Делитель напряжения - Voltage divider

Рисунок 1: Простой делитель напряжения

В электроника, а делитель напряжения (также известный как потенциальный делитель) это пассивный линейная цепь который производит вывод Напряжение (V_из), что составляет часть входного напряжения (V_в). Деление напряжения является результатом распределения входного напряжения между компонентами делителя. Простой пример делителя напряжения - два резисторы подключен в серии, с входным напряжением, приложенным к паре резисторов, и выходным напряжением, возникающим при соединении между ними.

Резисторные делители напряжения обычно используются для создания опорных напряжений или для уменьшения величины напряжения, чтобы его можно было измерить, а также можно использовать в качестве сигнала. аттенюаторы на низких частотах. Для постоянного тока и относительно низких частот делитель напряжения может быть достаточно точным, если он состоит только из резисторов; где требуется частотная характеристика в широком диапазоне (например, в осциллограф щуп), делитель напряжения может иметь добавленные емкостные элементы для компенсации емкости нагрузки. При передаче электроэнергии емкостной делитель напряжения используется для измерения высокого напряжения.

Общий случай

Делитель напряжения, относящийся к земля создается путем соединения двух электрические импедансы последовательно, как показано на рисунке 1. Входное напряжение прикладывается к последовательным сопротивлениям Z₁ и Z₂ а на выходе - напряжение на Z₂.Z₁ и Z₂ может состоять из любой комбинации элементов, таких как резисторы, индукторы и конденсаторы.

Если ток в выходном проводе равен нулю, то соотношение между входным напряжением, В_в, а выходное напряжение, В_из, является:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

Доказательство (с использованием Закон Ома ):

${\displaystyle V_{\mathrm {in} }=I\cdot (Z_{1}+Z_{2})}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }=I\cdot Z_{2}}$

${\displaystyle I={\frac {V_{\mathrm {in} }}{Z_{1}+Z_{2}}}}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }=V_{\mathrm {in} }\cdot {\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}}$

В функция передачи (также известный как разделитель коэффициент напряжения) этой схемы:

${\displaystyle H={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}}$

В общем, эта передаточная функция представляет собой сложный, рациональная функция из частота.

Примеры

Резистивный делитель

Рисунок 2: Простой резистивный делитель напряжения

Резистивный делитель - это случай, когда оба импеданса Z₁ и Z₂, являются чисто резистивными (рис. 2).

Подставляя Z₁ = R₁ и Z₂ = R₂ в предыдущее выражение дает:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

Если р₁ = р₂ тогда

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {1}{2}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

Если V_из = 6В и V_в = 9 В (оба обычно используются напряжения), тогда:

${\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}={\frac {6}{9}}={\frac {2}{3}}}$

и решая с помощью алгебра, р₂ должно быть вдвое больше р₁.

Чтобы решить для R1:

${\displaystyle R_{1}={\frac {R_{2}\cdot V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-R_{2}=R_{2}\cdot \left({{\frac {V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-1}\right)}$

Чтобы решить для R2:

${\displaystyle R_{2}=R_{1}\cdot {\frac {1}{\left({{\frac {V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-1}\right)}}}$

Любое соотношение V_из/V_в больше 1 невозможно. То есть с помощью одних только резисторов невозможно ни инвертировать напряжение, ни увеличить V_из над V_в.

RC фильтр нижних частот

Рисунок 3: Резисторный / конденсаторный делитель напряжения

Рассмотрим делитель, состоящий из резистора и конденсатор как показано на рисунке 3.

Сравнивая с общим случаем, мы видим Z₁ = R и Z₂ импеданс конденсатора, определяемый

${\displaystyle Z_{2}=-\mathrm {j} X_{\mathrm {C} }={\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}\ ,}$

где X_C это реактивное сопротивление конденсатора, C - емкость конденсатора, j это мнимая единица, и ω (омега) это радианная частота входного напряжения.

Тогда этот делитель будет иметь соотношение напряжений:

${\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {Z_{\mathrm {2} }}{Z_{\mathrm {1} }+Z_{\mathrm {2} }}}={\frac {\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}{{\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}+R}}={\frac {1}{1+\mathrm {j} \omega RC}}\ .}$

Продукт τ (тау) = RC называется постоянная времени схемы.

Соотношение затем зависит от частоты, в этом случае уменьшается с увеличением частоты. Эта схема, по сути, является базовой (первого порядка) фильтр нижних частот. Отношение содержит мнимое число и фактически содержит как амплитуду, так и сдвиг фазы информация о фильтре. Чтобы извлечь только отношение амплитуд, вычислите величина отношения, то есть:

${\displaystyle \left|{\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}\right|={\frac {1}{\sqrt {1+(\omega RC)^{2}}}}\ .}$

Индуктивный делитель

Индуктивные делители разделяют вход переменного тока по индуктивности:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {L_{2}}{L_{1}+L_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

Вышеприведенное уравнение предназначено для невзаимодействующих катушек индуктивности; взаимная индуктивность (как в автотрансформатор ) изменит результаты.

Индуктивные делители делят вход постоянного тока в соответствии с сопротивлением элементов, как и в случае резистивного делителя, указанного выше.

Емкостной делитель

Емкостные делители не пропускают вход постоянного тока.

Для входа переменного тока простое емкостное уравнение:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {C_{1}}{C_{1}+C_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

Любой ток утечки в емкостных элементах требует использования обобщенного выражения с двумя импедансами. Путем выбора параллельных элементов R и C в надлежащих пропорциях можно поддерживать одинаковый коэффициент деления в полезном диапазоне частот. Это принцип, применяемый в компенсированных осциллограф зонды для увеличения ширины полосы измерения.

Эффект нагрузки

Выходное напряжение делителя напряжения будет изменяться в зависимости от электрического тока, который он подает на внешнее устройство. электрическая нагрузка. Эффективное полное сопротивление источника, выходящее из делителя Z₁ и Z₂, как указано выше, будет Z₁ в параллельно с Z₂ (иногда пишется Z₁ // Z₂), то есть: (Z₁ Z₂) / (Z₁ + Z₂)=Гц₁.

Чтобы получить достаточно стабильное выходное напряжение, выходной ток должен быть либо стабильным (и, таким образом, включенным в расчет значений делителя потенциала), либо ограничиваться соответствующим малым процентом входного тока делителя. Чувствительность к нагрузке можно уменьшить, уменьшив импеданс обеих половин делителя, хотя это увеличивает входной ток покоя делителя и приводит к более высокому потреблению энергии (и потерям тепла) в делителе. Регуляторы напряжения часто используются вместо пассивных делителей напряжения, когда необходимо выдерживать высокие или колеблющиеся токи нагрузки.

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.^[1] 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.

Рекомендации

1. «Очень быстрое и грязное введение в сенсоры, микроконтроллеры и электронику» (PDF). Получено 2 ноября 2015.

Смотрите также

• Текущий делитель
• Преобразователь постоянного тока в постоянный
• Усилитель напряжения

внешняя ссылка

• Делительные схемы и законы Кирхгофа глава из Уроки в электрических цепях Том 1 DC бесплатная электронная книга и Уроки в электрических цепях серии.
• Делители напряжения и тока: что это такое и что они делают
• Учебник по делителю напряжения SparkFun
• Калькулятор делителя напряжения
• Калькулятор делителя напряжения в реальном мире
• Калькулятор делителя напряжения