Spannungsteiler: Gerät, Funktionsprinzip, Zweck

Beim Entwerfen einer elektronischen Schaltung ist es oft erforderlich, einen Punkt mit einem bestimmten Signalpegel zu erhalten. Erstellen Sie beispielsweise einen Referenzpunkt oder eine Vorspannung, versorgen Sie einen Verbraucher mit geringem Stromverbrauch, indem Sie seinen Pegel senken, und begrenzen Sie den Strom. In solchen Fällen müssen Sie einen Spannungsteiler verwenden. Was es ist und wie man es berechnet, verraten wir Ihnen in diesem Artikel.

Definition

Ein Spannungsteiler ist ein Gerät oder ein Gerät, das die Ausgangsspannung im Verhältnis zum Eingang proportional zum Transmissionskoeffizienten senkt (er wird immer unter Null liegen). Es hat diesen Namen, weil es zwei oder mehr in Reihe geschaltete Abschnitte der Kette darstellt.

Sie sind linear und nichtlinear. In diesem Fall sind die ersten Aktiv oder Reaktanz, bei denen der Übertragungskoeffizient durch das Verhältnis von bestimmt wird

Ohm'sches Gesetz. Ausgeprägte nichtlineare Teiler umfassen parametrische Spannungsstabilisatoren. Mal sehen, wie dieses Gerät funktioniert und warum es benötigt wird.

Arten und Wirkprinzip

Es sei gleich darauf hingewiesen, dass das Funktionsprinzip des Spannungsteilers im Allgemeinen gleich ist, jedoch von den Elementen abhängt, aus denen er besteht. Es gibt drei Haupttypen von linearen Schaltungen:

• widerstandsfähig;
• kapazitiv;
• induktiv.

Der gebräuchlichste Teiler für Widerstände aufgrund seiner Einfachheit und einfachen Berechnung. Anhand seines Beispiels betrachten wir die grundlegenden Informationen zu diesem Gerät.

Jeder Spannungsteiler hat Uinput und Uoutput, wenn er aus zwei. besteht Widerstände, wenn drei Widerstände vorhanden sind, gibt es zwei Ausgangsspannungen und so weiter. Es können beliebig viele Teilungsschritte vorgenommen werden.

Uinput ist gleich der Versorgungsspannung, Uoutput hängt vom Verhältnis der Widerstände in den Teilerarmen ab. Betrachten wir eine Schaltung mit zwei Widerständen, dann ist die obere, oder auch Dämpfungsschulter genannt, R1. Die untere oder Ausgangsschulter ist R2.

Angenommen, wir haben eine Stromversorgung von 10 V, der Widerstand R1 beträgt 85 Ohm und der Widerstand R2 beträgt 15 Ohm. Es ist notwendig, Uoutput zu berechnen.

Dann:

U = ich * R

Da sie in Reihe geschaltet sind, gilt:

U1 = ich * R1

U2 = ich * R2

Wenn Sie dann die Ausdrücke hinzufügen:

U1 + U2 = Ich (R1 + R2)

Wenn wir den Strom von hier ausdrücken, erhalten wir:

Anstelle des vorherigen Ausdrucks erhalten wir die folgende Formel:

Zählen wir für unser Beispiel:

Der Spannungsteiler kann auch an Reaktanzen vorgenommen werden:

• An Kondensatoren (kapazitiv);
• auf Induktivitäten (induktiv).

Dann werden die Berechnungen ähnlich sein, aber die Widerstände werden mit den folgenden Formeln berechnet.

Für Kondensatoren:

Für Induktivität:

Ein Merkmal und Unterschied zwischen diesen Arten von Teilern besteht darin, dass ein Widerstandsteiler in Wechselstromkreisen und in Stromkreisen verwendet werden kann Gleichstrom, kapazitiv und induktiv nur in Wechselstromkreisen, weil nur dann ihre reaktiven Widerstand.

Interessant! In einigen Fällen funktioniert ein kapazitiver Teiler in Gleichstromkreisen, ein gutes Beispiel ist die Verwendung einer solchen Lösung im Eingangskreis von Computernetzteilen.

Die Verwendung von Reaktanz ist darauf zurückzuführen, dass sie während ihres Betriebs nicht so viel Wärme erzeugen wie bei der Verwendung von aktiven Widerständen (Widerständen) in Strukturen

Anwendungsbeispiele in einem Schema

Es gibt viele Schaltungen, in denen Spannungsteiler verwendet werden. Deshalb geben wir gleich mehrere Beispiele.

Nehmen wir an, wir entwerfen eine Verstärkerstufe auf einem Transistor, die in Klasse A arbeitet. Aufgrund seines Funktionsprinzips müssen wir eine solche Vorspannung (U1) an der Basis des Transistors einstellen, so dass sein Arbeitspunkt auf einem linearen Segment der I - V-Kennlinie liegt, während der Strom durch den Transistor nicht übertrieben. Nehmen wir an, wir müssen einen Basisstrom von 0,1 mA mit einem U1 von 0,6 Volt bereitstellen.

Dann müssen wir den Widerstand in den Armen des Teilers berechnen, und dies ist die umgekehrte Berechnung zu dem, was wir oben angegeben haben. Finden Sie zunächst den Strom durch den Teiler. Damit der Laststrom die Spannung auf seinen Schultern nicht stark beeinflusst, stellen wir den Strom durch den Teiler um eine Größenordnung höher ein als der Laststrom in unserem Fall 1 mA. Lassen Sie die Stromversorgung 12 Volt betragen.

Dann ist der Gesamtwiderstand des Teilers gleich:

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

R2 / R = U2 / U

Oder:

R2 / (R1 + R2) = U2 / ULeistung

10/20=3/6

20*3/6=60/6/10

R2 = (R1 + R2) * U1 / ULeistung = 12000 * 0,6 / 12 = 600

R1 = 12000-600 = 11400

Überprüfen wir die Berechnungen:

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

Die entsprechende obere Schulter erlischt

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

Aber das ist nicht die ganze Rechnung. Für eine vollständige Berechnung des Teilers ist es notwendig, die Leistung der Widerstände zu bestimmen, damit sie nicht durchbrennen. Bei einem Strom von 1 mA wird Strom an R1 freigegeben:

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

Und auf R2:

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

Hier ist es vernachlässigbar, aber stellen Sie sich vor, wie viel Leistung die Widerstände benötigen würden, wenn der Teilerstrom 100 mA oder 1 A beträgt?

Für den ersten Fall:

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

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

Für den zweiten Fall:

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

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

Das sind schon beachtliche Zahlen für die Elektronik, auch für den Einsatz in Verstärkern. Dies ist nicht effektiv, daher werden derzeit Impulsschaltungen verwendet, obwohl lineare weiterhin bestehen entweder in Amateurkonstruktionen oder in speziellen Geräten mit speziellen Bedarf.

Das zweite Beispiel ist ein Teiler zum Bilden von Uref für eine einstellbare Zenerdiode TL431. Sie werden in den meisten preiswerten Netzteilen und Ladegeräten für Mobiltelefone verwendet. Nachfolgend finden Sie das Anschlussschema und die Berechnungsformeln. Mit Hilfe von zwei Widerständen entsteht hier ein Punkt mit einem Uref von 2,5 Volt.

Ein weiteres Beispiel ist die Anbindung von Sensoren aller Art an Mikrocontroller. Betrachten wir mehrere Schemata zum Anschluss von Sensoren an den analogen Eingang des beliebten AVR-Mikrocontrollers am Beispiel der Arduino-Board-Familie.

Messgeräte haben unterschiedliche Messbereiche. Auch diese Funktion wird durch eine Gruppe von Widerständen realisiert.

Doch damit endet der Anwendungsbereich von Spannungsteilern nicht. Auf diese Weise werden die zusätzlichen Volt gelöscht, wenn der Strom durch die LED begrenzt wird, die Spannung wird auch auf die Glühbirnen in der Girlande verteilt und Sie können auch eine Last mit geringer Leistung versorgen.

Nichtlineare Teiler

Wir haben erwähnt, dass ein parametrischer Stabilisator zu nichtlinearen Teilern gehört. In seiner einfachsten Form besteht es aus einem Widerstand und einer Zenerdiode. Bei einer Zener-Diode sieht das schematische Symbol wie eine herkömmliche Halbleiterdiode aus. Der einzige Unterschied ist das Vorhandensein eines zusätzlichen Merkmals an der Kathode.

Die Berechnung basiert auf der U-Stabilisierung der Zenerdiode. Wenn wir dann eine 3,3-Volt-Zenerdiode haben und die U-Versorgung 10 Volt beträgt, wird der Stabilisierungsstrom aus dem Datenblatt zur Zenerdiode entnommen. Er sei beispielsweise gleich 20 mA (0,02 A) und der Laststrom beträgt 10 mA (0,01 A).

Dann:

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

Lassen Sie uns herausfinden, wie ein solcher Stabilisator funktioniert. Die Zenerdiode wird in Sperrschaltung in die Schaltung einbezogen, dh wenn Uoutput kleiner als Ustabilization ist, fließt kein Strom durch sie. Wenn Upower auf Ustabilisierung ansteigt, tritt ein Lawinen- oder Tunneldurchbruch des PN-Übergangs auf und ein Strom beginnt durch ihn zu fließen, der Stabilisierungsstrom genannt wird. Er wird durch den Widerstand R1 begrenzt, der die Differenz zwischen Uinput und Ustabilization dämpft. Bei Überschreiten des maximalen Stabilisierungsstromes kommt es zu einem thermischen Durchbruch und die Zenerdiode brennt durch.

Übrigens können Sie manchmal einen Stabilisator auf Dioden implementieren. Die Stabilisierungsspannung ist dann gleich dem Vorwärtsabfall der Dioden oder der Summe der Spannungsabfälle der Diodenschaltung. Stellen Sie den Strom ein, der für die Nennleistung der Dioden und für die Anforderungen Ihrer Schaltung geeignet ist. Diese Lösung wird jedoch selten verwendet. Ein solches Gerät auf Diodenbasis wird jedoch besser als Begrenzer und nicht als Stabilisator bezeichnet. Und eine Variante der gleichen Schaltung für Wechselstromkreise. Dadurch wird die Amplitude des AC-Signals auf einen Vorwärtsabfall von 0,7 V begrenzt.

Also haben wir herausgefunden, was ein Spannungsteiler ist und wozu er dient. Es gibt noch mehr Beispiele, bei denen eine der Varianten der betrachteten Schaltungen verwendet wird, sogar ein Potentiometer in essence ist ein Teiler mit stufenloser Anpassung des Transmissionskoeffizienten und wird oft zusammen mit einer Konstante verwendet Widerstand. In jedem Fall bleibt das Funktionsprinzip, die Auswahl und die Berechnung der Elemente unverändert.

Abschließend empfehlen wir Ihnen, sich das Video anzusehen, in dem die Funktionsweise und der Inhalt dieses Elements genauer betrachtet werden:

Verwandte Materialien:

• Möglichkeiten, die Spannung zu senken
• Was ist Wirk-, Blind- und Scheinleistung
• Wie funktioniert ein Spannungsrelais?