Разделитель напряжения

В электронике делитель напряжения (также известный как потенциальный разделитель ) является пассивной линейной схемой , которая дает выходное напряжение ( V _Out ), которая представляет собой долю его входного напряжения ( V _в ). Разделение напряжения является результатом распределения входного напряжения между компонентами разделителя. Простым примером разделителя напряжения является два резистора, подключенные последовательно , с входным напряжением, приложенным к паре резисторов, и выходное напряжение, возникающее из соединения между ними.

Разделители напряжения резистора обычно используются для создания эталонных напряжений или для уменьшения величины напряжения, чтобы его можно было измерить, а также может использоваться в качестве аттенуаторов сигнала на низких частотах. Для постоянного тока и относительно низких частот делитель напряжения может быть достаточно точным, если он сделан только из резисторов; В тех случаях, когда требуется частотная характеристика на широкий диапазон (например, в датчике осциллографа ), делитель напряжения может иметь емкостные элементы, добавленные для компенсации емкости нагрузки. При передаче электрической мощности используется емкостный делитель напряжения для измерения высокого напряжения.

Общий случай

Рисунок 1: простой разделитель напряжения

Разделятель напряжения, на который ссылаются на землю, создается путем подключения двух электрических импедансов последовательно, как показано на рисунке 1. Входное напряжение применяется через серии импедансов Z ₁ и Z ₂ , а выход - напряжение на z ₂ . Z ₁ и Z ₂ могут состоять из любой комбинации таких элементов, как резисторы , индукторы и конденсаторы .

Если ток в выходном проводе равен нулю, то взаимосвязь между входным напряжением, V _in и выходным напряжением, V _Out , является:

$V_{\mathrm {out} }={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

Доказательство (использование закона Ома ):

$V_{\mathrm {in} }=I\cdot (Z_{1}+Z_{2})$

$V_{\mathrm {out} }=I\cdot Z_{2}$

$I={\frac {V_{\mathrm {in} }}{Z_{1}+Z_{2}}}$

$V_{\mathrm {out} }=V_{\mathrm {in} }\cdot {\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}$

Переносная функция делителя (также известная как коэффициент напряжения ) этой схемы:

$H={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}$

В целом эта передача является сложной , рациональной частоты функцией .

Примеры

Резистивный разделитель

Рисунок 2: Простой резистивный разделитель напряжения

Резистивный разделитель - это тот случай, когда оба импеданса, Z ₁ и Z ₂ , являются чисто резистивными (рис. 2).

Замена z ₁ = r ₁ и z ₂ = r ₂ в предыдущее выражение дает:

$V_{\mathrm {out} }={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

Если r ₁ = r _2, тогда

$V_{\mathrm {out} }={\frac {1}{2}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

Если v _Out = 6 В и V _в = 9 В (оба обычно используются напряжения), то:

${\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}={\frac {6}{9}}={\frac {2}{3}}$

и, решив, используя алгебру , R ₂ должен быть вдвое больше значения R ₁ .

Решить для R ₁ :

$R_{1}={\frac {R_{2}\cdot V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-R_{2}=R_{2}\cdot \left({{\frac {V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-1}\right)$

Решить для R ₂ :

$R_{2}=R_{1}\cdot {\frac {1}{\left({{\frac {V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-1}\right)}}$

Любое соотношение v _Out / v _более 1 невозможно. невозможно либо инвертировать напряжение, либо увеличить V _выше То есть, используя только резисторы , V _в .

Фильтр RC низкого уровня

Рисунок 3: Разделение напряжения резистора/конденсатора

Рассмотрим разделитель, состоящий из резистора и конденсатора, как показано на рисунке 3.

По сравнению с общим случаем, мы видим, что z ₁ = r и z ₂ является импедансом конденсатора, данным

$Z_{2}=-\mathrm {j} X_{\mathrm {C} }={\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}\ ,$

В тех случаях, когда x _c является реактивным сопротивлением конденсатора, C - емкость конденсатора, J - воображаемая единица , а ω (омега) - это частота радианов входного напряжения.

Этот разделитель будет иметь коэффициент напряжения:

${\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {Z_{\mathrm {2} }}{Z_{\mathrm {1} }+Z_{\mathrm {2} }}}={\frac {\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}{{\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}+R}}={\frac {1}{1+\mathrm {j} \omega RC}}\ .$

Продукт τ (тау) = rc называется постоянной времени схемы.

Соотношение тогда зависит от частоты, в данном случае уменьшается при увеличении частоты. Эта схема, на самом деле, является основным (первым) фильтром низкого уровня . Соотношение содержит воображаемое число и фактически содержит как амплитуду, так и информацию о сдвиге фазы фильтра. Чтобы извлечь только коэффициент амплитуды, рассчитайте величину соотношения, то есть:

$\left|{\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}\right|={\frac {1}{\sqrt {1+(\omega RC)^{2}}}}\ .$

Индуктивный разделитель

Индуктивные перегородки разделяют вклад переменного тока в соответствии с индуктивностью:

$V_{\mathrm {out} }={\frac {L_{2}}{L_{1}+L_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

(с компонентами в тех же положениях, что и на рисунке 2.)

Вышеуказанное уравнение предназначено для неинтерзащитных индукторов; Взаимная индуктивность (как в автотрансформере ) изменит результаты.

Индуктивные перегородки разделяют ввод переменного тока в соответствии с реактивным сопротивлением элементов, как для резистивного разделителя выше.

Емкостный делитель

Емкостные перегородки не проходят вход DC.

Для ввода переменного тока простое емкостное уравнение:

$V_{\mathrm {out} }={\frac {Xc_{2}}{Xc_{1}+Xc_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }={\frac {1/C_{2}}{1/C_{1}+1/C_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }={\frac {C_{1}}{C_{1}+C_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

(с компонентами в тех же положениях, что и на рисунке 2.)

Любой ток утечки в капитанных элементах требует использования обобщенного выражения с двумя импедансами. При выборе параллельных элементов R и C в соответствующих пропорциях, то же соотношение деления можно сохранить на полезном диапазоне частот. Это принцип, применяемый в компенсированных датчиках осциллографа для увеличения полосы пропускания измерения.

Эффект загрузки

Выходное напряжение разделителя напряжения будет варьироваться в зависимости от электрического тока, которое он подает на свою внешнюю электрическую нагрузку . Эффективный импеданс источника, исходящий от разделителя Z ₁ и Z ₂ , как указано выше, будет Z ₁ параллельно ( с Z ₂ (иногда написано Z ₁ // z ₂ ), то есть: ( z ₁ z ₂ ) / z ₁ + z ₂ ) = Hz ₁ .

Чтобы получить достаточно стабильное выходное напряжение, выходной ток должен быть либо стабильным (и, следовательно, быть сделанным частью расчета значений потенциальных разделителей), либо ограничить соответствующим образом небольшой процент входного тока делителя. Чувствительность нагрузки может быть снижена за счет снижения импеданса обеих половинок делителя, хотя это увеличивает покоящий входной ток делителя и приводит к более высокому энергопотреблению (и впустую тепло) в разделителе. Регуляторы напряжения часто используются вместо пассивных разделителей напряжения, когда необходимо размещать высокие или колеблющиеся токи нагрузки.

Приложения

Разделители напряжения используются для настройки уровня сигнала, для смещения активных устройств в усилителях и для измерения напряжений. Мост Wheatstone и мультиметр включают разделители напряжения. Потенциометр . используется в качестве различного разделителя напряжения в регуляторе громкости многих радиоприемников

Измерение датчика

Разделители напряжения могут использоваться, чтобы позволить микроконтроллеру измерить сопротивление датчика. Датчик подключен последовательно с известным сопротивлением с образованием разделителя напряжения, и на разделитель применяется известное напряжение. Аналого-цифровый преобразователь микроконтроллера подключен к центральному крану разделителя, чтобы он мог измерить напряжение нажатия и, используя измеренное напряжение и известное сопротивление и напряжение, вычислить сопротивление датчика. Этот метод обычно используется для измерения сопротивления датчиков температуры, таких как термисторы и RTD .

Другой пример, который обычно используется, включает в себя потенциометр (переменный резистор) в качестве одного из резистивных элементов. Когда вал потенциометра вращается, сопротивление, которое он производит, увеличивается или уменьшается, изменение сопротивления соответствует угловому изменению вала. Если в сочетании со стабильным эталоном напряжения выходное напряжение можно подавать в аналого-цифровый преобразователь, а дисплей может показать угол. Такие схемы обычно используются в ручках управления чтением.

Измерение высокого напряжения

Датчик резистора высокого напряжения (HV). HV, который должен быть измерен ( v _in ), применяется к кончику зонда Corona Ball , а заземление подключено к другому концу разделителя через черный кабель. Выход разделителя ( V _Out ) появляется на разъеме, прилегающем к кабелю.

Разделение напряжения можно использовать для масштабирования очень высокого напряжения , чтобы его можно было измерить с помощью Volt Meter . Высокое напряжение применяется через разделитель, а выход разделителя, который выводит более низкое напряжение, которое находится в пределах входного диапазона счетчика, измеряется счетчиком. Основные зонды с резисторами высокого напряжения, разработанные специально для этой цели, могут использоваться для измерения напряжений до 100 кВ. Специальные высоковольтные резисторы используются в таких зондах, так как они должны быть в состоянии переносить высокие входные напряжения и, чтобы получить точные результаты, должны иметь соответствующие температурные коэффициенты и очень низкие коэффициенты напряжения. Емкостные разделительные зонды обычно используются для напряжений выше 100 кВ, так как тепло, вызванное потери мощности в зондов разделителей резисторов при таких высоких напряжениях, может быть чрезмерным.

Логическое изменение уровня

Разделение напряжения может использоваться в качестве сдвига с грубым логическим уровнем для взаимодействия двух цепей, которые используют разные рабочие напряжения. Например, некоторые логические схемы работают при 5 В, тогда как другие работают при 3,3 В. Непосредственное соединение выхода 5 В логического выхода на 3,3 В вход может привести к постоянному повреждению цепи 3,3 В. В этом случае можно использовать делитель напряжения с выходным соотношением 3,3/5 для уменьшения сигнала 5 В до 3,3 В, чтобы схемы взаимодействовали, не повреждая цепь 3,3 В. Чтобы это было осуществимым, импеданс 5 В и 3,3 В входного импеданса должен быть незначительным, или они должны быть постоянными, а значения резистора разделителя должны учитывать их импедальности. Если входной импеданс является емкостным, чисто резистивный разделитель ограничит скорость передачи данных. Это может быть грубо преодолеть, добавив конденсатор последовательно с верхним резистором, чтобы сделать обе ноги емкости разделителя, а также резистивный.

Смотрите также

• Текущий делитель
• Конвертер постоянного тока
• Усилитель напряжения

Внешние ссылки

• Калькулятор разделителя напряжения