Объяснение принципа действия делителей напряжения: простое управление напряжением на печатной плате

Предполагаемое время чтения: 14 минут

В электронике нам часто приходится работать с разными напряжениями. Источником питания проекта может быть 9-вольтовая батарея. Но чувствительный чип на печатной плате может потребовать именно 3,3 вольта для правильной работы. Итак, как получить определенное более низкое напряжение из более высокого? Один из самых простых и распространенных способов решения этой проблемы — использование схема делителя напряжения.

Эта схема невероятно проста, но ее функции чрезвычайно мощны. Она похожа на волшебную палочку для регулирования напряжения. Для точного снижения входного напряжения до желаемого уровня требуется всего два резистора. Понимание этой базовой схемы является важным навыком для любого, кто работает с печатными платами. Это верно как для проектирования сложных систем, так и для ремонта простых устройств.

Его применение встречается повсеместно. Делитель напряжения, скорее всего, работает в фоновом режиме, когда вы регулируете яркость светильника с регулируемой яркостью. Он также присутствует, когда микроконтроллер считывает значение с аналогового датчика. Это фундаментальный строительный блок, который составляет основу многих более сложных схем, встречающихся на любой современной печатной плате.

Что такое делитель напряжения?

Сначала давайте посмотрим, что это такое. схема действительно. Простейший делитель напряжения состоит из двух резисторов, соединенных последовательно. Последовательное соединение означает, что два резистора соединены между собой. Это образует единый путь для электрического тока. Затем мы подаем входное напряжение, например напряжение от батареи, на два конца всей этой последовательной комбинации.

Ток протекает от положительной стороны входного напряжения. Он проходит через первый резистор, который мы назовем R1. Затем он проходит через второй резистор, который мы назовем R2. Наконец, он возвращается к отрицательной стороне источника напряжения. Ток, протекающий через оба резистора, одинаков, поскольку они находятся на одном и том же пути.

Магия происходит потому, что при прохождении тока через каждый резистор создается падение напряжения. Согласно Закон Ома, напряжение равно току, умноженному на сопротивление (V=I×R). Значения сопротивления двух резисторов могут быть разными. Таким образом, падение напряжения на каждом из них также может быть разным.

Выходное напряжение этой схемы, или Vout, является напряжением, которое мы измеряем только на втором резисторе, R2. Общее входное напряжение, Vin, “разделяется” между этими двумя резисторами. Таким образом, напряжение на R2 всегда будет ниже, чем общее входное напряжение. Поэтому эта схема называется “схемой деления напряжения”. Она принимает общее входное напряжение и делит его на две части в соответствии с соотношением двух резисторов.

Основная идея этой схемы заключается в использовании последовательных резисторов для пропорционального понижения напряжения. Мы можем точно контролировать уровень выходного напряжения, изменяя соотношение значений двух резисторов. Если R1 и R2 имеют одинаковое сопротивление, то выходное напряжение будет ровно в два раза меньше входного. Если сопротивление R2 намного меньше сопротивления R1, выходное напряжение будет очень низким. А если сопротивление R2 намного больше сопротивления R1, выходное напряжение будет близким к входному. Эта простая зависимость делает схему предсказуемым и полезным инструментом в любой Печатная плата.

Как рассчитать выходное напряжение

Понимание основного принципа — это первый шаг. Следующий шаг — научиться его рассчитывать. К счастью, формула тоже очень проста и понятна. Вам не понадобятся сложные математические вычисления. Достаточно базовых знаний по алгебре.

Формула называется делитель напряжения формула. Она напрямую показывает нам выходное напряжение, Vout. Нам нужно только знать входное напряжение, Vin, и значения сопротивления двух резисторов, R1 и R2.

Формула выглядит следующим образом:

Давайте разберем эту формулу.

Vout — это выходное напряжение, которое мы хотим получить. Это напряжение на резисторе R2.

Vin — это общее входное напряжение, которое мы подаем на всю схему на печатной плате.

R1 — сопротивление первого резистора, подключенного к положительной стороне входного напряжения.

R2 — сопротивление второго резистора, с которого мы берем выходное напряжение. Он подключен к заземлению схемы.

Дробная часть формулы, R1​+R2/R2​​, представляет собой коэффициент. Значение R2 всегда меньше суммы R1 и R2. Таким образом, этот коэффициент всегда меньше 1. Это математически гарантирует, что выходное напряжение Vout всегда будет ниже входного напряжения Vin.

Рассмотрим конкретный пример. Представим, что у нас есть 9-вольтовая батарея в качестве входного напряжения (Vin = 9 В). Мы хотим получить выходное напряжение около 3 вольт для компонента на нашей печатной плате. Как нам выбрать резисторы?

Мы можем выбрать резистор 2000 Ом (2 кОм) для R1 и резистор 1000 Ом (1 кОм) для R2. Теперь мы можем подставить эти числа в формулу:

Результат составляет ровно 3 вольта, что и было нам нужно. Мы успешно преобразовали 9 вольт в 3 вольта на нашей печатной плате, просто выбрав два подходящих резистора. Вы можете попрактиковаться в применении этой формулы с различными значениями резисторов. Вы увидите, что регулировать выходное напряжение становится очень легко. Эта формула является наиболее полезным инструментом при проектировании и анализе схем такого типа.

Практическое применение на печатной плате

Теоретические знания полезны. Но гораздо важнее уметь применять их на практике. Проектирование печатных плат. Схема деления напряжения является одной из наиболее часто используемых структур в проектировании электроники. Ее применение очень широко.

Одно из ключевых применений — обеспечение опорного напряжения для микроконтроллера. Микроконтроллер, или MCU, является «мозгом» многих современных электронных устройств. Эти микросхемы имеют внутри модуль, называемый Аналогово-цифровой преобразователь, или ADC. Задача АЦП состоит в измерении аналогового напряжения и преобразовании его в цифровое число. Это позволяет микроконтроллеру обрабатывать сигналы реального мира, например, поступающие с датчика.

Для правильной работы АЦП требуется опорное напряжение Vref. Это опорное напряжение устанавливает максимальное напряжение, которое может измерить АЦП. Иногда внутреннее опорное напряжение микроконтроллера не подходит для наших нужд. Или мы можем захотеть использовать более стабильное и точное внешнее опорное напряжение. Для этой задачи идеально подходит простая схема делителя напряжения. Мы можем использовать ее для создания точного напряжения, например 2,5 В, из стабильного источника питания, например 5 В. Затем мы подаем это напряжение на вывод Vref микроконтроллера. Это обеспечивает надежную базовую линию для измерений АЦП на печатной плате.

Еще одно распространенное применение — считывание аналоговых датчиков. Многие датчики вызывают изменение сопротивления, а не прямое изменение напряжения. Например, фоторезистор, или LDR, имеет сопротивление, которое изменяется в зависимости от интенсивности света. Чем больше света, тем меньше сопротивление. Термистор — еще один пример. Его сопротивление изменяется в зависимости от температуры. В автомобильной промышленности датчик положения распределительного вала работает по аналогичному принципу, преобразуя изменения положения в электрический сигнал, который может считывать ЭБУ.

Итак, как же можно микроконтроллер на Печатная плата считывать это изменяющееся сопротивление? Микроконтроллеры могут считывать напряжение только напрямую. Решением является включение датчика в состав делитель напряжения.

Мы можем использовать фоторезистор в качестве R2, а затем выбрать резистор с фиксированным значением для R1. Мы соединяем их в схеме деления напряжения и подаем постоянное входное напряжение. При изменении уровня освещенности изменяется сопротивление R2, фоторезистора. Согласно нашей формуле, это изменение сопротивления R2 непосредственно приводит к изменению выходного напряжения Vout.

Затем мы подключаем этот изменяющийся Vout к входному контакту АЦП на нашем микроконтроллере. Микроконтроллер считывает напряжение. Затем он может рассчитать сопротивление фоторезистора. На основании этого он может определить яркость окружающего света. Это очень умный и недорогой метод. Он преобразует сигналы от всех видов датчиков переменного сопротивления в сигналы напряжения, которые может понять микроконтроллер. Это распространенная техника, используемая почти во всех любительских и профессиональных печатных платах, которые взаимодействуют с реальным миром.

Сдвиг уровня — еще одно важное применение. В проектировании печатных плат, мы часто сталкиваемся с чипами, которые используют разные стандарты напряжения и должны взаимодействовать друг с другом. Например, классический микроконтроллер Arduino работает при напряжении 5 В. Но более новый модуль датчика может работать при напряжении 3,3 В.

Если мы отправим сигнал 5 В напрямую на микросхему, которая может работать только с напряжением 3,3 В, мы, скорее всего, нанесем ей необратимый ущерб. Поэтому нам нужен способ безопасно понизить напряжение сигнала. Простой делитель напряжения отлично справится с этой задачей.

Мы можем построить разделительную схему с двумя резисторами. Она принимает выходной сигнал от 5-вольтового чипа в качестве Vin. Затем она выдает более низкое напряжение, около 3,3 В, в качестве Vout. Этот сигнал с более низким напряжением затем посылается на 3,3-вольтовый чип. Это простой и эффективный метод одностороннего сдвига уровня. Он гарантирует, что компоненты, работающие при разных напряжениях, могут безопасно работать вместе на одной печатной плате.

Мониторинг напряжения батареи также является отличным примером использования. Для устройств, питающихся от батареи, очень важно отслеживать оставшийся заряд. Мы можем оценить уровень заряда, измерив напряжение батареи. Но полностью заряженная литиевая батарея может иметь напряжение более 4 В. Некоторые входные контакты АЦП микроконтроллера не могут безопасно обрабатывать столь высокое напряжение.

Делитель напряжения легко решает эту проблему. Мы можем использовать два резистора с высокими значениями, чтобы уменьшить напряжение батареи до безопасного диапазона. Например, мы можем использовать два резистора одинаковой мощности, чтобы уменьшить напряжение батареи вдвое. Микроконтроллер может затем безопасно измерить это более низкое напряжение. В программном обеспечении микроконтроллеру нужно просто умножить показания на два. Тогда он получит истинное напряжение батареи. Это защищает чип и одновременно позволяет контролировать состояние батареи.

Выбор резисторов и важные соображения

Схема проста. Но все же есть несколько важных факторов, которые необходимо учитывать при проектирование печатной платы. Эти соображения обеспечат надежную и стабильную работу вашей схемы.

Выбор значений резисторов имеет большое значение. Теоретически, любая пара резисторов с правильным соотношением даст нам желаемое выходное напряжение. Например, R1=2 кОм и R2=1 кОм работают. Но R1=20 кОм и R2=10 кОм дают точно такое же соотношение напряжений. Так стоит ли выбирать резисторы большего или меньшего номинала?

Ответ зависит от нагрузки. Нагрузка — это любой компонент цепи, подключенный к Vout. Нагрузка будет потреблять некоторое количество тока из цепи делителя.

Если мы выберем слишком высокие значения сопротивления, например, несколько миллионов ом, общий ток, протекающий через делитель, будет очень мал. Тогда, если нагрузка потребляет даже небольшой ток, это значительно повлияет на коэффициент деления. Это приведет к падению выходного напряжения и его нестабильности.

Если мы выберем слишком низкие значения сопротивления, например, несколько десятков ом, общий ток, протекающий через делитель, будет очень большим. Это означает, что большая часть энергии будет тратиться впустую в виде тепла. Это очень плохо для устройств, питающихся от батарей. Это делает всю печатную плату неэффективной.

Итак, нам нужно найти баланс. Общее правило заключается в том, чтобы ток, протекающий через делитель (через R1 и R2), был как минимум в 10 раз больше тока, необходимого нагрузке. Таким образом, ток, потребляемый нагрузкой, будет достаточно мал по сравнению с током делителя. Это не окажет большого влияния на выходное напряжение. Для большинства приложений, подключенных к микроконтроллеру, значения сопротивления в диапазоне от нескольких килоом (кОм) до нескольких десятков килоом являются хорошей отправной точкой для компоновки печатной платы.

Мы также должны помнить об эффекте нагрузки. Формула делителя напряжения является абсолютно точной только в том случае, если к Vout ничего не подключено. Это состояние разомкнутой цепи или без нагрузки. Как только мы подключаем нагрузку к Vout, эта нагрузка имеет собственное внутреннее сопротивление, называемое входным импедансом.

Это сопротивление нагрузки электрически соединено параллельно с R2. Когда два резистора соединены параллельно, их суммарное сопротивление всегда меньше наименьшего индивидуального сопротивления. Это означает, что подключение нагрузки уменьшает эффективное сопротивление части цепи R2. Согласно формуле, это приведет к тому, что фактическое выходное напряжение будет ниже нашего расчетного значения.

Это называется “эффектом нагрузки”. Чтобы минимизировать эффект нагрузки, необходимо обеспечить, чтобы входное сопротивление нагрузки было намного больше сопротивления R2. Обычно рекомендуется, чтобы сопротивление нагрузки было как минимум в 10 раз больше R2. К счастью, входные выводы цифровых логических схем, таких как микроконтроллеры, имеют очень высокое входное сопротивление, часто в диапазоне мегаом. Таким образом, для многих применений печатных плат эффект нагрузки является незначительным. Однако это очень важный вопрос, который необходимо учитывать при подключении к аналоговым схемам, которые могут иметь более низкий входной импеданс.

Наконец, необходимо подумать о рассеивании мощности. Ток, протекающий через резистор, выделяет тепло. Каждый резистор имеет номинальную мощность. Этот показатель указывает, какое количество тепла он может безопасно рассеять. Если фактическая мощность превышает этот показатель, резистор может перегреться и выйти из строя.

Мы можем рассчитать мощность, рассеиваемую каждым резистором, по формуле P=V×I или P=I2×R. При проектировании печатной платы нам необходимо рассчитать фактическую мощность как для R1, так и для R2. Затем мы должны выбрать резисторы с номинальной мощностью, превышающей рассчитанные значения. Для большинства низковольтная электроника, стандартных резисторов мощностью 1/4 Вт или 1/8 Вт более чем достаточно. Но для уверенности всегда полезно сделать быстрый расчет.

Заключение

Делитель напряжения — одна из самых основных и полезных схем в электронике. Она обеспечивает точный метод регулирования напряжения с помощью самых простых средств: всего двух последовательных резисторов на печатной плате.

Мы изучили его основной принцип работы. Он “делит” входное напряжение на основе соотношения сопротивлений. Мы также освоили его основную формулу. Это позволяет нам проектировать схемы для любого необходимого нам коэффициента деления.

Что еще более важно, мы видели его широкий спектр применений в реальных проектах печатных плат. Эта простая схема играет важную роль. Она обеспечивает стабильное опорное напряжение для микросхем. Она считывает сигналы с различных аналоговых датчиков. И она безопасно передает данные между схемами с разным рабочим напряжением.

Мы также понимаем важные практические вопросы. Мы знаем, как выбрать подходящие значения резисторов, чтобы сбалансировать энергопотребление и производительность. И мы знаем, как учесть влияние нагрузки на выходное напряжение.

Освоение схемы делителя напряжения — это как получение ключа к миру электронного проектирования. Это инструмент, который настолько прост, но в то же время настолько мощный. Надеюсь, благодаря подробному объяснению в этой статье, вы теперь глубоко понимаете эту схему. Теперь вы можете начать уверенно использовать ее в своих проектах, чтобы создавать более интересные и полезные электронные устройства на своих собственных печатных платах.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Рекомендуемые блоги