Содержание

Делитель напряжения на резисторах: онлайн калькулятор расчета

Схема делителя напряжения является простой, но в тоже время фундаментальной электросхемой, которая очень часто используется в электронике. Принцип работы ее прост: на входе подается более высокое входное напряжение и затем оно преобразуется в более низкое выходное напряжение с помощью пары резисторов. Формула расчета выходного напряжения основана на законе Ома и приведена ниже.

Классическая формула делителя напряжения

где:

  • Uвх. — входное напряжение источника, В;
  • Uвых. — выходное напряжение, В;
  • R1 — сопротивление 1-го резистора, Ом;
  • R2 — сопротивление 2-го резистора, Ом.
Схема классического делителя напряжения на 2 резистора

В калькулятор ниже введите любые три известных значения Uвх., Uвых. и R1  и нажмите «Рассчитать», чтобы найти значение R2.

Упрощения

Существует несколько обобщений, которые следует учитывать при использовании делителей напряжения.

 Это упрощения, которые упрощают оценку схемы деления напряжения.

Во-первых, если R2 и R1 равны, то выходное напряжение вдвое меньше входного напряжения. Это верно независимо от значений резисторов.

Итак, если R1 = R2, то получаем следующее уравнение:

Формула делителя напряжения, если сопротивления равны

Во-вторых, если R2 на порядок больше чем R1, то выходное напряжение Uвых будет очень близко к Uвх., то есть Uвх. ≈ Uвых. А на R1 будет очень мало напряжения.

Формула делителя напряжения, если R2 на порядок больше R1

Во-третьих, если наоборот R1 на порядок больше чем R2

, то Uвых будет очень маленьким по сравнению с Uвх, то есть будет стремиться к нулю. Практически все входное напряжение упадет в таком случае на R1.


Вы можете воспользоваться онлайн калькулятором ниже, чтобы проверить как саму классическую формулу делителя напряжения, представленную на рисунке 1, так и вышеприведенные упрощения этой формулы.

Делитель напряжения – Расчет делителя напряжения

Делитель напряжения — это это цепь, состоящая из двух и более пассивных радиоэлементов, которые соединены последовательно.

Делитель напряжения на резисторах

Давайте разберем самый простой делитель напряжения, состоящий из двух резисторов. Эти два резистора соединим последовательно и подадим на них напряжение. Напряжение может быть как постоянное, так и переменное.

Подавая напряжение на эту цепь, состоящую из двух резисторов, у нас получается, что цепь становится замкнутой, и в цепи начинает течь электрический ток с какой-то определенной силой тока, которая зависит от номиналов резисторов.

Итак, мы знаем, что при последовательном соединении сила тока в цепи одинакова. То есть какая сила тока протекает через резистор R1, такая же сила тока течет и через резистор R2. Как же вычислить эту силу тока? Оказывается, достаточно просто, используя закон Ома: I=U/R.

Так как наши резисторы соединены последовательно, то и их общее сопротивление будет выражаться формулой

То есть в нашем случае мы можем записать, что

Как найти напряжение, которое падает на резисторе R2?

Так как ток для обоих резисторов общий, то согласно закону Ома

Подставляем вместо I формулу

и получаем в итоге

Для другого резистора ситуация аналогичная. На нем падает напряжение

Для него формула запишется

Давайте докажем, что сумма падений напряжений на резисторах равняется напряжению питания, то есть нам надо доказать, что U=UR1 +UR2 . Подставляем значения и смотрим.

что и требовалось доказать.

Эта формула также работает и для большого количества резисторов.

На схеме выше мы видим резисторы, которые соединены последовательно. Чему будет равняться Uобщ ? Так как резисторы соединены последовательно, следовательно, на каждом резисторе падает какое-то напряжение. Сумма падений напряжения на всех резисторах будет равняться Uобщ . В нашем случае формула запишется как

Как работает делитель напряжения на практике


Итак у нас имеются вот такие два резистора и наш любимый мультиметр:

Замеряем сопротивление маленького резистора, R1=109,7 Ом.

Замеряем сопротивление большого резистора R2=52,8 Ом.

Выставляем на блоке питания ровно 10 Вольт. Замер напряжения производим с помощью мультиметра.

 

Цепляемся блоком питания за эти два резистора, запаянные последовательно. Напомню, что на блоке ровно 10 Вольт. Показания амперметра на блоке питания тоже немного неточны. Силу тока мы будем замерять в дальнейшем также с помощью мультиметра.

Замеряем падение напряжения на большом резисторе, который обладает номиналом в 52,8 Ом. Мультиметр намерял 3,21 Вольта.

Замеряем напряжение на маленьком резисторе номиналом в 109,7 Ом. На нем падает  напряжение 6,77 Вольт.

Ну что, с математикой, думаю, у всех в порядке. Складываем эти два значения напряжения. 3,21+6,77 = 9,98 Вольт. А куда делись еще 0,02 Вольта? Спишем на погрешность щупов и средств измерений. Вот наглядный пример того, что мы смогли разделить напряжение на два разных напряжения. Мы еще раз убедились, что сумма падений напряжений на каждом резистора равняется напряжению питания, которое подается на эту цепь.

[quads id=1]

Сила тока в цепи при последовательном соединении резисторов


Давайте убедимся, что сила тока при последовательном соединении резисторов везде одинакова. Как измерить силу тока постоянного напряжения, я писал здесь. Как видим, мультиметр показал значение 0,04 А или 40 мА в начале цепи, в середине цепи и даже в конце цепи. Где бы мы не обрывали нашу цепь, везде одно и то же значение силы тока.

Переменный резистор в роли делителя напряжения

Для того, чтобы плавно регулировать выходное напряжение, у нас есть переменный резистор в роли делителя напряжения. Его еще также называют потенциометром.

Его обозначение на схеме выглядит вот так:

Принцип работы такой: между двумя крайними контактами постоянное сопротивление. Сопротивление относительно среднего контакта по отношению к крайним может меняться  в зависимости от того, куда мы будем крутить крутилку этого переменного резистора. Этот резистор рассчитан на мощность 1Вт и имеет полное сопротивление 330 Ом. Давайте посмотрим, как он будет делить напряжение.

Так как мощность небольшая, всего 1 Вт, то мы не будем нагружать его большим напряжением. Мощность, выделяемая на каком-либо резисторе рассчитывается по формуле P=I2R. Значит, этот переменный резистор может делить только маленькое напряжение при маленьком сопротивлении нагрузки и наоборот. Главное, чтобы значение мощности этого  резистора не вышло за грани. Поэтому я буду делить напряжение в 1 Вольт.

Для этого выставляем на блоке напряжение в 1 Вольт и цепляемся к нашему резистору по двум крайним контактам.

Крутим крутилку в каком-нибудь произвольном направлении и останавливаем ее. Замеряем напряжение между левым и средним контактом и получаем 0,34 Вольта.

 

Замеряем напряжение между средним и правым контактом и получаем 0,64 Вольта

Суммируем напряжение и получаем 0,34+0,64=0,98 Вольт. 0,02 Вольта опять где-то затерялись. Скорее всего на щупах, так как они тоже обладают сопротивлением. Как вы видите, простой переменный резистор мы можем использовать в роли простейшего делителя напряжения.

Похожие статьи по теме «делитель напряжения»

Делитель тока

Что такое резистор

Что такое напряжение

Блок питания

напряжения на резисторе и после

При разработке печатных плат для электронного оборудования специалистам часто приходится выполнять расчет делителя. С виду простая схема помогает уменьшить выходное напряжение, необходимое для питания отдельных элементов цепи. Такая компоновка является базовой для электроники. В основу изучения принципа действия входят два момента: схематическое исполнение и формула для вычисления параметров работы делителя.

Что такое делитель напряжения

Схематическое исполнение понижающего устройства представляет собой последовательную цепь, состоящую из двух резистивных элементов. Суммарные значения сопротивлений позволяют уменьшить входящее напряжение до необходимых параметров на выходе. Между собой они связаны передаточным коэффициентом, находящимся в интервале от 0 до 1, включая границы (0<=aplha<=1).

Общее представление делителя напряжения

Существует несколько вариантов схематического исполнения приборов, но все они обладают одним и тем же функционалом — понижать вольтаж для потребителей, однако ток на всех полюсах остается одинаковым. Два последовательных участка цепи называют плечами. Нижнее плечо находится между центральной точкой и нулевым потенциалом. Именно здесь необходимо снимать показатели работы схемы. Другое плечо является верхним.

 

Простая схема на резисторах

В зависимости от расположения резисторов, различают линейные и нелинейные схемы делителей. Первый вариант используют для создания разности потенциалов и вольтажа в нескольких точках рабочих узлов. Понижение входного напряжения определяется по линейному закону.

Дополнительная информация! Понижающие узлы применяют для постоянного и переменного тока. Структурное исполнение обоих отличается друг от друга, поскольку в некоторых случаях требует включение дополнительных фильтров для подавления помех и шумов.

В нелинейных схемах разница определяется по передаточному коэффициенту. Такие устройства активно применяют в потенциометрах. Здесь учитывают присутствие активного и реактивного сопротивления, включая нелинейные и токовые нагрузки.

Принцип работы делителя напряжения

В состав простейшей понижающей схемы всегда входит не меньше одного резистора.

Если элементы обладают одинаковыми коэффициентами сопротивляемости электронов, то на выходе вольтаж понизится в два раза. Для каждого узла понижение рассчитывается по закону Ома.

Внимание! Сумма пониженных величин в каждой точке равна общему вольтажу источника питания.

Схема с несколькими резисторами

Резисторы используют в принципиальных схемах с источником питания постоянного тока. В цепях переменного напряжения присутствует еще и реактивное сопротивление, куда входят конденсаторы, индуктивные катушки и другие элементы с электромагнитными полями.

В цепях с синусоидальным током в качестве резистивного элемента выступает конденсатор или катушка. Их называют емкостными. Расчет ведется уже по другой формуле, так как емкость конденсаторов обратно пропорциональна их реактивному сопротивлению. Для вычисления резистивной составляющей необходимо учитывать постоянное число ПИ, частоту синусоидального тока (Гц) и емкость (Фарад). Таким образом получается, что с увеличением емкости падает сопротивление и наоборот.

Кроме конденсаторов, в качестве реактивных компонентов также могут выступать индуктивные катушки, которые могут присутствовать в платах переменного тока. Коэффициент реактивного сопротивления обмоток также прямо пропорционален их номинальным значениям. Для вычислений также необходимо постоянное число ПИ, частота переменного магнитного поля (Гц) и индуктивность (Генри).

Делитель на индукционных катушках

Внимание! В описании выше токовая нагрузка равна бесконечности, поэтому все значения верны только при полученных показателях делителя на сопротивления нагрузки. Они в несколько раз больше внутреннего.

Формула для расчета делителя напряжения

Начинающие радиолюбители часто задаются главным вопросом, как правильно рассчитать напряжение после резистора. Для этого необходимо знать, какой ток пойдет по цепи. В простейших схемах постоянного тока его вычисляют по линейному закону Ома. Формула расчета выглядит U=I*R, где:

  • U — напряжение, В;
  • I — ток, А;

В цепях с синусоидальным током, где присутствует реактивное сопротивление катушки или конденсатора, формула выглядит как R=1/(2*pi*f*L) и R=1/(2*pi*f*C) соответственно. В формуле использованы показатели:

График зависимости показателей от сопротивления
  • R — реактивное сопротивление;
  • R — сопротивление, Ом.
  • pi — постоянное число Пи, равное 3,14;
  • f — частота, Гц;
  • L — индуктивность катушки, Генри;
  • C — емкость конденсатора, Фарад.

Получив в расчетах внутреннюю резистивность элементов, далее можно воспользоваться линейной формулой для вычисления выходного значения.

На резисторе

В схеме делителя всегда участвует не меньше двух узлов нагрузки. Их коэффициенты могут быть равны другу, но и отличаться. Поэтому порой возникает необходимость получить номинал выходного вольтажа для каждого из них. Для этого используют всем известную формулу закона Ома: U=I*R.

После резистора

Для расчета показателя после резистора необходимо учитывать номиналы обоих элементов, так как они работают совместно друг с другом. Применив закон Ома, получается следующая формула: Uвых=Uпит*R1/(R1+R2), где:

  • Uвых — вольтаж на выходе, В;
  • Uпит — входной вольтаж, В;
  • R1 — первый узел, Ом;
  • R2 — второй узел, Ом.

Падение потенциалов за резистором рассчитывают для каждого узла в отдельности. То есть для второго элемента формула будет выглядеть так: Uвых=Uпит*R2/(R1+R2).

Делитель позволяет разработчикам получить несколько номинальных значений выходного напряжения от одного питающего источника. По этой причине схема получила широкое применение в электронике как в понижающих блоках питания, так и в качестве интегрированного узла электроцепи.

Делитель напряжения на резисторах. Формула расчета, онлайн калькулятор

Делитель напряжения — это простая схема, которая позволяет получить из высокого напряжения пониженное напряжение.

Используя только два резистора и входное напряжение, мы можем создать выходное напряжение, составляющее определенную часть от входного. Делитель напряжения является одной из наиболее фундаментальных схем в электронике. В вопросе изучения работы делителя напряжения следует отметить два основных момента – это сама схема и формула расчета.

Hantek 2000 — осциллограф 3 в 1

Портативный USB осциллограф, 2 канала, 40 МГц….

Подробнее

Схема делителя напряжения на резисторах

Схема делителя напряжения включает в себя входной источник напряжения и два резистора. Ниже вы можете увидеть несколько схематических вариантов изображения делителя, но все они несут один и тот же функционал.


Обозначим резистор, который находится ближе к плюсу входного напряжения (Uin) как R1, а резистор находящийся ближе к минусу как R2. Падение напряжения (Uout) на резисторе R2 — это пониженное напряжение, полученное в результате применения резисторного делителя напряжения.


Практическое применение параллельного и последовательного соединения

Составные элементы прибора соединяют в цепь, чтобы получить из сети нужную для устройства часть энергии.

Пример работы делителя напряжения на фоторезисторе.

Исходное сопротивление меняется от 1кОм в момент полного освещения до 10кОм при отсутствии света, то можно увеличить диапазон сопротивления. При добавлении резисторов с R=5,6кОм, исходящее напряжение меняется следующим образом:

ОсвещённостьR1 (кОм)R2(кОм)R2/(R1+R2)U выходное (В)
Яркая5,610,150,76
Тусклая5,670,562,78
Темнота5,6100,673,21

Таким образом, увеличивается диапазон выходного напряжения, и оно становится подходящим для большинства сетей.

Потенциометры

Потенциометры используют в качестве делителя в системе с постоянным током. Их применяют в основном для изменения отдельных параметров в механизме.

На потенциометр подается напряжение, регулируемое подвижным контактом, который действует, когда крутят ручку, в результате оно может меняться от нуля до исходного значения. Потенциометры используют в быту, как регулятор громкости, и в электронике, например, в качестве датчика.

Резистивные датчики

Резистивные датчики также называют омическими. Это приборы, в которых изменяется сопротивление, если изменяется длина, площадь сечения или удельное сопротивление. Их используют в устройствах для изменения сопротивления, а также при помощи микроконтроллера с его помощью вы можете измерить напряжение. Существуют различные датчики, одним из некоторых является фоторезистор — переменный резистор, сопротивление которого зависит от попадающего на него света.

Расчет делителя напряжения на резисторах

Расчет делителя напряжения предполагает, что нам известно, по крайней мере, три величины из приведенной выше схемы: входное напряжение и сопротивление обоих резисторов. Зная эти величины, мы можем рассчитать выходное напряжение.

Формула делителя напряжения

Это не сложное упражнение, но очень важное для понимания того, как работает делитель напряжения. Расчет делителя основан на законе Ома.

Для того чтобы узнать какое напряжение будет на выходе делителя, выведем формулу исходя из закона Ома. Предположим, что мы знаем значения Uin, R1 и R2. Теперь на основании этих данных выведем формулу для Uout. Давайте начнем с обозначения токов I1 и I2, которые протекают через резисторы R1 и R2 соответственно:


Наша цель состоит в том, чтобы вычислить Uout, а это достаточно просто используя закон Ома:

Блок питания 0…30 В / 3A

Набор для сборки регулируемого блока питания…

Подробнее

Хорошо. Мы знаем значение R2, но пока неизвестно сила тока I2. Но мы знаем кое-что о ней. Мы можем предположить, что I1 равно I2. При этом наша схема будет выглядеть следующим образом:

Что мы знаем о Uin? Ну, Uin это напряжение на обоих резисторах R1 и R2. Эти резисторы соединены последовательно, при этом их сопротивления суммируются:

И, на какое-то время, мы можем упростить схему:

Закон Ома в его наиболее простом виде: Uin = I *R. Помня, что R состоит из R1+R2, формула может быть записана в следующем виде:

А так как I1 равно I2, то:

Это уравнение показывает, что выходное напряжение прямо пропорционально входному напряжению и отношению сопротивлений R1 и R2.

Соединение резисторов

Соединение резисторов в различные конфигурации очень часто применяются в электротехнике и электронике. Здесь мы будем рассматривать только участок цепи, включающий в себя соединение резисторов. Соединение резисторов может производиться последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение резисторов

Последовательное соединение.

Последовательное соединение резисторов это такое соединение, в котором конец одного резистора соединен с началом второго резистора, конец второго резистора с началом третьего и так далее. То есть при последовательном соединении резисторы подключатся друг за другом. При таком соединении через резисторы будет протекать один общий ток. Следовательно, для последовательного соединения резисторов будет справедливо сказать, что между точками А и Б есть только один единственный путь протекания тока.

Интересно почитать: принцип действия и основные характеристики варисторов.

Таким образом, чем больше число последовательно соединенных резисторов, тем большее сопротивление они оказывают протеканию тока, то есть общее сопротивление Rобщ возрастает. Рассчитывается общее сопротивление последовательно соединенных резисторов по следующей формуле: Rобщ = R1 + R2 + R3+…+ Rn.


Последовательное и параллельное соединение резисторов.

Параллельное соединение резисторов


Параллельное соединение резисторов это соединение, в котором начала всех резисторов соединены в одну общую точку (А), а концы в другую общую точку. При этом по каждому резистору течет свой ток. При параллельном соединении при протекании тока из точки А в точку Б, он имеет несколько путей. Таким образом, увеличение числа параллельно соединенных резисторов ведет к увеличению путей протекания тока, то есть к уменьшению противодействия протеканию тока. А это значит, чем большее количество резисторов соединить параллельно, тем меньше станет значение общего сопротивления такого участка цепи (сопротивления между точкой А и Б.)

Общее сопротивление параллельно соединенных резисторов определяется следующим отношением: 1/Rобщ= 1/R1+1/R2+1/R3+…+1/Rn. Следует отметить, что здесь действует правило «меньше – меньшего». Это означает, что общее сопротивление всегда будет меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора. Общее сопротивление для двух параллельно соединенных резисторов рассчитывается по следующей формуле Rобщ= R1*R2/R1+R2

Если имеет место два параллельно соединенных резистора с одинаковыми сопротивлениями, то их общее сопротивление будет равно половине сопротивления одного из них. Данный вид подключения характерен тем, что все элементы цепи соединяется выводами в одной точке друг другу, т.е. точка входа и выхода всех нагрузок сходятся в одну точку (или еще одно обозначение на схемах — //). Электроток, двигаясь по проводнику, дойдя до общего соединения делится на количество имеющихся веток.

Если представить движение воды в трубе, то можно сказать, что вода двигающиеся по одной трубе, равномерно перетекает в несколько отводов, подсоединенных к ней. В нашем случае заряженные электроны, двигающиеся по проводнику, также растекаются на количества предложенных веток в узле.

Каждый вид соединения находится под одинаковым напряжением:

  • U = U1 = U2; Суммарная сила тока равняется суммарному значению тока каждого участка
  • I = I1 + I2; Сопротивление цепи равно сумме величина обратных сопротивлению участка:
  • 1/R = 1/R1 + 17R2 + . . . + 1/Rn; Сила тока пропорциональна сопротивлению каждого участка
  • I1/I2=R2/R1.

Будет интересно➡ Что такое терморезистор?

Примеры расчета

Давайте рассмотрим пример. Цепь представлена на рисунке выше. Есть источник тока и два сопротивления. Пусть R1=1,2 кОм, R2= 800 Ом, а ток в цепи 2 А. По закону Ома U = I * R. Подставляем наши значения:

  • U1 = R1 * I = 1200 Ом * 2 А = 2400 В;
  • U2 = R2 * I = 800 Ом * 2А = 1600 В.

Общее напряжение цепи считается как сумма напряжений на резисторах: U = U1 + U2 = 2400 В + 1600 В = 4000 В. Полученную цифру можно проверить. Для этого найдем суммарное сопротивление цепи и умножим его на ток. R = R1 + R2 = 1200 Ом + 800 Ом = 2000 Ом. Если подставить в формулу напряжения при последовательном соединении сопротивлений, получаем: U = R * I = 2000 Ом * 2 А = 4000 В. Получаем, что общее напряжение данной цепи 4000 В. А теперь посмотрите на схему. На первом вольтметре (возле резистора R1) показания будут 2400 В, на втором — 1600 В. При этом напряжение источника питания — 4000 В.

Смешанное соединение резисторов

Смешанное соединение резисторов является комбинацией последовательного и параллельного соединения. Иногда подобную комбинацию называют последовательно-параллельным соединением. На этом рисунке видно, что резисторы R2 R3 соединены параллельно, а R1, комбинация R2 R3 и R4 последовательно.

Для расчета сопротивления таких соединений, всю цепь разбивают на простейшие участки, из параллельно или последовательно соединенных резисторов. Далее следуют следующему алгоритму:

  • Определяют эквивалентное сопротивление участков с параллельным соединением резисторов.
  • Если эти участки содержат последовательно соединенные резисторы, то сначала вычисляют их сопротивление.
  • После расчета эквивалентных сопротивлений резисторов перерисовывают схему. Обычно получается цепь из последовательно соединенных эквивалентных сопротивлений.
  • Рассчитывают сопротивления полученной схемы.


Схема смешанного подключения.

Применение делителя напряжения на резисторах

В радиоэлектронике есть много способов применения делителя напряжения. Вот только некоторые примеры где вы можете обнаружить их.

Потенциометры

Потенциометр представляет собой переменный резистор, который может быть использован для создания регулируемого делителя напряжения.

Изнутри потенциометр представляет собой резистор и скользящий контакт, который делит резистор на две части и передвигается между этими двумя частями. С внешней стороны, как правило, у потенциометра имеется три вывода: два контакта подсоединены к выводам резистора, в то время как третий (центральный) подключен к скользящему контакту.

Если контакты резистора подключения к источнику напряжения (один к минусу, другой к плюсу), то центральный вывод потенциометра будет имитировать делитель напряжения.

Переведите движок потенциометра в верхнее положение и напряжение на выходе будет равно входному напряжению. Теперь переведите движок в крайнее нижнее положение и на выходе будет нулевое напряжение. Если же установить ручку потенциометра в среднее положение, то мы получим половину входного напряжения.

Резистивные датчики

Большинство датчиков применяемых в различных устройствах представляют собой резистивные устройства. Фоторезистор представляет собой переменный резистор, который изменяет свое сопротивление, пропорциональное количеству света, падающего на него. Так же есть и другие датчики, такие как датчики давления, ускорения и термисторы и др.

Так же резистивный делитель напряжения помогает измерить напряжение при помощи микроконтроллера (при наличии АЦП).

Пример работы делителя напряжения на фоторезисторе.

Допустим, сопротивление фоторезистора изменяется от 1 кОм (при освещении) и до 10 кОм (при полной темноте). Если мы дополним схему постоянным сопротивлением примерно 5,6 кОм, то мы можем получить широкий диапазон изменения выходного напряжения при изменении освещенности фоторезистора.

Как мы видим, размах выходного напряжения при уровне освещения от яркого до темного получается в районе 2,45 вольт, что является отличным диапазоном для работы большинства АЦП.

Расчет гасящего резистора

В схемах аппаратуры связи часто возникает необходимость подать на потребитель меньшее напряжение, чем дает источник. В этом случае последовательно с основным потребителем включают дополнительное сопротивление, на котором гасится избыток напряжения источника. Такое сопротивление называется гасящим.

Будет интересно➡ Как отличается параллельное и последовательное соединение резисторов?

Напряжение источника тока распределяется по участкам последовательной цепи прямо пропорционально сопротивлениям этих участков. Рассмотрим схему включения гасящего сопротивления:

  1. Полезной нагрузкой в этой цепи является лампочка накаливания, рассчитанная на нормальную работу при величине напряжения Uл= 80 в и тока I =20 ма.
  2. Напряжение на зажимах источника тока U=120 в больше Uл, поэтому если подключить лампочку непосредственно к источнику, то через нее пройдет ток, превышающий нормальный, и она перегорит.
  3. Чтобы этого не случилось, последовательно с лампочкой включено гасящее сопротивление R гас.


Схема включения гасящего сопротивления резистора.

Расчет величины гасящего сопротивления при заданных значениях тока и напряжения потребителя сводится к следующему:

– определяется величина напряжения, которое должно быть погашено:

Uгас = Uист – Uпотр,

Uгас = 120 – 80 = 40в

определяется величина гасящего сопротивления

Rгас = Uгас / I

Rгас = 40 / 0,020 = 2000ом = 2 ком

Далее необходимо рассчитать мощность, выделяемую на гасящем сопротивлении по формуле

P = I2 * Rгас

P = 0,0202 * 2000 = 0,0004 * 2000 = 0,8вт

Зная величину сопротивления и расходуемую мощность, выбирают тип гасящего сопротивления.

Порядок расчета делителей напряжения на резисторе: схемы и формулы

Автор Aluarius На чтение 5 мин. Просмотров 734 Опубликовано

Делитель напряжения на резисторах

Резисторный делитель напряжения — это устройство, с помощью которого из источника с высоким напряжением можно получить лишь необходимую для устройства часть. Это нужно сделать для питания потребителя с низкой мощностью. Ниже вы узнаете о разновидностях такого приспособления, для чего оно используется в физике, а также, как произвести необходимые расчёты самостоятельно и при помощи программ.

Что такое делитель тока

Делитель тока — это устройство, позволяющее разделить поток тока на две части, чтобы в дальнейшем использовать одну из них. Он нужен, когда устройство не работает с большим током и нужно отделить его меньшее количество, необходимое для использования аппаратуры.

Состоит делитель обычно из двух резисторов, параллельно соединённых, так в каждом из них будет уменьшаться ток.
При последовательном соединении будет уменьшаться напряжение.

Виды и принцип действия

В основе принципа действия устройства, уменьшающего нагрузку сети, лежит первый закон Кирхгофа: сумма сходящихся в узле токов равна нулю.

Принцип работы у всех одинаковый: в них есть U исходное: такое же, как в источнике питания и получаемое на выходе из сети, зависящее от соотношения резисторов в плечах делителя.
Схема, позволяющая понять принцип действия:

Различают разные устройства, в зависимости от элементов в составе:

  • резистивный — более популярен из-за простоты устройства.
  • ёмкостный;
  • индуктивный.

Формула для расчёта делителя напряжения

Как рассчитать резистор для понижения напряжения ?

Для расчёта получаемой в итоге нагрузки, нужно знать следующие данные: U исходное и значение сопротивления в каждом из составных элементов.

Делитель рассчитывается с учётом того, что проходящий через него ток минимум в 10 раз больше, чем на выходе и меньше, чем входящий в сеть.

Можно рассчитать общее сопротивление в резисторах:

R=R1*R2/(R1+R2)

В параллельно соединённых резисторах U1=U2, из это можно сделать вывод, что в сети протекает общий ток:
I=I1+I2

Найти общий ток можно, зная закон Ома

 

Уменьшаемое в итоге напряжение на резисторах находится по формуле:
U1=(R1/(R1+R2))*U
U2=(R2/(R1+R2))*U
Остаётся узнать, как найти ток на обоих резисторах:

I=U/R

Также, рассчитать напряжение на резисторе можно через ЭДС (Электродвижущую силу):

r – внутреннее сопротивление устройства.

 

Расчет делителя напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях

Делитель на резисторах — отличается своей универсальностью: используют при постоянном и переменном токе, но только при пониженном сопротивлении цепи.

Согласно закону Ома и правилу Кирхгофа через всю цепь будет проходить один и тот же ток.

Тогда на каждом из резисторов: U1= I х R1 и U2 = I х R2
Ток в цепи устройства:

 

Уменьшение на конденсаторах применяют для цепей с высоким переменным током. В нём минимальная потеря энергии на выходе. Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его электроёмкости и частоты напряжения в цепи.

Формула для вычисления сопротивления:

 

Делитель на индуктивностях используется при переменном низком токе на высоких частотах. Сопротивление катушки переменного тока прямо пропорционально зависит от индуктивности и частоты. У провода катушки имеется активное сопротивление, из-за чего мощность такого прибора больше, чем у аналогов.

Сопротивление катушки находится по формуле:

 

Расчет делителя напряжения калькулятором онлайн

Калькулятор онлайн — это программа, с помощью которой вы можете произвести необходимые вычисления для расчёта U выходного. Её используют, когда в расчётах много резисторов или при больших значениях. Для этого вам сначала нужно определить U исходное, сопротивление каждого из резисторов и ёмкость конденсатора.

Практическое применение параллельного и последовательного соединения

Составные элементы прибора соединяют в цепь, чтобы получить из сети нужную для устройства часть энергии.


Пример работы делителя напряжения на фоторезисторе.

Исходное сопротивление меняется от 1кОм в момент полного освещения до 10кОм при отсутствии света, то можно увеличить диапазон сопротивления. При добавлении резисторов с R=5,6кОм, исходящее напряжение меняется следующим образом:

ОсвещённостьR1 (кОм)R2(кОм)R2/(R1+R2)U выходное (В)
Яркая5,610,150,76
Тусклая5,670,562,78
Темнота5,6100,673,21

Таким образом, увеличивается диапазон выходного напряжения, и оно становится подходящим для большинства сетей.

Потенциометры

Потенциометры используют в качестве делителя в системе с постоянным током. Их применяют в основном для изменения отдельных параметров в механизме.

 

На потенциометр подается напряжение, регулируемое подвижным контактом, который действует, когда крутят ручку, в результате оно может меняться от нуля до исходного значения.
Потенциометры используют в быту, как регулятор громкости, и в электронике, например, в качестве датчика.


Резистивные датчики

Резистивные датчики также называют омическими. Это приборы, в которых изменяется сопротивление, если изменяется длина, площадь сечения или удельное сопротивление. Их используют в устройствах для изменения сопротивления, а также при помощи микроконтроллера с его помощью вы можете измерить напряжение. Существуют различные датчики, одним из некоторых является фоторезистор — переменный резистор, сопротивление которого зависит от попадающего на него света.

Переменный резистор в качестве делителя напряжения

Переменный резистор позволяет напряжению изменяться более плавно. Работает он так: крайние выводы подключаются к положительному и отрицательному заряду, а из центрального на выходе получается пониженное напряжение

Делитель применяют в различных конструкциях, если нагрузка сети слишком высока для устройства, в датчиках и электронных схемах. Он является одним из основных аспектов электроники, позволяет приспособить параметры сети для механизма. Теперь вы знаете, для чего применяют резисторный делитель, основные для использования вычисления, например, как рассчитать резистор для понижения напряжения.

Делитель напряжения: теория и принцип действия

Делитель напряжения позволяет получить меньшее напряжение из большего, напряжение может быть как постоянным, так и переменным.

Рис. 1. Схема простейшего делителя напряжения

Простейшая схема делителя напряжения содержит минимум два сопротивления. Если величины сопротивлений одинаковы, то согласно закону Ома, на выходе делителя будет получено напряжение, в два раза меньшее, чем на входе, так как падение напряжений на резисторах будет одинаковым. Для других случаев величина падения напряжений на резисторах делителя определяется по формулам

UR1 = I*R1; UR2 = I*R2       (1)

где UR1, UR2 – падения напряжения на резисторах R1 и R2 соответственно, I – ток в цепи. В схемах делителей выходное напряжение обычно снимают с нижнего по схеме резистора.

Сумма падений напряжений UR1, UR2 на резисторах равна напряжению источника питания. Ток в цепи будет равен напряжению источника питания, делённому на сумму сопротивлений резисторов R1 и R2:

I = Uпит / (R1 + R2)       (2)

Рассмотрим практическую схему делителя постоянного напряжения (рис.2)

Рис. 2. Делитель постоянного напряжения.

Ток, протекающий в этой схеме, согласно формуле (2) будет равен

I = 10 / (10000+40000) = 0,0002 А = 0,2 мА.

Тогда согласно формуле (1) падение напряжения на резисторах делителя напряжения будет равно:

UR1 = 0,0002*10000 = 2 В;
UR2 = 0,0002*40000 = 8 В.

Если из формулы (1) вывести ток:

I = UR1 / R1       (3)

И подставить его значение в формулу (2), то получится универсальная формула для расчёта делителя напряжения:

UR1 / R1 = Uпит / (R1 + R2)

Откуда

UR1 = Uпит * R1 / (R1 + R2)       (4)

Подставляя значения напряжения и сопротивлений в формулу (4), получим величину напряжения на резисторе R1:

UR1 = 10 * 10000 / (10000+40000) = 2 В,

и на резисторе R2:

UR2 = 10 * 40000 / (10000+40000) = 8 В.

Делитель напряжения с реактивными элементами в цепи переменного тока

В вышеприведённой схеме делителя напряжения (рис. 2) были использованы активные элементы – резисторы, и питание схемы осуществлялось постоянным напряжением (хотя схему можно питать и переменным током). Делитель напряжения может содержать так же и реактивные компоненты (конденсаторы, катушки индуктивности), но в этом случае для нормальной работы потребуется питание синусоидальным током (рис. 3).

Рис. 3. Ёмкостный делитель напряжения в цепи переменного тока.

Изображённый на рисунке 3 ёмкостный делитель напряжения работает аналогично резистивному делителю, но рассчитывается несколько иначе, поскольку реактивное сопротивление конденсаторов обратно пропорционально их ёмкости:

Rc = 1/(2 * π * f * C)

Здесь Rc – реактивное сопротивление конденсатора;
π – число Пи = 3,14159…;
f – частота синусоидального напряжения, Гц;
C – ёмкость конденсатора, Фарад.

То есть чем больше ёмкость конденсатора, тем меньше его сопротивление, и следовательно в схеме делителя напряжения на конденсаторе с большей ёмкостью падение напряжения будет меньше, чем на конденсаторе с меньшей ёмкостью. Следовательно, формула (4) для ёмкостного делителя напряжения примет следующий вид:

UС1 = Uпит * С2 / (С1 + С2)       (5)

UС1 = 10 * 40*10-9 / (10*10-9+40*10-9) = 8 В,
UС2 = 10 * 10*10-9 / (10*10-9+40*10-9) = 2 В.

Индуктивный делитель напряжения (рис. 4.) так же как и ёмкостный требует для своей работы синусоидальное питающее напряжение.

Рис. 4. Индуктивный делитель напряжения в цепи переменного тока.

Поскольку реактивное сопротивление катушки индуктивности в цепи переменного тока пропорционально номиналу катушки:

RL = 2 * π * f * L

Здесь Rc – реактивное сопротивление катушки индуктивности;
π – число Пи = 3,14159…;
f – частота синусоидального напряжения, Гц;
L – индуктивность катушки, Генри.

То следовательно и формула для расчёта индуктивного делителя напряжения будет точно такой же, как и формула для расчёта резистивного делителя напряжения (4), где вместо сопротивлений будут использоваться индуктивности:

UL1 = Uпит * L1 / (L1 + L2)       (6)

Подставив в эту формулу параметры элементов из рисунка 4, получим:

UL1 = 10 * 10*10-6 / (10*10-6+40*10-6) = 2 В,
UL2 = 10 * 40*10-6 / (10*10-6+40*10-6) = 8 В.

В заключении следует отметить, что во всех расчётах величина нагрузки была принята равной бесконечности, поэтому полученные значения верны при работе рассмотренных делителей на сопротивление нагрузки, во много раз большее, чем величина собственных сопротивлений.

BACK

Делитель напряжения на резисторах ⋆ diodov.net

Рассмотрим, как рассчитать практически любой делитель напряжения на резисторах. Преимущественное большинство радиоэлектронных элементов и микросхем питаются относительно низким напряжением – 3…5 В. А многие блоки питания выдают U = 9 В, 12 В или 24 В. Поэтому для надежной и стабильной работы различных электронных элементов необходимо снижать величину напряжения до приемлемого уровня. В противном случае может наступить пробой радиоэлектронных элементов. Особенно следует уделять внимание микросхемам – наиболее чувствительным элементам к повышенному напряжению.

Существуют много способов, как снизить напряжение. Выбор того или другого способа зависит от конкретной задачи, что в целом определяет эффективность всего устройства. Мы рассмотрим самый простой способ – делитель напряжения на резисторах, который, тем не менее, довольно часто применяется на практике, но исключительно в маломощных цепях, что поясняется далее.

Расчет делителя напряжения на резисторах

Чтобы сделать и рассчитать простейший делитель напряжения достаточно соединить последовательно два резистора и подключить их источнику питания. Такая схема очень распространенная и применяется более чем в 90 % случаев.

Вход схемы имеет два вывода, а выход – три. При одинаковых значения сопротивлений R1 и R2 выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 также равны и по величине вдвое меньше входного Uвх. Причем выходное U можно сниматься с любого из резисторов – R1 или R2. Если сопротивления не равны, то выходное U будет на резисторе большего номинала.

Точное соотношение Uвых1 к Uвых2 рассчитаем, обратившись к закону Ома. Резисторы вместе с источником питания образуют последовательную цепь, поэтому величина электрического тока, протекающего через R1 и R2 определяется отношением напряжения источника питания Uвх к сумме сопротивлений:

Следует обратить внимание, чем больше сумма сопротивлений, тем меньший ток I при том же значении Uвх.

Далее, согласно закону Ома, подставив значение тока, находим Uвых1 и Uвых2:

Путем подстановки в две последние формулы значение из самой первой формулы, находим значение выходного U в зависимости от входного и сопротивлений двух резисторов:

Применяя  делитель напряжения на резисторах, необходимо понимать и помнить следующее:
    1. Коэффициент полезного действия такой схемы довольно низкий, поскольку только часть мощности источника питания поступает к нагрузке, а остальная мощность преобразуется в тепло, выделяемое на резисторах. Чем больше понижается напряжение, тем меньше мощности от источника питания поступит к нагрузке.
  1. Так как нагрузка подключается параллельно к одному из резисторов делителя, то есть шунтирует его, то общее сопротивление цепи снижается и происходит перераспределение падений напряжений. Поэтому сопротивление нагрузки должно быть гораздо больше сопротивления резистора делителя. В противном случае схема будет работать нестабильно с отклонением от заданных параметров.
  2. Распределение U между R1 и R2 определяется исключительно их относительными значениями, а не абсолютными величинами. В данном случае неважно, будут ли R1 и R2 иметь значение 2 кОм и 1 кОм или 200 кОм и 100 кОм. Однако при более низких значениях сопротивлений можно получить большую мощность на нагрузке, но следует помнить, что и больше мощности преобразуется в тепло, то есть израсходуется невозвратно впустую.

Также иногда находят применение и более сложные делители напряжений, состоящие из нескольких последовательно соединенных резисторов.

Делитель напряжения на переменном резисторе

Схему делителя напряжения на переменном резисторе называют схемой потенциометра. Вращая рукоятку громкости музыкального центра или автомагнитолы, вы таким действием плавно изменяете напряжение, подаваемое на усилитель модности звуковой частоты. Принцип работы и сборка простейшего усилителя мощности уже были ранее рассмотрены здесь.

При перемещении (вращении) ручки переменного резистора сверху вниз по чертежу происходит плавное изменение U от значения источника питания до нуля.

В звуковой технике главным образом применяются переменные резисторы с логарифмической зависимостью, поскольку слуховой аппарат человек воспринимает звуки с данной зависимостью. Для регулирования уровня звука одновременно по двум каналам используют сдвоенные переменные резисторы.

В качестве делителя напряжения находят применение переменные резисторы, имеющие следующие зависимости сопротивления от угла поворота ручки: логарифмическую, линейную и экспоненциальную. Конкретный тип зависимости применяется для решения отдельной задачи.

Еще статьи по данной теме

Расчет

, примеры и его применение

В электронике правило делителя напряжения представляет собой простую и наиболее важную электронную схему, которая используется для преобразования большого напряжения в малое. Используя только напряжение i / p и два последовательных резистора, мы можем получить напряжение o / p. Здесь выходное напряжение является частью напряжения i / p. Лучший пример делителя напряжения – два последовательно соединенных резистора. Когда напряжение i / p приложено к паре резисторов, напряжение o / p появится из соединения между ними.Обычно эти делители используются для уменьшения величины напряжения или для создания опорного напряжения, а также используются на низких частотах в качестве аттенюатора сигнала. Для постоянного тока и относительно низких частот делитель напряжения может быть подходящим вариантом, если он состоит только из резисторов; где требуется частотная характеристика в широком диапазоне.


Что такое правило делителя напряжения?

Определение: В области электроники делитель напряжения представляет собой базовую схему, используемую для генерации части входного напряжения, например выходного.Эта схема может быть сконструирована с двумя резисторами или любыми пассивными компонентами вместе с источником напряжения. Резисторы в цепи могут быть подключены последовательно, в то время как источник напряжения подключен к этим резисторам. Эту схему еще называют делителем потенциала. Входное напряжение может передаваться между двумя резисторами в цепи, так что происходит разделение напряжения.

Когда использовать правило делителя напряжения?

Правило делителя напряжения используется для решения схем для упрощения решения.Применение этого правила также может полностью решить простые схемы. Основная концепция этого правила делителя напряжения: «Напряжение делится между двумя резисторами, которые соединены последовательно, прямо пропорционально их сопротивлению. Делитель напряжения состоит из двух важных частей: схемы и уравнения.

Схема другого делителя напряжения

Делитель напряжения включает в себя источник напряжения, состоящий из двух резисторов. Вы можете увидеть различные схемы напряжения, нарисованные по-разному, как показано ниже.Но эти разные схемы всегда должны быть одинаковыми.

Схема делителя напряжения

В приведенных выше схемах делителя напряжения резистор R1 находится ближе всего к входному напряжению Vin, а резистор R2 находится ближе всего к клемме заземления. Падение напряжения на резисторе R2 называется Vout, которое представляет собой разделенное напряжение цепи.

Расчет делителя напряжения

Рассмотрим следующую схему, подключенную с помощью двух резисторов R1 и R2. Где переменный резистор включен между источником напряжения.В приведенной ниже схеме R1 – это сопротивление между скользящим контактом переменной и отрицательной клеммой. R2 – это сопротивление между положительной клеммой и скользящим контактом. Это означает, что два резистора R1 и R2 включены последовательно.

Правило делителя напряжения с использованием двух резисторов

Ома гласит, что V = IR

Из приведенного выше уравнения мы можем получить следующие уравнения

V1 (t) = R1i (t) …………… (I)

V2 (t) = R2i (t) …………… (II)

Применение закона Кирхгофа о напряжении

KVL утверждает, что когда алгебраическая сумма напряжений вокруг замкнутого пути в цепи равна нулю.

-V (t) + v1 (t) + v2 (t) = 0

В (т) = V1 (т) + v2 (т)

Следовательно,

В (t) = R1i (t) + R2i (t) = i (t) (R1 + R2)

Отсюда

i (t) = v (t) / R1 + R2 ……………. (III)

Подстановка III в уравнения I и II

V1 (t) = R1 (v (t) / R1 + R2)

В (т) (R1 / R1 + R2)

V2 (t) = R2 (v (t) / R1 + R2)

В (т) (R2 / R1 + R2)

На приведенной выше схеме показан делитель напряжения между двумя резисторами, который прямо пропорционален их сопротивлению.Это правило делителя напряжения можно распространить на схемы, в которых используется более двух резисторов.

Правило делителя напряжения с использованием трех резисторов

Правило деления напряжения для вышеупомянутой схемы с двумя резисторами

V1 (t) = V (t) R1 / R1 + R2 + R3 + R4

V2 (t) = V (t) R2 / R1 + R2 + R3 + R4

V3 (t) = V (t) R3 / R1 + R2 + R3 + R4

V4 (t) = V (t) R4 / R1 + R2 + R3 + R4

Уравнение делителя напряжения

Уравнение правила делителя напряжения принимает, когда вы знаете три значения в приведенной выше схеме, это входное напряжение и два значения резистора.Используя следующее уравнение, мы можем найти выходное напряжение.

Vout = Vin. R2 / R1 + R2

Приведенное выше уравнение утверждает, что Vout (напряжение o / p) прямо пропорционально Vin (входное напряжение) и соотношению двух резисторов R1 и R2.

Резистивный делитель напряжения

Это очень легкая и простая схема для разработки и понимания. Основной тип схемы пассивного делителя напряжения может состоять из двух последовательно соединенных резисторов.Эта схема использует правило делителя напряжения для измерения падения напряжения на каждом последовательном резисторе. Схема резистивного делителя напряжения показана ниже.

В схеме резистивного делителя два резистора, такие как R1 и R2, соединены последовательно. Таким образом, ток в этих резисторах будет одинаковым. Следовательно, он обеспечивает падение напряжения (I * R) на каждом резисторе.

Резистивный тип

С помощью источника напряжения на эту цепь подается напряжение. Применяя к этой схеме закон КВЛ и Ома, мы можем измерить падение напряжения на резисторе.Таким образом, протекание тока в цепи можно представить как

.

Применяя КВЛ

VS = VR1 + VR2

По закону Ома

VR1 = I x R1

VR2 = I x R2

VS = I x R1 + I x R2 = I (R1 + R2)

I = VS / R1 + R2

В соответствии с законом Ома ток через последовательную цепь равен I = V / R. Таким образом, ток в обоих резисторах одинаков. Итак, теперь можно рассчитать падение напряжения на резисторе R2 в цепи

.

IR2 = VR2 / R2

Вс / (R1 + R2)

VR2 = Vs (R2 / R1 + R2)

Точно так же падение напряжения на резисторе R1 можно рассчитать как

IR1 = VR1 / R1

Вс / (R1 + R2)

VR1 = Vs (R1 / R1 + R2)

Емкостные делители напряжения

Схема емкостного делителя напряжения генерирует падение напряжения на конденсаторах, которые включены последовательно с источником переменного тока.Обычно они используются для снижения чрезвычайно высоких напряжений для обеспечения сигнала низкого выходного напряжения. В настоящее время эти разделители применимы в планшетах с сенсорным экраном, мобильных телефонах и устройствах отображения.

В отличие от схем резистивного делителя напряжения, емкостные делители напряжения работают с синусоидальным источником переменного тока, поскольку деление напряжения между конденсаторами можно рассчитать с помощью реактивного сопротивления конденсаторов (X C ), которое зависит от частоты источника переменного тока.

Емкостной Тип

Формула емкостного реактивного сопротивления может быть получена как

Xc = 1 / 2πfc

Где:

Xc = емкостное реактивное сопротивление (Ом)

π = 3.142 (числовая константа)

ƒ = частота, измеренная в герцах (Гц)

C = емкость, измеренная в фарадах (Ф)

Реактивное сопротивление каждого конденсатора можно измерить по напряжению, а также по частоте источника переменного тока и подставить их в вышеприведенное уравнение, чтобы получить эквивалентные падения напряжения на каждом конденсаторе. Схема емкостного делителя напряжения показана ниже.

Используя эти конденсаторы, которые соединены последовательно, мы можем определить среднеквадратичное падение напряжения на каждом конденсаторе с точки зрения их реактивного сопротивления после их подключения к источнику напряжения.

Xc1 = 1 / 2πfc1 и Xc2 = 1 / 2πfc2

X CT = X C1 + X C2

В C1 = Vs (X C1 / X CT )

В C2 = Vs (X C2 / X CT )

Емкостные делители не допускают ввода постоянного тока.

Простое емкостное уравнение для входа переменного тока:

Vout = (C1 / C1 + C2) .Vin

Индуктивные делители напряжения

Индуктивные делители напряжения создают перепады напряжения на катушках, в противном случае индукторы подключаются последовательно через источник переменного тока.Он состоит из катушки, иначе одиночной обмотки, которая разделена на две части, где бы ни поступало напряжение o / p с одной из частей.

Лучшим примером этого индуктивного делителя напряжения является автотрансформатор, имеющий несколько точек ответвления с вторичной обмоткой. Индуктивный делитель напряжения между двумя катушками индуктивности можно измерить с помощью реактивного сопротивления катушки индуктивности, обозначенной XL.

Индуктивный тип

Формула индуктивного реактивного сопротивления может быть получена как

XL = 1 / 2πfL

«XL» – это индуктивное реактивное сопротивление, измеряемое в Ом (Ом)

π = 3.142 (числовая константа)

‘‘ ’- частота, измеренная в герцах (Гц)

‘L’ – индуктивность, измеряемая в Генри (Гн)

Реактивное сопротивление двух катушек индуктивности можно рассчитать, если мы знаем частоту и напряжение источника переменного тока и используем их с помощью закона делителя напряжения, чтобы получить падение напряжения на каждой катушке индуктивности, как показано ниже. Схема индуктивного делителя напряжения показана ниже.

Используя две катушки индуктивности, которые соединены последовательно в цепи, мы можем измерить среднеквадратичные падения напряжения на каждом конденсаторе с точки зрения их реактивного сопротивления после их подключения к источнику напряжения.

X L1 = 2πfL1 и X L2 = 2πfL2

X LT = X L1 + X L2

В L1 = Vs ( X L1 / X LT )

В L2 = Vs ( X L2 / X LT )

Вход переменного тока может быть разделен индуктивными делителями в зависимости от индуктивности:

Выход = (L2 / L1 + L2) * Vin

Это уравнение предназначено для катушек индуктивности, которые не взаимодействуют, и взаимная индуктивность автотрансформатора изменит результаты.Вход постоянного тока может быть разделен на основе сопротивления элементов в соответствии с правилом резистивного делителя.

Пример неисправности делителя напряжения

Примерные проблемы делителя напряжения могут быть решены с помощью вышеуказанных резистивных, емкостных и индуктивных цепей.

1). Предположим, общее сопротивление переменного резистора составляет 12 Ом. Скользящий контакт расположен в точке, где сопротивление делится на 4 Ом и 8 Ом. Переменный резистор подключен через 2.Аккумулятор 5 В. Давайте посмотрим, какое напряжение появляется на вольтметре, подключенном к 4-омному участку переменного резистора.

По правилу делителя напряжения падение напряжения составит,

Vout = 2,5 В x 4 Ом / 12 Ом = 0,83 В

2). Когда два конденсатора C1-8uF и C2-20uF соединены последовательно в цепи, среднеквадратичные падения напряжения могут быть рассчитаны на каждом конденсаторе, когда они подключены к источнику питания 80 Гц RMS и напряжению 80 В.

Xc1 = 1 / 2πfc1

1/2 × 3,14x80x8x10-6 = 1 / 4019,2 × 10-6

= 248,8 Ом

Хс2 = 1 / 2πfc2

1/2 × 3,14x80x20x10-6 = 1/10048 x10-6

= 99,52 Ом

XCT = XC1 + XC2

= 248,8 + 99,52 = 348,32

VC1 = Vs (XC1 / XCT)

80 (248,8 / 348,32) = 57,142

VC2 = Vs (XC2 / XCT)

80 (99,52 / 348,32) = 22,85

3). Когда две катушки индуктивности L1-8 мГн и L2-15 мГн соединены последовательно, мы можем рассчитать среднеквадратичное падение напряжения на каждом конденсаторе, которое можно рассчитать, когда они подключены к источнику питания 40 В, 100 Гц.

XL1 = 2πfL1

= 2 × 3,14x100x8x10-3 = 5,024 Ом

XL2 = 2πfL2

= 2 × 3,14x100x15x10-3

9,42 Ом

XLT = XL1 + XL2

14,444 Ом

VL1 = Vs (XL1 / XLT)

= 40 (5,024 / 14,444) = 13,91 вольт

VL2 = VS (XL2 / XLT)

= 40 (9,42 / 14,444) = 26,08 вольт

Точки отвода напряжения в сети делителя

Когда несколько резисторов подключены последовательно к источнику напряжения Vs в цепи, тогда различные точки отвода напряжения могут рассматриваться как A, B, C, D и E

Общее сопротивление в цепи можно рассчитать, сложив все значения сопротивления, например, 8 + 6 + 3 + 2 = 19 кОм.Это значение сопротивления ограничит ток, протекающий по цепи, которая генерирует источник напряжения (VS).

Для расчета падения напряжения на резисторах используются следующие уравнения: VR1 = VAB,

.

VR2 = VBC, VR3 = VCD и VR4 = VDE.

Уровни напряжения в каждой точке ответвления рассчитываются относительно клеммы GND (0 В). Следовательно, уровень напряжения в точке «D» будет эквивалентен VDE, тогда как уровень напряжения в точке «C» будет эквивалентен VCD + VDE.Здесь уровень напряжения в точке «C» – это величина двух падений напряжения на двух резисторах R3 и R4.

Итак, выбрав соответствующий набор номиналов резистора, мы можем сделать серию падений напряжения. Эти падения напряжения будут иметь относительное значение напряжения, которое достигается только за счет напряжения. В приведенном выше примере каждое значение напряжения o / p является положительным, поскольку отрицательная клемма источника напряжения (VS) подключена к клемме заземления.

Применение делителя напряжения

Приложения делителя голосования включают следующее.

  • Делитель напряжения используется только там, где напряжение регулируется путем снижения определенного напряжения в цепи. Он в основном используется в таких системах, где энергоэффективность не обязательно должна рассматриваться всерьез.
  • В нашей повседневной жизни делитель напряжения чаще всего используется в потенциометрах. Лучшими примерами потенциометров являются ручки регулировки громкости, прикрепленные к нашим музыкальным системам, радиотранзисторам и т. Д. Базовая конструкция потенциометра включает три контакта, которые показаны выше.При этом два контакта подключены к резистору, который находится внутри потенциометра, а оставшийся контакт подключен к очищающему контакту, который скользит по резистору. Когда кто-то меняет ручку на потенциометре, напряжение будет появляться на стабильных контактах и ​​очищающем контакте в соответствии с правилом делителя напряжения.
  • Делители напряжения используются для регулировки уровня сигнала, измерения напряжения и смещения активных устройств в усилителях. Мультиметр и мост Уитстона включают делители напряжения.
  • Делители напряжения могут использоваться для измерения сопротивления датчика. Чтобы сформировать делитель напряжения, датчик подключается последовательно с известным сопротивлением, и известное напряжение подается на делитель. Аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера подключен к центральному отводу делителя, чтобы можно было измерить напряжение отвода. Используя известное сопротивление, можно рассчитать измеренное сопротивление датчика напряжения.
  • Делители напряжения
  • используются для измерения датчика, напряжения, сдвига логического уровня и регулировки уровня сигнала.
  • Как правило, правило резисторного делителя в основном используется для создания опорных напряжений, иначе величина напряжения уменьшается, так что измерение становится очень простым. Кроме того; они работают как аттенюаторы сигнала на низкой частоте
  • Используется в случае чрезвычайно меньшего количества частот и DC
  • Емкостной делитель напряжения, используемый при передаче энергии для компенсации емкости нагрузки и измерения высокого напряжения.

Это все о правиле деления напряжения для цепей, это правило применимо как для источников напряжения переменного, так и постоянного тока.Кроме того, любые сомнения относительно этой концепции или проектов электроники и электротехники, пожалуйста, дайте свой отзыв, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова основная функция правила делителя напряжения?

Делители напряжения – схемы, уравнения и приложения

Делитель напряжения, также известный как делитель потенциала, представляет собой очень распространенную простую схему, которая используется для преобразования большого напряжения в малое напряжение. Из этой статьи вы узнаете о:

  • Что такое делитель напряжения?
  • Схемы делителя напряжения
  • Уравнение / формула делителя напряжения
  • Применение делителей напряжения

Что такое делитель напряжения?

  • Пассивная линейная схема, вырабатывающая выходное напряжение, составляющее часть входного напряжения.
  • Он уменьшает входное напряжение до меньшего напряжения в зависимости от соотношения двух резисторов путем распределения входного напряжения между компонентами делителя.
  • Часто используется для подачи напряжения, отличного от имеющегося в наличии аккумулятора или источника питания.
  • Выходное напряжение делителя напряжения зависит от сопротивления входящей нагрузки.

Цепь делителя напряжения

Схема делителя напряжения обычно выглядит так в схеме с последовательностью из 2 резисторов.

  • R1 = Резистор, ближайший к входному напряжению (Vin)
  • R2 = Резистор, ближайший к земле
  • В дюйм = Входное напряжение
  • В на выходе = Выходное напряжение на R2, которое представляет собой разделенное напряжение (1/4 входное напряжение)

Формула / уравнение делителя напряжения

Уравнение для определения выходного напряжения цепи делителя:

R2 / R1 + R2 = Ratio определяет масштабный коэффициент уменьшенного напряжения.

Например,
V в = 100, R 1 = 20, R 2 = 10

С помощью калькулятора получите:

Правило делителя напряжения

  • Правило деления напряжения гласит: Напряжение, разделенное между двумя последовательными резисторами, прямо пропорционально их сопротивлению
  • Это означает, что ваша схема может иметь более 2 резисторов!
  • Формула правила делителя напряжения:

Пример уравнения правила делителя напряжения:

Закон Ома

Теперь мы можем использовать закон Ома для расчета напряжения, протекающего через каждый резистор:

  • Уравнение для закона Ома = E = IR
    • E = Ток на каждом резисторе
    • I = Ток цепи
    • R = Сопротивление
15 9048 I
R1 R2 R3 Всего
E (Вольт) 5 10
9048 2.5 м 2,5 2,5 м 2,5 м
R (Ом) 2K 4K 6K 12K

Таким образом, ток на каждом резисторе составляет 5 В и соответственно!

Упрощенные уравнения

  • Если вы решаете для R1,
  • Если вы решаете для R2, ​​

Применение делителей напряжения

Цепи делителей напряжения

очень распространены и используются во многих приложениях.Вот несколько примеров того, где находится схема делителя напряжения:

Потенциометр

  • Потенциометр – это пассивный электронный компонент с функцией скольжения или вращения, который действует как регулируемый делитель напряжения.
  • Входное напряжение подается по всей длине потенциометра, а выходное напряжение (падение напряжения) регулируется фиксированным и скользящим контактом потенциометра.
  • Существует два типа потенциометров.
    • Поворотные потенциометры (поворотная ручка)
    • Линейный потенциометр (ползунок)
  • Компания Seeed предлагает оба типа!
Grove – Потенциометр скольжения

  • Как это работает?
    • Ручной стеклоочиститель, который перемещается, касается резистивной полосы материала.Когда он перемещается ближе к клемме 1 и дальше от клеммы 2, сопротивление уменьшается до клеммы 1, в то время как сопротивление увеличивается на клемме 2, и наоборот.
  • Потенциометр полезен для получения переменного напряжения от источника постоянного напряжения. Он может подключать внешние клеммы потенциометра к источнику напряжения и контролировать необходимое напряжение между потенциометром и одной из внешних клемм вашей цепи.
  • Потенциометр Grove – Slide включает линейный переменный резистор с максимальным сопротивлением 10 кОм.При перемещении ползунка выходное напряжение будет варьироваться от 0 В до применяемого вами Vcc.
  • Он подключается к другим модулям Grove через стандартный 4-контактный кабель Grove.
  • Ниже приведено изображение принципиальной схемы потенциометра:
  • Он имеет множество целей, например, быть регулируемым резистором, автономным, делителем напряжения с Arduino или даже устройством интерфейса человека (HID), что означает, что его можно использовать для управления автомобилем!
  • Некоторые проекты, которые вы можете выполнять с помощью потенциометра Grove – Slide, похожи на создание собственного Beatbox или Boombox с Arduino!
Grove – Датчик угла поворота (P)
  • Датчик угла поворота Grove-Rotary (P) способен выдавать аналоговый выходной сигнал от 0 до Vcc (5 В постоянного тока с Seeeduino) на разъеме D1.
  • Со значением сопротивления 10 кОм идеально подходит для использования с Arduino.
  • Он поддерживается на всех платформах MCU, таких как Arduino, Raspberry Pi, BeagleBone, Wio, а также LinkIt ONE.
  • Один из проектов, который вы можете сделать с этим потенциометром, – это использовать его для управления яркостью светодиодов.
Использование Arduino для управления яркостью светодиода с помощью датчика угла поворота Grove (P)

Grove – Делитель напряжения

  • Grove – делитель напряжения обеспечивает интерфейс для измерения внешнего напряжения, который устраняет необходимость подключения сопротивления к входному интерфейсу.
  • С помощью дискового переключателя вы можете легко выбрать коэффициент усиления напряжения, что упрощает его использование.

Чтение резистивных датчиков

  • Большинство датчиков представляют собой простые резистивные устройства, такие как наш Grove – инфракрасный датчик отражения. Однако большинство из них могут считывать только напряжение, но не сопротивление.
  • Добавив в схему еще один резистор, мы можем создать делитель напряжения вместе с датчиком.
  • Поскольку мы можем проверить выход делителя напряжения, теперь мы можем рассчитать величину сопротивления датчика.
  • Пример схемы показан ниже, где R2 – резистивный датчик:
  • Например, резистивный датчик представляет собой датчик температуры Grove, который представляет собой термистор с сопротивлением комнатной температуры 350 Ом, где сопротивление R1 фиксировано на 350 Ом.
  • Использование уравнения делителя напряжения:
Температура Vin (фиксированная) R2 R1 R2 /
(R1 + R2)
Vout
Холодный 5V 300 Ω
.46 2,3В
Комнатная температура 350 Ом 350 Ом 0,5 2,5 В
Горячий 400 Ом 400 Ом 2,65 В

Уровнемеры

  • Что происходит, когда датчик и микроконтроллер встречаются с двумя разными напряжениями? Без выравнивания напряжения, например, напрямую связав микроконтроллер с логическим выходом 5 В с микроконтроллером 3.Входной датчик 3 В может вызвать повреждение цепи 3,3 В.
  • Вот где главный герой: делитель напряжения спасает положение, действуя как переключатель уровня, который соединяет две цепи, использующие разные рабочие напряжения.
  • Делитель напряжения может помочь снизить напряжение с микроконтроллера (например, с 5 В до 3,3 В), чтобы избежать повреждения датчика, что делает его безопасным для обращения с датчиком.
  • Обратите внимание, что делитель напряжения может работать только в одном направлении: понижать напряжение, но не повышать.
  • Вот таблица комбинаций резисторов для понижения часто встречающихся напряжений:
кОм и 9,1 кОм
Комбинация резисторов Напряжения для понижения
4,7 кОм и 3,9 кОм 9В до 5В
от 12В до 3,3В
от 3,3 кОм и 5,7 кОм от 9В до 3,3В
  • Обратите внимание, что не рекомендуется использовать делитель напряжения для понижения уровня большой нагрузки, например 12 В. до 5 В, поскольку они не предназначены для подачи такого питания на нагрузку, как с такой нагрузкой, это может расплавить резистор.(Вместо этого вы можете использовать регуляторы напряжения, такие как наш регулируемый преобразователь постоянного и постоянного тока (1,25 В – 35 В и 3 А)

Резюме

Обладая всеми знаниями делителя напряжения в ваших руках, вы можете превратить любое напряжение в меньшее, как фокусник! Хотите проверить свои навыки, создав свой собственный проект делителя напряжения? Вот несколько идей проектов, которые помогут вам начать использовать потенциометр и Arduino для создания битбокса или бумбокса на нашей вики-странице: Grove – Slide Potentiometer Wiki

Следите за нами и ставьте лайки:

Продолжить чтение

Делители напряжения | Книга Ultimate Electronics

Ultimate Electronics: практическое проектирование и анализ схем


Чрезвычайно распространенная конфигурация резисторов 2+.Приближения, рекомендации по проектированию. Пример светодиодного регулятора тока. Читать 22 мин

Делители напряжения – это просто определенные комбинации резисторов, последовательно подключенных к идеальным источникам напряжения и тока.

В то время как математика решения этих схем была рассмотрена в предыдущих разделах, делители напряжения заслужили свое собственное название, потому что они появляются достаточно часто, чтобы быть полезным сокращением при анализе многих более крупных схем. (Поскольку более сложные подсхемы могут быть аппроксимированы как один резистор, этот термин и методы также могут применяться в более широком смысле, помимо резисторов.Мы начнем с идеального случая, рассмотрим неидеальный случай, а затем покажем, когда приближения полезны при проектировании и анализе.

Когда вы видите, как опытный инженер-электрик бросает быстрый взгляд на аналоговую схему и быстро определяет, что происходит, он, скорее всего, делает приближения делителя напряжения в своей голове – иногда даже не осознавая этого!


Идеальный делитель напряжения состоит из двух последовательно соединенных резисторов. Физически это иногда реализуется в виде потенциометра, который разделяет один физический резистор на два с физически подвижным проводящим центральным контактом.Но чаще всего это два дискретных постоянных резистора.

Когда на пару подается напряжение, выходное напряжение составляет некоторую часть входного напряжения:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Измените сопротивления и посмотрите, как изменяется выходное напряжение в ответ.

Это можно увидеть, используя закон Кирхгофа плюс закон Ома, чтобы записать сумму разностей напряжений вокруг контура:

vin-iR1-iR2 = 0вин = i (R1 + R2) vinR1 + R2 = i

Теперь мы можем записать закон Ома для R2, ​​vout = iR2 (поскольку другой конец R2 заземлен), и подставляем в наше выражение для тока контура i выше:

vout = vin (R2R1 + R2)

Для удобства вытащим дробь f , коэффициент делителя напряжения :

f = R2R1 + R2

где vout = vin⋅f .Поскольку сопротивления не могут быть отрицательными, 0≤f≤1 .

Есть несколько особых случаев, о которых следует подумать:

  1. В относительно частом частном случае двух равных сопротивлений R1 = R2 , отношение f = 12 .
  2. Если R1≫R2 отношение f → 0 .
  3. Если R1≪R2 отношение f → 1 .

Эти приближения невероятно полезны, и более подробные версии разработаны в Алгебраических приближениях.

Делитель напряжения всегда выдает уменьшенную версию входного напряжения.Вот пример с делителем напряжения, управляемым синусоидой от функционального генератора:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше и посмотреть на взаимосвязь между входными и выходными сигналами.


Поскольку делитель напряжения выводит масштабированную мультипликативно версию входного сигнала, если мы возьмем логарифм обеих сторон (по любому основанию), мы обнаружим, что коэффициент делителя напряжения превращается в аддитивную константу:

vout = vin⋅flog (vout) = журнал (vin) + журнал (f)

As f≤1 , всегда будет так, что log (f) ≤0 .

Вот пример с функциональным генератором, управляющим делителем напряжения, где мы отображаем напряжения в логарифмической шкале:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Обратите внимание, как в логарифмическом масштабе две кривые кажутся просто сдвинутыми по вертикали на постоянное смещение. В разделе «Advanced Graphing» измените его обратно на линейный масштаб, чтобы увидеть исходный сигнал.

В этом примере мы особо позаботились о том, чтобы наш входной сигнал оставался строго положительным, но вы также можете применить ту же логику к амплитуде сигнала, который со временем становится как положительным, так и отрицательным.В этом случае делитель напряжения производит сдвиг амплитудного графика в частотной области:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.

При запуске этого моделирования графики входного и выходного напряжений с уровнем −6 дБ. сдвиг между входной и выходной амплитудой. Это −6 дБ потому что амплитуда напряжения уменьшается вдвое. Дополнительные сведения см. В разделах «Порядок величины», «Логарифмические шкалы» и «Децибелы».


Делители напряжения могут быть выполнены с N резисторы серии N − 1 узлы между ними.Пока нет тока, входящего или выходящего из цепи делителя напряжения, с точки зрения любого конкретного ответвления, резисторы «вверху» можно объединить в один, а резисторы «внизу» можно объединить в другой.

Это упрощает создание большого количества соотношений напряжений для одного входа. Например:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.

На схеме выше используются пять последовательно соединенных резисторов. Он превращает 12-вольтовый вход в четыре разных выхода, которые могут быть полезны в блоке питания компьютера.

Поскольку это последовательная цепь, существует только один ток, и его легко определить, рассматривая последовательно включенные резисторы:

итотал = vin∑R

Падение напряжения на любом резисторе будет равно:

Δvn = Rn⋅итотал

и доля полного падения напряжения на любом резисторе Rn это:

fn = Δvnvinfn = Rn⋅itotalvinfn = (Rnvin) (vin∑R) fn = Rn∑R

Дробное падение напряжения на одном резисторе – это просто отношение его сопротивления к сумме всех сопротивлений.

Для пяти последовательно соединенных выше резисторов мы можем рассчитать напряжения на каждом узле (относительно земли), посмотрев на отношение сопротивления «ниже» этого узла (то есть между этим узлом и землей) к общему сопротивлению цепи. В этом примере с узлами и резисторами, как указано выше:

vA = (Δv1) = vin (f1) vB = (Δv1 + Δv2) = vin (f1 + f2) vC = (Δv1 + Δv2 + Δv3) = vin (f1 + f2 + f3) vD = (Δv1 + Δv2 + Δv3 + Δv4) = vin (f1 + f2 + f3 + f4)

Когда мы разработаем решение для схемы выше:

vA = vin (R1R1 + R2 + R3 + R4 + R5) = 2.5 VvB = vin (R1 + R2R1 + R2 + R3 + R4 + R5) = 3,3 VvC = vin (R1 + R2 + R3R1 + R2 + R3 + R4 + R5) = 5,0 VvD = vin (R1 + R2 + R3 + R4R1 + R2 + R3 + R4 + R5) = 9,0 В

Конечно, для решения проблем мы выбрали определенные значения, которые было легко вычислить вручную: вы могли заметить, что мы выбрали vin = 12 В. и ∑R = 12 кОм так что итотал = 1 мА .

Как мы увидим позже, схемы этого типа не очень энергоэффективны и не могут обеспечивать большой ток. Однако это был бы один из потенциально действенных способов превратить одно опорное напряжение в ряд других пропорциональных опорных напряжений, которые затем можно было бы использовать как часть контура обратной связи в конструкции эффективного импульсного источника питания.


Один из распространенных способов решения проблем – это заметить, когда резисторы в делителе напряжения являются целыми числами, кратными друг другу.

Например, если R1 = 100 Ом, R2 = 300 Ом , то есть соотношение 3: 1. Всякий раз, когда соотношение 3: 1, независимо от фактических значений, мы будем иметь f = R2R1 + R2 = 34. .

Это также помогает в дизайне. Если вы пытаетесь достичь известной доли напряжения f которое вы можете выразить в виде дроби целых чисел, тогда вы можете быстро вычислить необходимое соотношение сопротивлений.

Например, если вы пытаетесь попасть, f = 0,4 = 25 , вы можете найти значения резисторов, где R2 = 2x, R1 = 3x для любого значения x , так что R2R1 = 23 . (Продолжайте читать ниже, чтобы узнать, как мы выбираем x !)

В некоторых ситуациях прототипирования, если целые числа в числителе и знаменателе достаточно малы, вы можете просто использовать пять одинаковых резисторов, соединяя два последовательно, чтобы сформировать R2. и три последовательно для R1 .


Когда мы включаем источник управляющего напряжения, мы можем включить рассмотрение того, что происходит, когда мы смотрим на промежуточный вывод делителя напряжения, чтобы найти эквивалентную схему Тевенина:

Напряжение холостого хода – это просто напряжение, которое мы измеряем на этих клеммах без протекания внешнего тока, которое является всего лишь дробным входным напряжением, которое мы вычислили выше:

Veq = vout, без нагрузки = vin (R2R1 + R2)

Как только мы начнем позволять току течь извне к этим клеммам и от них, измеренное напряжение изменится.Как описано в разделе Thevenin, мы можем вставить источник тестового тока и установить все независимые источники на ноль, чтобы вычислить эквивалентное сопротивление:

Отсюда ясно, что эквивалентное сопротивление равно сопротивлению двух резисторов, включенных параллельно:

Req = R1 // R2 = R1R2R1 + R2

Таким образом, двухрезисторный делитель напряжения имеет вид однорезисторной схемы замещения Тевенина:


Мы только что преобразовали двухрезисторный делитель напряжения в однорезисторную эквивалентную схему Тевенина, которая имеет идентичное поведение кривой вольт-амперной характеристики по отношению к некоторой внешней подключенной нагрузке.Но когда у нас есть эквивалентная схема Тевенина, часто самое полезное, что с ней делать, – это подключить ее к какой-либо внешней нагрузке. Если эта нагрузка представляет собой резистор, то мы только что сформировали новый делитель напряжения .

Например, мы могли бы взять схему с тремя резисторами слева и рассмотреть R1 и R2 как делитель напряжения, а затем заменить их их эквивалентом Тевенина:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше.

Вы должны запустить моделирование, чтобы убедиться, что R3 имеет одинаковый ток, протекающий через него в обоих случаях.

Замена делителя напряжения его эквивалентом Тевенина может сама по себе сформировать новый делитель напряжения, что также может быть решено таким же образом. Это отличный метод решения проблем.


Эквивалентный пример Thevenin, приведенный выше, особенно полезен, потому что он поднимает концепцию нагрузки : что происходит, когда текущая «нагрузка» снимается с среднего вывода делителя напряжения?

В приведенной выше математике идеального делителя напряжения мы вычислили выходное напряжение как функцию входного напряжения vin и коэффициент делителя напряжения f = R2R1 + R2 Только.Но этот расчет предполагал, что тот же ток i протекала через оба резистора R1 и R2.

В нагруженном делителе напряжения это не так: есть некоторый внешний ток i3 извлекается из середины делителя напряжения:

В результате, если i3 ≠ 0 , то также будет i1 ≠ i2 . Это нарушает фундаментальное предположение, сделанное нами ранее для идеальных делителей напряжения.

Обратите внимание, что ни схема, ни уравнения «не знают», что R3 является внешней нагрузкой, а R2 – частью исходного делителя напряжения.Оба резистора подключены к одной и той же паре узлов, и математика работает одинаково, если мы поменяем имена, которые мы даем. Тем не менее, проведя границу, отделяющую внутреннее от внешнего, и подумав об этом таким образом, делители напряжения под нагрузкой становятся полезными для проектирования и анализа схем, как мы увидим ниже.

Теперь, когда мы применяем наши правила для решения цепных систем, у нас есть разные значения тока в разных ветвях цепи. Наше уравнение закона тока Кирхгофа плюс два наших уравнения закона Ома образуют следующую систему из трех уравнений:

i1 = i2 + i3vin-vout = i1R1vout = i2R2

Мы хотим решить эту систему для одного выражения vout как функция от vin, R1, R2 и i3 .(Мы решили лечить i3 в качестве независимой переменной, поэтому мы можем видеть влияние тока нагрузки напрямую, а не связывать его с напряжением через сопротивление R3 .) Это довольно поучительно, чтобы решить эту проблему вручную, так что вы можете увидеть, как подход Solving Circuit Systems дает тот же ответ, что и подход Thevenin, описанный выше, поэтому, пожалуйста, возьмите лист бумаги и следуйте инструкциям.

Сначала мы перегруппируем несколько уравнений, взяв i2 = i1 − i3 из первого уравнения и подставляем в третье, чтобы получить:

vout = (i1 − i3) R2

Мы также возьмем второе уравнение и разделим обе части на R1. :

i1 = vin-voutR1

Мы можем объединить эти два, заменив i1 :

vout = (vin-voutR1-i3) R2

Отсюда нам просто нужно заняться алгеброй.Раздайте R2 :

vout = (vin − vout) (R2R1) −i3R2

Забрать ваут условия в левой части:

vout (1 + R2R1) = vin (R2R1) −i3R2

Заменить (1 + R2R1) = (R1 + R2R1) :

vout (R1 + R2R1) = vin (R2R1) −i3R2

И разделите, чтобы изолировать вау :

vout = vin (R2R1) (R1R1 + R2) −i3R2 (R1R1 + R2) vout = vin (R2R1 + R2) −i3 (R1R2R1 + R2)

Это уравнение описывает выходное напряжение нагруженного делителя напряжения.

Посмотрите внимательно на коэффициенты при вин и i3 :

  1. Коэффициент при вин , (R2R1 + R2) , это просто коэффициент делителя напряжения f мы нашли ранее в ненагруженном ящике.Если i3 = 0 , то разделитель разгружается, и общее уравнение упрощается, чтобы быть таким же, как мы нашли в начале этого раздела.
  2. Коэффициент для i3 равно (R1R2R1 + R2) = R1 // R2 , параллельное сопротивление двух резисторов! (Да, параллельно – хотя R1 и R2, по-видимому, входят в состав делителя напряжения серии !) Это тот же противоречивый результат, который мы только что нашли в разделе «Эквивалент Тевенина» выше.

Этот пример показывает, что возможность решить схему из KCL и KVL может потребовать некоторой алгебраической работы, но это всегда работает и всегда дает правильный ответ.Если вы не уверены, правильно ли применяете эквивалентный процесс Thevenin, вы всегда можете вставить тестовый источник тока i3. и приступайте к решению схемы вручную.


Что означает , интуиция за током нагрузки в нагруженном делителе напряжения, вызывающим падение напряжения, пропорциональное сопротивлению , параллельному R1 и R2, которые (без учета нагрузки) кажутся последовательными?

Быстрый способ запомнить это – рассмотреть крайние случаи и работать в обратном направлении.

С одной стороны, рассмотрим R1 = 0 или R2 = 0 (но не оба сразу). В этом случае выходное напряжение вообще не изменится с i3. . Нулевое сопротивление параллельно с ненулевым сопротивлением всегда равно нулевому эквивалентному сопротивлению. В этом случае нагрузка напрямую подключена (с нулевым сопротивлением) к одному концу источника напряжения.

Вот как упрощается нагруженный делитель напряжения при крайнем нулевом сопротивлении:

С другой стороны, рассмотрим R1 = ∞ или R2 = ∞ (но не оба сразу).В этом случае делитель напряжения отключен с одной стороны. Бесконечное сопротивление параллельно с конечным сопротивлением всегда равно конечному сопротивлению.

(Для параллельных сопротивлений помните, что полное сопротивление всегда на меньше , чем наименьших отдельных сопротивлений. Или, что эквивалентно, общая проводимость всегда на больше , чем наибольших отдельных проводимостей.)

Вот как упрощается нагруженный делитель напряжения на пределе бесконечного сопротивления:

Уравнение идеального делителя напряжения правильно сводится к этим случаям, если падение напряжения из-за нагрузки пропорционально параллельному сопротивлению R1 // R2 .

А как насчет случая посередине, где оба сопротивления конечны? Один из способов подумать об этом заключается в том, что небольшое увеличение тока нагрузки i3 имеет двойной эффект: увеличение i1 и уменьшая i2 . Фактически ни один из двух токов i1 или i2 нужно изменить на полную величину изменения i3 , потому что они буквально разделяют разницу (с противоположным знаком, но это просто вопрос маркировки токов):

Δi1 − Δi2 = Δi3

Например, если R1 = R2 , то они разделят разницу поровну: Δi1 = 12Δi3 , причем Δi2 = −12Δi3 .Поскольку величина изменения тока через каждый резистор меньше, его изменение напряжения также меньше, просто из-за закона Ома.

На этой иллюстрации показано, как ток нагрузки делится поровну обоими резисторами делителя напряжения, когда R1 = R2. :

Мы можем смоделировать этот эффект численно:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Обратите внимание, что крутизна отдельных токов для R1 и R2 составляет половину крутизны, чем у испытательного тока.Измените сопротивления и посмотрите, как изменится поведение в ответ.


На практике загружены практически все реальные делители напряжения: что-то будет подключено к среднему выводу, так что промежуточная точка будет полезной – иначе мы бы просто использовали один резистор или вообще не использовали!

Однако, как видно из уравнения нагруженного делителя напряжения, математика для определения vout значительно усложняется, когда мы вводим ток нагрузки i3 .Было бы неплохо знать, когда это возможно, и небезопасно рассчитывать делитель напряжения как примерно без нагрузки.

Ответ исходит из рассмотрения дополнительного падения напряжения из-за нагрузки как члена ошибки аппроксимации verr :

vout = vin (R2R1 + R2) −i3 (R1R2R1 + R2) vout = vout, идеальный + verr

Если сосредоточиться только на термине ошибки:

verr = −i3 (R1R2R1 + R2) verr = −i3 (R1 // R2)

Если нам известна максимальная величина тока нагрузки | i3, max | , и мы можем определить максимальную ошибку напряжения | verr, max | мы готовы терпеть, тогда мы можем ограничить (R1 // R2) :

| i3, max | (R1 // R2) ≤ | verr, max | (R1 // R2) ≤ | verr, max || i3, max |

Если наша допустимая погрешность напряжения мала, сопротивление также должно быть небольшим.Если допустимый ток нагрузки велик, это также приведет к уменьшению сопротивления. Определение этого в терминах максимальных допусков означает, что даже если фактический ток нагрузки меняется, пока он меньше, чем максимальный ток нагрузки, на который мы рассчитали, мы можем быть уверены, что наш делитель напряжения по-прежнему будет в пределах наших проектных ограничений.

Это невероятно полезно на практике, потому что это означает, что нам не нужно проектировать всю систему сразу. Приближения позволяют разделить большую проектную проблему на серию более мелких, где мы можем решать одну часть за раз. У этого есть два преимущества:

  1. Более быстрое время проектирования. Часто бывает проще решить две маленькие подзадачи, чем одну большую.
  2. Более надежная работа. Решение, которое мы достигаем путем декомпозиции нашей системы на модули с границами ошибок, может быть более терпимым к непреднамеренной дисперсии компонентов, поскольку оно уже было разработано с учетом рассчитанных границ ошибок. Напротив, оптимизированное решение «все сразу» может быть неожиданно хрупким, когда какой-либо компонент на 5% отличается от желаемого значения.(Этот риск хрупкости особенно велик, когда мы начинаем добавлять какие-либо нелинейные элементы схемы, такие как транзисторы и усилители.)

Давайте рассмотрим типичный пример проектной задачи, когда мы должны спроектировать делитель напряжения как часть более крупной схемы.

Мы разработаем контроллер постоянного тока для светодиода (Light Emitting Diode), в котором мы хотим убедиться, что светодиод потребляет не более 20 мА тока, чтобы предотвратить его выгорание. Варианты изготовления означают, что мы не знаем точное напряжение светодиода, при котором будет возникать напряжение, поэтому нам необходимо управление светодиодами на основе тока, даже если у нас есть регулируемое напряжение в качестве источника питания.

При сохранении деталей для следующей главы, один из способов создать практический источник тока – это использовать BJT (Biploar Junction Transistor) с резистором для обратной связи. Нам нужно закрепить один вывод (базу) этого транзистора на 1,7 В, а у нас есть блок питания 5 В. Для этого мы можем использовать делитель напряжения:

Мы разделили схему на три основных элемента: источник напряжения и делитель напряжения (V1, R1 и R2), транзисторный источник тока (Q1 и RE) и нагрузку, которой мы пытаемся управлять (D1 ).

Теперь нам нужно найти неизвестные резисторы R1 и R2, чтобы установить соответствующее напряжение смещения базы для нашего транзистора. На самом деле делитель напряжения загружен, что требует гораздо больше информации для расчета точного базового напряжения. В соответствии с приведенным выше уравнением для нагруженного делителя напряжения нам также необходимо знать базовый ток, и это быстро усложнится, поскольку это циклически зависит от сопротивлений R1 и R2, а также от свойств самих транзисторов и светодиода. Сложность вычислений растет экспоненциально!

Вместо этого давайте сделаем предположение, что мы можем рассматривать делитель напряжения R1 и R2 как приблизительно без нагрузки и довольно просто найти желаемое выходное напряжение.Если делитель напряжения не нагружен:

voutvin = f = R2R1 + R2f (R1 + R2) = R2fR1 = R2 (1 − f) R2R1 = f1 − fR2R1 = voutvin1 − voutvinR2R1 = voutvin − vout

так что если мы знаем vin = 5 В и vout = 1,7 В , то:

R2R1 = 1,75–1,7R2R1 = 0,52

Сделав предположение, что мы можем решить делитель напряжения как ненагруженный, мы быстро решили для отношения R2R1 .

Это показывает нам относительных сопротивлений двух резисторов в делителе напряжения, чтобы получить желаемое напряжение.Однако мы еще не установили их абсолютных значений : мы могли бы выбрать (R1 = 10 Ом, R2 = 5,2 Ом) или (R1 = 1 МОм, R2 = 520 кОм) и оба будут соответствовать нашему требованию по соотношению.

Выбор места для фиксации этих абсолютных значений имеет практические инженерные компромиссы в обоих крайних случаях:

  1. Если сопротивление слишком мало: сам делитель напряжения потребляет большой ток (i = 5 VR1 + R2 ) и мощности (P = (5 В) 2R1 + R2 ). Это расточительно: это увеличивает наши требования к источнику питания или быстрее разряжает нашу батарею, и мы должны начать думать о тепловыделении резистора и температурных коэффициентах, а также о физических ожогах пользователей, прикоснувшись к этим горячим резисторам!
  2. Если сопротивление слишком велико: тогда ошибка напряжения из-за нагрузки | verr | = i3 (R1 // R2) будет неприемлемо большим, и мы не получим ожидаемое заданное значение напряжения.

Как выбирать?

У нас есть инженерный компромисс между потребляемой мощностью и точностью. Это типичный инженерный компромисс, на который должен пойти дизайнер. Правильный подход к проектированию будет заключаться в том, чтобы поставить некоторые разумные границы на желаемый уровень точности и убедиться, что это дает разумный результат по потребляемой мощности.

Допустим, мы хотим, чтобы желаемое напряжение было в пределах 5% от проектного целевого значения. Эта цифра в 5% может показаться произвольной.Разумный способ выбрать бюджет ошибки – рассмотреть значения на разных порядках величины с обеих сторон: 50%, очевидно, слишком большая ошибка практически во всех обстоятельствах; 10%, вероятно, было бы хорошо, если бы мы действительно не заботились о точности; 1% или 0,5% потребует от нас более точной информации о других компонентах нашей системы, таких как светодиод и сами транзисторы, не говоря уже о резисторах, которые обычно указываются с точностью только 1% или 5%. 5% приятно посередине! (Это часто используемая отправная точка для достижения цели дизайна, если у вас нет причин выбрать иное.)

Выбор 5% в качестве максимально допустимой погрешности напряжения позволяет нам сказать:

vout = 1,7 В ± 5% vout = 1,7 В ± 85 мВ | verr | ≤85 мВ

Из вышесказанного мы знаем, что для нагруженного делителя напряжения | verr | = i3 (R1 // R2) . Мы еще не рассматривали биполярные переходные транзисторы, такие как Q1, но пока просто предположим, что базовый ток (который равен i3 ) – малая часть тока нагрузки (коллектора) iL , вероятно, между 100≤iLi3≤200 – то есть базовый ток, вероятно, будет составлять от 0,5% до 1% от тока нашего светодиода.

Это очень грубое предположение плюс знание того, что желаемый ток нагрузки светодиода iL = 20 мА. , объедините, чтобы позволить нам поставить максимум на i3 :

i3≤iL100i3≤20 мА 100i3≤200 мкА

Это устанавливает максимальный предел значений сопротивления:

i3 (R1 // R2) ≤85 мВ (R1 // R2) ≤85 мВ 200 мкА (R1 // R2) ≤425 Ом

Теперь мы знаем, что хотим, чтобы параллельное сопротивление R1 и R2 было не более 425 Ом. .

Мы снова воспользуемся другим приближением (обратите внимание: добавляем больше ошибок, за пределами наших ранее установленных границ!) И помним, что если два резистора имеют очень разные значения, мы можем приблизить их параллельное сопротивление как примерно меньшее сопротивление.Наше соотношение R2R1 = 0,52 не достаточно большой, чтобы это было правдой, но он достаточно хорош для решения «обратной стороны конверта» и позволяет нам быстро выбрать некоторые общие значения резисторов, зная, что мы ищем примерно соотношение два к одному. где меньшее значение составляет примерно 400 Ом. ориентировочно:

R1 = 910 Ом R2 = 470 Ом

Это дешевые и распространенные номиналы резисторов, и мы получаем:

(R1 // R2) = R1R2R1 + R2 = 310 Ом R2R1 = 0,516

Это соответствует нашему ограничению погрешности напряжения и почти в точности соответствует нашему желаемому соотношению.Это достаточно близко, чтобы другие допуски (например, отдельные резисторы и транзисторы) преобладали в общей ошибке.

Вот наша последняя схема управления током светодиода с R1 и R2 на месте:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Запустите моделирование постоянного тока и посмотрите, как регулируется ток светодиода, равный примерно 20 мА. Вы также увидите расчетную рассеиваемую мощность на резисторах делителя напряжения P (R1) + P (R2). .

Насколько чувствительна эта схема к выбранным нами конкретным значениям R1 и R2? Что, если мы сохраним соотношение f = R2R1 = 0.52 , но выбрать разные (как большие, так и меньшие) номиналы резисторов? Режим DC Sweep симулятора позволяет нам быстро ответить на этот вопрос. Сначала мы определяем свободную переменную параметра x , а затем позвольте двум сопротивлениям масштабироваться вместе с ним:

R1 = xR2 = 0,52x

Вот симуляция, показывающая ток светодиода с различными значениями x :

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Запустите DC Sweep по параметру x и посмотрите, как изменяется ток светодиода, когда мы регулируем сопротивление на много порядков величины.

Обратите внимание, как точка, которую мы выбрали выше, x = 910 , находится прямо перед «коленом» – визуально почти кусочно-линейным изменением поведения на кривой – где производительность начинает быстро ухудшаться. Мы построили график с использованием логарифмической шкалы для параметра, чтобы вы могли увидеть эффект замены сопротивлений на многие порядки величины. Прокрутите вниз, чтобы увидеть график рассеивания тепла резистором, так как это то, что мы обычно стараемся минимизировать. Симуляторы контуров позволяют быстро увидеть этот эффект «колена», а не рассчитывать его по множеству точек.

Выбирая точку чуть ближе к устойчивой стороне колена, мы получаем желаемое стабильное поведение при минимальном потреблении энергии.


Мы можем использовать симулятор, чтобы посмотреть, правильно ли работает схема, если разные значения компонентов различаются. Можно ожидать расхождения в значениях светодиода, транзистора и всех резисторов. Мы также можем ожидать некоторых отклонений в напряжении источника питания.

В каждом случае мы можем использовать режим моделирования DC Sweep для изменения компонента.

Вот что происходит, когда транзистор становится сильнее или слабее:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Ток светодиода не сильно зависит от характеристик транзистора.

А вот что происходит, когда индикатор немного отличается:

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Ток светодиода также не сильно зависит от его параметров – мы разработали хороший регулятор тока!

Мы также можем использовать DC Sweep для изменения двух разных параметров.Например, предположим, что и R1, и R2 имеют 5% диапазонов допуска:

.

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Ток светодиода нанесен на график для различных комбинаций значений R1 и R2.

В этом случае мы видим примерно +/- 10% общего диапазона токов светодиодов, что соответствует объединенным ошибкам наших двух отдельных допусков +/- 5%.

В производстве мы хотели бы проверить все углы нашего процесса – все наши крайние допуски для всех наших компонентов – в любом случае убедиться, что схема по-прежнему работает достаточно хорошо.Если этого не произойдет, нам придется перепроектировать или специфицировать схему, используя компоненты с более жесткими допусками, что может увеличить стоимость.

Если у вас есть N параметры компонента с полями допуска, которые теоретически могут составлять 2N углы проверять! На практике мы используем нашу инженерную интуицию для поиска наиболее потенциально проблемных, и мы проектируем наши схемы так, чтобы они были надежными по конструкции, как указано выше.


Один из распространенных случаев использования делителя напряжения – измерение неизвестного значения сопротивления.Например, мы можем использовать фиксированное значение сопротивления R1 и неизвестное значение R2, которое мы хотим определить. (R2 может быть, например, резистором, зависящим от температуры или света.)

В этом случае мы можем измерить выходное напряжение делителя напряжения vout (например, с помощью мультиметра или аналого-цифрового преобразователя) и выразить это как долю известного приложенного напряжения vin . Затем мы решаем уравнение идеального делителя напряжения для неизвестного сопротивления следующим образом:

voutvin = f = R2R1 + R2fR1 + fR2 = R2fR1 = (1 − f) R2R2 = R1 (f1 − f)

Если мы знаем R1 , и мы можем измерить f , затем вычисляя R2 просто.

Exercise Щелкните, чтобы открыть и смоделировать схему выше. Развертка по постоянному току меняет R2. График настроен так, чтобы показать отношение f на верхнем графике, а затем использует приведенное выше уравнение для обратного вычисления значения R2 от измеренных напряжений.


Вернитесь к содержанию, чтобы продолжить. Скоро появятся новые разделы!


Роббинс, Майкл Ф. Ultimate Electronics: Практическое проектирование и анализ схем. CircuitLab, Inc., 2021, ultimateelectronicsbook.com. Доступно. (Авторское право © CircuitLab, Inc., 2021)

Онлайн калькулятор делителя напряжения

с формулой

Расчет делителя напряжения

:

Введите сопротивление резистора в омах и напряжение источника в вольтах, затем нажмите кнопку вычисления, чтобы получить напряжение на этом конкретном резисторе. Наш калькулятор делителя напряжения работает на основе модели с тремя резисторами, как указано в схеме. Здесь третье сопротивление необязательно. По крайней мере, вы должны ввести два значения резистора.

Калькулятор делителя напряжения для цепи с тремя сопротивлениями

Напряжение на этом конкретном сопротивлении равно напряжению источника, умноженному на это сопротивление, деленное на сумму всех сопротивлений.

Таким образом, вы можете рассчитать напряжение на трех резисторах одновременно, и формула будет

Формула делителя напряжения

Делитель потенциала – это электрическая цепь, используемая для пошагового уменьшения напряжения с помощью резистора. Ниже приведена формула для расчета напряжения на любой цепи сопротивления.

Возьмем простую схему, состоящую из трех сопротивлений,

Многократный резистор

R1 => Сопротивление 1-го резистора в Ом (Ом).

R2 => Сопротивление 2-го резистора в Ом (Ом).

Ri => Сопротивление резистора i th в Ом (Ом).

В вых => Выходное напряжение на резисторе R2 в вольтах.

Vin => Напряжение источника в вольтах.

Vi => Напряжение на резисторе i th .

Для расчета напряжения на резисторе i th формула принимает вид

делитель напряжения для нескольких резисторов

Для расчета напряжения на нескольких резисторах просто используйте вышеупомянутую формулу.

Пример:

R1 = 10 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 10 Ом, входное напряжение = 24 В, Рассчитайте напряжение на резисторе R3.

Используйте нашу формулу,

В 3 = 24 x 10 / (10 + 20 + 10)

В 3 = 6 В

В 3 = Напряжение на третьем сопротивлении равно 6 В

Калькулятор делителя напряжения

-Apogeeweb

Часто задаваемые вопросы

1.Как рассчитать делитель напряжения?

Формулировка правила проста: Правило деления напряжения: напряжение делится между двумя последовательными резисторами прямо пропорционально их сопротивлению. −v (t) + v1 (t) + v2 (t) = 0 → v (t) = v1 (t) + v2. v (t) = R1i (t) + R2i (t) = (R1 + R2) i (t).

2. Как выбрать резистор делителя напряжения?

Вот очень приблизительное эмпирическое правило: ток, протекающий через два резистора (при условии отсутствия входного тока), должен быть от 10 до 1000 раз больше, чем входной ток.Чем больше тока проходит через эти резисторы, тем меньше влияние входного тока.

3. Параллельно ли включен делитель напряжения?

Параллельную цепь часто называют делителем тока из-за ее способности пропорционально или делить общий ток на дробные части. Еще раз, должно быть очевидно, что ток через каждый резистор связан с его сопротивлением, учитывая, что напряжение на всех резисторах одинаково.

4.Почему используется делитель напряжения?

Резисторные делители напряжения обычно используются для создания опорных напряжений или для уменьшения величины напряжения, чтобы его можно было измерить, а также могут использоваться в качестве аттенюаторов сигналов на низких частотах.

5. Как рассчитать выходное напряжение?

Формула: V = I x R, где V – напряжение, измеренное в вольтах, I – величина тока, измеренная в амперах, а R – сопротивление, измеренное в омах.

6.Как работает делитель напряжения?

Делитель напряжения – это простая схема, которая преобразует большое напряжение в меньшее. Используя всего два последовательных резистора и входное напряжение, мы можем создать выходное напряжение, составляющее часть входного. Делители напряжения – одна из самых фундаментальных схем в электронике.

7. Что такое правило делителя напряжения и тока?

Цепи делителя тока

имеют две или несколько параллельных ветвей для протекания токов, но напряжение одинаково для всех компонентов в параллельном блоке.Цепи делителя тока – это параллельные цепи, в которых ток источника или питания делится на несколько параллельных цепей.

8. В чем разница между потенциометром и делителем напряжения?

Делитель потенциала также называется резистивным делителем, напряжение пропорционально делится между цепочкой последовательно соединенных резисторов. Он может быть сформирован из N нескольких отводов и количества (N + 1) постоянных резисторов, но в природе существует гораздо больше его реализаций.

Короче говоря, потенциометр – это компонент, внутри которого используется делитель потенциала. Следовательно, все потенциометры, используемые для получения переменного напряжения, можно назвать делителями напряжения, но все делители напряжения не являются потенциометрами.

9. Как рассчитать делитель потенциала?

Делитель потенциала

Vin = p.d. поставляется ячейкой.

Vout = p.d. через интересующий резистор.

R1 = сопротивление резистора, представляющего интерес R1

R2 = сопротивление резистора R2

10.Как работает потенциальный делитель?

Делитель потенциала – это простая схема, в которой используется способ падения напряжения на последовательно соединенных резисторах. Это очень полезная и распространенная схема, которая широко используется в нашем ассортименте электронных комплектов. Идея состоит в том, что, используя два последовательно подключенных резистора, можно разделить напряжение и создать между ними другое напряжение.

11. Зачем использовать делитель напряжения?

Делитель напряжения может использоваться для уменьшения очень высокого напряжения, чтобы его можно было измерить с помощью вольтметра.Высокое напряжение подается на делитель, а выход делителя, который выводит более низкое напряжение, которое находится в пределах входного диапазона измерителя, измеряется измерителем.

12. Как построить делитель напряжения?

13. Что такое схема умножителя напряжения?

Умножитель напряжения – это тип схемы диодного выпрямителя, который может создавать выходное напряжение, во много раз превышающее приложенное входное напряжение. В руководстве по выпрямителям мы увидели, что выходное напряжение постоянного тока, контролируемое выпрямителем, находится на значении ниже входного напряжения сети.

14. Что такое смещение делителя напряжения?

Смещение делителя напряжения, также известное как смещение делителя напряжения, представляет собой метод, используемый для смещения постоянного тока биполярных переходных транзисторов (BJT) в простой схеме усилителя.

15. Почему смещение делителя напряжения называется самосмещением?

Причина его названия «самосмещение» не очень очевидна, за исключением того факта, что резистор, подключенный к эмиттерному выводу транзистора, способствует стабильности смещения.

16. Какое правило делителя напряжения?

Правило делителя напряжения используется для решения схем для упрощения решения. Применение этого правила также может полностью решить простые схемы. Основная концепция этого правила делителя напряжения: «Напряжение делится между двумя резисторами, которые соединены последовательно, прямо пропорционально их сопротивлению.

17. Какие бывают типы умножителей напряжения?

Умножители напряжения подразделяются на четыре типа:

Однополупериодный удвоитель напряжения.

Двухполупериодный удвоитель напряжения.

Утроитель напряжения.

Напряжение увеличено в 4 раза.

18. Как построить в цепи умножитель напряжения?

19. Может ли потенциометр работать как делитель напряжения?

Да. Потенциометр – это переменный резистор, который можно использовать для создания регулируемого делителя напряжения.

20. Почему смещение делителя напряжения более стабильно, чем фиксированное смещение?

Смещение делителя напряжения для транзистора не зависит от бета транзистора, в то время как фиксированное смещение зависит от бета.

Можно показать, что смещение делителя напряжения (тот, который используется в H-образной цепи смещения, обнаруженной вокруг биполярных транзисторов, работающих как почти линейные усилители), создает контур, отображающий свойства отрицательной обратной связи, которые помогают точке смещения быть почти независимой от тока транзистора. усиление, hFE или βF. Это приятное свойство, поскольку в обычных транзисторах этот параметр может иногда варьироваться в диапазоне 1: 3 от устройства к устройству.

Принцип деления напряжения резисторов в серии

В последовательной цепи распределение напряжения пропорционально величине сопротивления, то есть чем больше сопротивление, тем больше распределяется напряжение; Напротив, чем меньше сопротивление, тем меньше распределяется напряжение.

В последовательной цепи напряжение на проводниках пропорционально их сопротивлению.

По I1 = I2,

U1 / R1 = U2 / R2 равно

Объяснение схемы делителя напряжения:

Этот видеоурок по физике дает базовое введение в схемы делителя напряжения. Он предоставляет простую формулу для расчета напряжения на резисторе в последовательной цепи с двумя резисторами, включенными последовательно с батареей.он содержит множество примеров и практических задач. В нем обсуждается влияние на выходное напряжение схемы делителя напряжения, когда нагрузочный резистор включен параллельно R2. В нем обсуждается, как спроектировать схему делителя напряжения в соответствии с определенными требованиями.

Резистор в серии и В делитель напряжения

резисторов включены последовательно, напряжение, получаемое на k-м резисторе:

В заключении:

① В последовательной цепи полное сопротивление равно сумме сопротивлений субрезисторов.

② Напряжение на каждом резисторе соответствует общему напряжению в соответствии с отношением его сопротивления к общему сопротивлению.

Расчет мощности цепи последовательного сопротивления:

Делители напряжения – ток, разность потенциалов, мощность и сопротивление – Higher Physics Revision

Термистор и резистор

В приведенном выше примере резистор \ (10k \ Omega \) (\ (R_ {1} \)) подключен к последовательно с термистором (\ (R_ {th} \)) для создания делителя напряжения.Общее напряжение на обоих компонентах составляет \ (5,0 В \).

Когда термистор помещен в теплую среду, он имеет сопротивление \ (100 \ Омега \). В этих условиях мы можем рассчитать напряжение на термисторе.

Сначала найдите полное сопротивление делителя напряжения.

\ [{R_S} = {R_ {th}} + {R_1} \]

\ [= 100 + 10000 \]

\ [= 10100 \ Omega \]

Затем найдите ток через компоненты.

\ [{I_S} = \ frac {{{V_S}}} {{{R_S}}} = \ frac {5} {{10100}} \]

\ [= 0.000495 A \]

\ [= 495 \ mu {\ rm A} \]

Ток через компоненты равен \ (495 \ mu {\ rm A} \)

Теперь найдите напряжение на термисторе.

\ [{V_ {th}} = {I_S} {R_ {th}} \]

\ [= 0,000495 \ times 100 \]

\ [0,0495V \]

\ [= 49,5 мВ \]

Напряжение на термисторе, \ (V_ {th} = 49,5 мВ \).

Напряжение на резисторе можно рассчитать следующим образом:

\ [V_ {R} = V_ {S} -V_ {th} \]

\ [= 5.0 – 0,0495 \]

\ [= 4,95 В \]

Если термистор переместить в морозильную камеру, его сопротивление возрастет до \ (40 кОм \ Омега \). Сопротивление резистора остается прежним.

Теперь мы можем рассчитать напряжение на термисторе, используя тот же метод.

Найдите полное сопротивление делителя напряжения.

\ [{R_S} = {R_ {th}} + {R_1} \]

\ [= 40000 + 10000 \]

\ [= 50000 \ Omega \]

Затем найдите ток через компоненты.

\ [{I_S} = \ frac {{{V_S}}} {{{R_S}}} = \ frac {5} {{50000}} \]

\ [= 0.0001A \]

\ [ = 100 \ mu {\ rm A} \]

Теперь найдите напряжение на термисторе.

\ [{V_ {th}} = {I_S} {R_ {th}} \]

\ [= 0,0001 \ times 40000 \]

\ [= 4,0 В \]

Напряжение на термисторе равно \ (4,0 В \).

Напряжение на резисторе, \ ({V_R} = {V_S} – {V_ {th}} \)

\ [= 5.0 – 4.0 \]

\ [= 1.0 V \]

Когда термистор нагревается напряжение на нем в делителе напряжения очень низкое (около \ (0.05V \)), но в холодном состоянии напряжение возрастает до \ (4,0 В. \)

Последовательные и параллельные резисторы

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Нарисуйте цепь с резисторами, включенными параллельно и последовательно.
  • Рассчитайте падение напряжения тока на резисторе, используя закон Ома.
  • Контраст – способ расчета общего сопротивления для резисторов, включенных последовательно и параллельно.
  • Объясните, почему полное сопротивление параллельной цепи меньше наименьшего сопротивления любого из резисторов в этой цепи.
  • Рассчитайте общее сопротивление цепи, которая содержит смесь резисторов, включенных последовательно и параллельно.

Большинство схем имеет более одного компонента, называемого резистором , который ограничивает поток заряда в цепи. Мера этого предела расхода заряда называется сопротивлением . Простейшие комбинации резисторов – это последовательное и параллельное соединение, показанное на рисунке 1. Общее сопротивление комбинации резисторов зависит как от их индивидуальных значений, так и от способа их подключения.

Рис. 1. (a) Последовательное соединение резисторов. (б) Параллельное соединение резисторов.

Когда резисторы в серии ? Резисторы включены последовательно всякий раз, когда поток заряда, называемый током , должен проходить через устройства последовательно. Например, если ток течет через человека, держащего отвертку, в землю, тогда R 1 на Рисунке 1 (a) может быть сопротивлением вала отвертки, R 2 сопротивлением ее ручки , R 3 сопротивление тела человека и R 4 сопротивление его обуви.На рисунке 2 показаны резисторы, последовательно подключенные к источнику напряжения . Кажется разумным, что полное сопротивление является суммой отдельных сопротивлений, учитывая, что ток должен проходить через каждый резистор последовательно. (Этот факт был бы преимуществом для человека, желающего избежать поражения электрическим током, который мог бы уменьшить ток, надев обувь с резиновыми подошвами с высоким сопротивлением. прибор, уменьшающий рабочий ток.)

Рис. 2. Три резистора, подключенных последовательно к батарее (слева), и эквивалентное одиночное или последовательное сопротивление (справа).

Чтобы убедиться, что последовательно включенные сопротивления действительно складываются, давайте рассмотрим потерю электроэнергии, называемую падением напряжения , в каждом резисторе на рисунке 2. Согласно закону Ома , падение напряжения В на резистор, когда через него протекает ток, рассчитывается по формуле V = IR , где I равно току в амперах (A), а R – сопротивление в омах (Ω).Другой способ представить это: В, – это напряжение, необходимое для протекания тока I через сопротивление R . Таким образом, падение напряжения на R 1 составляет В 1 = IR 1 , что на R 2 составляет В 2 = IR 2 , и что по R 3 равно V 3 = IR 3 .Сумма этих напряжений равна выходному напряжению источника; то есть

V = V 1 + V 2 + V 3 .

Это уравнение основано на сохранении энергии и сохранении заряда. Электрическая потенциальная энергия может быть описана уравнением PE = qV , где q – электрический заряд, а V – напряжение. Таким образом, энергия, подаваемая источником, составляет кв , а энергия, рассеиваемая резисторами, составляет

.

qV 1 + qV 2 + qV 3 .

Установление связей: законы сохранения

Вывод выражений для последовательного и параллельного сопротивления основан на законах сохранения энергии и сохранения заряда, которые гласят, что общий заряд и полная энергия постоянны в любом процессе. Эти два закона непосредственно участвуют во всех электрических явлениях и будут многократно использоваться для объяснения как конкретных эффектов, так и общего поведения электричества.

Эти энергии должны быть равны, потому что в цепи нет другого источника и другого назначения для энергии.Таким образом, qV = qV 1 + qV 2 + qV 3 . Плата q отменяется, давая V = V 1 + V 2 + V 3 , как указано. (Обратите внимание, что одинаковое количество заряда проходит через батарею и каждый резистор за заданный промежуток времени, поскольку нет емкости для хранения заряда, нет места для утечки заряда и заряд сохраняется.) Теперь подстановка значений для отдельных напряжений дает

V = IR 1 + IR 2 + IR 3 = I ( R 1 + R 146 2 9088 + 9088 ).

Обратите внимание, что для эквивалентного сопротивления одной серии R s , мы имеем

V = IR s .

Это означает, что полное или эквивалентное последовательное сопротивление R s трех резисторов составляет R s = R 1 + R 2 + R 3 .Эта логика действительна в общем для любого количества резисторов, включенных последовательно; таким образом, полное сопротивление R с последовательного соединения составляет

R с = R 1 + R 2 + R 3 +…,

, как предлагается. Поскольку весь ток должен проходить через каждый резистор, он испытывает сопротивление каждого, а последовательно соединенные сопротивления просто складываются.

Пример 1. Расчет сопротивления, тока, падения напряжения и рассеиваемой мощности: анализ последовательной цепи

Предположим, что выходное напряжение батареи на рисунке 2 равно 12.0 В, а сопротивления равны R 1 = 1,00 Ом, R 2 = 6,00 Ом и R 3 = 13,0 Ом. а) Каково полное сопротивление? (б) Найдите ток. (c) Рассчитайте падение напряжения на каждом резисторе и покажите, как они складываются, чтобы равняться выходному напряжению источника. (d) Рассчитайте мощность, рассеиваемую каждым резистором. (e) Найдите выходную мощность источника и покажите, что она равна общей мощности, рассеиваемой резисторами.

Стратегия и решение для (а)

Общее сопротивление – это просто сумма отдельных сопротивлений, определяемая следующим уравнением:

[латекс] \ begin {array} {lll} {R} _ {\ text {s}} & = & {R} _ {1} + {R} _ {2} + {R} _ {3} \ \ & = & 1.00 \ text {} \ Omega + 6.00 \ text {} \ Omega + 13.0 \ text {} \ Omega \\ & = & 20.0 \ text {} \ Omega \ end {array} \\ [/ latex].

Стратегия и решение для (b)

Ток определяется по закону Ома, В = IR . Ввод значения приложенного напряжения и общего сопротивления дает ток для цепи:

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {\ text {s}}} = \ frac {12.0 \ text {V}} {20.0 \ text {} \ Omega} = 0.60 \ text {A }\\[/латекс].

Стратегия и решение для (c)

Напряжение – или падение IR – на резисторе определяется законом Ома.Ввод значения тока и значения первого сопротивления дает

.

В 1 = IR 1 = (0,600 A) (1,0 Ом) = 0,600 В.

Аналогично

В 2 = IR 2 = (0,600 A) (6,0 Ом) = 3,60 В

и

V3 = IR 3 = (0,600 A) (13,0 Ом) = 7,80 В.

Обсуждение для (c)

Три капли IR добавляют к 12.0 В, прогноз:

V 1 + V 2 + V 3 = (0,600 + 3,60 + 7,80) V = 12,0 В.

Стратегия и решение для (d)

Самый простой способ рассчитать мощность в ваттах (Вт), рассеиваемую резистором в цепи постоянного тока, – это использовать закон Джоуля , P = IV , где P – электрическая мощность. В этом случае через каждый резистор протекает одинаковый полный ток.Подставляя закон Ома V = IR в закон Джоуля, мы получаем мощность, рассеиваемую первым резистором, как

P 1 = I 2 R 1 = (0,600 A) 2 (1,00 Ом) = 0,360 Вт.

Аналогично

P 2 = I 2 R 2 = (0,600 A) 2 (6,00 Ом) = 2,16 Вт

и

P 3 = I 2 R 3 = (0.{2}} {R} \\ [/ latex], где В, – это падение напряжения на резисторе (а не полное напряжение источника). Будут получены те же значения.

Стратегия и решение для (e)

Самый простой способ рассчитать выходную мощность источника – использовать P = IV , где В, – напряжение источника. Это дает

P = (0,600 A) (12,0 В) = 7,20 Вт.

Обсуждение для (e)

Обратите внимание, что по совпадению общая мощность, рассеиваемая резисторами, также равна 7.20 Вт, столько же, сколько мощность, выдаваемая источником. То есть

P 1 + P 2 + P 3 = (0,360 + 2,16 + 4,68) W = 7,20 Вт

Мощность – это энергия в единицу времени (ватт), поэтому для сохранения энергии требуется, чтобы выходная мощность источника была равна общей мощности, рассеиваемой резисторами.

Основные характеристики резисторов серии

  1. Последовательные сопротивления добавить: R s = R 1 + R 2 + R 3 +….
  2. Одинаковый ток протекает последовательно через каждый резистор.
  3. Отдельные последовательно включенные резисторы не получают полное напряжение источника, а делят его.

На рисунке 3 показаны резисторы параллельно , подключенные к источнику напряжения. Резисторы включены параллельно, когда каждый резистор подключен непосредственно к источнику напряжения с помощью соединительных проводов с незначительным сопротивлением. Таким образом, к каждому резистору приложено полное напряжение источника. Каждый резистор потребляет такой же ток, как если бы он один был подключен к источнику напряжения (при условии, что источник напряжения не перегружен).Например, автомобильные фары, радио и т. Д. Подключены параллельно, так что они используют полное напряжение источника и могут работать полностью независимо. То же самое и в вашем доме, или в любом другом здании. (См. Рисунок 3 (b).)

Рис. 3. (a) Три резистора, подключенных параллельно батарее, и эквивалентное одиночное или параллельное сопротивление. (б) Электроснабжение в доме. (Источник: Dmitry G, Wikimedia Commons)

Чтобы найти выражение для эквивалентного параллельного сопротивления R p , давайте рассмотрим протекающие токи и их связь с сопротивлением.Поскольку каждый резистор в цепи имеет полное напряжение, токи, протекающие через отдельные резисторы, равны [латекс] {I} _ {1} = \ frac {V} {{R} _ {1}} \\ [/ latex] , [латекс] {I} _ {2} = \ frac {V} {{R} _ {2}} \\ [/ latex] и [латекс] {I} _ {3} = \ frac {V} {{R} _ {3}} \\ [/ латекс]. Сохранение заряда подразумевает, что полный ток I , производимый источником, является суммой этих токов:

I = I 1 + I 2 + I 3 .

Подстановка выражений для отдельных токов дает

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {1}} + \ frac {V} {{R} _ {2}} + \ frac {V} {{R} _ {3}} = V \ left (\ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} {{R} _ {2}} + \ frac {1} {{R} _ {3}} \ справа) \\ [/ латекс].

Обратите внимание, что закон Ома для эквивалентного одиночного сопротивления дает

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {p}} = V \ left (\ frac {1} {{R} _ {p}} \ right) \\ [/ latex].

Члены в скобках в последних двух уравнениях должны быть равны. Обобщая для любого количества резисторов, общее сопротивление R p параллельного соединения связано с отдельными сопротивлениями на

[латекс] \ frac {1} {{R} _ {p}} = \ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} {{R} _ {2}} + \ гидроразрыв {1} {{R} _ {\ text {.} 3}} + \ text {.} \ Text {…} \\ [/ latex]

Это соотношение приводит к общему сопротивлению R p , которое меньше наименьшего из отдельных сопротивлений. (Это видно в следующем примере.) При параллельном подключении резисторов от источника течет больше тока, чем протекает по любому из них по отдельности, поэтому общее сопротивление ниже.

Пример 2. Расчет сопротивления, тока, рассеиваемой мощности и выходной мощности: анализ параллельной цепи

Пусть выходное напряжение батареи и сопротивления в параллельном соединении на рисунке 3 будут такими же, как и в ранее рассмотренном последовательном соединении: В = 12.0 В, R 1 = 1,00 Ом, R 2 = 6,00 Ом и R 3 = 13,0 Ом. а) Каково полное сопротивление? (б) Найдите полный ток. (c) Рассчитайте токи в каждом резисторе и покажите, как они складываются, чтобы равняться общему выходному току источника. (d) Рассчитайте мощность, рассеиваемую каждым резистором. (e) Найдите выходную мощность источника и покажите, что она равна общей мощности, рассеиваемой резисторами.

Стратегия и решение для (а)

Общее сопротивление для параллельной комбинации резисторов находится с помощью следующего уравнения.Ввод известных значений дает

[латекс] \ frac {1} {{R} _ {p}} = \ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} {{R} _ {2}} + \ frac {1} {{R} _ {3}} = \ frac {1} {1 \ text {.} \ text {00} \ text {} \ Omega} + \ frac {1} {6 \ text {. } \ text {00} \ text {} \ Omega} + \ frac {1} {\ text {13} \ text {.} 0 \ text {} \ Omega} \\ [/ latex].

Таким образом,

[латекс] \ frac {1} {{R} _ {p}} = \ frac {1.00} {\ text {} \ Omega} + \ frac {0 \ text {.} \ Text {1667}} {\ текст {} \ Omega} + \ frac {0 \ text {.} \ text {07692}} {\ text {} \ Omega} = \ frac {1 \ text {.} \ text {2436}} {\ text { } \ Omega} \\ [/ латекс].

(Обратите внимание, что в этих расчетах каждый промежуточный ответ отображается с дополнительной цифрой.) Мы должны перевернуть это, чтобы найти полное сопротивление R p . Это дает

[латекс] {R} _ {\ text {p}} = \ frac {1} {1 \ text {.} \ Text {2436}} \ text {} \ Omega = 0 \ text {.} \ Text { 8041} \ text {} \ Omega \\ [/ latex].

Общее сопротивление с правильным количеством значащих цифр составляет R p = 0,804 Ом

Обсуждение для (а)

R p , как и предполагалось, меньше наименьшего индивидуального сопротивления.

Стратегия и решение для (b)

Полный ток можно найти из закона Ома, заменив полное сопротивление R p . Это дает

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {\ text {p}}} = \ frac {\ text {12.0 V}} {0.8041 \ text {} \ Omega} = \ text {14} \ text {.} \ text {92 A} \\ [/ latex].

Обсуждение для (б)

Ток I для каждого устройства намного больше, чем для тех же устройств, подключенных последовательно (см. Предыдущий пример).Схема с параллельным соединением имеет меньшее общее сопротивление, чем резисторы, включенные последовательно.

Стратегия и решение для (c)

Отдельные токи легко вычислить по закону Ома, поскольку каждый резистор получает полное напряжение. Таким образом,

[латекс] {I} _ {1} = \ frac {V} {{R} _ {1}} = \ frac {12.0 \ text {V}} {1.00 \ text {} \ Omega} = 12.0 \ text {A} \\ [/ латекс].

Аналогично

[латекс] {I} _ {2} = \ frac {V} {{R} _ {2}} = \ frac {12.0 \ text {V}} {6.00 \ text {} \ Omega} = 2 \ text {.} \ text {00} \ text {A} \\ [/ latex]

и

[латекс] {I} _ {3} = \ frac {V} {{R} _ {3}} = \ frac {\ text {12} \ text {.} 0 \ text {V}} {\ text {13} \ text {.} \ Text {0} \ text {} \ Omega} = 0 \ text {.} \ Text {92} \ text {A} \\ [/ latex].

Обсуждение для (c)

Общий ток складывается из отдельных токов:

I 1 + I 2 + I 3 = 14,92 A.

Это соответствует сохранению заряда.{2}} {13.0 \ text {} \ Omega} = 11.1 \ text {W} \\ [/ latex].

Обсуждение для (d)

Мощность, рассеиваемая каждым резистором параллельно, значительно выше, чем при последовательном подключении к тому же источнику напряжения.

Стратегия и решение для (e)

Общую мощность также можно рассчитать несколькими способами. Выбирая P = IV и вводя полный ток, получаем

P = IV = (14,92 A) (12,0 В) = 179 Вт.

Обсуждение для (e)

Суммарная мощность, рассеиваемая резисторами, также 179 Вт:

P 1 + P 2 + P 3 = 144 Вт + 24,0 Вт + 11,1 Вт = 179 Вт

Это соответствует закону сохранения энергии.

Общее обсуждение

Обратите внимание, что как токи, так и мощность при параллельном подключении больше, чем для тех же устройств, подключенных последовательно.

Основные характеристики параллельных резисторов
  1. Параллельное сопротивление определяется из [latex] \ frac {1} {{R} _ {\ text {p}}} = \ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} { {R} _ {2}} + \ frac {1} {{R} _ {3}} + \ text {…} \\ [/ latex], и оно меньше любого отдельного сопротивления в комбинации.
  2. На каждый параллельно включенный резистор подается такое же полное напряжение источника. (В системах распределения электроэнергии чаще всего используются параллельные соединения для питания бесчисленных устройств, обслуживаемых одним и тем же напряжением, и для того, чтобы они могли работать независимо.)
  3. Параллельные резисторы не получают суммарный ток каждый; они делят это.

Комбинации последовательного и параллельного

Более сложные соединения резисторов иногда представляют собой просто комбинации последовательного и параллельного. Они часто встречаются, особенно если учесть сопротивление провода. В этом случае сопротивление провода включено последовательно с другими сопротивлениями, включенными параллельно. Комбинации последовательного и параллельного подключения можно свести к одному эквивалентному сопротивлению, используя технику, показанную на рисунке 4.Различные части идентифицируются как последовательные или параллельные, уменьшаются до их эквивалентов и далее уменьшаются до тех пор, пока не останется единственное сопротивление. Процесс занимает больше времени, чем труден.

Рис. 4. Эта комбинация из семи резисторов имеет как последовательные, так и параллельные части. Каждый из них идентифицируется и приводится к эквивалентному сопротивлению, а затем уменьшается до тех пор, пока не будет достигнуто одно эквивалентное сопротивление.

Самая простая комбинация последовательного и параллельного сопротивления, показанная на рисунке 4, также является наиболее поучительной, поскольку она используется во многих приложениях.Например, R 1 может быть сопротивлением проводов от автомобильного аккумулятора к его электрическим устройствам, которые подключены параллельно. R 2 и R 3 могли быть стартером и светом салона. Ранее мы предполагали, что сопротивление провода незначительно, но, когда это не так, оно имеет важные последствия, как показывает следующий пример.

Пример 3. Расчет сопротивления,

IR Падение, ток и рассеиваемая мощность: объединение последовательных и параллельных цепей

На рис. 5 показаны резисторы из двух предыдущих примеров, подключенные другим способом – комбинацией последовательного и параллельного подключения.Мы можем считать R 1 сопротивлением проводов, ведущих к R 2 и R 3 . (а) Найдите полное сопротивление. (b) Что такое падение IR в R 1 ? (c) Найдите текущие I 2 через R 2 . (d) Какую мощность рассеивает R 2 ?

Рис. 5. Эти три резистора подключены к источнику напряжения, так что R 2 и R 3 параллельны друг другу, и эта комбинация последовательно с R 1 .

Стратегия и решение для (а)

Чтобы найти полное сопротивление, отметим, что R 2 и R 3 находятся параллельно, и их комбинация R p находится последовательно с R 1 . Таким образом, полное (эквивалентное) сопротивление этой комбинации составляет

.

R tot = R 1 + R p .

Сначала находим R p , используя уравнение для параллельных резисторов и вводя известные значения:

[латекс] \ frac {1} {{R} _ {\ text {p}}} = \ frac {1} {{R} _ {2}} + \ frac {1} {{R} _ {3 }} = \ frac {1} {6 \ text {.} \ text {00} \ text {} \ Omega} + \ frac {1} {\ text {13} \ text {.} 0 \ text {} \ Omega} = \ frac {0.2436} {\ text {} \ Омега} \\ [/ латекс].

Инвертирование дает

[латекс] {R} _ {\ text {p}} = \ frac {1} {0,2436} \ text {} \ Omega = 4.11 \ text {} \ Omega \\ [/ latex].

Таким образом, общее сопротивление равно

.

R tot = R 1 + R p = 1,00 Ом + 4,11 Ом = 5,11 Ом.

Обсуждение для (а)

Общее сопротивление этой комбинации является промежуточным между значениями чистой серии и чистой параллели (20.0 Ом и 0,804 Ом соответственно), найденные для тех же резисторов в двух предыдущих примерах.

Стратегия и решение для (b)

Чтобы найти падение IR в R 1 , отметим, что полный ток I протекает через R 1 . Таким образом, его падение IR составляет

.

В 1 = ИК 1

Мы должны найти I , прежде чем сможем вычислить V 1 .Полный ток I находится с помощью закона Ома для схемы. То есть

[латекс] I = \ frac {V} {{R} _ {\ text {tot}}} = \ frac {\ text {12.0} \ text {V}} {5.11 \ text {} \ Omega} = 2.35 \ text {A} \\ [/ latex].

Вводя это в выражение выше, мы получаем

В 1 = IR 1 = (2,35 А) (1,00 Ом) = 2,35 В.

Обсуждение для (б)

Напряжение, приложенное к R 2 и R 3 , меньше общего напряжения на величину В 1 .Когда сопротивление провода велико, это может существенно повлиять на работу устройств, представленных R 2 и R 3 .

Стратегия и решение для (c)

Чтобы найти ток через R 2 , мы должны сначала найти приложенное к нему напряжение. Мы называем это напряжение В p , потому что оно приложено к параллельной комбинации резисторов. Напряжение, приложенное как к R 2 , так и к R 3 , уменьшается на величину В 1 , и поэтому оно составляет

V p = V V 1 = 12.0 В – 2,35 В = 9,65 В.

Теперь ток I 2 через сопротивление R 2 находится по закону Ома:

[латекс] {I} _ {2} = \ frac {{V} _ {\ text {p}}} {{R} _ {2}} = \ frac {9.65 \ text {V}} {6.00 \ текст {} \ Omega} = 1,61 \ text {A} \\ [/ latex].

Обсуждение для (c)

Ток меньше 2,00 А, который протекал через R 2 , когда он был подключен параллельно батарее в предыдущем примере параллельной цепи.

Стратегия и решение для (d)

Мощность, рассеиваемая R 2 , определяется

P 2 = ( I 2 ) 2 R 2 = (1,61 A) 2 (6,00 Ом) = 15,5 Вт

Обсуждение для (d)

Мощность меньше 24,0 Вт, рассеиваемых этим резистором при параллельном подключении к источнику 12,0 В.

Одним из следствий этого последнего примера является то, что сопротивление в проводах снижает ток и мощность, подаваемую на резистор.Если сопротивление провода относительно велико, как в изношенном (или очень длинном) удлинителе, то эти потери могут быть значительными. Если потребляется большой ток, падение IR в проводах также может быть значительным.

Например, когда вы роетесь в холодильнике и включается мотор, свет холодильника на мгновение гаснет. Точно так же вы можете увидеть тусклый свет в салоне, когда вы запускаете двигатель вашего автомобиля (хотя это может быть связано с сопротивлением внутри самой батареи).

То, что происходит в этих сильноточных ситуациях, показано на рисунке 6. Устройство, обозначенное как R 3 , имеет очень низкое сопротивление, поэтому при его включении протекает большой ток. Этот увеличенный ток вызывает большее падение IR в проводах, представленных R 1 , уменьшая напряжение на лампочке (которое составляет R 2 ), которое затем заметно тускнеет.

Рис. 6. Почему гаснет свет при включении большого прибора? Ответ заключается в том, что большой ток, потребляемый двигателем прибора, вызывает значительное падение напряжения в проводах и снижает напряжение на свету.

Проверьте свое понимание

Можно ли любую произвольную комбинацию резисторов разбить на последовательную и параллельную? Посмотрите, сможете ли вы нарисовать принципиальную схему резисторов, которые нельзя разбить на комбинации последовательно и параллельно.

Решение Нет, есть много способов подключения резисторов, которые не являются комбинациями последовательного и параллельного, включая петли и переходы. В таких случаях правила Кирхгофа, которые будут включены в Правила Кирхгофа, позволят вам проанализировать схему.

Стратегии решения проблем для последовательных и параллельных резисторов
  1. Нарисуйте четкую принципиальную схему, обозначив все резисторы и источники напряжения. Этот шаг включает список известных проблем, поскольку они отмечены на вашей принципиальной схеме.
  2. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен.
  3. Определите, включены ли резисторы последовательно, параллельно или в комбинации последовательно и параллельно.Изучите принципиальную схему, чтобы сделать эту оценку. Резисторы включены последовательно, если через них должен последовательно проходить один и тот же ток.
  4. Используйте соответствующий список основных функций для последовательных или параллельных подключений, чтобы найти неизвестные. Есть один список для серий, а другой – для параллелей. Если ваша проблема представляет собой комбинацию последовательного и параллельного соединения, уменьшайте ее поэтапно, рассматривая отдельные группы последовательных или параллельных соединений, как это сделано в этом модуле и примерах. Особое примечание: при обнаружении R необходимо проявлять осторожность.
  5. Проверьте, являются ли ответы разумными и последовательными. Единицы и числовые результаты должны быть разумными. Общее последовательное сопротивление должно быть больше, а общее параллельное сопротивление, например, должно быть меньше. Мощность должна быть больше для одних и тех же устройств, подключенных параллельно, по сравнению с последовательными и т. Д.

Сводка раздела

Концептуальные вопросы

1. Переключатель имеет переменное сопротивление, близкое к нулю в замкнутом состоянии и очень большое в разомкнутом, и он включен последовательно с устройством, которым он управляет.Объясните влияние переключателя на рис. 7 на ток в разомкнутом и замкнутом состоянии.

Рис. 7. Переключатель обычно включается последовательно с источником сопротивления и напряжения. В идеале переключатель имеет почти нулевое сопротивление в замкнутом состоянии, но имеет чрезвычайно большое сопротивление в разомкнутом состоянии. (Обратите внимание, что на этой диаграмме скрипт E представляет напряжение (или электродвижущую силу) батареи.)

2. Какое напряжение на разомкнутом переключателе на Рисунке 7?

3. На разомкнутом переключателе есть напряжение, как на Рисунке 7.Почему же тогда мощность, рассеиваемая разомкнутым переключателем, мала?

4. Почему мощность, рассеиваемая замкнутым переключателем, как на Рисунке 7, мала?

5. Студент в физической лаборатории по ошибке подключил электрическую лампочку, батарею и выключатель, как показано на рисунке 8. Объясните, почему лампочка горит, когда выключатель разомкнут, и гаснет, когда выключатель замкнут. (Не пытайтесь – батарея сильно разряжается!)

Рис. 8. Ошибка подключения. Включите этот переключатель параллельно устройству, обозначенному [латекс] R [/ латекс].(Обратите внимание, что на этой диаграмме скрипт E представляет напряжение (или электродвижущую силу) батареи.)

6. Зная, что сила электрического шока зависит от величины тока, протекающего через ваше тело, вы бы предпочли, чтобы он был включен последовательно или параллельно с сопротивлением, таким как нагревательный элемент тостера, если он шокирован им? Объяснять.

7. Были бы ваши фары тусклыми при запуске двигателя автомобиля, если бы провода в вашем автомобиле были сверхпроводниками? (Не пренебрегайте внутренним сопротивлением батареи.) Объяснять.

8. Некоторые гирлянды праздничных огней соединены последовательно для экономии затрат на проводку. В старой версии использовались лампочки, которые при перегорании прерывали электрическое соединение, как открытый выключатель. Если одна такая лампочка перегорит, что случится с остальными? Если такая цепочка работает от 120 В и имеет 40 одинаковых лампочек, каково нормальное рабочее напряжение каждой? В более новых версиях используются лампы, которые при перегорании замыкаются накоротко, как замкнутый выключатель. Если одна такая лампочка перегорит, что случится с остальными? Если такая цепочка работает от 120 В и в ней осталось 39 идентичных лампочек, каково тогда рабочее напряжение каждой?

9.Если две бытовые лампочки мощностью 60 и 100 Вт подключить последовательно к бытовой электросети, какая из них будет ярче? Объяснять.

10. Предположим, вы проводите физическую лабораторию, которая просит вас вставить резистор в цепь, но все прилагаемые резисторы имеют большее сопротивление, чем запрошенное значение. Как бы вы соединили доступные сопротивления, чтобы попытаться получить меньшее запрошенное значение?

11. Перед Второй мировой войной некоторые радиостанции получали питание через «шнур сопротивления», который имел значительное сопротивление.Такой резистивный шнур снижает напряжение до желаемого уровня для ламп радиоприемника и т.п., и это экономит расходы на трансформатор. Объясните, почему шнуры сопротивления нагреваются и тратят энергию при включенном радио.

12. У некоторых лампочек есть три уровня мощности (не включая ноль), получаемые от нескольких нитей накала, которые индивидуально переключаются и соединяются параллельно. Какое минимальное количество нитей необходимо для трех режимов мощности?

Задачи и упражнения

Примечание. Можно считать, что данные, взятые из цифр, имеют точность до трех значащих цифр.

1. (a) Каково сопротивление десяти последовательно соединенных резисторов сопротивлением 275 Ом? (б) Параллельно?

2. (a) Каково сопротивление последовательно соединенных резисторов 1,00 × 10 2 Ом, 2,50 кОм и 4,00 кОм? (б) Параллельно?

3. Какое наибольшее и наименьшее сопротивление можно получить, соединив резисторы на 36,0 Ом, 50,0 Ом и 700 Ом?

4. Тостер на 1800 Вт, электрическая сковорода на 1400 Вт и лампа на 75 Вт подключены к одной розетке в цепи 15 А, 120 В.(Три устройства работают параллельно, если подключены к одной розетке.) а) Какой ток потребляет каждое устройство? (b) Перегорит ли эта комбинация предохранитель на 15 А?

5. Фара мощностью 30,0 Вт и стартер мощностью 2,40 кВт обычно подключаются параллельно в систему на 12,0 В. Какую мощность потребляли бы одна фара и стартер при последовательном подключении к батарее 12,0 В? (Не обращайте внимания на любое другое сопротивление в цепи и любое изменение сопротивления в двух устройствах.)

6.(a) Учитывая батарею на 48,0 В и резисторы на 24,0 и 96,0 Ом, найдите для каждого из них ток и мощность при последовательном соединении. (b) Повторите, когда сопротивления включены параллельно.

7. Ссылаясь на пример комбинирования последовательных и параллельных цепей и рисунок 5, вычислите I 3 двумя следующими способами: (a) по известным значениям I и I 2 ; (б) используя закон Ома для R 3 . В обеих частях явно показано, как вы следуете шагам, описанным в описании стратегии решения проблем для последовательных и параллельных резисторов выше.

Рис. 5. Эти три резистора подключены к источнику напряжения, так что R 2 и R 3 параллельны друг другу, и эта комбинация последовательно с R 1 .

8. Ссылаясь на рисунок 5: (a) Вычислите P 3 и обратите внимание на его сравнение с P 3 , найденным в первых двух примерах задач в этом модуле. (b) Найдите полную мощность, отдаваемую источником, и сравните ее с суммой мощностей, рассеиваемых резисторами.

9. См. Рисунок 6 и обсуждение затемнения света при включении тяжелого прибора. (а) Учитывая, что источник напряжения составляет 120 В, сопротивление провода составляет 0,400 Ом, а номинальная мощность лампы составляет 75,0 Вт, какая мощность будет рассеиваться лампой, если при включении двигателя через провода пройдет в общей сложности 15,0 А? Предположите незначительное изменение сопротивления лампы. б) Какая мощность потребляет двигатель?

Рис. 6. Почему гаснет свет при включении большого прибора? Ответ заключается в том, что большой ток, потребляемый двигателем прибора, вызывает значительное падение напряжения в проводах и снижает напряжение на свету.

10. Линия электропередачи на 240 кВ, имеющая 5,00 × 10 2 , подвешена к заземленным металлическим опорам с помощью керамических изоляторов, каждый из которых имеет сопротивление 1,00 × 10 9 Ом (рис. 9 (а)). Какое сопротивление на землю у 100 изоляторов? (b) Рассчитайте мощность, рассеиваемую 100 из них. (c) Какая доля мощности, переносимой линией, составляет это? Ясно покажите, как вы следуете шагам, описанным в описании стратегии решения проблем для последовательных и параллельных резисторов выше.

Рис. 9. Высоковольтная линия электропередачи (240 кВ) 5,00 × 10 2 подвешена к заземленной металлической опоре электропередачи. Ряд керамических изоляторов обеспечивает сопротивление 1,00 × 10 9 Ом каждый.

11. Покажите, что если два резистора R 1 и R 2 объединены, и один из них намного больше другого ( R 1 >> R 2 ): (a ) Их последовательное сопротивление почти равно большему сопротивлению R 1 .(b) Их параллельное сопротивление почти равно меньшему сопротивлению R 2 .

12. Необоснованные результаты Два резистора, один из которых имеет сопротивление 145 Ом, подключены параллельно, чтобы получить общее сопротивление 150 Ом. а) Каково значение второго сопротивления? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

13. Необоснованные результаты Два резистора, один из которых имеет сопротивление 900 кОм, соединены последовательно, чтобы получить общее сопротивление 0.500 МОм. а) Каково значение второго сопротивления? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

Глоссарий

серия:
последовательность резисторов или других компонентов, включенных в цепь один за другим
резистор:
компонент, обеспечивающий сопротивление току, протекающему через электрическую цепь
сопротивление:
, вызывая потерю электроэнергии в цепи
Закон Ома:
соотношение между током, напряжением и сопротивлением в электрической цепи: В = IR
напряжение:
электрическая потенциальная энергия на единицу заряда; электрическое давление, создаваемое источником питания, например аккумулятором
падение напряжения:
потеря электроэнергии при прохождении тока через резистор, провод или другой компонент
ток:
поток заряда через электрическую цепь мимо заданной точки измерения
Закон Джоуля:
соотношение между потенциальной электрической мощностью, напряжением и сопротивлением в электрической цепи, определяемое следующим образом: [latex] {P} _ {e} = \ text {IV} [/ latex]
параллельно:
подключение резисторов или других компонентов в электрической цепи таким образом, что каждый компонент получает одинаковое напряжение от источника питания; часто изображается на диаграмме в виде лестницы, где каждый компонент находится на ступеньке лестницы

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 2,75 кОм (б) 27,5 Ом

3. (а) 786 Ом (б) 20,3 Ом

5. 29,6 Вт

7. (а) 0,74 А (б) 0,742 А

9. (а) 60,8 Вт (б) 3,18 кВт

11. (a) [латекс] \ begin {array} {} {R} _ {\ text {s}} = {R} _ {1} + {R} _ {2} \\ \ Rightarrow {R} _ {\ text {s}} \ приблизительно {R} _ {1} \ left ({R} _ {1} \ text {>>} {R} _ {2} \ right) \ end {array} \\ [/ латекс]

(b) [латекс] \ frac {1} {{R} _ {p}} = \ frac {1} {{R} _ {1}} + \ frac {1} {{R} _ {2} } = \ frac {{R} _ {1} + {R} _ {2}} {{R} _ {1} {R} _ {2}} \\ [/ latex],

, так что

[латекс] \ begin {array} {} {R} _ {p} = \ frac {{R} _ {1} {R} _ {2}} {{R} _ {1} + {R} _ {2}} \ приблизительно \ frac {{R} _ {1} {R} _ {2}} {{R} _ {1}} = {R} _ {2} \ left ({R} _ {1 } \ text {>>} {R} _ {2} \ right) \ text {.} \ end {array} \\ [/ latex]

13. (a) –400 кОм (b) Сопротивление не может быть отрицательным. (c) Считается, что последовательное сопротивление меньше, чем у одного из резисторов, но должно быть больше, чем у любого из резисторов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *