Kalkulator pembagi tegangan - nilai tegangan output dan resistor

Apa Itu Pembagi Tegangan?

Sebuah pembagi tegangan adalah salah satu sirkuit paling sederhana dan paling berguna dalam elektronik - dua resistor berturut-turut yang membagi tegangan menjadi fraksi yang lebih kecil. Jika Anda membutuhkan 3,3V dari pasokan 5V, atau Anda ingin skala output sensor untuk input ADC, pembagi tegangan adalah solusi go-to Anda.

Rumus tegangan output adalah:Vout = Vin x R2 / (R1 + R2)

R1 adalah resistor atas (antara Vin dan Vout), dan R2 adalah resistor bawah (antara Vout dan ground).

Pembagi tegangan adalah blok bangunan dasar yang diajarkan dalam setiap kursus elektronik pengantar. Mereka muncul dalam aplikasi yang tak terhitung jumlahnya - dari generasi tegangan referensi sederhana hingga rantai pengkondisian sinyal analog yang kompleks. Memahami perilaku, keterbatasan, dan kompromi desain mereka sangat penting bagi siapa saja yang bekerja dengan sirkuit.

Rumus pembagi tegangan

Contoh: Vin = 12V, R1 = 10kΩ, R2 = 5kΩ: Vout = 12 x 5000/(10000+5000) = 12 x 0,333 =4V. arus = 12/15000 = 0.8mA. daya = 122/15000 = 9.6mW.

Mendapatkan rumus pembagi tegangan

Rumus pembagi tegangan berasal langsung dari Hukum Ohm dan Hukum Tegangan Kirchhoff (KVL).

1. R1 dan R2 berturut-turut, sehingga arus yang sama mengalir melalui keduanya:I = Vin / (R1 + R2)
2. Tegangan di R2 (yang merupakan Vout) mengikuti Hukum Ohm:Vout = I x R2
3. Mengganti:Vout = (Vin / (R1 + R2)) x R2 = Vin x R2 / (R1 + R2)

Ini mengasumsikan tidak ada arus yang diambil dari output (pembagi tanpa beban). Dalam prakteknya, beban apa pun yang terhubung ke Vout menarik arus, yang mengubah resistensi efektif dan mengurangi Vout - ini adalahefek beban, dibahas di bawah ini.

Memilih Nilai Resistor

Pemilihan nilai resistor melibatkan trade-off antara konsumsi daya, efek beban, dan kebisingan:

• Nilai resistensi rendah(100Ω - 1kΩ): Efek muatan minimal, tetapi arus tinggi dan disipasi daya.
• Nilai rata-rata(1kΩ - 100kΩ): Keseimbangan terbaik untuk sebagian besar aplikasi.
• Nilai resistensi tinggi(100kΩ - 1MΩ): Konsumsi arus yang sangat rendah, tetapi rentan terhadap kebisingan dan beban dari sirkuit hilir.

Untuk input ADC mikrokontroler, gunakan 10kΩ - 100kΩ total resistance. Jika beban Anda mengambil arus yang signifikan (< 10x arus pembagi), pembagi tegangan saja tidak akan mempertahankan output yang stabil - gunakan regulator tegangan atau op-amp buffer sebagai gantinya.

Nilai Resistor Standar (Seri E24 dan E96)

Resistor nyata datang dalam nilai standar yang didefinisikan oleh standar IEC 60063. Anda tidak dapat membeli resistensi sewenang-wenang - Anda harus memilih dari seri yang tersedia atau menggabungkan resistor.

Saat mendesain pembagi tegangan, pilihlah nilai standar yang paling dekat dan verifikasi outputnya berada dalam toleransi Anda.

• Rasio ideal:R2/(R1+R2) = 3,3/5 = 0,66
• Dengan nilai E24:R1 = 5.1kΩ, R2 = 10kΩ -> Vout = 5 x 10/(5.1+10) = 3.311V (kesalahan 0,3%)
• Alternatif:R1 = 1kΩ, R2 = 2kΩ -> Vout = 5 x 2/3 = 3.333V (kesalahan 1%).

Aplikasi pembagi tegangan umum

Contoh Desain: Monitor Tegangan Baterai

Proyek umum adalah memantau baterai mobil 12V dengan ADC mikrokontroler 3.3V. Berikut adalah proses desain lengkap:

1. Persyaratan:Skala 0 - 15V (voltase maksimum baterai selama pengisian) hingga 0 - 3,3V
2. Rasio pembagi:3,3/15 = 0,22
3. R2/(R1+R2) = 0,22, jadi R1/R2 = (1-0.22)/0.22 = 3.545
4. Pilih R2 = 10kΩ, maka R1 = 35.45kΩ -> terdekat E96 =35.7kΩ
5. Periksa:Vout = 15 x 10/(35.7+10) = 3.279V (di bawah 3.3V, aman untuk ADC)
6. Saat ini:I = 15/45.7kΩ = 0.328mA (pengurangan baterai yang tidak signifikan)
7. Tambahkan kapasitor keramik 100nFdi R2 untuk menyaring kebisingan
8. Tambahkan dioda Zener (3.3V)melintasi R2 untuk perlindungan overvoltage

Kondensator dan Zener adalah langkah-langkah keselamatan penting. Tanpa Zener, lonjakan tegangan pada sistem listrik mobil dapat menghancurkan pin ADC mikrokontroler. Kondensator menyaring kebisingan frekuensi tinggi dari alternator dan sistem pengapian.

Contoh Desain: Tingkat Logis 5V hingga 3.3V

Konversi output 5V ke input 3.3V adalah aplikasi pembagi tegangan yang paling umum dalam sistem tertanam:

Pertimbangan kecepatan sinyal:Sebuah pembagi tegangan yang dikombinasikan dengan kapasitansi input pin penerima membentuk filter RC low-pass. Dengan R1 = 10kΩ dan kapasitansi input 15pF, konstanta waktu adalah 0.15μs, membatasi transfer sinyal bersih sekitar 1MHz. Untuk SPI (10+ MHz) atau UART cepat (1+ Mbps), gunakan IC level shifter khusus (TXB0108, 74LVC245) sebagai gantinya.

Penjelasan tentang Efek Pemuatan

Ketika Anda menghubungkan daya tahan beban (R_L) untuk output pembagi tegangan, R_Lmuncul secara paralel dengan R2. Resistensi bawah yang efektif menjadi:

R2_{Efek samping}= (R2 x R_L) / (R2 + R_L)

Ini selalu mengurangi Vout. Kesalahan tergantung pada rasio R_Luntuk R2:

Aturan praktis:Ketahanan beban harus setidaknya10x R2untuk pembagi tegangan untuk mempertahankan akurasi yang wajar. input ADC mikrokontroler biasanya memiliki impedansi input > 1MΩ, sehingga pembagi tegangan 10kΩ bekerja dengan sempurna. tetapi mengemudi LED (yang menarik miliampere) dari pembagi tegangan akan gagal sepenuhnya.

Toleransi Resistor dan Akurasi Output

Toleransi resistor secara langsung mempengaruhi akurasi output pembagi tegangan Anda.

Untuk desain analog presisi (amplifier instrumentasi, sirkuit referensi), gunakan 0,1% atau lebih baik, atau gunakan IC pembagi tegangan presisi khusus seperti Analog Devices LT5400.

Pengaruh suhu pada pembagi tegangan

Nilai resistor bergeser dengan suhu, ditandai denganKoefisien Resistensi Suhu (TCR), diukur dalam ppm/ derajat C:

Jika R1 dan R2 adalah tipe yang sama dan dalam kontak termal (keduanya pada area PCB yang sama), resistansi mereka melayang bersama, danrasiotetap relatif konstan bahkan saat nilai absolut berubah.pelacakan rasioUntuk pekerjaan presisi, belilah array resistor (beberapa resistor dalam satu paket) yang menjamin pelacakan rasio yang ketat.

Pembagi tegangan kapasitif

Sama seperti resistor membagi tegangan DC, kapasitor membagi tegangan AC. Dalam pembagi kapasitif, rumus terbalik karena reaktan kapasitif berbanding terbalik dengan kapasitansi:

Vout = Vin x C1 / (C1 + C2)

Perhatikan bahwa C1 berada di pembilang (bukan C2 seperti dalam rumus resistif), karena kapasitor dengan kapasitansi yang lebih rendah menurunkan lebih banyak tegangan.

Sonde osiloskop menggabungkan keduanya: apembagi tegangan kompensasimenggunakan pembagi resistif dan kapasitif yang cocok sehingga rasio atenuasi konstan di semua frekuensi.

Pemisah tegangan multi-tahap

Anda dapat membuat pembagi tegangan untuk rasio atenuasi yang lebih besar. Namun, setiap tahap memuat yang sebelumnya, sehingga rasio keseluruhan tidak hanya merupakan hasil perkalian rasio individu kecuali di-buffer:

Pemisah dua tahap tanpa buffer:R1 + R2 dari tahap kedua bertindak sebagai beban pada tahap pertama. output aktual harus dihitung menggunakan sirkuit Thévenin yang setara untuk setiap tahap.

Buffered dua-tahap pembagi:Sebuah op-amp voltage follower (unit gain buffer) antara tahap menghilangkan beban. output Tahap 1 memberi makan input buffer (pada dasarnya impedansi tak terbatas), dan output buffer menggerakkan Tahap 2.

Untuk sebagian besar desain praktis, pembagi satu tahap cukup. pembagi multi-tahap terutama digunakan dalam instrumen pengukuran presisi, pengukuran tegangan tinggi, dan sirkuit gain yang dapat diprogram menggunakan jaringan resistor switched.

Kesalahan Desain yang Umum dan Cara Menghindarinya