Делитель напряжения на резисторах

В электронике существует множество схем, требующих регулировки и оптимизации напряжения на различных участках. Для решения этой задачи чаще всего используется делитель напряжения на резисторах, зарекомендовавший себя наиболее эффективным устройством. Данные приборы используются в самых разных конструкциях, начиная от простейших настенных светильников, и заканчивая сложными схемами в платах управления.

Делитель напряжения это устройство, осуществляющее регулировку выходного напряжения по отношению значения входного напряжения, в соответствии с коэффициентом передачи. То есть, из большего значения получается меньшее, а само напряжение бывает постоянным или переменным. Самая простая схема делителя напряжения состоит как минимум из двух сопротивлений. Если их сопротивления равны между собой, то и падения напряжения будут одинаковыми. Поэтому, по закону Ома напряжение на выходе прибора будет ровно в два раза ниже, чем на входе. В других случаях для расчетов падения напряжений используются формулы.

Как работает делитель напряжения

Основной функцией делителя напряжения в электрических цепях является снижение напряжения и получение нескольких его значений с фиксированными показателями на различных участках. Его основой служат резисторы или реактивные сопротивления в количестве два и более элементов.

Простейший делитель представляется в виде двух участков цепи, называемых плечами. Верхним плечом считается участок между нулевой точкой и положительным напряжением, а нижним участок между нулевой точкой и минусом. После того как определены исходные данные, можно сделать самый простой расчет делителя напряжения.

В качестве примера рассматриваются два резистора, соединенные последовательно. К ним подается напряжение U, которое может быть переменными или постоянным. После этого в действие вступает закон Ома, когда при последовательном соединении резисторов, общее сопротивление составит сумму их номиналов. В виде формы это будет выглядеть следующим образом: I = U/Rобщ, в которой Rобщ = R1+R2. Следовательно, I = U/(R1+R2).

Сила тока при последовательно соединенных резисторов, будет одинаковой на всех участках цепи. Если у каждого резистора имеется собственное значение сопротивления, то по закону Ома у них образуются совершенно разные напряжения. Сопротивлению R1 соответствует напряжение U1, а сопротивлению R2 напряжение U2. В результате получается следующая ситуация, выраженная формулой I = U2/R2 = U1/R1 = U/(R1+R2).

Для того, чтобы найти значения напряжений U1 и U2, необходимо выполнить такие действия: U1 = U x R1/(R1+R2) и U2 = U x R2/(R1+R2). Если правые части каждого уравнения сложить друг с другом, то в результате получится значение входящего напряжения U, состоящее из суммы напряжений U1 и U2, то есть U = U1 + U2. Это значит, что сумма падений напряжений на всех последовательно соединенных резисторах, будет равна напряжению источника питания, то есть входящему напряжению. Таким образом, данное выражение есть ни что иное, как формула делителя напряжения. Практически получается, что входящее напряжение U оказалось разделенным на два напряжения с собственными значениями U1 и U2.

Во многих случаях необходимо, чтобы процесс разделения напряжения осуществлялся плавно. С этой целью был изобретен прибор переменный резистор. Работа устройства происходит по установленной схеме. Два крайних контакта обладают постоянным сопротивлением, а сопротивление среднего контакта относительно крайних контактов будет изменяться в зависимости от направления вращения регулятора. С помощью переменных резисторов добавляется громкость в звуковых колонках, у радиоприемников и телевизоров старых марок.

Расчет резистивного делителя напряжения

Сделать расчеты делителя, состоящего из более чем трех резисторов можно по специальным формулам. Существуют методики, позволяющие выводить формулы для схем, содержащих от четырех и более резисторов. В примерных расчетах будет использоваться источник питания с напряжением 12 вольт. Необходимо получить разные значение напряжения: U1 = 1В, U2 = 3В, U3 = 5В, U1 = 7В.

На представленном рисунке номера резисторов, расположенных в определенном порядке, соответствуют создаваемым падениям напряжения. Для того чтобы получить требуемые значения напряжения понадобится пять резисторов. Их сопротивления и нужно будет определить.

Прежде чем рассчитать делитель напряжения на резисторах, необходимо задать его общее сопротивление. Его значение будет находиться в промежутке между 1 кОм и 100 кОм. Могут быть заданы и другие параметры, однако следует учитывать, что при малых значениях сопротивления, на делителе произойдет рост тепловых потерь, а при слишком больших значения полученного напряжения будут неточными из-за подключенной нагрузки. Поэтому при расчетах рекомендуется использовать значение в пределах 12 кОм.

Итогом будут следующие формулы для каждого резистора:

R1 = U1Rдел/Uпит,
R2 = U2Rдел/Uпит — R1,
RЗ = U3Rдел/Uпит-(R1+R2),
R4 = U4Rдел/Uпит — (R1+R2+RЗ).

Остается лишь определить сопротивление дополнительного, пятого резистора:

Rдоп = Rдел-(R1+R2+RЗ+R4).

Если в указанные формулы подставить исходные данные, то сопротивления резисторов будут иметь следующие значения: R1 = 1 кОм, R2 = 2 кОм, R3 = 2 кОм, R4 = 2 кОм, Rдоп = 5 кОм. Полученные значения резисторов №№ 1,2,3,4 совпадают с номиналами, расположенными в ряду Е24. Для дополнительного резистора в этом ряду нет точного номинала, поэтому ему подойдет сопротивление, максимально приближенное к расчетному 5,1 кОм.

С целью получения более реальных значений напряжений, соответствующие заданным значениям, каждый резистор, используемый в делителе, необходимо заранее проверить омметром. В этом случае точные данные позволят получить результаты, в которых отклонение от номинала составит не более 1%. Данные формулы могут использоваться при расчетах делителей, включающих в схему любое количество резисторов.

Применение резисторных делителей напряжения

Каждый резисторный делитель получил широкое практическое применение в различных электронных схемах. Типичным примером является потенциометр, который является переменным резистором, входящим в состав регулируемого делителя напряжения. Он состоит из резистора и скользящего контакта, разделяющего этот резистор на две части и передвигающегося между ними.

Другим вариантом, где применяется резистивный делитель напряжения, являются резистивные датчики, устанавливаемые в различные устройства. Типичным примером служит фоторезистор, изменяющий сопротивление, пропорционально количеству света, падающему на него. Кроме того, эти элементы используются и в других приборах датчиках давления, ускорения, термисторах и других аналогичных устройствах.