Spenningsdeler: enhet, operasjonsprinsipp, formål

Ofte, når du designer en elektronisk krets, blir det nødvendig å oppnå et punkt med et visst signalnivå. Lag for eksempel et referansepunkt eller forspenning, forsyn en lavstrømsforbruker ved å senke nivået og begrense strømmen. Det er i slike tilfeller du må bruke en spenningsdeler. Vi vil fortelle deg hva det er og hvordan du beregner det i denne artikkelen.

Definisjon

En spenningsdeler er en enhet eller enhet som senker utgangsspenningen i forhold til inngangen, i forhold til overføringskoeffisienten (den vil alltid være under null). Den fikk dette navnet fordi den representerer to eller flere seriekoblede deler av kjeden.

De er lineære og ikke-lineære. I dette tilfellet er de første aktive eller reaktans, der overføringskoeffisienten bestemmes av forholdet fra Ohms lov. Uttalte ikke-lineære skillelinjer inkluderer parametriske spenningsstabilisatorer. La oss se hvordan denne enheten fungerer og hvorfor den er nødvendig.

Typer og handlingsprinsipp

Det skal bemerkes med en gang at prinsippet for drift av spenningsdeleren generelt er det samme, men avhenger av elementene den består av. Det er tre hovedtyper av lineære kretser:

• resistiv;
• kapasitiv;
• induktiv.

Den vanligste skillelinjen på motstander, på grunn av sin enkelhet og enkle beregning. Ved å bruke eksempelet hans vil vi vurdere den grunnleggende informasjonen om denne enheten.

Enhver spenningsdeler har Uinput og Uoutput hvis den består av to motstander, hvis det er tre motstander, vil det være to utgangsspenninger, og så videre. Et hvilket som helst antall delingstrinn kan gjøres.

Uinput er lik forsyningsspenning, Uoutput avhenger av forholdet mellom motstander i skillearmene. Hvis vi vurderer en krets med to motstander, så vil den øvre, eller som det også kalles, dempeskulder være R1. Den nedre eller utgående skulderen vil være R2.

Anta at vi har en strømforsyning på 10V, motstanden R1 er 85 ohm, og motstanden R2 er 15 ohm. Det er nødvendig å beregne Uoutput.

Deretter:

U = I * R

Siden de er koblet i serie, så:

U1 = I * R1

U2 = I * R2

Så hvis du legger til uttrykkene:

U1 + U2 = I (R1 + R2)

Hvis vi uttrykker strømmen herfra, får vi:

Ved å erstatte det forrige uttrykket har vi følgende formel:

La oss regne for vårt eksempel:

Spenningsdeleren kan også lages på reaktanser:

• på kondensatorer (kapasitiv);
• på induktorer (induktive).

Da blir beregningene like, men motstandene beregnes ved hjelp av formlene nedenfor.

For kondensatorer:

For induktans:

En funksjon og forskjell mellom disse typer deler er at en resistiv deler kan brukes i alternerende kretser og i kretser likestrøm, og kapasitiv og induktiv bare i vekselstrømkretser, fordi bare da vil deres reaktive motstand.

Interessant! I noen tilfeller vil en kapasitiv deler fungere i DC-kretser, et godt eksempel er bruken av en slik løsning i inngangskretsen til datamaskinens strømforsyninger.

Bruken av reaktans skyldes det faktum at de under driften ikke genererer en slik mengde varme som ved bruk av aktive motstander (motstander) i strukturer

Eksempler på bruk i et skjema

Det er mange kretser der spenningsdelere brukes. Derfor vil vi gi flere eksempler på en gang.

La oss si at vi designer et forsterkertrinn, på en transistor, som fungerer i klasse A. Basert på operasjonsprinsippet, må vi sette en slik forspenning (U1) på basen av transistoren, slik at driftspunktet er på et lineært segment av I - V-karakteristikken, mens strømmen gjennom transistoren ikke er overflødig. La oss si at vi må gi en basisstrøm på 0,1 mA med en U1 på 0,6 volt.

Deretter må vi beregne motstanden i delerens armer, og dette er den omvendte beregningen i forhold til det vi har gitt ovenfor. Først av alt, finn strømmen gjennom skillelinjen. For at belastningsstrømmen ikke i stor grad påvirker spenningen på skuldrene, setter vi strømmen gjennom deleren med en størrelsesorden høyere enn belastningsstrømmen i vårt tilfelle, 1 mA. La strømforsyningen være 12 volt.

Da er den totale motstanden til deleren lik:

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

R2 / R = U2 / U

Eller:

R2 / (R1 + R2) = U2 / Upower

10/20=3/6

20*3/6=60/6/10

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

R1 = 12000-600 = 11400

La oss sjekke beregningene:

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

Den tilsvarende øvre skulderen vil slukke

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

Men dette er ikke hele regnestykket. For en fullstendig beregning av deleren er det nødvendig å bestemme kraften til motstandene slik at de ikke brenner ut. Ved en strøm på 1 mA frigjøres strømmen på R1:

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

Og på R2:

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

Her er det ubetydelig, men tenk hvor mye strøm motstandene ville trenge hvis delestrømmen var 100 mA eller 1 A?

For det første tilfellet:

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

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

For det andre tilfellet:

P1 = 11,4 * 1 = 11,4 watt

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

Det er allerede betydelige tall for elektronikk, inkludert for bruk i forsterkere. Dette er ikke effektivt, derfor brukes impulskretser for tiden, selv om lineære fortsetter brukes enten i amatørkonstruksjoner eller i spesifikt utstyr med spesielle krav.

Det andre eksemplet er en deler for å danne Uref for en justerbar zenerdiode TL431. De brukes i de fleste rimelige strømforsyninger og ladere til mobiltelefoner. Du kan se koblingsskjemaet og beregningsformlene nedenfor. Ved hjelp av to motstander skapes her et punkt med en Uref på 2,5 volt.

Et annet eksempel er å koble alle typer sensorer til mikrokontrollere. La oss vurdere flere ordninger for å koble sensorer til den analoge inngangen til den populære AVR-mikrokontrolleren, ved å bruke Arduino-familien av brett som et eksempel.

Måleinstrumenter har ulike måleområder. Denne funksjonen realiseres også ved hjelp av en gruppe motstander.

Men anvendelsesområdet for spenningsdelere slutter ikke der. Slik slukkes de ekstra voltene når strømmen begrenses gjennom LED-en, spenningen fordeles også over pærene i kransen, og du kan også drive en laveffektsbelastning.

Ikke-lineære skillelinjer

Vi nevnte at en parametrisk stabilisator tilhører ikke-lineære skillelinjer. I sin enkleste form består den av en motstand og en zenerdiode. For en zenerdiode ser det skjematiske symbolet ut som en konvensjonell halvlederdiode. Den eneste forskjellen er tilstedeværelsen av en ekstra funksjon på katoden.

Beregningen er basert på U-stabiliseringen til zenerdioden. Så hvis vi har en 3,3 volt zenerdiode, og U-forsyningen er 10 volt, så tas stabiliseringsstrømmen fra dataarket til zenerdioden. La den for eksempel være lik 20 mA (0,02 A), og belastningsstrømmen er 10 mA (0,01 A).

Deretter:

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

La oss finne ut hvordan en slik stabilisator fungerer. Zenerdioden er inkludert i kretsen i omvendt forbindelse, det vil si at hvis U-utgangen er lavere enn Ustabilisering, flyter ikke strømmen gjennom den. Når Upower stiger til Ustabilization, oppstår et snøskred eller tunnelsammenbrudd av PN-krysset og en strøm begynner å flyte gjennom det, som kalles stabiliseringsstrømmen. Den er begrenset av motstand R1, som demper forskjellen mellom Uinput og Ustabilization. Når den maksimale stabiliseringsstrømmen overskrides, oppstår et termisk sammenbrudd og Zener-dioden brenner ut.

Forresten, noen ganger kan du implementere en stabilisator på dioder. Stabiliseringsspenningen vil da være lik diodens foroverfall eller summen av diodekretsens fall. Still inn strømmen som passer for karakteren til diodene og for kretsens behov. Denne løsningen brukes imidlertid sjelden. Men en slik diodebasert enhet kalles bedre en begrenser, ikke en stabilisator. Og en variant av samme krets for AC-kretser. Dette vil begrense amplituden til AC-signalet til et foroverfall på 0,7V.

Så vi fant ut hva en spenningsdeler er og hva den er for. Det er enda flere eksempler hvor noen av variantene av de betraktede kretsene brukes, til og med et potensiometer i essens er en skillelinje med jevn justering av overføringskoeffisienten, og brukes ofte sammen med en konstant motstand. I alle fall forblir prinsippet om drift, valg og beregning av elementer uendret.

Til slutt anbefaler vi å se videoen, som tar en nærmere titt på hvordan dette elementet fungerer og hva det består av:

Relatert materiale:

• Måter å senke spenningen på
• Hva er aktiv, reaktiv og tilsynelatende kraft
• Hvordan fungerer et spenningsrelé?