Делитель напряжения на конденсаторах: расчет делителя напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях

Урок 18. Делитель напряжения на конденсаторах

содержание видео

Рейтинг: 4.0; Голоса: 1Делитель напряжения на конденсаторах еще называют емкостной делитель напряжения. Он используется с целью снижения напряжения входного сигнала в необходимое количество раз. Сопротивление конденсатора ярко выражено только на переменном токе и называется оно реактивным сопротивлением. Оно, в отличии от активного сопротивления, присущего резисторам, определяется частотой переменного тока и емкость самого конденсатора. С увеличением этих параметров снижается сопротивление конденсатора, а, следовательно, увеличивается ток в цепи. Величина выходного напряжения зависит от относительного значения емкостей последовательно соединенных конденсаторов. Расчет емкостного делителя напряжения сводится к расчету сопротивления конденсаторов при заданной емкости и частоте переменного напряжения. Выполняя расчет делителя напряжения на конденсаторах, следует помнить, что конденсаторы нужно выбирать в зависимости от амплитудного значения напряжения, а не от действующего.
Дата: 2020-09-04

Похожие видео

Комментарии и отзывы: 10

Община
Не совсем верно про реактивную мощность. Реактивная мощность это обратный ток. Когда вы запитали какую то систему например электродвигатель. То при увеличении его обротов потребление падает а напряжение на колекторе растет вот это напряжение и идет обратно в сеть так как оно выше подаваемого. То есть поток тока всегда идет от большего к меньшему то есть ток отдается назад в сеть встречается с подавемым из скети и происходит нагрев в месте встречи если у вас стоит кондесатор то он поглащает этот ток заряжаясь а если нету в месте встречи двух токов происходит прегрев в это же время счетчик считает как активную так и реактивную счечики считают все. Поэтому нужно ставить кондесаторы замерив мощность и напряжение. Тогда у вас ток поступик в кондесатор его можно использовать как халявное электричество

Aziriss
Иду последовательно на всех уроках. Долго пытался вникнуть в интегрирующую и дифференцирующую RC-цепь. Там не объясняли подробно о форме при треугольном входном напряжении почему такие графики, но поразмыслив, порисовав – худо бедно понял. Хотя стоило также не на осцилографе сперва объяснить а нарисовав. (особенно моменты начала заряда-разряда конденсаторов – были видно что отстают от треугольного сигнала. А тут все вообще плохо, как и во многих других видео. Не объясняется почему сдвиг по фазе есть, что такое вообще сдвиг по фазе. В общем как в универах преподают, что ничего непонятно и это плохо. А так все хорошо начиналось, так подробно и понятно.

серый
здравствуйте нужна ваша помощь. имею китайский усилок XH-M253 tda8954 BTL 420 Вт моно. возникла необходимость принудительного охлаждения усилителя. может знакомы схемой с таким усилителем и собственно хочу найти на этой плате 12 вольт чтоб питать вентилятор и не задействовать доп блоки питания но я нашел только выше 12 вольт можно как то подбором резистора добиться нужного напряжения если то как это сделать правильно. нашел такое напряжение 19, 53 вольт на кондесаторе элетролитическом а кулер 12 вольт и 0, 15 ампер

Андрей
Интересно послушать теорию последовательного подключения асинхронного двигателя и конденсатора. Пробовал снижать обороты небольшого вентилятора с помощью конденсаторов, есть узкий диапазон емкостей при которых происходит регулировка оборотов, вне диапазона мотор или не крутится или крутится на всю. Причем замечено что конденсаторы в таком включении деградируют относительно быстро, и приходится добавлять емкость.

Yura
У меня такой вопрос. почему бы вместо понижающего трансформатора не использывать делитель напряжения на конденсаторах? т. е. в тех ваших уроках, где вы собираетн блоки питания – вместо трансформатора – понижать выходное напряжение – конденсаторами, ну или лезисторами. их проще достать, чем трансформаторы. и чаще всего они стоят дешевле. можно так делать?

Sergey
Почему в ёмкостных делителях меньшей ёмкости соответствует меньшее падение напряжения (на 3 мин 30 сек? Там напряжения на С2 должны быть 8 и 9 вольт (соответственно. На рисунках ошибка. Поскольку напряжение делится между конденсаторами, то и допустимое напряжение каждого конденсатора должно быть примерно на 20% больше расчётного.

юрий
подскажи если не трудно: трансформатор через диодный мост и конденсатор 25 v2200 МКФ 14v без нагрузки. под нагрузкой до 21v поднимается. питать хотел магнитолу смотав вторичку до 12v но не знаю что делать с повышением напряжения. есть ещё один Тран-р с 12 и 34 вольта такая же история с повышением напруги

Петро
Если скажем, взять конденсатор включить в сеть последовательо с лампочкою накаливание 220В, 50 герц и 1 мКф, ето около 3. 4кОм сопротивление емкостное, так вот при нагрузке етой лампочкою ( конденсатор будет как резистор, но вот конденсатор гретса не будет ему хоть 100А дать можно, так?

Павел
Как всегда -много математики, мало физики. Например: автор говорит, что в момент, когда напряжение максимальное, ток равен нулю. Почему на обратить внимание на то, что в этот момент конденсатор полностью заряжен, понятно, в этот момент ток равен нулю.

Пося
Здравствуйте. Вы не сможете меня научить правильно всё понимать. у меня голова наполнена но не могу по полочкам всё распределить.

хочу по ватцап или видео вызов несколько уроков. В долгу не останусь, вот 89292610889. спасибо буду ждать ответа.

ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ • Большая российская энциклопедия

Схемы низковольтных делителей напряжения: а – резистивного; б – ёмкостного; в – индуктивного; u и U – напряжения; r и R – резисторы; C1 и C2 – конденсаторы; L1 и L2…

ДЕЛИ́ТЕЛЬ НАПРЯЖЕ́НИЯ, элек­тро­тех­нич. уст­рой­ст­во, по­зво­ляю­щее сни­мать (ис­поль­зо­вать) толь­ко часть имею­ще­го­ся по­сто­ян­но­го или пе­ре­мен­но­го на­пря­же­ния по­сред­ст­вом эле­мен­тов элек­трич. це­пи, со­стоя­щей из ре­зи­сто­ров, кон­ден­са­то­ров или ка­ту­шек ин­дук­тив­но­сти. Обыч­но при­ме­ня­ет­ся для из­ме­ре­ния на­пря­же­ния. Осн. ха­рак­те­ри­сти­ка Д. н. – ко­эф. де­ле­ния, оп­ре­де­ляе­мый от­но­ше­ни­ем вход­но­го (из­ме­ряе­мо­го) на­пря­же­ния к вы­ход­но­му (сни­мае­мо­му). Про­стей­ший Д. н. пред­став­ля­ет со­бой два по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нён­ных ре­зи­сто­ра (два пле­ча де­ли­те­ля), на ко­то­рые по­да­ёт­ся вход­ное на­пря­же­ние $U$ (рис.

, а). Ко­эф. де­ле­ния при от­сут­ст­вии на­груз­ки оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой $$K=U/u=R/(R+r),$$ где $R$ и $r$ – со­про­тив­ле­ния ре­зи­сто­ров, $u$ – сни­мае­мое нап­ря­же­ние. От­кло­не­ния $R$ и $r$ (а сле­до­ва­тель­но, и $K$) от но­ми­наль­ных зна­че­ний обу­слов­ли­ва­ют по­греш­ность де­ли­те­ля. В Д. н. вы­со­кой точ­но­сти при­ме­ня­ют ре­зи­сто­ры с ма­лым тем­пе­ра­тур­ным ко­эф. со­про­тив­ле­ния и вы­со­кой вре­мен­нóй ста­биль­но­стью (напр., из ман­га­ни­но­вой про­во­ло­ки). В це­пях пе­ре­мен­но­го то­ка по­ми­мо ре­зи­стив­ных Д. н. ис­поль­зу­ют­ся так­же ём­ко­ст­ные с кон­ден­са­то­ра­ми по­сто­ян­ной или пе­ре­мен­ной ём­ко­сти (рис., б) и ин­дук­тив­ные (рис., в).

Д. н. мо­гут быть од­но­пре­дель­ны­ми (с од­ним но­ми­наль­ным $K$) и мно­го­пре­дель­ны­ми; с по­сто­ян­ным и ре­гу­ли­руе­мым (плав­но, дис­крет­но или ком­би­нир. спо­со­бом) от­но­ше­ни­ем плеч. Д. н. вхо­дят в со­став мн. средств из­ме­ре­ния в ка­че­ст­ве зве­на из­ме­рит. це­пи. Напр.

, ре­зи­стив­ные де­ли­те­ли с но­ми­наль­ны­ми зна­че­ния­ми $K$, рав­ны­ми 10, 100 и 1000, при­ме­ня­ют­ся во вход­ных це­пях мно­го­пре­дель­ных ана­ло­го­вых и циф­ро­вых вольт­мет­ров. Ём­ко­ст­ные Д. н., со­стоя­щие из не­сколь­ких по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нён­ных кон­ден­са­то­ров вы­со­кой точ­но­сти, слу­жат для от­бо­ра мощ­но­стей от ЛЭП вы­со­ко­го на­пря­же­ния (до 500 кВ). При­ме­ром Д. н. на ин­дук­тив­ных со­про­тив­ле­ни­ях яв­ля­ет­ся ав­то­транс­фор­ма­тор.

Бестрансформаторный блок питания с конденсаторным делителем + online-калькулятор

Итак, начнём, с того, зачем вообще нужен такой блок питания. А нужен он затем, что позволяет запитать слаботочные нагрузки не заморачиваясь с намоткой трансформаторов и используя минимум компонентов. Минимальное число компонентов (и тем более отсутствие таких габаритных компонентов как трансформатор), в свою очередь, делают блок питания с конденсаторным делителем (иногда говорят “с емкостным делителем”) простым и исключительно компактным.

Рассмотрим схему, изображённую на рисунке:

Здесь Z₁ = -j/wC₁; Z₂ = -j/wC₂ — реактивные сопротивления конденсаторов

Найдём ток нагрузки: i_н = i₁-i₂(1) — первый закон Кирхгофа для узла 1.

Учитывая, что по закону Ома для участка цепи: i₁=u₁/Z₁, а u₁=u_c-u₂ ;

выражение (1) можно переписать в следующем виде:

i_н=(u_c-u₂)/Z₁-u₂/Z₂ ;

или по другому:

Iн=jwC₁(Uс_м-U_2м)-jwC₂U_2м , где индекс “м” — это сокращение от слова максимальный, он говорит о том, что речь идёт об амплитудных значениях.

Раскрыв скобки и сгруппировав это выражение, получим:

Iн=jwC₁(Uс_м-U_2м(1+С₂/С₁)) (2) — вот, собственно, мы и получили выражение для тока через нагрузку Zн, в зависимости от напряжения на этой нагрузке и напряжения питающей сети. Из формулы (2) следует, что амплитудное значение тока равно: Iнм=wC₁(Uс_м-U_2м(1+С₂/С₁)) (3)

Предположим, что наша нагрузка — это мост, сглаживающий конденсатор и, собственно, полезная нагрузка (смотрим рисунок).

При начальном включении, когда конденсатор C₃ разряжен, величина U₂ будет равна нулю и через мост потечёт пусковой зарядный ток, максимальное начальное значение которого можно найти, подставив в формулу (3) величину U_2м равную нулю (Iпуск=wC₁Uc_м). Это значение соответствует худшему случаю, когда в момент включения мгновенное значение напряжения в сети было равно максимальному значению.

С каждым полупериодом конденсатор C₃ будет заряжаться и наше напряжение U_2м, равное по модулю напряжению на конденсаторе C₃ и напряжению на полезной нагрузке (обозначим его как Uвых), также будет расти, пока не вырастет до некоторого постоянного значения. При этом ток через полезную нагрузку будет равен средневыпрямленному току, т.е. Iвых=Iнм*2/”Пи” (для синусоидального входного тока).

Учитывая также, что Uc_м=Uc*1,414 (Uc — действующее значение питающего напряжения), а w=2*”Пи”*f, где f-частота питающего напряжения в герцах, получим:

Iвых = 4fC₁(1,414Uc-Uвых(1+C₂/C₁)), если ещё к тому же учесть падение на диодах моста, то окончательно получится:

Iвых = 4fC₁(1,414Uc-(Uвых+2Uд)(1+C₂/C₁)) (4) , где Uд — падение на одном диоде

Из этого выражения можно получить и обратную зависимость Uвых(Iвых):

Uвых=(1,414Uc-Iвых/4fC₁)/(1+C₂/C₁)-2Uд (5)

Что видно из двух последних формул? Из них видно, что с увеличением потребляемого нагрузкой тока напряжение на нагрузке уменьшается, а с уменьшением потребляемого тока — оно растёт. Разомкнув цепь нагрузки (то есть приняв ток нагрузки равным нулю) найдём напряжение холостого хода: Uвых хх = 1,414Uc/(1+C₂/C₁)-2Uд (6). Очевидно, что мост и конденсатор C₂ должны быть рассчитаны на напряжение не менее U_{2м макс} = Uвых хх + 2Uд = 1,414Uc/(1+C₂/C₁).

Строго говоря наши расчёты не совсем безупречны, потому что реальные процессы тут вообще будут нелинейными, но наши небольшие упрощения сильно облегчают расчеты и не сильно влияют на конечный результат.

А вот теперь самое интересное. Частенько читал в интернете, что линейные стабилизаторы не работают в таких схемах, сгорают и прочее и прочее. Ну что же, давайте ещё раз перерисуем нашу схему, добавив в неё линейный стабилизатор напряжения (смотрите рисунок).

(Uст. , Iн — напряжение и ток нагрузки).

Здесь наше Uвых (напряжение на конденсаторе C₃) является входным напряжением стабилизатора (Uin). Как мы помним, при отсутствии нагрузки напряжение на выходе будет максимально и равно Uвых хх. Так что вполне очевидно, что для нормальной работы наш линейный стабилизатор должен выдерживать входное напряжение не менее Uвых хх. Или можно сказать по другому, — конденсаторы должны быть подобраны таким образом, чтобы выходное напряжение холостого хода (имеется ввиду выходное напряжение конденсаторного делителя) не спалило стабилизатор при случайном отключении нагрузки (мало ли, неконтакт какой-нибудь).

Максимальный ток нагрузки можно определить, подставив в формулу (4) вместо Uвых минимальное входное напряжение стабилизатора. Как видите, главное — всё правильно рассчитать, тогда и стабилизатору ничто не угрожает.

Эта схема уже вполне рабочая, но есть у неё один существенный недостаток. В случае, когда нам нужно получить входное напряжение стабилизатора существенно ниже питающего напряжения сети (при питании от 220 В нам именно это и нужно), ёмкость конденсатора C₂ получается довольно значительной. А неполярный конденсатор значительной ёмкости — довольно дорогое удовольствие (да и габариты не радуют). Можно ли как-то вместо неполярного конденсатора использовать, например, обычные электролитические?

Оказывается можно. Для этого переделаем нашу схему ещё раз, таким образом, как на рисунке. В данной схеме вместо одного конденсатора С₂ используются два конденсатора С₂ и С₂‘ (такой же ёмкости, как и в случае, когда конденсатор C₂ всего один), развязанные через диоды моста. При этом обратное напряжение на каждом из этих конденсаторов не превышает падения напряжения на диоде.

Несмотря на то, что в данном случае вместо одного неполярного конденсатора используется два электролитических, такая схема получается экономичнее и по деньгам и по габаритам.

Правда тут есть один нюанс. Выгорание одного из диодов моста может привести к тому, что на электролитических конденсаторах всё-таки появится полное обратное напряжение. Если такое произойдёт — конденсатор вероятнее всего взорвётся.

Ещё хотелось бы отметить, что обращаться с бестранформаторными блоками питания следует крайне осторожно, поскольку такая схема не развязана от питающей сети и прикосновение к её токопроводящим частям может вызвать серьёзное поражение электрическим током.

Online-калькулятор для расчёта блока питания с конденсаторным делителем:

(для правильности расчётов используйте в качестве десятичной точки точку, а не запятую)

1) Исходные данные:

(если вы не знаете минимального входного напряжения стабилизатора и величину падения напряжения на диодах моста, то расчёт будет сделан для: Uin=Uст и Uд=0, — как будто минимальное входное напряжение равно выходному напряжению стабилизатора и диоды идеальные).

2) Расчётные данные:

Для примера: при C₁=1мкФ, С₂ (или С₂ и С₂‘)=22мкФ, Uc=220В, f=50Гц и стабилизаторе LM7805, — можно получить максимальный ток нагрузки порядка 30-35мА, что вполне позволяет запитывать, например, контроллеры, оптосимисторы и даже некоторые релюшки. При этом напряжение на LM-ке даже в худшем случае (без нагрузки) не превысит 13,5 вольт.

Пример использования (в устройстве управления освещением)

Ещё один бестрансформаторный БП — блок питания с гасящим (балластным) конденсатором

как рассчитать формулой на резисторах

В электронике, радиотехнике, робототехнике, системотехнике и ещё ряде практических дисциплин важно добиться оптимальных значений для рабочих компонентов. Именно для этого и используются всевозможные элементы, как-то резисторы, транзисторы, тиристоры, конденсаторы и множество подобных им.

Что это

Делитель напряжения — это устройство, позволяющее получать из большего напряжения (как постоянного, так и переменного) меньшее. При построении схемы используется, как минимум, два элемента сопротивления. Если их величины одинаковые, то на выходе полученное значение составит половину значения на входе. В других случаях конечный результат определяется с помощью формул.

Делитель напряжения

Эти устройства особенно необходимы, если проводятся высоковольтные испытания электрооборудования. Дело в том, что большинство измерительных приборов предназначены для использования, если значение не превышает 1000В. Чтобы выполнить поставленную задачу и используется рассматриваемое устройство. Тогда полученное значение умножается на коэффициент и получается фиксируемое значение.

Разновидности

Разным сопротивлением выдерживается разная нагрузка. Но при этом существуют делители, отличающиеся не только по своим основным, но и по дополнительным параметрам. Несмотря на все эти нюансы и тонкости, главным является один — электрическое сопротивление.

Резисторные

Могут использоваться и для постоянного, и для переменного тока. Резисторы предназначены для низкого напряжения. Их нельзя использовать, если речь заходит о питании мощных машин. Самый простой вариант исполнения предусматривает последовательное соединение двух резисторов.

Резисторные делители напряжения

Как рассчитать делитель напряжения на резисторах? Для этого используется первый закон Кирхгофа и положения Ома. Так, величина тока, протекающая через резисторы, будет одинаковой. И для каждого из них необходимо рассчитывать получаемое значение. Падение при этом прямо пропорциональное величинам тока и сопротивления.

Емкостные

Это устройство предусматривает, что решено подключать конденсаторы для деления. Простейшая схема также состоит из двух элементов, соединённых последовательно. Такое решение популярно, если делается многоуровневый инвертор напряжения. Без них немыслимо ни одно направление силовой электроники. Например, работа электроподвижного состава.

Расчёт значения емкостного делителя

Расчет емкостного делителя напряжения в теории является более лёгким делом, нежели его реализация на практике. Ведь на пути стоит сложность невозможности обеспечения ситуации, когда конденсаторы разряжаются равномерно. Из-за этого, как бы не старались, не получиться добиться, чтобы напряжение распределялось поровну. Так, чем сильнее разряжен один конденсатор, тем ощутимее разница будет на другом. Ведь напряжение в этом случае определяется как результат деления заряда на емкость.

Создаваемые с конденсаторами схемы работают очень нестабильно. При их создании всегда должно предусматриваться создание узлов подзарядки. Они используются для выравнивания напряжения на конденсаторах.

Индуктивные

Широко применяются в измерительных устройствах. Являются масштабными электромагнитными преобразователями. В процессе работы могут возникать погрешности. Их источник — неравенство активных сопротивления и индуктивностей из-за рассеяния разных секций обмоток, переход напряжения на коммутационные и соединительные элементы, шунтирующие взаимовоздействия обмоток, проявление емкости нагрузки и паразитных факторов. Если возникают проблемы с самого начала, вероятнее всего, проблема именно в последнем.

Индуктивные делители

Важно! Дополнительно паразитные емкости являются основной причиной возникновения частотной погрешности, что ограничивается использование индуктивных делителей напряжения на высоких частотах. Самые простейшие варианты имеют довольно много недостатков. Но использование на индуктивных делителях напряжений микропроцессоров позволяет использовать алгоритм уравновешивания.

Формула расчёта делителя напряжения

Самый простой вариант в использовании — схема, построенная на резисторах. Для неё рассчитываются значения по каждому элементу. В таком случае формула расчёта: UR1 = I * R1 и UR2 = I * R2.

UR1 и UR2 показывают, как упадёт напряжение. Их сумма равна параметрам источника питания. Часто необходимо подсчитать ток. Для этого используют формулу: I = Uпит / (R1+R2).

Для лучшего понимания расчета резистивного делителя напряжения подойдёт небольшой пример. Допустим, что создана схема, в которой источник составляет 10 А и используются элементы на 20 000 и 80 000 Ом. В таком случае расчёт будет выглядеть следующим образом: I = 10 / (20 000 + 80 000) = 0,0001 А = 0,1 мА.

Формулы для расчёта значений

Результат этой формулы уже можно подставлять, чтобы узнать требуемые показатели:

• UR1 = 0,0001 * 20 000 = 2 В;
• UR2 = 0,0001 * 80 000 = 8 В.

Если немного изменить расчет делителя напряжения, то можно получить универсальную формулу: UR1 / R1 = Uпит / (R1+R2). За рамки был вынесен ток. Из формулы получается, что UR1 равно: = Uпит * R1 / (R1+R2). Как проверить правдивость этих размышлений? А очень просто — необходимо поставить данные и посмотреть, сходятся ли они с уже полученными значениями:

• UR1 = 10 * 20000 / (20000+80000) = 2 В;
• UR2 = 10 * 80000 / (20000+80000) = 8 В.

Как видно, получаемые значения совпадают. Это говорит о том, что расчеты правильные.

Как работает

На практике использование устройств несколько сложнее, чем просто рассчитать требуемые значения для элементов. Использование схемы замещения для делителей напряжения усложняет реалистичный учет фазовых и амплитудных характеристик. Эта проблема может быть решена исключительно экспериментальным путём. Затруднительно так сделать только если наблюдаются очень высокие частоты.

Графическое изображение работы

В качестве доступной альтернативы используется экспериментальное определение реакции схемы на прямоугольный импульс. Его суть — наблюдение за состоянием, когда на входе происходит скачкообразное изменение напряжения. При единичном воздействии можно наблюдать особенности работы благодаря переходной функции измерительной схемы.

Реакция определяется двумя способами:

• Первый предполагает, что на вход полностью собранной схемы подают периодически импульсы с амплитудой в 100В (50 или 100 раз в секунду). Фронт их нарастания должен составлять меньше 10-9 с. Получение таких импульсов не является делом сложным. Для этого можно воспользоваться механическими коммутаторами с герконом или ртутным реле. На выходе схемы измеряется реакция посредством осциллографа, на котором присутствует широкополосной усилитель, величина пропускания которого составляет до 109 Гц.
• Второй способ используется для схем, у которых напряжение составляет несколько десятков киловольт. В таком случае делают крутой срез посредством малоиндуктивного искрового промежутка, помещенного в условия сжатого газа. На выходе с помощью обычного осциллографа записывается реакция. Также вместо среза часто обращаются к использованию разряда заряженного кабеля и волнового сопротивления через искровой промежуток.

Описывая работу делителей напряжения, нельзя обойти вниманием постоянную времени. Чтобы правильно измерять показатели быстропротекающих процессов, необходимо добиться различия в 5-10 раз. Постоянная времени делителя должна быть меньше характеристического времени процесса. Если не получить разницу в 5-10 раз, то будут фиксироваться различные искажения. Наиболее вероятные — это затягивание фронта вместе с уменьшением амплитуды сигнала на выходе в сравнении с расчетными показателями.

Важно! При выборе делителя в первую очередь внимание обращают на его возможное влияние, оказываемое на источник напряжения, равно как и искажения основного параметра при измерении. Например, в случае использования обычных ГИН допустимыми считаются резисторные, емкостные и смешанные устройства, но только при соблюдении оговоренных условий. К таковым относятся значения емкости плеча высокого напряжения и сопротивление.

Схема

Вот четыре варианта возможного исполнения:

Схема интегрального делителя напряжения

Можно добиться разных значений, изменяя схему подключения и ориентируясь на задачи. Каждый элемент можно использовать как регулятор для напряжения, необходимо только правильно выстроить цепь, чтобы были отображены именно необходимые данные.

Область применения

Делитель очень важен в схемотехнике. Он может использоваться как простейший электрический фильтр или же быть параметрическим стабилизатором напряжения. Они могут выполнять роль электромеханических запоминающих устройств, которые помнят величину угла поворота реостата. Особенность делителей напряжения в том, что они могут хранить информацию неограниченное количество времени, хотя и не используются широко, поскольку присутствуют более совершенные средства. Современное использование заключается в следующем:

Коммерческое изделие

• Создание в усилителях цепей обратной связи. Резистивный делитель напряжения может использоваться для задания коэффициента усиления каскадов.
• Простейшие электрические фильтры.
• Усилители напряжения. Это возможно при условии, что второе сопротивление больше или равно первому, которое отрицательное. Подобное используется в туннельных диодах.
• Параметрический стабилизатор напряжения. Поработать с входным значением можно, если как нижнее плечо делителя используется стабилитрон.

Только перечисленным дело не ограничивается. Возможности применения делителя напряжения придумывает человек, использующий их в рамках доступных физических возможностей.

Делитель напряжения — это простое техническое устройство, что в определённых случаях бывает очень полезным. Выбор и создание конкретного прибора должен отталкиваться от поставленных технических целей.

схема и расчёт [Амперка / Вики]

Принцип делителя напряжения

Это правило применяют при расчетах электросхем, упрощающих решение. Также оно действительно и для простых схем.

Важно! Основная концепция правила: напряжение делится между двумя резисторами, соединенными последовательно, в прямой зависимости от их сопротивления.

Когда выполняется практический расчет делителя напряжения, составляется электросхема, и выводятся необходимые формулы.

Схема делителя напряжения на резисторах

Схема делителя напряжения включает в себя входной источник напряжения и два резистора. Ниже вы можете увидеть несколько схематических вариантов изображения делителя, но все они несут один и тот же функционал.

Профессиональный цифровой осциллограф

Количество каналов: 1, размер экрана: 2,4 дюйма, разрешен…

Подробнее

Обозначим резистор, который находится ближе к плюсу входного напряжения (Uin) как R1, а резистор находящийся ближе к минусу как R2. Падение напряжения (Uout) на резисторе R2 — это пониженное напряжение, полученное в результате применения резисторного делителя напряжения.

Назначение и применение

Для преобразования переменного напряжения применяется трансформатор, благодаря которому можно сохранить достаточно высокое значение тока. Если необходимо в электрическую цепь подключить нагрузку, потребляющую небольшой ток (до сотен мА), то использование трансформаторного преобразователя напряжения (U) не является целесообразным.

В этих случаях можно использовать простейший делитель напряжения (ДН), стоимость которого существенно ниже. После получения необходимой величины U выпрямляется и происходит подача питания на потребитель. При необходимости для увеличения силы тока (I) нужно использовать выходной каскад увеличения мощности. Кроме того, существуют делители и постоянного U, но эти модели применяются реже остальных.

ДН часто применяются для зарядок различных устройств, в которых нужно получить из 220 В более низкие значения U и токов для разного типа аккумуляторов. Кроме того, целесообразно использовать устройства для деления U для создания электроизмерительных приборов, компьютерной техники, а также лабораторных импульсных и обыкновенных блоков питания.

Резистивный делитель напряжения

В общем случае устройства этого типа выполняют преобразование по формуле Uвых=Uвх*К, где:

• Uвх (вых) – напряжения на входе и выходе, соответственно;
• К – корректирующий множитель, обозначающий передающие способности узла.

Если взять первый пример из рис. выше, для уточнения сути процессов подойдет второй закон Кирхгофа. В соответствии с этим правилом, общее значение напряжений на последовательно соединенных резисторах будет равно сумме ЭДС на каждом элементе. Так как ток не изменяется в замкнутом контуре, для расчета можно использовать закон Ома:

U (напряжение) = I (ток) * R (электрическое сопротивление)

Нижнюю часть схемы (плечо) используют для получения необходимого изменения входного параметра.

Подбор/расчет резисторов для делителя напряжения

Поставим себе задачу собрать определенный делитель напряжения. Нам понадобится рассчитать два резистора для делителя напряжения таким образом, чтобы при входном питающем напряжении Vвх = 5 В, выходное напряжение  было равно Vвых=1,9 В.

Итак, с чего начать рассчитывать резисторы делителя напряжения? С закона Ома для участка цепи!

Сила тока, который будет проходить через делитель напряжения при напряжении на входе Vcc=Vвх, равна

Отсюда выходное напряжение Vвых=Vout

Понятно, что чем больше сопротивление резистора R1, тем меньше будет значение выходного напряжения, снимаемого с делителя напряжения на резисторах R1 и R2.

А теперь решим поставленную выше задачу для подбора резисторов делителя напряжения при напряжении на входе делителя = 5В и требуемом выходном напряжении с делителя = 1,9В.

Расчет резисторов делителя напряжения

Итак, собственно, само решение. Подбираем резисторы для делителя напряжения, исходя из вышеупомянутого закона Ома. Отношение выходного напряжения делителя ко входному будет равно 1,9 В / 5 В. Помним, что резистор R2 делителя напряжения подсоединен к земле.

Пример расчета резисторов делителя

Итак. Вход = 5 В. Выход = 1,9 В.

Ответ: R1 = 620 Ом. R2 = 380 Ом.

Конечно же, можно подобрать и другие резисторы, например, 62 Ома и 38 Ом или 295,26 Ом и 481,74 Ом. Главное, чтобы отношение (R2/(R1+R2)) было равно 0,38 (или 1,9/5).

Схема

Вот четыре варианта возможного исполнения:

Схема интегрального делителя напряжения

Можно добиться разных значений, изменяя схему подключения и ориентируясь на задачи. Каждый элемент можно использовать как регулятор для напряжения, необходимо только правильно выстроить цепь, чтобы были отображены именно необходимые данные.

Что такое делитель тока

Делитель тока — это устройство, позволяющее разделить поток тока на две части, чтобы в дальнейшем использовать одну из них. Он нужен, когда устройство не работает с большим током и нужно отделить его меньшее количество, необходимое для использования аппаратуры.

Состоит делитель обычно из двух резисторов, параллельно соединённых, так в каждом из них будет уменьшаться ток.
При последовательном соединении будет уменьшаться напряжение.

Пример 2

Общий ток цепи, содержащей два соединенных параллельно резистора

R1 =70 Ом иR2 =90 Ом, равен 500 мА. Определить токи в каждом из резисторов. Два последовательно соединенных резистора ничто иное, как делитель тока . Определить токи, протекающие через каждый резистор можно с помощью формулы делителя, при этом напряжение в цепи нам не нужно знать, потребуется лишь общий ток и сопротивления резисторов.

Токи в резисторах

В данном случае удобно проверить задачу с помощью первого закона Кирхгофа, согласно которому сумма токов сходящихся, в узле равна нулю.

Если вы не помните формулу делителя тока, то можно решить задачу другим способом. Для этого необходимо найти напряжение в цепи, которое будет общим для обоих резисторов, так как соединение параллельное. Для того чтобы его найти, нужно сначала

Выполняет сразу несколько очень важных задач: служит ограничителем электрического тока в цепи , создает падение напряжения на отдельных ее участках и разделяет пульсирующий ток.

Помимо номинального сопротивления, одним из наиболее важных параметров резистора

является рассеиваемая мощность. Она зависима от напряжения и тока. Мощность — это то тепло, которое выделяется на резисторе, когда под воздействием протекающего тока он нагревается. При пропуске тока, превышающего заданное значение мощности, резистор может сгореть.

Мощность постоянного тока может быть рассчитана по простой формуле P(Вт) = U(В) * I(А)

,

• P(Вт) — мощность,
• U(В) — напряжение,
• I(А) — ток.

Чтобы избежать сгорания резистора тока, необходимо учитывать его мощность. Соответственно, если схема указывает на замену резистора с мощностью 0,5 Ватт — 0,5 Ватт в данном случае — минимум.

Мощность резистора

может зависеть от его размеров. Как правило, чем меньше резистор — тем меньше мощность его рассеивания. Стандартный ряд мощностей резисторов тока состоит из значений:

• 0.125 Вт
• 0.25 Вт
• 0.5 Вт
• Более 2 Вт

Рассмотрим на примере: номинальное сопротивление нашего резистора

тока — 100 Ом. Через него течет ток 0,1 Ампер. Чтобы , на которую рассчитан наш резистор тока, необходимо воспользоваться следующей формулой: P(Вт) = I2(А) * R(Ом),

• P(Вт) — мощность,
• R(Ом) — сопротивление цепи (в данном случае резистора),
• I(А) — ток, протекающий через резистор.

Внимание!

При расчётах следует соблюдать размерность. Например, 1 кА= 1000 А. Это же касается и других величин.

Итак, рассчитаем мощность для нашего резистора тока: P(Вт) = 0,12(А) *100 (Ом)= 1(Вт)

Получилось, что минимальная мощность нашего резистора составляет 1 Ватт. Однако в схему следует установить резистор

с мощностью в 1,5 — 2 раза выше рассчитанной. Соответственно идеальным для нас будет резистор тока мощностью 2 Вт.

Бывает, что ток, протекающий через резистор неизвестен. Для расчёта мощности в таком случае предусмотрена специальная формула:

Соединение цепи может быть последовательным и параллельным. Однако никакого труда не составляет рассчитать мощность резистора тока

как в параллельной, так и в последовательной цепи. Следует учитывать лишь то, что в последовательно цепи через резисторы течет один ток.

Например, нам необходимо произвести замену резистора

тока сопротивлением 100 Ом. Ток, протекающий через него — 0,1 Ампер. Соответственно, его мощность — 1 Ватт. Следует рассчитать мощность двух соединенных последовательно резисторов для его замены. Согласно формуле расчёта мощности, мощность рассеивания резистора на 20 Ом — 0,2 Вт, мощность резистора на 80 Ом — 0,8 Вт. Стандартный ряд мощностей поможет выбрать резисторы тока:

Формула для расчёта делителя напряжения

Как рассчитать резистор для понижения напряжения ?

Для расчёта получаемой в итоге нагрузки, нужно знать следующие данные: U исходное и значение сопротивления в каждом из составных элементов.

Делитель рассчитывается с учётом того, что проходящий через него ток минимум в 10 раз больше, чем на выходе и меньше, чем входящий в сеть.

Можно рассчитать общее сопротивление в резисторах:

R=R1*R2/(R1+R2)

В параллельно соединённых резисторах U1=U2, из это можно сделать вывод, что в сети протекает общий ток: I=I1+I2

Найти общий ток можно, зная закон Ома

Применение делителя напряжения на резисторах

В радиоэлектронике есть много способов применения делителя напряжения. Вот только некоторые примеры где вы можете обнаружить их.

Потенциометры

Потенциометр представляет собой переменный резистор, который может быть использован для создания регулируемого делителя напряжения.

Изнутри потенциометр представляет собой резистор и скользящий контакт, который делит резистор на две части и передвигается между этими двумя частями. С внешней стороны, как правило, у потенциометра имеется три вывода: два контакта подсоединены к выводам резистора, в то время как третий (центральный) подключен к скользящему контакту.

Если контакты резистора подключения к источнику напряжения (один к минусу, другой к плюсу), то центральный вывод потенциометра будет имитировать делитель напряжения.

Переведите движок потенциометра в верхнее положение и напряжение на выходе будет равно входному напряжению. Теперь переведите движок в крайнее нижнее положение и на выходе будет нулевое напряжение. Если же установить ручку потенциометра в среднее положение, то мы получим половину входного напряжения.

Резистивные датчики

Большинство датчиков применяемых в различных устройствах представляют собой резистивные устройства. Фоторезистор представляет собой переменный резистор, который изменяет свое сопротивление, пропорциональное количеству света, падающего на него. Так же есть и другие датчики, такие как датчики давления, ускорения и термисторы и др.

Так же резистивный делитель напряжения помогает измерить напряжение при помощи микроконтроллера (при наличии АЦП).

Пример работы делителя напряжения на фоторезисторе.

Допустим, сопротивление фоторезистора изменяется от 1 кОм (при освещении) и до 10 кОм (при полной темноте). Если мы дополним схему постоянным сопротивлением примерно 5,6 кОм, то мы можем получить широкий диапазон изменения выходного напряжения при изменении освещенности фоторезистора.

Как мы видим, размах выходного напряжения при уровне освещения от яркого до темного получается в районе 2,45 вольт, что является отличным диапазоном для работы большинства АЦП.

Помогите проекту. Поделитесь с друзьями.

Рассмотрим, как рассчитать практически любой делитель напряжения на резисторах. Преимущественное большинство радиоэлектронных элементов и микросхем питаются относительно низким напряжением – 3…5 В. А многие блоки питания выдают U = 9 В, 12 В или 24 В. Поэтому для надежной и стабильной работы различных электронных элементов необходимо снижать величину напряжения до приемлемого уровня. В противном случае может наступить пробой радиоэлектронных элементов. Особенно следует уделять внимание микросхемам – наиболее чувствительным элементам к повышенному напряжению.

Существуют много способов, как снизить напряжение. Выбор того или другого способа зависит от конкретной задачи, что в целом определяет эффективность всего устройства. Мы рассмотрим самый простой способ – делитель напряжения на резисторах, который, тем не менее, довольно часто применяется на практике, но исключительно в маломощных цепях, что поясняется далее.

Чтобы сделать и рассчитать простейший делитель напряжения достаточно соединить последовательно два резистора и подключить их источнику питания. Такая схема очень распространенная и применяется более чем в 90 % случаев.

Вход схемы имеет два вывода, а выход – три. При одинаковых значения сопротивлений R1 и R2 выходные напряжения Uвых1 и Uвых2 также равны и по величине вдвое меньше входного Uвх. Причем выходное U можно сниматься с любого из резисторов – R1 или R2. Если сопротивления не равны, то выходное U будет на резисторе большего номинала.

Точное соотношение Uвых1 к Uвых2 рассчитаем, обратившись к закону Ома. Резисторы вместе с источником питания образуют последовательную цепь, поэтому величина электрического тока, протекающего через R1 и R2 определяется отношением напряжения источника питания Uвх к сумме сопротивлений:

Следует обратить внимание, чем больше сумма сопротивлений, тем меньший ток I при том же значении Uвх.

Далее, согласно закону Ома, подставив значение тока, находим Uвых1 и Uвых2:

Путем подстановки в две последние формулы значение из самой первой формулы, находим значение выходного U в зависимости от входного и сопротивлений двух резисторов:

Применяя делитель напряжения на резисторах, необходимо понимать и помнить следующее:

1. Коэффициент полезного действия такой схемы довольно низкий, поскольку только часть мощности источника питания поступает к нагрузке, а остальная мощность преобразуется в тепло, выделяемое на резисторах. Чем больше понижается напряжение, тем меньше мощности от источника питания поступит к нагрузке.
2. Так как нагрузка подключается параллельно к одному из резисторов делителя, то есть шунтирует его, то общее сопротивление цепи снижается и происходит перераспределение падений напряжений. Поэтому сопротивление нагрузки должно быть гораздо больше сопротивления резистора делителя. В противном случае схема будет работать нестабильно с отклонением от заданных параметров.
3. Распределение U между R1 и R2 определяется исключительно их относительными значениями, а не абсолютными величинами. В данном случае неважно, будут ли R1 и R2 иметь значение 2 кОм и 1 кОм или 200 кОм и 100 кОм. Однако при более низких значениях сопротивлений можно получить большую мощность на нагрузке, но следует помнить, что и больше мощности преобразуется в тепло, то есть израсходуется невозвратно впустую.

Также иногда находят применение и более сложные делители напряжений, состоящие из нескольких последовательно соединенных резисторов.

Делитель напряжения на переменном резисторе

Схему делителя напряжения на переменном резисторе называют схемой потенциометра. Вращая рукоятку громкости музыкального центра или автомагнитолы, вы таким действием плавно изменяете напряжение, подаваемое на усилитель модности звуковой частоты. Принцип работы и сборка простейшего усилителя мощности уже были ранее рассмотрены .

При перемещении (вращении) ручки переменного резистора сверху вниз по чертежу происходит плавное изменение U от значения источника питания до нуля.

В звуковой технике главным образом применяются переменные резисторы с логарифмической зависимостью, поскольку слуховой аппарат человек воспринимает звуки с данной зависимостью. Для регулирования уровня звука одновременно по двум каналам используют сдвоенные переменные резисторы.

В качестве делителя напряжения находят применение переменные резисторы, имеющие следующие зависимости сопротивления от угла поворота ручки: логарифмическую, линейную и экспоненциальную. Конкретный тип зависимости применяется для решения отдельной задачи.

Помогите проекту. Поделитесь с друзьями.

Виды и принцип действия

В основе принципа действия устройства, уменьшающего нагрузку сети, лежит первый закон Кирхгофа: сумма сходящихся в узле токов равна нулю.

Принцип работы у всех одинаковый: в них есть U исходное: такое же, как в источнике питания и получаемое на выходе из сети, зависящее от соотношения резисторов в плечах делителя.
Схема, позволяющая понять принцип действия:

Различают разные устройства, в зависимости от элементов в составе:

• резистивный — более популярен из-за простоты устройства.
• ёмкостный;
• индуктивный.

Как работает

На практике использование устройств несколько сложнее, чем просто рассчитать требуемые значения для элементов. Использование схемы замещения для делителей напряжения усложняет реалистичный учет фазовых и амплитудных характеристик. Эта проблема может быть решена исключительно экспериментальным путём. Затруднительно так сделать только если наблюдаются очень высокие частоты.

Графическое изображение работы

В качестве доступной альтернативы используется экспериментальное определение реакции схемы на прямоугольный импульс. Его суть — наблюдение за состоянием, когда на входе происходит скачкообразное изменение напряжения. При единичном воздействии можно наблюдать особенности работы благодаря переходной функции измерительной схемы.

Реакция определяется двумя способами:

• Первый предполагает, что на вход полностью собранной схемы подают периодически импульсы с амплитудой в 100В (50 или 100 раз в секунду). Фронт их нарастания должен составлять меньше 10-9 с. Получение таких импульсов не является делом сложным. Для этого можно воспользоваться механическими коммутаторами с герконом или ртутным реле. На выходе схемы измеряется реакция посредством осциллографа, на котором присутствует широкополосной усилитель, величина пропускания которого составляет до 109 Гц.
• Второй способ используется для схем, у которых напряжение составляет несколько десятков киловольт. В таком случае делают крутой срез посредством малоиндуктивного искрового промежутка, помещенного в условия сжатого газа. На выходе с помощью обычного осциллографа записывается реакция. Также вместо среза часто обращаются к использованию разряда заряженного кабеля и волнового сопротивления через искровой промежуток.

Описывая работу делителей напряжения, нельзя обойти вниманием постоянную времени. Чтобы правильно измерять показатели быстропротекающих процессов, необходимо добиться различия в 5-10 раз. Постоянная времени делителя должна быть меньше характеристического времени процесса. Если не получить разницу в 5-10 раз, то будут фиксироваться различные искажения. Наиболее вероятные — это затягивание фронта вместе с уменьшением амплитуды сигнала на выходе в сравнении с расчетными показателями.

Важно! При выборе делителя в первую очередь внимание обращают на его возможное влияние, оказываемое на источник напряжения, равно как и искажения основного параметра при измерении. Например, в случае использования обычных ГИН допустимыми считаются резисторные, емкостные и смешанные устройства, но только при соблюдении оговоренных условий. К таковым относятся значения емкости плеча высокого напряжения и сопротивление.

Вам это будет интересно Расцветка шин по фазам

Расчет делителя напряжения на резисторах, конденсаторах и индуктивностях

Делитель на резисторах — отличается своей универсальностью: используют при постоянном и переменном токе, но только при пониженном сопротивлении цепи.

Согласно закону Ома и правилу Кирхгофа через всю цепь будет проходить один и тот же ток.

Тогда на каждом из резисторов: U1= I х R1 и U2 = I х R2 Ток в цепи устройства:

Уменьшение на конденсаторах применяют для цепей с высоким переменным током. В нём минимальная потеря энергии на выходе. Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его электроёмкости и частоты напряжения в цепи.

Формула для вычисления сопротивления:

Делитель на индуктивностях используется при переменном низком токе на высоких частотах. Сопротивление катушки переменного тока прямо пропорционально зависит от индуктивности и частоты. У провода катушки имеется активное сопротивление, из-за чего мощность такого прибора больше, чем у аналогов.

Сопротивление катушки находится по формуле:

Делитель напряжения на катушках индуктивностях

Делитель напряжения на индуктивностях применяются в радио устройствах и считаются комплексными сопротивлениями с распределенными параметрами в схемах согласования… В общем если вы не специалист в этой области то вам такое и не надо. Но для общего развития приведу схему с формулой

Замечу, что приведенная формула чисто теоретическая и не учитывает момент включения, насыщение сердечника, межвитковую ёмкость, скин-эффект, механические характеристики.

P.S. Спасибо пользователям “Юра” и “Bagira” с форума Полный писец за помощь в написании статьи.

Практическое применение параллельного и последовательного соединения

Составные элементы прибора соединяют в цепь, чтобы получить из сети нужную для устройства часть энергии.

Пример работы делителя напряжения на фоторезисторе.

Исходное сопротивление меняется от 1кОм в момент полного освещения до 10кОм при отсутствии света, то можно увеличить диапазон сопротивления. При добавлении резисторов с R=5,6кОм, исходящее напряжение меняется следующим образом:

Освещённость	R1 (кОм)	R2(кОм)	R2/(R1+R2)	U выходное (В)
Яркая	5,6	1	0,15	0,76
Тусклая	5,6	7	0,56	2,78
Темнота	5,6	10	0,67	3,21

Таким образом, увеличивается диапазон выходного напряжения, и оно становится подходящим для большинства сетей.

Потенциометры

Потенциометры используют в качестве делителя в системе с постоянным током. Их применяют в основном для изменения отдельных параметров в механизме.

Нелинейные делители

Мы упомянули, что к нелинейным делителям относится параметрический стабилизатор. В простейшем виде он состоит из резистора и стабилитрона. У стабилитрона условное обозначение на схеме похоже на обычный полупроводниковый диод. Разница лишь в наличии дополнительной черты на катоде.

Расчет происходит, отталкиваясь от Uстабилизации стабилитрона. Тогда если у нас есть стабилитрон на 3.3 вольта, а Uпитания равно 10 вольт, то ток стабилизации берут из даташита на стабилитрон. Например, пусть он будет равен 20 мА (0.02 А), а ток нагрузки 10 мА (0.01 А).

Тогда:

R=12-3,3/0,02+0,01=8,7/0,03=290 Ом

Разберемся как работает такой стабилизатор. Стабилитрон включается в цепь в обратном включении, то есть если Uвыходное ниже Uстабилизации – ток через него не протекает. Когда Uпитания повышается до Uстабилизации, происходит лавинный или туннельный пробой PN-перехода и через него начинает протекать ток, который называется током стабилизации. Он ограничен резистором R1, на котором гасится разница между Uвходным и Uстабилизации. При превышении максимального тока стабилизации происходит тепловой пробой и стабилитрон сгорает.

Кстати иногда можно реализовать стабилизатор на диодах. Напряжение стабилизации тогда будет равно прямому падению диодов или сумме падений цепи диодов. Ток задаете подходящий под номинал диодов и под нужды вашей схемы. Тем не менее такое решение используется крайне редко. Но такое устройство на диодах лучше назвать ограничителем, а не стабилизатором. И вариант такой же схемы для цепей переменного тока. Так вы ограничите амплитуду переменного сигнала на уровне прямого падения — 0,7В.

Вот мы и разобрались что это такое делитель напряжения и для чего он нужен. Примеров, где применяется любой из вариантов рассмотренных схем можно привести еще больше, даже потенциометр в сущности является делителем с плавной регулировкой коэффициента передачи, и часто используется в паре с постоянным резистором. В любом случае принцип действия, подбора и расчетов элементов остается неизменным.

Напоследок рекомендуем посмотреть видео, на котором более подробно рассматривается, как работает данный элемент и из чего состоит:

Материалы по теме:

• Способы понижения напряжения
• Что такое активная, реактивная и полная мощность
• Как работает реле напряжения

Что такое делитель тока

Какие ассоциации у вас возникают при словосочетании “делитель тока”? У меня сразу возникает ассоциация с делителем потока. Давайте представим себе реку, у которой очень большой поток.

Это поток воды бежит с очень большой скоростью! Он смывает на своем пути камни, землю, деревья. Представьте, что эта река находится рядом с вашим домом. Через год-два ваш дом смоет под чистую! Чтобы этого не произошло, надо ослабить течение реки, чтобы ее поток был слабый. Например как здесь:

Но как это сделать? А почему бы нам не прорыть большой канал, чтобы бОльшая часть воды текла через него. А это хорошая идея не так ли?

Весь смак заключается в том, что в каждой отдельной речке скорость воды будет меньше. В электротехнике и электронике все тоже самое! Река – это провод, сила потока – это сила тока, ширина реки – сопротивление, напряжение – угол наклона реки. Все элементарно и просто!

Схема традиционного резисторного делителя напряжения

Для применения делителя напряжения нам надо уметь рассчитывать три величины: напряжение на выходе делителя, его эквивалентное выходное сопротивление, его входное сопротивление. С напряжением все понятно. Эквивалентное выходное сопротивление скажет нам, насколько изменится напряжение на выходе с изменением тока нагрузки делителя. Если эквивалентное выходное сопротивление равно 100 Ом, то изменение тока нагрузки на 10 мА приведет к изменению напряжения на выходе на 1 В. Входное сопротивление показывает, насколько делитель нагружает источник сигнала или источник питания. Дополнительно посчитаем коэффициент ослабления сигнала. Он может пригодиться при работе с сигналами сложной формы.

( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )

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.

Делитель напряжения применяется, если нужно получить заданное напряжение при условии стабилизированного питания. Сейчас мы поговорим о постоянном токе и резисторных делителях. О делителях с использованием конденсаторов, диодов, стабилитронов, индуктивностей и других элементов будет отдельная статья. Подпишитесь на новости, чтобы ее не пропустить. В конце для примера расскажу, как сделать делитель напряжения для осциллографа, чтобы снимать осциллограммы высокого напряжения.

Резисторные делители также могут применяться для уменьшения в заданное количество раз сигналов сложной формы. На делителях напряжения с регулируемым коэффициентом ослабления строятся, например, регуляторы громкости.

Вашему вниманию подборка материалов:

Принципы построения и конструкции высоковольтных емкостных делителей напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

УДК 53.082.72

Е. А. Ломтев, Д. И. Нефедьев

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЕМКОСТНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

E. A. Lomtev, D. I. Nefed’ev

THE PRINCIPLES OF CONSTRUCTION AND DESIGN OF HIGH-VOLTAGE CAPACITOR DIVIDERS

Аннотация. Рассмотрены принцип построения и основные конструктивные решения, применяемые при создании высоковольтных емкостных делителей напряжения на 15 и 220 кВ соответственно. Предложена методика согласования емкостей конденсаторов измерительной цепи и второй эквипотенциальной цепи, состоящая в измерении напряжения с помощью электростатического вольтметра между контактными гнездами измерительной цепи и соответствующими гнездами второй эквипотенциальной цепи емкостных делителей напряжения.

Abstract. The principle of construction and the main constructive decisions applied at creation of high-voltage capacitor dividers on 15 kV and 220 kV respectively is considered, рredlozena method of matching capacitors measuring circuit and the second equipotential circuit consisting of voltage measurement using electrostatic voltmeter between pin sockets measuring circuit and the corresponding slots of the second equipotential circuit EDN.

Ключевые слова: принцип построения, высоковольтный емкостный делитель напряжения, измерительная цепь, эквипотенциальная цепь, конструкция делителя.

Key words: principle of construction, high-voltage capacitor divider, measuring chain, equipotential chain, divider design.

Емкостные делители напряжения (ЕДН) условно можно разделить на две группы: делители с сосредоточенными и распределенными емкостями на стороне высокого напряжения [1]. Первые содержат высоковольтный измерительный газонаполненный конденсатор, изоляция которого рассчитана на полное измеряемое напряжение, и плечо низкого напряжения. Преимущество ЕДН с использованием высоковольтных измерительных газонаполненных конденсаторов определяется их линейностью, постоянством коэффициента деления независимо от окружающей обстановки и незначительным обратным влиянием на источник напряжения. Однако существенным недостатком такого рода делителей является сложность экспериментального определения коэффициента деления ЕДН при рабочем напряжении.

5

ЕДН второго типа имеют на стороне высокого напряжения ряд последовательно соединенных конденсаторов. Применение такого рода делителей предпочтительнее, так как их конструктивное исполнение позволяет осуществлять автономную (независимую) поверку делителей, т.е. определять коэффициент деления емкостного делителя напряжения при рабочих напряжениях на каждом из конденсаторов, входящих в делитель.

Рассматриваемый ЕДН разработан специально для использования в установке для поверки измерительных трансформаторов напряжения и рассчитан на рабочее напряжение до 15 кВ [2].

Особенности принципа построения ЕДН состоят в следующем. Делитель содержит измерительную цепь и две эквипотенциальные цепи (рис. 1). Измерительная цепь содержит N номинально равных и последовательно соединенных конденсаторов (например, типа ФГТ-И) емкостью 0,1 мкФ. Рабочее напряжение на конденсаторах должно составлять не менее 2 кВ. Эквипотенциальные цепи содержат также N номинально равных последовательно соединенных конденсаторов емкостью 0,1 мкФ рабочим напряжением 4 кВ.

Рис. 1. Принципиальная схема емкостного делителя напряжения

Высоковольтное плечо делителя (С1) составляется, например, из 30 последовательно соединенных конденсаторов; замыкаемое плечо (С2) составляется из пяти конденсаторов, низковольтное (выходное) плечо (С3) делителя состоит из одного конденсатора. Конденсаторы должны иметь весьма малые потери и зависимость емкости от приложенного напряжения.

Эквипотенциальные цепи ЕДН выполняются аналогично измерительной цепи. При этом защитный потенциал электродов измерительного делителя СИ определяется соответствующим потенциалом эквипотенциального делителя СЭ1, а защитный потенциал экрана определяется соответствующим потенциалом эквипотенциального делителя СЭ2.

Конденсаторы измерительной цепи ЕДН с системой экранов соединяются между собой с помощью коаксиальных разъемов. К первой эквипотенциальной цепи они присоединены с помощью контактных гнезд, что обеспечивает возможность доступа к конденсаторам измерительной цепи при проведении независимой поверки. Для подключения делителя к источнику

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

высокого напряжения, а также для коммутации элементов делителя предусмотрены коаксиальные разъемы х1, х2, х3, х4.

Конструкция емкостного делителя напряжения и конденсаторов измерительной и эквипотенциальных цепей (рис. 2) разработана в соответствии с техническим решением, приведенным в [3]. ЕДН содержит в измерительной цепи конденсаторы в изолированном цилиндрическом корпусе с двумя выводами на общей оси. Каждый из конденсаторов 1 измерительной цепи помещен в металлические электроды 2 и 3 в виде «стаканов» разной высоты, которые электрически соединены 5 с выводами конденсатора.

Рис. 2. Конструкция конденсаторов измерительной цепи ЕДН-1 с системой экранов

Размеры электродов 2 и 3 подбираются таким образом, что электрод 2 охватывает один вывод и обкладку конденсатора, а электрод 3 – второй вывод конденсатора. Электроды 2 и 3 разделены с помощью изолирующего кольца 6 и помещены в двойные экраны 7 и 8. Защитный потенциал электродов 2 и 3 каждой ступени измерительной цепи делителя определяется потенциалом первой эквипотенциальной цепи, экраны которой укреплены на корпусе конденсатора (с помощью втулок 9).

Соединение конденсаторов измерительной цепи делителя производится с помощью коаксиальных разъемов 10 и 11 (например, розетки ср-50-73 фв и вилки ср-50-74 фв). Конденсаторы 12 первой эквипотенциальной цепи ЕДН подключаются к экранам 7, 8 посредством вилки 13 и розетки с контактами 14, которые крепятся на стойке 15. Экраны второй эквипотенциальной цепи 16 и 17 выполняются в виде плоских пластин на кожухе делителя и разделяются между собой кольцом 18 из изоляционного материала, а их потенциал определяется конденсаторами 19.

Конденсаторы измерительной цепи ЕДН выполняются трехзажимными с двойным экранированием. Конденсаторы первой эквипотенциальной цепи выполняются трехзажимными с одинарным экранированием. Конденсаторы второй эквипотенциальной цепи выполняются неэкранированными.

Соединение конденсаторов измерительной и эквипотенциальных цепей с помощью коаксиальных разъемов обеспечивает возможность определения погрешности ЕДН методом независимой (автономной) поверки или калибровки.

Следует отметить, что обеспечение постоянства коэффициента деления емкостного делителя напряжения в широком диапазоне измеряемых напряжений в решающей степени зависит от стабильности конденсаторов, составляющих измерительную цепь делителя.

Для достижения поставленной цели целесообразно применение в ЕДН такого типа конденсаторов, зависимость от приложенного напряжения которых минимальна в диапазоне 20…500 В. При изменении напряжения на конденсаторах в указанном диапазоне напряжений изменение емкости, в данном случае, не превышает ± 0,003 %.

Выходной конденсатор измерительной цепи ЕДН выбирается из ряда конденсаторов делителя таким образом, чтобы его погрешность, обусловленная зависимостью емкости от при-

7

ложенного напряжения, была равна средней погрешности ряда конденсаторов, входящих в измерительную цепь ЕДН.

С целью исключения емкостных утечек тока с конденсаторов измерительной цепи ЕДН на экраны, к которым присоединяются соответствующие конденсаторы первой экранирующей эквипотенциальной цепи, разработана методика согласования емкостей измерительной и первой эквипотенциальной цепей, состоящая в сравнении емкостей номинально равных конденсаторов измерительной и первой эквипотенциальной цепей мостовым методом. Разность значений емкостей между соответствующими конденсаторами измерительной и эквипотенциальной цепей (погрешность согласования) не должна превышать ±0,1 %. В случае если погрешность согласования превышает допускаемую, то параллельно соответствующим конденсаторам первой эквипотенциальной цепи необходимо подключить подгоночные конденсаторы.

Методика согласования емкостей конденсаторов измерительной цепи и второй эквипотенциальной цепи состоит в измерении напряжения с помощью электростатического вольтметра между контактными гнездами измерительной цепи и соответствующими гнездами второй эквипотенциальной цепи ЕДН (см. рис. 1). Погрешность согласования емкостей конденсаторов измерительной и второй эквипотенциальной цепей, обусловленная паразитными емкостями конденсаторов на землю, минимизируется путем подбора емкостей конденсаторов второй эквипотенциальной цепи.

Как сказано ранее, конструкция делителя, рассмотренного выше, рассчитана на рабочие напряжения до 15 кВ. В случае, когда необходимо измерять напряжения свыше этого предела, конструкция ЕДН требует некоторых изменений [4].

ЕДН до 220 кВ также выполняется в виде измерительной цепи и двух эквипотенциальных цепей (см. рис. 1) и состоит из последовательно соединенных и номинально равныхр высоковольтных конденсаторов (типа фгт-и).

Высоковольтное плечо делителя (С1) составлено, например, из 270 последовательно соединенных конденсаторов, замыкаемое плечо (С2) – из 49 конденсаторов, низковольтное (выходное) плечо (С3) содержит один конденсатор.

Конструктивно ЕДН выполняется в виде колонны. Конденсаторы измерительной и эквипотенциальных цепей размещены по окружности колонны из изоляционного материала в виде винтовой линии. На колонне ЕДН укреплены коаксиальные разъемы.

Каждый из конденсаторов измерительной цепи 1 с двумя выводами 2 и 3 на общей оси помещен в металлические электроды 4 и 5 в виде «стаканов» разной высоты и электрически соединен выводами 2 и 3 конденсатора (рис. 3). Электроды 4 и 5 помещены в двойные экраны 6, 7 и 8, 9. Между электродами и экранами расположено изоляционное кольцо 10. Защитный потенциал электродов 4, 5 и экранов 6, 7 и 8, 9 каждой ступени измерительной цепи ЕДН определяется потенциалами первой и второй эквипотенциальных цепей. Конденсаторы измерительной цепи выполняются трехзажимными с двойным экранированием.

Рис. 3. Конструкция конденсаторов измерительной и эквипотенциальных цепей ЕДН с системой экранов

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Соединение конденсаторов ЕДН производится с помощью коаксиальных разъемов 11 и 12. Конденсаторы первой эквипотенциальной цепи 13 помещены в металлические электроды 14, 15 и экраны 16, 17, разделенные изоляционным кольцом 18. Конденсаторы первой эквипотенциальной цепи выполнены трехзажимными с одинарным экранированием. Конденсаторы второй эквипотенциальной цепи 19 выполнены неэкранированными.

Конденсаторы измерительной и эквипотенциальных цепей емкостного делителя напряжения ЕДН снабжены контактными гнездами 20, служащими для подключения средств измерений при настройке делителя.

Таким образом, высокая точность и стабильность емкостного делителя напряжения достигаются вследствие выполнения следующих условий:

1. ЕДН содержит две экранирующие эквипотенциальные цепи, обеспечивающие защиту измерительной цепи от емкостных утечек тока.

2. Емкости конденсаторов второй эквипотенциальной цепи подобраны с учетом паразитных емкостей конденсаторов на землю.

3. Утечки тока и влияние короны сведены к минимуму тем, что ни на один из конденсаторов или на изоляторы не действует напряжение свыше 500 В.

4. В ЕДН применены высокополированные некоронирующие конструктивные элементы и узлы.

Список литературы

1. Scharle, C. R. A compact high-precision guarded volt box / C. R. Scharle // IEEE Trans. Instrum. And Means. – 1971. – Vol. 20, № 4. – P. 152-160.

2. Нефедьев, Д. И. Автономно поверяемый высоковольтный емкостный делитель напряжения / Д. И. Нефедьев // Новые промышленные технологии. – 2003. – № 3. – C. 34-44.

3. Пат. 2086996 Российская Федерация. Устройство для поверки высоковольтных измерительных трансформаторов напряжения / Нефедьев Д. И. – Опубл. в Б. И. – 1997. -№ 22. – 20 с.

4. Нефедьев, Д. И. Методы поверки высоковольтных измерительных масштабных преобразователей, реализующие возможность автономного поддержания единства измерений / Д. И. Нефедьев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2005. – № 5. – С. 25-28.

Ломтев Евгений Александрович

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]

Нефедьев Дмитрий Иванович

доктор технических наук, заведующий кафедрой информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]

Lomtev Evgeniy Aleksandrovich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of information and measuring equipment,

Penza State University

Nefed’ev Dmitriy Ivanovich

doctor of technical sciences, head of sub-department of information and measuring equipment, Penza State University

УДК 53.082.72 Ломтев, Е. А.

Принципы построения и конструкции высоковольтных емкостных делителей напряжения /

Е. А. Ломтев, Д. И. Нефедьев // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2014. – № 4 (10). -С. 4-8.

Делители для измерения постоянного и переменного напряжений

Страница 37 из 41

Приборы для непосредственного измерения напряжений в сотни киловольт являются громоздкими и дорогими. Поэтому в настоящее время при измерении высоких напряжений широко применяются делители напряжений.
Делители напряжения состоят из цепочки последовательно соединенных активных сопротивлений или емкостей, а иногда из их комбинаций и включаются между проводом, находящимся под высоким напряжением, и землей. Трансформатор напряжения является по существу индуктивным делителем напряжения.
Принципиальная схема делителя напряжения представлена на рис. 5-34. Делитель состоит из N секций; напряжение снимается с п секций и измеряется прибором. Часть делителя (п секций), параллельно которой включается измерительный прибор, называют низковольтным плечом, а остальную часть — высоковольтным плечом делителя.
Если обозначить через U1 высокое напряжение, прикладываемое к делителю, а через U2— напряжение, измеряемое прибором, то отношение
Практически выполненные делители напряжения неполностью удовлетворяют комплексу вышеуказанных требований.

Чтобы учесть дополнительные погрешности, которые вносит делитель при измерении высокого напряжения, надо знать зависимости коэффициента деления от амплитуды называется коэффициентом деления делителя. Если в делитель включены секции с одинаковыми сопротивлениями и напряжение равномерно распределяется -по секциям, то
(5-41)
Для обеспечения необходимой точности измерения сопротивление измерительного прибора должно быть во много раз больше сопротивления низковольтного плеча делителя. Измеренная прибором величина напряжения, умноженная на коэффициент деления, дает полное измеряемое напряжение
К делителям напряжения предъявляются следующие основные требования:

1. Подключение делителя не должно влиять на амплитуду и форму измеряемого напряжения.
2. Напряжение, снимаемое с низковольтного плеча, должно по форме повторять измеряемое напряжение, для чего коэффициент деления делителя не должен зависеть от частоты и амплитуды измеряемого напряжения в рабочем интервале изменения этих величин.
3. Коэффициент деления не должен зависеть от атмосферных условий (давление, температура).
4. Энергия, рассеиваемая в делителе, при принятой системе охлаждения не должна вызывать заметного изменения его коэффициента деления.
5. В делителе должны отсутствовать корона и утечки по изоляции или их влияние на коэффициент деления должно быть незначительным.

Рис. 5-34. Принципиальная схема делителя напряжения.

 На рис. 5-35 представлена упрощенная электрическая схема замещения делителя напряжения.

При измерении высоких постоянных напряжений применяют активные делители. Для активных делителей используют проволоку из сплавов высокого сопротивления (константан, манганин, нихром и др.), а также непроволочные сопротивления различных типов, широко применяемые в радиотехнике.

Большинство высоковольтных источников постоянного напряжения, применяемых в лабораториях, имеют ограниченную выходную мощность, и токи от этих источников редко превышают несколько миллиампер. Делитель постоянного напряжения должен иметь высокое сопротивление, чтобы потребляемая им энергия от источника напряжения была сравнительно небольшой. С другой стороны, величина активного сопротивления делителя не должна быть слишком большой, так как в этом случае увеличивается погрешность в коэффициенте деления за счет короны· и утечек по изоляции.

Рис. 5-35. Электрическая схема замещения делителя напряжения.
Исходя из этих требований, сопротивление делителя принимается таким, чтобы ток, протекающий через делитель, находился в пределах от десятков до 1—2 мА.
Погружение сопротивлений делителя в масло значительно повышает теплоемкость делителя, улучшает его общую изоляцию и увеличивает электрическую прочность в отношении короны.
С помощью двух блоков делителя постоянного напряжения с проволочными сопротивлениями, соединенных последовательно, измерялись постоянные напряжения до 300 кВ с точностью ±0,3%. Блок сопротивлений величиной 80 Мом собирался из отдельных секций и помещался в бакелитовый цилиндр диаметром 27 см и высотой 46 см, заполненный маслом. При напряжении 125 кВ блок рассеивал мощность 200 Вт, при этом температура масла поднималась до 40° С, что соответствовало температуре кожуха блока 25° С. Осуществлялась естественная циркуляция масла, причем устройство секций и их расположение содействовали благоприятным условиям циркуляции масла. Сопротивление утечки через масло и кожух составляло 3·1012 Ом, что оказывало незначительное влияние на точность измерений. Для уменьшения коронирования на фланцах каждого блока делителя монтировались металлические экраны с закругленными краями.
В качестве сопротивлений секций блока делителя использовалась нихромовая проволока диаметром 0,051 мм, которая вплотную, виток к витку, наматывалась на узкую полоску из прессшпана с поперечным сечением 1,78X0,25 мм2. Эта полоска затем наматывалась спиралью на вторую полоску из прессшпана с поперечным сечением 6,4X0,43 мм2 и расстоянием между соседними витками спирали, равным 0,51 мм. Пленка окиси на поверхности проволоки была достаточной, чтобы обеспечить изоляции: между витками спирали, даже когда они касались дру1 друга. Сопротивление 1 м такой спирали составляв 0,2 Мом. Наконец, спираль наматывалась на изолирующие каркасы в виде дисков, которые образовывали секции а последние — блок сопротивлений.
Температурный коэффициент сопротивления нихрома составлял 9,8х10-5 град-1 в пределах от 20 до 500° С и при необходимости вводилась поправка на температуру. Таких образом, для изготовления делителя высокого постоянной напряжения требуются сотни километров проволоки с боль шим удельным сопротивлением и малым температурных коэффициентом сопротивления.

Когда не требуется большой точности в измерении напряжения и не оправдываются затраты на изготовление делителей из проволочных сопротивлений, применяются непроволочные сопротивлeния.
Различают непроволочные сопротивления поверхностного и композиционного типов. В сопротивлениях поверхностного типа проводящий слой образован пленкой углерода или тонкой пленкой металлических сплавов, осажденных на поверхность керамического стержня или трубки. Сопротивления композиционного типа состоят из плохо проводящих искусственных материалов на основе смесей проводника со связующим его диэлектриком. Сопротивления композиционного типа выполняются как в виде массивного проводящего тела — объемная конструкция, так и в виде проводящих слоев на изолирующем основании—пленочная конструкция.
Сопротивления поверхностного типа отличаются от пленочных композиционных сопротивлений не только отсутствием связующего диэлектрика в проводящей пленке, но и значительно меньшей толщиной проводящей пленки.
Температурный коэффициент непроволочных сопротивлений по абсолютной величине обычно больше, чем у проволочных сопротивлений, и для большинства типов непроволочных сопротивлений является отрицательным.
Кроме того, непроволочные сопротивления изменяют свою величину в зависимости от приложенного напряжения даже в том случае, когда проходящий через них ток не вызывает их существенного нагрева, могущего изменить величину сопротивления в соответствии с температурным коэффициентом. Величина сопротивления, начиная с некоторого значения напряжения, уменьшается с повышением напряжения. Сопротивление в этой области будет нелинейным. Степень нелинейности характеризуется коэффициентом напряжения, выражающим относительное изменение величины сопротивления при изменении напряжения на нем:
(5-42)
где R2 и R1— величины сопротивлений при U2 и U1, причем U2>U1.
Практически kн определяется при напряжении U2, равном наибольшему рабочему напряжению, и U1= 0,1U2.

Величина коэффициента напряжения для хороших сопротивлений поверхностного типа не превышает 1—2%, для композиционных сопротивлений kH может достигать 10—20%.
Следует также учитывать, что в непроволочных сопротивлениях с течением времени происходят необратимые изменения—процесс старения сопротивления. При этом в большинстве случаев сопротивление увеличивает свою величину. Старение сопротивлений имеет сложный характер, зависящий как от типа сопротивления, так и от условий, в которых оно находится. Особенно интенсивно процесс старения сопротивлений протекает при их -перегрузке, а также при работе во влажной среде.
В практике для делителей напряжения часто используются обычные радиотехнические непроволочные сопротивления различных типов. Отметим, что отечественной промышленностью выпускаются и специальные высоковольтные непроволочные сопротивления композиционного типа, предназначенные для делителей напряжения, для разряда конденсаторов фильтров выпрямителей и других целей.
В табл. 5-11 приводятся основные параметры сопротивлений композиционного типа, выпускаемых отечественной промышленностью.

Таблица 5-11
Основные параметры сопротивлений типа КЛВ

Эти сопротивления изготовляются на основе проводящих лакопленочных композиций, нанесенных спиралью на фарфоровый стержень. Края спирали покрываются низкоомным контактным клеем, на них насаживаются металлические колпачки. Сопротивления защищены эмалевым покрытием. Сопротивления типа КЛВ изготовляются I с допусками до 15% к номиналу. Коэффициент напряжения не превышает 15%, температурный коэффициент сопротивления в среднем не превышает —25· 10-4 град-1,

вольтметр или микроамперметр. Для удобства приборы непосредственно отградуированы в киловольтах измеряемого напряжения. При измерении напряжения с помощью микроамперметра было установлено, что необходимо ограничивать ток, «протекающий через микроамперметр, до 0,1 тока, протекающего через делитель, чтобы сохранить точность измерения в пределах ±1,5%.
На рис. 5-36 показано устройство делителя постоянного напряжения на 500 кВ, обеспечивающего точность измерения около ± 1,5%. Делитель состоит из цепочки последовательно соединенных углеродистых сопротивлений, каждое величиной 5 Мом и мощностью 1 вт. Температурный коэффициент сопротивления — 60х10-4 град-1 в интервале температур 10—30° С, коэффициент напряжения — около 11%. Сопротивления 1 смонтированы на изолирующей опоре 2 в зигзагообразном виде и помещались в маслонаполненный бакелитовый цилиндр 3 с двойными стенками. Естественная циркуляция масла осуществлялась так, что нагретое сопротивлениями масло проходило близ внутренней стенки наружного цилиндра и тем самым лучше охлаждалось. Для уменьшения коронирования на кожух цилиндра установлены алюминиевые экраны. Делители такой конструкции на напряжения 100 и 500 кВ имеют наружные кожухи одинакового диаметра, равного 17 см и высоты 56 см и 124 см соответственно.

Рис. 5-36. Делитель постоянного напряжения на 500 кВ, собранный из непроволочных сопротивлений.

1 — непроволочные сопротивления; 2       —изолирующая опора; 3 — наружный и внутренний кожух и делителя; 4- металлические экраны; 5 — вывод для подключения измерительного прибора. Стрелки указывают направление потоков масла.

При измерении напряжения параллельно низковольтному плечу делителя подключался электростатический ток.
При необходимости учитывался и температурный коэффициент этого сопротивления.
Иногда микроамперметр включается последовательно с делителем напряжения между концом низкого напряжения делителя и землей. В этом случае делитель напряжения выполняет роль дополнительного сопротивления.
Активные делители постоянного напряжения изготовляются на напряжения порядка 1000—2 000 кВ. Делитель постоянного напряжения на 1250 кВ состоял из 2 000 непроволочных сопротивлений по 0,75 Мом каждое с общим сопротивлением величиной 1 500 Мом. Сопротивления погружались в масло. Напряжение на низковольтном плече измерялось с помощью электростатического вольтметра.
Упомянем коротко о делителе постоянного напряжения на 50 кВ, предназначенном для прецизионных измерений постоянных напряжений с точностью ±0,01%. Такая большая точность была достигнута за счет того, что имелась возможность определять коэффициент деления делителя при включенном высоком напряжении. Проволочные сопротивления из манганина 200 ком, мощностью 30 Вт собирались в блоки, а последние соединялись в мостовую схему.
Чтобы избежать влияния токов утечки, использовалась система экранов, которым сообщались потенциалы от вспомогательного делителя напряжения, включенного параллельно основному делителю.
При измерении высоких напряжений промышленной частоты применяют емкостные и реже активные делители. Применение активных делителей переменного напряжения сопряжено с установкой громоздких и дорогостоящих сопротивлений на высокие напряжения. Емкостные делители по сравнению с активными имеют меньшие размеры и стоимость их ниже.
При измерении переменных напряжений с помощью активных делителей возникают ошибки, связанные с наличием емкостных токов, протекающих через емкости элементов делителя на землю Сз и емкости относительно провода Сп. Основные ошибки вносятся емкостями Сз. Если принять, что емкость Сз равномерно распределена вдоль высоковольтного плеча делителя с активным со
противлением R1, то при приложении к активному делителю синусоидального напряжения с угловой частотой ω=2πf полное сопротивление Z1 высоковольтного плеча делителя определяется выражением
(5 43)
Таким образом, емкость Сз вызывает угловую погрешность первого порядка, равную:

и погрешность второго порядка в величине полного сопротивления, равную:
Из (5-43) видно, что погрешность при измерениях с помощью активного делителя напряжения возрастает с увеличением сопротивления высоковольтного плеча R1, емкости элементов делителя по отношению к земле С3 и с увеличением частоты f измеряемого напряжения.
С ростом измеряемого переменного напряжения приходится увеличивать величину сопротивления R1, чтобы ток, протекающий через активный делитель, был в допустимых пределах. При этом увеличивается и емкость элементов делителя по отношению к земле.
Для уменьшения ошибок, связанных с наличием емкостных токов, применяют плоские дисковые экраны, присоединенные к высоковольтному концу делителей. Экран образует с поверхностью земли плоский конденсатор, поле которого достаточно равномерно, если диаметр экрана превышает высоту делителя.
Действие экрана равносильно компенсации емкостей делителя на землю. Такие экраны просты по устройству, но не всегда достаточно эффективны там, где требуется большая точность измерений. В этих случаях иногда сопротивления делителя делят на несколько секций, помещая каждую из них в отдельный металлический экран с потенциалом, равным среднему потенциалу каждой секции. Напряжение на экраны обычно подается от вспомогательного делителя напряжения, подсоединенного параллельно с главным. Таким образом, можно добиться хорошей компенсации влияния емкостей делителя на землю и значительно уменьшить его коронирование. В построенном делителе переменного напряжения промышленной частоты на 100 кВ. с использованием таких экранов угловая погрешность составляла не более 0,0002 рад. Эти делители имеют большие габариты и стоимость.
В случаях, где не требуется большой точности в измерениях, в качестве делителей переменного напряжения иногда применяют непроволочные сопротивления.
Начиная с напряжения 100 кВ и выше, погрешности активных делителей переменного напряжения достигают значительной величины и быстро увеличиваются с ростом напряжений, поэтому рациональным пределом для таких делителей является напряжение 100 кВ при частоте f=50 Гц.
Для измерения высоких переменных напряжений большое распространение получили емкостные делители, состоящие из ряда последовательно включенных емкостей. В емкостном делителе напряжения емкость Сз не имеет существенного значения, так как добавление ее к собственной емкости делителя не изменит зависимости от частоты, если пренебречь собственной индуктивностью делителя. Емкостные делители имеют и то преимущество, что они практически не потребляют активной энергии и могут быть использованы при высоких напряжениях промышленной частоты порядка нескольких миллионов вольт, а также при высоких частотах. Они используются и при измерениях импульсных напряжений. В качестве емкостей делителя широкое применение получили конденсаторы с керамическими диэлектриками, имеющими большую диэлектрическую проницаемость и высокую электрическую прочность. Такой делитель использовался для измерения напряжения трансформаторного каскада на 2 250 кВ. Делитель состоит из последовательно-параллельно соединенных конденсаторов в виде колонок. Центральная измерительная колонка окружена коленками конденсаторов, служащих экранами. Вместо керамических часто применяют конденсаторы с бумажно-масляной изоляцией.

Рис. 5-37. Конденсатор под давлением на 900 кВ.
В измерениях в качестве делителей переменного напряжения используются также конденсаторы с газообразным диэлектриком и концентрическими цилиндрическими электродами, изготовленными так, чтобы избежать коронирования. В таких конденсаторах в атмосфере сухого воздуха при нормальной плотности может быть допущена напряженность поля между электродами около 10 кВ/см без перекрытия. Конденсаторы этого типа используются при напряжениях до 300 кВ.

Емкость таких конденсаторов может быть рассчитана с точностью до 0,01%, их угловая погрешность составляет менее 10-5 рад.
Так как электрическая прочность газа увеличивается с его плотностью, размер конденсатора при данном напряжении может быть значительно уменьшен помещением электродов в бак под давлением. Это также защищает электроды от атмосферных загрязнений. На рис. 5-37 показано устройство конденсатора под давлением на 900 кВ с электродами в виде коаксиальных цилиндров. В качестве диэлектрика использовался азот или углекислый газ под давлением 14 ат. Бакелитовый кожух конденсатора одновременно служит и в качестве высоковольтного изолятора. Для низковольтного плеча делителя могут быть применены слюдяные конденсаторы хорошего качества.
Конденсаторы под давлением стоят дороже цепочки керамических или бумажных конденсаторов на одно и то же напряжение. Но последние имеют большую индуктивность и потери энергии. Поэтому конденсаторы под давлением обычно применяют при необходимости измерения напряжений с большой точностью.
1 — электрод низкого напряжения; 2—электрод высокого напряжения; 3— бакелитовый цилиндр; 4 — вывод для измерительной цепи; 5 — заземленное основание.

Рис. 5-38. Схема измерительного устройства с емкостным делителем напряжения.
При измерении переменных напряжений промышленной частоты в высоковольтных электрических сетях обычно используют измерительные трансформаторы напряжения. Однако при напряжениях 110 кВ и выше размеры трансформаторов напряжения становятся большими, и стоимость их сильно возрастает. Поэтому в практике измерений иногда используют и другие способы измерения напряжений. Значительное распространение в подобных случаях получили делители напряжения.

Удобным способом измерения переменных напряжений является использование в качестве емкостного делителя напряжения конденсаторных вводов выключателей и силовых трансформаторов. Л. М. Залесский и Н. А. Погарский указывают на возможность применения трансформаторов тока с конденсаторной изоляцией в качестве комбинированных трансформаторов тока и напряжения. Очевидно, что использование емкости конденсаторной изоляции трансформаторов тока для измерения напряжения 110 кВ и выше может дать значительную экономию средств. В практически выполненных устройствах для измерения напряжения с использованием вводов конденсаторного типа обычно имеется ряд вспомогательных элементов для обеспечения удобства и повышения точности измерений.

Изоляция вводов конденсаторного типа разделена на ряд слоев с помощью концентрических цилиндров из металлической фольги. Таким образом, образуется ряд заключенных друг в друга цилиндрических конденсаторов, соединенных последовательно. Измерительный прибор (электростатический или катодный вольтметр) включается параллельно последнему конденсатору и измеряется падение напряжения на нем, обычно равное 4—6 кВ.
В последнее время в связи с развитием в энергосистемах высокочастотной связи в качестве емкостных делителей напряжения используют также конденсаторы высокочастотной связи. С помощью упомянутых выше емкостных делителей напряжения можно измерять высокие напряжения порядка нескольких сотен киловольт.
Принципиальная схема такого устройства с емкостным делителем напряжения показана на рис. 5-38. Напряжение на емкости С2 составляет часть измеряемого напряжения и может быть дальше понижено до удобной для измерения величины с помощью трансформатора напряжения Тр. Для обеспечения наибольшей точности измерения в измерительную цепь включается регулируемая индуктивность L. Величина индуктивности L устанавливается такой, чтобы образовать резонансный контур с питающей емкостью С2.

Рис. 5-39. Эквивалентная Т-образная схема измерительного устройства, представленного на рис. 5-38.

При коротком замыкании в цепи измерительного трансформатора напряжение на реакторе L и емкости С2 может достигнуть недопустимой величины. Для предупреждения подобных перенапряжений служит разрядник Р.
Принимая трансформатор напряжения Тр за нагрузку, делитель напряжения вместе с реактором L можно представить в виде эквивалентной Т-образной схемы, которая показана на рис. 5-39.

Для повышения точности измерения надо уменьшить активное сопротивление r реактора. Это достигается путем применения реактора со стальным сердечником и небольшим воздушным зазором.
Измерительные устройства, использующие вводы конденсаторного типа, по сравнению с трансформаторами напряжения. обладают меньшей точностью измерения и имеют малую мощность. Однако в ряде случаев эти устройства в связи с их низкой стоимостью с успехом заменяют трансформаторы напряжения.
Погрешность емкостного делителя напряжения зависит от температуры, влажности изоляции, отбираемой измерительным устройством мощности и других причин. Мощность емкостного делителя зависит  емкости применяемых вводов конденсаторного типа и увеличивается с ростом измеряемого напряжения. Существующие делители этого типа при напряжении 110 кВ имеют мощность 15 ва, при напряжении 220 кВ — 35 ва. Поэтому такие приспособления целесообразно применять при измерении напряжений 110 кВ и выше. Применение емкостных делителей в виде независимых аппаратов, не связанных с вводами конденсаторного типа, позволяет значительно увеличить их мощность.

Используете емкостной делитель напряжения переменного тока через диоды для зарядки конденсатора постоянного тока?

Я как бы понимаю то, что вы пытаетесь сделать. Недостаток вашей конструкции заключается в том, что соединенные друг с другом диоды создают путь постоянного тока между каждым переходом конденсаторов, что нарушает функцию делителя напряжения, которую вы пытались реализовать с помощью последовательно соединенных конденсаторов.

Итак, я поигрался с этим и придумал что-то вроде работающего, как показано ниже:

Смоделируйте это здесь: (Falstad sim)

Что я сделал иначе, так это заблокировал путь постоянного тока к диодам крышками, позволив каждой последовательно соединенной крышке плавать.Он питается от 1000 В переменного тока (+ -1000 В пик), и, как было задумано, каждая крышка видит только 1/5 от этого, что, я считаю, было вашим намерением. Обратите внимание, что значения конденсаторов выбраны таким образом, чтобы уравновесить падение напряжения и уравновесить токи через диоды.

Выдает около 15 мА при ~ 16 В постоянного тока, упав с 1000 В переменного тока. Стабилитроны необходимы для предотвращения всплытия выходного сигнала до очень высокого значения (700 В или около того) без нагрузки.

Чтобы изменить входное напряжение при сохранении тока, увеличьте значение пределов.Таким образом, для среднеквадратичного значения 230 В переменного тока (пик + -325 В) увеличьте их примерно в 3 раза.

Как бы то ни было, это очень неэффективно: ток, протекающий на стороне ВН, примерно такой же, как и на стороне НН. Он вообще не ведет себя как зарядный насос; преобразование импеданса не происходит. Вот здесь и поможет какой-то перенос заряда с летающей шапкой.

Обратите внимание, что это только теоретическое упражнение. Я бы никогда не стал использовать схему в работающей системе – слишком неэффективно и очень опасно.

---

БОНУС: Схема, которая заряжает последовательно, разряжает параллельно (и это тоже эффективно!):

Смоделируйте это здесь: (Falstad sim)

Эта схема использует полевые транзисторы для управления предельным зарядом. Работает в две фазы:

• Заряд: колпачки заряжаются последовательно. В конце цикла зарядки на каждой крышке должно быть максимум 70 В (из 325 В)
• Разгрузка: Колпачки сбрасываются в нагрузку параллельно. Сбрасывается не весь заряд, только немного.Это залог эффективности.

Тактовая частота управления составляет 30 кГц, как двухфазная тактовая частота без перекрытия для переключения полевых транзисторов. Я оставлю реальный дизайн в качестве упражнения для ученика; Я просто хочу проиллюстрировать здесь принцип переключения крышек. Важно, чтобы они не перекрывались, чтобы избежать прострела.

Еще одна тонкость: полевые транзисторы N-типа на пути разряда работают как ведомые, с высотой управляющего импульса затвора для грубой установки выходного напряжения. Полевые транзисторы выключаются, когда Vout равен (высота импульса – Vgs) или без нагрузки 10V-1.5 В = 8,5 В. Реальная система, вероятно, будет использовать рабочий цикл. Вы можете поиграть с этим с помощью ползунков.

Это составляет около 9 Вт при мощности 14 В.

Емкостный делитель напряжения | Распределение напряжения в конденсаторах

Введение

В схеме делителя напряжения напряжение питания или напряжение цепи распределяется между всеми компонентами в цепи равномерно, в зависимости от емкости этих компонентов.

Конструкция цепи емкостного делителя напряжения такая же, как и схема резистивного делителя напряжения.Но, как и резисторы, на схему емкостного делителя напряжения не влияют изменения частоты, даже если в ней используются реактивные элементы.

Конденсатор – это пассивный компонент, который накапливает электрическую энергию в металлических пластинах. Конденсатор состоит из двух пластин, и эти две разделены непроводящим или изолирующим материалом, так называемым «диэлектриком».

Здесь положительный заряд хранится на одной пластине, а отрицательный заряд – на другой пластине.

Когда на конденсатор подается постоянный ток, он полностью заряжается.Диэлектрический материал между пластинами действует как изолятор, а также препятствует прохождению тока через конденсатор.

Это сопротивление пропусканию тока через конденсатор называется реактивным сопротивлением (X _C ) конденсатора. Реактивное сопротивление конденсатора также измеряется в омах.

Полностью заряженный конденсатор действует как источник энергии, потому что конденсатор накапливает энергию и разряжает ее на компоненты схемы.

Если к конденсатору подается переменный ток, то конденсатор непрерывно заряжается и разряжает ток через свои пластины.В это время конденсатор также имеет реактивное сопротивление, которое зависит от частоты питания.

Мы знаем, что заряд, который хранится в конденсаторе, зависит от напряжения питания и емкости конденсатора.

Таким же образом реактивное сопротивление зависит от некоторых параметров, теперь мы видим параметры, которые влияют на реактивное сопротивление конденсатора.

Если конденсатор имеет меньшее значение емкости, то время, необходимое для зарядки конденсатора, меньше, т.е. требуется меньшая постоянная времени RC.Точно так же постоянная времени RC высока для конденсаторов с большей емкостью.

Из этого мы заметили, что конденсатор с большей емкостью с значением имеет на меньшее значение реактивного сопротивления , тогда как меньшее значение емкости для конденсатора с имеет на большее значение реактивного сопротивления . т.е. реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально значению емкости конденсатора.

X _C ∝ 1 / C

Если частота приложенного тока низкая, время зарядки конденсатора увеличивается, это указывает на высокое значение реактивного сопротивления.Таким же образом, если частота приложенного тока высокая, то реактивное сопротивление конденсатора низкое.

Отсюда видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте.

Наконец, мы можем сказать, что реактивное сопротивление (X _C ) любого конденсатора обратно пропорционально частоте (f) и значению емкости (C).

X _C ∝ 1 / f

Формула емкостного реактивного сопротивления

Мы уже знаем, что емкостное реактивное сопротивление обратно пропорционально частоте и значению емкости конденсатора.Таким образом, формула для реактивного сопротивления:

X _C = 1 / 2πfC

Здесь

X _C = Реактивное сопротивление конденсатора в Ом (Ом)

f = Частота в Герцах (Гц)

C = Емкость конденсатора в фарадах (Ф)

π = числовая константа (22/7 = 3,142)

Распределение напряжения в последовательных конденсаторах

Если конденсаторы соединены последовательно, рассчитывается распределение напряжения между конденсаторами. Поскольку конденсаторы имеют разные значения напряжения в зависимости от значений емкости при последовательном соединении .

Реактивное сопротивление конденсатора, препятствующего прохождению тока, зависит от величины емкости и частоты приложенного тока.

Итак, теперь давайте посмотрим, как реактивное сопротивление влияет на конденсаторы, вычислив значения частоты и емкости. На схеме ниже показана схема емкостного делителя напряжения, в которой последовательно соединены 2 конденсатора.

[Прочтите: Конденсаторы в серии ]

Емкостный делитель напряжения

Два последовательно соединенных конденсатора имеют значения емкости 10 мкФ и 22 мкФ соответственно.Здесь напряжение в цепи равно 10В, это напряжение распределяется между обоими конденсаторами.

При последовательном соединении все конденсаторы имеют одинаковый заряд (Q), но напряжение питания (V _S ) не одинаково для всех конденсаторов.

Напряжение цепи распределяется между конденсаторами в зависимости от значений емкости конденсаторов. в соотношении V = Q / C.

Из этих значений мы должны рассчитать реактивное сопротивление (X _C ) каждого конденсатора, используя значения частоты и емкости конденсаторов.

Пример емкостного делителя напряжения №1

Теперь мы рассчитаем распределение напряжения между конденсаторами 10 мкФ и 22 мкФ, которые приведены на рисунке выше, которые имеют напряжение питания 10 В с частотой 40 Гц.

Реактивное сопротивление конденсатора 10 мкФ,

X _C1 = 1 / 2πfC1 = 1 / (2 * 3,142 * 40 * 10 * 10-6) = 400 Ом

Реактивное сопротивление конденсатора 22 мкФ,

X _C \ 2 = 1 / 2πfC2 = 1 / (2 * 3,142 * 40 * 22 * ​​10-6) = 180 Ом

Общее емкостное реактивное сопротивление цепи составляет,

X _C = X _C1 + X _C2 = 400 Ом + 180 Ом = 580 Ом

C _T = C1C2 / (C1 + C2) = (10 * 22 * ​​10-12) / (32 * 10-6) = 6.88 мкФ

X _CT = 1 / 2πfC _T = 1 / (2 * 3,142 * 40 * 6,88 * 10-6) = 580 Ом

Ток в цепи,

I = V / X _C = 10 В / 580 Ом = 17,2 мА

Теперь падение напряжения на каждом конденсаторе составляет

В _C1 = I * X _C1 = 17,2 мА * 400 Ом = 6,9 В

В _C2 = I * X _C2 = 17,2 мА * 180 Ом = 3,1 В

Пример емкостного делителя напряжения №2

Теперь мы рассчитаем падение напряжения на конденсаторах 10 мкФ и 22 мкФ, которые соединены последовательно и работают с напряжением питания 10 В с частотой 4000 Гц (4 КГц). частота.

Реактивное сопротивление конденсатора 10 мкФ,

X _C1 = 1 / 2πfC1 = 1 / (2 * 3,142 * 4000 * 10 * 10-6) = 4 Ом

Реактивное сопротивление конденсатора 22 мкФ,

X _C \ 2 = 1 / 2πfC2 = 1 / (2 * 3,142 * 4000 * 22 * ​​10-6) = 1,8 Ом

Общее емкостное реактивное сопротивление цепи равно,

X _C = X _C1 + X _C2 = 4 Ом + 1,8 Ом = 5,8 Ом

C _T = C1C2 / (C1 + C2) = (10 * 22 * ​​10-12) / (32 * 10-6) = 6,88 мкФ

X _CT = 1 / 2πfC _T = 1 / (2 * 3.142 * 4000 * 6,88 * 10-6) = 5,8 Ом

Ток в цепи равен,

I = V / X _CT = 10 В / 5,8 Ом = 1,72 А

Теперь, падение напряжения на каждом конденсаторе равно,

В _C1 = I * X _C1 = 1,72 А * 4 Ом = 6,9 В

В _C2 = I * X _C2 = 1,72 А * 1,8 Ом = 3,1 В

Из вышеизложенного Два примера, мы можем сделать вывод, что конденсатор с более низким значением (10 мкФ) будет заряжаться до более высокого напряжения (6,9 В), а конденсатор с более высоким значением (22 мкФ) будет заряжаться до более низкого уровня напряжения (3.1В).

Наконец, сумма двух значений падения напряжения на конденсаторах равна напряжению питания (т.е. 6,9 В + 3,1 В = 10 В). Эти значения напряжения одинаковы для всех значений частоты, поскольку падение напряжения не зависит от частоты.

Падения напряжения на двух конденсаторах одинаковы в обоих примерах, где частота разная. Частота составляет 40 Гц или 40 кГц, падение напряжения на конденсаторах одинаково в обоих случаях.

Ток, протекающий по цепи, изменяется в зависимости от частоты.Ток будет увеличиваться с увеличением частоты, он составляет 17,2 мА для частоты 40 Гц, но равен 1,72 А для частоты 4KHZ, то есть ток увеличится почти в 100 раз при увеличении частоты с 4 Гц до 4KHZ.

Наконец, мы можем сказать, что ток, протекающий по цепи, прямо пропорционален частоте (I α f).

Резюме

• Противодействие протеканию тока в конденсаторе известно как реактивное сопротивление (XC) конденсатора. На это емкостное реактивное сопротивление влияют такие параметры, как значение емкости, частота напряжения питания, а также эти значения обратно пропорциональны реактивному сопротивлению.
• Схема делителя переменного напряжения распределяет напряжение питания на все конденсаторы в зависимости от их значения емкости.
• Эти падения напряжения на конденсаторах одинаковы для любой частоты напряжения питания. т.е. падение напряжения на конденсаторах не зависит от частоты.
• Но текущий ток зависит от частоты, а также эти два значения прямо пропорциональны друг другу.
• Но в схемах делителя напряжения постоянного тока вычислить падение напряжения на конденсаторах – непростая задача, поскольку оно зависит от значения реактивного сопротивления, поскольку конденсаторы блокируют протекание постоянного тока через него после полной зарядки.
• Цепи емкостного делителя напряжения используются в крупных электронных устройствах. В основном используются в емкостных чувствительных экранах, которые изменяют свое выходное напряжение при прикосновении пальца человека.
• А также используется в трансформаторах для увеличения падения напряжения, где обычно сетевой трансформатор содержит микросхемы и компоненты с низким падением напряжения.
• Наконец, нужно сказать, что в схеме делителя напряжения падение напряжения на конденсаторах одинаково для всех значений частоты.

Конденсаторный делитель напряжения | Компоненты квеста

Конденсаторный делитель напряжения

Делители напряжения являются одними из основных в понимании электроники и схем. В электронике существует несколько различных типов делителей напряжения, но основная концепция, лежащая в основе всех них, заключается в том, что все они представляют собой пассивные линейные цепи, которые производят выходное напряжение, которое меньше входного. Короче говоря, они делают именно то, что подразумевает их название, беря большее количество напряжения и разделяя его на меньшую мощность.Делитель напряжения распределяет входное напряжение, уменьшая таким образом выходное. Существуют резистивные делители, RC-фильтры нижних частот и индуктивные делители, но сегодня мы поговорим подробнее о четвертом типе делителя напряжения: емкостном делителе напряжения.

Что такое емкостной делитель напряжения?

Емкостные делители напряжения используют конденсаторы как средство деления напряжения. В частности, это достигается последовательным соединением конденсаторов; входное напряжение подается на каждый из конденсаторов.Напряжение, которое получает каждый отдельный конденсатор в сети, может быть одинаковым или неравным, в зависимости от значений емкости. Подобно резистивным цепям, последовательно включенные конденсаторы, используемые в качестве делителя напряжения, не подвержены изменениям частоты питания; на каждый конденсатор в сети в равной степени влияет любое изменение частоты.

Конденсаторный делитель – это сеть из последовательно соединенных конденсаторов. На каждом из последовательно включенных конденсаторов падает напряжение переменного тока. Емкостные делители напряжения используют значение емкостного реактивного сопротивления отдельных конденсаторов для определения падения напряжения, что означает, что этот тип делителя напряжения работает только с частотно-управляемыми источниками питания.Вот почему нельзя использовать емкостной делитель напряжения для деления постоянного напряжения; конденсаторы блокируют постоянный ток, поэтому ток не может течь.

Отношение напряжений на каждом конденсаторе обратно пропорционально отношению значений емкости каждого отдельного конденсатора в серии. Когда значения конденсаторов различаются, конденсатор большей емкости заряжается до более низкого напряжения, чем конденсатор меньшей емкости. Емкостные делители ограничены по току емкостью используемых элементов, что является противоположным эффектом резистивного деления и индуктивного деления.

Приложения для емкостных делителей напряжения

Емкостные делители напряжения находят множество применений как в бытовой электронике, так и в специализированных устройствах. К ним относятся:

• Генераторы Колпитца
• Для замены сетевых трансформаторов
• Емкостные сенсорные экраны, изменяющие выходное напряжение при прикосновении пальцем
• Аудиотехника

Если вам нужны сетевые конденсаторы для использования в качестве емкостного делителя напряжения, Quest Components предлагает широкий выбор вариантов.Наша команда может помочь вам выбрать лучшее решение для вашего приложения.

Подробнее о Quest Components Конденсаторы

Сетевые конденсаторы

Quest Components можно использовать в качестве емкостных делителей напряжения. Если у вас есть вопросы по конденсаторам, наши опытные электрики всегда готовы помочь. Позвоните сегодня по телефону (623) 333-5858, чтобы узнать о продукте, разместить заказ или найти и заказать конденсаторы здесь. С нетерпением ждем сотрудничества с вами.

Большой приклад. Быстрый ответ.Умные люди.

Правило делителя напряжения

Правило делителя напряжения

Что такое правило делителя напряжения?

Правило делителя напряжения – это простой способ определения выходного напряжения на одном из двух последовательно соединенных импедансов. Это полезный инструмент для анализа и проектирования схем.

Как это используется?

Правило делителя напряжения может использоваться с резистивными, индуктивными или емкостными элементами цепи.Его также можно использовать с источниками входного переменного или постоянного тока. Уравнение для расчета выходного напряжения различается, однако, в зависимости от типа элемента схемы. Ниже приведены три общих случая двух одинаковых элементов, соединенных последовательно:

Формула для определения выходного напряжения постоянного или переменного тока резистивного делителя:

Vout = Vin * R2 / (R1 + R2)

Пример: В следующей схеме выходное напряжение будет: Vout = 9V * 10K / (10K + 5K) = 6V

Индуктивные делители могут использоваться с входными сигналами переменного тока.Входное напряжение постоянного тока будет разделено в соответствии с относительными сопротивлениями двух катушек индуктивности с использованием формулы резистивного делителя, приведенной выше. Формула для определения выходного переменного напряжения индуктивного делителя (при условии, что катушки индуктивности отдельные, т. Е. Не намотаны на один сердечник и не имеют взаимной индуктивности):

Vout = Vin * L2 / (L1 + L2)

Пример:

В следующей схеме выходное напряжение будет: Vout = 10 В переменного тока * 50 мГн / (50 мГн + 100 мГн) = 3,33 В переменного тока. Обратите внимание, что выходное напряжение не зависит от входной частоты.Однако, если реактивное сопротивление катушек индуктивности невелико на рабочей частоте (т. Е. Индуктивность недостаточно велика), шунтирующий элемент будет потреблять очень большой ток.

Емкостные делители могут использоваться с входными сигналами переменного тока. Входное напряжение постоянного тока не проходит через конденсаторы, поэтому случай постоянного тока не имеет значения. Формула для определения выходного переменного напряжения емкостного делителя отличается от резистивного и индуктивного делителей, потому что последовательный элемент C1 находится в числителе вместо шунтирующего элемента, как показано ниже:

Vout = Vin * C1 / (C1 + C2)

Пример: В следующей схеме выходное напряжение будет: Vout = 10VAC * 0.022 мкФ / (0,022 мкФ + 0,01 мкФ) = 6,875 В переменного тока. Обратите внимание, что выходное напряжение не зависит от входной частоты. Однако, если реактивное сопротивление конденсаторов недостаточно мало на интересующей частоте (т. Е. Если емкость недостаточно велика), допустимый выходной ток будет очень низким.

---

Авторские права © 1999, Рэндалл Эйкен. Воспроизведение в любой форме без письменного разрешения Aiken Amplification запрещено.

Пересмотрено 19.02.17
Разделение напряжения

и простые фильтры RC

Выходное напряжение всегда будет меньше, чем входное.В идеальной схеме соотношение входа и выхода совершенно линейно. Затухание пропорционально соотношению R ₂ / (R ₁ + R ₂ ).

Потенциометр – это реализация простой схемы делителя напряжения в виде простого механического устройства, которое позволяет бесступенчато регулировать соотношение R1 и R2. Название «потенциометр» происходит от термина «потенциальная электродвижущая сила» – термина, который является синонимом напряжения. Возможно, это было выбрано, поскольку «вольтметр» уже использовался в качестве прибора для измерения напряжения.

Важные конструктивные особенности:

R ₁ добавляет последовательное сопротивление к V _в , увеличивая сопротивление источника.

R ₂ нагружает V _в . Если общее сопротивление источника R ₁ + R ₂ меньше ≈10x импеданса источника V _в , тогда вы должны добавить полное сопротивление источника к R ₁ , чтобы формулы были точными.

Аналогичным образом, «нагрузка», подключенная к клемме V _out , должна иметь входное сопротивление ≈10x R ₁ + R ₂ .

Как правило, лучше всего поддерживать R ₁ + R ₂ настолько низким, насколько позволяет импеданс источника, чтобы результирующее выходное сопротивление делителя было лишь умеренным увеличением импеданса по сравнению с источником. Подключение входа делителя напряжения к источнику напряжения с очень низким импедансом (например, на выходе операционного усилителя) позволяет использовать конструкцию с минимальным импедансом (см. Douglas Self Small Signal Audio Design ).

Полезные формулы:

V _out = V _дюйм * ( _R / (R ₁ + R ₂ ))

R ₁ = R ₂ (V _дюйм – В _выход ) / V _выход

R _{2 =} (-V _выход ) (R ₁₎ / (V _выход – V _дюйм )

Если R ₁ = R ₂ , затем V _{на выходе} = V _{на входе} /2

Если требуется симметричный аттенюатор, я рекомендую конфигурацию «U» и размещать его рядом с симметричным входом.

Проектирование начинается с расчета минимального входного импеданса, допустимого для импеданса источника. Это можно найти, проверив паспорт производителя, руководство пользователя, схему, открыв устройство и нарисовав схему, или путем тестирования. Для профессионального аудиоустройства общего назначения (источник неизвестен) предполагается минимальное входное сопротивление 10 кОм.

Затем выберите желаемые потери, например -6 ​​дБ, -20 дБ, -40 дБ и т. Д. Для потерь напряжения они соответствуют делениям на 1/2, 1/10 и 1/100 соответственно.

Используйте схему двух несимметричных резисторов и формулы, чтобы найти значения резисторов для желаемого деления напряжения. Следуя практике проектирования с низким импедансом, поддерживайте R ₂ настолько низким, насколько позволяет минимальный импеданс.

Чтобы преобразовать несимметричную схему в сбалансированную U-схему, просто разделите несимметричный R ₁ на 2. Вот почему на приведенном выше рисунке сбалансированной U-образной контактной площадки есть 2 резистора R1.

Расчеты могут привести к нестандартным значениям резисторов.Я выберу ₂ рандов в качестве стандартного значения, а затем рассчитаю ₁ рандов. Необходимо рассчитать допуски как для входного импеданса, так и для фактических потерь напряжения. После того, как допуски установлены, попробуйте округлить рассчитанное значение R ₁ в большую или меньшую сторону до ближайших стандартных значений резисторов и проверить, находится ли окончательная конструкция в пределах установленных допусков.

Распространенной альтернативой конфигурации «U» является конфигурация «H». Буква «H» обратима и «согласована», т.е. она подходит для передачи максимальной мощности.При передаче напряжения в виде сигнала с незначительным потреблением тока мы не пытаемся передавать мощность. Для ослабления сигналов (например, аудиосигнала линейного уровня по кабелям XLR) более подходит конфигурация «U».

---

Сравнение с простыми схемами RC-фильтра:

Замена верхнего резистора на конденсатор создает фильтр верхних частот. Основная идея такая же, как и у делителя постоянного напряжения, за исключением того, что конденсатор можно рассматривать как «частотно-зависимый резистор».«По мере того, как частота переменного напряжения падает,« сопротивление »C, кажется, увеличивается. При постоянном токе (частота = 0 или очень близко к 0) конденсатор полностью блокирует напряжение, аналогично эффекту увеличения R1 в первая схема делителя напряжения. На высоких частотах «сопротивление» C очень мало, а выход очень близок к входу. Мы называем это «частотно-зависимым сопротивлением» специальным термином: реактивное сопротивление. Конденсаторы имеют емкостное реактивное сопротивление, тогда как индукторы имеют индуктивное сопротивление.(-1 / x) показывает логарифмическую кривую зарядки крышки, где e – число Эйлера, y – заряд на крышке, x – емкость, а сопротивление и время в секундах даны как 1 (и имеют уже исключены из данного уравнения). Дополнительная литература по этому свойству конденсаторов: RC Time Constant Wikipedia

Подходить к простым RC-фильтрам как к «делителям переменного напряжения» становится проблематично, когда мы хотим выбрать какое-то произвольное деление или затухание для данного входа. С двумя резисторами очень легко выбрать любое произвольное деление, которое вам нравится.После введения конденсатора с его кривыми скоростями заряда и разряда решение для конкретных значений затухания вдоль кривой возможно, но намного сложнее.

Вместо того, чтобы пытаться справиться со сложностью всей кривой, принято просто сосредоточиться на точке, где R = C. Если мы сосредоточимся на этой точке, мы можем вернуться к нашему относительно простому Vout = Vin (R2 / R1 + R2), обновите ее для использования с конденсаторами, и мы найдем полезное «практическое правило», которое можно применить для быстрых вычислений фильтра.

Когда мы устанавливаем R = C, будет определенная частота, которая будет ослаблена на -3 дБ при прохождении через фильтр. Частота -3 дБ часто называется «частотой среза». «Частота среза» не всегда означает точку -3 дБ, но в большинстве случаев вы можете сделать предположение, если не указано иное, например -1 дБ.

Почему -3 дБ? Эта точка аналогична равным резисторам в чисто резистивном делителе напряжения, и поэтому ее относительно легко вычислить, если вы поймете формулы.

Чтобы рассмотреть другие варианты, вы можете вернуться к изогнутым функциям, обеспечиваемым зарядкой и разрядкой конденсатора. Можно вычислить точку -1 дБ, точку -2 дБ и т. Д., Но поскольку все эти точки лежат на изогнутой линии, возможно, более сложно решить для этих других точек. Точка -3 дБ, пожалуй, самая простая для расчета точка, и она полезна в реальных приложениях.

-3 дБ примерно соответствует снижению на 30%. В следующем разделе показано, как рассчитывается это число.

Разделение напряжения с импедансом

Когда реактивное сопротивление и сопротивление объединяются, в результате получается полное сопротивление.

Наша формула делителя напряжения с конденсаторами имеет ту же структуру, что и делитель только с резисторами, но должна быть выражена в терминах импеданса.

Z означает импеданс. Z _total означает комбинацию реактивного сопротивления C1 и сопротивления R1 (аналогично выражению R ₁ + R ₂ , которое мы использовали ранее).

Z _всего = Z ₁ + Z ₂

Z ₁ = X _c

Z ₂ = R ₁

Vout = Vin (Z ₂ / Z _всего ).

Чтобы найти полное сопротивление любого компонента, мы должны добавить сопротивление компонента к реактивному сопротивлению компонента. Это рассчитывается с использованием декартовой плоскости (также известной как «график xy»), где сопротивление откладывается по горизонтальной оси или оси «x», а реактивное сопротивление откладывается по вертикальной оси или оси «y».Мы не можем суммировать их напрямую (x + y), но мы можем суммировать их как вектор, что означает, что мы будем измерять длину отрезка линии от начала координат (0,0) до нашей точки (x, y). (Обратитесь к учебнику физики для более подробного объяснения.)

Наш отрезок прямой образует гипотенузу треугольника длиной x и высотой y. Теорема Пифагора утверждает, что длина гипотенузы будет равна квадратному корню из суммы x ² + y ² :

Z _итого = √ (R ₁ ² + X _C ² ), где X _C – емкостное сопротивление C ₁ .

Чтобы показать аналогию с чисто резистивным делителем, мы решим Ztotal для, когда R1 = 1 и XC = 1.

Z _всего = √ (1 ² + 1 ² )

Z _всего = √ (1 + 1)

Z _всего = √2

Z ₂ , поскольку это резистор, будет = √ (1 ² + 0 ² ), = 1.

Подключим Z _total = √2 и Z ₂ = 1 в уравнение делителя напряжения для импеданса:

Vout = Vin (1 / √2)

Если мы оценим √2 как 1.414, тогда уравнение может выглядеть следующим образом:

Vout = Vin * 0,707, что можно интерпретировать как «выходное напряжение будет примерно 70% входного напряжения».

В децибелах умножение на 1 / √2 выражается как -3 дБ. Гораздо более аккуратное и легкое для восприятия выражение.

Как найти частоту -3 дБ

Вы можете найти «-3 дБ частоты среза», закороченную на f _{-3 дБ} , используя следующую формулу:

f _{-3 дБ} = 1 / ( 2πRC)

Эта формула выводится из того, где реактивное сопротивление C = сопротивление R на желаемой частоте (надеюсь, теперь мы понимаем, почему это имеет смысл).

Если частота известна, и вам просто нужно найти R или C, они удобно просто меняют местами после переключения с алгеброй:

R = 1 / (2πCf _-3dB )

C = 1 / (2πRf _-3dB )

После того, как вы определите точку -3 дБ, затухание будет уменьшаться при увеличении входной частоты и увеличиваться при понижении входной частоты.

Если вы не понимаете, почему константа «2π» просто перескочила в уравнение, она выражает 360º переменного сигнала в радианах.Значение «C» внутренне связано с частотой, которая выражается в формуле емкостного реактивного сопротивления, которая отличается от приведенной выше формулы «R = …» только тем, что вместо R помещается X _C , как в:

X _C = 1 / (2πCf _{-3 дБ} )

Таким образом, механизм фильтра можно также выразить как:

Когда X _C = R для определенной входной частоты, выход будет на -3 дБ меньше входного. (как показано выше).

[Следующая тема: график y = x / (sqrt (x ^ 2 + 1)), домен x равен 0-1, это показывает, что произойдет, если вы замените R1 линейным потенциометром.Объясняет ограничения и проблемы, связанные с простыми регулируемыми RC-фильтрами.]

Замена нижнего резистора делителя напряжения на конденсатор создает фильтр нижних частот. Конденсатор по-прежнему имеет низкое реактивное сопротивление к высоким частотам и высокое реактивное сопротивление к высоким частотам, но теперь его роль в делителе напряжения изменилась. Теперь низкие частоты, вплоть до постоянного тока, передаются нормально, поскольку C «выглядит» как большой резистор, тогда как высокие частоты «видят» C как очень маленький резистор и соответственно ослабляются.

Применяются все приведенные выше формулы, но теперь затухание уменьшается при понижении входной частоты и увеличивается при повышении входной частоты.

Эксперимент / Лаборатория

Необходимые предметы:

Батарея 9 В

Зажимы типа «крокодил»

Два резистора 1 кОм 1/4 Вт (или любые два резистора с одинаковым номиналом, более 1 кОм)

Вольтметр

Деление напряжения это очень важное понятие. Если вы понимаете деление напряжения, вы сможете понять основные усилители, а базовые усилители – это сердце большинства аудиосхем.

До сих пор ожидается, что вы понимаете, что такое источник питания / источник напряжения , по крайней мере, на самом базовом уровне. Для нашего первого деления напряжения нам просто понадобится что-то вроде батареи на 9 В. Он может подавать 9 В на нагрузку 2 кОм без излишней “нагрузки” (см. Страницу “Батареи и резисторы”).

Батарея на 9 В обеспечивает около 9 В … может быть, немного больше, и все меньше и меньше, когда она разряжается … но что, если мы хотим или нуждаемся в другом напряжении? Для более высокого напряжения на нам нужно либо выбрать другую батарею (например, батарею на 12 В), либо использовать специальную схему (немного продвинутая для нас на данном этапе!), Либо поставить 2 9 В в серии , чтобы получить 18 В.Более высокие напряжения от последовательно соединенных батарей обычно доступны только с шагом 1,5 В. Что, если нам нужно произвольное напряжение ? А как насчет более низких напряжений? Можно ли подключить батарею в параллельно и получить более низкое напряжение? Нет. Два параллельных 9В по-прежнему имеют 9В, но у них , вдвое больше тока, чем , как у одного 9В.

Хм. Как сделать меньшим напряжением ? Ответ (простой): деление напряжения . Вот эксперимент:

Соедините два резистора вместе последовательно .

Возьмите один из двух резисторов равного номинала (1 кОм или выше) и оберните один вывод вокруг одного вывода другого резистора.

Если это резисторы 1 кОм, это эквивалентно наличию одного резистора 2 кОм, за исключением того, что у нас есть место, где мы можем измерить напряжение в середине нашего нового резистора «2 кОм».

Подсоедините зажимами типа «крокодил» клемму «+» батареи 9 В к одному из неподключенных выводов резистора, а вывод «-» батареи – к другому неподключенному выводу резистора.

Цепь должна перейти от клеммы 9 В + к резистору 1 кОм, к другому резистору 1 кОм и к клемме 9 В.

Измерьте напряжение на аккумуляторной батарее. Красный датчик к клемме +, черный датчик к клемме -. Это должно быть 9В или больше. Поднесите черный щуп к клемме -, а красный щуп – к стыку двух резисторов. Обратите внимание на это значение напряжения.

Что вы получили? Было около 4,5 В или 1/2 от показания на клемме + аккумулятора?

Поздравляем, вы «создали» 4.Точка 5 В, которая очень “пригодна” для многих, многих цепей. Это мощный навык, позволяющий «создавать» новые напряжения из фиксированного напряжения.

Теперь, когда вы это сделали, следующий вопрос: , почему сработало?

Давайте рассмотрим закон Ома.

Как резистор “2 кОм”, мы знаем, что на одной стороне резистора + 9 В, а на другой – 0 В.

Закон Ома гласит, что ток будет протекать в следующем количестве:

Ток = Напряжение / Сопротивление

Ток = 9 В / 2000 Ом

Ток = 0.0045A

Ток одинаковый для всех наших последовательно соединенных элементов … в данном случае это батарея и 2 резистора.

Снова используя закон Ома, мы решаем напряжение на каждом резисторе 1 кОм, используя 0,0045A в качестве тока.

Напряжение = Ток x Сопротивление

Напряжение = 0,0045 A x 1000 Ом

Напряжение = 4,5 В

Это означает, что от клеммы +9 батареи до соединения двух резисторов происходит падение 4,5 В. «Глядя» с другой стороны, есть 4.Падение 5 В с клеммы 0 В или – на переход двух резисторов. В любом случае, у нас есть 9V-4.5V = 4.5V на стыке двух резисторов.

Эти простые вычисления очень растянуты, но они помогут вам понять более сложные вычисления.

В эксперименте «Батарея и резистор как источник и нагрузка» мы наблюдали эффект «нагрузки», который резистор 1 кОм может оказывать на батарею 9 В. Без нагрузки 9 В может иметь 9,5 В или около того, а нагрузка около 1 кОм вызовет небольшое падение напряжения на клеммах батареи.

Для батарей 9 В я использую 3 Ом в качестве внутреннего сопротивления батареи. Это похоже на постоянное подключение резистора 3 Ом к положительной клемме батареи. Он может быть либо на терминале, либо воображаться как «между терминалами». Дело в том, что последовательно соединены с нагрузкой , и, таким образом, снова в нашем примере 1k нам нужно рассчитать наше «выходное напряжение» относительно деления напряжения на , которое будет между нашим сопротивлением источника 3 Ом и сопротивление нагрузки 1000 Ом .

Предположим, что на нашем вольтметре значение напряжения без нагрузки 9 В составило 9,5 В. Мы подключаем к клеммам 3 Ом + 1000 Ом. Посмотрим, какой будет ток:

Ток = (9 В) / (1 003 Ом) = 0,00897 А

Давайте посмотрим на падение напряжения на резисторе 3 Ом.

Напряжение = 0,00897 А x 3 Ом = 0,0269 В.

Для моего свежего 9 В с импедансом источника 3 Ом я испытываю падение напряжения источника питания только на 0,0269 В при подключении нагрузки 1 кОм. Мы читали около 9.47В на вольтметре.

Подключим более тяжелую нагрузку. Попробуем 500 Ом. Снова решение для тока:

Ток = 9 В / 503 Ом = 0,01789 А

А теперь решение для падения на 3 Ом:

Напряжение = 0,01789 x 3 Ом = 0,0537 В

Все еще в порядке. Вольтметр показывает около 9,44 В.

Еще более тяжелый груз. Теперь 50 Ом. Снова ток:

9 В / 53 Ом = 0,17 А

Падение напряжения:

0,17 А x 3 Ом = 0,5 В.

Сейчас “загрузка” значительная.Наша ненагруженная батарея на 9,5 В теперь едва соответствует названию «9 В».

Еще тяжелее . Идем на 10Ом.

9 В / 13 Ом = 0,7 А

0,7 А x 3 Ом = 2,1 В

Теперь наша ненагруженная батарея на 9,5 В поддается большой нагрузке и становится батареей на 6,9 В. 9 В – плохой источник напряжения для такого низкого сопротивления нагрузки. Нам понадобится источник с сопротивлением намного меньше 3 Ом, чтобы управлять нагрузкой 10 Ом.

Это приводит к практическому правилу при “управлении” нагрузками от источников напряжения.Практическое правило: полное сопротивление источника должно быть примерно в десять раз меньше, чем полное сопротивление нагрузки . Для лучшей передачи напряжения от источника к нагрузке вы можете сделать это соотношение еще выше. Импеданс источника в 100 раз меньше, чем у нагрузки, будет поддерживать почти все напряжение источника. Эта концепция постоянно возникает при работе со слабыми сигналами инструментов, таких как звукосниматели гитары и микрофоны.

Напряжение конденсатора – обзор

Преобразователи напряжения на коммутируемом конденсаторе с регулируемым выходом

Добавление регулирования к простому преобразователю напряжения на коммутируемом конденсаторе значительно увеличивает его полезность во многих приложениях.Существует три основных метода добавления регулирования в преобразователь с переключаемыми конденсаторами. Самым простым является использование инвертора / удвоителя с переключаемыми конденсаторами с линейным стабилизатором LDO. LDO обеспечивает регулируемый выход, а также снижает пульсации преобразователя с переключаемыми конденсаторами. Однако этот подход добавляет сложности и снижает доступное выходное напряжение за счет падения напряжения LDO.

Другой подход к регулированию заключается в изменении рабочего цикла сигнала управления переключателем с выходом усилителя ошибки, который сравнивает выходное напряжение с опорным.Этот метод аналогичен тому, который используется в импульсных стабилизаторах на основе индуктивности, и требует добавления ШИМ и соответствующей схемы управления. Однако этот подход очень нелинейный и требует длительных постоянных времени (т. Е. Компонентов с потерями), чтобы поддерживать хорошее регулирование.

Самым простым и наиболее эффективным методом регулирования в преобразователе напряжения на переключаемых конденсаторах является использование усилителя ошибки для управления сопротивлением в открытом состоянии одного из переключателей, как показано на Рисунке 9-76, блок-схеме ADP3603. / ADP3604 / ADP3605 преобразователи напряжения.Эти устройства предлагают стабилизированный выход -3 В для входного напряжения от +4,5 до +6 В. Выходной сигнал воспринимается и возвращается в устройство через вывод V _SENSE . Регулировка выхода осуществляется путем изменения сопротивления в открытом состоянии одного из переключателей MOSFET, как показано на схеме управляющим сигналом, обозначенным «R _ON CONTROL». Этот сигнал выполняет переключение полевого МОП-транзистора, а также управление сопротивлением в открытом состоянии.

Рисунок 9-76 :. Регулируемые преобразователи выходного напряжения –3 В ADP3603 / 3604/3605

Типичная прикладная схема для серии ADP3603 / ADP3604 / ADP3605 показана на рисунке 9-77.В нормальном режиме работы вывод SHUTDOWN должен быть заземлен. Конденсаторы на 10 мкФ должны иметь ESR менее 150 мОм, а значения 4,7 мкФ можно использовать за счет немного более высокого выходного напряжения пульсаций. Уравнения для пульсации напряжения, показанные на рис. 9-72, также применимы к ADP3603 / ADP3604 / ADP3605. Используя указанные значения, типичный диапазон пульсаций напряжения составляет от 25 до 60 мВ, так как выходной ток изменяется в допустимом диапазоне.

Рисунок 9-77 :. Схема приложения ADP3603 / 3604/3605 для работы с −3 В

Регулируемое выходное напряжение серии ADP3603 / ADP3604 / ADP3605 может изменяться от −3 В до −V _IN путем подключения резистора между выходом и V _{SENSE Штырь} , как показано на схеме.Регулирование будет поддерживаться для выходных токов примерно до 30 мА. Значение резистора рассчитывается по следующему уравнению:

(9-82) VOUT = – (R5KΩ + 3V)

Устройства могут работать как стандартные инверторы, обеспечивающие нерегулируемое выходное напряжение, если V _SENSE контакт просто подключен к земле.

Типичная схема приложения показана на Рисунке 9-78. Диод Шоттки, соединяющий вход с выходом, необходим для правильной работы во время пуска и останова.Если V _SENSE заземлен, устройства работают как нерегулируемые удвоители напряжения.

Рисунок 9-78 :. Схема приложения ADP3607

Выходное напряжение каждого устройства можно регулировать с помощью внешнего резистора. Уравнение, которое связывает выходное напряжение со значением резистора для ADP3607, имеет следующий вид:

(9-83) VOUT = R9,5 кОм + 1 В для VOUT <2VIN

ADP3607 должен работать с выходным напряжением не менее 3 В. в целях поддержания регулирования.

Хотя ADP3607-5 оптимизирован для выходного напряжения 5 В, его выходное напряжение можно регулировать от 5 В до 2 × V _IN с помощью внешнего резистора с помощью уравнения:

(9-84) VOUT = 2R9,5 кОм + 5 В для VOUT <2VIN

При использовании ADP3607 или ADP3607-5 в регулируемом режиме выходной ток не должен превышать 30 мА, чтобы обеспечить хорошее регулирование.

Схема, показанная на рисунке 9-79, генерирует стабилизированный выход 12 В из входа 5 В с помощью ADP3607-5 в приложении утроителя напряжения.Операция следующая. Сначала предположим, что вывод V _SENSE ADP3607-5 заземлен, а резистор R не подключен. Выход ADP3607-5 представляет собой нерегулируемое напряжение, равное 2 × V _IN . Напряжение на выводе Cp + ADP3607-5 представляет собой прямоугольную волну с минимальным значением V _IN и максимальным значением 2 × V _IN . Когда напряжение на Cp + равно V _IN , конденсатор C ₂ заряжается до V _IN (без падения напряжения на диоде D1) от V _OUT1 через диод D1.Когда напряжение на Cp + равно 2 × V _IN , выходной конденсатор C ₄ заряжается до напряжения 3 × V _IN (за вычетом падений на диодах D1 и D2). Конечное нерегулируемое выходное напряжение схемы, V _OUT2 , поэтому составляет приблизительно 3 × V _IN −2 × V _D , где V _D – падение напряжения на диоде Шоттки.

Рисунок 9-79 :. Регулируется +12 В от входа +5 В

Добавление резистора обратной связи R гарантирует, что выход регулируется для значений V _OUT2 между 2 × V _IN −2 × V _D и 3 × V _IN −2 × V _D .Выбор R = 33,2 кОм дает выходное напряжение V _OUT2 , равное + 12 В для номинального входного напряжения + 5 В. Регулировка сохраняется для выходных токов примерно до 20 мА.

Расчет, примеры и его применение

В электронике правило делителя напряжения представляет собой простую и наиболее важную электронную схему, которая используется для преобразования большого напряжения в малое. Используя только напряжение i / p и два последовательных резистора, мы можем получить напряжение o / p. Здесь выходное напряжение является частью напряжения i / p.Лучший пример делителя напряжения – два последовательно соединенных резистора. Когда напряжение i / p приложено к паре резисторов, напряжение o / p появится из соединения между ними. Обычно эти делители используются для уменьшения величины напряжения или для создания опорного напряжения, а также используются на низких частотах в качестве аттенюатора сигнала. Для постоянного тока и относительно низких частот делитель напряжения может быть подходящим вариантом, если он состоит только из резисторов; где требуется частотная характеристика в широком диапазоне.

Что такое правило делителя напряжения?

Определение: В области электроники делитель напряжения – это базовая схема, используемая для генерации части входного напряжения, например выходного. Эта схема может быть сконструирована с двумя резисторами или любыми пассивными компонентами вместе с источником напряжения. Резисторы в цепи могут быть подключены последовательно, в то время как источник напряжения подключен к этим резисторам. Эту схему еще называют делителем потенциала. Входное напряжение может передаваться между двумя резисторами в цепи, так что происходит разделение напряжения.

Когда использовать правило делителя напряжения?

Правило делителя напряжения используется для решения схем, чтобы упростить решение. Применение этого правила также может полностью решить простые схемы. Основная концепция этого правила делителя напряжения: «Напряжение делится между двумя резисторами, которые соединены последовательно, прямо пропорционально их сопротивлению. Делитель напряжения состоит из двух важных частей: схемы и уравнения.

Различные схемы делителя напряжения

Делитель напряжения включает в себя источник напряжения, подключенный к серии из двух резисторов.Вы можете увидеть различные схемы напряжения, нарисованные по-разному, как показано ниже. Но эти разные схемы всегда должны быть одинаковыми. Схема делителя напряжения

В приведенных выше схемах делителя напряжения резистор R1 находится ближе всего к входному напряжению Vin, а резистор R2 находится ближе всего к клемме заземления. Падение напряжения на резисторе R2 называется Vout, которое представляет собой разделенное напряжение цепи.

Расчет делителя напряжения

Рассмотрим следующую схему, подключенную с помощью двух резисторов R1 и R2.Где переменный резистор включен между источником напряжения. В приведенной ниже схеме R1 – это сопротивление между скользящим контактом переменной и отрицательной клеммой. R2 – это сопротивление между положительной клеммой и скользящим контактом. Это означает, что два резистора R1 и R2 включены последовательно.

Правило делителя напряжения с использованием двух резисторов

Закон Ома гласит, что V = IR

Из приведенного выше уравнения мы можем получить следующие уравнения

V1 (t) = R1i (t) …………… (I)

V2 (t) = R2i (t) …………… (II)

Применение закона Кирхгофа

KVL утверждает, что когда алгебраическая сумма напряжений вокруг замкнутого контура в цепи равна нулю.

-V (t) + v1 (t) + v2 (t) = 0

V (t) = V1 (t) + v2 (t)

Следовательно,

V (t) = R1i (t) + R2i (t) = i (t) (R1 + R2)

Следовательно,

i (t) = v (t) / R1 + R2 ……………. (III)

Подставляя III в уравнения I и II

V1 (t) = R1 (v (t) / R1 + R2)

V (t) (R1 / R1 + R2)

V2 (t) = R2 (v (t) / R1 + R2)

V (t) (R2 / R1 + R2)

На приведенной выше схеме показан делитель напряжения между двумя резисторами, который прямо пропорционален их сопротивлению.Это правило делителя напряжения можно распространить на схемы, в которых используется более двух резисторов.

Правило делителя напряжения с использованием трех резисторов

Правило деления напряжения для схемы с двумя резисторами

V1 (t) = V (t) R1 / R1 + R2 + R3 + R4

V2 (t) = V (t) R2 / R1 + R2 + R3 + R4

V3 (t) = V (t) R3 / R1 + R2 + R3 + R4

V4 (t) = V (t) R4 / R1 + R2 + R3 + R4

Делитель напряжения Уравнение

Уравнение правила делителя напряжения принимает, когда вы знаете три значения в приведенной выше схеме, это входное напряжение и два значения резистора.Используя следующее уравнение, мы можем найти выходное напряжение.

Vout = Vin. R2 / R1 + R2

Приведенное выше уравнение утверждает, что Vout (напряжение o / p) прямо пропорционально Vin (входное напряжение) и соотношению двух резисторов R1 и R2.

Резистивный делитель напряжения

Это очень легкая и простая схема для разработки и понимания. Основной тип схемы пассивного делителя напряжения может состоять из двух последовательно соединенных резисторов.Эта схема использует правило делителя напряжения для измерения падения напряжения на каждом последовательном резисторе. Схема резистивного делителя напряжения показана ниже.

В схеме резистивного делителя два резистора, такие как R1 и R2, соединены последовательно. Таким образом, ток в этих резисторах будет одинаковым. Следовательно, он обеспечивает падение напряжения (I * R) на каждом резисторе.

Резистивный тип

С помощью источника напряжения на эту цепь подается напряжение. Применяя к этой схеме закон КВЛ и Ома, мы можем измерить падение напряжения на резисторе.Таким образом, поток тока в цепи может быть задан как

Применяя KVL

VS = VR1 + VR2

Согласно закону Ома

VR1 = I x R1

VR2 = I x R2

VS = I x R1 + I x R2 = I (R1 + R2)

I = VS / R1 + R2

Протекание тока через последовательную цепь составляет I = V / R в соответствии с сопротивлением Ом. Закон. Таким образом, ток в обоих резисторах одинаков. Итак, теперь можно рассчитать падение напряжения на резисторе R2 в цепи

IR2 = VR2 / R2

Vs / (R1 + R2)

VR2 = Vs (R2 / R1 + R2)

Точно так же падение напряжения на резисторе R1 можно рассчитать как

IR1 = VR1 / R1

Vs / (R1 + R2)

VR1 = Vs (R1 / R1 + R2)

Емкостный Делители напряжения

Схема емкостного делителя напряжения генерирует падение напряжения на конденсаторах, которые подключены последовательно к источнику переменного тока.Обычно они используются для снижения чрезвычайно высоких напряжений для обеспечения сигнала низкого выходного напряжения. В настоящее время эти разделители применимы в планшетах с сенсорным экраном, мобильных телефонах и устройствах отображения.

В отличие от схем резистивного делителя напряжения, емкостные делители напряжения работают с синусоидальным источником переменного тока, поскольку деление напряжения между конденсаторами можно рассчитать с помощью реактивного сопротивления конденсаторов (X _C ), которое зависит от частоты источника переменного тока.

емкостного типа

Формула емкостного реактивного сопротивления может быть получена как

Xc = 1 / 2πfc

Где:

Xc = емкостное реактивное сопротивление (Ом)

π = 3.142 (числовая константа)

ƒ = Частота, измеренная в Герцах (Гц)

C = Емкость, измеренная в Фарадах (Ф)

Реактивное сопротивление каждого конденсатора можно измерить по напряжению, а также по частоте источника переменного тока и заменителя их в приведенном выше уравнении, чтобы получить эквивалентное падение напряжения на каждом конденсаторе. Схема емкостного делителя напряжения показана ниже.

Используя эти последовательно соединенные конденсаторы, мы можем определить среднеквадратичное падение напряжения на каждом конденсаторе с точки зрения их реактивного сопротивления после их подключения к источнику напряжения.

Xc1 = 1 / 2πfc1 & Xc2 = 1 / 2πfc2

X _CT = X _C1 + X _C2

V _C1 = Vs (X _C1 / X _CT )

V _C2 = Vs (X _C2 / X _CT )

Емкостные делители не допускают ввода постоянного тока.

Простое емкостное уравнение для входа переменного тока:

Vout = (C1 / C1 + C2) .Vin

Индуктивные делители напряжения

Индуктивные делители напряжения будут создавать перепады напряжения на катушках, в противном случае индукторы соединяются последовательно Электропитание переменного тока.Он состоит из катушки, иначе одиночной обмотки, которая разделена на две части, где бы ни поступало напряжение o / p с одной из частей.

Лучшим примером этого индуктивного делителя напряжения является автотрансформатор, имеющий несколько точек отвода с его вторичной обмоткой. Индуктивный делитель напряжения между двумя катушками индуктивности можно измерить с помощью реактивного сопротивления катушки индуктивности, обозначенной XL.

Индуктивный тип

Формула индуктивного реактивного сопротивления может быть получена как

XL = 1 / 2πfL

«XL» – это индуктивное реактивное сопротивление, измеренное в Ом (Ом)

π = 3.142 (числовая константа)

” – частота, измеренная в герцах (Гц)

‘L’ – индуктивность, измеренная в Генри (Г)

Реактивное сопротивление двух катушек индуктивности может быть вычислено, если мы знаем частоту и напряжение источника переменного тока и используйте их с помощью закона делителя напряжения, чтобы получить падение напряжения на каждой катушке индуктивности, как показано ниже. Схема индуктивного делителя напряжения показана ниже.

Используя две катушки индуктивности, которые соединены последовательно в цепи, мы можем измерить среднеквадратичные падения напряжения на каждом конденсаторе с точки зрения их реактивного сопротивления после их подключения к источнику напряжения.

X _L1 = 2πfL1 & X _L2 = 2πfL2

X _LT = X _L1 + X _L2

V _L1 = Vs ( X _L1 / X _LT )

V _L2 = Vs ( X _L2 / X _LT )

Вход переменного тока может быть разделен индуктивными делителями в зависимости от индуктивности:

Vout = (L2 / L1 + L2) * Vin

Это уравнение предназначено для невзаимодействующих катушек индуктивности, и взаимная индуктивность автотрансформатора изменит результаты.Вход постоянного тока может быть разделен на основе сопротивления элементов в соответствии с правилом резистивного делителя.

Примерные проблемы делителя напряжения

Примерные проблемы делителя напряжения могут быть решены с помощью вышеуказанных резистивных, емкостных и индуктивных цепей.

1). Предположим, общее сопротивление переменного резистора составляет 12 Ом. Скользящий контакт расположен в точке, где сопротивление делится на 4 Ом и 8 Ом. Переменный резистор подключен к батарее 2,5 В.Давайте посмотрим, какое напряжение появляется на вольтметре, подключенном к 4-омному участку переменного резистора.

Согласно правилу делителя напряжения, падение напряжения будет,

Vout = 2,5 В x 4 Ом / 12 Ом = 0,83 В

2). Когда два конденсатора C1-8uF и C2-20uF соединены последовательно в цепи, среднеквадратичные падения напряжения могут быть рассчитаны на каждом конденсаторе, когда они подключены к источнику RMS 80 Гц и напряжению 80 В.

Xc1 = 1 / 2πfc1

1/2 × 3.14x80x8x10-6 = 1 / 4019,2 × 10-6

= 248,8 Ом

Xc2 = 1 / 2πfc2

1/2 × 3,14x80x20x10-6 = 1/10048 x10-6

= 99,52 Ом

XCT = XC1 + XC2

= 248,8 + 99,52 = 348,32

VC1 = Vs (XC1 / XCT)

80 (248,8 / 348,32) = 57,142

VC2 = Vs (XC2 / XCT)

80 (99,52 / 348,32)

3). Когда две катушки индуктивности L1-8 мГн и L2-15 мГн соединены последовательно, мы можем рассчитать среднеквадратичное падение напряжения на каждом конденсаторе, которое можно рассчитать, когда они подключены к источнику питания 40 В, 100 Гц.

XL1 = 2πfL1

= 2 × 3,14x100x8x10-3 = 5,024 Ом

XL2 = 2πfL2

= 2 × 3,14x100x15x10-3

9,42 Ом

XLT = XL1 + XL2

XLT = XL1 + XL2

Vs (XL1 / XLT)

= 40 (5,024 / 14,444) = 13,91 В

VL2 = Vs (XL2 / XLT)

= 40 (9,42 / 14,444) = 26,08 В

Точки отвода напряжения в сети делителя

Когда количество резисторов подключено последовательно к источнику напряжения Vs в цепи, тогда различные точки отвода напряжения можно рассматривать как A, B, C, D и E

Общее сопротивление в цепи можно рассчитать, добавив все значения сопротивления вроде 8 + 6 + 3 + 2 = 19 кОм.Это значение сопротивления ограничит ток, протекающий по цепи, которая генерирует источник напряжения (VS).

Для расчета падения напряжения на резисторах используются следующие уравнения: VR1 = VAB,

VR2 = VBC, VR3 = VCD и VR4 = VDE.

Уровни напряжения в каждой точке ответвления рассчитываются относительно клеммы GND (0 В). Следовательно, уровень напряжения в точке «D» будет эквивалентен VDE, тогда как уровень напряжения в точке «C» будет эквивалентен VCD + VDE.Здесь уровень напряжения в точке «C» – это величина двух падений напряжения на двух резисторах R3 и R4.

Итак, выбрав соответствующий набор номиналов резисторов, мы можем сделать серию падений напряжения. Эти падения напряжения будут иметь относительное значение напряжения, которое достигается только за счет напряжения. В приведенном выше примере каждое значение напряжения o / p является положительным, поскольку отрицательная клемма источника напряжения (VS) подключена к клемме заземления.

Применения делителя напряжения

Применения делителя напряжения включают следующее.

• Делитель напряжения используется только там, где напряжение регулируется путем снижения определенного напряжения в цепи. Он в основном используется в таких системах, где энергоэффективность не обязательно должна рассматриваться всерьез.
• В нашей повседневной жизни делитель напряжения чаще всего используется в потенциометрах. Лучшими примерами потенциометров являются ручки регулировки громкости, прикрепленные к нашим музыкальным системам, радиотранзисторам и т. Д. Базовая конструкция потенциометра включает три контакта, которые показаны выше.При этом два контакта подключены к резистору, который находится внутри потенциометра, а оставшийся контакт подключен к очищающему контакту, который скользит по резистору. Когда кто-то меняет ручку на потенциометре, напряжение будет появляться на стабильных контактах и ​​очищающем контакте в соответствии с правилом делителя напряжения.
• Делители напряжения используются для регулировки уровня сигнала, измерения напряжения и смещения активных устройств в усилителях. Мультиметр и мост Уитстона включают делители напряжения.
• Делители напряжения могут использоваться для измерения сопротивления датчика. Чтобы сформировать делитель напряжения, датчик подключается последовательно с известным сопротивлением, и известное напряжение подается на делитель. Аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера подключен к центральному отводу делителя, чтобы можно было измерить напряжение отвода. Используя известное сопротивление, можно рассчитать измеренное сопротивление датчика напряжения.
• Делители напряжения используются для измерения датчика, напряжения, сдвига логического уровня и регулировки уровня сигнала.
• Как правило, правило резисторного делителя в основном используется для получения опорных напряжений, иначе величина напряжения уменьшается, так что измерение становится очень простым. Кроме того; они работают как аттенюаторы сигнала на низкой частоте.