Was ist ein Spannungsteiler und wofür wird er verwendet?
Definition
Ein Spannungsteiler ist ein Gerät oder eine Vorrichtung, die den Pegel der Ausgangsspannung relativ zum Eingang proportional zum Übertragungskoeffizienten senkt (er liegt immer unter Null). Er erhielt diesen Namen, weil er zwei oder mehr in Reihe geschaltete Abschnitte der Kette darstellt.
Sie sind linear und nicht linear. In diesem Fall handelt es sich bei ersteren um aktive oder reaktive Widerstände, bei denen der Transmissionskoeffizient durch das Verhältnis von bestimmt wird Ohmsches Gesetz. Zu ausgeprägten nichtlinearen Teilern gehören parametrische Spannungsstabilisatoren. Mal sehen, wie dieses Gerät angeordnet ist und warum es benötigt wird.
Arten und Wirkprinzip
Es ist sofort anzumerken, dass das Funktionsprinzip des Spannungsteilers im Allgemeinen dasselbe ist, jedoch von den Elementen abhängt, aus denen es besteht. Es gibt drei Haupttypen von linearen Schaltkreisen:
- resistiv;
- kapazitiv;
- induktiv.
Der häufigste Teiler bei Widerständen aufgrund seiner Einfachheit und einfachen Berechnung. Betrachten Sie in seinem Beispiel die grundlegenden Informationen zu diesem Gerät.
Jeder Spannungsteiler hat Uinput und Uoutput, wenn er aus zwei besteht WiderständeWenn drei Widerstände vorhanden sind, gibt es zwei Ausgangsspannungen usw. Sie können beliebig viele Teilungsstufen durchführen.
Der Eingang ist gleich der Versorgungsspannung. Der Ausgang hängt vom Verhältnis der Widerstände in den Armen des Teilers ab. Wenn wir eine Schaltung mit zwei Widerständen betrachten, ist der obere oder auch als Quencharm bezeichnete Löscharm R1. Der untere oder Ausgangsarm ist R2.
Angenommen, wir haben eine Stromversorgung von 10 V, der Widerstand R1 beträgt 85 Ohm und der Widerstand R2 beträgt 15 Ohm. Uoutput muss berechnet werden.
Dann:
U = I * R.
Da sie in Reihe geschaltet sind, dann:
U1 = I * R1
U2 = I * R2
Wenn Sie dann die Ausdrücke hinzufügen:
U1 + U2 = I (R1 + R2)
Wenn wir den Strom von hier ausdrücken, erhalten wir:
Wenn wir den vorherigen Ausdruck ersetzen, haben wir die folgende Formel:
Berechnen wir für unser Beispiel:
Der Spannungsteiler kann an Reaktanzen durchgeführt werden:
- auf Kondensatoren (kapazitiv);
- an Induktivitäten (induktiv).
Dann sind die Berechnungen ähnlich, aber der Widerstand wird unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet.
Für Kondensatoren:
Für die Induktivität:
Die Besonderheit und der Unterschied dieser Arten von Teilern besteht darin, dass der Widerstandsteiler in Wechselstrom- und Gleichstromkreisen und kapazitiv und induktiv nur in Wechselstromkreisen verwendet werden kann, da nur dann ihre Reaktanz beeinträchtigt wird.
Interessant! In In einigen Fällen funktioniert ein kapazitiver Teiler in Gleichstromkreisen. Ein gutes Beispiel ist die Verwendung einer solchen Lösung in der Eingangsschaltung von Computerstromversorgungen.
Die Verwendung der Reaktanz beruht auf der Tatsache, dass während ihres Betriebs nicht so viel Wärme freigesetzt wird wie bei Verwendung von aktiven Widerständen (Widerständen) in Strukturen
Anwendungsbeispiele in der Schaltung
Es gibt viele Schemata, in denen Spannungsteiler verwendet werden. Daher werden wir mehrere Beispiele gleichzeitig geben.
Angenommen, wir entwerfen eine Verstärkerstufe auf einem Transistor, der in Klasse A arbeitet. Basierend auf seinem Funktionsprinzip müssen wir die Vorspannung (U1) auf der Basis des Transistors so einstellen, dass ihr Arbeitspunkt auf dem linearen Segment der I - V-Kennlinie liegt, damit der Strom durch den Transistor fließt war nicht übertrieben. Angenommen, wir müssen einen Basisstrom von 0,1 mA an U1 von 0,6 Volt bereitstellen.
Dann müssen wir den Widerstand in den Schultern des Teilers berechnen, und dies ist die umgekehrte Berechnung in Bezug auf das, was wir oben angegeben haben. Zunächst finden sie den Strom durch den Teiler. Damit der Laststrom die Spannung an seinen Schultern nicht stark beeinflusst, stellen wir den Strom durch den Teiler auf eine Größenordnung ein, die höher ist als der Laststrom in unserem Fall 1 mA. Netzteil lassen es 12 Volt sein.
Dann ist der Gesamtwiderstand des Teilers:
Rd = U Versorgung / I = 12 / 0,001 = 12000 Ohm
R2 / R = U2 / U.
Oder:
R2 / (R1 + R2) = U2 / U-Leistung
10/20=3/6
20*3/6=60/6/10
R2 = (R1 + R2) * U1 / U-Leistung = 12000 * 0,6 / 12 = 600
R1 = 12000-600 = 11400
Überprüfen Sie die Berechnungen:
U2 = U * R2 / (R1 + R2) = 12 * 600/12000 = 7200/12000 = 0,6 Volt.
Die entsprechende obere Schulter erlischt
U2 = U * R2 / (R1 + R2) = 12 * 11400/12000 = 136800/12000 = 11,4 Volt.
Dies ist jedoch nicht die gesamte Berechnung. Für eine vollständige Berechnung des Teilers muss die Leistung der Widerstände ermittelt werden, damit sie nicht durchbrennen. Bei einem Strom von 1 mA wird R1 mit Strom versorgt:
P1 = 11,4 * 0,001 = 0,0114 Watt
Und auf R2:
P2 = 0,6 * 0,001 = 0,000006 Watt
Hier ist es vernachlässigbar, aber stellen Sie sich vor, welche Art von Leistung würde Widerstände benötigen, wenn der Teilerstrom 100 mA oder 1 A betragen würde?
Für den ersten Fall:
P1 = 11,4 · 0,1 = 1,14 Watt
P2 = 0,6 · 0,1 = 0,06 Watt
Für den zweiten Fall:
P1 = 11,4 · 1 = 11,4 Watt
P2 = 0,6 · 1 = 0,6 Watt
Das sind bereits beachtliche Zahlen für die Elektronik, auch für den Einsatz in Verstärkern. Dies ist nicht effektiv, daher werden derzeit gepulste Schaltungen verwendet, obwohl lineare Schaltungen weiterhin entweder in Amateurkonstruktionen oder in spezifischen Geräten mit besonderen Anforderungen verwendet werden.
Das zweite Beispiel ist ein Teiler zum Bilden der U-Referenz für die einstellbare Zenerdiode TL431. Sie werden in den kostengünstigsten Netzteilen und Ladegeräten für Mobiltelefone verwendet. Das Anschlussdiagramm und die Berechnungsformeln sehen Sie unten. Mit Hilfe von zwei Widerständen wird hier ein Punkt mit einer U-Referenz von 2,5 Volt erzeugt.
Ein weiteres Beispiel ist der Anschluss aller Arten von Sensoren an Mikrocontroller. Betrachten wir am Beispiel der Arduino-Platinenfamilie verschiedene Schemata zum Anschließen von Sensoren an den Analogeingang des beliebten AVR-Mikrocontrollers.
Messgeräte haben unterschiedliche Messgrenzen. Eine solche Funktion wird auch unter Verwendung einer Gruppe von Widerständen realisiert.
Dies beendet jedoch nicht den Umfang der Spannungsteiler. Auf diese Weise werden zusätzliche Volt gelöscht, während der Strom durch die LED begrenzt wird, die Spannung der Glühbirnen in der Girlande wird ebenfalls verteilt und Sie können auch eine Last mit geringem Stromverbrauch versorgen.
Nichtlineare Teiler
Wir haben erwähnt, dass nichtlineare Teiler einen parametrischen Stabilisator enthalten. In seiner einfachsten Form besteht es aus einem Widerstand und einer Zenerdiode. Eine Zenerdiode in der Schaltung ähnelt einer herkömmlichen Halbleiterdiode. Der einzige Unterschied ist das Vorhandensein eines zusätzlichen Merkmals an der Kathode.
Die Berechnung basiert auf der Stabilisierung der Zenerdiode. Wenn wir dann eine Zenerdiode von 3,3 Volt haben und die Stromversorgung 10 Volt beträgt, wird der Stabilisierungsstrom vom Datenblatt zur Zenerdiode geleitet. Es sei beispielsweise gleich 20 mA (0,02 A) und der Laststrom 10 mA (0,01 A).
Dann:
R = 12-3,3 / 0,02 + 0,01 = 8,7 / 0,03 = 290 Ohm
Mal sehen, wie ein solcher Stabilisator funktioniert. Die Zenerdiode ist in der Schaltung in der umgekehrten Verbindung enthalten, dh wenn der Uoutput niedriger als die Ustabilisierung ist, fließt der Strom nicht durch sie. Wenn die U-Versorgung zur U-Stabilisierung ansteigt, tritt ein Lawinen- oder Tunnelausfall des PN-Übergangs auf und ein Strom, der als Stabilisierungsstrom bezeichnet wird, fließt durch ihn. Sie wird durch den Widerstand R1 begrenzt, bei dem die Differenz zwischen dem U-Eingang und der U-Stabilisierung unterdrückt wird. Wenn der maximale Stabilisierungsstrom überschritten wird, tritt ein thermischer Durchschlag auf und die Zenerdiode brennt aus.
Übrigens können Sie manchmal einen Stabilisator für Dioden implementieren. Die Stabilisierungsspannung ist dann gleich dem direkten Abfall der Dioden oder der Summe der Abfälle in der Diodenschaltung. Sie stellen den Strom ein, der für den Nennwert der Dioden und für die Anforderungen Ihrer Schaltung geeignet ist. Trotzdem wird eine solche Lösung äußerst selten verwendet. Ein solches Gerät für Dioden wird jedoch besser als Begrenzer und nicht als Stabilisator bezeichnet. Und eine Variante der gleichen Schaltung für Wechselstromkreise. Sie begrenzen also die Amplitude des variablen Signals auf den Pegel des direkten Abfalls - 0,7 V.
Also haben wir herausgefunden, was dieser Spannungsteiler ist und warum er benötigt wird. Beispiele, bei denen eine der Varianten der betrachteten Schaltungen verwendet wird, können noch mehr angegeben werden, selbst ein Potentiometer ist im Wesentlichen ein Teiler mit einem stufenlos einstellbaren Transmissionskoeffizienten und wird häufig in Verbindung mit einem konstanten Widerstand verwendet. In jedem Fall bleibt das Prinzip der Aktion, Auswahl und Berechnung von Elementen unverändert.
Am Ende empfehlen wir, ein Video anzusehen, in dem wir genauer untersuchen, wie dieses Element funktioniert und woraus es besteht:
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