Переменный резистор как делитель напряжения
Перейти к содержимому

Переменный резистор как делитель напряжения

  • автор:

Делитель напряжения: схема и расчёт

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:

$ R_t = R_1 + R_2 = 900 \unit<Ом></p>
<p>$» /></p>
<p>Таким образом, сила тока протекающая через резисторы</p><div class='code-block code-block-1' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 1aivorobiev -->
<script src=

$ I = \frac<U></p>
<p> = \frac<9\unit<В>><900\unit<Ом>> = 0.01\unit = 10\unit$» /></p>
<p>Теперь, когда нам известен ток в <em>R2</em>, расчитаем напряжение вокруг него:</p>
<p><img decoding=

$ V_<out></p>
<p> = V_ \frac $» /></p>
<p>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.</p>
<h3>Применение делителя для считывания показаний датчика</h3>
<p>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.</p>
<p>Если в приведённой выше схеме заменить <em>R1</em> или <em>R2</em> на один из таких компонентов, <em>V<sub>out</sub></em> 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.</p>
<p>Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно расчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта <em>V<sub>out</sub></em>.</p><div class='code-block code-block-3' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 3aivorobiev -->
<script src=

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

$ R_L = \frac<U></p>
<p> = \frac<5\unit<В>><0.01\unit<А>> = 500\unit $» /></p>
<p>В случае с подключеной нагрузкой следует рассматривать нижнюю часть делителя, как два резистора соединённых параллельно:</p><div class='code-block code-block-4' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 4aivorobiev -->
<script src=

$ R_<2L></p>
<p> = \frac1 + \frac1> = 250\unit$» /></p>
<p>Подставив значение в общую формулу расчёта <em>V<sub>out</sub></em>, получим:</p>
<p><img decoding=

Пропорция сохраняется, Vout не меняется:

$ V_<out></p>
<p> = 9\unit \cdot \frac<50\unit> <40\unit+ 50\unit> = 5\unit $» /></p>
<p>А потери уменьшатся:</p>
<p><img decoding=

= \frac1 + \frac1> = 45.45\unit$» />

$ V_L = V_<in></p>
<p> \frac>> = 9\unit \cdot \frac<45.45\unit> <40\unit+ 45.45\unit> = 4.79\unit $» /></p>
<p>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.</p>
<p>Кроме того, нужно помнить, что резисторы расчитаны на определённую предельную мощьность. В нашем случае нагрузка на <em>R1</em> равна:</p>
<p><img decoding=

^2> = \frac <9\unit\cdot 9\unit><40\unit<Ом>> \approx 2\unit $» />

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.

Если не указано иное, содержимое этой вики предоставляется на условиях следующей лицензии: CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International

Производные работы должны содержать ссылку на http://wiki.amperka.ru, как на первоисточник, непосредственно перед содержимым работы.
Вики работает на суперском движке DokuWiki.

схемотехника/делитель-напряжения.txt · Последние изменения: 2019/06/27 17:30 — mik

Инструменты страницы

Переменный резистор как делитель напряжения

Потенциометр и делитель напряжения

В одном из предыдущих уроков, для ограничения тока через светодиод, мы использовали резисторы. Как было тогда отмечено, существует множество резисторов разного номинала и рассчитанных на разную мощность. Но оказывается, кроме обычных резисторов есть и элементы с изменяемым сопротивлением, называемые переменными резисторами.

Обычно, переменные резисторы делают в виде делителя напряжения, и такие элементы называются потенциометрами. Иногда потенциометры называют реостатами, но это не совсем верно. Вот так выглядит типичный регулировочный потенциометр.

Применение

Потенциометр — это резистивный делитель напряжения с переменными резисторами. Обычно, потенциометр применяют для настройки каких-либо параметров аналоговых и цифровых устройств. Например, потенциометром можно регулировать напряжение на базе биполярного транзистора, который управляет мощной нагрузкой: мотором постоянного тока, нагревателем, мощным источником света, и т.п.

В цифровых устройствах потенциометр подключают к АЦП микроконтроллера. АЦП преобразует напряжение на делителе (об этом далее) в число, которое затем используется программой микроконтроллера в своей работе. Так, на Arduino Uno крайние положения прибора соответствуют числам 0 и 1023.

Яркость светодиода

Для чего может быть полезен прибор с переменным сопротивлением? Если говорить о чисто переменном резисторе, то он бывает нужен в ситуациях, когда нам требуется регулировать ток в цепи. Возьмем всё тот же светодиод. Если в цепи светодиода поставить переменный резистор — потенциометр, скажем, на 20 кОм, то с помощью него мы сможем регулировать яркость свечения.

Потенциометр и светодиод

Соберем эту схему на плате и проверим в действии. В этом макете мы используем потенциометр на плате от RobotClass. К нему удобно подключать провода и втыкать его в макетную плату. Разумеется, можно использовать любой другой вариант. Крутим ручку потенциометра — светодиод светится ярче или тусклее.

Кроме самого потенциометра в схеме также можно заметить обычный резистор. Зачем он нужен?

Предположим, наша схема питается от Arduino Uno, либо от 4х батарей AA, как рисунке. Если повернуть потенциометр в крайнее положение, то его сопротивление станет равно нулю. Раз так, через светодиод потечет слишком большой ток и он просто сгорит.

Чтобы избежать таких ситуаций, следует поставить в цепь дополнительный резистор, который в крайнем положении ручки не даст обнулить сопротивление. При питании схемы от 5 Вольт можно поставить резистор с сопротивлением 200 Ом.

Делитель напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях

С целью получения фиксированного значения напряжения, равного доле от исходного значения, в электрических цепях применяют делители напряжения. Делители напряжения могут состоять из двух или более элементов, которыми могут служить резисторы либо реактивные сопротивления (конденсаторы или катушки индуктивности).

Делитель напряжения — комбинация из сопротивлений, служащая для того, чтобы разделить подводимое напряжение на части.

В простейшем виде делитель напряжения представляется парой участков электрической цепи, соединенных последовательно друг с другом, которые и называются плечами делителя. Верхним плечом называется тот участок, который расположен между точкой положительного напряжения и выбранной точкой соединения участков, а нижним плечом — участок между точкой соединения (выбранной точкой, нулевой точкой) и общим проводом.

Делители напряжения на резисторах

Конечно, делители напряжения могут применяться как в цепях постоянного тока, так и в цепях тока переменного. Делители на резисторах подходят и для тех, и для других цепей, однако используются они только в цепях низкого напряжения. Для питания устройств делители напряжения на резисторах не применяют.

В простейшем виде резистивный делитель напряжения состоит всего из пары резисторов, соединенных последовательно. Делимое напряжение подается на делитель, в результате на каждом резисторе падает определенная доля этого напряжения, пропорциональная номиналу резистора. Сумма падений напряжений равна здесь напряжению подаваемому на делитель.

Согласно закону Ома для участка электрической цепи, на каждом резисторе падение напряжения будет прямо пропорционально току и величине сопротивления резистора. А согласно первому правилу Кирхгофа, ток через данную цепь будет везде один и тот же. Так, на каждый резистор придутся падения напряжения:

И напряжение на концах участка цепи будет равно:

А ток в цепи делителя составит:

Теперь если подставить выражение для тока в формулы для падений напряжений на резисторах, то получим формулы для нахождения величин напряжений на каждом из резисторов делителя:

Подбирая величины сопротивлений R1 и R2 можно выделить любую часть всего подводимого напряжения. В том случае, когда напряжение нужно разделить на несколько частей, последовательно с источником напряжения включается несколько сопротивлений.

Используя делитель напряжения на резисторах для тех или иных целей, важно понимать, что присоединенная к одному из плеч делителя нагрузка, будь то измерительный прибор или что-нибудь другое, должна иметь собственное сопротивление значительно большее, чем общее сопротивление резисторов, образующих делитель. В противном случае сопротивление нагрузки само должно учитываться в расчетах, будучи рассмотрено как параллельный плечу резистор, входящий в состав делителя.

Пример: есть источник постоянного напряжения 5 вольт, необходимо подобрать к нему резисторы для делителя напряжения, чтобы снимать с делителя измерительный сигнал величиной в 2 вольта. Допустимая рассеиваемая на делителе мощность не должна превышать 0,02 Вт.

Решение: Пусть максимальная мощность, рассеиваемая на делителе, равна 0,02 Вт, тогда минимальное общее сопротивление делителя при 5 вольтах найдем из закона Ома, оно получится равно 1250 Ом. Пусть 1,47 кОм — выбранное нами общее сопротивление делителя, тогда 2 вольта упадет на 588 омах. Выберем постоянный резистор на 470 Ом и переменный на 1 кОм. Установим на переменном резисторе значение в 588 Ом.

Делители напряжения на резисторах широко применяются сегодня в электронных схемах. На этих схемах значения величин резисторов для делителей выбираются исходя из параметров активных элементов схем. Как правило, делители стоят в измерительных цепях схем, в цепях обратной связи преобразователей напряжения и т. д. Минус таких решений заключается в том, что резисторы рассеивают на себе мощность в виде тепла, однако целесообразность оправдывает эти малые потери энергии.

Делители напряжения на конденсаторах

В цепях переменного тока, в высоковольтных схемах, применяют делители напряжения на конденсаторах. Здесь используется реактивный характер сопротивления конденсаторов в цепях переменного тока. Величина реактивного сопротивления конденсатора в цепи переменного тока зависит от электроемкости конденсатора и от частоты напряжения. Вот формула для нахождения этого сопротивления:

Формула свидетельствует о том, что чем больше электроемкость конденсатора — тем его реактивное (емкостное) сопротивление меньше и чем выше частота — тем так же меньше реактивное сопротивление. Такие делители используются в измерительных схемах цепей переменного тока, падения напряжений на плечах считается аналогично случаю с постоянными активными сопротивлениями (резисторами, см. выше).

Достоинство конденсаторов, применяемых в делителях, состоит в том, что рассеивание энергии в форме тепла получается минимальным, и зависит только от качества диэлектрика.

Делитель напряжения на индуктивностях

Индуктивный делитель напряжения — еще один вид делителей, применяемых в измерительной электронике переменного тока, особенно в низковольтных схемах, работающих на высоких частотах. Сопротивление катушек для переменного тока высокой частоты носит преимущественно реактивный (индуктивный) характер, оно находится по формуле:

Формула свидетельствует о том, что чем больше индуктивность и чем выше частота — тем выше сопротивление катушки переменному току. Здесь важно понимать, что провод катушки имеет активное сопротивление, поэтому мощность, рассеиваемая в виде тепла, свойственная делителю на индуктивностях, значительно выше, чем у делителей на конденсаторах.

В любительской электронике делители напряжения часто используются при подключении аналоговых датчиков к модулям Ардуино.

Делитель напряжения на резисторах

Рассмотрим, как рассчитать практически любой делитель напряжения на резисторах. Преимущественное большинство радиоэлектронных элементов и микросхем питаются относительно низким напряжением – 3…5 В. А многие блоки питания выдают U = 9 В, 12 В или 24 В. Поэтому для надежной и стабильной работы различных электронных элементов необходимо снижать величину напряжения до приемлемого уровня. В противном случае может наступить пробой радиоэлектронных элементов. Особенно следует уделять внимание микросхемам – наиболее чувствительным элементам к повышенному напряжению.

Структура делителя напряжения

Существуют много способов, как снизить напряжение. Выбор того или другого способа зависит от конкретной задачи, что в целом определяет эффективность всего устройства. Мы рассмотрим самый простой способ – делитель напряжения на резисторах, который, тем не менее, довольно часто применяется на практике, но исключительно в маломощных цепях, что поясняется далее.

Расчет делителя напряжения на резисторах

Чтобы сделать и рассчитать простейший делитель напряжения достаточно соединить последовательно два резистора и подключить их источнику питания. Такая схема очень распространенная и применяется более чем в 90 % случаев.

Схема делителя напряжения

Вход схемы имеет два вывода, а выход – три. При одинаковых значения сопротивлений R1 и R2 выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 также равны и по величине вдвое меньше входного Uвх. Причем выходное U можно сниматься с любого из резисторов – R1 или R2. Если сопротивления не равны, то выходное U будет на резисторе большего номинала.

Точное соотношение Uвых1 к Uвых2 рассчитаем, обратившись к закону Ома. Резисторы вместе с источником питания образуют последовательную цепь, поэтому величина электрического тока, протекающего через R1 и R2 определяется отношением напряжения источника питания Uвх к сумме сопротивлений:

Формула силы тока делителя напряжения

Следует обратить внимание, чем больше сумма сопротивлений, тем меньший ток I при том же значении Uвх.

Далее, согласно закону Ома, подставив значение тока, находим Uвых1 и Uвых2:

Расчет делителя напряжения на резисторах

Расчет сопротивления делителя напряжения

Путем подстановки в две последние формулы значение из самой первой формулы, находим значение выходного U в зависимости от входного и сопротивлений двух резисторов:

Формула расчета делителя напряжения на резисторах

Формула делителя напряжения на резисторах

Применяя делитель напряжения на резисторах, необходимо понимать и помнить следующее:
    1. Коэффициент полезного действия такой схемы довольно низкий, поскольку только часть мощности источника питания поступает к нагрузке, а остальная мощность преобразуется в тепло, выделяемое на резисторах. Чем больше понижается напряжение, тем меньше мощности от источника питания поступит к нагрузке.
    1. Так как нагрузка подключается параллельно к одному из резисторов делителя, то есть шунтирует его, то общее сопротивление цепи снижается и происходит перераспределение падений напряжений. Поэтому сопротивление нагрузки должно быть гораздо больше сопротивления резистора делителя. В противном случае схема будет работать нестабильно с отклонением от заданных параметров.
    2. Распределение U между R1 и R2 определяется исключительно их относительными значениями, а не абсолютными величинами. В данном случае неважно, будут лиR1 и R2 иметь значение 2 кОм и 1 кОм или 200 кОм и 100 кОм. Однако при более низких значениях сопротивлений можно получить большую мощность на нагрузке, но следует помнить, что и больше мощности преобразуется в тепло, то есть израсходуется невозвратно впустую.

    Схема делителя напряжения на резисторах

    Схема резисторного делителя напряжения

    Также иногда находят применение и более сложные делители напряжений, состоящие из нескольких последовательно соединенных резисторов.

    Делитель напряжения на резисторах

    Делитель напряжения на переменном резисторе

    Схему делителя напряжения на переменном резисторе называют схемой потенциометра. Вращая рукоятку громкости музыкального центра или автомагнитолы, вы таким действием плавно изменяете напряжение, подаваемое на усилитель модности звуковой частоты. Принцип работы и сборка простейшего усилителя мощности уже были ранее рассмотрены здесь.

    Делитель напряжения на переменном резисторе

    При перемещении (вращении) ручки переменного резистора сверху вниз по чертежу происходит плавное изменение U от значения источника питания до нуля.

    В звуковой технике главным образом применяются переменные резисторы с логарифмической зависимостью, поскольку слуховой аппарат человек воспринимает звуки с данной зависимостью. Для регулирования уровня звука одновременно по двум каналам используют сдвоенные переменные резисторы.

    Схема делителя напряжения на переменном резисторе

    Характеристики переменных резисторов

    В качестве делителя напряжения находят применение переменные резисторы, имеющие следующие зависимости сопротивления от угла поворота ручки: логарифмическую, линейную и экспоненциальную. Конкретный тип зависимости применяется для решения отдельной задачи.

    Электроника для начинающих

    Еще статьи по данной теме

    Емкостной делитель напряжения

    Инвертор напряжения

    Умножитель напряжения

    Как работает импульсный блок питания

    One Comment

    Уважаемый Дмитрий, доброго времени! Интересуюсь электроникой с нуля. В этом уроке (12) в схеме с 4-мя резисторами совершенно не ясно как получается напряжение 9 В. Да и остальное напряжение вызывает вопросы. У Вас есть где-то пояснение, как это считается? Почему-то не складывается и не считается у меня. Пожалуйста, поясните. 04.10.2023 Ответить

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *