Делитель напряжения: расчет делителя напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях

Пять схем делителя напряжения предназначенных не только для деления напряжения

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

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

Для чего нужен делитель напряжения

Делитель напряжения для измерения напряжения батареи

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

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

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

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

Делитель напряжения для смещения уровня напряжения

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

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

Делитель напряжения для опорного напряжения

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

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

Делитель напряжения для формирования лесенки сопротивлений R-2R

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

схема и расчёт [Амперка / Вики]

Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения (voltage divider). Это схема, строящаяся на основе пары резисторов.

В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе Vout? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?

Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков пока к выходу Vout ничего не подключено. А суммарное сопротивление пары резисторов при последовательном соединении:

Таким образом, сила тока протекающая через резисторы

Теперь, когда нам известен ток в R2, расчитаем напряжение вокруг него:

Или если отавить формулу в общем виде:

Так с помощью пары резисторов мы изменили значение входного напряжения с 9 до 5 В. Это простой способ получить несколько различных напряжений в одной схеме, оставив при этом только один источник питания.

Применение делителя для считывания показаний датчика

Другое применение делителя напряжения — это снятие показаний с датчиков. Существует множество компонентов, которые меняют своё сопротивление в зависимости от внешних условий. Так термисторы меняют сопротивление от нуля до определённого значения в зависимости от температуры, фоторезисторы меняют сопротивление в зависимости от интенсивности попадающего на них света и т.д.

Если в приведённой выше схеме заменить R1 или R2 на один из таких компонентов, Vout будет меняться в зависимости от внешних условий, влияющих на датчик. Подключив это выходное напряжение к аналоговому входу Ардуино, можно получать информацию о температуре, уровне освещённости и других параметрах среды.

Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно расчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта Vout.

Подключение нагрузки

С делителем напряжения не всё так просто, когда к выходному подключения подключается какой-либо потребитель тока, который ещё называют нагрузкой (load):

В этом случае Vout уже не может быть расчитано лишь на основе значений Vin,

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 Vout, получим:

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, Vout не меняется:

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 равна:

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.

Применимость

Делитель напряжения подходит для получения необходимого заниженного напряжения в случаях, когда подключенная нагрузка потребляет небольшой ток (доли или единицы миллиампер). Примером подходящего использования является считывание напряжения аналоговым входом микроконтроллера, управление базой/затвором транзистора.

Делитель не подходит для подачи напряжения на мощных потребителей вроде моторов или светодиодных лент.

Чем меньшие номиналы выбраны для делящих резисторов, тем больше энергии расходуется впустую и тем выше нагрузка на сами резисторы. Чем номиналы больше, тем больше и дополнительное (нежелательное) падение напряжения, провоцируемое самой нагрузкой.

Если потребление тока нагрузкой неравномерно во времени, Vout также будет неравномерным.

wiki.amperka.ru

Делитель напряжения. Расчет делителя напряжения.

Делитель напряжения, одна из широко используемых схем соединения резисторов. Делитель напряжения позволяет уменьшить выходное напряжение. Например, на вход делителя подается 12 Вольт, а на выходе 3 Вольта, или сколько нужно, но не больше входного напряжения делителя. Схема соединения резисторов, о которой мы говорим, может использоваться только для слаботочной нагрузки, чуть позже я объясню почему. Вот собственно и сама схема делителя:

Делитель напряжения вы все ни один раз видели, например, регулятор громкости. Регулятором громкости является переменный резистор, соединенный по схеме потенциометра.

Потенциометр, можно представить как два резистора, соединённых последовательно, при вращении рукоятки один резистор уменьшает свое сопротивление, другой увеличивает.

В делителе напряжения, входное напряжение полностью падает на двух резисторах. Например, входное напряжение 40 Вольт и если на одном резисторе падает 3 Вольта, то на другом 37 Вольт.

Расчет делителя напряжения.

Сразу скажу одно правило, ток, протекающий через резистор R1 и R2 должен быть как минимум в 10 раз больше, чем ток нагрузки (иначе будет просадка напряжения на выходе). Например, если к нашему девайсу будет подсоединена лампа, потребляющая ток 40 мА, то делитель нужно рассчитывать так, чтобы ток, текущий через резисторы R1 и R2 был минимум 400 мА (в 10 и более раз больше).

И еще один нюанс. Ток делителя не только должен быть больше тока нагрузки в 10 раз, но и должен быть меньше тока, выдаваемого источником тока. Вот пример, мы посадили на выход делителя напряжения лампу, потребляющую 200 мА, соответственно ток через делитель потечет как минимум в 10 раз больше (2 Ампер), но если источник тока у нас рассчитан выдавать 1 Ампер, то он просто напросто не вытянет и сгорит, либо сработает защита.

Поэтому есть правило. При расчете делитель напряжения нужно рассчитывать так, чтобы ток через него был как минимум в 10 раз больше тока нагрузки и меньше максимального тока источника.

Отсюда делитель напряжения используют для слаботочных нагрузок.

Входной ток (ток делителя) ищется по такой формуле:

Например, у меня входное напряжение 12 Вольт (10 Ампер), мне нужен делитель напряжения, у которого на выходе нагрузка напряжением 3 Вольта и током потребления 20 мА (зацеплю светодиод).

Ток делителя Iвх должен быть минимум в 10 раз больше тока нагрузки, возьму в 20 раз. Получается Iвх = 20 мА*20=400мА.

Найдем теперь сумму резисторов R1 и R2 (Rобщ) зная ток, текущий через них 0,4 Ампер и напряжение на них 12 Вольт. Rобщ=12 Вольт/0,4 Ампер = 30 Ом.

Далее нахожу номинал резистора R2 по следующей формуле:

R2 = (3 Вольта*30 Ом)/12 Вольт = 7,5 Ом.

Теперь нахожуу R1, R1 = Rобщ – R2 = 30 – 7,5 = 22,5 Ом.

Давайте проверим по этой формуле:

Iвх = 3 Вольт / 7,5 Ом = 0,4 Ампер.

Iвх = 12 Вольт / 30 Ом = 0,4 Ампер.

Рассчитаем мощность резисторов.

Напряжение на R2 = 3 Вольт, значит напряжение на R1 = Uвх-Uвых = 9 Вольт (я уже говорил, если на одном падает 3 Вольта, то на втором резисторе делителя падает остальное напряжение).

Мощность ищется по следующей формуле:

P1 = 9 Вольт* 0,4 Ампер = 3,6 Вт (из стандартного ряда 5 Вт);

P2 = 3 Вольт* 0,4 Ампер = 1,2 Вт (из стандартного ряда 2 Вт);

Расчет закончен.

Вот еще несколько формул, вы их можете использовать для расчета делителя напряжение в зависимости от того, какими известными значениями вы владеете.

Проверка расчета практически.

Соберем схему:

При расчете мы получили следующие номиналы резисторов, R1 = 22,5 Ом (из стандартного рядя 22 Ом), R2 = 7,5 Ом.

По мощности у меня оба резистора 2 Вт, поэтому R1 у меня сильно греется.

Входное напряжение делителя 12 Вольт.

Напряжение, которое падает на R1 = 22 Ом почти 9 Вольт.

Напряжение, которое падает на R2 = 7,5 Ом (наше выходное напряжение делителя) = 3 Вольта.

Ток, текущий через R1 и R2 (входной ток делителя) = 430 мА.

Светодиод загорается и горит в нормальном режиме, не перегорая.

Если пренебрегать погрешностями резисторов и прибора, то расчет верен.

Подключение нагрузки

С делителем напряжения не всё так просто, когда к выходному подключения подключается какой-либо потребитель тока, который ещё называют нагрузкой

(load):

В этом случае V out

уже не может быть расчитано лишь на основе значенийV in ,R1 иR2 : 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

Подставив значение в общую формулу расчёта V out

, получим:

Как видно, мы потеряли более полутора вольт напряжения из-за подключения нагрузки. И тем ощутимее будут потери, чем больше номинал R2

по отношению к сопротивлениюL . Чтобы нивелировать этот эффект мы могли бы использовать в качествеR1 иR2 резисторы, например, в 10 раз меньших номиналов.

Пропорция сохраняется, V out

не меняется:

А потери уменьшатся:

Кроме того, нужно помнить, что резисторы расчитаны на определённую предельную мощьность. В нашем случае нагрузка на R1

равна:

Расчет гасящего резистора

В схемах аппаратуры связи часто возникает необходимость подать на потребитель меньшее напряжение, чем дает источник. В этом случае последовательно с основным потребителем включают дополнительное сопротивление, на котором гасится избыток напряжения источника. Такое сопротивление называется гасящим.

Будет интересно Как прочитать обозначение (маркировку) резисторов

Напряжение источника тока распределяется по участкам последовательной цепи прямо пропорционально сопротивлениям этих участков. Рассмотрим схему включения гасящего сопротивления:

Полезной нагрузкой в этой цепи является лампочка накаливания, рассчитанная на нормальную работу при величине напряжения Uл= 80 в и тока I =20 ма.
Напряжение на зажимах источника тока U=120 в больше Uл, поэтому если подключить лампочку непосредственно к источнику, то через нее пройдет ток, превышающий нормальный, и она перегорит.
Чтобы этого не случилось, последовательно с лампочкой включено гасящее сопротивление R гас.

Схема включения гасящего сопротивления резистора.

Расчет величины гасящего сопротивления при заданных значениях тока и напряжения потребителя сводится к следующему:

– определяется величина напряжения, которое должно быть погашено:

Uгас = Uист – Uпотр,

Uгас = 120 – 80 = 40в

определяется величина гасящего сопротивления

Rгас = Uгас / I

Rгас = 40 / 0,020 = 2000ом = 2 ком

Далее необходимо рассчитать мощность, выделяемую на гасящем сопротивлении по формуле

P = I2 * Rгас

P = 0,0202 * 2000 = 0,0004 * 2000 = 0,8вт

Зная величину сопротивления и расходуемую мощность, выбирают тип гасящего сопротивления.

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 Описание установленной и расчетной мощности

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:

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.

Приложения

Делители напряжения используются для регулировки уровня сигнала, для смещения активных устройств в усилителях и для измерения напряжений. А Мост Уитстона и мультиметр оба включают делители напряжения. А потенциометр используется в качестве переменного делителя напряжения в регуляторе громкости многих радиоприемников.

Датчик измерения

Делители напряжения могут использоваться, чтобы позволить микроконтроллеру измерять сопротивление датчика. Датчик подключается последовательно с известным сопротивлением, чтобы сформировать делитель напряжения, и на него подается известное напряжение. Аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера подключен к центральному отводу делителя, чтобы он мог измерять напряжение отвода и, используя измеренное напряжение, известные сопротивление и напряжение, вычислять сопротивление датчика. Пример, который обычно используется. включает в себя потенциометр (переменный резистор) в качестве одного из резистивных элементов. Когда вал потенциометра вращается, сопротивление, которое он создает, либо увеличивается, либо уменьшается, изменение сопротивления соответствует угловому изменению вала. В сочетании со стабильным опорным напряжением выходное напряжение может подаваться на аналого-цифровой преобразователь, и на дисплее может отображаться угол. Такие схемы обычно используются при считывании ручек управления

Обратите внимание, что для потенциометра очень выгодно иметь линейный конус, поскольку микроконтроллер или другая схема, считывающая сигнал, должна в противном случае корректировать нелинейность в своих вычислениях

Измерение высокого напряжения

Пробник делителя резистора высокого напряжения.

Делитель напряжения можно использовать для уменьшения очень высокое напряжение так что его можно измерить вольтметр. Высокое напряжение подается на делитель, и выход делителя, который выводит более низкое напряжение, которое находится в пределах входного диапазона измерителя, измеряется измерителем. Пробники с высоковольтным резисторным делителем, разработанные специально для этой цели, могут использоваться для измерения напряжений до 100 кВ. В таких пробниках используются специальные высоковольтные резисторы, так как они должны выдерживать высокие входные напряжения и для получения точных результатов должны соответствовать температурные коэффициенты и очень низкие коэффициенты напряжения. Пробники с емкостным делителем обычно используются для напряжений выше 100 кВ, поскольку тепло, вызванное потерями мощности в пробниках резистивного делителя при таких высоких напряжениях, может быть чрезмерным.

Сдвиг логического уровня

Делитель напряжения можно использовать как примитивный переключатель логического уровня для сопряжения двух цепей, использующих разные рабочие напряжения. Например, некоторые логические схемы работают при 5 В, а другие — при 3,3 В. Прямое подключение логического выхода 5 В к входу 3,3 В может привести к необратимому повреждению цепи 3,3 В. В этом случае можно использовать делитель напряжения с выходным соотношением 3,3 / 5 для уменьшения сигнала 5 В до 3,3 В, чтобы схемы могли взаимодействовать без повреждения цепи 3,3 В. Чтобы это было осуществимо, импеданс источника 5 В и входной импеданс 3,3 В должны быть незначительными, или они должны быть постоянными, а значения резистора делителя должны учитывать их импедансы. Если входной импеданс является емкостным, чисто резистивный делитель ограничит скорость передачи данных. Это можно грубо преодолеть, добавив конденсатор последовательно с верхним резистором, чтобы сделать оба вывода делителя как емкостными, так и резистивными.

Калькулятор делителя напряжения

Разделитель напряжения представляет собой схему, используемую для создания напряжения, которое меньше или равно входному напряжению.

Как найти выходное напряжение цепи делителя

Два делителя напряжения резистора являются одной из наиболее распространенных и полезных схем, используемых инженерами. Основная цель этой схемы заключается в уменьшении входного напряжения до более низкого значения в зависимости от отношения двух резисторов. Этот калькулятор помогает определить выходное напряжение схемы делителя с учетом входного (или источника) напряжения и значений резисторов

Обратите внимание на то, что выходное напряжение в реальных схемах может быть различным, поскольку резистор и сопротивление нагрузки (при подключении выходного напряжения) становятся факторами

Уравнение

$$ V_ $$ = Выходное напряжение. Это уменьшенное напряжение.

$$ V_ $$ = Входное напряжение.

$$ R_ $$ и $$ R_ $$ = значения резистора. Отношение $$ frac > + R_ > $$ определяет масштабный коэффициент.

Приложения

Поскольку делители напряжения довольно распространены, их можно найти в ряде приложений. Ниже приведены лишь некоторые из мест, где эта схема найдена.

потенциометры

Возможно, наиболее распространенной схемой делителя напряжения является то, что используется потенциометр, который является переменным резистором. Схематическое изображение потенциометра показано ниже:

«Горшок» обычно имеет три внешних контакта: два являются концами резистора, а один подключен к рычагу стеклоочистителя. Стеклоочиститель разрезает резистор пополам и перемещает его, регулируя соотношение между верхней половиной и нижней половиной резистора. Соедините два внешних выводы к напряжению (вход) и ссылку (земля) со средним (стеклоочистители штифтом) в качестве выходного контакта и вы сам делитель напряжения.

Уровневые сдвиги

Другая область, в которой используются делители напряжения, – это когда напряжение должно быть выровнено. Наиболее распространенным сценарием является взаимодействие сигналов между датчиком и микроконтроллером с двумя разными уровнями напряжения. Большинство микроконтроллеров работают при напряжении 5 В, в то время как некоторые датчики могут принимать только максимальное напряжение 3, 3 В. Естественно, вы хотите выровнять напряжение от микроконтроллера, чтобы избежать повреждения датчика. Пример схемы показан ниже:

Схема выше показывает схему делителя напряжения, включающую резистор 2 кОм и 1 кОм. Если напряжение от микроконтроллера составляет 5 В, то пониженное напряжение на датчик рассчитывается как:

Этот уровень напряжения теперь безопасен для работы датчика

Обратите внимание, что эта схема работает только для выравнивания напряжений и не выравнивания

Ниже приведены некоторые другие комбинации резисторов, используемые для выравнивания часто встречающихся напряжений:

Комбинация резисторов	использование
4, 7 кОм и 6, 8 кОм	От 12 В до 5 В
4, 7 кОм и 3, 9 кОм	9V до 5V
3, 6 кОм и 9, 1 кОм	От 12 В до 3, 3 В
3, 3 кОм и 5, 7 кОм	От 9 В до 3, 3 В

Чтение резистивного датчика

Многие датчики являются резистивными устройствами и большинством микроконтроллеров считывают напряжение, а не сопротивление. Таким образом, резистивный датчик обычно подключается в цепи делителя напряжения с резистором для взаимодействия с микроконтроллером. Пример установки показан ниже:

Термистор – это датчик, сопротивление которого изменяется пропорционально температуре. Скажем, что термистор имеет сопротивление комнатной температуре 350 Ом. Сопряженное сопротивление выбирается равным 350 Ом.

Когда термистор находится при комнатной температуре, выходное напряжение:

Когда температура увеличивается, сопротивление термистора изменяется до 350, 03 Ом, выход изменяется на:

Такое небольшое изменение напряжения обнаруживается микроконтроллером. Если функция передачи термистора известна, теперь можно рассчитать эквивалентную температуру.

Дальнейшее чтение

Техническая статья – Разделители напряжения и тока: что это такое и что они делают

Учебник – Глава 6 – Цепи Divider и законы Кирхгофа

Учебник – Потенциометр в качестве делителя напряжения

Как работает делитель напряжения

Делитель напряжения это устройство, осуществляющее регулировку выходного напряжения по отношению значения входного напряжения, в соответствии с коэффициентом передачи. То есть, из большего значения получается меньшее, а само напряжение бывает постоянным или переменным. Самая простая схема делителя напряжения состоит как минимум из двух сопротивлений. Если их сопротивления равны между собой, то и падения напряжения будут одинаковыми. Поэтому, по закону Ома напряжение на выходе прибора будет ровно в два раза ниже, чем на входе. В других случаях для расчетов падения напряжений используются формулы.

Основной функцией делителя напряжения в электрических цепях является снижение напряжения и получение нескольких его значений с фиксированными показателями на различных участках. Его основой служат резисторы или реактивные сопротивления в количестве два и более элементов.

Простейший делитель представляется в виде двух участков цепи, называемых плечами. Верхним плечом считается участок между нулевой точкой и положительным напряжением, а нижним – участок между нулевой точкой и минусом. После того как определены исходные данные, можно сделать самый простой расчет делителя напряжения.

В качестве примера рассматриваются два резистора, соединенные последовательно. К ним подается напряжение U, которое может быть переменными или постоянным. После этого в действие вступает закон Ома, когда при последовательном соединении резисторов, общее сопротивление составит сумму их номиналов. В виде формы это будет выглядеть следующим образом: I = U/Rобщ, в которой Rобщ = R1+R2. Следовательно, I = U/(R1+R2).

Сила тока при последовательно соединенных резисторов, будет одинаковой на всех участках цепи. Если у каждого резистора имеется собственное значение сопротивления, то по закону Ома у них образуются совершенно разные напряжения. Сопротивлению R1 соответствует напряжение U1, а сопротивлению R2 – напряжение U2. В результате получается следующая ситуация, выраженная формулой I = U2/R2 = U1/R1 = U/(R1+R2). Для того, чтобы найти значения напряжений U1 и U2, необходимо выполнить такие действия: U1 = U x R1/(R1+R2) и U2 = U x R2/(R1+R2). Если правые части каждого уравнения сложить друг с другом, то в результате получится значение входящего напряжения U, состоящее из суммы напряжений U1 и U2, то есть U = U1 + U2. Это значит, что сумма падений напряжений на всех последовательно соединенных резисторах, будет равна напряжению источника питания, то есть входящему напряжению. Таким образом, данное выражение есть ни что иное, как формула делителя напряжения. Практически получается, что входящее напряжение U оказалось разделенным на два напряжения с собственными значениями – U1 и U2.

Во многих случаях необходимо, чтобы процесс разделения напряжения осуществлялся плавно. С этой целью был изобретен прибор – переменный резистор. Работа устройства происходит по установленной схеме. Два крайних контакта обладают постоянным сопротивлением, а сопротивление среднего контакта относительно крайних контактов будет изменяться в зависимости от направления вращения регулятора. С помощью переменных резисторов добавляется громкость в звуковых колонках, у радиоприемников и телевизоров старых марок.

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.

Можно рассчитать общее сопротивление в резисторах:

R=R1*R2/(R1+R2)

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

Уменьшаемое в итоге напряжение на резисторах находится по формуле:
U1=(R1/(R1+R2))*U
U2=(R2/(R1+R2))*UОстаётся узнать, как найти ток на обоих резисторах:

I=U/R

Также, рассчитать напряжение на резисторе можно через ЭДС (Электродвижущую силу):

r — внутреннее сопротивление устройства.