Цепи делителя напряжения
Глава 6 - Цепи Divider и законы Кирхгофа
Давайте проанализируем простую последовательную схему, определяющую падение напряжения на отдельных резисторах:
Определите общее сопротивление цепи
Из заданных значений индивидуальных сопротивлений мы можем определить общее сопротивление цепи, зная, что сопротивления добавляются последовательно:
Используйте Закон Ома для расчета потока электронов
Отсюда мы можем использовать Закон Ома (I = E / R) для определения полного тока, который, как мы знаем, будет таким же, как и каждый ток резистора, причем токи равны во всех частях последовательной цепи:
Теперь, зная, что ток цепи равен 2 мА, мы можем использовать Закон Ома (E = IR) для расчета напряжения на каждом резисторе:
Должно быть очевидно, что падение напряжения на каждом резисторе пропорционально его сопротивлению, учитывая, что ток одинаковый через все резисторы. Обратите внимание, как напряжение на R 2 вдвое больше напряжения на R 1, так же как сопротивление R 2 вдвое больше, чем у R 1.
Если бы мы изменили общее напряжение, мы бы обнаружили, что эта пропорциональность падений напряжения остается постоянной:
Напряжение на R 2 по-прежнему вдвое меньше, чем у R 1, несмотря на то, что напряжение источника изменилось. Сопротивление падений напряжения (отношение одного к другому) строго зависит от значений сопротивления.
С небольшим наблюдением становится очевидным, что падение напряжения на каждом резисторе также является фиксированной пропорцией напряжения питания. Например, напряжение на R 1 составляло 10 вольт, когда напряжение батареи составляло 45 вольт. Когда напряжение батареи было увеличено до 180 вольт (в 4 раза больше), падение напряжения на R 1 также увеличилось в 4 раза (от 10 до 40 вольт). Однако соотношение между отклонением напряжения R 1 и общим напряжением не изменилось:
Аналогичным образом, ни одно из других коэффициентов падения напряжения не изменилось с увеличением напряжения питания:
Формула делителя напряжения
По этой причине последовательную схему часто называют делителем напряжения для ее способности пропорционально или делить - полное напряжение на дробные части постоянного отношения. С небольшим количеством алгебр мы можем получить формулу для определения падения напряжения последовательного резистора, дающего не более, чем общее напряжение, индивидуальное сопротивление и общее сопротивление:
Отношение индивидуального сопротивления к суммарному сопротивлению такое же, как отношение индивидуального падения напряжения к общему напряжению питания в цепи делителя напряжения. Это называется формулой делителя напряжения, и это метод короткого замыкания для определения падения напряжения в последовательном контуре, не проходя текущий расчет (ы) закона Ома.
Используя эту формулу, мы можем повторно проанализировать падение напряжения в примере схемы за меньшее количество шагов:
Разделители напряжения находят широкое применение в электрических измерительных цепях, где конкретные комбинации последовательных резисторов используются для «деления» напряжения на точные пропорции как часть устройства измерения напряжения.
Одним из устройств, часто используемым в качестве разделителя напряжения, является потенциометр, который представляет собой резистор с подвижным элементом, установленным ручным регулятором или рычагом. Подвижный элемент, обычно называемый стеклоочистителем, вступает в контакт с резистивной полосой материала (обычно называемой slidewire, если она выполнена из резистивной металлической проволоки) в любой точке, выбранной ручным управлением:
Контакт стеклоочистителя - это символ стрелки слева, расположенный в середине вертикального резисторного элемента. Когда он перемещается вверх, он контактирует с резистивной полосой ближе к клемме 1 и дальше от клеммы 2, снижая сопротивление к клемме 1 и повышая сопротивление к клемме 2. При ее движении вниз происходит противоположный эффект. Сопротивление, измеренное между клеммами 1 и 2, является постоянным для любого положения стеклоочистителя.
Ротари против линейного
Здесь показаны внутренние иллюстрации двух типов потенциометров, вращающихся и линейных:
Некоторые линейные потенциометры приводятся в движение прямым движением рычага или кнопки скольжения. Другие, как показано на предыдущем рисунке, приводятся в действие поворотным винтом для точной регулировки. Последние единицы иногда называются trimpots, потому что они хорошо работают для приложений, требующих « обрезания» переменного сопротивления до некоторого точного значения. Следует отметить, что не все линейные потенциометры имеют одинаковые назначения клемм, как показано на этой иллюстрации. С некоторыми терминалы стеклоочистителя находятся посередине между двумя концевыми клеммами.
На следующем снимке показан настоящий поворотный потенциометр с открытым стеклоочистителем и слайдером для удобства просмотра. Вал, который перемещает стеклоочиститель, поворачивается почти полностью по часовой стрелке, чтобы стеклоочиститель почти касался левого концевого конца направляющей:
Вот такой же потенциометр с валом стеклоочистителя, который перемещается почти до положения против часовой стрелки, так что стеклоочиститель находится рядом с другим крайним концом хода:
Если между внешними клеммами (по всей длине slidewire) подается постоянное напряжение, положение стеклоочистителя будет отрывать часть приложенного напряжения, измеряемое между контактом стеклоочистителя и двумя другими клеммами. Дробное значение полностью зависит от физического положения стеклоочистителя:
Важность применения потенциометра
Как и фиксированный делитель напряжения, коэффициент деления напряжения потенциометра строго зависит от сопротивления, а не от величины приложенного напряжения. Другими словами, если ручка потенциометра или рычаг перемещается в положение 50 процентов (точный центр), напряжение, падающее между стеклоочистителем и внешним выводом, будет составлять ровно 1/2 от приложенного напряжения, независимо от того, какое это напряжение будет, или то, что является сквозным сопротивлением потенциометра. Другими словами, потенциометр функционирует как делитель переменного напряжения, где коэффициент деления напряжения устанавливается по положению стеклоочистителя.
Это применение потенциометра является очень полезным средством получения переменного напряжения от источника с фиксированным напряжением, такого как аккумулятор. Если для схемы, которую вы строите, требуется определенное напряжение, которое меньше, чем значение доступного напряжения батареи, вы можете подключить внешние клеммы потенциометра к этой батарее и «набрать» любое напряжение, которое вам нужно, между очистителем потенциометра и один из внешних терминалов для использования в вашей схеме:
При использовании таким образом, потенциометр названия имеет прекрасный смысл: они измеряют (контролируют) потенциал (напряжение), подаваемый через них, создавая переменное отношение делителя напряжения. Это использование трехконтактного потенциометра в качестве делителя переменного напряжения очень популярно в дизайне схемы.
Здесь приведены несколько небольших потенциометров, обычно используемых в потребительском электронном оборудовании, а также любителей и студентов в построении схем:
Меньшие модули слева и справа предназначены для подключения к паяльной макету или пайки в печатную плату. Средние блоки предназначены для установки на плоской панели с проводами, припаянными к каждому из трех терминалов.
Вот еще три потенциометра, более специализированные, чем только что показанный набор:
Большой блок «Helipot» - это лабораторный потенциометр, предназначенный для быстрого и легкого подключения к цепи. Устройство в нижнем левом углу фотографии является одним и тем же типом потенциометра, без корпуса или 10-оборотного счетного набора. Оба этих потенциометра представляют собой прецизионные блоки, используя многооборотные спирально-дорожные полоски и механизмы стеклоочистителя для небольших регулировок. Устройство с нижним правым является потенциометром с панельным креплением, предназначенным для грубого обслуживания в промышленных применениях.
- ОБЗОР:
- Серийные схемы соотносят или делят общее напряжение питания между отдельными падениями напряжения, причем пропорции строго зависят от сопротивлений: E Rn = E Total (R n / R Total)
- Потенциометр представляет собой компонент с переменным сопротивлением с тремя точками подключения, которые часто используются в качестве регулируемого делителя напряжения.