Spændingsdeler - Voltage divider

Figur 1: En simpel spændingsdeler

I elektronik , en spændingsdeler (også kendt som en spændingsdeler ) er en passiv lineær kredsløb , der frembringer et udgangssignal spænding ( V _ud ), som er en brøkdel af sin indgangsspænding ( V _i ). Spændingsdeling er et resultat af fordelingen af ​​indgangsspændingen mellem komponenterne i deleren. Et enkelt eksempel på en spændingsdeler er to modstande forbundet i serie , hvor indgangsspændingen påføres over modstandsparet og udgangsspændingen kommer fra forbindelsen mellem dem.

Modstandsspændingsdelere bruges almindeligvis til at oprette referencespændinger eller til at reducere størrelsen af ​​en spænding, så den kan måles, og kan også bruges som signaldæmpere ved lave frekvenser. For jævnstrøm og relativt lave frekvenser kan en spændingsdeler være tilstrækkelig præcis, hvis den kun består af modstande; hvor frekvensrespons over et bredt område er påkrævet (f.eks. i en oscilloskopprobe ), kan en spændingsdeler have tilføjet kapacitive elementer for at kompensere belastningskapacitans. I elektrisk kraftoverførsel bruges en kapacitiv spændingsdeler til måling af højspænding.

Generel sag

En spændingsdeler, der refereres til jord , skabes ved at forbinde to elektriske impedanser i serie, som vist i figur 1. Indgangsspændingen påføres på tværs af serieimpedanserne Z ₁ og Z _2, og udgangen er spændingen over Z ₂ . Z ₁ og Z ₂ kan være sammensat af en hvilken som helst kombination af elementer som modstande , induktorer og kondensatorer .

Hvis strømmen i udgangstråden er nul, er forholdet mellem indgangsspændingen, V _ind og udgangsspændingen, V _ud :

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {Z_ {2}} {Z_ {1}+Z_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}$

Bevis (ved hjælp af Ohms lov ):

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {in}} = I \ cdot (Z_ {1}+Z_ {2})}$

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = I \ cdot Z_ {2}}$

${\ displaystyle I = {\ frac {V _ {\ mathrm {in}}} {Z_ {1}+Z_ {2}}}}$

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = V _ {\ mathrm {in}} \ cdot {\ frac {Z_ {2}} {Z_ {1}+Z_ {2}}}}$

Den overføringsfunktion (også kendt som deleren s spændingsforhold ) i dette kredsløb er:

${\ displaystyle H = {\ frac {V _ {\ mathrm {out}}} {V _ {\ mathrm {in}}}} = {\ frac {Z_ {2}} {Z_ {1}+Z_ {2}} }}$

Generelt denne overføringsfunktion er en kompleks , rationel funktion af frekvensen .

Eksempler

Resistiv skillevæg

Figur 2: Enkel resistiv spændingsdeler

En resistiv divider er tilfældet, hvor begge impedanser, Z ₁ og Z ₂ , er rent resistive (figur 2).

Substituere Z ₁ = R ₁ og Z ₂ = R ₂ i det foregående udtryk giver:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {R_ {2}} {R_ {1}+R_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}$

Hvis R ₁ = R ₂ derefter

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {1} {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}$

Hvis V _ud = 6V og V _ind = 9V (begge almindeligt anvendte spændinger), så:

${\ displaystyle {\ frac {V _ {\ mathrm {out}}} {V _ {\ mathrm {in}}}} = {\ frac {R_ {2}} {R_ {1}+R_ {2}}} = {\ frac {6} {9}} = {\ frac {2} {3}}}$

og ved at løse ved anvendelse af algebra , R ₂ skal være det dobbelte af værdien af R ₁ .

For at løse for R1:

${\ displaystyle R_ {1} = {\ frac {R_ {2} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}} {V _ {\ mathrm {out}}}}-R_ {2} = R_ {2} \ cdot \ venstre ({{\ frac {V _ {\ mathrm {in}}} {V _ {\ mathrm {out}}}}-1} \ højre)}$

For at løse for R2:

${\ displaystyle R_ {2} = R_ {1} \ cdot {\ frac {1} {\ venstre ({{\ frac {V _ {\ mathrm {in}}} {V _ {\ mathrm {out}}}}- 1} \ højre)}}}}$

Ethvert forhold V _ud / V _i større end 1 er ikke muligt. Det vil sige, at ved hjælp af modstande alene er det ikke muligt hverken at vende spændingen eller øge V _ud over V _ind .

Lavpas RC-filter

Figur 3: Modstand/kondensator spændingsdeler

Overvej en skillelinje bestående af en modstand og kondensator som vist i figur 3.

Sammenlignet med den generelle sag ser vi Z ₁ = R og Z ₂ er kondensatorens impedans givet af

${\ displaystyle Z_ {2} =-\ mathrm {j} X _ {\ mathrm {C}} = {\ frac {1} {\ mathrm {j} \ omega C}} \,}$

hvor X _C er kondensatorens reaktans , C er kondensatorens kapacitans , j er den imaginære enhed , og ω (omega) er radianfrekvensen for indgangsspændingen.

Denne opdeler vil derefter have spændingsforholdet:

${\ displaystyle {\ frac {V _ {\ mathrm {out}}} {V _ {\ mathrm {in}}}} = {\ frac {Z _ {\ mathrm {2}}} {Z _ {\ mathrm {1}} +Z _ {\ mathrm {2}}}} = {\ frac {\ frac {1} {\ mathrm {j} \ omega C}} {{\ frac {1} {\ mathrm {j} \ omega C}} +R}} = {\ frac {1} {1+ \ mathrm {j} \ omega RC}} \.}$

Produktet τ (tau) = RC kaldes kredsløbets tidskonstant .

Forholdet afhænger derefter af frekvensen, i dette tilfælde faldende, når frekvensen stiger. Dette kredsløb er faktisk et grundlæggende (første ordens) lavpasfilter . Forholdet indeholder et imaginært tal og indeholder faktisk både amplitude- og faseskiftinformation for filteret. For at udtrække bare amplitudeforholdet beregnes størrelsen af forholdet, det vil sige:

${\ displaystyle \ left | {\ frac {V _ {\ mathrm {out}}} {V _ {\ mathrm {in}}}} \ right | = {\ frac {1} {\ sqrt {1+(\ omega RC )^{2}}}} \.}$

Induktiv divider

Induktive delere deler AC -input i henhold til induktans:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {L_ {2}} {L_ {1}+L_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}$

(med komponenter i de samme positioner som figur 2.)

Ovenstående ligning er for ikke-interagerende induktorer; gensidig induktans (som i en autotransformator ) vil ændre resultaterne.

Induktive delere deler DC -input i henhold til elementernes modstand som for den resistive divider ovenfor.

Kapacitiv skillevæg

Kapacitive delere passerer ikke DC -input.

For en AC -indgang er en simpel kapacitiv ligning:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {Xc_ {2}} {Xc_ {1}+Xc_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}} = {\ frac {1// C_ {2}} {1/C_ {1}+1/C_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}} = {\ frac {C_ {1}} {C_ {1}+C_ {2 }}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}$

(med komponenter i de samme positioner som figur 2.)

Enhver lækstrøm i de kapaktive elementer kræver brug af det generaliserede udtryk med to impedanser. Ved valg af parallelle R- og C -elementer i de korrekte proportioner kan det samme divisionsforhold opretholdes over et nyttigt frekvensområde. Dette er princippet, der anvendes i kompenserede oscilloskopprober for at øge målebåndbredden.

Indlæser effekt

Udgangsspændingen for en spændingsdeler vil variere alt efter den elektriske strøm, den leverer til dens eksterne elektriske belastning . Den effektive kildeimpedans kommer fra en skillevæg af Z ₁ og Z ₂ som ovenfor, være Z ₁ i parallel med Z ₂ (somme tider skrevet Z ₁ // Z ₂ ), som er: ( Z ₁ Z ₂ ) / ( Z ₁ + Z ₂ ) = HZ ₁ .

For at opnå en tilstrækkelig stabil udgangsspænding skal udgangsstrømmen enten være stabil (og derfor indgå i beregningen af ​​de potentielle dividerværdier) eller begrænses til en passende lille procentdel af dividerens indgangsstrøm. Belastningsfølsomheden kan reduceres ved at reducere impedansen for begge halvdele af divideren, selvom dette øger dividerens hvilende indgangsstrøm og resulterer i højere strømforbrug (og spild af varme) i divideren. Spændingsregulatorer bruges ofte i stedet for passive spændingsdelere, når det er nødvendigt at rumme høje eller svingende belastningsstrømme.

Ansøgninger

Spændingsdelere bruges til at justere signalets niveau, til forspænding af aktive enheder i forstærkere og til måling af spændinger. En Wheatstone -bro og et multimeter inkluderer begge spændingsdelere. Et potentiometer bruges som en variabel spændingsdeler i volumenkontrollen på mange radioer.

Sensormåling

Spændingsdelere kan bruges til at tillade en mikrokontroller at måle en sensors modstand. Sensoren er forbundet i serie med en kendt modstand mod dannelse af en spændingsdeler, og en kendt spænding påføres på tværs af deleren. Mikrokontrollerens analog-til-digital-konverter er forbundet til delens midterhane, så den kan måle hanespændingen og ved hjælp af den målte spænding og den kendte modstand og spænding beregne sensorens modstand. Et eksempel, der er almindeligt anvendt, involverer et potentiometer (variabel modstand) som et af de resistive elementer. Når potentiometerets aksel drejes, øges eller formindskes modstanden, den producerer, ændringen i modstand svarer til akselens vinkelforandring. Hvis den er kombineret med en stabil spændingsreference, kan udgangsspændingen føres ind i en analog-til-digital-konverter, og et display kan vise vinklen. Sådanne kredsløb bruges almindeligvis i læsekontrolknapper. Bemærk, at det er yderst fordelagtigt for potentiometeret at have en lineær tilspidsning, da mikrokontrolleren eller et andet kredsløb, der læser signalet, ellers skal korrigere for ikke-lineariteten i sine beregninger.

Højspændingsmåling

Højspændings (HV) modstandsdeler sonde. Den HV, der skal måles (V _IN ) påføres corona -kuglesondens spids, og jorden er forbundet til den anden ende af skillevæggen via det sorte kabel. Delerudgangen (V _OUT ) vises på stikket ved siden af ​​kablet.

En spændingsdeler kan bruges til at nedskalere en meget høj spænding, så den kan måles med en voltmeter . Højspændingen påføres på tværs af skillevæggen, og delerudgangen - som udsender en lavere spænding, der er inden for målerens indgangsområde - måles af måleren. Højspændingsmodstandsdelere, der er specielt designet til dette formål, kan bruges til at måle spændinger op til 100 kV. Specielle højspændingsmodstande bruges i sådanne sonder, da de skal kunne tåle høje indgangsspændinger og for at producere nøjagtige resultater skal have matchede temperaturkoefficienter og meget lave spændingskoefficienter. Kapacitive dividerprober bruges typisk til spændinger over 100 kV, da varmen forårsaget af effekttab i modstandsdeler sonder ved så høje spændinger kan være overdreven.

Skift af logisk niveau

En spændingsdeler kan bruges som en rå logisk niveauskifter til grænseflade mellem to kredsløb, der bruger forskellige driftsspændinger. For eksempel fungerer nogle logiske kredsløb ved 5V, mens andre fungerer ved 3,3V. Direkte grænseflade mellem en 5V logisk udgang og en 3.3V indgang kan forårsage permanent skade på 3.3V kredsløbet. I dette tilfælde kan en spændingsdeler med et udgangsforhold på 3,3/5 bruges til at reducere 5V -signalet til 3,3V, for at kredsløbene kan fungere uden at beskadige 3,3V -kredsløbet. For at dette kan lade sig gøre, skal 5V kildeimpedans og 3,3V inputimpedans være ubetydelig, eller de skal være konstante, og delemodstandens værdier skal tage højde for deres impedanser. Hvis inputimpedansen er kapacitiv, vil en rent resistiv divider begrænse datahastigheden. Dette kan groft overvindes ved at tilføje en kondensator i serie med den øverste modstand, for at gøre begge ben på deleren kapacitiv såvel som resistiv.

Se også

• Nuværende skillelinje
• DC-til-DC-konverter
• Spændingsforstærker

Referencer