Делители напряжения выглядят так1

Делитель напряжения

Идеальный делитель напряжения

является простой схемой , которая превращает большое напряжение в меньшую одного. Используя всего два последовательных резистора и входное напряжение, мы можем создать выходное напряжение, составляющее часть входного. Делители напряжения – одна из самых фундаментальных схем в электронике. Если бы изучение закона Ома было похоже на знакомство с азбукой, изучение делителей напряжения было бы похоже на обучение написанию кошки .

Это примеры потенциометров – переменных резисторов, которые можно использовать для создания регулируемого делителя напряжения. Мы скоро узнаем об этом больше.

Делитель напряжения состоит из двух важных частей: схемы и уравнения.

Схема

Делитель напряжения включает в себя приложение источника напряжения к серии из двух резисторов. Вы можете увидеть, как он нарисован несколькими разными способами, но они всегда должны быть по сути одной и той же схемой.

Примеры схем делителя напряжения. Сокращенно, от руки, резисторы под одинаковыми / разными углами и т. Д.

 

Мы назовем резистор, ближайший к входному напряжению (V in ), R 1 , а резистор, ближайший к земле, R 2 . Падение напряжения на резисторе R 2 называется V out , это разделенное напряжение, которое наша цепь создает.

Вот и все, что касается схемы! V out – это наше разделенное напряжение. Это то, что в конечном итоге будет частью входного напряжения.

Уравнение

Уравнение делителя напряжения предполагает, что вам известны три значения приведенной выше схемы: входное напряжение (В на дюйм ) и оба значения резистора (R 1 и R 2 ). Учитывая эти значения, мы можем использовать это уравнение, чтобы найти выходное напряжение (V out ):

Запомните это уравнение!

Это уравнение состояния , что выходное напряжение прямо пропорционально к входному напряжению и отношение R 1 и R 2 . Если вы хотите узнать, откуда это взялось, ознакомьтесь с этим разделом, в котором получено уравнение. А пока просто запишите и запомните!

Калькулятор

По экспериментируйте с входами и выходами в уравнении делителя напряжения! Ниже, вы можете подключить номера для V в и обоих резисторов и посмотреть , какие выходного напряжения они производят.

Запомните это уравнение!

Или, если вы отрегулируете V out , вы увидите, какое значение сопротивления на R 2 требуется (учитывая V in и R 1 ).

Упрощения

Есть несколько обобщений, о которых следует помнить при использовании делителей напряжения. Это упрощения, которые немного упрощают оценку схемы деления напряжения.

Во-первых, если R2 и R1 равны, выходное напряжение вдвое меньше входного. Это верно независимо от номиналов резисторов.

Если R 2 является гораздо больше ( по крайней мере , на порядок величины) , чем R 1 , то выходное напряжение будет очень близко к входу. На R 1 будет очень небольшое напряжение .

И наоборот, если R 2 намного меньше, чем R 1 , выходное напряжение будет крошечным по сравнению с входным. Большая часть входного напряжения будет на R 1.

Приложения

Делители напряжения имеют множество применений, они являются одними из самых распространенных схем, используемых инженерами-электриками. Вот лишь некоторые из множества мест, где вы найдете делители напряжения.

Потенциометры

Потенциометр – это переменный резистор, который можно использовать для создания регулируемого делителя напряжения.

Небольшое количество потенциометров. Сверху слева, по часовой стрелке: стандартный триггер 10k , 2-осевой джойстик , софтпот , слайд-горшок , классический прямоугольный угол и удобный для макета триггер 10k .

Внутри потенциометра находится единственный резистор и стеклоочиститель, который разрезает резистор пополам и перемещается для регулировки соотношения между обеими половинами. Внешне обычно имеется три контакта: два контакта подключаются к каждому концу резистора, а третий подключается к дворнику потенциометра.

Условное обозначение потенциометра. Контакты 1 и 3 – это концы резистора. Контакт 2 подключается к дворнику.

Если внешние контакты подключены к источнику напряжения (один к земле, другой к V in ), выход (V out на среднем контакте будет имитировать делитель напряжения. Полностью поверните потенциометр в одном направлении, и напряжение может равняться нулю; повернувшись в другую сторону, выходное напряжение приближается к входному; дворник в среднем положении означает, что выходное напряжение будет половиной входного.

Потенциометры поставляются в различных упаковках и имеют множество собственных применений. Их можно использовать для создания опорного напряжения, настройки радиостанций , измерения положения на джойстике или в множестве других приложений, требующих переменного входного напряжения.

Считывание резистивных датчиков

Многие датчики в реальном мире представляют собой простые резистивные устройства. Фотоэлемент представляет собой переменный резистор, который производит сопротивление , пропорциональное количеству света он воспринимает. Другие устройства, такие как датчики изгиба , чувствительные к силе резисторы и термисторы , также являются переменными резисторами.

Оказывается, микроконтроллерам (с аналого-цифровыми преобразователями , по крайней мере, АЦП ) очень легко измерить напряжение . Сопротивление? Не так много. Но, добавив к резистивным датчикам еще один резистор, мы можем создать делитель напряжения. Как только выходной сигнал делителя напряжения известен, мы можем вернуться и вычислить сопротивление датчика.

Например, сопротивление фотоэлемента варьируется от 1 кОм на свету до примерно 10 кОм в темноте. Если мы объединим это со статическим сопротивлением где-то посередине, скажем 5,6 кОм, мы сможем получить широкий диапазон делителя напряжения, который они создают.

Фотоэлемент составляет половину этого делителя напряжения. Напряжение измеряется, чтобы найти сопротивление светового датчика.

Размах около 2,45 В от светлого к темному. Достаточное разрешение для большинства АЦП!

 

 

Смена уровня

Более сложные датчики могут передавать свои показания через более тяжелые последовательные интерфейсы, такие как UART , SPI или I2C . Многие из этих датчиков работают при относительно низком напряжении для экономии энергии. К сожалению, нередко эти низковольтные датчики в конечном итоге взаимодействуют с микроконтроллером, работающим при более высоком системном напряжении. Это приводит к проблеме смещения уровня , которая имеет ряд решений, включая деление напряжения.

Например, акселерометр ADXL345 допускает максимальное входное напряжение 3,3 В, поэтому, если вы попытаетесь связать его с Arduino (предположим, что он работает при 5 В), необходимо что-то сделать, чтобы понизить этот сигнал 5 В до 3,3 В. Делитель напряжения! Все, что вам нужно, это пара резисторов, соотношение которых делит сигнал 5 В примерно на 3,3 В. Резисторы в диапазоне 1–10 кОм обычно лучше всего подходят для такого применения;

Резисторы 3,3 кОм (оранжевый, оранжевый, красный) – резисторы R 2 , резисторы 1,8 кОм – резисторы R 1 . Пример делителей напряжения на макетной плате , сдвигающих уровень сигналов с 5 В до 3,24 В. (Щелкните, чтобы увидеть увеличенное изображение).

Имейте в виду, что это решение работает только в одном направлении. Один только делитель напряжения никогда не сможет повысить напряжение от более низкого до более высокого.

Приложение не

Каким бы заманчивым ни было использование делителя напряжения для понижения, скажем, источника питания с 12 В до 5 В, делители напряжения не должны использоваться для подачи питания на нагрузку .

Любой ток, который требуется нагрузке, также должен проходить через R 1 . Ток и напряжение на R 1 создают мощность, которая рассеивается в виде тепла. Если эта мощность превышает номинальную мощность резистора (обычно от W до 1W), высокая температура начинает становиться серьезной проблемой, потенциально расплавляя плохой резистор.

При этом даже не упоминается, насколько неэффективным был бы источник питания с делителем напряжения. По сути, не используйте делитель напряжения в качестве источника напряжения для всего, что требует даже небольшого количества энергии. Если вам нужно понизить напряжение, чтобы использовать его в качестве источника питания, обратите внимание на регуляторы напряжения или импульсные источники питания.

 

Дополнительный кредит: Доказательство

Если вы еще не освоили делители напряжения, в этом разделе мы оценим, как применяется закон Ома для получения уравнения делителя напряжения. Это забавное упражнение, но не очень важное для понимания того, что делают делители напряжения. Если вам интересно, приготовьтесь к забавам с законом Ома и алгеброй.

Оценка схемы

Итак, что, если вы хотите измерить напряжение на выходе V ? Как можно применить закон Ома, чтобы создать формулу для вычисления там напряжения? Предположим, что мы знаем значения V in , R 1 и R 2 , поэтому давайте получим наше уравнение V out в терминах этих значений.

Начнем с рисования токов в цепи – I 1 и I 2 – которые мы назовем токами через соответствующие резисторы.

Наша цель – вычислить V out , что, если бы мы применили закон Ома к этому напряжению? Достаточно просто, задействован только один резистор и один ток:

Мы знаем значение R 2 , но как насчет I 2 ? Это неизвестное значение, но мы кое-что о нем знаем. Мы можем предположить (и это оказалось большим предположением), что 1 эквивалентно I 2 . Хорошо, но это нам помогает? Задержите эту мысль. Наша схема теперь выглядит так, где I равно I 1 и I 2 .

Что мы знаем о V в ? Ну, V in – это напряжение на обоих резисторах R 1 и R 2 . Эти резисторы включены последовательно. Последовательные резисторы в сумме дают одно значение, поэтому мы можем сказать:

И на мгновение мы можем упростить схему, чтобы:

Закон Ома в его основе! V в = I * R. Что, если мы обратимся , что R обратно в 1 + R 2 , можно также записать в виде:

И поскольку I эквивалентен I 2 , вставьте это в наше уравнение V out, чтобы получить:

И это, друзья мои, уравнение делителя напряжения! Выходное напряжение – это часть входного напряжения, и эта доля равна R 2, деленному на сумму R 1 и R 2 .

Ресурсы и дальнейшее развитие

Теперь, когда вы поняли суть одной из самых распространенных схем в электронике, есть целый мир новых вещей, которые нужно изучить!

Хотите узнать, как микроконтроллер, например Arduino, может считывать аналоговое напряжение, создаваемое делителем напряжения?

  • Аналого-цифровые преобразователи

Благодаря мощности делителя напряжения и АЦП вы можете многого добиться в мире электроники. Ознакомьтесь с этими другими замечательными уроками.

  • Некоторые разновидности акселерометров и гироскопов имеют аналоговые выходы, которые необходимо считать АЦП, чтобы получить полезные значения.
  • Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) похожа на аналоговый выход, который противоположен аналоговому входу.
  • INA169 позволяет ощутить тока с помощью АЦП.
  • Используя делитель напряжения и АЦП, вы можете считывать данные с всех видов датчиков и переменных компонентов, таких как подстроечные регуляторы, джойстики, ползунки и резисторы, чувствительные к усилию , и многое другое.
  • Arduino карта () функция
  • Аналоговые выводы Arduino
  • В Руководстве по подключению индикатора батареи Uh-Oh используется делитель напряжения, чтобы сообщить вам, становится ли ваша батарея слишком низкой.

 

 

 

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Exit mobile version