Зачем нужен делитель напряжения перед транзистором

Делитель напряжения: схема и расчёт

Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения (voltage divider). Это схема, строящаяся на основе пары резисторов.

В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе V_out? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?

Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков пока к выходу V_out ничего не подключено. А суммарное сопротивление пары резисторов при последовательном соединении:

Таким образом, сила тока протекающая через резисторы

Теперь, когда нам известен ток в R2, расчитаем напряжение вокруг него:

Или если отавить формулу в общем виде:

Так с помощью пары резисторов мы изменили значение входного напряжения с 9 до 5 В. Это простой способ получить несколько различных напряжений в одной схеме, оставив при этом только один источник питания.

Применение делителя для считывания показаний датчика

Другое применение делителя напряжения — это снятие показаний с датчиков. Существует множество компонентов, которые меняют своё сопротивление в зависимости от внешних условий. Так термисторы меняют сопротивление от нуля до определённого значения в зависимости от температуры, фоторезисторы меняют сопротивление в зависимости от интенсивности попадающего на них света и т.д.

Если в приведённой выше схеме заменить R1 или R2 на один из таких компонентов, V_out будет меняться в зависимости от внешних условий, влияющих на датчик. Подключив это выходное напряжение к аналоговому входу Ардуино, можно получать информацию о температуре, уровне освещённости и других параметрах среды.

Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно расчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта V_out.

Подключение нагрузки

С делителем напряжения не всё так просто, когда к выходному подключения подключается какой-либо потребитель тока, который ещё называют нагрузкой (load):

В этом случае V_out уже не может быть расчитано лишь на основе значений V_in, R1 и R2: сама нагрузка провоцирует дополнительное падение напряжения (voltage drop). Пусть нагрузкой является нечто, что потребляет ток в 10 мА при предоставленных 5 В. Тогда её сопротивление

В случае с подключеной нагрузкой следует рассматривать нижнюю часть делителя, как два резистора соединённых параллельно:

Подставив значение в общую формулу расчёта V_out, получим:

Как видно, мы потеряли более полутора вольт напряжения из-за подключения нагрузки. И тем ощутимее будут потери, чем больше номинал R2 по отношению к сопротивлению L. Чтобы нивелировать этот эффект мы могли бы использовать в качестве R1 и R2 резисторы, например, в 10 раз меньших номиналов.

Пропорция сохраняется, V_out не меняется:

Однако, у снижения сопротивления делящих резисторов есть обратная сторона медали. Большое количество энергии от источника питания будет уходить в землю. В том числе при отсоединённой нагрузке. Это небольшая проблема, если устройство питается от сети, но — нерациональное расточительство в случае питания от батарейки.

Кроме того, нужно помнить, что резисторы расчитаны на определённую предельную мощьность. В нашем случае нагрузка на R1 равна:

А это в 4-8 раз выше максимальной мощности самых распространённых резисторов! Попытка воспользоваться описанной схемой со сниженными номиналами и стандартными 0.25 или 0.5 Вт резисторами ничем хорошим не закончится. Очень вероятно, что результатом будет возгарание.

Применимость

Делитель напряжения подходит для получения необходимого заниженного напряжения в случаях, когда подключенная нагрузка потребляет небольшой ток (доли или единицы миллиампер). Примером подходящего использования является считывание напряжения аналоговым входом микроконтроллера, управление базой/затвором транзистора.

Делитель не подходит для подачи напряжения на мощных потребителей вроде моторов или светодиодных лент.

Чем меньшие номиналы выбраны для делящих резисторов, тем больше энергии расходуется впустую и тем выше нагрузка на сами резисторы. Чем номиналы больше, тем больше и дополнительное (нежелательное) падение напряжения, провоцируемое самой нагрузкой.

Если потребление тока нагрузкой неравномерно во времени, V_out также будет неравномерным.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Пять схем делителя напряжения предназначенных не только для деления напряжения

Для чего нужен делитель напряжения

Делитель напряжения в классическом варианте представляет собой очень простую схему, состоящую из двух резисторов и предназначенную для уменьшения напряжения до нужных значений.

Но делитель напряжения с некоторыми изменениями можно использовать не только лишь для деления напряжения. В данном материале мы рассмотрим пять несложных схем, которые могут быть полезны на практике для решения тех или иных схемотехнических задач.

Для чего нужен делитель напряжения

Делитель напряжения для измерения напряжения батареи

Есть несколько разных случаев, когда вам может потребоваться «понизить» напряжение аккумулятора или батареи. В этом случае делитель не заменяет понижающий регулятор. Так, вам может потребоваться понизить напряжение аккумулятора, чтобы измерить его. Предположим, вы используете микропроцессор с 3.3 В (как у Raspberry Pi, например) или микроконтроллер (к примеру, ESP8266). Ваша плата питается от двух последовательно соединенных литий-полимерных аккумуляторов. Вместе эти батареи создают питание 7.4 вольта.

Два резистора сопротивлением 100 кОм уменьшают напряжение с 7.4 до 3.7 вольт. Хотя это уже немного, оно все еще слишком высоко для систем с напряжением 3.3 В. Когда деление напряжения пополам не работает, можно посчитать делитель напряжения с разными сопротивлениями. Взяв R1 равным 100 кОм и R2 равным 68 кОм делитель выдает около 3.0 вольта. Этого достаточно, правда?

Но здесь есть две проблемы. Во-первых, подключение этих двух резисторов последовательно к батарее создаст ток утечки. Независимо от того, что еще происходит в цепи, через делитель будет проходить 44 мкА. Вроде бы мало, но это означает, что мы тратим 325 мкВт энергии впустую. С питанием от USB не стоит беспокоиться о такой большой утечке. Однако при питании от батарей эта утечка означает меньшее время автономной работы. Во-вторых, существует проблема обратного питания, от чего тоже надо избавиться. Для этого желательно реализовать мониторинг напряжения.

Тем не менее, в большинстве приложений не требуется постоянный мониторинг напряжения батареи. Например, вы можете просто включить делитель напряжения, когда вы делаете измерение, как это показано на схеме ниже. Добавьте PNP-транзистор с высокой стороны к простому делителю напряжения. При этом цифровая линия ввода/вывода будет управлять NPN-транзистором, который включает и выключает PNP-транзистор. При такой конфигурации ни один ток не может прокрасться через защитные диоды аналогового вывода. И у вас есть полный контроль над работой делителя.

Делитель напряжения для смещения уровня напряжения

Современные микроконтроллеры основаны на 3.3-вольтовой логике с использованием в некоторых случаях 1.8 В. Использование более старого стандарта напряжения 5.0 В означает, что вам нужны сигналы ввода-вывода с изменением напряжения. Например, подключение выхода Arduino Uno непосредственно к входу ESP8266 может привести к повреждению последнего.

Конечно, для целей согласования уровней напряжения можно использовать специальные микросхемы, например, TXB0108. Но гораздо проще и дешевле воспользоваться делителем напряжения, как показано на схеме ниже, в которой напряжение с вывода Arduino Uno преобразуется для приема на вывод Raspberry Pi. Только следует учитывать, что такая схема справедлива в отношении однонаправленных сигналов.

Делитель напряжения для опорного напряжения

Не все цепи делителя напряжения используют только резисторы. Один пример, полезный для формирования опорного напряжение, содержит резистор и диод.

В данном случае применяется стабилитрон (зенеровский диод) на 3.3 В. Используя стабильный источник питания на 5.0 В, резистор на 340 Ом можно получить стабильное напряжение 3.0 вольта. Имейте в виду, что это не регулятор напряжения. Ну, по крайней мере, не тот, который может обеспечить много тока.

Делитель напряжения для формирования лесенки сопротивлений R-2R

Лестница R-2R представляет собой кучу повторяющихся резисторов или сеть резисторов. Идея состоит в том, что при включении большего количества выходов это влияет на выходное напряжение. Эта схема является одним из способов сделать цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Вы активируете цифровые линии и получаете аналоговое напряжение. Поскольку это форма делителя тока, эффективность зависит от того, насколько хорошо резисторы согласованы друг с другом. Поэтому вы должны использовать прецизионные компоненты или измерять каждый, чтобы они соответствовали друг другу.

Добавьте больше резисторов в строку для большего разрешения. Используйте более подходящие резисторы для большей точности. В этом примере с резисторами 1 кОм и 2 кОм каждый бит по напряжению составляет 313 мВ. Максимальное выходное напряжение составляет 4.68 В.

Делитель напряжения для управления несколькими кнопками с помощью одного вывода

Для работы с сетью кнопок и резисторов, вы можете использовать один аналоговый вывод микроконтроллера. Между каждой кнопкой находится значение резистора. В этом примере используются резисторы 470 Ом. Когда вы нажимаете кнопку, R1 (1 кОм) образует делитель с остальной частью сети.

В данном случае мы нажимаем кнопку два (2), в итоге мы получаем напряжение делителя, состоящего из резисторов 1 кОм и 1.4 кОм. Вам не нужно использовать равные значения резисторов. Вы выбираете значения, которые дают вам широкий диапазон между кнопками. Таким образом, ваш код, считывающий аналоговый сигнал, может иметь широкий диапазон ввода.

Источник

Делитель напряжения

Делитель напряжения, что это такое, для чего он нужен — рассмотрим этот вопрос. Но прежде поясню, почему такая странная тема. От вас часто приходят вопросы, которые изначально некорректны из-за не понимая самого процесса работы аудиоустройства. Я не являются специалистом в данной области и если вы видите неточности или неверные интерпретации — пожалуйста смело поправляйте в комментариях.

Многие слышали, что такое в аудио класс А, и насколько это хорошо или не очень, или класс B, что такое искажение типа «ступенька», зона отсечки, зона насыщения и прочие моменты, но если чуть копнуть глубже для ощущения, что оппонент действительно понимает о чем говорит, тут многие и начинают плавать.

Усилитель Pioneer A-09 в классе А

Я, честно, хотел поговорить о более интересной теме, согласовании входного и выходного напряжений усилителя, что это такое, для чего нужно и как вообще работает. Но это планомерно подводило к тому, что тогда придется рассказать и о том, как вообще работает усилитель. А это в свою очередь привело бы к необходимости, до кучи, еще и объяснить неотъемлемую часть любой такой схемы — делитель напряжения. Поэтому я решил, что стоит объяснение начать именно с делителя, а потом дойдем и до всего остального.

Если рассмотреть схему любого усилителя, конкретно одного каскада, то вы узнаете, что для работы транзистора типа NPN нужно подать плюсовое напряжение на коллектор (что-то типа слива), а минусовое на эмиттер (дно). И у вас ничего не заработает, потому что пока вы не подадите на базу напряжение не менее 0,6v транзистор будет всегда закрыт. Т.е. база — это краник перекрывающий весь поток. Приложите вы к нему напряжение в 0,6 вольта — краник (база) откроется и ток потечет дальше, не приложите, краник будет закрыт, потока электронов не будет, транзистор работать не будет.

Вы конечно можете всегда подать на базу аналоговый сигнал (он же является напряжением), но транзистор будет открываться (работать), только когда напряжение сигнала будет равно или превышать 0,6 вольта, а что ниже — молчок.

Но на самом деле мы будем видеть только плюсовую полуволну, ибо минусовая будет всегда приходиться на зону напряжения менее 0,6 вольта при которой транзистор всегда будет закрыт. Поэтому эту зону всегда сдвигают вверх по напряжению, чтобы весь сигнал уместился в границах открытого транзистора.

Поясню. Допустим звуковой сигнал у нас имеет размах от -1 вольт до + 1 вольт, т.е. в сумме это 2 вольта.

Транзистор, пока у нас напряжение меньше 0,6 вольт вообще всегда закрыт (не работает), следовательно, нам нужно принципиально подать 0,6 вольт по умолчанию на него, чтобы он открылся. Но так уместится только положительная полуволна. Следовательно, так как отрицательная полуволна у нас начиналась от -1 вольта, то к 0,6 вольта мы добавим еще 1 вольт. Получиться, что на транзистор нам нужно подать 0,6+1=1,6 вольта напряжения. Тогда весь звуковой сигнал совокупного напряжения в 2 вольта будет колыхаться в пределах между 0,6 вольта и 2,6 вольта.

1,6 вольта — это точка смещения транзистора.

Описанная схема имеет смысл при использовании одного транзистора NPN или PNP, этим трюком, смещая точку открытия транзистора мы умещаем весь сигнал в рамках открытого транзистора.

Если же у нас комплементарная пара транзисторов NPN + PNP, то в этом нет необходимости, так как NPN будет усиливать свою полуволну, а PNP — свою полуволну с противоположным знаком напряжения.

Но и тут возникает проблема искажения типа «ступенька», поэтому мы так же начинаем использовать точку смещения, немного приоткрыв транзистор, но уже на 0,6 вольта, чтобы этой самой ступеньки не возникало.

Ключевое слово в описанных схемах — подать одно напряжение на коллектор + эмитер, и подать значительно меньшее напряжение 0,6-1,6 вольта на базу.

Неужели для этого придется использовать два трансформатора?

А теперь пусть гремят фанфары, мы подошли к сути темы.

Чтобы получить разные напряжения от одного источника питания необходим ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ.

Давайте рассмотрим такую схему — у нас есть источник питания постоянного тока 12 вольт и резистор (нагрузка) на 1 кОМ.

Бытовой пример нагрузкой для усилителя являются акустические системы.

Вот так это выглядит на схеме. Источник, резистор и похожая на антенку вверх тормашками «земля».

Что произойдет с напряжением 12 вольт, если оно пройдет, через нагрузку (резистор) в 1 кОм? Напряжение уменьшиться? Ведь сопротивление мешает току. Току мешает, но ток измеряется в амперах, а не вольтах, а мы говорим о напряжении. Ток действительно взаимодействует с сопротивлением, и мы может узнать каково напряжение при определенном сопротивлении и силе тока по закону Ома, например:

но пока такой цели не ставиться.

Мы так же зная напряжение можем узнать и силу тока

Но что же с напряжением в схеме?

Подключим вольтметр в схему и посмотрим изменилось ли напряжение от того, что оно прошло через резистор (нагрузку) в 1 кОм.

Мы видим стрелочками движение тока, но так же видим и то, что вольтметр по прежнему показывает неизменное напряжение 12 вольт, как и было до резистора.

Кстати, легко проверить все значения, что нам показал симулятор everycircuit.

Прежде всего все расчеты ведутся в вольтах, омах, амперах и никак иначе. Поэтому если у вас миллиамперы, или милливольты, сначала переведите их в вольты и амперы для рассчета.

На схеме указано миллиамперы, т.е.

1 Ампер = 1000 миллиампер, следовательно

Но напряжение не изменилось.

Нужно разделить напряжение на два потока. Это можно сделать двумя резисторами.

Используем два резистора одинакового номинала 1 кОм.

Так как два резистора одного номинала, то напряжение разделилось ровно пополам.

Теперь если снять напряжение с боков нижнего резистора, то получим 6 вольт, а с верхнего — тоже 6 вольт.

Но вернемся к нашей задаче, подать на транзистор с одного источника строго 1,6 вольта, при том что источник питания у нас 12 вольт.

Еще один эксперимент, попробуем изменить номинал любого из резисторов, например нижнего в большую сторону. Увеличивая сопротивления резистора мы увеличиваем напряжение, ибо

напряжение пропорционально сопротивлению и обратно пропорционально силе тока.

Если переиначить поставив во главу угла силу тока, то вы получите определение из учебника.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Другими словами — увеличив сопротивление резистором, мы уменьшим силу тока (как краник перекрываем немного для потока воды), но на этом отрезке зато увеличиваем напряжение.

Уменьшив значение одного из резисторов (в нашем случае нижнего) до 154 Ом мы получили требуемое напряжение 1,6 вольт — смотрим скриншот.

Не забываем, что резисторы бывают не всех номиналов, поэтому смотрим существующий ряд и берем ближайшее значение.

Но вы сейчас спросите, а как я получил значение в 154 Ом, а я и отвечаю — покрутил ползунком в симуляторе, пока не увидел нужное напряжение, как результат.

Так и было, но это не отменяет существование формул для расчета.

Рассчитывается следующим образом по формуле:

(пусть верхний резистор — это R1, а нижний — R2)

U делителя R1 = U напряжения источника * R2 / (R1+R2)

U делителя R1= 12 вольт * (1000 Ом (это 1 кОм)/(1000+154))= 12 * 1000/1154=10,398=10,4

Соответственно с R2 мы снимем 12-10,398 =1,6 вольта.

Все точно как в аптеке. Но есть еще один нюанс, где порылась собака. Резисторы способны пропускать только определенную силу тока, они при непосильной ноше начинают греться и могут сгореть ибо представляют собой, как вариант, просто накрученные проволочки (не всегда).

Поэтому для делителя напряжение мы должны выбрать не просто резистор какого-то номинала , а еще и с соответствующим значением по току, на 250мА или 1 А и тд.

Считается это следующим образом:

I (сила тока) = U источника / R1

I = 12v/ 1000 Om = 0.012 A или 12 мА.

т.е. достаточно резистора R1 в данном случае с параметрами 1кОм и не менее 12 мА.

Аналогично посчитайте для резистора R2.

Ниже я покажу схему усилителя.

Синим прямоугольником обведен делитель напряжения, который как раз и реализует точку смещения транзистора. Слева мы так же видим конденсатор С1, который отсекает постоянный ток, что приходит от делителя напряжения, от аналогового сигнала, но об этом поговорим в другой раз.

2 Комментарии

Отличная тема для обсуждения чего то по сути, о реальных электрических процессах. Но это никому не интересно. Все ходят обсуждать мифичиские процессы в каких нибудь кабелях, влиянием на звук конденсаторов определённого типа, о том что добавляет звуку пространственности, натуральности и т.д. и т.п. А субьективно поговорить можно хоть сколько угодно

Сайт не коммерческий, поэтому особо никак не пугает отсутствие хайпа в теме и соответственно не влияет на желание продолжать ту или иную тему, пока хочется поговорить и продолжить начатую тему, лишь думаю как проще озвучить ассоциации тех или иных процессов. Например что такое напряжение — за сухими формулировками, когда спрашиваешь человека что такое напряжение и просишь привести аналогии — это всё — отвечающий плывет. Ток елементарно объяснить, а напряжение — внятно и понятно? Если бы я хотел наплыва ради шума, то достаточно разместить любой материал про виниловые вертушки или лампу — начнется ажиотаж. Мне важнее собрать полезную информацию к которой сам могу позже возвращаться.

Оставить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Источник