Резистивные делители напряжения - незаменимые элементы в схемах измерительной техники и автоматики. Они позволяют преобразовывать большие значения напряжения в малые для корректной работы измерительных приборов. Как правильно выбрать и рассчитать резистивный делитель напряжения для конкретной задачи? Об этом в нашей статье.
Назначение и принцип работы резистивного делителя напряжения
Резистивный делитель напряжения представляет собой электрическую цепь, состоящую из двух и более резисторов. Основное назначение делителя - уменьшение входного напряжения в заданное число раз. Делители широко используются в измерительных приборах и устройствах автоматики для согласования уровней сигналов.
Принцип работы резистивного делителя основан на законе Ома для полной цепи. При подаче напряжения на вход делителя, ток распределяется между резисторами пропорционально их сопротивлениям. Это приводит к появлению разности потенциалов на резисторах, т.е. к делению входного напряжения.
Простейший резистивный делитель состоит из двух резисторов R1 и R2, соединенных последовательно (Рис. 1). Напряжение U1 подается на вход делителя, напряжение U2 снимается с резистора R2.
Рис. 1. Схема простейшего резистивного делителя напряжения
Коэффициент деления K определяется отношением напряжения на нагрузке U2 к входному напряжению U1:
K = U2 / U1 = R2 / (R1 + R2) (1)
Из формулы видно, что коэффициент деления зависит только от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R2. Чем больше сопротивление R2 по сравнению с R1, тем меньше будет коэффициент K.
Влияние нагрузки на точность делителя
Подключение нагрузки к выходу делителя влияет на точность коэффициента деления. Чем меньше входное сопротивление нагрузки по сравнению с R1 и R2, тем больше будет отклонение K от расчетного значения.
Для уменьшения влияния нагрузки Rнагр должно быть много больше R1 и R2, желательно в 10-100 раз. Тогда отклонение коэффициента деления будет незначительным.
Работа резистивного делителя на разных типах напряжений
Резистивные делители могут использоваться как с постоянным, так и с переменным напряжением. В первом случае в качестве элементов применяют резисторы постоянного сопротивления, во втором - резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы.
При работе на переменном напряжении необходимо учитывать реактивное сопротивление элементов. Для расчета используются те же формулы, но вместо R подставляют полные комплексные сопротивления элементов Z.
Достоинства и недостатки
К достоинствам резистивных делителей можно отнести:
- Простота и надежность конструкции
- Низкая стоимость
- Широкий диапазон рабочих частот
- Линейность преобразования сигнала
Недостатки резистивных делителей:
- Потребление мощности, выделение тепла
- Зависимость параметров от температуры
- Ограничения по точности
Несмотря на недостатки, резистивные делители до сих пор широко используются благодаря своей универсальности и простоте реализации.
Типы резистивных делителей напряжения
Существует несколько разновидностей резистивных делителей, отличающихся компонентами, входящими в схему, диапазоном рабочих частот и областями применения.
Делители постоянного напряжения
Делители постоянного напряжения работают в диапазоне частот от 0 Гц до единиц-десятков кГц. В их состав входят резисторы постоянного сопротивления. Такие делители применяются в низкочастотных измерительных схемах, источниках опорного напряжения, схемах согласования уровней сигналов.
Делители переменного напряжения
Для работы на частотах выше 10-20 кГц используют реактивные делители на основе конденсаторов, катушек индуктивности или их комбинаций. Такие делители могут применяться для согласования выходов генераторов, в усилителях высоких частот.
Широкополосные делители
Делители, работающие в широком диапазоне частот от единиц Гц до сотен МГц, выполняют на основе резисторов специальных типов, обладающих малой реактивной составляющей импеданса. Применяются в высокочастотных трактах радиоаппаратуры.
Измерительные делители
Делители с высокой точностью коэффициента деления используются в измерительной технике для расширения диапазонов измерения приборов. В их состав входят высокостабильные, термокомпенсированные резисторы.
Высоковольтные делители
Для деления высоких напряжений в сотни и тысячи вольт применяют специальные конструкции делителей, рассчитанные на работу при больших мощностях рассеяния. Используются в высоковольтном оборудовании.
Мостовые делители
Схема мостового делителя позволяет получить симметричные относительно земли выходные напряжения. Применяются в схемах операционных усилителей и других симметричных устройствах.
Таким образом, существует множество разновидностей резистивных делителей для решения различных задач. Правильный выбор типа делителя позволяет оптимизировать характеристики схемы.
Погрешности резистивного делителя и способы повышения точности
На точность коэффициента деления резистивного делителя влияет ряд факторов, вызывающих погрешности. Рассмотрим основные источники погрешностей и способы их минимизации.
Влияние температуры и старения
Сопротивление резисторов зависит от температуры. При ее изменении меняется и коэффициент деления. Кроме того, со временем сопротивление резисторов несколько уменьшается. Это приводит к дрейфу характеристик делителя.
Для компенсации температурной погрешности используют резисторы с минимальным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Также применяют термокомпенсированные резисторные сборки.
Влияние старения уменьшают путем тщательного отбора стабильных резисторов и периодической калибровки делителя.
Погрешности от разброса номиналов резисторов
Для высокоточных делителей используют резисторы с минимальным допуском, отобранные методами поэлементной подгонки. Это позволяет свести к минимуму погрешности из-за разброса номиналов.
Применение дополнительных узлов
Для повышения стабильности коэффициента деления используют дополнительные усилительные каскады, фильтры, термостатирование и другие меры.
Калибровка
Путем подстройки номиналов резисторов или введения дополнительных регулировочных элементов добиваются минимизации погрешностей делителя в рабочих условиях.
Таким образом, существует ряд методов борьбы с погрешностями резистивных делителей напряжения. Их применение позволяет достичь высокой точности деления.
Практический расчет резистивного делителя напряжения
Для корректной работы резистивного делителя напряжения необходим правильный выбор номиналов резисторов. Рассмотрим последовательность расчета на конкретном примере.
Исходные данные
- Входное напряжение U1 = 10 В
- Требуемый коэффициент деления K = 0.1
- Допустимая погрешность ±1%
Расчет сопротивлений резисторов
Используя формулу (1), находим отношение сопротивлений резисторов:
R2 / R1 = K = 0.1
Задаемся номиналом резистора кОм. Тогда сопротивление R2 составит: R2 = R1 * K = 10 кОм * 0.1 = 1 кОм Для резисторов с 5% допуском выбираем ближайшие стандартные номиналы: R1 = 10 кОм R2 = 1 кОм
Проверка рассеиваемой мощности
Рассеиваемая мощность на резисторах составит: P1 = U1^2 / R1 = 100 мВт P2 = U2^2 / R2 = 1 мВт Выбранные резисторы по мощности удовлетворяют требованиям.
Расчет погрешностей
Отклонение сопротивления резисторов из-за допуска составляет ±5%. Тогда пределы изменения коэффициента деления: K(min) = 0.095 K(max) = 0.105 Погрешность коэффициента деления не превышает заданных ±1%.
Выбор резисторов
Для уменьшения погрешностей выбираем резисторы с минимальным ТКС, низким уровнем шумов, стабильные во времени. Для R1 подходит резистор типа С2-29В, для R2 - МЛТ-0,125.
Таким образом, правильный расчет параметров резистивного делителя обеспечивает выполнение требований к точности в заданных условиях эксплуатации.
