Spenningsdeler - Voltage divider

Figur 1: En enkel spenningsdeler

I elektronikk , en spenningsdeler (også kjent som en spenningsdeler ) er en passiv lineær krets som frembringer en utgangsspenning ( V out ) som er en brøkdel av dens inngangsspenning ( V i ). Spenningsdeling er resultatet av å fordele inngangsspenningen blant komponentene i deler. Et enkelt eksempel på en spenningsdeler er to motstander koblet i serie , med inngangsspenningen påført over motstandsparet og utgangsspenningen som kommer ut av forbindelsen mellom dem.

Resistor spenningsdelere som er vanlig brukt til å lage referansespenningene, eller for å redusere størrelsen av en spenning slik at den kan måles, og kan også bli brukt som signaldempeledd som ved lave frekvenser. For likestrøm og relativt lave frekvenser kan en spenningsdeler være tilstrekkelig nøyaktig hvis den bare består av motstander; der frekvensrespons over et bredt område er nødvendig (for eksempel i en oscilloskopprobe ), kan en spenningsdeler ha kapasitive elementer lagt til for å kompensere lastkapasitans. I elektrisk kraftoverføring brukes en kapasitiv spenningsdeler for måling av høyspenning.

Generell sak

En spenningsdeler referert til jord blir opprettet ved å koble to elektriske impedanser i serie, som vist i figur 1. Inngangsspenningen tilføres over serieimpedansene Z 1 og Z 2 og utgangen er spenningen over Z 2 . Z 1 og Z 2 kan være sammensatt av en hvilken som helst kombinasjon av elementer som motstander , induktorer og kondensatorer .

Hvis strømmen i utgangskabelen er null, er forholdet mellom inngangsspenningen, V inn og utgangsspenningen, V ut :

Bevis (ved bruk av Ohms lov ):

Den transferfunksjon (også kjent som deler s spenning ratio ) i denne kretsen er:

Generelt er denne overføringsfunksjonen er en kompleks , rasjonal funksjon av frekvensen .

Eksempler

Resistiv skillelinje

Figur 2: Enkel resistiv spenningsdeler

En resistiv divider er tilfellet der begge impedansene, Z 1 og Z 2 , er rent resistive (figur 2).

Å erstatte Z 1 = R 1 og Z 2 = R 2 i det forrige uttrykket gir:

Hvis R 1 = R 2 da

Hvis V ut = 6V og V inn = 9V (begge vanlige spenninger), så:

og ved å løse ved hjelp av algebra , R 2 må være det dobbelte av verdien av R- 1 .

Å løse for R1:

Å løse for R2:

Ethvert forhold V ut / V i større enn 1 er ikke mulig. Det vil si at ved å bruke motstander alene er det ikke mulig å enten invertere spenningen eller øke V ut over V inn .

Lavpass RC-filter

Figur 3: Motstand/kondensator spenningsdeler

Tenk på en skillelinje bestående av en motstand og kondensator som vist i figur 3.

Sammenlignet med den generelle saken, ser vi Z 1 = R og Z 2 er kondensatorens impedans, gitt av

der X C er kondensatorens reaktans , C er kondensatorens kapasitans, j er den imaginære enheten , og ω (omega) er radianfrekvensen til inngangsspenningen.

Denne skillelinjen vil da ha spenningsforholdet:

Produktet τ (tau) = RC kalles tidskonstanten til kretsen.

Forholdet avhenger da av frekvens, i dette tilfellet synker når frekvensen øker. Denne kretsen er faktisk et grunnleggende (første-ordens) lavpassfilter . Forholdet inneholder et imaginært tall, og inneholder faktisk både amplitude- og faseskiftinformasjonen til filteret. For å trekke ut bare amplituden, beregner du størrelsen på forholdet, det vil si:

Induktiv divider

Induktive delere deler AC -inngang i henhold til induktans:

(med komponenter i samme posisjon som figur 2.)

Ovenstående ligning er for ikke-interagerende induktorer; gjensidig induktans (som i en autotransformator ) vil endre resultatene.

Induktive delere deler DC -inngang i henhold til elementenes motstand som for den resistive skillelinjen ovenfor.

Kapasitiv skillelinje

Kapasitive delere passerer ikke DC -inngang.

For en AC -inngang er en enkel kapasitiv ligning:

(med komponenter i samme posisjon som figur 2.)

Enhver lekkasjestrøm i de kapaktive elementene krever bruk av det generelle uttrykket med to impedanser. Ved å velge parallelle R- og C -elementer i riktige proporsjoner, kan det samme delingsforholdet opprettholdes over et nyttig frekvensområde. Dette er prinsippet som brukes i kompenserte oscilloskopprober for å øke målebåndbredden.

Laster effekt

Utgangsspenningen til en spenningsdeler vil variere i henhold til den elektriske strømmen den leverer til den eksterne elektriske belastningen . Den effektive impedans som kommer fra en skillevegg av Z 1 og Z 2 , som ovenfor, vil være i Z 1 i parallell med Z- 2 (noen ganger skrevet Z 1 // Z 2 ), som er: ( Z 1 Z 2 ) / ( Z 1 + Z 2 ) = HZ 1 .

For å oppnå en tilstrekkelig stabil utgangsspenning må utgangsstrømmen enten være stabil (og dermed bli en del av beregningen av potensielle dividerverdier) eller begrenset til en passende liten prosentandel av dividerens inngangsstrøm. Belastningsfølsomheten kan reduseres ved å redusere impedansen til begge halvdelene av skillelinjen, selv om dette øker dividerens hvilende inngangsstrøm og resulterer i et høyere strømforbruk (og bortkastet varme) i skillet. Spenningsregulatorer brukes ofte i stedet for passive spenningsdelere når det er nødvendig for å imøtekomme høye eller svingende laststrømmer.

applikasjoner

Spenningsdelere brukes for å justere nivået på et signal, for forspenning av aktive enheter i forsterkere og for måling av spenninger. En Wheatstone -bro og et multimeter inkluderer begge spenningsdelere. Et potensiometer brukes som en variabel spenningsdeler i volumkontrollen til mange radioer.

Sensormåling

Spenningsdelere kan brukes for å la en mikrokontroller måle motstanden til en sensor. Sensoren er koblet i serie med en kjent motstand for å danne en spenningsdeler, og en kjent spenning påføres over deler. Mikrokontrollerens analog-til-digital-omformer er koblet til midtkranen på deleren, slik at den kan måle tappespenningen og, ved å bruke den målte spenningen og den kjente motstanden og spenningen, beregne sensorens motstand. Et eksempel som ofte brukes, innebærer et potensiometer (variabel motstand) som et av de resistive elementene. Når akselen til potensiometeret roteres øker eller reduseres motstanden den gir, endringen i motstand tilsvarer akselens vinkelendring. Hvis den er kombinert med en stabil spenningsreferanse, kan utgangsspenningen mates inn i en analog-til-digital-omformer og et display kan vise vinkelen. Slike kretser brukes ofte i lesekontrollknapper. Vær oppmerksom på at det er svært gunstig for potensiometeret å ha en lineær avsmalning, ettersom mikrokontrolleren eller en annen krets som leser signalet ellers må korrigere for ikke-lineariteten i beregningene.

Høyspenningsmåling

Høyspenning (HV) motstandsdeler. HV som skal måles (V IN ) påtrykkes korona ballen sondespissen og jord er koblet til den andre enden av skille via den svarte kabelen. Delerutgangen (V OUT ) vises på kontakten ved siden av kabelen.

En spenningsdeler kan brukes til å nedskalere en veldig høy spenning slik at den kan måles med en voltmeter . Høyspenningen tilføres over skillelinjen, og delerutgangen - som sender ut en lavere spenning som er innenfor målerens inngangsområde - måles av måleren. Høyspenningsmotstandsdeler som er designet spesielt for dette formålet, kan brukes til å måle spenninger opptil 100 kV. Spesielle høyspentmotstander brukes i slike prober da de må tåle høye inngangsspenninger og for å gi nøyaktige resultater må de ha samsvarende temperaturkoeffisienter og svært lave spenningskoeffisienter. Kapasitive delersonder brukes vanligvis for spenninger over 100 kV, ettersom varmen forårsaket av effekttap i motstandsdelerprober ved slike høye spenninger kan være overdreven.

Forskyvning av logisk nivå

En spenningsdeler kan brukes som en rå logisk nivåskifter for å koble to kretser som bruker forskjellige driftsspenninger. For eksempel opererer noen logiske kretser med 5V mens andre opererer med 3,3V. Direkte grensesnitt mellom en 5V logisk utgang og en 3.3V inngang kan forårsake permanent skade på 3.3V kretsen. I dette tilfellet kan en spenningsdeler med et utgangsforhold på 3,3/5 brukes til å redusere 5V -signalet til 3,3V, slik at kretsene kan fungere uten å skade 3,3V -kretsen. For at dette skal være mulig, må 5V kildeimpedans og 3,3V inngangsimpedans være ubetydelig, eller de må være konstante og skillene motstandsverdier må ta hensyn til deres impedanser. Hvis inngangsimpedansen er kapasitiv, vil en rent resistiv divider begrense datahastigheten. Dette kan grovt overvinnes ved å legge til en kondensator i serie med den øverste motstanden, for å gjøre begge bena til skillelinjen både kapasitive og resistive.

Se også

Referanser