Delilnik napetosti: naprava, načelo delovanja, namen

Pogosto je pri načrtovanju elektronskega vezja potrebno pridobiti točko z določeno stopnjo signala. Na primer, ustvarite referenčno točko ali pristransko napetost, napajajte porabnika z nizko porabo z znižanjem njegove ravni in omejite tok. V takih primerih morate uporabiti napetostni delilnik. Kaj je in kako ga izračunati, vam bomo povedali v tem članku.

Opredelitev

Delilnik napetosti je naprava ali naprava, ki znižuje izhodno napetost glede na vhodno, sorazmerno s koeficientom prenosa (vedno bo pod ničlo). To ime je dobil, ker predstavlja dva ali več serijsko povezanih delov verige.

So linearni in nelinearni. V tem primeru so prvi aktivni ali reaktančni, pri katerih je prenosni koeficient določen z razmerjem iz Ohmov zakon. Izraziti nelinearni delilniki vključujejo parametrične napetostne stabilizatorje. Poglejmo, kako deluje ta naprava in zakaj je potrebna.

Vrste in načelo delovanja

Takoj je treba opozoriti, da je načelo delovanja napetostnega delilnika na splošno enako, vendar je odvisno od elementov, iz katerih je sestavljen. Obstajajo tri glavne vrste linearnih vezij:

• uporni;
• kapacitivni;
• induktivno.

Najpogostejši delilnik na uporih zaradi svoje preprostosti in enostavnosti izračuna. Na njegovem primeru bomo upoštevali osnovne informacije o tej napravi.

Vsak delilnik napetosti ima Uinput in Uoutput, če je sestavljen iz dveh upori, če so trije upori, bosta dve izhodni napetosti itd. Naredite lahko poljubno število korakov delitve.

Uinput je enak napajalni napetosti, Uoutput je odvisen od razmerja uporov v delilnikih. Če upoštevamo vezje z dvema upori, bo zgornja ali, kot se tudi imenuje, dušilna rama R1. Spodnja ali izhodna rama bo R2.

Recimo, da imamo napajalnik 10 V, upor R1 je 85 ohmov, upor R2 pa 15 ohmov. Potrebno je izračunati Uoutput.

Nato:

U = I * R

Ker so povezani zaporedno, potem:

U1 = I * R1

U2 = I * R2

Potem, če dodate izraze:

U1 + U2 = I (R1 + R2)

Če izrazimo tok od tu, dobimo:

Če zamenjamo prejšnji izraz, imamo naslednjo formulo:

Preštejmo za naš primer:

Napetostni delilnik je lahko izdelan tudi na reaktancah:

• na kondenzatorji (kapacitivni);
• na induktorjih (induktivnih).

Potem bodo izračuni podobni, vendar se upori izračunajo po spodnjih formulah.

Za kondenzatorje:

Za induktivnost:

Značilnost in razlika med temi vrstami delilnikov je, da se lahko uporni delilnik uporablja v izmeničnih tokokrogih in v tokokrogih enosmerni tok, kapacitivni in induktivni pa le v tokokrogih z izmeničnim tokom, ker bo le tako njihova reaktivna odpornost.

Zanimivo! V nekaterih primerih bo kapacitivni delilnik deloval v enosmernih tokokrogih, dober primer je uporaba takšne rešitve v vhodnem vezju računalniških napajalnikov.

Uporaba reaktance je posledica dejstva, da med svojim delovanjem ne proizvajajo takšne količine toplote kot pri uporabi aktivnih uporov (uporov) v strukturah

Primeri uporabe v shemi

Obstaja veliko vezij, kjer se uporabljajo delilniki napetosti. Zato bomo dali več primerov naenkrat.

Recimo, da načrtujemo ojačevalno stopnjo na tranzistorju, ki deluje v razredu A. Na podlagi njegovega principa delovanja moramo na bazi tranzistorja nastaviti tako pristransko napetost (U1), tako da je njegova delovna točka na linearnem segmentu I - V karakteristike, medtem ko tok skozi tranzistor ni pretirano. Recimo, da moramo zagotoviti osnovni tok 0,1 mA z U1 0,6 voltov.

Nato moramo izračunati upor v rokah delilnika, in to je obraten izračun glede na to, kar smo navedli zgoraj. Najprej poiščite tok skozi delilnik. Da obremenitveni tok ne vpliva močno na napetost na njegovih ramenih, nastavimo tok skozi delilnik za red velikosti višji od toka obremenitve v našem primeru, 1 mA. Naj bo napajalnik 12 voltov.

Potem je skupni upor delilnika enak:

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

R2 / R = U2 / U

ali:

R2 / (R1 + R2) = U2 / moč

10/20=3/6

20*3/6=60/6/10

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

R1 = 12000-600 = 11400

Preverimo izračune:

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

Ustrezna zgornja rama bo ugasnila

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

Toda to ni celoten izračun. Za popoln izračun delilnika je treba določiti moč uporov, da ne izgorejo. Pri toku 1 mA se bo moč sprostila na R1:

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

In na R2:

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

Tukaj je zanemarljivo, ampak predstavljajte si, koliko moči bi potrebovali upori, če bi bil tok delilnika 100 mA ali 1 A?

Za prvi primer:

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

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

Za drugi primer:

P1 = 11,4 * 1 = 11,4 vata

P2 = 0,6 * 1 = 0,6 W

To je že precejšnja številka za elektroniko, tudi za uporabo v ojačevalnikih. To ni učinkovito, zato se trenutno uporabljajo impulzna vezja, čeprav se linearna nadaljujejo uporabiti bodisi v amaterskih konstrukcijah bodisi v posebni opremi s posebnimi zahteve.

Drugi primer je delilnik za oblikovanje Uref za nastavljivo zener diodo TL431. Uporabljajo se v večini poceni napajalnikov in polnilnikov za mobilne telefone. Spodaj si lahko ogledate povezovalni diagram in formule za izračun. S pomočjo dveh uporov se tukaj ustvari točka z Uref 2,5 voltov.

Drug primer je povezovanje vseh vrst senzorjev z mikrokrmilniki. Razmislimo o več shemah za priključitev senzorjev na analogni vhod priljubljenega mikrokrmilnika AVR, na primer družino plošč Arduino.

Merilni instrumenti imajo različna merilna območja. Ta funkcija se izvaja tudi z uporabo skupine uporov.

Toda področje uporabe napetostnih delilnikov se tu ne konča. Tako se dodatni volti ugasnejo, ko je tok omejen skozi LED, napetost se porazdeli tudi po žarnicah v girlandi, napajate pa lahko tudi obremenitev majhne moči.

Nelinearni delilniki

Omenili smo, da parametrični stabilizator spada med nelinearne delilnike. V svoji najpreprostejši obliki je sestavljen iz upora in zener diode. Za zener diodo je shematski simbol videti kot običajna polprevodniška dioda. Edina razlika je prisotnost dodatne funkcije na katodi.

Izračun temelji na U stabilizaciji zener diode. Potem, če imamo 3,3-voltno zener diodo in je napajanje U 10 voltov, potem se stabilizacijski tok vzame iz podatkovnega lista v zener diodo. Naj je na primer enak 20 mA (0,02 A), obremenitveni tok pa 10 mA (0,01 A).

Nato:

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

Ugotovimo, kako deluje tak stabilizator. Zener dioda je vključena v vezje v obratni povezavi, to je, če je Uoutput nižji od Ustabilizacije, tok ne teče skozenj. Ko Upower naraste do Ustabilizacije, pride do plazovitega ali tunelskega razpada PN spoja in skozenj začne teči tok, ki se imenuje stabilizacijski tok. Omejen je z uporom R1, ki duši razliko med Uinput in Ustabilizacijo. Ko je največji stabilizacijski tok presežen, pride do toplotnega zloma in Zener dioda izgori.

Mimogrede, včasih lahko namestite stabilizator na diode. Stabilizacijska napetost bo nato enaka padcu diod naprej ali vsoti padcev diodnega vezja. Nastavite tok, primeren za oceno diod in za potrebe vašega vezja. Vendar se ta rešitev redko uporablja. Toda takšno napravo na osnovi diode je bolje imenovati omejevalnik, ne stabilizator. In različica istega vezja za izmenična vezja. To bo omejilo amplitudo izmeničnega signala na padec naprej 0,7 V.

Tako smo ugotovili, kaj je napetostni delilnik in čemu služi. Še več je primerov, kjer se uporablja katera koli od variant obravnavanih vezij, celo potenciometer v esenca je delilnik z gladko prilagoditvijo koeficienta prenosa in se pogosto uporablja v tandemu s konstantnim upor. V vsakem primeru ostaja načelo delovanja, izbire in izračuna elementov nespremenjeno.

Na koncu priporočamo ogled videoposnetka, ki podrobneje pogleda, kako ta element deluje in iz česa je sestavljen:

Povezani materiali:

• Načini za znižanje napetosti
• Kaj je aktivna, jalova in navidezna moč
• Kako deluje napetostni rele?