Делитель напряжения на диодах: схема и расчёт [Амперка / Вики]

схема и расчёт [Амперка / Вики]

Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения (voltage divider). Это схема, строящаяся на основе пары резисторов.

В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе Vout? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?

Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков пока к выходу Vout ничего не подключено. А суммарное сопротивление пары резисторов при последовательном соединении:

Таким образом, сила тока протекающая через резисторы

Теперь, когда нам известен ток в R2, расчитаем напряжение вокруг него:

Или если отавить формулу в общем виде:

Так с помощью пары резисторов мы изменили значение входного напряжения с 9 до 5 В. Это простой способ получить несколько различных напряжений в одной схеме, оставив при этом только один источник питания.

Применение делителя для считывания показаний датчика

Другое применение делителя напряжения — это снятие показаний с датчиков. Существует множество компонентов, которые меняют своё сопротивление в зависимости от внешних условий. Так термисторы меняют сопротивление от нуля до определённого значения в зависимости от температуры, фоторезисторы меняют сопротивление в зависимости от интенсивности попадающего на них света и т.д.

Если в приведённой выше схеме заменить R1 или R2 на один из таких компонентов, Vout будет меняться в зависимости от внешних условий, влияющих на датчик. Подключив это выходное напряжение к аналоговому входу Ардуино, можно получать информацию о температуре, уровне освещённости и других параметрах среды.

Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно расчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта

Vout.

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.

Применимость

Делитель напряжения подходит для получения необходимого заниженного напряжения в случаях, когда подключенная нагрузка потребляет небольшой ток (доли или единицы миллиампер). Примером подходящего использования является считывание напряжения аналоговым входом микроконтроллера, управление базой/затвором транзистора.

Делитель не подходит для подачи напряжения на мощных потребителей вроде моторов или светодиодных лент.

Чем меньшие номиналы выбраны для делящих резисторов, тем больше энергии расходуется впустую и тем выше нагрузка на сами резисторы. Чем номиналы больше, тем больше и дополнительное (нежелательное) падение напряжения, провоцируемое самой нагрузкой.

Если потребление тока нагрузкой неравномерно во времени, Vout также будет неравномерным.

Делитель напряжения в цепи обратной связи

Добавлено 22 ноября 2018 в 23:36

Сохранить или поделиться

Если мы добавим делитель напряжения в схему отрицательной обратной связи так, чтобы на инвертирующий вход подавалась только часть выходного напряжения, а не полная его величина, выходное напряжение будет кратно входному напряжению (помните, схема подключения питания к операционному усилителю снова пропущена для простоты):

Эффект отрицательной обратной связи с делителем напряжения

Если R1 и R2 равны, а Vвх равно 6 вольт, операционный усилитель будет выдавать любое напряжение, необходимое для падения 6 вольт на резисторе R1 (чтобы сделать напряжение на инвертирующем входе равным 6 вольтам, а также сохранить разность напряжений между входами равной нулю).

С делителем напряжения 1:2 из резисторов R1 и R2 для выполнения этого условия потребуется напряжение 12 вольт на выходе усилителя.

Другой способ анализа этой схемы – начать с вычисления величины и направления тока через R1, зная напряжение на обеих сторонах (и, следовательно, при помощи вычитания напряжение на R1) и сопротивление R1. Так как левая сторона R1 связана с землей (0 вольт), а правая сторона имеет потенциал 6 вольт (из-за отрицательной обратной связи, поддерживающей эту точку, равной Vвх), мы видим, что имеем на R1 напряжение 6 вольт. Это дает нам ток 6 мА через R1 слева направо. Поскольку мы знаем, что оба входа операционного усилителя имеют чрезвычайно высокий импеданс, мы можем с уверенностью предположить, что они не будут добавлять или вычитать какой-либо ток через делитель. Другими словами, мы можем рассматривать R

1 и R2 как включенные последовательно друг с другом: все электроны, протекающие через R1, должны проходить и через R2. Зная ток через R2 и сопротивление R2, мы можем рассчитать напряжение на R2 (6 вольт) и его полярность. Подсчитывая напряжения от земли (0 вольт) до правой стороны R2, мы получаем на выходе 12 вольт.

Исследуя последнюю иллюстрацию, можно задаться вопросом: «Где проходит этот ток 6 мА?». Последняя иллюстрация не показывает весь путь прохождения тока, но на самом деле он начинается с положительного вывода источника питания постоянного напряжения, через выходной транзистор(ы) операционного усилителя, через выходной вывод операционного усилителя, через R2, через R1

, через землю, а затем к отрицательному выводу источника питания постоянного напряжения.

Отрицательная обратная связь с делителем напряжения на примере модели операционного усилителя

6-вольтовый источник питания не должен обеспечивать схему каким-либо током: он просто управляет операционным усилителем для баланса напряжения между инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входными выводами и при этом создает выходное напряжение, которое в два раза больше входного сигнала из-за деления на двух резисторах по 1 кОм.

Мы можем изменить коэффициент усиления по напряжению в этой схеме, просто регулируя значения R1 и R2 (изменяя часть выходного напряжения, которая подается обратно на инвертирующий вход). Коэффициент усиления можно рассчитать по следующей формуле:

\[A_V = {R_2 \over R_1} + 1\]

Обратите внимание, что коэффициент усиления по напряжению для этой схемы усилителя никогда не может быть меньше 1. Если бы мы должны были понизить значение R

2 до нуля ом, наша схема была бы идентична повторителю напряжения, при этом выход напрямую подключался бы к инвертирующему входу. Поскольку повторитель напряжения имеет коэффициент усиления 1, это устанавливает нижний предел коэффициента усиления этого неинвертирующего усилителя. Однако коэффициент усиления может быть увеличен далеко выше 1 с помощью увеличения R2 относительно R1.

Также обратите внимание, что полярность выходного сигнала совпадает с полярностью входного сигнала, как и в повторителе напряжения. Положительное входное напряжение приводит к положительному выходному напряжению и наоборот (относительно земли). По этой причине эта схема называется неинвертирующим усилителем.

Как и с повторителем напряжения, мы видим, что дифференциальный коэффициент усиления ОУ не имеет значения, если он очень велик. Напряжения и токи в этой схеме вряд ли изменились бы вообще, если бы коэффициент усиления ОУ составлял бы 250000 вместо 200000. Это резко контрастирует со схемами усилителей на отдельных транзисторах, где бета отдельных транзисторов сильно влияла на общий коэффициент усиления усилителя. С отрицательной обратной связью у нас есть система самокорректирования, которая усиливает напряжение в соответствии с соотношением, установленным резисторами обратной связи, а не коэффициентами усиления, внутренними для операционного усилителя.

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы сохраним отрицательную обратную связь через делитель напряжения, но подадим входное напряжение в другое место:

Схема усилителя с отрицательной обратной связью с делителем напряжения и подачей входного сигнала на инвертирующий вход

При соединении неинвертирующего входа с землей отрицательная обратная связь также удерживает напряжение на инвертирующем входе на нуле вольт.

По этой причине инвертирующий вход упоминается в этой схеме как виртуальная земля, которая удерживается обратной связью на потенциале земли (0 вольт), но напрямую не соединена (электрически) с землей. Входное напряжение на этот раз снова подается на левый конец делителя напряжения (снова R1 = R2 = 1 кОм), поэтому выходное напряжение должно раскачиваться до -6 вольт, чтобы уравновешивать среднюю точку с потенциалом земли (0 вольт). Используя те же методы, что и для неинвертирующего усилителя, мы можем проанализировать работу этой схемы, определив величины и направления токов, начиная с R1, и продолжая определением выходного напряжения.

Мы можем изменить общий коэффициент усиления по напряжению этой схемы, просто регулируя значения R1 и R2 (изменяя часть выходного напряжения, которая подается обратно на инвертирующий вход). Коэффициент усиления можно рассчитать по следующей формуле:

\[A_V = -{R_2 \over R_1}\]

Обратите внимание, что коэффициент усиления этой схемы может быть меньше 1, в зависимости от отношения R2 к R1. Также обратите внимание, что выходное напряжение всегда имеет полярность, противоположную полярности входного напряжения. Положительное входное напряжение приводит к отрицательному выходному напряжению и наоборот (относительно земли). По этой причине данная схема называется инвертирующим усилителем. Иногда эта формула коэффициента усиления содержит знак минуса (перед дробью R2/R1), чтобы отразить изменение полярности.

Эти две схемы усилителей, которые мы только что исследовали, служат для умножения или деления величины напряжения входного сигнала. Именно так математические операции умножения и деления обычно обрабатываются в аналоговой компьютерной схемотехнике.

Резюме

  • Подключая инвертирующий (-) вход операционного усилителя напрямую к выходу, мы получаем отрицательную обратную связь, которая дает нам схему повторителя напряжения. Подключая эту отрицательную обратную связь через резисторный делитель напряжения (подавая часть выходного напряжения на инвертирующий вход), выходное напряжение становится кратным входному напряжению.
  • Схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью и подачей входного сигнала на неинвертирущий (+) вход называется неинвертирующим усилителем. Выходное напряжение будет такой же полярности, как и входное. Коэффициент усиления по напряжению определяется следующей формулой: AV = (R2/R1) + 1.
  • Схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью и подачей входного сигнала на «нижнюю часть» резисторного делителя напряжения, с неинвертирующим (+) входом, соединенным с землей, называется инвертирующим усилителем. Его выходное напряжение будет противоположной полярности, чем входное напряжение. Коэффициент усиления по напряжению определяется следующей формулой: AV = -R2/R1.

Оригинал статьи:

Теги

Делитель напряженияИнвертирующий усилительНеинвертирующий усилительОбучениеОтрицательная обратная связьОУ (операционный усилитель)Повторитель напряженияЭлектроника

Сохранить или поделиться

1. Делители напряжения | 5. Схемы делителей и законы Кирхгофа | Часть1

1. Делители напряжения

Делители напряжения

 

Давайте проанализируем простую последовательную цепь и определим напряжения на каждом из ее резисторов:

 

 

Зная сопротивления каждого из резисторов, мы можем вычислить общее сопротивление цепи (которое для последовательной цепи будет равно сумме отдельных сопротивлений):

 

 

Теперь, используя закон Ома (I = U/R), определяем общую силу тока, которая будет одинакова на всех компонентах нашей последовательной цепи:

 

 

И наконец, зная общую силу тока (2 миллиампера), давайте рассчитаем напряжение на каждом из резисторов:

 

 

Из этой таблицы видно, что напряжения на резисторах пропорциональны их сопротивлениям (учитывая, что сила тока через все резисторы одинакова). Заметьте, напряжение на резисторе R2 в два раза больше напряжения на резисторе R1, так же как и сопротивление R2 в два раза больше сопротивления R1.

Если мы изменим общее напряжение цепи, то увидим, что эта пропорциональность сохранится:

 

 

Несмотря на увеличение напряжение источника питания, напряжение на резисторе R2 по прежнему в два раза больше напряжения на резисторе R1.

Произведя несколько подобных наблюдений становится очевидным, что напряжение на каждом из резисторов составляет фиксированную пропорцию от общего напряжения. Например, при напряжении батареи 45 вольт, напряжение на резисторе R1 составляло 10 вольт. Когда напряжение батареи было увеличено до 180 вольт (в 4 раза), напряжение на резисторе R1 так же увеличилось в 4 раза (с 10 до 40 вольт). Как видите, соотношение между напряжением на резисторе R1 и общим напряжением не изменилось:

 

 

Соотношения других напряжений с увеличением напряжения питания так же не изменятся:

 

 

Из за способности последовательной цепи пропорционально распределять общее напряжение по резистивным компонентам, ее часто называют делителем напряжения. Немного поколдовав с математикой, можно получить формулу для определения напряжения на любом резисторе, имея только значения сопротивлений отдельных резисторов, общего напряжения и общего сопротивления:

 

 

Полученная нами формула известна как формула делителя напряжения, с ее помощью легче рассчитывать напряжения последовательной цепи, чем производить аналогичные расчеты с использованием закона Ома.

Используя эту формулу можно повторно проанализировать приведенную выше схему, и определить ее напряжения произведя меньшее количество действий:

 

 

 

Делители напряжения нашли широкое применение в схемах измерительных приборов, где определенные комбинации соединенных последовательно резисторов используются для «деления» напряжения на нужные пропорции, необходимые для измерения разных величин того же напряжения.

 

 

Одним из устройств, часто используемых в качестве делителя напряжения, является потенциометр. Потенциометр представляет собой проводник с большим омическим сопротивлением (резистор), снабженный скользящим контактом:

 

 

Условное обозначение потенциометра представляет собой вертикальный символ резистора с примыкающей к нему стрелкой — скользящим контактом. Если скользящий контакт переместить ближе к контакту 1, то сопротивление между ними будет меньше, чем сопротивление между скользящим контактом и контактом 2. Если скользящий контакт переместить ближе к контакту 2, то эффект будет противоположным. Сопротивление между контактами 1 и 2 будет постоянным, независимо от положения скользящего контакта:

 

 

На рисунке ниже показана конструкция двух типов потенциометров, роторного и линейного:

 

 

 

Некоторые линейные потенциометры приводятся в действие посредством прямолинейного движения рычага или слайд-кнопки. Другие, как тот, который изображен на рисунке — посредством отвертки, для более точной настройки. Такие потенциометры называют еще «подстроечными». Следует отметить, что не у всех линейных потенциометров назначение выводов соответствует показанным на рисунке. У некоторых, вывод скользящего контакта находится посередине, между выводами конечных контактов.

На следующей фотографии изображен реальный ротационный потенциометр с открытыми для просмотра скользящим контактом и резистивным элементом. Рукоятка этого потенциометра повернута таким образом, что его скользящий контакт почти касается левого вывода резистивного элемента:

А здесь показан тот же самый потенциометр, но его скользящий контакт повернут против часовой стрелки в другую сторону:

Если постоянное напряжение приложить к контактам резистивного элемента потенциометра, то скользящий контакт выступит в роли своеобразного «крана», с помощью которого можно регулировать величину этого напряжения на выходе прибора:

 

 

По аналогии с фиксированным делителем напряжения, пропорциональность деленного потенциометром напряжения является исключительно функцией сопротивления, а не приложенного напряжения. Иными словами, если ручкой потенциометра установить его скользящий контакт строго посередине резистивного элемента, то на выходе мы получим ровно половину от приложенного напряжения, независимо от его величины. Можно сказать, что потенциометр функционирует как регулируемый делитель напряжения, в котором пропорциональность деленного напряжения устанавливается положением скользящего контакта.

Такая функция потенциометра очень полезна для получения регулируемого напряжения от фиксированного источника, например батареи. Если собранная вами схема требует напряжение, которое меньше напряжения имеющейся батареи, то вы можете подключить к этой батарее выводы резистивного элемента потенциометра, и  ручкой «выставить» нужное напряжение между скользящим контактом и одним из конечных контактов:

 

 

Такое применение потенциометра при проектировании электрических схем пользуется большой популярностью.

На следующей фотографии показаны небольшие потенциометры, которые обычно применяются в бытовых электроприборах и различных радиолюбительских схемах:

Самый левый и самый правый потенциометры могут устанавливаться непосредственно на макетную или печатную плату. Средние устройства предназначены для установки на плоскую панель, со схемой они соединяются при помощи проводов.

Ниже показаны специализированные потенциометры:

ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ • Большая российская энциклопедия

Схемы низковольтных делителей напряжения: а – резистивного; б – ёмкостного; в – индуктивного; u и U – напряжения; r и R – резисторы; C1 и C2 – конденсаторы; L1 и L2…

ДЕЛИ́ТЕЛЬ НАПРЯЖЕ́НИЯ, элек­тро­тех­нич. уст­рой­ст­во, по­зво­ляю­щее сни­мать (ис­поль­зо­вать) толь­ко часть имею­ще­го­ся по­сто­ян­но­го или пе­ре­мен­но­го на­пря­же­ния по­сред­ст­вом эле­мен­тов элек­трич. це­пи, со­стоя­щей из ре­зи­сто­ров, кон­ден­са­то­ров или ка­ту­шек ин­дук­тив­но­сти. Обыч­но при­ме­ня­ет­ся для из­ме­ре­ния на­пря­же­ния. Осн. ха­рак­те­ри­сти­ка Д. н. – ко­эф. де­ле­ния, оп­ре­де­ляе­мый от­но­ше­ни­ем вход­но­го (из­ме­ряе­мо­го) на­пря­же­ния к вы­ход­но­му (сни­мае­мо­му). Про­стей­ший Д. н. пред­став­ля­ет со­бой два по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нён­ных ре­зи­сто­ра (два пле­ча де­ли­те­ля), на ко­то­рые по­да­ёт­ся вход­ное на­пря­же­ние $U$ (рис., а). Ко­эф. де­ле­ния при от­сут­ст­вии на­груз­ки оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой $$K=U/u=R/(R+r),$$ где $R$ и $r$ – со­про­тив­ле­ния ре­зи­сто­ров, $u$ – сни­мае­мое нап­ря­же­ние. От­кло­не­ния $R$ и $r$ (а сле­до­ва­тель­но, и $K$) от но­ми­наль­ных зна­че­ний обу­слов­ли­ва­ют по­греш­ность де­ли­те­ля. В Д. н. вы­со­кой точ­но­сти при­ме­ня­ют ре­зи­сто­ры с ма­лым тем­пе­ра­тур­ным ко­эф. со­про­тив­ле­ния и вы­со­кой вре­мен­нóй ста­биль­но­стью (напр., из ман­га­ни­но­вой про­во­ло­ки). В це­пях пе­ре­мен­но­го то­ка по­ми­мо ре­зи­стив­ных Д.  н. ис­поль­зу­ют­ся так­же ём­ко­ст­ные с кон­ден­са­то­ра­ми по­сто­ян­ной или пе­ре­мен­ной ём­ко­сти (рис., б) и ин­дук­тив­ные (рис., в).

Д. н. мо­гут быть од­но­пре­дель­ны­ми (с од­ним но­ми­наль­ным $K$) и мно­го­пре­дель­ны­ми; с по­сто­ян­ным и ре­гу­ли­руе­мым (плав­но, дис­крет­но или ком­би­нир. спо­со­бом) от­но­ше­ни­ем плеч. Д. н. вхо­дят в со­став мн. средств из­ме­ре­ния в ка­че­ст­ве зве­на из­ме­рит. це­пи. Напр., ре­зи­стив­ные де­ли­те­ли с но­ми­наль­ны­ми зна­че­ния­ми $K$, рав­ны­ми 10, 100 и 1000, при­ме­ня­ют­ся во вход­ных це­пях мно­го­пре­дель­ных ана­ло­го­вых и циф­ро­вых вольт­мет­ров. Ём­ко­ст­ные Д. н., со­стоя­щие из не­сколь­ких по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нён­ных кон­ден­са­то­ров вы­со­кой точ­но­сти, слу­жат для от­бо­ра мощ­но­стей от ЛЭП вы­со­ко­го на­пря­же­ния (до 500 кВ). При­ме­ром Д. н. на ин­дук­тив­ных со­про­тив­ле­ни­ях яв­ля­ет­ся ав­то­транс­фор­ма­тор.

Делитель напряжения — HomoFaciens



Новости Проект Технологии РобоСпатиум Способствовать Предметный указатель Скачать Ответы Игры Советы по покупкам Связаться с нами


<<< RC-схема операционного усилителя >>>