Резистивные делители напряжения

 

Мы с вами уже знаем, как произвести измерения тех или иных параметров в цепи постоянного тока, как рассчитать ток, сопротивление напряжение и мощность в электрической цепи. Эти знания нам необходимы, чтобы самостоятельно исследовать, ремонтировать или разрабатывать различные радиоэлектронные приборы. Закон Ома для цепей постоянного тока является линейной функцией, то есть все соотношения в расчетных формулах пропорциональны. Например, увеличение напряжения на нагрузке (лампа, резистор) приводит к пропорциональному увеличению тока через нагрузку, а такие цепи называются линейными. Это важное замечание и его следует запомнить.

В радиоэлектронике есть еще и нелинейные компоненты такие как конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и так далее. Мы пока не знаем, как они устроены и работают. Это предмет изучения следующих модулей. Но для обеспечения нормальной работы нелинейных элементов, очень часто, требуются так называемые резистивные делители постоянного напряжения.

Делители напряжения бывают, нужны и в цепях постоянного тока. Как они устроены и как их рассчитать мы разберем на конкретных, практических, примерах. Рассмотрим такую ситуацию, у нас есть лампа на напряжение 3 вольта мощностью 1,2 ватта и источник питания с напряжением 9 вольт. Как подключить лампу к источнику питания так, чтобы она не перегорела? Для этого последовательно с лампой нужно включить резистор (см. рисунок).

 

 

Мы не знаем величину сопротивления резистора Rд, поэтому ее нужно рассчитать. Сначала определим ток, проходящий через лампу. В нашем распоряжении есть две величины: Мощность лампы - P = 1.2Вт и рабочее напряжение лампы Uл = 3В. Вспомним формулу расчета мощности P = U*I. Отсюда можем найти ток через лампу Iл = P/Uл = 1.2Вт/3В = 0,4А. Мы знаем, что при последовательном включении сопротивлений (лампа в данном случае является сопротивлением), ток в любой точке цепи – величина постоянная. Задача дополнительного резистора Rд снизить величину напряжения с 9 вольт до 3 вольт, то есть напряжение в цепи должно распределиться так: 3 вольта на лампе и 6 вольт Ur на сопротивлении Rд.

 

Нам осталось рассчитать сопротивление дополнительного резистора Rд. По закону Ома Rд = Ur/Iл = 6В/0,4А = 15 Ом.

Теперь нам нужно определить какая мощность Pr должна быть у резистора, чтобы он не перегорел. По формуле расчета мощности найдем Pr = Ur*Ir = 6В * 0,4А = 2.4 Вт. Резисторы установленные на учебном модуле имеют мощность 0,125 Вт, следовательно, размеры нашего резистора будут намного больше. Для питания различных каскадов радиоэлектронной аппаратуры, практически везде применяют делители напряжения. Мы уже знаем, что для изготовления делителя нужно как минимум два резистора. В нашем примере вторым резистором была лампочка. Резисторы в цепи должны быть включены последовательно. Напряжение на каждом резисторе можно легко измерить вольтметром.

Рассмотрим цепь из двух включенных последовательно резисторов. Расчет делителя, обычно производится для заданного тока через нагрузку. В качестве нагрузки обычно используется резистор R2 показанный на нашем рисунке.

 

 

Из предыдущего примера, мы знаем, что нагрузкой может быть лампочка, или какая ни будь иная нагрузка - радиоприемник, калькулятор и т.п.

Принято говорить о выходном напряжении делителя относительно общего провода. Общий провод еще называют "землей" или "корпусом". Чаще всего общим проводом является минус источника питания. Соединение деталей подключенных к общему проводу, на электрической схеме можно не указывать, а ставить знак "корпус". Схемы на рисунках 1 и 2 одинаковы.

 

 

Входное напряжение делителя (напряжение источника питания) принято обозначать как Uвх, а выходное напряжение - Uвых.

И так, вернемся к расчету делителя напряжения. Основными, исходными параметрами для расчета делителя должны быть: ток I проходящий через нагрузку и выходное напряжение Uвых. Примем ток I = 0,1А и выходное напряжение Uвых = 4В, а напряжение источника питания U = 12В. В данном случае сопротивление R2 нас не интересует, а вот сопротивление R1 нужно рассчитать. Найдем напряжение Ur1 на сопротивлении R1. Очевидно, что Ur1 равно разности между входным напряжением U, и напряжением на выходе делителя Uвых; Ur1 = 12В - 4В = 8В.

 

Зная напряжение, приложенное к резистору R1 и ток проходящий через него, легко определить его сопротивление R1 = Ur1/I.

R1 = 8В / 0.1А = 80 Ом. Рассчитаем мощность резистора: P = U*I = 8В * 0,1А = 0,8 Вт.

Рассмотренные нами резистивные делители напряжения, для подключения к ним нагрузки, не всегда применимы. Например, если мы включаем в качестве нагрузки лампочку или калькулятор, то мы заранее знаем, какой ток потребляет нагрузка, и ток этот относительно постоянен с течением времени. Если в качестве  нагрузки включить радиоприемник, то качество работы радиоприемника будет неудовлетворительно. Связано это с тем, что, например, карманный радиоприемник при малой громкости потребляет ток 10 - 30 миллиампер, а при большой громкости ток возрастает до 100 - 150 миллиампер. Очевидно, что если меняется ток, то меняется и напряжение на выходе делителя, чем больше ток, тем меньше напряжение. Поэтому для питания такого типа нагрузок применяют специальные полупроводниковые стабилизаторы напряжения.

Полупроводниковые (транзисторные) стабилизаторы напряжения работают следующим образом: напряжение резистивного делителя (это напряжение часто называют эталонным или опорным) сравнивается с выходным напряжением стабилизатора и, если выходное напряжение стабилизатора изменяется, например вследствие изменения тока нагрузки Iн, то стабилизатор изменяет свои параметры так, чтобы уравнять выходное напряжение U выходное с опорным напряжением U делителя.

 

Для создания эталонного напряжения или для питания каскадов радиоэлектронной аппаратуры не требуются делители напряжения большой мощности. Проверим на практике, распределение токов и напряжений в делителях напряжения. Соберите на модуле ЕВ - 101 схему, показанную на рисунке.

 

Поверните регулятор PS-1, до упора, по часовой стрелке. Установите на мультиметре предел измерения тока до 10 мА, включите питание лабораторного модуля и снимите показание прибора.

На прошлых занятиях мы уже определяли сопротивления резисторов по цветным полосам и измеряли их величину омметром. Сопротивление резистора R5 у нас равно 1 КОм, а сопротивление R6 = 6,8 Ком. Напряжение источника питания равно 11,5 вольт.

Найдем ток через цепочку R5, R6. I = U / (R5+R6) = 11,5 / (1000 + 6800) = 0,00147А или, примерно, 1,5 миллиампера. Напряжение делителя измеряется относительно общего провода, в нашем случае на резисторе R6.  

 

 

Найдем напряжение на R6. Ur6 = I * R6 = 0,00147 * 6800 = 10,0256В, примерно 10 вольт.

Переделайте монтажную схему, как показано на рисунке.

 

 

Установите предел измерения мультиметра на измерение напряжения до 20 вольт, включите питание лабораторного модуля и снимите показание вольтметра. Измеренное напряжение делителя должно быть в пределах 9,5... 10,3 вольт, то есть, совпадать с нашими расчетными данными.

Иногда требуется делитель напряжения имеющий несколько разных напряжений.

Для изготовления такого делителя последовательно включается не два, а несколько резисторов. Мы можем самостоятельно изготовить делитель, например, на три выходных напряжения.

 

Посмотрите на рисунок, схема, показанная на нем вам уже знакома:

 

 

На предыдущих уроках мы измеряли ток, проходящий через резисторы R5, R6, R7 и R8. Общее сопротивление этих, последовательно включенных резисторов равно 14 КОм, а ток, проходящий через эту цепочку, при напряжении 11,5 вольт равен 0,8 мА. Зная ток, мы можем найти напряжение в любой точке цепи. Вспомним, что выходное напряжение делителя измеряется относительно общего провода электросхемы, поэтому расчет напряжений будем производить, начиная с нижнего резистора R8.

Напряжение Ur8 на резисторе R8 будет равно: Ur8 = I*R8.

Ur8 = 0,0008*1500 = 1,2 вольта.

Напряжение Ur7 на R7 будет: Ur7 = 0,0008*4700 = 3,8 вольта.

Напряжение Ur6 на R6 будет: Ur6 = 0,0008*6800 = 5,4 вольта.

Соберите схему, показанную на рисунке. Измерьте напряжение Ur8 на резисторе R8 (точка А), оно должно совпадать с расчетным. Затем вам нужно измерить напряжение в точке Б, оно будет равно: Ur8+Ur7 = 1,2+3,8 = 5В. И последним нужно измерить напряжение в точке В. Напряжение в точке В будет равно: Ur8+Ur7+Ur6 = 5 + 5,4 = 10,4 вольта.

 

 

Заключение

 

 

Пособие разработано коллективом отделения ИКТ ГОУ СПО КАС-7 на основе теоретических материалов и оборудования, предоставленных фирмой ©DEGEM SYSTEMS для учебной лаборатории TechPrep.

 

Готовится к выпуску комплект пособий по темам:

· Основы САПР и АСУ (Систем Автоматизированного Проектирования и Систем Автоматизированного Управления). Токарный и фрезерный станки с ЧПУ

· Гидравлика в промышленных установках

· Пневматика в промышленных установках

 

 

Ваши предложения и замечания просим высылать по электронной почте: kas-7@yandex.ru

Наш адрес: г. Москва ул. Усиевича д 31. Телефон отделения ИКТ 151-68-73