Делители напряжения - простые и удобные устройства для получения необходимого уровня напряжения из имеющегося. Давайте разберемся, как устроен делитель напряжения, как он работает и как правильно его рассчитать для решения ваших задач.
1. Принцип работы делителя напряжения
Делитель напряжения на резисторах представляет собой электрическую цепь, состоящую из двух и более резисторов, соединенных последовательно. При подаче напряжения питания на такую цепь, часть этого напряжения падает на одном резисторе, а оставшаяся часть - на другом резисторе.
Делитель напряжения – самый бюджетный вариант создания преобразователя. Его нетрудно сделать самостоятельно, однако нужно обязательно соблюсти требуемые значения сопротивлений.
Рассмотрим схему простейшего делителя напряжения на двух резисторах R1 и R2:
Здесь U - напряжение источника питания, UR1 - падение напряжения на резисторе R1, UR2 - падение напряжения на резисторе R2.
Поскольку резисторы соединены последовательно, через них протекает один и тот же ток. В соответствии с законом Ома, падения напряжений на резисторах прямо пропорциональны их сопротивлениям:
- UR1 = I · R1
- UR2 = I · R2
Найдем ток в цепи по формуле:
I = U / (R1 + R2)
Тогда падения напряжений на резисторах составят:
UR1 = U · R1 / (R1 + R2)
UR2 = U · R2 / (R1 + R2)
Это и есть основные формулы для расчета простейшего делителя напряжения на резисторах.
Для примера возьмем резисторы с сопротивлениями R1 = 10 кОм и R2 = 40 кОм и подадим на них напряжение U = 10 В. Рассчитаем ток в цепи:
I = 10 В / (10 кОм + 40 кОм) = 0,0002 А = 0,2 мА
Падения напряжений на резисторах:
UR1 = 10 В · 10 кОм / (10 кОм + 40 кОм) = 2 В UR2 = 10 В · 40 кОм / (10 кОм + 40 кОм) = 8 В
Как видим, сумма UR1 и UR2 равна напряжению источника питания U, что подтверждает правильность расчетов.
2. Особенности расчета реального делителя напряжения
При расчете реального делителя напряжения на практике необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на его работу.
- Температурный коэффициент резисторов
- Допуски на номиналы резисторов
- Диапазон входных напряжений
Важно выбрать резисторы с минимальным температурным коэффициентом и низкими допусками, чтобы минимизировать погрешности делителя напряжения.
Также необходимо рассчитать максимальную мощность, рассеиваемую резисторами, исходя из максимального входного напряжения. Иначе резисторы могут перегреться.
При подключении нагрузки также изменяется коэффициент деления напряжения, что необходимо учитывать.
В целом, чем выше требования к точности делителя напряжения, тем более тщательно необходимо подходить к выбору элементов и расчету параметров схемы.
Для повышения точности делителя напряжения можно использовать резисторные сборки с согласованной термостабильностью входящих в них резисторов. Это позволяет значительно снизить температурный дрейф коэффициента деления по сравнению с отдельными резисторами.
3. Резисторные сборки для делителей напряжения
Существуют готовые резисторные сборки, предназначенные специально для использования в делителях напряжения. Они содержат два или более резистора с высокой точностью и стабильностью параметров, термически связанных между собой.
Примером может служить сборка из резисторов Vishay с номиналами 10 кОм и 40 кОм. Благодаря согласованным ТКС резисторов, температурный коэффициент делителя на их основе в 10 раз ниже, чем у отдельных резисторов.
4. Делитель напряжения на 3 резисторах
Делитель напряжения может содержать более двух резисторов, например, 3 резистора. Это позволяет получить дополнительную регулировку коэффициента деления за счет изменения сопротивления одного из резисторов.
Здесь резистор R3 является переменным, что дает возможность плавно менять выходное напряжение Увых в нужных пределах.
5. Расчет делителя напряжения на 3 резисторах
Расчет делителя напряжения на 3 резисторах производится аналогично делителю на 2 резисторах с учетом дополнительного резистора R3:
- RΣ = R1 + R2 + R3
- I = U / RΣ
- Увых = I * R3
Для заданного входного напряжения U, изменяя R3, можно регулировать выходное напряжение Увых.
Например, пусть U = 10 В, R1 = 5 кОм, R2 = 2 кОм, R3 = 1-5 кОм. Рассчитаем выходное напряжение Увых при R3 = 3 кОм:
- RΣ = 5 кОм + 2 кОм + 3 кОм = 10 кОм
- I = 10 В / 10 кОм = 1 мА
- Увых = 1 мА * 3 кОм = 3 В
6. Применение делителей напряжения
Делители напряжения применяются в различных областях электроники и радиотехники:
- Измерительные цепи
- Источники опорного напряжения
- Стабилизаторы напряжения
Они позволяют преобразовывать уровень напряжения для согласования различных узлов и блоков электронной аппаратуры.
7. Делители напряжения в измерительных цепях
Одно из основных применений делителей напряжения - это включение их в измерительные цепи для согласования уровней сигналов.
Например, для измерения высокого напряжения до 1000 В с помощью вольтметра на 10 В можно использовать резистивный делитель напряжения с коэффициентом деления 1:100.
Здесь делитель выполняет функцию преобразователя уровня входного напряжения для согласования с диапазоном измерений прибора.
8. Делители напряжения в источниках опорного напряжения
Делители напряжения часто используются в качестве простых и надежных источников опорного напряжения в измерительных схемах и устройствах стабилизации.
Например, на базе микросхемы К140УД12 (стабилитрон 12 В) и резистивного делителя можно реализовать опорный источник 5 В или 3,3 В.
9. Делители напряжения в стабилизаторах
Резистивные делители напряжения широко применяются в линейных стабилизаторах напряжения для обратной связи и задания коэффициента стабилизации.
Они формируют на входе стабилизатора опорное напряжение, пропорциональное выходному. Это позволяет эффективно стабилизировать выходное напряжение.
10. Расчет делителей напряжения для стабилизаторов
При расчете делителей напряжения для стабилизаторов особое внимание уделяется точности и стабильности коэффициента деления.
Как правило, используются высокостабильные резисторы с низким ТКС, а также резисторные сборки. Это позволяет минимизировать температурные уходы стабилизированного напряжения.
