محاسب تقسیم کننده ولتاژ - ولتاژ خروجی و مقادیر مقاومت
محاسبه ولتاژ خروجی، مقادیر مقاومت و جریان برای مدارهای تقسیم کننده ولتاژ. ماشین حساب الکترونیک آنلاین رایگان برای نتایج فوری. بدون ثبت نام.
تقسیم کننده ولتاژ چیست؟
تقسیم کننده ولتاژ یکی از ساده ترین و مفیدترین مدارها در الکترونیک است - دو مقاومت در سری که ولتاژ را به کسری کوچکتر تقسیم می کنند. اگر به 3.3 ولت از یک منبع 5 ولت نیاز دارید، یا می خواهید خروجی سنسور را برای یک ورودی ADC مقیاس بندی کنید، تقسیم کننده ولتاژ راه حل شما است.
فرمول ولتاژ خروجی:Vout = Vin x R2 / (R1 + R2)
جایی که R1 مقاومت بالا (بین Vin و Vout) است و R2 مقاومت پایین (بین Vout و زمین) است. نسبت R2 / ((R1 + R2) تعیین می کند که چه کسری از ورودی در خروجی ظاهر می شود.
تقسیم کننده های ولتاژ بلوک های اساسی ساختمانی هستند که در هر دوره مقدماتی الکترونیک آموزش داده می شوند. آنها در کاربردهای بی شماری ظاهر می شوند - از تولید ولتاژ مرجع ساده تا زنجیره های پیچیده شرایط سیگنال آنالوگ. درک رفتار، محدودیت ها و تعادل های طراحی آنها برای هر کسی که با مدار کار می کند ضروری است.
فرمول های تقسیم کننده ولتاژ
| پیدا کردن | فرمول | داده شده |
|---|---|---|
| ولتاژ خروجی | Vout = Vin x R2 / (R1 + R2) | وین، R1، R2 |
| R1 (مقاومت بالا) | R1 = R2 x (Vin/Vout - 1) | وین، ووت، آر 2 |
| R2 (مقاومت پایین) | R2 = R1 x Vout / (Vin - Vout) | وین، ووت، آر 1 |
| جریان از طریق جدا کننده | I = Vin / (R1 + R2) | وین، R1، R2 |
| قدرت از بین رفته | P = Vin2 / (R1 + R2) | وین، R1، R2 |
مثال: Vin = 12V، R1 = 10kΩ، R2 = 5kΩ: Vout = 12 x 5000/(10000+5000) = 12 x 0.333 =4V. جریان = 12/15000 = 0.8mA. قدرت = 122/15000 = 9.6mW.
اخذ فرمول تقسیم کننده ولتاژ
فرمول تقسیم کننده ولتاژ به طور مستقیم از قانون اوم و قانون ولتاژ Kirchhoff (KVL) می آید. این است مشتق:
- R1 و R2 در سری هستند، بنابراین همان جریان از طریق هر دو جریان می رود:I = Vin / (R1 + R2)
- ولتاژ در R2 (که Vout است) از قانون اوه پیروی می کند:Vout = I x R2
- جايگزين شدن:Vout = (Vin / (R1 + R2)) x R2 = Vin x R2 / (R1 + R2)
این فرض می کند که هیچ جریان از خروجی (تقسیم کننده بدون بار) کشیده نمی شود. در عمل ، هر بار متصل به Vout جریان را جذب می کند ، که مقاومت موثر را تغییر می دهد و Vout را کاهش می دهد - ایناثر بارگذاریکه در زیر پوشش داده شده است.
انتخاب مقادیر مقاومت
انتخاب مقدار مقاومت شامل تعادل بین مصرف برق، اثرات بارگذاری و سر و صدا است:
- مقادیر مقاومت کم(100Ω - 1kΩ): حداقل اثر بارگذاری، اما جریان بالا و تباه شدن قدرت. برای مدارهای قدرت بحرانی مناسب است.
- مقادیر متوسط(1kΩ - 100kΩ): بهترین تعادل برای اکثر برنامه های کاربردی. برای رابط های حسگر و تغییر سطح منطقی رایج است.
- مقادیر مقاومت بالا(100kΩ - 1MΩ): مصرف جریان بسیار کم، اما حساس به سر و صدا و بارگذاری از مدارهای پایین جریان است.
برای ورودی های ADC میکروکنترلر ، از مقاومت کل 10kΩ - 100kΩ استفاده کنید. اگر بار شما جریان قابل توجهی (< 10x جریان تقسیم کننده) را جذب کند ، یک تقسیم کننده ولتاژ به تنهایی خروجی پایدار را حفظ نخواهد کرد - به جای آن از یک تنظیم کننده ولتاژ یا بافر op-amp استفاده کنید.
مقادیر استاندارد مقاومت (سری E24 و E96)
مقاومت های واقعی در مقادیر استاندارد تعریف شده توسط استاندارد IEC 60063 ارائه می شوند. شما نمی توانید یک مقاومت خودسرانه بخرید - شما باید از مجموعه های موجود انتخاب کنید یا مقاومت ها را ترکیب کنید.
| سری | تحمل پذیری | مقادیر در هر دهه | نمونه (1kΩ دهه) |
|---|---|---|---|
| E12 | +/-10% | 12 | ۱.۰k، ۱.۲k، ۱.۵k، ۱.۸k، ۲.۲k، ۲.۷k، ۳.۳k، ۳.۹k، ۴.۷k، ۵.۶k، ۶.۸k، ۸.۲k |
| E24 | +/- 5٪ | 24 | اضافه کردن 1.1k، 1.3k، 1.6k، 2.0k، 2.4k، 3.0k، 3.6k، 4.3k، 5.1k، 6.2k، 7.5k، 9.1k |
| E96 | +/-1٪ | 96 | دانه های ریز: 1.00k، 1.02k، 1.05k، 1.07k، 1.10k، ... |
هنگام طراحی یک تقسیم کننده ولتاژ ، نزدیک ترین مقادیر استاندارد را انتخاب کنید و مطمئن شوید که خروجی در محدوده تحمل شما است. به عنوان مثال ، برای دریافت 3.3 ولت از 5 ولت:
- نسبت ایده آل:R2/(R1+R2) = 3.3/5 = 0.66
- با مقادیر E24:R1 = 5.1kΩ، R2 = 10kΩ -> Vout = 5 x 10/(5.1+10) = 3.311V (0.3% خطا)
- گزینه ی دیگه:R1 = 1kΩ، R2 = 2kΩ -> Vout = 5 x 2/3 = 3.333V (1٪ خطا)
کاربردهای مشترک جدا کننده ولتاژ
| کاربرد | مثال | یادداشت ها |
|---|---|---|
| تبدیل سطح منطقی | 5V تا 3.3V برای Arduino/ESP32 | از مقاومت ها استفاده کنید؛ برای سیگنال ها تغییر سطح دو طرفه را در نظر بگیرید. |
| اندازه گیری سنسور | حسگر 0 - 10 ولت -> 0 - 3.3 ولت ADC | نسبت باید با محدوده سنسور با محدوده ADC مطابقت داشته باشد |
| نظارت بر ولتاژ باتری | باتری 12 ولت -> پین 3.3 ولت ADC | اضافه کردن خازن جداسازی در خروجی |
| تولید ولتاژ تعصب | تنظیم ولتاژ مرجع op-amp | از خازن بزرگ براي صداي کم استفاده کنيد |
| پتانسیمتر | جدا کننده ولتاژ متغیر | R2 متغیر است، اجازه می دهد تنظیم Vout |
نمونه طراحی: مانیتور ولتاژ باتری
یک پروژه مشترک، نظارت بر یک باتری 12 ولت خودرو با یک ADC 3.3 ولت میکروکنترلر است. در اینجا فرآیند طراحی کامل است:
- الزامات:مقیاس 0 - 15 ولت (بهترین ولتاژ باتری در حین شارژ) تا 0 - 3.3 ولت
- نسبت تقسیم کننده:3.3/15 = 0.22
- R2/(R1+R2) = 0.22بنابراین R1/R2 = (1-0.22)/0.22 = 3.545
- R2 = 10kΩ را انتخاب کنید، پس R1 = 35.45kΩ -> نزدیکترین E96 =35.7kΩ
- بررسی کنید:Vout = 15 x 10/(35.7+10) = 3.279V (در زیر 3.3V، امن برای ADC)
- جریان:I = 15/45.7kΩ = 0.328mA (تلاشی ناچیز در باتری)
- یک خازن سرامیکی 100nF اضافه کنیداز طریق R2 برای فیلتر کردن صدا
- اضافه کردن دیود Zener (3.3V)از طریق R2 برای محافظت از ولتاژ بالا
خازن و Zener اقدامات ایمنی ضروری هستند. بدون Zener، افزایش ولتاژ در سیستم الکتریکی خودرو می تواند پین ADC میکروکنترلر را از بین ببرد. خازن صداهای فرکانس بالا را از آلترناتور و سیستم اشتعال فیلتر می کند.
نمونه طراحی: سطح منطقی 5V تا 3.3V
تبدیل خروجی 5 ولت به ورودی 3.3 ولت رایج ترین کاربرد تقسیم کننده ولتاژ در سیستم های جاسازی شده است:
| R1 | R2 | Vout در 5V | اشتباه | جریان | مناسب بودن |
|---|---|---|---|---|---|
| 1kΩ | 2kΩ | 3.333 ولت | +1.0% | 1.67mA | برای اکثر GPIO/I2C مناسب است |
| 3.3kΩ | 5.6kΩ | 3.146 ولت | -4.7 درصد | 0.56mA | باشه، اما در سمت پایین |
| 5.1kΩ | 10kΩ | 3.311 ولت | +0.3 درصد | 0.33mA | عالی برای ADC/سیگنال های آهسته |
| 10kΩ | 20kΩ | 3.333 ولت | +1.0% | 0.17mA | قدرت کم، سرعت سیگنال چک |
| 47kΩ | 100kΩ | 3.401 ولت | +3.1% | 0.034mA | قدرت بسیار کم، فقط سیگنال های آهسته |
توجه به سرعت سیگنالیک تقسیم کننده ولتاژ همراه با ظرفیت ورودی پین گیرنده یک فیلتر کم گذر RC را تشکیل می دهد. با R1 = 10kΩ و ظرفیت ورودی 15pF ، ثابت زمان 0.15μs است و انتقال سیگنال تمیز را تقریباً به 1MHz محدود می کند. برای SPI (10+ MHz) یا UART سریع (1+ Mbps) ، به جای آن از یک IC تغییر سطح اختصاصی (TXB0108 ، 74LVC245) استفاده کنید.
توضیح اثر بارگذاری
هنگامی که شما یک مقاومت بار (RL) به خروجی یک تقسیم کننده ولتاژ، RLبه طور موازی با R2 ظاهر می شود. مقاومت موثر پایین می شود:
R2اف اف= (R2 x RL) / (R2 + RL)
این همیشه Vout را کاهش می دهد. خطا به نسبت R بستگی دارد.Lبه R2:
| RL/ نسبت R2 | خطای Vout | قابل قبول؟ |
|---|---|---|
| صد برابر | <1% | عالیه، بارگیری بی اهمیته |
| ده برابر | ~9 درصد | حاشیه -- محاسبه مجدد یا بافر |
| 3× | -25 درصد | قابل قبول نیست -- از بافر آپ-آمپ استفاده کنید |
| 1× | ~50 درصد | جدا کننده اینجا بی فایده است |
قانون انگشت:مقاومت بار باید حداقل10x R2برای تقسیم کننده ولتاژ برای حفظ دقت معقول. ورودی های ADC میکروکنترلر به طور معمول دارای امپدانس ورودی >1MΩ هستند ، بنابراین یک تقسیم کننده ولتاژ 10kΩ به طور کامل کار می کند. اما رانندگی یک LED (که میلی آمپر را جذب می کند) از یک تقسیم کننده ولتاژ به طور کامل شکست خواهد خورد.
تحمل مقاومت و دقت خروجی
تحمل مقاومت به طور مستقیم بر دقت خروجی تقسیم کننده ولتاژ شما تاثیر می گذارد.
| تحمل مقاومت | بدترین خطای Vout | سری | هزینه |
|---|---|---|---|
| +/- 5٪ (E24) | تا +/-10% | فیلم کربن، معمولی | 0.01 - 0.03 دلار |
| +/-1٪ (E96) | تا +/-2٪ | فیلم فلزی، استاندارد | 0.02 - 0.05 دلار |
| +/-0.1% (E192) | تا +/- 0.2٪ | فیلم نازک دقیق | $0.10 - 0.50 |
| +/-0.01% | تا +/- 0.02٪ | دقت فوق العاده | ۱ تا ۵ دلار |
برای اکثر برنامه های کاربردی سرگرمی و عمومی، مقاومت های ۱٪ (E96) بهترین مبادله هزینه و عملکرد هستند. برای طراحی آنالوگ دقیق ( تقویت کننده های ابزار، مدارهای مرجع) ، از ۰.۱٪ یا بهتر استفاده کنید یا از یک IC تقسیم کننده ولتاژ دقیق اختصاصی مانند Analog Devices LT5400 استفاده کنید.
اثرات دما بر جدا کننده های ولتاژ
مقادیر مقاومت با درجه حرارت تغییر می کنند، که باضریب مقاومت دمای (TCR)، اندازه گیری شده در ppm/ درجه سانتیگراد:
| نوع مقاومت | TCR معمولی (ppm/ درجه سانتیگراد) | تاثیر بیش از 50 درجه سانتیگراد |
|---|---|---|
| ترکیب کربن | +/-1,500 | +/-7.5٪ تغییر مقاومت |
| فیلم کربن | +/-200 تا +/-500 | +/-1 - 2.5% |
| فیلم فلزی (استاندارد) | +/-50 تا +/-100 | +/- 0.25 - 0.5% |
| فیلم نازک دقیق | +/-5 تا +/-25 | +/- 0.025 - 0.125% |
| سیم پیچ (دقیق) | +/-5 تا +/-10 | +/- 0.025 - 0.05٪ |
اگر R1 و R2 از همان نوع باشند و در تماس حرارتی (هر دو در همان سطح PCB) باشند ، مقاومت آنها با هم حرکت می کنند ونسبتحتی با تغییر مقادیر مطلق، نسبتاً ثابت باقی می ماند.ردیابی نسبتبرای کارهای دقیق، آرایه های مقاومت (مقاومت های متعدد در یک بسته) را خریداری کنید که ردیابی نسبت دقیق را تضمین می کند.
تقسیم کننده های ولتاژ ظرفیت دار
همانطور که مقاومت ها ولتاژ DC را تقسیم می کنند ، خازن ها ولتاژ AC را تقسیم می کنند. در یک تقسیم کننده خازنی ، فرمول معکوس است زیرا واکنش خازنی معکوس به خازنی متناسب است:
Vout = Vin x C1 / (C1 + C2)
توجه داشته باشید که C1 در شمارنده است (نه C2 همانطور که در فرمول مقاومت است) ، زیرا خازن با ظرفیت کمتر ولتاژ بیشتری را کاهش می دهد. یک تقسیم کننده خازنی هیچ جریان DC ( ایده آل) را جذب نمی کند و در مدارهای اندازه گیری AC با امپدانس بالا مفید است.
| املاک | تقسیم کننده مقاوم | جداکننده ی خازنی |
|---|---|---|
| با واشنگتن کار ميکنه؟ | آره | نه (بلاک DC) |
| با AC کار مي کنه؟ | بله (به فرکانس وابسته نیست) | بله (نسب مستقل از فرکانس) |
| از بین بردن قدرت | خسارات I2R (مستمر) | در حالت ایده آل صفر (قدرت واکنش) |
| اثر بارگذاری | R_load موازی با R2 | C_load در سری با C2 |
| کاربرد معمولی | مرجع DC، مقیاس بندی سیگنال | اندازه گیری HV، ساندهای نوسانگر |
پروب های اسیلوسکوپ هر دو را ترکیب می کنند:تقسیم کننده ولتاژ جبران شدهاز تقسیم کننده های مقاوم و خازنی تطبیق یافته استفاده می کند ، بنابراین نسبت کاهش در تمام فرکانس ها ثابت است. خازن تریمر قابل تنظیم بر روی پروب ، خازن ورودی نوسانگر را جبران می کند.
جدا کننده های ولتاژ چند مرحله ای
شما می توانید تقسیم کننده های ولتاژ را برای نسبت های کاهش بزرگتر تقسیم کنید. با این حال، هر مرحله نسبت قبلی را بارگذاری می کند، بنابراین نسبت کلی به سادگی محصول نسبت های فردی نیست مگر اینکه بافر شود:
جدا کننده دو مرحله ای بدون بافر:R1 + R2 مرحله دوم به عنوان بار در مرحله اول عمل می کند. خروجی واقعی باید با استفاده از مدارهای معادل Thévenin برای هر مرحله محاسبه شود.
جدا کننده دو مرحله ای با بافر:یک دنبال کننده ولتاژ op-amp (بافر افزایش واحد) بین مراحل بارگذاری را از بین می برد. خروجی مرحله 1 ورودی بافر را تغذیه می کند (در اصل امپدانس بی نهایت) ، و خروجی بافر مرحله 2 را هدایت می کند. این تضمین می کند که نسبت کلی = نسبت مرحله 1 × نسبت مرحله 2 است.
برای اکثر طراحی های عملی ، یک جدا کننده تک مرحله ای کافی است. جدا کننده های چند مرحله ای عمدتاً در ابزارهای اندازه گیری دقیق ، سنجش ولتاژ بالا و مدارهای افزایش قابل برنامه ریزی با استفاده از شبکه های مقاومت سوئیچ استفاده می شوند.
اشتباهات رایج طراحی و چگونگی اجتناب از آنها
| اشتباه | پیامد | راه حل |
|---|---|---|
| استفاده از تقسیم کننده ولتاژ برای تغذیه یک دستگاه | قطرات Vout تحت بار؛ دستگاه ممکن است از کار افتاده و یا undervolt | از یک تنظیم کننده ولتاژ استفاده کنید (LDO یا سوئیچینگ) |
| نادیده گرفتن مقاومت بار | ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ محاسبه شده | اطمینان حاصل کنید که R_load >= 10 x R2 باشد؛ در صورت لزوم بافر اضافه کنید |
| استفاده از مقاومت های 5 درصدی برای دقت | خروجی ممکن است 10 درصد از هدف باشد | استفاده از 1٪ (E96) یا بهتر؛ مقاومت واقعی را اندازه گیری کنید |
| هیچ حفاظ ورودی | نوک های ولتاژ IC پایین جریان را از بین می برند | اضافه کردن دیود Zener و/یا دیود TVS در R2 |
| مقاومت های با ارزش بالا در نزدیکی منابع پر سر و صدا | ضبط صدا در Vout | از مقاومت پایین تر استفاده کنید؛ خازن جداسازی را اضافه کنید |
| فراموش کردن قدرت درجه بندی | مقاومت بیش از حد گرم شده یا سوخته | P = Vin2/(R1+R2) را محاسبه کنید؛ از قطعات مناسب استفاده کنید. |
میدونستی؟
- پتانسیومتر (مقاومت متغیر) اساساً یک تقسیم کننده ولتاژ با یک شیر قابل تنظیم است -- به همین دلیل است که آن را "دانه" نیز می نامند.
- یک تقسیم کننده ولتاژ تنها زمانی به عنوان یک منبع برق کار می کند که مقاومت بار بسیار بزرگتر از مقاومت تقسیم کننده باشد. هنگامی که به شدت بارگذاری می شود ، Vout به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
- تقسیم کننده های ولتاژ تقریبا در هر مدار که سیگنال های ولتاژ بالا را با میکروکنترلر ها و سنسورهای ولتاژ پایین متصل می کند استفاده می شود.
- پل Wheatstone -- که اساس اکثر کشش سنجها، سلول های بارگذاری، و مدارهای اندازه گیری دقیق است -- اساسا دو تقسیم کننده ولتاژ در مقایسه با یکدیگر است. تغییر در یک مقاومت، این پل را از تعادل خارج می کند، و یک تفاوت ولتاژ قابل اندازه گیری ایجاد می کند.
سوالات متداول
مي تونم از يه جدا کننده ولتاژ استفاده کنم تا يه دستگاه رو به قدرت برسونم؟
به طور کلی نه - نه برای هر چیزی که جریان قابل توجهی را جذب می کند. ولتاژ خروجی یک تقسیم کننده ولتاژ زمانی که جریان کشیده می شود کاهش می یابد، زیرا بار به طور موثر به صورت موازی R2 می شود. برای دستگاه های قدرت، از یک تنظیم کننده ولتاژ خطی (مانند LM7805) یا تنظیم کننده سوئیچ استفاده کنید. تقسیم کننده های ولتاژ برای تنظیم ولتاژ های مرجع برای ورودی های با امپدانس بالا مانند پین های ADC یا ورودی های آپ-آمپ بهترین هستند.
چطور منطق 5 ولت رو به 3.3 ولت تبدیل کنم؟
از R1 = 1kΩ و R2 = 2kΩ استفاده کنید: Vout = 5 x 2/(1+2) = 3.33V. این برای سیگنال های آهسته مانند I2C یا GPIO کار می کند. برای سیگنال های سریع (SPI ، UART در نرخ baud بالا) ، از یک تراشه سطح مبدل اختصاصی (مانند TXB0108 یا 74LVC245) استفاده کنید. روش تقسیم کننده ولتاژ تاخیر RC را معرفی می کند که می تواند سیگنال های سریع را خراب کند.
چه مقاومتی باید استفاده کنم؟
برای اکثر کاربردهای تقسیم کننده ولتاژ، مقاومتهای با تحمل 1٪ (سری E96) توصیه می شود. مقاومتهای استاندارد 5٪ (E24) تنوع کافی دارند که ولتاژ خروجی واقعی می تواند تا 10٪ از ولتاژ محاسبه شده متفاوت باشد. برای مدارهای دقیق، از مقاومتهای 0.1٪ یا IC تقسیم کننده ولتاژ دقیق اختصاصی استفاده کنید.
اثر بارگذاری چیست؟
هنگامی که شما یک بار را به خروجی یک تقسیم کننده ولتاژ متصل می کنید، مقاومت بار به طور موازی با R2 ظاهر می شود، R2 موثر را کاهش می دهد و در نتیجه Vout را کاهش می دهد. این خطا ناچیز است زمانی که مقاومت بار حداقل 10 برابر بزرگتر از R2 است. همیشه بررسی کنید که امتناع ورودی مدار شما برای تقسیم ولتاژ دقیق بسیار بالاتر از R2 است.
ميتونم از يه جدا کننده ولتاژ براي سيگنال هاي AC استفاده کنم؟
بله، جدا کننده های ولتاژ مقاوم برای سیگنال های AC در فرکانس های پایین کار می کنند. در فرکانس های بالاتر، ظرفیت انگلی قابل توجه می شود و شما ممکن است نیاز بهتقسیم کننده جبران شده(اضافه خازن ها به طور موازی با مقاومت ها به طوری که نسبت AC با نسبت DC مطابقت داشته باشد). سنجه های اسیلوسکوپ یک مثال عالی هستند -- یک سنجه 10: 1 حاوی یک تقسیم کننده ولتاژ جبران شده است که از طریق یک خازن تریمر تنظیم می شود.
چگونه می توانم هدر رفتن انرژی در هر مقاومت را محاسبه کنم؟
جریان از طریق هر دو مقاومت I = Vin / ((R1 + R2) است. قدرت در R1 = I2xR1 ، قدرت در R2 = I2xR2 است. قدرت کل = Vin2 / ((R1 + R2). به عنوان مثال: 12V با 10kΩ + 5kΩ -> I = 0.8mA ، P_R1 = 6.4mW ، P_R2 = 3.2mW ، کل = 9.6mW. مقاومت های استاندارد 1⁄4W (250mW) به راحتی این کار را انجام می دهند. اما در مقاومت پایین تر (100Ω در 12V = 1.44W) ، شما به مقاومت های نامی مناسب نیاز دارید.