Делитель напряжения

Такие устройства применяют для создания нужного напряжения в определенном узле электрической схемы. Это необходимо для обеспечения функциональности регуляторов, фильтров, датчиков. С помощью представленных ниже сведений можно узнать, как рассчитать падение напряжения на резисторе самостоятельно и с применением автоматизированных калькуляторов. Наглядные примеры и квалифицированные рекомендации пригодятся на практике.

Схемы делителей напряжения

Резистивный делитель напряжения

В общем случае устройства этого типа выполняют преобразование по формуле Uвых=Uвх*К, где:

• Uвх (вых) – напряжения на входе и выходе, соответственно;
• К – корректирующий множитель, обозначающий передающие способности узла.

Если взять первый пример из рис. выше, для уточнения сути процессов подойдет второй закон Кирхгофа. В соответствии с этим правилом, общее значение напряжений на последовательно соединенных резисторах будет равно сумме ЭДС на каждом элементе. Так как ток не изменяется в замкнутом контуре, для расчета можно использовать закон Ома:

U (напряжение) = I (ток) * R (электрическое сопротивление)

Нижнюю часть схемы (плечо) используют для получения необходимого изменения входного параметра.

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

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.

Схема делителя напряжения на резисторах

Такие схемы используют для уменьшения выходного напряжения до нужного значения. Деление выполняют в пропорциях, которые предусмотрены конструкторским проектом. Необходимо учитывать реальное влияние нагрузки. Уточняют мощность потребления, чтобы подобрать подходящий резистор нижнего плеча.

Расчет делителя напряжения на резисторах

В простейшей схеме применяют два резистора. При необходимости количество компонентов увеличивают для обеспечения ступенчатой регулировки. Чтобы рассчитать делитель напряжения, калькулятор онлайн использовать не обязательно. Приведенная ниже подробная инструкция поможет получить точный результат собственными силами за несколько минут.

Формула делителя напряжения

Для примера взяты определенные значения:

• Входного постоянного напряжения (Uвх) – 20 Вольт;
• Сопротивления резисторов R1 и R2 – 20 и 50 кОм, соответственно.

Самостоятельный расчет резистивного делителя онлайн

Уменьшение входного напряжения в два раза получится при равных значениях сопротивлений резисторов. Для настоящего примера придется рассчитать пропорцию, пользуясь формулой закона Ома:

I=Uвх/ (R1+R2)

Подставив исходные значения, несложно узнать силу тока, протекающего по данной последовательной цепи:

20/ (20 000 + 50 000) = 0,000286 А

На отдельных элементах падения напряжения составят:

• UR1 = 0,000286 * 20 000 = 5,72 V;
• UR2 = 0,000286 * 50 000 = 14,3 V.

Для непосредственного расчета напряжения на рабочем плече можно пользоваться формулой:

UR2 =  Uвх * R2/ (R1+R2)

Расчет делителя напряжения калькулятором онлайн

Соответствующие программы предлагают посетителям «Паяльник» и другие специализированные сайты бесплатно и без регистрации. В стандартной форме заполняют «окошки» с напряжением на входе и выходе. После подтверждения автоматически выполняется расчет с отображением значений электрических сопротивлений резисторов и рассеиваемых мощностей.

Как понятно из примера, основные формулы не отличаются повышенной сложностью. Однако автоматизированный расчет делителя напряжения на резисторах онлайн (online) позволяет выполнять многократные теоретические эксперименты с минимальными затратами времени. Такой инструмент пригодится для точного определения основных параметров делителя.

Таблица расчетов

Приведенные цифры демонстрируют, что для существенного уменьшения Uвых сопротивление R1 должно быть значительно больше R2. Обратные пропорции применяют для примерного равенства напряжений на входе и выходе.

Совокупные потери в цепи определяют по рассеиваемой мощности. Чем меньше сопротивление, тем сильнее ток. Для самостоятельных расчетов пользуются формулой:

P=I2*R.

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.

Ограничения в применении

Из приведенных в таблице примеров расчетов хорошо видно, как значительно увеличиваются потери при уменьшении сопротивления цепи. Энергия расходуется впустую для нагрева окружающей среды. При большой мощности рассеивания приходится использовать принудительные системы охлаждения, пассивные радиаторы.

В приведенных расчетах не учитывалась нагрузка. Если добавить соответствующее реальным условиям сопротивление, образуются дополнительные потери в параллельной цепи.

Влияние сопротивления нагрузки

На первой части рисунка изображен типовой делитель, обеспечивающий выходное напряжение 5 V. При потреблении тока 0,01 А сопротивление нагрузки составит 0,5 кОм. Пользуясь формулой расчета для параллельной цепи, несложно выяснить суммарное значение R = 1/(1/R2 + 1/Rнагрузки) = 0,25 кОм. Это добавление уменьшит плановое значение Uвых до 3,46 V.

Уменьшением R2 можно снизить вредное влияние на выходное напряжение (4,75 V). Однако такой способ, приведенный на второй части рисунка, сопровождается значительными потерями энергии. Ток будет проходить по участку с меньшим сопротивлением, не выполняя полезные функции. В данном примере необходимо выбрать R1, рассчитанный на мощность не менее 2 Вт, чтобы обеспечить надежную работу устройства.

Нормативно-техническая документация

Изучить стандарты по данной теме можно в ГОСТе 11282-93. Стандарт действует с 1 января 1996 г. Последние изменения сделаны 12 сентября 2018 г.

В документе приведены сведения о допустимых погрешностях, допусках и других нормативах.

Видео

https://www.youtube.com/watch?v=LnsDYvS93U0

Автор:

Винoгрaдов Aндрeй Aлексaндрoвич