Дільник напруги: пристрій, принцип роботи, призначення

Часто при проектуванні електронної схеми виникає необхідність отримати точку з певним рівнем сигналу. Наприклад, створити опорну точку або зміщення напруги, живити малопотужний споживач, знизивши його рівень і обмежити струм. Саме в таких випадках потрібно використовувати дільник напруги. Що це таке і як його розрахувати ми розповімо в цій статті.

визначення

Дільником напруги називається прилад або пристрій, який знижує рівень вихідної напруги щодо вхідного, пропорційно коефіцієнту передачі (він буде завжди нижче нуля). Таку назву він отримав, тому що являє собою два і більш послідовно з’єднаних ділянки ланцюга.

Вони бувають лінійними і нелінійними. При цьому перші являють собою активну або реактивне опір, в яких коефіцієнт передачі визначається співвідношенням із закону Ома. До яскраво вираженим нелінійним делителям відносять параметричні стабілізатори напруги. Давайте розберемося як влаштований цей прилад і навіщо він потрібен.

Види і принцип дії

Відразу варто відзначити, що принцип роботи подільника напруги в загальному однаковий, але залежить від елементів, з яких він складається. Розрізняють три основних види лінійних схем:

  • резистивні;
  • ємнісні;
  • індуктивні.

Найбільш поширений дільник на резисторах, через свою простоту і легкість розрахунків. На його прикладі і розглянемо основні відомості про цей пристрій.

У будь-якого дільника напруги є Uвходное і Uвиходное, якщо він складається з двох резисторів, якщо резисторів три, то вихідних напруг буде два, і так далі. Можна зробити будь-яку кількість ступенів поділу.

Uвходное дорівнює напрузі харчування, Uвиходное залежить від співвідношення резисторів в плечах подільника. Якщо розглядати схему на двох резисторах, то верхнім, або як його ще називають, гасить плечем буде R1. Нижнім або вихідним плечем буде R2.

Припустимо у нас Uпітанія 10В, опір R1 – 85 Ом, а опір R2 – 15 Ом. Потрібно розрахувати Uвиходное.

тоді:

U = I * R

Так як вони з’єднані послідовно, то:

U1 = I * R1

U2 = I * R2

Тоді якщо скласти вирази:

U1 + U2 = I (R1 + R2)

Якщо виразити звідси ток, вийде:

Підставивши попередній вираз, маємо наступну формулу:

Порахуємо для нашого прикладу:

Дільник напруги може бути виконаний і на реактивних опорах:

Тоді розрахунки будуть аналогічні, але опору розраховують за нижченаведеними формулами.

Для конденсаторів:

Для індуктивності:

Особливістю і відмінністю цих видів дільників є те, що резистивний дільник може використовуватися в ланцюгах змінного і в ланцюгах постійного струму, а ємнісний і індуктивний тільки в ланцюгах змінного струму, тому що тільки тоді буде працювати їх реактивний опір.

Цікаво! В деяких випадках ємнісний дільник буде працювати в ланцюгах постійного струму, хорошим прикладом є використання такого рішення у вхідному ланцюзі комп’ютерних блоків живлення.

Використання реактивного опору обумовлено тим, що при їх роботі не виділяється такої кількості тепла, як при використанні в конструкціях активних опорів (резисторів)

Приклади використання в схемі

Є маса схем, де використовуються подільники напруги. Тому ми наведемо відразу кілька прикладів.

Припустимо ми проектуємо підсилювальний каскад, на транзисторі, який працює в класі А. Виходячи з його принципу дії, нам потрібно задати на базі транзистора таку напругу зміщення (U1), щоб його робоча точка була на лінійному відрізку ВАХ, при цьому щоб струм через транзистор ні надмірним. Припустимо нам потрібно забезпечити струм бази в 0,1 мА при U1 в 0,6 Вольта.

Тоді нам потрібно розрахувати опору в плечах подільника, а це зворотний розрахунок щодо того, що ми навели вище. В першу чергу знаходять струм через дільник. Щоб струм навантаження не сильно впливав на напруги на його плечах, задамо струм через дільник на порядок вище струму навантаження в нашому випадку 1 мА. Uпітанія нехай буде 12 Вольт.

Тоді загальний опір подільника дорівнює:

Rд = Uпітанія / I = 12 / 0.001 = 12000 Ом

R2 / R = U2 / U

або:

R2 / (R1 + R2) = U2 / Uпітанія

10/20 = 3/6

20 * 3/6 = 60/6/10

R2 = (R1 + R2) * U1 / Uпітанія = 12000 * 0.6 / 12 = 600

R1 = 12000-600 = 11400

Перевіримо розрахунки:

U2 = U * R2 / (R1 + R2) = 12 * 600/12000 = 7200/12000 = 0,6 Вольт.

Відповідне верхнє плече погасить

U2 = U * R2 / (R1 + R2) = 12 * 11400/12000 = 136800/12000 = 11,4 Вольт.

Але це ще не весь розрахунок. Для повного розрахунку дільника потрібно визначити і потужність резисторів, щоб вони не згоріли. При струмі 1 мА на R1 виділиться потужність:

P1 = 11,4 * 0,001 = 0,0114 Ватт

А на R2:

P2 = 0,6 * 0,001 = 0,000006 Ватт

Тут вона мізерно мала, але уявіть якої потужності потрібні були б резистори, якби струм дільника становив 100 мА або 1 А?

Для першого випадку:

P1 = 11,4 * 0,1 = 1,14 Ватт

P2 = 0,6 * 0,1 = 0,06 Ватт

Для другого випадку:

P1 = 11,4 * 1 = 11,4 Ватт

P2 = 0,6 * 1 = 0,6 Ватт

Що вже чималі для електроніки цифри, в тому числі і для використання в підсилювачах. Це не ефективно, тому в даний час використовують імпульсні схеми, хоча і лінійні продовжують використовуватися або в аматорських конструкціях, або в специфічному обладнанні з особливими вимогами.

Другий приклад – це дільник для формування Uопорного для регульованого стабилитрона TL431. Вони застосовуються в більшості недорогих блоків живлення і зарядних пристроїв для мобільних телефонів. Схема підключення та розрахункові формули ви бачите нижче. За допомогою двох резисторів тут створюється точка з Uопорним в 2.5 вольта.

Ще один приклад – це підключення всіляких датчиків до мікроконтролерів. Розглянемо кілька схем підключення датчиків до аналоговому входу популярного мікроконтролера AVR, на прикладі сімейства плат Arduino.

У вимірювальних приладах є різні межі вимірювання. Така функція реалізується також за допомогою групи резисторів.

Але на цьому область застосування подільників напруги не закінчується. Саме таким чином гасяться зайві вольти при обмеженні струму через світлодіод, також розподіляється напруга на лампочках в гірлянді, і також ви можете живити малопотужну навантаження.

нелінійні подільники

Ми згадали, що до нелінійним делителям відноситься параметричний стабілізатор. У найпростішому вигляді він складається з резистора і стабілітрона. У стабилитрона умовне позначення на схемі схоже на звичайний напівпровідниковий діод. Різниця лише в наявності додаткової риси на катоді.

Розрахунок відбувається, відштовхуючись від Uстабілізаціі стабилитрона. Тоді якщо у нас є стабілітрон на 3.3 вольта, а Uпітанія дорівнює 10 вольт, то струм стабілізації беруть з даташіта на стабілітрон. Наприклад, нехай він буде дорівнює 20 мА (0.02 А), а струм навантаження 10 мА (0.01 А).

тоді:

R = 12-3,3 / 0,02 + 0,01 = 8,7 / 0,03 = 290 Ом

Розберемося як працює такий стабілізатор. Стабілітрон включається в ланцюг в зворотному включенні, тобто якщо Uвиходное нижче Uстабілізаціі – струм через нього не протікає. Коли Uпітанія підвищується до Uстабілізаціі, відбувається лавинний або тунельний пробій PN-переходу і через нього починає протікати струм, який називається струмом стабілізації. Він обмежений резистором R1, на якому гаситься різниця між Uвходним і Uстабілізаціі. При перевищенні максимального струму стабілізації відбувається тепловий пробій і стабілітрон згорає.

До речі іноді можна реалізувати стабілізатор на діодах. Напруга стабілізації тоді дорівнюватиме прямому падіння діодів або сумі падінь ланцюга діодів. Струм задаєте підходить під номінал діодів і під потреби вашої схеми. Проте таке рішення використовується вкрай рідко. Але такий пристрій на діодах краще назвати обмежувачем, а не стабілізатором. І варіант такої ж схеми для ланцюгів змінного струму. Так ви обмежите амплітуду змінного сигналу на рівні прямого падіння – 0,7 В.

Ось ми і розібралися що це таке дільник напруги і для чого він потрібен. Прикладів, де застосовується будь-який з варіантів розглянутих схем можна навести ще більше, навіть потенціометр по суті є дільником з плавним регулюванням коефіцієнта передачі, і часто використовується в парі з постійним резистором. У будь-якому випадку принцип дії, підбору і розрахунків елементів залишається незмінним.

Наостанок рекомендуємо подивитися відео, на якому більш детально розглядається, як працює даний елемент і з чого складається:

Ссылка на основную публикацию