Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Бюджетным вариантом преобразования основных параметров электрического тока являются делители напряжения. Такое устройство легко изготовить самостоятельно, но чтобы сделать это, нужно знать назначение, случаи применения, принцип работы и примеры расчетов.

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.

Принцип работы

Делитель напряжения (ДН) является устройством, в котором осуществляется взаимосвязь выходного и входного U при помощи коэффициента передачи. Коэффициент передачи — отношение значений U на выходе и на входе делителя. Схема делителя напряжения проста и представляет собой цепочку из двух последовательно соединенных потребителей — радиоэлементов (резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности). По выходным характеристикам они отличаются.

У переменного тока существуют такие главные величины: напряжение, сила тока, сопротивление, индуктивность (L) и емкость (C). Формулы расчета основных величин электричества (U, I, R, C, L) при последовательном подключении потребителей:

1. Значения сопротивлений складываются;
2. Напряжения складываются;
3. Ток будет вычисляться по закону Ома для участка цепи: I = U / R;
4. Индуктивности складываются;
5. Емкость всей цепочки конденсаторов: C = (C1 * C2 * .. * Cn) / (C1 + C2 + .. + Cn).

Для изготовления простого резисторного ДН и используется принцип последовательно включенных резисторов. Условно схему можно разделить на 2 плеча. Первое плечо является верхним и находится между входом и нулевой точкой ДН, а второе — нижним, с него и снимается выходное U.

Сумма U на этих плечах равна результирующему значению входящего U. ДН бывают линейного и нелинейного типов. К линейным относятся устройства с выходным U, которое изменяется по линейному закону в зависимости от входной величины. Они применяются для задания нужных U в различных частях схем. Нелинейные применяются в функциональных потенциометрах. Их сопротивление может быть активным, реактивным и емкостным.

Кроме того, ДН может быть еще и емкостным. В нем используется цепочка из 2 конденсаторов, которые соединены последовательно.

Его принцип работы основан на реактивной составляющей сопротивления конденсаторов в цепи тока с переменной составляющей. Конденсатор обладает не только емкостными характеристиками, но и сопротивлением Xc. Это сопротивление называется емкостным, зависит от частоты тока и определяется по формуле: Xc = (1 / C) * w = w / C, где w — циклическая частота, C — значение конденсатора.

Циклическая частота вычисляется по формуле: w = 2 * ПИ * f, где ПИ = 3,1416, а f — частота переменного тока.

Конденсаторный, или емкостной, тип позволяет получать сравнительно большие токи, чем с резистивных устройств. Он получил широкое применение в высоковольтных цепях, в которых значение U необходимо снизить в несколько раз. Кроме того, он обладает существенным преимуществом — не перегревается.

Индуктивный тип ДН основан на принципе электромагнитной индукции в цепях тока с переменной составляющей. Ток протекает по соленоиду, сопротивление которого зависит от L и называется индуктивным. Его значение прямо пропорционально зависит от частоты переменного тока: Xl = w * L, где L — значение индуктивности контура или катушки.

Индуктивный ДН работает только в цепях с током, у которого есть переменная составляющая, и обладает индуктивным сопротивлением (Xl).

Преимущества и недостатки

Основными недостатками резистивного ДН являются невозможность его применения в высокочастотных цепях, существенное падение напряжений на резисторах и уменьшение мощности. В некоторых схемах нужно подбирать мощность сопротивлений, так как происходит существенный нагрев.

В большинстве случаев в цепях переменного тока применяются ДН с активной нагрузкой (резистивные), но с использованием компенсационных конденсаторов, подключенных параллельно к каждому из резисторов. Этот подход позволяет уменьшить нагрев, но не убирает основной недостаток, который заключается в потере мощности. Преимуществом является применение в цепях постоянного тока.

Для исключения потери мощности на резистивном ДН активные элементы (резисторы) следует заменить емкостными. Емкостный элемент относительно резистивного ДН обладает рядом преимуществ:

1. Применяется в цепях переменного тока;
2. Отсутствует перегрев;
3. Потеря мощности снижена, так как конденсатор не обладает, в отличие от резистора, мощностью;
4. Возможно применение в высоковольтных источниках напряжения;
5. Высокий коэффициент полезного действия (КПД);
6. Меньшие потери по I.

Недостатком является невозможность применения в схемах с постоянным U. Это связано с тем, что конденсатор в цепях с постоянным током не обладает емкостным сопротивлением, а лишь выступает в качестве емкости.

Индуктивный ДН в цепях с переменной составляющей также обладает рядом преимуществ, но его можно использовать и в цепях с постоянным значением U. Катушка индуктивности обладает сопротивлением, но из-за индуктивности этот вариант не подходит, так как происходит существенное падение U. Основные преимущества по сравнению с резистивным типом ДН:

1. Применение в сетях с переменным U;
2. Незначительный нагрев элементов;
3. Потеря мощности в цепях переменного тока меньше;
4. Сравнительно высокий КПД (выше емкостных);
5. Использование в высокоточной измерительной аппаратуре;
6. Обладает меньшей погрешностью;
7. Нагрузка, подключенная к выходу делителя, не влияет на коэффициент деления;
8. Потери по току меньше, чем у емкостных делителей.

К недостаткам следует отнести следующие:

1. Применение в сетях питания постоянного U приводит к существенным потерям по току. Кроме того, напряжение резко падает из-за расхода электрической энергии на индуктивность.
2. Выходной сигнал по частотным характеристикам (без применения выпрямительного моста и фильтра) изменяется.
3. Не применяется в высоковольтных цепях переменного тока.

Расчет делителя напряжения на резисторах конденсаторах и индуктивностях

После выбора типа делителя напряжения для расчета нужно воспользоваться формулами. При неверном расчете может сгореть само устройство, выходной каскад для усиления тока, потребитель. Последствия неправильных расчетов могут быть и хуже, чем выход из строя радиокомпонентов: пожар в результате короткого замыкания, а также поражение электрическим током.

При расчете и сборке схемы нужно четко соблюдать правила техники безопасности, проверять устройство перед включением на правильность сборки и не испытывать в сыром помещении (вероятность поражения током возрастает). Основной закон, используемый при расчетах, — закон Ома для участка цепи. Формулировка его следующая: сила тока прямо пропорциональна напряжению на участке цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. Запись в виде формулы выглядит следующим образом: I = U / R.

Алгоритм для расчета делителя напряжения на резисторах:

1. Общее напряжение: Uпит = U1 + U2, где U1 и U2 — значения U на каждом из резисторов.
2. Напряжения на резисторах: U1 = I * R1 и U2 = I * R2.
3. Uпит = I * (R1 + R2).
4. Ток без нагрузки: I = U / (R1 + R2).
5. Падение U на каждом из резисторов: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * Uпит и U2 = (R2 / (R1 + R2)) * Uпит.

Значения R1 и R2 должны быть в 2 раза меньше, чем сопротивление нагрузки.

Для расчета делителя напряжения на конденсаторах можно воспользоваться формулами: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Uпит и U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Uпит.

Аналогичны формулы для расчета ДН на индуктивностях: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Uпит и U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Uпит.

Делители применяются в большинстве случаев с диодным мостом и стабилитроном. Стабилитрон — полупроводниковый прибор, выполняющий роль стабилизатора U. Диоды следует выбирать с обратным U выше допустимого в этой цепи. Стабилитрон выбирается согласно справочнику для необходимого значения напряжения стабилизации. Кроме того, перед ним необходимо включить в схему резистор, так как без него полупроводниковый прибор сгорит.

Что такое индуктивность, в чём измеряется, основные формулы

Что такое резистор и для чего он нужен?

Как правильно рассчитать резистор для светодиода?

Закон Ома: формулировка, формулы, графическая интерпретация и применение

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Что такое конденсатор, где применяется и для чего нужен