Jännitteenjakaja - Voltage divider

Kuva 1: Yksinkertainen jännitteenjakaja

In elektroniikka , joka on jännitteen jakaja (tunnetaan myös mahdollinen jakaja ) on passiivinen lineaarinen piiri , joka tuottaa lähdön jännite ( V _out ), joka on murto-osa sen tulojännite ( V _in ). Jännitteen jako on tulos tulojännitteen jakamisesta jakajan komponenttien kesken. Yksinkertainen esimerkki jännitteenjakajasta on kaksi sarjaan kytkettyä vastusta , joiden tulojännite on kytketty vastusparin poikki ja lähtöjännite nousee niiden välisestä yhteydestä.

Vastus jännitteenjakajia käytetään yleisesti luoda viite jännitteet, tai vähentää suuruutta jännite, joten se voidaan mitata, ja niitä voidaan myös käyttää signaalin vaimentimet matalilla taajuuksilla. Tasavirralla ja suhteellisen matalilla taajuuksilla jännitteenjakaja voi olla riittävän tarkka, jos se on tehty vain vastuksista; missä tarvitaan taajuusvaste laajalla alueella (kuten oskilloskooppianturissa ), jännitteenjakajaan voidaan lisätä kapasitiivisia elementtejä kuorman kapasitanssin kompensoimiseksi. Sähkövoimansiirrossa kapasitiivista jännitteenjakajaa käytetään suurjännitteen mittaamiseen.

Yleinen tapaus

Jännitejakaja, johon viitataan maahan, luodaan kytkemällä kaksi sähköimpedanssia sarjaan, kuten kuvassa 1. Tulojännite kohdistetaan sarjaimpedansseille Z ₁ ja Z ₂ ja lähtö on Z _{2: n} välinen jännite . Z ₁ ja Z ₂ voi koostua minkä tahansa yhdistelmän elementtejä, kuten vastukset , induktorit ja kondensaattorit .

Jos lähtökaapelin virta on nolla, tulojännitteen V _in ja lähtöjännitteen V _out suhde on:

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {Z_ {2}} {Z_ {1}+Z_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}

Todiste (käyttäen Ohmin lakia ):

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {in}} = I \ cdot (Z_ {1}+Z_ {2})}

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = I \ cdot Z_ {2}}

{\ displaystyle I = {\ frac {V _ {\ mathrm {in}}} {Z_ {1}+Z_ {2}}}}

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = V _ {\ mathrm {in}} \ cdot {\ frac {Z_ {2}} {Z_ {1}+Z_ {2}}}}

Siirtofunktio (tunnetaan myös jakaja: n jännite-suhde ) on tämä piiri on:

{\ displaystyle H = {\ frac {V _ {\ mathrm {out}}} {V _ {\ mathrm {in}}}} = {\ frac {Z_ {2}} {Z_ {1}+Z_ {2}} }}

Yleensä tämä siirtofunktio on monimutkainen , järkevä toiminta ja taajuuden .

Esimerkkejä

Resistiivinen jakaja

Kuva 2: Yksinkertainen resistiivinen jännitteenjakaja

Resistiivinen jakaja on tapaus, jossa molemmat impedanssit Z ₁ ja Z ₂ ovat puhtaasti resistiivisiä (kuva 2).

Korvaamalla Z ₁ = R ₁ ja Z ₂ = R ₂ edelliseen lausekkeeseen saadaan:

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {R_ {2}} {R_ {1}+R_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}

Jos R ₁ = R ₂ niin

{\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {1} {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}

Jos V _out = 6V ja V _in = 9V (molemmat yleisesti käytetyt jännitteet), niin:

{\ displaystyle {\ frac {V _ {\ mathrm {out}}} {V _ {\ mathrm {in}}}} = {\ frac {R_ {2}} {R_ {1}+R_ {2}}} = {\ frac {6} {9}} = {\ frac {2} {3}}}

ja ratkaisemalla käyttämällä algebran , R ₂ on kaksi kertaa arvo R ₁ .

Ratkaisu R1: lle:

{\ displaystyle R_ {1} = {\ frac {R_ {2} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}} {V _ {\ mathrm {out}}}}-R_ {2} = R_ {2} \ cdot \ vasen ({{\ frac {V _ {\ mathrm {in}}} {V _ {\ mathrm {out}}}}-1} \ oikea)}

Ratkaise R2: lle:

{\ displaystyle R_ {2} = R_ {1} \ cdot {\ frac {1} {\ left ({{\ frac {V _ {\ mathrm {in}}} {V _ {\ mathrm {out}}}}- 1} \ oikea)}}}

Mikä tahansa suhde V _ulos / V _in suurempi kuin 1 ei ole mahdollista. Toisin sanoen, käyttäen vastuksia yksinään ei ole mahdollista joko inverttisokeri jännite tai lisäys V _ulos edellä V _in .

Alipäästösuodatin

Kuva 3: Vastus/kondensaattorin jännitteenjakaja

Harkitse jakajaa, joka koostuu vastuksesta ja kondensaattorista, kuten kuvassa 3 on esitetty.

Verrattuna yleiseen tapaukseen näemme Z ₁ = R ja Z ₂ on kondensaattorin impedanssi,

{\ displaystyle Z_ {2} =-\ mathrm {j} X _ {\ mathrm {C}} = {\ frac {1} {\ mathrm {j} \ omega C}} \,}

jossa X _C on kondensaattorin reaktanssi , C on kondensaattorin kapasitanssi , j on kuvitteellinen yksikkö ja ω (omega) on tulojännitteen radiaanitaajuus .

Tällä jakajalla on sitten jännitesuhde:

{\ displaystyle {\ frac {V _ {\ mathrm {out}}} {V _ {\ mathrm {in}}}} = {\ frac {Z _ {\ mathrm {2}}} {Z _ {\ mathrm {1}} +Z _ {\ mathrm {2}}}} = {\ frac {\ frac {1} {\ mathrm {j} \ omega C}} {{\ frac {1} {\ mathrm {j} \ omega C}} +R}} = {\ frac {1} {1+ \ mathrm {j} \ omega RC}} \.}

Tuotteen τ (tau) = RC kutsutaan aikavakio piiri.

Suhde riippuu sitten taajuudesta, tässä tapauksessa pienenee taajuuden kasvaessa. Tämä piiri on itse asiassa perus (ensimmäisen asteen) alipäästösuodatin . Suhde sisältää kuvitteellisen luvun ja sisältää itse asiassa sekä suodattimen amplitudi- että vaihesiirtotiedot . Jos haluat poimia vain amplitudisuhteen, laske suhteen suuruus , eli:

{\ displaystyle \ vasen | {\ frac {V _ {\ mathrm {out}}} {V _ {\ mathrm {in}}}} \ oikea | = {\ frac {1} {\ sqrt {1+(\ omega RC )^{2}}}} \.}

Induktiivinen jakaja

Induktiiviset jakajat jakavat AC -tulon induktanssin mukaan:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {L_ {2}} {L_ {1}+L_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}$

(komponentit samoissa paikoissa kuin kuva 2.)

Yllä oleva yhtälö koskee ei-vuorovaikutuksessa olevia induktoreita; molemminpuolinen induktanssi (kuten autotransformaattorissa ) muuttaa tuloksia.

Induktiiviset jakajat jakavat tasavirtatulon elementtien vastuksen mukaan, kuten yllä olevalla resistiivisellä jakajalla.

Kapasitiivinen jakaja

Kapasitiiviset jakajat eivät läpäise DC -tuloa.

AC -tulolle yksinkertainen kapasitiivinen yhtälö on:

${\ displaystyle V _ {\ mathrm {out}} = {\ frac {Xc_ {2}} {Xc_ {1}+Xc_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}} = {\ frac {1/ C_ {2}} {1/C_ {1}+1/C_ {2}}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}} = {\ frac {C_ {1}} {C_ {1}+C_ {2 }}} \ cdot V _ {\ mathrm {in}}}$

(komponentit samoissa paikoissa kuin kuva 2.)

Mikä tahansa vuotovirta kapasitiivisissa elementeissä vaatii yleisen lausekkeen käyttöä kahdella impedanssilla. Valitsemalla rinnakkaiset R- ja C -elementit oikeassa suhteessa sama jakosuhde voidaan säilyttää hyödyllisellä taajuusalueella. Tätä periaatetta käytetään kompensoiduissa oskilloskooppi -antureissa mittauskaistanleveyden lisäämiseksi.

Lataustehoste

Jännitteenjakajan lähtöjännite vaihtelee sen ulkoisen sähkökuorman syöttämän sähkövirran mukaan . Tehokas lähde impedanssi tulevat jakaja Z ₁ ja Z ₂ , kuten edellä, on Z ₁ on rinnakkain kanssa Z- ₂ (kirjoitetaan joskus Z ₁ // Z ₂ ), joka on: ( Z ₁ Z ₂ ) / ( Z- ₁ + Z ₂ ) = HZ ₁ .

Riittävän vakaan lähtöjännitteen saamiseksi lähtövirran on oltava joko vakaa (ja siten otettava osaksi mahdollisten jakaja -arvojen laskennassa) tai rajoitettava sopivasti pieneen prosenttiosuuteen jakajan tulovirrasta. Kuorman herkkyyttä voidaan pienentää pienentämällä jakajan molempien puoliskojen impedanssia, mutta tämä lisää jakajan hiljaista tulovirtaa ja johtaa suurempaan virrankulutukseen (ja hukkaan menevään lämpöön) jakajassa. Jännitteen säätimiä käytetään usein passiivisten jännitteenjakajien sijasta, kun on tarpeen ottaa huomioon suuret tai vaihtelevat kuormitusvirrat.

Sovellukset

Jännitteenjakajia käytetään signaalin tason säätämiseen, vahvistimien aktiivisten laitteiden esijännitykseen ja jännitteiden mittaamiseen. Wheatstonen sillan ja yleismittari sisältävät molemmat jännitesensoreilla. Potentiometri käytetään muuttuva jännite jakaja äänenvoimakkuus monien radiot.

Anturin mittaus

Jännitteenjakajia voidaan käyttää, jotta mikro -ohjain voi mitata anturin vastuksen. Anturi on kytketty sarjaan tunnetulla vastuksella jännitejakajan muodostamiseksi, ja jakajan poikki syötetään tunnettu jännite. Mikro-ohjaimen analogia-digitaalimuunnin on kytketty jakajan keskiventtiiliin, jotta se voi mitata hanajännitteen ja laskea anturin resistanssin käyttämällä mitattua jännitettä ja tunnettua vastusta ja jännitettä. Yleisesti käytetty esimerkki sisältää potentiometrin (muuttuva vastus) yhtenä resistiivisistä elementeistä. Kun potentiometrin akselia pyöritetään, sen tuottama vastus joko kasvaa tai pienenee, vastuksen muutos vastaa akselin kulmamuutosta. Jos siihen on liitetty vakaa jänniteohje, lähtöjännite voidaan syöttää analogia-digitaalimuuntimeen ja näyttö voi näyttää kulman. Tällaisia piirejä käytetään yleisesti lukuohjaimissa. Huomaa, että on erittäin hyödyllistä, että potentiometrillä on lineaarinen kartio, koska mikro-ohjaimen tai muun piirin, joka lukee signaalin, on muutoin korjattava epälineaarisuus laskelmissaan.

Suurjännitteen mittaus

Suurjännite (HV) vastusjakajan anturi. Mitattava HV (V _IN ) kohdistetaan koronapallon anturin kärkeen ja maa on kytketty jakajan toiseen päähän mustan kaapelin kautta. Jakajan lähtö (V _OUT ) näkyy kaapelin vieressä olevassa liittimessä.

Jännitteenjakajaa voidaan käyttää erittäin korkean jännitteen pienentämiseen niin, että se voidaan mitata voltimittarilla . Korkea jännite kohdistuu jakajaan, ja jakajan ulostulo - joka antaa matalamman jännitteen, joka on mittarin syöttöalueella - mitataan mittarilla. Erityisesti tätä tarkoitusta varten suunniteltuja suurjännitevastuksen jakajasondeja voidaan käyttää jopa 100 kV: n jännitteiden mittaamiseen. Tällaisissa antureissa käytetään erityisiä suurjännitevastuksia, koska niiden on kestettävä korkeat tulojännitteet ja niiden on oltava sopivien lämpötilakertoimien ja erittäin pienjännitekertoimien tuottamiseksi. Kapasitiivisia jakaja -antureita käytetään tyypillisesti yli 100 kV: n jännitteille, koska vastuksenjakajien mittalaitteiden tehohäviöiden aiheuttama lämpö voi olla liian korkea.

Logiikan tason muutos

Jännitteenjakajaa voidaan käyttää raakana logiikan tasonsiirtimenä kahden piirin liittämiseksi eri käyttöjännitteisiin. Esimerkiksi jotkut logiikkapiirit toimivat 5 V: lla, kun taas toiset toimivat 3,3 V. 5 V: n logiikkalähdön liittäminen suoraan 3,3 V: n tuloon voi vahingoittaa pysyvästi 3,3 V: n piiriä. Tässä tapauksessa voidaan käyttää jännitteenjakajaa, jonka lähtösuhde on 3,3/5, vähentämään 5 V: n signaalin 3,3 V: ksi, jotta piirit voivat toimia yhdessä vahingoittamatta 3,3 V: n piiriä. Jotta tämä olisi mahdollista, 5 V: n lähdeimpedanssin ja 3,3 V: n tuloimpedanssin on oltava vähäpätöisiä tai niiden on oltava vakioita ja jakajan vastuksen arvojen on vastattava niiden impedansseja. Jos tuloimpedanssi on kapasitiivinen, puhtaasti resistiivinen jakaja rajoittaa datanopeutta. Tämä voidaan karkeasti voittaa lisäämällä kondensaattori sarjaan ylemmän vastuksen kanssa, jotta jakajan molemmat jalat ovat kapasitiivisia ja resistiivisiä.

Languages

In other projects