Dělič napětí: zařízení, princip činnosti, účel

Při navrhování elektronického obvodu je často nutné získat bod s určitou úrovní signálu. Například vytvořte referenční bod nebo předpětí, napájejte nízkoenergetický spotřebič snížením jeho úrovně a omezte proud. V takových případech je třeba použít dělič napětí. Co to je a jak to vypočítat, vám řekneme v tomto článku.

Definice

Dělič napětí je zařízení nebo zařízení, které snižuje výstupní napětí vzhledem ke vstupu v poměru k koeficientu přenosu (vždy bude pod nulou). Tento název dostal, protože představuje dvě nebo více sériově zapojených částí řetězce.

Jsou lineární a nelineární. V tomto případě jsou první aktivní nebo reaktantní, u nichž je koeficient přenosu určen poměrem od Ohmův zákon. Výrazné nelineární děliče zahrnují parametrické stabilizátory napětí. Podívejme se, jak toto zařízení funguje a proč je potřeba.

Druhy a princip působení

Ihned je třeba poznamenat, že princip činnosti děliče napětí je obecně stejný, ale závisí na prvcích, ze kterých se skládá. Existují tři hlavní typy lineárních obvodů:

• odporový;
• kapacitní;
• induktivní.

Nejběžnější dělič na rezistorech díky své jednoduchosti a snadnému výpočtu. Na jeho příkladu zvážíme základní informace o tomto zařízení.

Jakýkoli dělič napětí má Uvstup a Uvýstup, pokud se skládá ze dvou rezistory, pokud jsou tři rezistory, pak budou dvě výstupní napětí a tak dále. Lze provést libovolný počet kroků dělení.

Uvstup je roven napájecímu napětí, Uvýstup závisí na poměru rezistorů v ramenech děliče. Pokud uvažujeme obvod se dvěma odpory, pak horní, nebo jak se také nazývá, tlumící rameno bude R1. Dolní nebo výstupní rameno bude R2.

Předpokládejme, že máme napájení 10V, odpor R1 je 85 ohmů a odpor R2 je 15 ohmů. Je nutné vypočítat Uoutput.

Pak:

U = I * R

Protože jsou zapojeny do série, pak:

U1 = I * R1

U2 = I * R2

Pak pokud přidáte výrazy:

U1 + U2 = I (R1 + R2)

Pokud vyjádříme proud odtud, dostaneme:

Nahrazením předchozího výrazu máme následující vzorec:

Počítejme pro náš příklad:

Dělič napětí může být také vyroben na reaktanci:

• na kondenzátory (kapacitní);
• na induktorech (indukční).

Potom budou výpočty podobné, ale odpory se počítají pomocí níže uvedených vzorců.

Pro kondenzátory:

Pro indukčnost:

Zvláštností a rozdílem mezi těmito typy děličů je to, že odporový dělič lze použít ve střídavých obvodech a obvodech stejnosměrný proud, a kapacitní a indukční pouze v obvodech střídavého proudu, protože jen tak bude jejich reaktivní odpor.

Zajímavý! V některých případech bude ve stejnosměrných obvodech fungovat kapacitní dělič, dobrým příkladem je použití takového řešení ve vstupním obvodu počítačových zdrojů.

Využití reaktance je dáno tím, že při svém provozu nevytvářejí takové množství tepla jako při použití aktivních odporů (rezistorů) v konstrukcích

Příklady použití ve schématu

Existuje mnoho obvodů, kde se používají děliče napětí. Proto uvedeme několik příkladů najednou.

Řekněme, že navrhujeme zesilovací stupeň na tranzistoru, který pracuje ve třídě A. Na základě jeho principu činnosti potřebujeme nastavit takové předpětí (U1) na bázi tranzistoru, tak, že jeho pracovní bod je na lineárním segmentu I - V charakteristiky, zatímco proud tranzistorem nikoliv nadměrný. Řekněme, že potřebujeme poskytnout základní proud 0,1 mA s U1 0,6 V.

Pak musíme vypočítat odpor v ramenech děliče, a to je opačný výpočet vzhledem k tomu, co jsme uvedli výše. Nejprve najděte proud přes děličku. Aby zatěžovací proud příliš neovlivňoval napětí na jeho ramenech, nastavíme proud děličem o řád vyšší, než je zatěžovací proud v našem případě, 1 mA. Nechť je napájení 12 voltů.

Potom je celkový odpor děliče roven:

Rd = Upower / I = 12 / 0,001 = 12000 Ohm

R2/R = U2/U

Nebo:

R2 / (R1 + R2) = U2 / U power

10/20=3/6

20*3/6=60/6/10

R2 = (R1 + R2) * U1 / Upower = 12 000 * 0,6 / 12 = 600

R1 = 12 000-600 = 11 400

Zkontrolujeme výpočty:

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

Odpovídající horní rameno zhasne

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

Ale to není celý výpočet. Pro úplný výpočet děliče je nutné určit výkon rezistorů, aby se nespálily. Při proudu 1 mA se uvolní napájení na R1:

P1 = 11,4 * 0,001 = 0,0114 Watt

A na R2:

P2 = 0,6 * 0,001 = 0,000006 Watt

Zde je to zanedbatelné, ale představte si, jaký výkon by odpory potřebovaly, kdyby proud děliče byl 100 mA nebo 1 A?

Pro první případ:

P1 = 11,4 * 0,1 = 1,14 Watt

P2 = 0,6 * 0,1 = 0,06 Watt

Pro druhý případ:

P1 = 11,4 * 1 = 11,4 wattů

P2 = 0,6 * 1 = 0,6 Watt

To jsou již značná čísla pro elektroniku, včetně použití v zesilovačích. To není efektivní, proto se v současné době používají impulsní obvody, i když lineární pokračují být použit buď v amatérských stavbách nebo ve specifických zařízeních se speciálními požadavky.

Druhým příkladem je dělič pro tvorbu Uref pro nastavitelnou zenerovu diodu TL431. Používají se ve většině levných napájecích zdrojů a nabíječek pro mobilní telefony. Schéma zapojení a výpočetní vzorce můžete vidět níže. Pomocí dvou rezistorů zde vznikne bod s Uref 2,5 voltu.

Dalším příkladem je připojení všech druhů senzorů k mikrokontrolérům. Podívejme se na několik schémat pro připojení senzorů k analogovému vstupu populárního mikrokontroléru AVR, jako příklad použijeme desku z rodiny Arduino.

Měřicí přístroje mají různé měřicí rozsahy. Tato funkce je také realizována pomocí skupiny rezistorů.

Tím ale rozsah použití děličů napětí nekončí. Takto zhasnou přebytečné volty, když je proud omezený LED, napětí se také rozloží po žárovkách v girlandě a můžete napájet i nízkopříkonovou zátěž.

Nelineární děliče

Zmínili jsme, že parametrický stabilizátor patří mezi nelineární děliče. Ve své nejjednodušší podobě se skládá z rezistoru a zenerovy diody. U zenerovy diody vypadá schematický symbol jako běžná polovodičová dioda. Jediným rozdílem je přítomnost dalšího prvku na katodě.

Výpočet je založen na U stabilizaci zenerovy diody. Pak, pokud máme 3,3 voltovou zenerovu diodu a napájení U je 10 voltů, pak se stabilizační proud odebere z datového listu do zenerovy diody. Nechť se například rovná 20 mA (0,02 A) a zátěžový proud je 10 mA (0,01 A).

Pak:

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

Pojďme zjistit, jak takový stabilizátor funguje. Zenerova dioda je v obvodu zařazena v obráceném zapojení, to znamená, pokud je Uvýstup nižší než Ustabilizace, neprotéká jí proud. Když Upower stoupne do Ustabilizace, dojde k lavinovému nebo tunelovému průrazu PN přechodu a začne jím protékat proud, který se nazývá stabilizační proud. Je omezen rezistorem R1, který tlumí rozdíl mezi Uvstupem a Ustabilizací. Při překročení maximálního stabilizačního proudu dojde k tepelnému průrazu a spálení Zenerovy diody.

Mimochodem, někdy můžete na diody implementovat stabilizátor. Stabilizační napětí se pak bude rovnat propustnému úbytku diod nebo součtu úbytků diodového obvodu. Nastavte proud vhodný pro výkon diod a pro potřeby vašeho obvodu. Toto řešení se však používá jen zřídka. Ale takové zařízení na bázi diody se lépe nazývá omezovač, nikoli stabilizátor. A varianta stejného obvodu pro AC obvody. To omezí amplitudu střídavého signálu na dopředný pokles 0,7 V.

Takže jsme přišli na to, co je dělič napětí a k čemu slouží. Existuje ještě více příkladů, kdy je aplikována jakákoli z variant uvažovaných obvodů, dokonce i potenciometr v essence je dělič s plynulým nastavením koeficientu přenosu a často se používá v tandemu s konstantou odpor. V každém případě zůstává princip fungování, výběr a výpočet prvků nezměněn.

Na závěr doporučujeme zhlédnout video, které se blíže podívá na to, jak tento prvek funguje a z čeho se skládá:

Související materiály:

• Způsoby, jak snížit napětí
• Co je činný, jalový a zdánlivý výkon
• Jak funguje napěťové relé?