Некоторое время назад, мы рассматривали такую интересную штуку, как умножитель напряжения — он часто используется и позволяет минимальными средствами, удваивать напряжение на каждом каскаде.
Однако на практике, с завидным постоянством возникает и абсолютно противоположная задача — уменьшение напряжения! :-) Причём для этой задачи существует множество решений, где одно из них стоит особняком, в виду своей способности решить задачу, также, как и умножитель, минимальными средствами.
Посмотрим, что же это такое…
Но до начала рассказа, следует оговориться, что, на мой взгляд, одним из наиболее простых и универсальных решений для практического технического творчества является использование разнообразных dc-dc преобразователей, например, хорошо известный многим mt3608, где вращением ручки потенциометра можно менять выходное напряжение от уровня (2-24 В) входного напряжения до 28 В.
Однако, не всегда это удобно, и самый яркий пример этого — сборка компактных устройств (я сам как раз столкнулся с этим в данный момент): да, dc-dc преобразователь в этом случае использовать конечно удобно (да и цена в менее чем 100 руб вполне себе располагает), но его просто банально некуда разместить!
Поэтому, волей-неволей иногда приходится переходить к более компактным решениям, о чём и будет ниже... К тому же, понимать принципы, как получить низкое напряжение таким способом, может быть весьма полезно само по себе, даже в познавательных целях! ;-)
Принцип работы делителя основан на открытиях Георга Ома, который выявил зависимость между напряжением, силой тока и сопротивлением, одним из следствий чего и явилось создание одного из самых простых типов устройств для понижения напряжения — делителя напряжения.
Суть такого устройства крайне проста: в базовой своей концепции он представлен двумя последовательно соединёнными резисторами, на которые подаётся напряжение питания:
Все компоненты делителя взаимосвязаны, и подчиняются следующей формуле (соответственно, могут быть вычислены через неё):
Резистивный делитель напряжения работает и с постоянным током, и с переменным — то есть, является достаточно универсальным устройством.
Принципиальный момент: если ранее, в умножителе напряжения, мы говорили об удвоении напряжения на каждом каскаде, то здесь, в случае делителя, напряжение не уменьшается в два раза (или, в какое-то иное фиксированное количество раз), — более правильно будет сказать, что оно может меняться пропорционально изменению номиналов резисторов.
Занятно, что упомянутый ранее mt3608 как раз и ��редставляет собой сборку на основе резистивного делителя напряжения: в основе его конструкции находится подстроечный резистор BOURNS 3296, с тремя выводами, где вращение ручки уменьшает сопротивление одного резистора и увеличивает другого и наоборот.
Почему три вывода, мы уже понимаем — если мы ещё раз взглянем на общую схему резистивного делителя выше, то мы увидим, что это всего лишь точка соединения двух резисторов между собой и их выводы по бокам!
Теперь, что касается подбора номиналов резисторов — если мы не берём готовый dc-dc преобразователь, а собираем свой собственный делитель, то тут, подбор будет довольно тонким моментом. ;-)
Проблема здесь заключается вот в чём: мы ведь собираем делитель не просто так, «чтобы поразвлечься», а для какой-то вполне конкретной цели, например, подключить к выводам делителя некую полезную нагрузку.
Соответственно, эта подключаемая нагрузка будет иметь некое своё сопротивление, и, если мы опять посмотрим на общую схему делителя, то мы увидим, что наша нагрузка фактически будет подключена параллельно резистору R2.
А что происходит, когда резисторы подключаются параллельно? Верно — общее сопротивление этого участка падает, соответственно, падает и напряжение!
В этом легко убедиться, если взять формулу закона Ома, и попробовать подставлять туда свои значения (так как нам интересно напряжение, то формула трансформируется в вид U = I*R), проделав следующие шаги:
Вы можете попробовать посчитать напряжение на выходе делителя, если бы не было нагрузки (т.е. резистор R2 один и никаких параллельных подключений больше нет);
Вычислить напряжение на входе вашего устройства, которое будет подключено к этому делителю — таким образом, параллельно резистору R2 появится ещё какая-то ваша нагрузка.
Если эта нагрузка по номиналу будет равна R2, то можно вычислить, насколько при таком параллельном подключении упадёт сопротивление, по формуле R2/2; однако, это весьма редкий случай, и, наверняка, ваша подключаемая нагрузка будет отличаться по номиналу от резистора R2, тогда, вычисление сопротивления нужно произвести по более сложной формуле: R = R1*R2 / (R1+R2);На последнем шаге сравните два напряжения, которые у вас получились — нетрудно понять, что по формуле U = I*R, если у вас сопротивление уменьшается, то уменьшается и напряжение…
То есть, вывод из всего этого такой, что при подборе сопротивлений резисторов делителя, нужно ориентироваться на то, какого сопротивления у вас подключается нагрузка.
Но, у вас сразу должен возникнуть вопрос, а как вообще раздобыть эти данные, так как сопротивление ведь нигде не указывается, если мы имеем в виду некий готовый покупной аппарат!
На самом деле всё достаточно просто: если мы знаем номинальный ток питания и напряжение, которое потребляет это устройство — по формуле Ома, ссылка на которую была выше, мы можем выразить R = U/I. Вот и все!
Теперь мы можем легко узнать, какое падение напряжения будет при наших номиналах резисторов и подобрать их таким образом, чтобы это падение было не критичным для функционирования устройства...
Делитель напряжения обычно используют для подключения слаботочной нагрузки — каких-то датчиков, сенсоров, возможно (даже) микроконтроллеров, так как для подключения мощной нагрузки он не особо годится: будет слишком большое рассеяние мощности на резисторах, в виде тепла.
Кроме того, выходное напряжение такого делителя при подключении силовой нагрузки будет сильно плавать, так как у силовых цепей величина протекающего тока постоянно варьируется в довольно широких пределах (запустили двигатель, остановили двигатель и т.д).
Что касается конкретного полезного применения делителя, то я, например, применял его весьма классическим образом: для замера уровня заряда аккумулятора (довольно частая задача, кстати, и практически постоянно требуется в различных самодельных устройствах).
Для этого, я подключал аккумулятор через делитель к микроконтроллеру, что позволяло понизить напряжение аккумулятора до безопасного уровня, после чего, микроконтроллер программно считывал уровни напряжения с помощью АЦП.
Чтобы минимизировать ток утечки, я использовал резисторы достаточно большого номинала (если память не изменяет, что-то в районе 100 кОм), таким образом, цепь потребляла весьма ничтожный ток, и позволяла постоянно быть в курсе уровня заряда аккумулятора.
Интересно, что делитель напряжения резистивного типа не является единственным возможным типом, так как у него тоже есть свои проблемы — кроме описанных выше, они касаются работы на больших частотах (могу ошибаться, но что-то в районе МГц и выше), даже ничтожная ёмкость схемы начинает играть роль, искажая сигнал.
Для высоких частот и для переменного тока можно использовать другой тип делителя, который выгодно отличается от резистивного тем, что не рассеивает мощность в виде тепла и, в качестве его элементов используются не резисторы, а биполярные конденсаторы, где их подключение абсолютно аналогично тому, которое мы видели выше, для резисторов:
Такого рода делители применяют на высоких частотах именно потому, что на такой частоте требуются конденсаторы малой ёмкости, тогда как если бы подобный делитель попробовать использовать для низких частот, то пришлось бы применять конденсаторы довольно большой ёмкости, что может быть накладно (как минимум, по габаритам).
Казалось бы, и всё? А вот и нет!
Есть как минимум и ещё один тип делителя: индуктивный делитель напряжения, где подключение катушек абсолютно аналогично тому, что мы видели выше, на примере резистивного делителя.
Однако, такой тип используется весьма редко, и гораздо чаще используются другая версия, где две и более катушек намотаны на едином магнитопроводе — другими словами, мы говорим о трансформаторе!
Меняя индуктивность одной из катушек, можно весьма точно регулировать выходное напряжение такого делителя.
Одним из самых простых вариантов такого трансформатора, с изменением индуктивности катушки, является реализация конструкции с ползунком, который перемещается по специально оголенной части обмотки, уменьшая/увеличивая количество витков, задействованных в катушке.
Вспоминаю из своего детства, что у бабушки был телевизор, который питался через подобного типа трансформатор, где именно бегущий ползунок задействовал разное количество витков — то есть, использовался принцип (в части взаимодействия катушки и ползунка), аналогичный тому, который применяется в реостатах:
Однако, подобная конструкция — это не предел мечтаний: существует и гораздо более прогрессивный вариант, где две катушки размещаются одна в другой, и, одна из них может вращаться — подобная конструкция называется вариометр:
При коллинеарном размещении, их поля складываются и эффективность максимальна (т.е. выходное напряжение); при повороте же внутренней катушки на некоторый угол, напряжение плавно уменьшается, вплоть до полного пропадания — в положении взаимного вычитания магнитных полей катушек (когда катушки коллинеарны, но развёрнуты на 180° относительно друг друга).
Подключение катушек в таком устройстве относительно друг друга осуществляется последовательно, как и положено для делителей…
Ну и, напоследок, думается будет интересным отметить тот факт, что на делителях строили в прошлом весьма сложные конструкции, которые позволяли получать напряжение, с весьма малым шагом: например, в истории известен делитель Кельвина-Варли, разработанн��й ещё в конце XIX века и позволяющий (в теории), получить сколь угодно малый шаг изменения напряжения, так как это зависит всего лишь от количества каскадов и количества блоков в каждом каскаде.
Примерная архитектура подобного устройства показана на картинке в «шапке» статьи.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
