Spanningsdeler: apparaat, werkingsprincipe, doel

Vaak wordt het bij het ontwerpen van een elektronische schakeling noodzakelijk om een ​​punt met een bepaald signaalniveau te verkrijgen. Creëer bijvoorbeeld een referentiepunt of voorspanning, voed een verbruiker met een laag stroomverbruik door het niveau te verlagen en beperk de stroom. In dergelijke gevallen moet u een spanningsdeler gebruiken. Wat het is en hoe je het kunt berekenen, vertellen we je in dit artikel.

Definitie

Een spanningsdeler is een apparaat of apparaat dat de uitgangsspanning verlaagt ten opzichte van de ingang, in verhouding tot de transmissiecoëfficiënt (deze zal altijd onder nul zijn). Het kreeg deze naam omdat het twee of meer in serie geschakelde delen van de keten vertegenwoordigt.

Ze zijn lineair en niet-lineair. In dit geval zijn de eerste actief of reactantie, waarbij de overdrachtscoëfficiënt wordt bepaald door de verhouding van De wet van Ohm. Uitgesproken niet-lineaire verdelers omvatten parametrische spanningsstabilisatoren. Laten we eens kijken hoe dit apparaat werkt en waarom het nodig is.

Soorten en werkingsprincipe

Er moet meteen worden opgemerkt dat het werkingsprincipe van de spanningsdeler over het algemeen hetzelfde is, maar afhangt van de elementen waaruit deze bestaat. Er zijn drie hoofdtypen lineaire circuits:

• resistief;
• capacitief;
• inductief.

De meest voorkomende deler op weerstanden, vanwege zijn eenvoud en rekengemak. Aan de hand van zijn voorbeeld zullen we de basisinformatie over dit apparaat bekijken.

Elke spanningsdeler heeft Uinput en Uoutput als deze uit twee bestaat weerstanden, als er drie weerstanden zijn, zijn er twee uitgangsspanningen, enzovoort. Er kan een willekeurig aantal deelstappen worden gemaakt.

Uinput is gelijk aan voedingsspanning, Uoutput hangt af van de verhouding van weerstanden in de verdeelarmen. Als we een circuit met twee weerstanden beschouwen, dan is de bovenste, of zoals het ook wordt genoemd, dempende schouder R1. De onderste of uitgangsschouder zal R2 zijn.

Stel we hebben een voeding van 10V, de weerstand R1 is 85 ohm en de weerstand R2 is 15 ohm. Het is noodzakelijk om Uoutput te berekenen.

Vervolgens:

U = ik * R

Omdat ze in serie zijn geschakeld, geldt:

U1 = ik * R1

U2 = ik * R2

Als u vervolgens de uitdrukkingen toevoegt:

U1 + U2 = ik (R1 + R2)

Als we de stroom vanaf hier uitdrukken, krijgen we:

Als we de vorige uitdrukking vervangen, hebben we de volgende formule:

Laten we tellen voor ons voorbeeld:

De spanningsdeler kan ook worden gemaakt op reactanties:

• Aan condensatoren (capacitief);
• op smoorspoelen (inductief).

Dan zullen de berekeningen vergelijkbaar zijn, maar de weerstanden worden berekend met behulp van de onderstaande formules.

Voor condensatoren:

Voor inductie:

Een kenmerk en verschil tussen dit soort verdelers is dat een resistieve verdeler kan worden gebruikt in wisselschakelingen en in schakelingen gelijkstroom, en capacitief en inductief alleen in wisselstroomcircuits, omdat alleen dan hun reactieve weerstand.

Interessant! In sommige gevallen zal een capacitieve verdeler werken in DC-circuits, een goed voorbeeld is het gebruik van een dergelijke oplossing in het ingangscircuit van computervoedingen.

Het gebruik van reactantie is te wijten aan het feit dat ze tijdens hun werking niet zoveel warmte afgeven als bij het gebruik van actieve weerstanden (weerstanden) in structuren

Voorbeelden van gebruik in een schema

Er zijn veel circuits waar spanningsdelers worden gebruikt. Daarom zullen we meerdere voorbeelden tegelijk geven.

Laten we zeggen dat we een versterkertrap ontwerpen, op een transistor, die werkt in klasse A. Op basis van het werkingsprincipe moeten we een dergelijke voorspanning (U1) op de basis van de transistor instellen, zodat het werkpunt op een lineair segment van de I - V-karakteristiek ligt, terwijl de stroom door de transistor dat niet is overmatig. Laten we zeggen dat we een basisstroom van 0,1 mA moeten leveren met U1 van 0,6 Volt.

Vervolgens moeten we de weerstand in de armen van de verdeler berekenen, en dit is de omgekeerde berekening ten opzichte van wat we hierboven hebben gegeven. Zoek eerst de stroom door de verdeler. Om ervoor te zorgen dat de belastingsstroom de spanning op zijn schouders niet veel beïnvloedt, stellen we de stroom door de verdeler in een orde van grootte hoger dan de belastingsstroom in ons geval, 1 mA. Laat de voeding 12 Volt zijn.

Dan is de totale weerstand van de deler gelijk aan:

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

R2 / R = U2 / U

Of:

R2 / (R1 + R2) = U2 / Upower

10/20=3/6

20*3/6=60/6/10

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

R1 = 12000-600 = 11400

Laten we de berekeningen controleren:

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

De corresponderende bovenschouder dooft

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

Maar dit is niet de hele berekening. Voor een volledige berekening van de verdeler is het noodzakelijk om het vermogen van de weerstanden te bepalen, zodat ze niet doorbranden. Bij een stroomsterkte van 1 mA komt er stroom vrij op R1:

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

En op R2:

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

Hier is het verwaarloosbaar, maar stel je voor hoeveel stroom de weerstanden nodig zouden hebben als de delerstroom 100 mA of 1 A was?

Voor het eerste geval:

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

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

Voor het tweede geval:

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

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

Dat zijn al aanzienlijke aantallen voor elektronica, ook voor gebruik in versterkers. Dit is niet effectief, daarom worden momenteel impulscircuits gebruikt, hoewel lineaire circuits doorgaan gebruikt in amateurconstructies of in specifieke apparatuur met speciale vereisten.

Het tweede voorbeeld is een deler voor het vormen van Uref voor een instelbare zenerdiode TL431. Ze worden gebruikt in de meeste goedkope voedingen en opladers voor mobiele telefoons. Hieronder ziet u het aansluitschema en de rekenformules. Met behulp van twee weerstanden ontstaat hier een punt met een Uref van 2,5 volt.

Een ander voorbeeld is het aansluiten van allerlei sensoren op microcontrollers. Laten we eens kijken naar verschillende schema's voor het aansluiten van sensoren op de analoge ingang van de populaire AVR-microcontroller, waarbij we de Arduino-familie van boards als voorbeeld gebruiken.

Meetinstrumenten hebben verschillende meetbereiken. Deze functie wordt ook gerealiseerd met behulp van een groep weerstanden.

Maar daar houdt het toepassingsgebied van spanningsdelers niet op. Zo worden de extra volts gedoofd als de stroom door de LED wordt begrensd, wordt de spanning ook verdeeld over de lampen in de guirlande en kun je ook een laagvermogen belasting aandrijven.

Niet-lineaire verdelers

We hebben vermeld dat een parametrische stabilisator tot niet-lineaire verdelers behoort. In zijn eenvoudigste vorm bestaat hij uit een weerstand en een zenerdiode. Voor een zenerdiode ziet het schematische symbool eruit als een conventionele halfgeleiderdiode. Het enige verschil is de aanwezigheid van een extra functie op de kathode.

De berekening is gebaseerd op de U-stabilisatie van de zenerdiode. Als we dan een zenerdiode van 3,3 volt hebben en de U-voeding is 10 volt, dan wordt de stabilisatiestroom van het gegevensblad naar de zenerdiode genomen. Stel deze bijvoorbeeld gelijk aan 20 mA (0,02 A), en de belastingsstroom is 10 mA (0,01 A).

Vervolgens:

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

Laten we eens kijken hoe zo'n stabilisator werkt. De zenerdiode is in omgekeerde verbinding in het circuit opgenomen, dat wil zeggen, als Uoutput lager is dan Ustabilization, stroomt de stroom er niet doorheen. Wanneer Upower stijgt naar Ustabilisatie, treedt er een lawine of tunnelbreuk van de PN-overgang op en begint er een stroom doorheen te vloeien, die de stabilisatiestroom wordt genoemd. Het wordt beperkt door weerstand R1, die het verschil tussen Uinput en Ustabilization dempt. Wanneer de maximale stabilisatiestroom wordt overschreden, treedt een thermische doorslag op en brandt de zenerdiode door.

Trouwens, soms kun je een stabilisator op diodes implementeren. De stabilisatiespanning zal dan gelijk zijn aan de voorwaartse daling van de diodes of de som van de dalingen van de diodeschakeling. Stel de stroom in die geschikt is voor de classificatie van de diodes en voor de behoeften van uw circuit. Deze oplossing wordt echter zelden gebruikt. Maar zo'n op diodes gebaseerd apparaat wordt beter een begrenzer genoemd, geen stabilisator. En een variant van hetzelfde circuit voor wisselstroomcircuits. Dit beperkt de amplitude van het AC-signaal tot een voorwaartse daling van 0,7 V.

Dus we hebben uitgezocht wat een spanningsdeler is en waar hij voor dient. Er zijn nog meer voorbeelden waarbij een van de varianten van de overwogen circuits wordt toegepast, zelfs een potentiometer in essentie is een deler met een soepele aanpassing van de transmissiecoëfficiënt, en wordt vaak gebruikt in combinatie met een constante weerstand. In ieder geval blijft het principe van werking, selectie en berekening van elementen ongewijzigd.

Ten slotte raden we aan om de video te bekijken, waarin wordt bekeken hoe dit element werkt en waaruit het bestaat:

Gerelateerde materialen:

• Manieren om de spanning te verlagen
• Wat is actief, reactief en schijnbaar vermogen?
• Hoe werkt een spanningsrelais?