Skip to main content
🔬 Advanced

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 کردنفرمولداده شده
ولتاژ خروجیVout = 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 کنندهI = Vin / (R1 + R2)وین، R1، R2
قدرت از بین رفتهP = 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:

  1. R1 و R2 در سری هستند، بنابراین همان جریان از طریق هر دو جریان می رود:I = Vin / (R1 + R2)
  2. ولتاژ در R2 (که Vout است) از قانون اوه پیروی می کند:Vout = I x R2
  3. 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:

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.

سریتحمل پذیریمقادیر در هر دههنمونه (1kΩ دهه)
E12+/-10%12۱.۰k، ۱.۲k، ۱.۵k، ۱.۸k، ۲.۲k، ۲.۷k، ۳.۳k، ۳.۹k، ۴.۷k، ۵.۶k، ۶.۸k، ۸.۲k
E24+/- 5٪24اضافه 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٪96دانه 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:

کاربردهای مشترک جدا کننده ولتاژ

کاربردمثالیادداشت ها
تبدیل سطح منطقی5V تا 3.3V برای Arduino/ESP32از مقاومت ها استفاده کنید؛ برای سیگنال ها تغییر سطح دو طرفه را در نظر بگیرید.
اندازه گیری سنسورحسگر 0 - 10 ولت -> 0 - 3.3 ولت ADCنسبت باید با محدوده سنسور با محدوده ADC مطابقت داشته باشد
نظارت بر ولتاژ باتریباتری 12 ولت -> پین 3.3 ولت ADCاضافه کردن خازن جداسازی در خروجی
تولید ولتاژ تعصبتنظیم ولتاژ مرجع op-ampاز خازن بزرگ براي صداي کم استفاده کنيد
پتانسیمترجدا کننده ولتاژ متغیرR2 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:

  1. الزامات:مقیاس 0 - 15 ولت (بهترین ولتاژ باتری در حین شارژ) تا 0 - 3.3 ولت
  2. نسبت تقسیم کننده:3.3/15 = 0.22
  3. R2/(R1+R2) = 0.22بنابراین R1/R2 = (1-0.22)/0.22 = 3.545
  4. R2 = 10kΩ را انتخاب کنید، پس R1 = 35.45kΩ -> نزدیکترین E96 =35.7kΩ
  5. بررسی کنید:Vout = 15 x 10/(35.7+10) = 3.279V (در زیر 3.3V، امن برای ADC)
  6. جریان:I = 15/45.7kΩ = 0.328mA (تلاشی ناچیز در باتری)
  7. یک خازن سرامیکی 100nF اضافه کنیداز طریق R2 برای فیلتر کردن صدا
  8. 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:

R1R2Vout در 5Vاشتباهجریانمناسب بودن
1kΩ2kΩ3.333 ولت+1.0%1.67mAبرای اکثر GPIO/I2C مناسب است
3.3kΩ5.6kΩ3.146 ولت-4.7 درصد0.56mAباشه، اما در سمت پایین
5.1kΩ10kΩ3.311 ولت+0.3 درصد0.33mAعالی برای ADC/سیگنال های آهسته
10kΩ20kΩ3.333 ولت+1.0%0.17mAقدرت کم، سرعت سیگنال چک
47kΩ100kΩ3.401 ولت+3.1%0.034mAقدرت 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 R2خطای Voutقابل قبول؟
صد برابر<1%عالیه، بارگیری بی اهمیته
ده برابر~9 درصدحاشیه -- محاسبه مجدد یا بافر
-25 درصدقابل قبول نیست -- از بافر آپ-آمپ استفاده کنید
~50 درصدجدا 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 مقاومتبدترین خطای Voutسریهزینه
+/- 5٪ (E24)تا +/-10%فیلم کربن، معمولی0.01 - 0.03 دلار
+/-1٪ (E96)تا +/-2٪فیلم فلزی، استاندارد0.02 - 0.05 دلار
+/-0.1% (E192)تا +/- 0.2٪فیلم نازک دقیق$0.10 - 0.50
+/-0.01%تا +/- 0.02٪دقت فوق العاده۱ 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 مقاومتTCR 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.

املاکتقسیم کننده مقاومجداکننده ی خازنی
با واشنگتن کار ميکنه؟آرهنه (بلاک DC)
با AC کار مي کنه؟بله (به فرکانس وابسته نیست)بله (نسب مستقل از فرکانس)
از بین بردن قدرتخسارات I2R (مستمر)در حالت ایده آل صفر (قدرت واکنش)
اثر بارگذاریR_load موازی با R2C_load در سری با C2
کاربرد معمولیمرجع DC، مقیاس بندی سیگنالاندازه 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

اشتباهپیامدراه حل
استفاده از تقسیم کننده ولتاژ برای تغذیه یک دستگاهقطرات Vout تحت بار؛ دستگاه ممکن است از کار افتاده و یا undervoltاز یک تنظیم کننده ولتاژ استفاده کنید (LDO یا سوئیچینگ)
نادیده گرفتن مقاومت بارولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ محاسبه شدهاطمینان حاصل کنید که R_load >= 10 x R2 باشد؛ در صورت لزوم بافر اضافه کنید
استفاده از مقاومت های 5 درصدی برای دقتخروجی ممکن است 10 درصد از هدف باشداستفاده از 1٪ (E96) یا بهتر؛ مقاومت واقعی را اندازه گیری کنید
هیچ حفاظ ورودینوک های ولتاژ IC پایین جریان را از بین می برنداضافه کردن دیود Zener و/یا دیود TVS در R2
مقاومت های با ارزش بالا در نزدیکی منابع پر سر و صداضبط صدا در Voutاز مقاومت پایین تر استفاده کنید؛ خازن جداسازی را اضافه کنید
فراموش کردن قدرت درجه بندیمقاومت بیش از حد گرم شده یا سوختهP = Vin2/(R1+R2) را محاسبه کنید؛ از قطعات مناسب استفاده کنید.

میدونستی؟

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.

},{"@type":"سوال","نام":"چگونه می توانم منطق 5V را به 3.3V تبدیل کنم؟"،"جواب پذیرفته شده":{"@type":"جواب","متن":"استفاده از R1=1kΩ و R2=2kΩ: Vout = 5 x 2/3 = 3.33V. برای سیگنال های سریع، به جای آن از یک تراشه سطح مبدل اختصاصی استفاده کنید. "}},{"@type":"سوال","نام":"آیا می توانم از یک تقسیم کننده ولتاژ برای سیگنال های AC استفاده کنم؟"،"جواب پذیرفته شده":{"@type":"جواب","متن":"بله، در فرکانس های پایین. در فرکانس های بالاتر، از یک تقسیم کننده جبران شده با خازن استفاده کنید. سنجه های اسیلوسکوپ نمونه ای عالی از تقسیم کننده های جبران شده ولتاژ هستند. ""،{"@type":"جواب","سوال""نام":"چگونه می توانم در برابر انصراف برق در هر دستگاه مقاومت کنم؟"،"{"Answer@type":"جواب پذیرفته شده":"}، برای سیگنال های سریع، از یک تراشه سطح مبدل اختصاصی استفاده کنید. برای سیگنال های سریع، به جای آن از یک تراشه اختصاصی استفاده کنید. "،"{"{"@type"@type:"سوال":"سوال":"سوال":"سوال":"سوال":"سوال""سوال":"سوال""سوال""سوال""سوال","نام""نام":"سوال":"سوال""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""متنمیک""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""سوال""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""ت""