Что такое делитель напряжения и для чего он используется

Как понизить напряжение с помощью резистора

Чтобы нагрузка, которую требуется запитать, не сгорела, часто возникает необходимость снизить входное напряжение. Проще всего этого можно добиться, используя схему с двумя резисторами, более известную как делитель напряжения. Классическая схема выглядит так:

В этом случае напряжение подаётся на два резистора с использованием параллельного подключени, а на выходе его получают с одного. Подбор номиналов резисторов осуществляют по формуле так, чтобы напряжение, снимаемое на выходе, составляло какую-то часть от подаваемого. Расчет резистора для понижения напряжения можно воспользовавшись формулой, основанной на законе Ома:

Uвых= (Uвх*R2)/(R1+R2), где

Uвх – напряжение на входе, В;

Uвых – напряжение на выходе, В

R1 – показатель сопр. 1-ого резистора (Ом)

R2 – показатель сопр. 2-ого элемента, (Ом)

Подбор резистора для понижения напряжения

Для подбора нужного сопротивления резистора можно воспользоваться готовыми онлайн-калькуляторами или программами для моделирования работы электронных схем. Симуляторы электрических цепей способны не только рассчитать напряжение на выходе в зависимости от сопротивления элементов и способа их подключения, но и обладают функционалом, позволяющим визуализировать то, как падает ток и напряжение на резисторе. Например, приложение EveryCircuit позволяет изменять в схеме параметры элементов, выбирать скорость симуляции, получать данные в различных точках. При этом можно наблюдать за динамикой изменения значений, используя для ввода входных параметров вращающийся лимб в нижнем правом углу.

Существует ещё ряд бесплатных программ для эмуляции, позволяющие выполнить, в том числе, расчёт резистора при понижении напряжения, например:

• EasyEDA;
• Circuit Sims;
• DcAcLab;

и другие.

В статье мы ознакомились с понятием сопротивления, узнали о его единицах измерения, о маркировке резисторов, о программах эмулирующих работу цепи и облегчающих подбор нужного сопротивления, а также рассмотрели примеры расчёта падения напряжения на резисторе.

Как рассчитать и подобрать гасящий конденсатор

В самом начале темы, относительно подбора гасящего конденсатора, рассмотрим цепь, состоящую из резистора и конденсатора, последовательно подключенных к сети. Полное сопротивление такой цепи будет равно:

Эффективная величина тока, соответственно, находится по закону Ома, напряжение сети делить на полное сопротивление цепи:

В результате для тока нагрузки и входного и выходного напряжений получим следующее соотношение:

А если напряжение на выходе достаточно мало, то мы имеем право считать эффективное значение тока приблизительно равным:

Однако давайте рассмотрим с практической точки зрения вопрос подбора гасящего конденсатора для включения в сеть переменного тока нагрузки, рассчитанной на напряжение меньшее стандартного сетевого.

Допустим, у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт, рассчитанная на напряжение 36 вольт, и нам по какой-то невероятной причине необходимо запитать ее от бытовой сети 220 вольт. Лампе необходим эффективный ток, равный:

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

Что такое электрическое сопротивление

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.

Законы Кирхгофа

Первый закон

Ещё один очень важный закон — это закон Кирхгофа. Для участка цепи постоянного тока их два. Первый закон имеет формулировку: Сумма всех токов, входящих в узел и выходящих из него равна нулю. Если посмотреть на схему, I1 — это ток, который заходит в узел, I2 и I3 — это электроны, которые вытекают из него. Применяя формулировку первого закона можно записать формулу по-другому: I1-I2+I3=0. В этой формуле знаки плюс имеют значения, которые прибывают в узел, минус, который отходит от него.

Второй закон Кирхгофа

Если к цепи с включенными сопротивлениями подключен один источник ЭДС (батарея питания) тогда всё понятно, можно обойтись законом Ома. А, если, источников несколько и схема с различным схемным расположением элементов, тогда вступает в силу второй закон, который гласит: сумма токов всех источников питания для замкнутого контура, равна сумме падений напряжения на всех сопротивлениях участка в этом контуре.

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 Что такое фоторезистор?

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

1. Полезной нагрузкой в этой цепи является лампочка накаливания, рассчитанная на нормальную работу при величине напряжения Uл= 80 в и тока I =20 ма.
2. 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.
3. 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.

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.

Калькулятор делителя напряжения

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

Выходное напряжение (V _out )

Вольт (V)

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

$$ V_ {out} = V_ {in} * \ frac {R_ {2}} {R_ {1} + R_ {2}} $$

Где:

$$ V_ {out} $$ = Выходное напряжение. Это уменьшенное напряжение.

$$ V_ {in} $$ = Входное напряжение.

$$ R_ {1} $$ и $$ R_ {2} $$ = значения резистора. Отношение $$ \ frac {R_ {2}} {R_ {1} + R_ {2}} $$ 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:

$$ V_ {out} = 5 * \ frac {2k \ Omega} {2k \ Omega + 1k \ Omega} = 3.33 V $$

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:

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:

$$ V_ {out} = 5 * \ frac {350 \ Omega} {350 \ Omega + 350 \ Omega} = 2.5V $$

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

$$ V_ {out} = 5 * \ frac {350.03 \ Omega} {350 \ Omega + 350.03 \ Omega} = 2.636V $$

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

Рабочий лист — Цепь делителя напряжения

Расчет делителя напряжения

Делитель может использоваться в электрической цепи для того, чтобы взять из исходного напряжения лишь его долю, а также для снятия данных с датчиков. Расчет

делителя напряжения производится для того, чтобы узнать, какое напряжение будет в цепи с участием такого элемента, на основе входного напряжения, резисторных показателей сопротивления и конденсаторных емкостей.

Типичный расчет делителя осуществляется по формуле U1/U2 = R1/R2 согласно закону Ома. Базовая схема может быть более сложной, сами показатели сопротивления также могут меняться, будучи линейными/нелинейными или активными либо реактивными.

В классическом понимании делитель

представляет собой схему сдвумя резисторами , включенными последовательно и обеспечивающими двасопротивления при работе с источником напряжения. В результате при включении напряжение делится надвое; точку соединений считают средней. Припараллельном подключении дополнительного сопротивления общее сопротивление плеча уменьшится, его определение требует дополнительных вычислений. Чтобы определить показания сопротивлений с помощьюкалькулятора , необходимо указать следующие параметры: • Входное и выходное напряжение. • Ряд сопротивлений (необходимо выбрать между Е24 и Е96 в выпадающем списке). • Единицы в Омах (список включает показатели от 1 до 1000000 Ом). После этого необходимо нажать кнопку «Вычислить», и программа выдаст показатели R1 и R2, обозначаемые в Омах, и процент погрешности.

Источник

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.

Комплектность

Комплект поставки приведён в таблице 3.

Таблица 3

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.

Простая схема блока питания светодиодов с конденсатором

Разберём устройство без трансформаторного блока питания для светодиодов на примере фабричного драйвера LED ламы.

Какой конденсатор можно использовать для балласта?

В качестве гасящих конденсаторов для светодиодов используются керамические элементы рассчитанные на 400-500В. Использование электролитических (полярных) конденсаторов недопустимо.

Меры предосторожности

Безтрансформаторные схемы не имеют гальванической развязки. Сила тока цепи при появлении дополнительного сопротивления, например прикосновение рукой с оголённому контакту в цепи, может значительно увеличится, став причиной электротравмы.

Источник

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.

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 отстает от напряжения 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.

XL = 2πfL.

Упрощенный вариант формулы:

Как вы наверняка уже заметили, чтобы рассчитать емкостной делитель напряжения достаточно знать емкости конденсаторов, а индуктивный делитель – индуктивности.

• Делитель напряжения на резисторах
• Инвертор напряжения
• Умножитель напряжения
• Замена электролитического конденсатора

Делитель напряжения для управления несколькими кнопками с помощью одного вывода

Для работы с сетью кнопок и резисторов, вы можете использовать один аналоговый вывод микроконтроллера. Между каждой кнопкой находится значение резистора. В этом примере используются резисторы 470 Ом. Когда вы нажимаете кнопку, R1 (1 кОм) образует делитель с остальной частью сети.

В данном случае мы нажимаем кнопку два (2), в итоге мы получаем напряжение делителя, состоящего из резисторов 1 кОм и 1.4 кОм. Вам не нужно использовать равные значения резисторов. Вы выбираете значения, которые дают вам широкий диапазон между кнопками. Таким образом, ваш код, считывающий аналоговый сигнал, может иметь широкий диапазон ввода.

digitrode.ru

Похожие записи:

Какой аналог есть для замены дрл 250? Ветровые электростанции Что такое трансформатор: устройство, принцип работы, схема и назначение Какая изолента лучше: обзор лучшей ленты для изоляции проводки. 140 фото, их особенности и отличия Pic-микроконтроллеры, где могут пригодиться радиолюбителю? Подключение, разводка, схемы трёхфазного напряжения и равномерное распределение 380 вольт в частном доме