电压分数计算器 - 输出电压和电阻值
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什么是电压分离器?
电压分离器是电子中最简单,最有用的电路之一 - - 两个连续的电阻将电压分成更小的部分.如果你需要从5V供应器中获得3.3V电压,或者你想要扩展传感器输出到ADC输入,电压分离器是你的解决方案.
输出电压的公式是:维特 = 维恩 × R2 / (R1 + R2)
在这里,R1是顶部电阻 (Vin和Vout之间),R2是底部电阻 (Vout和地面之间).R2/(R1+R2) 的比率决定了输入在输出中出现的分数.
电压分隔器是每个入门电子课程中教的基本构建块.它们出现在无数的应用中 - 从简单的参考电压生成到复杂的模拟信号调节链.对于任何与电路工作的人来说,了解它们的行为,限制和设计权衡是必不可少的.
电压分离器公式
| 找到 | 公式 | 给定 |
|---|---|---|
| 输出电压 | 维特 = 维恩 × R2 / (R1 + R2) | 葡萄酒,R1,R2 |
| R1 (顶部电阻) | R1 = R2 x (输入/输出 - 1) | 维恩,沃特,R2 |
| R2 (底部电阻) | R2 = R1 x Vout / (Vin - Vout) 这是一个非常简单的方法. | 维恩,沃特,R1 |
| 通过分隔器的电流 | I = Vin / (R1 + R2) 其他 | 葡萄酒,R1,R2 |
| 消耗的电力 | P=Vin2 / (R1 + R2) 其他 | 葡萄酒,R1,R2 |
例如:Vin = 12V,R1 = 10kΩ,R2 = 5kΩ:Vout = 12 x 5000/(10000+5000) = 12 x 0.333 =4V电流 = 12/15000 = 0.8mA. 功率 = 122/15000 = 9.6mW.
导出电压分离器公式
电压分数公式直接来自欧姆定律和基尔霍夫电压定律 (KVL). 下面是推导:
- R1和R2是连续的,所以相同的电流流过它们:I = Vin / (R1 + R2) 其他
- 跨过R2的电压 (即Vout) 遵循欧姆定律:维特 = I × R2
- 取代的是:维特 = (Vin / (R1 + R2)) × R2 = 维恩 × R2 / (R1 + R2)
实际上,任何与Vout连接的负载都会吸取电流,从而改变有效电阻并降低Vout - 这是负载效应在下面所述.
选择电阻值
电阻值的选择涉及电力消耗,负载效应和噪声之间的权衡:
- 低电阻值(100Ω - 1kΩ):负载效果最小,但电流和功耗耗高.适用于功率关键电路.
- 中等值(1kΩ - 100kΩ):适用于大多数应用的最佳平衡.常用于传感器接口和逻辑级别转移.
- 高电阻值(100kΩ - 1MΩ):非常低的电流消耗,但容易受到下游电路的噪声和负载.
对于微控制器ADC输入,使用10kΩ - 100kΩ总电阻.如果您的负载吸收大量电流 (<10x分离器电流),单独的电压分离器将无法保持稳定的输出 - 相反使用电压调节器或操作放大器缓冲器.
标准电阻值 (E24和E96系列)
真正的电阻具有IEC 60063标准定义的标准值.您不能购买任意的电阻 - 您必须从可用的系列中选择或组合电阻.
| 系列 | 宽容性 | 每十年的价值 | 例子 (1kΩ 十年) |
|---|---|---|---|
| 其他 | +/-10% 其他 | 12 | 1.0k,1.2k,1.5k,1.8k,2.2k,2.7k,3.3k,3.9k,4.7k,5.6k,6.8k,8.2k |
| 其他 | +/- 5% 的 | 24 | 增加1.1k,1.3k,1.6k,2.0k,2.4k,3.0k,3.6k,4.3k,5.1k,6.2k,7.5k,9.1k |
| 其他 | +/-1% 其他 | 96 | 细粒度: 1.00k, 1.02k, 1.05k, 1.07k, 1.10k, ... |
在设计电压分隔器时,选择最接近的标准值并验证输出在您的容量范围内.例如,从5V获得3.3V:
- 理想的比例:R2/(R1+R2) = 3.3/5 = 0.66 这样就没有问题了.
- 具有E24值:R1 = 5.1kΩ,R2 = 10kΩ -> Vout = 5 x 10/(5.1+10) = 3.311V (0.3%的误差)
- 另一个选择:R1 = 1kΩ,R2 = 2kΩ -> Vout = 5 x 2/3 = 3.333V (1% 的误差)
常见的电压分离器应用
| 应用情况 | 一个例子 | 备注 |
|---|---|---|
| 逻辑级别转换 | 用于Arduino/ESP32的5V至3.3V | 使用电阻;考虑信号的双向水平变速器 |
| 传感器缩放 | 0 - 10V 传感器 -> 0 - 3.3V ADC | 该比应与传感器范围与ADC范围相匹配 |
| 电池电压监测 | 12V电池 -> 3.3V的ADC引脚 | 在输出时添加解 电容 |
| 偏差电压的产生 | 设置操作放大器的参考电压 | 使用大电容器低噪声 |
| 电位计 | 可变电压分隔器 | R2是可变的,允许Vout调整 |
设计示例:电池电压监测器
一个常见的项目是使用3.3V微控制器ADC监控12V汽车电池. 以下是完整的设计过程:
- 要求:从0 - 15V (充电期间最大电池电压) 到0 - 3.3V
- 分数比:3.3/15 = 0.22 在
- R2/(R1+R2) = 0.22所以 R1/R2 = (1-0.22) /0.22 = 3.545
- 选择R2=10kΩ, 然后 R1 = 35.45kΩ -> 最接近的 E96 =35.7kΩ
- 验证:Vout = 15 x 10/(35.7+10) = 3.279V (低于3.3V,安全用于ADC)
- 当前情况:I = 15/45.7kΩ = 0.328mA (电池耗电量可以忽略不计)
- 添加100nF陶 电容通过R2过 噪声
- 添加Zener二极管 (3.3V)通过R2进行过电压保护
电容器和Zener是必不可少的安全措施.如果没有Zener,汽车的电气系统的电压峰值可能会破坏微控制器的ADC引脚.电容器可以过 来自交流器和点火系统的高频噪声.
设计示例:5V至3.3V逻辑级别
将5V输出转换为3.3V输入是嵌入式系统中最常见的电压分隔器应用:
| R1 | R2 | 在5V的Vout | 错误 | 目前 | 适用性 |
|---|---|---|---|---|---|
| 一千Ω | 2kΩ | 3.333V 的电压 | 增加1.0% | 一,67mA | 适用于大多数GPIO/I2C |
| 3.3kΩ | 5.6kΩ | 3.146V 的电压 | -4.7% 没有 | 0.56mA 在 | 好吧,但是在低端 |
| 5.1kΩ | 10kΩ 的 | 3.311V 电压 | 增加0.3% | 0.33mA 在 | 非常适合ADC/慢信号 |
| 10kΩ 的 | 20kΩ 的 | 3.333V 的电压 | 增加1.0% | 0.17mA 在 | 低功率,检查信号速度 |
| 47kΩ | 一百千Ω | 3.401V 电压 | 增加3.1% | 0.034mA 在 | 超低功率,只有缓慢的信号 |
信号速度的考虑:电压分离器与接收引脚的输入电容量相结合,形成一个RC低通 波器. 随着R1=10kΩ和15pF输入电容量,时间常数为0.15μs,将清洁信号传输限制在大约1MHz. 对于SPI (10+ MHz) 或快速UART (1+ Mbps),使用专用水平转换器IC (TXB0108,74LVC245).
荷载效应的解释
当您连接一个负载电阻 (RL) 到电压分隔器的输出, RL与R2平行出现.有效的底阻变为:
R2没有= (R2 × R) 的时间L) / (R2+RL)
这总是减少了Vout.错误取决于R的比率L在R2上:
| RL/ R2比率 | 错误表示 | 可以接受吗? |
|---|---|---|
| 一百倍 | 在1%以下 | 优秀 - 负载微不足道 |
| 十倍的 | ~9% 的 | 边际--重新计算或缓冲 |
| 3× | ~25% | 无法接受 -- 使用操作放大器缓冲区 |
| 1× | ~50% 的 | 严重 - 分隔器在这里是无用的 |
基本规则是:负载阻力应至少为10x R2 这样微控制器ADC输入通常具有>1MΩ输入阻抗,因此10kΩ电压分离器工作得很好.但从电压分离器驱动LED (吸收毫安) 将完全失败.
电阻器宽容度和输出精度
电阻宽容直接影响电压分离器输出的准确性. 最坏情况分析:
| 电阻器容量 | 最糟糕的情况 | 系列 | 成本 |
|---|---|---|---|
| +/-5% (E24) 其他 | 不超过 +/-10% | 碳膜,普通 | 美国0.01 - 0.03美元 |
| +/-1% (E96) 其他 | 不超过 +/-2% | 金属薄膜,标准 | $0.02 - 0.05 美元 |
| +/-0.1% (E192) 其他 | 不超过 +/-0.2% | 精密薄膜 | 百分之十到百分之五十 |
| +/-0.01% 其他 | 不超过 +/-0.02% | 超高精度 | 一美元至五美元 |
对于大多数业余和通用应用,1% (E96) 电阻是最佳的成本-性能权衡.对于精密模拟设计 (仪表放大器,参考电路),使用0.1%或更好,或使用专用精密电压分离器IC,如Analog Devices LT5400.
温度对电压分离器的影响
电阻值随温度变化而变化,其特点是温度阻力系数 (TCR)用ppm/°C来表示:
| 电阻器类型 | 典型的TCR (ppm/°C) | 在50°C范围内的影响 |
|---|---|---|
| 碳组成 | +/-1,500 年 | +/-7.5% 的电阻变化 |
| 碳膜 | +/-200 至 +/-500 | +/-1 - 2.5% 其他 |
| 金属薄膜 (标准) | +/-50 至 +/-100 | +/-0.25 - 0.5% 其他 |
| 精密薄膜 | +/-5 至 +/-25 | +/-0.025 - 0.125% 其他 |
| 线 (精密) | +/-5 至 +/-10 | +/-0.025 - 0.05% 其他 |
如果R1和R2是相同的类型并且在热接触 (两者在同一PCB面积上),它们的电阻会一起漂移,分数即使绝对值发生变化,它也保持相对不变.比率跟踪对于精确的工作,购买电阻阵列 (多个电阻在一个包装中),保证紧密的比率跟踪.
电容式电压分离器
正如电阻分离直流电压一样,电容分离交流电压.在电容分离器中,公式是反向的,因为电容反应率与电容率成反比例:
= 葡萄酒 × C1 / (C1 + C2)
值得注意的是,C1在计数器中 (而不是电阻公式中的C2),因为容量较小的电容器下降了更多的电压.电容分离器不吸收直流 (理想),因此在高阻抗交流测量电路中很有用.
| 财产 | 电阻分离器 | 容量分隔器 |
|---|---|---|
| 在华盛顿工作? | 是的 | 没有 (区块 DC) |
| 工作与AC? | 是的 (不依赖频率) | 是的 (频率独立的比率) |
| 功率消耗 | I2R损失 (连续) | 理想情况下为零 (反应功率) |
| 负载效应 | 与R2平行运行的R_负载 | 与C2相连的C_负载 |
| 典型的应用 | 直流参考,信号扩展 | HV测量,振荡镜探针 |
振荡镜探针结合了两者:补偿电压分隔器使用匹配的电阻和电容分隔器,使衰减比在所有频率上保持不变.探针上的可调节的剪切电容器补偿了振荡仪的输入电容.
多级分压器
对于更大的减弱比率,您可以连接电压分隔器.然而,每个阶段加载前一个,因此总比率不仅仅是个别比率的乘积,除非缓冲:
没有缓冲器的两级分隔器:第二阶段的R1+R2作为第一阶段的负载.实际输出必须使用每个阶段的Thévenin等效电路进行计算.
缓冲式两级分隔器:阶段间的操作放大器电压追随器 (单元增益缓冲器) 消除了负载.阶段1输出为缓冲器输入 (基本上无限阻抗),缓冲器输出驱动阶段2. 这保证了整体比率 = 阶段1比率 x 阶段2比率.
对于大多数实际设计,单阶段分隔器是足够的. 多阶段分隔器主要用于精密测量仪器,高压探测和使用开关电阻网络的可编程增益电路.
常见的设计错误以及如何避免它们
| 一个错误 | 后果 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 使用电压分离器为设备供电 | 在负载下下降;设备可能有故障或低电压 | 使用电压调节器 (LDO或开关) |
| 忽略负载阻抗 | 输出电压低于计算的 | 确保 R_load >= 10 x R2;如果需要,添加缓冲区 |
| 使用5%的电阻以达到精度 | 输出可能比目标低10% | 使用1% (E96) 或更好;测量实际阻力 |
| 没有输入保护 | 电压尖峰会破坏下游的IC | 在R2上添加Zener二极管和/或TVS二极管 |
| 在噪声源附近的高值电阻 | 在Vout上听到噪音 | 使用较低的电阻;添加解 电容 |
| 忘记额定功率 | 电阻过热或烧伤 | 计算P = Vin2/(R1+R2);使用适当额定的部件 |
你知道吗?
- 电位计 (可变电阻) 本质上是一个电压分离器,
- 电压分离器只能当负载阻力远大于分离器阻力时作为电源工作.当负载很大时,Vout会显著下降.
- 电压分离器几乎在每一个将高电压信号与低电压微控制器和传感器接口的电路中都使用.
- 惠斯通桥--大多数张力计,负载电池和精确测量电路的基础--基本上是两个电压分隔器相互比较.一个电阻的变化会使桥不平衡,产生可测量的电压差异.
人们常问的问题
我可以使用电压分离器为设备供电吗?
电压分隔器的输出电压下降时,电流被抽取,因为负载有效地成为R2并行. 供电设备,使用线性电压调节器 (如LM7805) 或开关调节器. 电压分隔器最好用于设置高阻抗输入的参考电压,如ADC引脚或操作放大器输入.
如何将5V逻辑转换为3.3V?
使用R1 = 1kΩ和R2 = 2kΩ:Vout = 5 x 2/(1+2) = 3.33V.这适用于I2C或GPIO等慢信号.对于快速信号 (SPI,UART在高 baud速率),使用专用级别变速器芯片 (如TXB0108或74LVC245).电压分离方法引入RC延迟,可以破坏快速信号.
我应该使用什么电阻宽容度?
对于大多数电压分隔器应用,建议使用1%的公差电阻 (E96系列).标准的5% (E24) 电阻具有足够的变化,实际输出电压可能与计算的电压有10%的差异.对于精密电路,使用匹配的0.1%电阻或专用精密电压分隔器IC.
什么是加载效应?
当您将负载连接到电压分离器的输出时,负载电阻与R2平行显示,从而降低有效的R2并降低Vout.当负载电阻至少大于R2的10倍时,错误是可以忽略不计的. 始终检查您的电路的输入阻抗是否远高于R2以准确进行电压分割.
我可以用电压分隔器来换电信号吗?
是的,电阻电压分隔器适用于低频的交流信号. 在高频率时,寄生电容变得显著,您可能需要补偿分数(将电容与电阻并行增加,使交流比与直流比相匹配). 振荡仪探针是一个完美的例子 - - 10:1探针包含一个通过剪切电容调节的补偿电压分离器.
如何计算每个电阻的功耗?
通过两个电阻器的电流是 I = Vin/(R1+R2). 在 R1 的功率 = I2xR1,在 R2 的功率 = I2xR2. 总功率 = Vin2/(R1+R2). 例如: 12V 与 10kΩ+5kΩ -> I=0.8mA,P_R1=6.4mW,P_R2=3.2mW,总=9.6mW. 标准的 1⁄4W (250mW) 电阻器很容易处理这个问题. 但在较低的电阻 (100Ω 总在 12V = 1.44W) 时,你需要适当的额定电阻器.