Каково назначение делителя напряжения в электронных вольтметрах
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
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.
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
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.
Читайте также: Как в биосе уменьшить напряжение процессора
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»
Как рассчитать делитель напряжения
В электронике и сложных электрических цепях часто требуется деление входящего напряжения. Для этих целей в схему вносится устройство, которое называется делитель. Статья даст описание, что такое делитель напряжения, для чего нужен этот элемент и где он применяется. Будут приведены различные варианты этого устройства, формулы, а так же способы расчета его параметров.
Определение
Делитель электрического напряжения — это схема из комбинации электронных компонентов, необходимая для разделения действующего входящего напряжения на части и для дальнейшей передачи этих частей к разным участкам схемы. Его используют очень часто в усилителях различного предназначения.
Читайте также: Провод заземления под напряжением причины
Делители напряжения могут быть построены с использованием различных элементов. В их роли могут выступать резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Независимо из каких компонентов построено устройство, оно состоит из 2 основных частей:
- Верхнее плечо. Оно включает в себя участок с положительным значением и точкой подключения к следующему участку цепи.
- Нижнее плечо. Оно состоит из участка с нулем, является средней точкой цепи.
Оба плеча имеют строго последовательное соединение. Сумма напряжений их выходов равна общему входящему значению за вычетом небольшой величины рассеивания.
Делитель на резисторах
Чтобы понять, как работает делитель напряжения, необходимо рассмотреть этот простой элемент, построенный с использованием резисторов. Такое устройство может использоваться для деления переменного или постоянного тока. Простейший прибор состоит из 2 резисторов с последовательным соединением. Принцип работы будет следующим:
- На контакты «U» подается ток от источника, определенной величины.
- При условии, если резисторы равны по своему сопротивлению, на выходе «U1» и «U2» напряжение будет разделено пополам, а их сумма будет равна величине входящего напряжения.
Первоначальный расчет величины делается с использованием выражения: U=I·R.
В таких устройствах основную роль играет всем нам известный закон Ома. Согласно ему, должно сохраняться условие, при котором снижение напряжения имеет прямую пропорциональность величине сопротивления резисторов.
Принимая во внимание первый закон Кирхгофа, входящая величина напряжения будет равна величине токов, протекающих через резисторы. Ниже приведена схема резисторного делителя напряжения.
Определить величину падения напряжения на каждом резисторе можно по формулам, которые представлены ниже:
Отсюда можно сделать вывод о величине на обоих концах цепи:
Далее можно определить значение тока в цепи, используя выражение:
Значение напряжения на каждом резисторе вычисляется по отдельным формулам:
Если резистивный делитель напряжения состоит из резисторов с разными сопротивлениями, выражение поможет рассчитать величину для каждого элемента отдельно. Для примера можно выполнить следующее вычисление:
- U=50 В.
- Сопротивление резистора R1=5 кОм.
- Сопротивление резистора R2=5 кОм.
- Необходимо найти величину напряжения на выходах U1, U2.
Для начала необходимо найти силу тока, протекающего по данной цепи: I=50/(5000+5000)=0.005 А=5 мА.
Далее можно узнать величину падения напряжения для каждого резистора по формуле: U1=0.005×5000=25 вольт.
Так как оба резистора имеют одинаковое сопротивление, выходная величина «U2» также равна 25 В. Теперь проведем простой расчет с разными значениями сопротивлений.
Сначала найдем силу тока: I=50/(5000+3000)=0.00625 А=6.25 мА.
Далее отдельно вычислим значение падения напряжения:
Рассчитанная величина имеет коэффициент рассеивания, который равен 2 вольта, поэтому точные значения как в примере увидеть не получится.
Читайте также: Чайник электрический какое напряжение
Благодаря данным формулам можно рассчитать любой неизвестный параметр делителя, но также необходимо помнить, что входной ток делителя должен быть минимум в 10 раз больше тока нагрузки и меньше максимального тока источника. Например, с нагрузкой в 20 мА, входящий ток должен быть больше 200 мА и источник рассчитан на такой же ток или больше. Поэтому не часто можно встретить делитель в схемах с большой нагрузкой.
Резисторный делитель электрического напряжения страдает от потерь, связанных с рассеиванием. Это связано с тем, что резисторы при работе нагреваются и часть тока при этом просто преобразуется в тепловую энергию.
Делитель на конденсаторах
Делитель электрического напряжения на конденсаторах может использоваться только в цепях переменного тока. Конденсаторы используются, как емкостные реактивные сопротивления.
В делителях конденсаторного типа должно сохраняться правило зависимости сопротивления от частоты и емкости самих конденсаторов. Если используется ёмкостный делитель, то расчет сопротивления конденсатора делается с помощью формулы:
Данная формула состоит из следующих значений:
- Xc — реактивное сопротивление;
- π — число пи, которое равно 3.1415;
- f — частота тока, Гц;
- С — емкость, Фарад;
Для подобных схем должно сохраняться условие: сопротивление всегда меньше емкости. Исходя из этого, можно сделать вывод, что чем больше ёмкостные характеристики конденсатора, тем меньше степень падения напряжения. Расчет выходящего напряжения с двумя конденсаторами можно сделать следующим образом:
Конденсаторный тип устройств более устойчивый, чем делитель напряжения на резисторах. При его работе прослеживается практически нулевая потеря при рассеивании. Причина этого эффекта в качестве и составе самого диэлектрика.
Дополнение схем
При создании схем УНЧ, инженерам необходимо занижение высоковольтного значения тока для обеспечения нормальной работы транзистора. Справится с этой задачей помогает делитель. Например, такое резисторное устройство используется для питания базового контакта транзистора. Таким образом создается обратная отрицательная связь по электрическому току, которая возникает благодаря наличию резистора R3. Схема усилителя каскада по схеме с ОЭ представлена на рисунке ниже.
При проектировании стабилизаторов используется стабилитрон, как часть балансного делителя. Такая схема помогает снизить нагрузку на устройство, значительно выровнять выходной ток. Стабилитрон, как и диод работает на пробой, если обратный ток достигает определенной величины.
Основное отличие заключается в том, что при повышении порогового значения, в стабилитроне не происходит теплового, электрического пробоя из-за линейной разности потенциалов.
Заключение
В статье была дана информация, как произвести расчет делителя напряжения, описаны разновидности этих устройств, формулы расчета. Зная, зачем используется делитель, можно применять это устройство для создания простых и сложных электронных схем с занижением напряжения до необходимых значений.
Видео по теме
Переделка стрелочных вольтметров
Мультиметр, пробники, индикаторы, тестеры
На чтение 10 мин Опубликовано 05.07.2019 Обновлено 07.07.2019
В статье описываются два варианта простых и надежных стрелочных вольтметров предназначенных для эксплуатации в жестких условиях. Не во всех случаях целесообразно использовать современные цифровые измерительные приборы.
В некоторых ситуациях, например, в гараже, на даче, когда требуется повышенная защита от грозовых разрядов, нужна работа в широком диапазоне температур окружающего воздуха, будет целесообразней использовать магнитоэлектрические измерители, не требующие дополнительного питания, включаемые по простым схемам и отличающиеся очень большим сроком службы.
Вариант 1
Вольтметр на базе прибора Ц24
На рис.1 представлена принципиальная схема простого вольтметра сетевого напряжения переменного тока. Особенность этого вольтметра в том, что он изготовлен на базе готового вольтметра промышленного изготовления Ц24. Вольтметр Ц24 представляет собой микроамперметр, в корпус которого установлены все необходимые радиоэлементы, для измерения напряжения сети переменного тока 230 В.
Этот вольтметр обычно устанавливался в отечественные регулируемые автотрансформаторы выпуска 1960-х годов, предназначенные для питания ламповой радиоаппаратуры. Позднее в таких автотрансформаторах стали применять менее информативный, имеющий малый срок службы, но более стильный по тем временам, линейный газоразрядный индикатор. Выпущенный в 1962 году измеритель Ц24 успешно выполняет свою задачу и в настоящее время.
Промышленный вольтметр включал в себя микроамперметр РА1 (ток полного отклонения стрелки около 1.5 мА, сопротивление обмотки 360 Ом), резисторы R2 – R5 и германиевые диоды VD5, VD6. Вольтметр подвергся доработке: вместо двух параллельно включенных резисторов сопротивлением по 200 кОм был установлен один большей мощности сопротивлением 100 кОм – это резистор R2, а также, был установлен узел на светодиодах для индикации включения в сеть и для подсветки шкалы прибора.
Резисторы R2 – R4 ограничивают ток через микроамперметр РА1, германиевые диоды VD5, VD6 выпрямляют напряжение переменного тока. Использование двух выпрямительных диодов вместо одного исключает заметное дрожание легкой стрелки микроамперметра при ее питании от однополупериодного выпрямителя.
Для индикации включения прибора и подсветки шкалы в корпус микроамперметра установлены два сверхьярких светодиода HL1, HL2. Конденсатор С1 гасит избыток поступающей на светодиоды энергии. Резистор R1 уменьшает броски тока через мостовой выпрямитель VD1 – VD4. Импульсные броски тока, например, при включении в сеть, искрении в розетке, весьма негативно влияют на кристаллы сверхъярких светодиодов, для их уменьшения установлен оксидный конденсатор С2.
Конструкция и детали стрелочных вольтметров
Все детали этого измерителя размещены в корпусе микроамперметра РА1. Резисторы R2 – R4 и диоды VD5, VD6 размещены на заводской монтажной плате (рис.2), а элементы, относящиеся к узлу подсветки, зафиксированы в корпусе микроамперметра под этой платой термоклеем и дополнительно приклеены клеем «Момент» на основе полихлоропреновых каучуков.
Подойдет также аналогичный клей «Момент кристалл» или «Квинтол». Светодиоды приклеены снизу от шкалы (рис.3), а элементы R1, С1, VD1 – VD4 приклеены под монтажной платой. Резистор R1 желательно применить импортный разрывной или отечественный типа Р1-7.Остальные резисторы ВС, С1-4, С1 -14, С2-23, МЛТ, РПМ.
Если вольтметр будет установлен в не отапливаемом помещении (гараж, сарай), то использование металлопленочных резисторов нежелательно, более надежными окажутся углеродные резисторы. Конденсатор С1 применен малогабаритный импортный, предназначенный для работы в сети переменного тока 275 В. Вместо такого конденсатора можно применить пленочные конденсаторы на рабочее напряжение переменного тока 630 В, например, типа К73-17, К73-24. Конденсатор С2 типа К50-68, К53-14, К53-19 емкостью 22… 100 мкФ.
Германиевые диоды могут быть любые из серий Д2, Д9, Д18, Д20, ГД507. Кремниевые диоды 1N4148 можно заменить 1 N914 или отечественными из серий КД510, КД521, КД522. Сверхъяркие светодиоды RL50- CB744D синего цвета свечения имеют яркость 6000 мКд при токе 20 мА, вместо таких светодиодов можно установить любые аналогичные, например, «белые» RL50-WH744D – 8000 мКд.
Для лучшего рассеивания света, в зоне установки светодиодов, черный корпус микроамперметра окрашивают густым слоем белого лака для ногтей. Такая краска быстро сохнет и не отслаивается при повышенной влажности и перепадах температуры.
Вариант 2
Вольтметр на базе микроамперметра
Если в вашем распоряжении не окажется готового вольтметра Ц24, рис.4, то вместо него можно применить любой микроамперметр с током полного отклонения стрелки 100… 1500 мкА, например, М2001/1,М2003-М1. При применении более чувствительного микроамперметра, резистор R2 должен быть установлен на значительно большее сопротивление. При выборе микроамперметра нелишним будет обратить внимание на то, какое у него должно быть рабочее положение – вертикальное или горизонтальное.
Для калибровки прибора используют автотрансформатор и мультиметр. При отсутствии профессионального измерительного оборудования можно воспользоваться любительскими мультиметрами «среднего класса», например, типа MY-67, MY-68, М320, TJ1-4M.
Желательно наличие не менее трех контрольных приборов, одновременно включенных параллельно калибруемому измерителю. К сожалению, популярные у многих цифровые мультиметры низшей ценовой категории серий М-8хх, обычно не обеспечивают приемлемой точности измерений напряжения переменного тока 50 Гц.
Изготовленный прибор можно смонтировать, например, на корпусе установленного в гараже предохранительного щитка, магнитного пускателя или зарядного устройства для автомобильного аккумулятора. Если найдется свободное место на передней панели лабораторного блока питания, корпусе сетевого разветвителя, водонагревателя или другого устройства с сетевым питанием, то установка такого вольтметра повысит эксплуатационные качества модернизированного аппарата.
Высокое входное сопротивление цифровых мультиметров может дать ошибочный результат при измерении напряжений у источников питания при обрыве в измеряемой цепи. Или, например, при измерении ЭДС севшего гальванического элемента CR2032 мультиметром с входным сопротивлением 20 МОм без нагрузочного резистора дает результат 3.2 В, а при измерении напряжения стрелочным мультиметром ТЛ-4М с входным сопротивлением 30 кОм результат был 1.8 В. В таких ситуациях удобнее пользоваться вольтметрами с относительно низким сопротивлением.
Принципиальная схема несложного вольтметра постоянного тока показана на рис.5. В наличии имелся распространенный в прошлом веке щитовой микроамперметр М4200 со шкалой на 75 В. Чтобы не изготавливать другую шкалу, было решено на его основе изготовить вольтметр с четырьмя диапазонами: 0.75, 7.5, 75 и 750 В. Входное сопротивление вольт-метра на диапазоне 0.75 В составляет около 0.75 кОм. на других диапазонах кратно этому значению, т.е. на диапазоне «750 В- – 750 кОм.
При нажатой кнопке SA1.1 вольтметр работает на диапазоне «0.75» В. Напряжение на РА1 поступает через токоограничительный резистор R1, терморезистор RT1 с положительным температурным коэффициентом сопротивления и замкнутые контакты переключателя SA1. Диоды VD1, VD2 защищают PVI от повреждения при перегрузке.
В случае, если, например, на вход вольтметра будет ошибочно подано сетевое напряжение 230 В переменного тока или его выпрямленное значение с конденсатора фильтра 300…350 В, терморезистор RT1 быстро разогреется, его сопротивление резко увеличится, ток в цепи будет ограничен до 2.5 мА, что безопасно для R1, VD1, VD2, PV1. В случае если бы в цепи вместо терморезистора был включен только один R1 соответствующего сопротивления, этот резистор был бы мгновенно поврежден.
Таким образом, из-за человеческих ошибок и отсутствия у недорогих измерительных приборов элементов защиты в мире было повреждено немало мультиметров. Некоторые цифровые мультиметры средней и высокой ценовой категории оснащаются такой же защитой на терморезисторе или электромагнитным выключателем.
При нажатии на кнопку SA1.2 в цепь включается токоограничительный резистор R3, вольтметр будет работать на диапазоне «7.5 В». При включении диапазона «75 В- последовательно с R3 включается резистор R4, а на диапазоне «750 В» ток на PV1 будет поступать через все токоограничительные резисторы в измеряемой цепи.
Прибор дополнительно оснащен узлом «индикатора фазы», собранном на R2, HL1. Хотя этот узел может быстро определить фазный провод в сетевой розетке, как и многочисленные «отвертки- индикаторы», его назначение несколько иное – оперативно отслеживать утечки сетевого напряжения во вторичную цепь в незаземленных источниках питания. Это необходимо для оценки рисков повреждения при работе с устройствами, содержащими полевые, СВЧ транзисторы, МОП, КМДП микросхемы, чувствительные к повреждениям диоды, светодиоды.
Конструкции и детали стрелочных вольтметров
Вольтметр был смонтирован в пластмассовом корпусе от фотореле «ФР-75А» ТУ 32-1501-75. Вид на компоновку деталей показан на рис.6. Размеры коробки около 122x88x48 мм. Вид устройства в сборе фото в начале статьи. Микроамперметр М4200 без встроенных резисторов, при их наличии, резисторы нужно удалить из корпуса микроамперметра.
Микроамперметр можно заменить М42300 или другим аналогичным, например, М4260. М2003-М1. Чтобы не переделывать шкалу, токоограничительные резисторы можно пересчитать под другие значения диапазонов, например: 0.5, 5.0, 50, 500 Вольт.
Переключатель SA1 – счетверенный П2К с зависимой фиксацией с двумя группами контактов, соединенными параллельно. Перед монтажом переключатель следует разобрать, контакты очистить от окислов, пластиковые корпусы кнопок изнутри вычистить и промыть этиловым спиртом. При сборке переключателя трущиеся пластмассовые и металлические части можно смазать густой силиконовой смазкой для оргтехники.
Терморезистор RT1 установлен на текстолитовых стойках, применен сопротивлением около 300 Ом от электронного балласта компактной электролюминесцентной ламы «Camelion LH26- AS-M Е27 Т3», обозначен как MZ5. Подойдет любой аналогичный сопротивлением 270… 330 Ом при комнатной температуре. Чем мощнее лампа, тем меньшего сопротивления терморезистор в ней может быть установлен. При формовке его жестких выводов не повредите корпус терморезистора.
Резистор R1 проволочный мощностью 5…7 Вт. В процессе работы и перегрузки прибора этот резистор не нагревается, применение обычных металлопленочных и углеродных резисторов на его месте нежелательно из-за разбрызгивания, выгорания токопроводящего слоя в момент перегрузки, из-за чего изменяется сопротивление резисторов, с последующим их обрывом. Остальные резисторы любого типа общего применения, R3 – R5 припаяны к соответствующим контактам SA1.
Вместо диодов 1N4007S можно установить любые из серий 1N4001 – 1 N4007, UF4001 – UF4007, КД209, КД243, КД247. Диоды припаяны к лепестковым контактам микроамперметра. Лампа тлеющего разряда HL1 малогабаритная импортная оранжевого свечения, была выбрана из нескольких десятков, самой яркой оказалась миниатюрная лампочка от подсветки клавиш импортных роторных выключателей. Неплохой результат был и у тиратронов МТХ-90, но их размеры намного больше и меньше угол обзора.
Лампа приклеена к внутренней стороне прозрачной крышки корпуса цианакриловым клеем. Сенсор Е1 сделан из металлического корпуса импортного германиевого транзистора типа SFT352, учитывайте, что ни один из его выводов не соединен с корпусом транзистора. Можно использовать имеющие немного другие размеры корпуса отечественные транзисторы МП39, ГТ402 и аналогичные.
На разноцветные щупы XI, Х2 надеты термоусадочные трубки разных цветов, что облегчает их идентификацию, когда на рабочем столе используется несколько измерительных приборов.
Перед настройкой вольтметра установите стрелку прибора регулировочным винтом на нулевое деление шкалы. Настройку начинают с подбора резистора R1.
Если не удастся подобрать одиночный проволочный резистор необходимого сопротивления, можно установить два последовательно включенных проволочных резистора: первый мощностью 5 Вт сопротивлением 47 или 51 Ом, второй мощностью 2…3 Вт сопротивлением 3…12 Ом, также можно применить самодельный.
После поочередно подбирают сопротивление резисторов R3 – R5. При отсутствии мощных резисторов подходящего сопротивления, можно установить на их место резисторы чуть большего сопротивления, а параллельно с каждым из этих резисторов включить по 2 шт. последовательно включенных резисторов мощностью 0.25 Вт сопротивлением сотни кОм – единицы МОм.
После необходимых проверок изготовленного прибора не испытывайте из любопытства защиту на RT1 ненужными перегрузками. Если понадобится этим вольтметром найти фазный провод сетевой проводки, желательно переключить SA1 в положение «750 В», что повысит безопасность его использования.