят конденсаторы, индуктивные катушки и другие элементы с электромагнитными полями.
В цепях с синусоидальным током в качестве резистивного элемента выступает конденсатор или катушка. Их называют емкостными. Расчет ведется уже по другой формуле, так как емкость конденсаторов обратно пропорциональна их реактивному сопротивлению. Для вычисления резистивной составляющей необходимо учитывать постоянное число ПИ, частоту синусоидального тока (Гц) и емкость (Фарад). Таким образом получается, что с увеличением емкости падает сопротивление и наоборот.
Кроме конденсаторов, в качестве реактивных компонентов также могут выступать индуктивные катушки, которые могут присутствовать в платах переменного тока. Коэффициент реактивного сопротивления обмоток также прямо пропорционален их номинальным значениям. Для вычислений также необходимо постоянное число ПИ, частота переменного магнитного поля (Гц) и индуктивность (Генри).
Делитель на индукционных катушках
Внимание! В описании выше токовая нагрузка равна бесконечности, поэтому все значения верны только при полученных показателях делителя на сопротивления нагрузки. Они в несколько раз больше внутреннего.
Практическое применение параллельного и последовательного соединения
Составные элементы прибора соединяют в цепь, чтобы получить из сети нужную для устройства часть энергии.
Пример работы делителя напряжения на фоторезисторе.
Исходное сопротивление меняется от 1кОм в момент полного освещения до 10кОм при отсутствии света, то можно увеличить диапазон сопротивления. При добавлении резисторов с R=5,6кОм, исходящее напряжение меняется следующим образом:
| Освещённость | R1 (кОм) | R2(кОм) | R2/(R1+R2) | U выходное (В) |
| Яркая | 5,6 | 1 | 0,15 | 0,76 |
| Тусклая | 5,6 | 7 | 0,56 | 2,78 |
| Темнота | 5,6 | 10 | 0,67 | 3,21 |
Таким образом, увеличивается диапазон выходного напряжения, и оно становится подходящим для большинства сетей.
Потенциометры
Потенциометры используют в качестве делителя в системе с постоянным током. Их применяют в основном для изменения отдельных параметров в механизме.
Как работает делитель напряжения на резисторах
Для того, чтобы разобраться в принципе работы резисторного делителя напряжения и понять, как рассчитать делитель напряжения на резисторах, следует ознакомиться с его принципиальной схемой (см. картинку ниже — несколько вариантов изображения делителя). Схема включает в себя входное напряжение и два резистора.
Резистор, находящийся ближе к плюсу входного напряжения Vвх
Читайте также: Самодельный сварочный трансформатор
, обозначен
R1
, резистор находящийся ближе к минусу обозначен
R2
. Падение напряжения
Vвых
— это пониженное выходное напряжение, полученное в результате резисторного делителя напряжения. Для расчета выходного напряжения необходимо знать три величины из приведенной схемы — входное напряжение и сопротивление обоих резисторов.
Расчет делителя напряжения на резисторах основан на законе Ома .
V вых = R2 х V вых / R1 + R2
Эта формула показывает, что выходное напряжение резисторного делителя прямо пропорционально входному напряжению и обратно пропорционально отношению сопротивлений R1 и R2. На этом принципе работают потенциометры (переменные резисторы) и многие резистивные датчики, например, датчик освещенности на фоторезисторе . Смотрите калькулятор делителя напряжения на резисторах онлайн.
Делитель напряжения применяется, если нужно получить заданное напряжение при условии стабилизированного питания. Сейчас мы поговорим о постоянном токе и резисторных делителях. О делителях с использованием конденсаторов, диодов, стабилитронов, индуктивностей и других элементов будет отдельная статья. Подпишитесь на новости, чтобы ее не пропустить. В конце для примера расскажу, как сделать делитель напряжения для осциллографа, чтобы снимать осциллограммы высокого напряжения.
Резисторные делители также могут применяться для уменьшения в заданное количество раз сигналов сложной формы. На делителях напряжения с регулируемым коэффициентом ослабления строятся, например, регуляторы громкости.
| Вашему вниманию подборка материалов: |
Переменный резистор в качестве делителя напряжения
Переменный резистор позволяет напряжению изменяться более плавно. Работает он так: крайние выводы подключаются к положительному и отрицательному заряду, а из центрального на выходе получается пониженное напряжение
Делитель применяют в различных конструкциях, если нагрузка сети слишком высока для устройства, в датчиках и электронных схемах. Он является одним из основных аспектов электроники, позволяет приспособить параметры сети для механизма. Теперь вы знаете, для чего применяют резисторный делитель, основные для использования вычисления, например, как рассчитать резистор для понижения напряжения.
Делитель напряжения
Такие устройства применяют для создания нужного напряжения в определенном узле электрической схемы. Это необходимо для обеспечения функциональности регуляторов, фильтров, датчиков. С помощью представленных ниже сведений можно узнать, как рассчитать падение напряжения на резисторе самостоятельно и с применением автоматизированных калькуляторов. Наглядные примеры и квалифицированные рекомендации пригодятся на практике.
Схемы делителей напряжения
Резистивный делитель напряжения
В общем случае устройства этого типа выполняют преобразование по формуле Uвых=Uвх*К, где:
- Uвх (вых) – напряжения на входе и выходе, соответственно;
- К – корректирующий множитель, обозначающий передающие способности узла.
Если взять первый пример из рис. выше, для уточнения сути процессов подойдет второй закон Кирхгофа. В соответствии с этим правилом, общее значение напряжений на последовательно соединенных резисторах будет равно сумме ЭДС на каждом элементе. Так как ток не изменяется в замкнутом контуре, для расчета можно использовать закон Ома:
U (напряжение) = I (ток) * R (электрическое сопротивление)
Нижнюю часть схемы (плечо) используют для получения необходимого изменения входного параметра.
Виды и принцип действия
В данной публикации подробно рассмотрен резистивный делитель напряжения. Подразумевается линейность характеристики цепи. В таких схемах упрощен расчет сопротивления для понижения напряжения до необходимого уровня. При подключении источника постоянного тока происходит деление напряжений прямо пропорционально значениям электрических сопротивлений нижнего и верхнего плеча.
Цепи с реактивными характеристиками
Если составить аналогичную схему с конденсаторами, то на вход для поддержания нормальной функциональности придется подать синусоиду. В этом случае также будет выполнено распределение напряжений на элементах с емкостными характеристиками. Однако этот процесс надо рассматривать в динамике, с учетом частоты и соответствующего изменения амплитуды. Аналогичную методику применяют при работе с индуктивными компонентами.
Значения реактивных сопротивлений:
- Rc=1/(2*f*π*C);
- RL=2*f*π*C.
По формулам видно, что сопротивление конденсатора/ катушки обратно (прямо) пропорционально емкости/ индуктивности. Соответственно выбирают значения элементов для деления напряжения.
В представленных примерах принимают бесконечно большим внутреннее сопротивление нагрузки. Для реальных расчетов пользуются более сложными формулами с поправочными коэффициентами. Учитывают действительные комплексные характеристики цепей.
К сведению. В стабилизаторах напряжения и некоторых иных устройствах сопротивление плеча делителя обладает нелинейными параметрами.
Схема делителя напряжения на резисторах
Такие схемы используют для уменьшения выходного напряжения до нужного значения. Деление выполняют в пропорциях, которые предусмотрены конструкторским проектом. Необходимо учитывать реальное влияние нагрузки. Уточняют мощность потребления, чтобы подобрать подходящий резистор нижнего плеча.
Расчет делителя напряжения на резисторах
В простейшей схеме применяют два резистора. При необходимости количество компонентов увеличивают для обеспечения ступенчатой регулировки. Чтобы рассчитать делитель напряжения, калькулятор онлайн использовать не обязательно. Приведенная ниже подробная инструкция поможет получить точный результат собственными силами за несколько минут.
Формула делителя напряжения
Для примера взяты определенные значения:
- Входного постоянного напряжения (Uвх) – 20 Вольт;
- Сопротивления резисторов R1 и R2 – 20 и 50 кОм, соответственно.
Самостоятельный расчет резистивного делителя онлайн
Уменьшение входного напряжения в два раза получится при равных значениях сопротивлений резисторов. Для настоящего примера придется рассчитать пропорцию, пользуясь формулой закона Ома:
Подставив исходные значения, несложно узнать силу тока, протекающего по данной последовательной цепи:
20/ (20 000 + 50 000) = 0,000286 А
На отдельных элементах падения напряжения составят:
- UR1 = 0,000286 * 20 000 = 5,72 V;
- UR2 = 0,000286 * 50 000 = 14,3 V.
Для непосредственного расчета напряжения на рабочем плече можно пользоваться формулой:
UR2 = Uвх * R2/ (R1+R2)
Расчет делителя напряжения калькулятором онлайн
Соответствующие программы предлагают посетителям «Паяльник» и другие специализированные сайты бесплатно и без регистрации. В стандартной форме заполняют «окошки» с напряжением на входе и выходе. После подтверждения автоматически выполняется расчет с отображением значений электрических сопротивлений резисторов и рассеиваемых мощностей.
Как понятно из примера, основные формулы не отличаются повышенной сложностью. Однако автоматизированный расчет делителя напряжения на резисторах онлайн (online) позволяет выполнять многократные теоретические эксперименты с минимальными затратами времени. Такой инструмент пригодится для точного определения основных параметров делителя.
Таблица расчетов
| Входное напряжение Uвх, V | Эл. сопротивление, Ом | Рассеиваемая мощность, Вт | Напряжение на выходе Uвых, V | ||
|---|---|---|---|---|---|
| R1 | R2 | R1 | R2 | ||
| 12 | 1000 | 2000 | 0,016 | 0,032 | 8 |
| 12 | 50000 | 4545 | 0,00242 | 0,00022 | 1 |
| 12 | 50000 | 550000 | 0,00002 | 0,00022 | 11,5 |
| 12 | 100 | 200 | 0,16 | 0,32 | 8 |
Приведенные цифры демонстрируют, что для существенного уменьшения Uвых сопротивление R1 должно быть значительно больше R2. Обратные пропорции применяют для примерного равенства напряжений на входе и выходе.
Совокупные потери в цепи определяют по рассеиваемой мощности. Чем меньше сопротивление, тем сильнее ток. Для самостоятельных расчетов пользуются формулой:
Применение
Использование такой схемотехники на практике демонстрируют следующие примеры. Для расчетов электрических параметров без учета сопротивления нагрузки подойдут рассмотренные выше ручные и автоматизированные методики.
Потенциометры
Если резистор оснастить ползунком и соответствующим приводом, сопротивления можно будет менять плавно. Это решение позволяет точнее менять напряжения на выходе, по сравнению с дискретными схемами. Главный недостаток – усложнение конструкции, что, кроме удорожания, снижает надежность. Приходится обеспечивать герметичность рабочей зоны для исключения загрязнения и предотвращения коррозийных процессов.
Принципиальная схема потенциометра
Резистивные датчики
В этом варианте пользуются способностью некоторых материалов увеличивать/ уменьшать электрическое сопротивление под воздействием температуры, светового потока, других внешних воздействий. Созданный на основе этих принципов датчик устанавливают в плечо делителя. По уровню напряжения на выходе контролируют изменение соответствующих параметров.
Цепи обратной связи в усилителях
Таким решением обеспечивают необходимый коэффициент усиления. На представленной ниже схеме этот параметр не будет никогда ниже единицы. Для повышения уровня преобразования увеличивают значение сопротивления R2 по отношению к R1.
Делитель напряжения в цепи обратной связи
Простейшие электрические фильтры
Для фильтрации заменяют конденсатором резисторы R1 или R2. В первом варианте устройство беспрепятственно пропускает высокочастотные составляющие. При снижении частоты до определенного уровня реактивное сопротивление увеличивается, препятствует прохождению тока. Аналогичным образом делают изменения в нижнем плече делителя с целью отсечения низких частот.
Усилитель напряжения
Переменным резистором изменяют уровень сигнала для получения необходимой громкости звучания. В таких устройствах применяют элементы с логарифмической характеристикой изменения сопротивления, что хорошо соответствует естественному механизму восприятия человеческими органами слуха.
Параметрический стабилизатор напряжения
В таких схемах нижнее плечо делителя можно создать с применением стабилитрона. Его вольтамперные характеристики выбирают таким образом, чтобы выходное напряжение сохраняло нужное значение при изменении входных параметров.
Ограничения в применении
Из приведенных в таблице примеров расчетов хорошо видно, как значительно увеличиваются потери при уменьшении сопротивления цепи. Энергия расходуется впустую для нагрева окружающей среды. При большой мощности рассеивания приходится использовать принудительные системы охлаждения, пассивные радиаторы.
В приведенных расчетах не учитывалась нагрузка. Если добавить соответствующее реальным условиям сопротивление, образуются дополнительные потери в параллельной цепи.
Влияние сопротивления нагрузки
На первой части рисунка изображен типовой делитель, обеспечивающий выходное напряжение 5 V. При потреблении тока 0,01 А сопротивление нагрузки составит 0,5 кОм. Пользуясь формулой расчета для параллельной цепи, несложно выяснить суммарное значение R = 1/(1/R2 + 1/Rнагрузки) = 0,25 кОм. Это добавление уменьшит плановое значение Uвых до 3,46 V.
Уменьшением R2 можно снизить вредное влияние на выходное напряжение (4,75 V). Однако такой способ, приведенный на второй части рисунка, сопровождается значительными потерями энергии. Ток будет проходить по участку с меньшим сопротивлением, не выполняя полезные функции. В данном примере необходимо выбрать R1, рассчитанный на мощность не менее 2 Вт, чтобы обеспечить надежную работу устройства.
Нормативно-техническая документация
Изучить стандарты по данной теме можно в ГОСТе 11282-93. Стандарт действует с 1 января 1996 г. Последние изменения сделаны 12 сентября 2018 г.
В документе приведены сведения о допустимых погрешностях, допусках и других нормативах.
Видео