Spänningsdelare: enhet, funktionsprincip, syfte

Ofta, när man designar en elektronisk krets, blir det nödvändigt att erhålla en punkt med en viss signalnivå. Skapa till exempel en referenspunkt eller förspänning, strömförsörj en lågeffektskonsument genom att sänka dess nivå och begränsa strömmen. Det är i sådana fall du behöver använda en spänningsdelare. Vi kommer att berätta vad det är och hur man beräknar det i den här artikeln.

Definition

En spänningsdelare är en enhet eller enhet som sänker utspänningen i förhållande till ingången, i proportion till överföringskoefficienten (den kommer alltid att vara under noll). Den fick detta namn eftersom den representerar två eller flera seriekopplade delar av kedjan.

De är linjära och icke-linjära. I detta fall är de första aktiva eller reaktans, där överföringskoefficienten bestäms av förhållandet från Ohms lag. Uttalade olinjära delare inkluderar parametriska spänningsstabilisatorer. Låt oss se hur den här enheten fungerar och varför den behövs.

Typer och handlingsprincip

Det bör genast noteras att principen för driften av spänningsdelaren i allmänhet är densamma, men beror på de element som den består av. Det finns tre huvudtyper av linjära kretsar:

• resistiv;
• kapacitiv;
• induktiv.

Den vanligaste avdelaren på motstånd, på grund av dess enkelhet och lätthet att beräkna. Med hjälp av hans exempel kommer vi att överväga den grundläggande informationen om denna enhet.

Varje spänningsdelare har Uinput och Uoutput om den består av två motstånd, om det finns tre motstånd kommer det att finnas två utspänningar och så vidare. Valfritt antal delningssteg kan göras.

Uinput är lika med matningsspänning, Uoutput beror på förhållandet mellan motstånden i delararmarna. Om vi ​​betraktar en krets med två motstånd, så blir den övre, eller som det också kallas, dämpningsaxeln R1. Den nedre eller utgångsaxeln kommer att vara R2.

Anta att vi har en strömförsörjning på 10V, motståndet R1 är 85 ohm och motståndet R2 är 15 ohm. Det är nödvändigt att beräkna Uoutput.

Sedan:

U = I * R

Eftersom de är seriekopplade, då:

U1 = I * R1

U2 = I * R2

Om du sedan lägger till uttrycken:

U1 + U2 = I (R1 + R2)

Om vi ​​uttrycker strömmen härifrån får vi:

Genom att ersätta det föregående uttrycket har vi följande formel:

Låt oss räkna för vårt exempel:

Spänningsdelaren kan också göras på reaktanser:

• på kondensatorer (kapacitiv);
• på induktorer (induktiva).

Då blir beräkningarna liknande, men motstånden beräknas med hjälp av formlerna nedan.

För kondensatorer:

För induktans:

En egenskap och skillnad mellan dessa typer av delare är att en resistiv delare kan användas i alternerande kretsar och i kretsar likström, och kapacitiv och induktiv endast i växelströmskretsar, för först då kommer deras reaktiva motstånd.

Intressant! I vissa fall kommer en kapacitiv delare att fungera i DC-kretsar, ett bra exempel är användningen av en sådan lösning i ingångskretsen för datorströmförsörjning.

Användningen av reaktans beror på det faktum att de under sin drift inte genererar en sådan mängd värme som när man använder aktiva motstånd (motstånd) i strukturer

Exempel på användning i ett schema

Det finns många kretsar där spänningsdelare används. Därför kommer vi att ge flera exempel på en gång.

Låt oss säga att vi designar ett förstärkarsteg, på en transistor, som fungerar i klass A. Baserat på dess funktionsprincip måste vi ställa in en sådan förspänning (U1) på basen av transistorn, så att dess arbetspunkt ligger på ett linjärt segment av I - V-karakteristiken, medan strömmen genom transistorn inte är överdrivet. Låt oss säga att vi måste tillhandahålla en basström på 0,1 mA med en U1 på 0,6 volt.

Sedan behöver vi beräkna motståndet i avdelarens armar, och det är den omvända beräkningen i förhållande till vad vi har angett ovan. Först och främst, hitta strömmen genom avdelaren. Så att belastningsströmmen inte i hög grad påverkar spänningen på dess axlar, ställer vi in ​​strömmen genom delaren med en storleksordning högre än belastningsströmmen i vårt fall, 1 mA. Låt strömförsörjningen vara 12 volt.

Då är det totala motståndet för delaren lika med:

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 = 12 000-600 = 11 400

Låt oss kolla beräkningarna:

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

Motsvarande övre axel kommer att slockna

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

Men detta är inte hela beräkningen. För en fullständig beräkning av delaren är det nödvändigt att bestämma kraften hos motstånden så att de inte brinner ut. Vid en ström på 1 mA kommer strömmen att släppas på R1:

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

Och på R2:

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

Här är det försumbart, men tänk hur mycket effekt motstånden skulle behöva om delningsströmmen var 100 mA eller 1 A?

För det första fallet:

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

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

För det andra fallet:

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

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

Det är redan betydande siffror för elektronik, inklusive för användning i förstärkare. Detta är inte effektivt, därför används för närvarande impulskretsar, även om linjära fortsätter användas antingen i amatörkonstruktioner eller i specifik utrustning med speciell krav.

Det andra exemplet är en avdelare för att bilda Uref för en justerbar zenerdiod TL431. De används i de flesta billiga nätaggregat och laddare för mobiltelefoner. Du kan se anslutningsdiagrammet och beräkningsformlerna nedan. Med hjälp av två motstånd skapas här en punkt med en Uref på 2,5 volt.

Ett annat exempel är att koppla alla typer av sensorer till mikrokontroller. Låt oss överväga flera scheman för att ansluta sensorer till den analoga ingången på den populära AVR-mikrokontrollern, med Arduino-familjen av kort som ett exempel.

Mätinstrument har olika mätområden. Denna funktion realiseras också med hjälp av en grupp motstånd.

Men tillämpningsområdet för spänningsdelare slutar inte där. Så här släcks extravolten när strömmen begränsas genom lysdioden, spänningen fördelas även över glödlamporna i kransen, och du kan även driva en lågeffektlast.

Icke-linjära avdelare

Vi nämnde att en parametrisk stabilisator tillhör olinjära avdelare. I sin enklaste form består den av ett motstånd och en zenerdiod. För en zenerdiod ser den schematiska symbolen ut som en konventionell halvledardiod. Den enda skillnaden är närvaron av en extra funktion på katoden.

Beräkningen baseras på U-stabiliseringen av zenerdioden. Sedan om vi har en 3,3 volt zenerdiod och U-matningen är 10 volt, så tas stabiliseringsströmmen från databladet till zenerdioden. Låt det till exempel vara lika med 20 mA (0,02 A), och belastningsströmmen är 10 mA (0,01 A).

Sedan:

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

Låt oss ta reda på hur en sådan stabilisator fungerar. Zenerdioden ingår i kretsen i omvänd anslutning, det vill säga om U-utgången är lägre än Ustabilisering, flyter inte strömmen genom den. När Upower stiger till Ustabilisering sker en lavin eller tunnelnedbrytning av PN-övergången och en ström börjar flyta genom den, vilket kallas stabiliseringsströmmen. Det begränsas av motståndet R1, vilket dämpar skillnaden mellan Uinput och Ustabilization. När den maximala stabiliseringsströmmen överskrids uppstår ett termiskt genombrott och Zenerdioden brinner ut.

Förresten, ibland kan du implementera en stabilisator på dioder. Stabiliseringsspänningen blir då lika med diodernas framåtfall eller summan av diodkretsens fall. Ställ in strömmen som är lämplig för diodernas klassificering och för din krets behov. Denna lösning används dock sällan. Men en sådan diodbaserad enhet kallas bättre en limiter, inte en stabilisator. Och en variant av samma krets för AC-kretsar. Detta kommer att begränsa AC-signalens amplitud till ett framåtfall på 0,7V.

Så vi kom på vad en spänningsdelare är och vad den är till för. Det finns ännu fler exempel där någon av varianterna av de övervägda kretsarna används, till och med en potentiometer in essence är en avdelare med smidig justering av transmissionskoefficienten och används ofta tillsammans med en konstant motstånd. I vilket fall som helst förblir principen för drift, urval och beräkning av element oförändrad.

Slutligen rekommenderar vi att du tittar på videon, som tar en närmare titt på hur detta element fungerar och vad det består av:

Relaterat material:

• Sätt att sänka spänningen
• Vad är aktiv, reaktiv och skenbar kraft
• Hur fungerar ett spänningsrelä?