Резистивный делитель напряжения. Расчет делителя напряжения на резисторах
При проектировании электрических цепей возникают случаи, когда необходимо уменьшить величину напряжения (разделить его на несколько частей) и только часть подавать на нагрузку. Для этих целей используют делители напряжения. Они основаны на втором законе Кирхгофа.
Самая простая схема — резистивный делитель напряжения. Последовательно с источником напряжения подключаются два сопротивления R1 и R2.
При последовательном подключении сопротивлений через них протекает одинаковый ток I.
В результате, согласно закону Ома, напряжения на резисторах делится пропорционально их номиналу.
Подключаем нагрузку параллельно к R1 или к R2. В результате на нагрузке будет напряжение равное UR2.
Примеры применения делителя напряжения
- Как делитель напряжения. Представьте, что у Вас есть лампочка, которая может работать только от 6 вольт и есть батарейка на 9 вольт.
В этом случае при подключении лампочки к батарейке, лампочка сгорит. Для того, чтобы лампочка работала в номинальном режиме, напряжение 9 В необходимо разделить на 6 и 3 вольта. Данную задачу выполняют простейшие делители напряжения на резисторах. - Датчик параметр — напряжение. Сопротивление резистивных элементов зависит от многих параметров, например температура. Помещаем одно из сопротивлений в среду с изменяющейся температурой. В результате при изменении температуры будет изменяться сопротивление одного из делителей напряжения. Изменяется ток через делитель. Согласно закону Ома входное напряжение перераспределяется между двумя сопротивлениями.
- Усилитель напряжения. Делитель напряжения может использоваться для усиления входного напряжения. Это возможно, если динамическое сопротивление одного из элементов делителя отрицательное, например на участке вольт-амперной характеристики туннельного диода.
В этом случае при подключении лампочки к батарейке, лампочка сгорит. Для того, чтобы лампочка работала в номинальном режиме, напряжение 9 В необходимо разделить на 6 и 3 вольта. Данную задачу выполняют простейшие делители напряжения на резисторах.Ограничения при использовании резистивных делителей напряжения
- Номинал сопротивлений делителя напряжения на резисторах должен быть в 100 — 1000 раз меньше, чем номинальное сопротивление нагрузки, подключаемой к делителю. В противном случае сопротивление нагрузки уменьшит величину разделенного делителем напряжения.
- Малые значения сопротивлений, являющихся делителем напряжения, приводят к большим потерям активной мощности. Через делитель протекают большие токи. Необходимо подбирать сопротивления, чтобы они не перегорали и могли рассеять такую величину отдаваемой энергии в окружающую среду.
- Резистивный делитель напряжения нельзя использовать для подключения мощных электрических приборов: электрические машины, нагревательные элементы, индукционные печи.
- Снижение КПД схемы за счет потерь на активных элементах делителя напряжения.
- Для получения точных результатов в делителе напряжения необходимо использовать прецизионные (высокоточные) сопротивления.
В противном случае сопротивление нагрузки уменьшит величину разделенного делителем напряжения.Делитель тока, калькулятор, пример
Делитель тока — это простейшая линейная электрическая цепь, позволяющая разделять и использовать только часть от подаваемого в цепь тока. Простейший делитель тока — это два резистора, соединенных параллельно.
В данном обзоре мы рассмотрим, как работает и где применяется делитель тока. Также будет представлен онлайн калькулятор и программа, где можно просчитать токи на каждом параллельном участке цепи с резистором.
Как работает делитель тока
Принцип действия делителя тока основан на первом Законе Кирхгофа, согласно которому сумма всех токов втекающих в узел равна сумме всех токов вытекающих из узла. Законы Кирхгофа устанавливают соотношения между токами и напряжениями в разветвленных электрических цепях произвольного типа.
Если рассматривать простую электрическую цепь с одним источником питания, то здесь для понимания деления тока достаточно воспользоваться правилом параллельного соединения резисторов. И именно им мы и будем пользоваться далее.
Параллельное соединение резисторов — это такое взаимное соединение компонентов, при котором оба вывода одного резистора соединены с соответствующими выводами другого резистора или резисторов. Рассмотрим простую схему с источником постоянного тока и двумя параллельно соединенными резисторами:
Что происходит в такой цепи? В первую очередь отметим, что напряжение источника питания и номиналы резисторов приведены условно, и они больше подходят для переменного напряжения, которое далее в примерах и будет участвовать.
Также, возвращаясь к постоянному току, следует не путать условное направление тока от «+» к «-» от направления движения носителей электрического заряда (электронов) от «-» к «+».
В цепи с напряжением 220 В и суммарным сопротивлением от двух резисторов 30 и 20 Ом сила тока 18,3 А. При этом ток доходя до места параллельного соединения разделяется и проходит по двум путям, имеющим разные сопротивления. На синем пути с резистором 30 Ом сила тока 7,3 А. На зеленом пути с резистором 20 Ом сила тока 11 А. То есть на том пути, где сопротивление больше электроны замедляются и сила тока меньше. На пути, где сопротивление меньше, электроны движутся быстрее — соответственно и сила тока на этом отрезке больше. Пройдя участок с параллельным соединением ток опять сливается и по одному пути возвращается к источнику питания с силой 18,3 А (сумма сил тока на двух предыдущих участках 7,3 + 11).
В рассмотренном примере для анализа делителя тока была использована программа Multisim, которая просчитывает с помощью соответствующих приборов силу тока на каждом участке цепи с учетом напряжения источника питания и сопротивления резисторов.
Стоит отметить, что в составе делителя тока может быть любое количество резисторов. Помимо параллельного соединения в цепи может быть и последовательное соединение резисторов. Полученное смешанное соединение также легко просчитывается в программе.
Все расчеты в цепи с делителем тока можно произвести и самостоятельно с использованием соответствующих формул. Далее мы приведем онлайн калькулятор делителя тока и рассмотрим пример расчета.
Калькулятор делителя тока онлайн
Представленный онлайн-калькулятор позволяет рассчитать силу тока при использовании последовательных резистивных делителей на любом участке цепи. Для расчета необходимо ввести общую силу тока цепи и значения сопротивлений резисторов на параллельном участке. Калькулятор делителя тока поддерживает до 10 резисторов одновременно.
Калькулятор делителя тока на резисторах:
| Сила тока источника, А | |
| Резистор | Сила тока на участке резистора, А |
Делитель тока — расчет по формулам
Для примера возьмем схожую с рассмотренной ранее схему.
На параллельном участке три резистора 30, 20 и 10 Ом. Напряжение источника питания 220 В. Программа Multisim просчитала силу тока на каждом участке.
Нам же нужно рассчитать силу тока на разных участках самостоятельно. Исходные данные следующие:
- R1 = 30 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 10 Ом.
- В первом случае известно только напряжение источника питания U1 = 220 В (вольтметр V1).
- Во втором случае известна только общая сила тока в цепи I4 = 40,333 А.
Требуется определить силу тока I1, I2, I3 (амперметры U1, U2, U3) на участках с резисторами R1, R2, R3.
Решение:
- Если неизвестно напряжение источника питания, то в первую очередь нужно определить сумму сопротивлений всех резисторов, соединенных параллельно. По каждому резистору течет свой ток. Сумма токов всех резисторов дает общую силу тока цепи: I = I1+I2+I3+…+In. Соответственно общая проводимость параллельной цепи равна сумме ее отдельных проводимостей. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению, поэтому эквивалентное сопротивление параллельно соединенных резисторов определяется следующим отношением: 1/R = 1/R1+1/R2+1/R3+…+1/Rn. Соответственно 1/R = 1/30+1/20+1/10 = (2+3+6)/60 (привели к общему знаменателю) = 11/60. Отсюда R = 60/11 = 5,45 Ом (сумма резисторов R1, R2, R3).
- Зная общую силу тока цепи и общее сопротивление, находим напряжение. U = I×R = 40,333×5,45 ≈ 219,8 ≈ 220 В.
- При параллельном соединении резисторов напряжение во всей цепи и на каждом участке одинаково и равно напряжению источника питания. Соответственно I1 = U/R1; I2 = U/R2; I3 = U/R3.
- I1 = 220/30 = 7,333 A.
- I2 = 220/20 = 11 A.
- I1 = 220/10 = 22 A.
Проводимость есть величина, обратная сопротивлению, поэтому эквивалентное сопротивление параллельно соединенных резисторов определяется следующим отношением: 1/R = 1/R1+1/R2+1/R3+…+1/Rn. Соответственно 1/R = 1/30+1/20+1/10 = (2+3+6)/60 (привели к общему знаменателю) = 11/60. Отсюда R = 60/11 = 5,45 Ом (сумма резисторов R1, R2, R3).Особенности делителя тока
Выделим основные особенности делителя тока, состоящего из параллельно соединенных резисторов:
- Общее сопротивление всегда меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора.
- Увеличение числа параллельно соединенных резисторов ведет к уменьшению общего сопротивления и увеличению общей силы тока в цепи.
- Если параллельно соединены два резистора с одинаковым сопротивлением, то общее сопротивление этих резисторов будет ровно в два раза меньше, чем сопротивление каждого из резисторов, входящих в эту цепочку.
- Если в цепи используются резисторы одного номинала, то формула общего сопротивления упрощается и принимает вид R = R1 / N (R1 – номинальное сопротивление резистора; N – количество резисторов с одинаковым номинальным сопротивлением).
Где применяется делитель тока
Делитель тока очень часто встречается в электротехнике. Важно не путать делитель тока с делителем напряжения, так как после анализа общедоступных источников была выявлена противоречивая информация даже в википедии.
Цитирование из википедии: «Делитель тока имеет важное значение в схемотехнике в качестве элемента цепи для подключения устройства с номинальным током меньшим, чем протекающий в цепи.
» Цитирование из другого источника: «При проектировании электрических цепей возникают случаи, когда в цепи протекает ток одного номинала, а номинально-допустимый ток нагрузки должен быть меньше. Для этих целей используют делители тока.» А вот к чему все это приводит — цитирование очередного электротехнического блога: «Проще говоря, если вместо одного из резисторов подключить, например, вентилятор, то изменяя сопротивление второго резистора, мы будем также изменять силу тока, а значит и мощность, проходящую через вентилятор.»
Важно понимать, что напряжение во всей цепи одинаково для каждого резистора. И сила тока на участке резистора зависит только от его сопротивления. Поэтому, если рассмотреть пример с вентилятором, изменяя сопротивление другого резистора, мы не можем изменить силу тока, проходящую через вентилятор. Мощность останется прежней. Чтобы изменить силу тока и соответственно мощность, вместе с вентилятором должна быть последовательно соединена нагрузка, а не параллельно.
Последовательное соединение — это делитель напряжения. Параллельное соединение — это делитель тока. Информацию из википедии трудно назвать неверной, но она не полная. Там не хватает уточнения, что для подключения устройства с номинальным током меньшим, чем протекающий в цепи, нужно совмещать делитель тока с делителем напряжения.Вернемся к примерам использования делителя тока. Цепи делителей тока находят применение в измерительных схемах, где требуется, чтобы часть измеряемого тока проходила через чувствительный прибор. Используя формулу делителя тока, можно подобрать подходящий шунтирующий резистор таким образом, чтобы через измерительный прибор всегда проходила точно заданная доля общего тока:
Теперь обратимся к примерам делителя тока, которые буквально рядом с каждым. Любой частный дом или квартира — это параллельное соединение, соответственно и делитель тока. Совокупность всех повторных заземлителей нейтрали трансформатора — это тоже делитель тока.
А не самый приятный пример параллельного соединения — это ситуация, когда ток одновременно уходит через заземлитель и человека, прикоснувшегося к корпусу заземленного электроприбора. В этом случае заземлитель с небольшим сопротивлением в сумме с большим сопротивлением человека дает общее небольшое сопротивление. Можно даже не считать, а просто воспользоваться одним из правил — общее сопротивление всегда меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора. И здесь важно понимать, что ток, проходя эту связку заземлитель-человек, далее на своем пути встречает еще одно сопротивление — например от заземлителя нейтрали трансформатора. Получается делитель напряжения, который в совокупности с делителем тока и является основой безопасности использования заземления. То есть на каждом заземлителе происходит падение напряжения. А чем меньше напряжение, тем меньше сила тока.
Как разделять и властвовать над разделителем: практические резистивные разделители, сделанные легко
Скачать PDF
Abstract
В этой статье представлена простая таблица для проектирования резистивных делителей напряжения с использованием стандартных номиналов резисторов 1%.
В примечаниях к применению описывается, как использовать электронную таблицу, и приводится ссылка для загрузки файла электронной таблицы.
Резистивный делитель напряжения — это базовая схема, которую изучают в каждом вводном курсе по электронике. Но выбрать значения из стандартных компонентов не так просто. Если вы когда-нибудь оказывались перед набором резисторов, вводя значения в свой калькулятор, то эта статья поможет вам.
Проблема в том, что типичные наборы резисторов не имеют всех номиналов. В этой статье демонстрируется небольшая электронная таблица, в которой представлена таблица номиналов резисторов с точностью до 1%, что позволяет легко найти необходимое соотношение, используя два доступных резистора. 9((B$4+$A5)/96), который копируется в B5 через G20. Значения, выделенные желтым цветом, обычно доступны в наборах резисторов. Эти желтые блики с первого взгляда говорят вам, что типичный комплект содержит чуть больше четверти значений.
Рисунок 1.
На рис. 2 показано типичное применение резистивного делителя: внешняя обратная связь для регулятора напряжения, такого как понижающий преобразователь MAX8560 4 МГц. Соотношение делителя R2/(R1+R2) устанавливает выходное напряжение регулятора. MAX8560 имеет порог обратной связи 0,6 В на FB. В этом примере требуется выходное напряжение 1,5 В.
Рис. 2. Соотношение резистор-делитель R2/(R1+R2) задает выходное напряжение понижающего стабилизатора MAX8560 4 МГц. Электронная таблица на рис. 1 упрощает выбор R1 и R2 из общедоступных значений.
Чтобы вычислить значения для R1 и R2, введите требуемое выходное напряжение регулятора (напряжение на верхней части делителя) в ячейке B3 и порог обратной связи регулятора (напряжение в средней точке делителя) в ячейке C3.
Вы можете очень быстро увидеть из электронной таблицы, что R2 = 110 кОм не является хорошим выбором для этого примера, потому что R1 = 165 кОм обычно не используется. Вы можете так же быстро определить исчерпывающий список общедоступных номиналов резисторов, которые подойдут: 1,00:1,50, 1,21:1,82, 1,62:2,43, 1,82:2,74, 2,00:3,01, 2,21:3,32, 3,32:4,99 и 4,99: 7.50.
Когда число шагов D3 отрицательное, R1 меньше R2, и вы перемещаетесь в противоположном направлении по списку значений. В любом направлении вы можете обернуть список на 90,76 до 1,00, что указывает на то, что вы перешли к следующему десятилетию резисторов.
Электронная таблица, показанная на рис. 1, доступна для загрузки в формате Microsoft Excel на сайте Resistor Values. Он также доступен в формате Pocket Excel для Pocket PC по адресу Pocket Resistor Values. Он отформатирован, чтобы соответствовать экрану Pocket PC. Если вы используете резистивные делители для целей, отличных от обратной связи регулятора, вы можете переименовать ячейки B2 и C2 в «Vtop» и «Vmid» соответственно.
Разработайте резисторный делитель напряжения [Шаг за шагом, 2023]
Резистивный делитель напряжения полезен, когда у нас есть один источник питания, и мы хотим разделить его дальше на желаемые опорные значения.
Например, если у нас есть источник на 10В, а для нашего эталона требуется 5В, то тут нам поможет хорошая схема делителя напряжения.
В конце этой статьи вы должны быть в состоянии:
- Разработать собственную схему резистивного делителя напряжения для ваших проектов
- Изучите теорию дизайна
- Несколько практических советов
Звучит интересно? Тогда давайте начнем.
Содержание
Резисторный делитель напряжения
Делитель напряжения представляет собой очень простую схему, если говорить о схемотехнике.
Он играет ключевую роль, когда в одной и той же цепи требуются разные уровни напряжения. Как следует из названия
, делитель напряжения представляет собой схему, которая делит входное напряжение на требуемые опорные уровни.
Давайте посмотрим на схему делителя напряжения.
Посмотрите на этого парня, он может сбить с толку. Я знаю, но это самый простой из всей схемы.
И, кстати, для этой схемы я использовал программу моделирования Multisim.
Приведенная выше схема представляет собой простую форму делителя напряжения. Давайте посмотрим, как этот парень может запутать нас в разных формах.
Выходное напряжение может быть между узлом и опорной землей, а также может быть разностью между двумя узлами (см. последнюю диаграмму).
Независимо от того, сколько резисторов используется, помните, если они в конце соединяются последовательно, скорее всего, это может быть делитель напряжения.
Существует множество способов его использования в зависимости от вашего приложения, но чаще всего он используется в качестве опорного напряжения.
Проще говоря, лучше всего использовать для получения эталонного уровня напряжения.
Точность выходного напряжения поразительна, если мы хорошо играем при выборе нагрузки или номиналов резисторов.
Выбор нагрузки — это то, что мы в основном не можем контролировать, но мы контролируем расчет значений сопротивления делителя.
Хорошо!
Давайте перейдем к самому дизайну.
Вывод формулы делителя напряжения
Почти каждая схема имеет свои формулы. По этим формулам мы рассчитываем значения компонентов, используемых в этой схеме.
Делитель напряжения ничем не отличается.
Он имеет специальную формулу, которая помогает нам установить значения резисторов в соответствии с требуемым выходным напряжением.
Попробуем понять и вывести эту формулу.
Приведенная выше формула является основой процедуры проектирования.
Попробуйте вывести его один раз сами и постарайтесь понять.
Надеюсь, вам будет весело.
Хорошо!
Пошаговый процесс проектирования
Теперь воспользуемся вышеприведенным производным уравнением и попробуем определить значения резисторов в цепи делителя.
Шаг 1: Определите выходное напряжение
Первым шагом в разработке делителя напряжения является определение выходного напряжения. Например, для какого уровня напряжения вы хотите разработать схему делителя?
В основном схема делителя используется для опорного напряжения.
Допустим, нам нужно опорное напряжение 3,3 В для приложения, тогда 3,3 В — это требуемый выход для схемы делителя.
Вы можете установить любое значение Vout.
Всегда помните, делитель напряжения нельзя использовать для питания устройств. Он не предназначен для питания мощных устройств.
Конечно, вы можете использовать его для маломощных устройств, таких как светодиоды.
Причина в том, что он нестабилен.
Мощным устройствам нужен большой ток, что означает сильный нагрев резистора R1. Это может привести к сгоранию плохого резистора.
Шаг 2: Расчет номиналов резисторов
Это забавная задача. Теоретически вы можете разработать любую схему делителя напряжения, но на самом деле вы ограничены.
Вы не можете выбрать случайные значения резисторов, потому что эти значения должны быть доступны на рынке для практической реализации схемы, т. е. они должны быть стандартными значениями.
Например, вы выбираете случайные значения, идете в магазин и обнаруживаете, что таких значений не существует.
Поздравляю, вы только что разработали очень неудачную схему делителя.
Некоторые из вас могут сказать, что мы можем использовать ряд и параллель, чтобы получить значение нашего желания.
Мой ответ верен, очень верен. Но это сделает ваш дизайн уродливым, полным резисторов и потеряет много энергии.
Нельзя использовать резисторы с низким значением.
Причина в том, что нам не нужны потери мощности в цепи делителя. Мы хотим, чтобы это было просто как постоянное опорное напряжение.
Приведенные выше два совета очень важны. Держите их в уме.
Теперь, чтобы рассчитать номиналы резисторов:
Сначала выберите значение R2, затем вычислите значение R1.
Выберите значения в килограммах. Не выбирайте низкие номиналы резисторов, это приведет к потере мощности в цепи.
Итак, значение R2 вы выбираете самостоятельно. Теперь, когда мы знаем Vout, Vin и R2, с помощью уравнения (А) мы можем найти значение R1.
Вот как мы разрабатываем схему резисторного делителя напряжения для любого значения Vout.
Примеры резистивного делителя напряжения
Я думаю, пришло время привести несколько примеров, чтобы все стало ясно.
Пример без нагрузки
Разработайте схему делителя напряжения для выходного напряжения 5В. Входное напряжение 10В.
Решение:
- Прежде всего, обратите внимание на входное и выходное напряжения, выходное напряжение составляет половину входного.
- Во-вторых, попробуйте выбрать стандартные значения в пределах кОм. Итак, наилучшие значения для этого случая — 10 кОм.
- Возможны многие другие значения, вы можете использовать и это.
Давайте проверим значение этого резистора.
Но помните, что мы еще не подключили это к нагрузке, а нагрузка — это еще один фактор, который следует учитывать при выборе номиналов для резисторов.
Пример с нагрузкой
Разработайте схему делителя напряжения для светодиодной нагрузки 3 В при 200 мА. Входное напряжение 9В.
Решение:
- Во-первых, у нас есть светодиод с номиналом 3 В при 200 мА.
- Это означает, что Vout составляет 3 В.
Видите ли, схема выше хороша на бумаге. Но это не тот полезный.
Так как же исправить этот дизайн?
Сначала мы вычисляем значение R1, чтобы гарантировать, что оно обеспечивает величину тока, необходимую для свечения светодиода.
После этого изменим уравнение делителя напряжения для R2.
И рассчитать значение R2.
Давайте посмотрим на математику.
Теперь вы можете видеть себя. Делитель напряжения не является поставщиком источника, когда вам требуется большая мощность.
Лучше всего использовать только для эталонного напряжения.
Проверка резистора для делителя
Допустим, вы хотите реализовать делитель напряжения на макетной плате.
Сначала вы проектируете делитель напряжения, т. е. вычисляете все значения.
Во-вторых, вам необходимо измерить номиналы этих резисторов практически перед тем, как вставлять их в макетную плату.
Для измерения сопротивления резистора используется мультиметр. Как?
- Включите мультиметр
- Выберите функции сопротивления
- Подсоедините щупы мультиметра к клемме резистора.
- Получить результаты на экране
Помимо этого метода, существует еще и новый способ проверки резисторов.
И это с помощью тестера компонентов, такого как тестер m328 (ссылка на продукт) .
- Возьмите тестер m328 и включите его
- Поместите резистор в тестер
- Нажмите кнопку проверки и получите результаты – это так просто.
- Прибор покажет значение сопротивления. Также скажите, хороший резистор или плохой.
Тестер M328 может быть очень полезен, когда нужно протестировать множество компонентов для ваших проектов.
Заключение
Иногда нам требуются разные значения эталонного напряжения в одной и той же цепи.
Так как схемы имеют один источник входного напряжения. Мы используем метод резистивного делителя напряжения, чтобы разделить этот источник на требуемые значения.
Почему? Мы не ставим много источников напряжения вместо схемы делителя напряжения. Просто это не практично.
Вот и все. Это все, что я хочу рассказать о схеме делителя напряжения. Надеюсь, я был полезен.
Я считаю, что если вы попрактикуетесь в том, о чем я рассказал выше, вы сможете разработать рабочую схему делителя для своих собственных проектов.