Spenningsdeler - Voltage divider

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
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 ). Spenningsinndeling er resultatet av å fordele inngangsspenningen mellom delene. Et enkelt eksempel på en spenningsdeler er to motstander koblet i serie , med inngangsspenningen påført over motstandsparet og utgangsspenningen som kommer fra 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 er laget 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 til måling av høyspenning.

Generell sak

En spenningsdeler referert til jord opprettes ved å koble to elektriske impedanser i serie, som vist i figur 1. Inngangsspenningen påføres 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 utgangsledningen 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 en kompleks , rasjonell funksjon av frekvens .

Eksempler

Motstandsdeler

Figur 2: Enkel resistiv spenningsdeler

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

Substituere Z 1 = R 1 og Z 2 = R 2 i det foregående uttrykket gir:

Hvis R 1 = R 2 deretter

Hvis V ut = 6V og V inn = 9V (begge ofte brukte 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:

Hvilket som helst forhold V ut / V- i er større enn en er ikke mulig. Det vil si at bruk av motstander alene ikke er mulig å invertere spenningen eller øke V ut over V in .

Lavpass RC-filter

Figur 3: Motstand / kondensator spenningsdeler

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

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

hvor X C er den reaktansen av kondensatoren, C er kapasitansen til kondensatoren, j er den imaginære enhet , og ω (co) er den vinkelfrekvensen av inngangsspenningen.

Denne skillelinjen vil da ha spenningsforholdet:

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

Forholdet avhenger da av frekvens, i dette tilfellet avtar etter hvert som frekvensen øker. Denne kretsen er faktisk et grunnleggende (første ordens) lavpassfilter . Forholdet inneholder et tenkt tall, og inneholder faktisk både amplitude og faseforskyvningsinformasjon til filteret. For å trekke ut bare amplitude-forholdet, beregne størrelsen på forholdet, det vil si:

Induktiv skillelinje

Induktive delere deler vekselstrøminngang i henhold til induktans:

(med komponenter i samme posisjoner som figur 2.)

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

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

Kapasitiv skillelinje

Kapasitive skillelinjer passerer ikke DC-inngang.

For en vekselstrøminngang er en enkel kapasitiv ligning:

(med komponenter i samme posisjoner som figur 2.)

Enhver lekkasjestrøm i de capaktive elementene krever bruk av det generelle uttrykket med to impedanser. Ved valg av parallelle R- og C-elementer i de 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 så gjøres til en del av beregningen av potensielle skilleverdier) eller være begrenset til en passende liten prosentandel av skillelinjens inngangsstrøm. Belastningsfølsomhet kan reduseres ved å redusere impedansen til begge deler av skillelinjen, selv om dette øker skillelinjens hvilestrøm og resulterer i høyere strømforbruk (og bortkastet varme) i skillelinjen. Spenningsregulatorer brukes ofte i stedet for passive spenningsdelere når det er nødvendig å imøtekomme høye eller svingende belastningsstrømmer.

applikasjoner

Spenningsdelere brukes til 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.

Sensor måling

Spenningsdelere kan brukes til å tillate en mikrokontroller å 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 skillelinjen. Mikrokontrolleren er analog-til-digital-omformer koblet til midtdeleren på skillelinjen slik at den kan måle tappespenningen og beregne sensormotstanden ved å bruke den målte spenningen og den kjente motstanden og spenningen. Et eksempel som ofte brukes er et potensiometer (variabel motstand) som et av de resistive elementene. Når akselen til potensiometeret roteres, øker eller avtar motstanden det produserer, motstandsendringen tilsvarer vinkelendringen på akselen. Hvis 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 avlesningsknapper. Vær oppmerksom på at det er veldig gunstig for potensiometeret å ha en lineær avsmalning, da mikrokontrolleren eller annen krets som leser signalet, ellers må korrigere for ikke-lineariteten i beregningene.

Høyspenningsmåling

Høyspennings (HV) motstandsdelerprobe. HV-en som skal måles (V IN ) påføres koronakule- sondespissen og bakken er koblet til den andre enden av skillelinjen via den svarte kabelen. Delingsutgangen (V OUT ) vises på kontakten ved siden av kabelen.

En spenningsdeler kan brukes til å redusere en veldig høy spenning, slik at den kan måles med en voltmåler . Høyspenningen påføres over skillelinjen, og skillelinjen - som gir ut en lavere spenning som er innenfor målerens inngangsområde - måles av måleren. Høyspenningsmotstandsdelerprober designet spesielt for dette formålet kan brukes til å måle spenninger opptil 100 kV. Spesielle høyspenningsmotstander brukes i slike sonder som de må kunne tåle høye inngangsspenninger, og for å gi nøyaktige resultater må de ha samsvarende temperaturkoeffisienter og veldig lave spenningskoeffisienter. Kapasitive skillesonder brukes vanligvis til spenninger over 100 kV, da varmen forårsaket av strømtap i motstandsdelersonder ved slike høye spenninger kan være overdreven.

Logisk nivåforskyvning

En spenningsdeler kan brukes som en rå logisk nivåskifter for å grensesnitt to kretser som bruker forskjellige driftsspenninger. For eksempel opererer noen logiske kretser på 5V mens andre opererer på 3,3V. Hvis du kobler en 5V logisk utgang direkte til en 3.3V-inngang, kan det 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 3,3 V inngangsimpedans være ubetydelig, eller de må være konstante, og skillemotstandsverdiene må ta hensyn til deres impedanser. Hvis inngangsimpedansen er kapasitiv, vil en ren motstandsdeler begrense datahastigheten. Dette kan grovt overvinnes ved å legge til en kondensator i serie med toppmotstanden, for å gjøre begge ben på skillelinjen kapasitive så vel som resistive.

Referanser

Se også

Eksterne linker