Делител на напрежение
Делителят на напрежение е устройство с еквивалентна схема на четириполюсник, в което входното и изходното електрическо напрежение са свързани с предварително зададен коефициент на предаване .
Като най-прости делители на напрежение се използват променливи резистори (потенциометри) или резистори свързани последователно в електрическата верига. По такъв начин веригата се разделя на два участъка, наричани рамена, сумата на напрежения върху които е равно на входното напрежение. Рамото между нулевия потенциал и изходното напрежение от средната точка се нарича долно, а рамото между изходното напрежение и входното напрежение се нарича горно рамо. Това условно деление се прилага независимо от схемното конструктивно решение на делителя.
Принцип и математическа обосновка
[редактиране | редактиране на кода]
В най-общия случай делителят на напрежение е съставен от последователно включените комплексни съпротивления и като товар към източник на електрическо напрежение . Комплексните съпротивления може да са съставени от активни съпротивления или да имат капацитивен или индуктивен характер.
Изходното напрежение на делителя е между общата точка на двете съпротивления и общия проводник с нулев потенциал между входа и изхода на четириполюсника, т.е. изходното напрежение е падът на напрежение върху .
Съгласно закона на Ом може да се представи чрез тока в електрическата верига и съпротивленията като
Изходното напрежение се формулира като
- ,
откъдето токът се определя като
- ,
а изходното напрежение при ток във веригата
Коефициентът на предаване се изразява със съотношенията
Видове
[редактиране | редактиране на кода]Делителите на напрежение в зависимост от характера на промяната на напрежението биват:
- Линейни, когато изходното напрежение от делителя се изменя по линеен закон в зависимост от входното напрежение. Такива делители се използват за задаване на управляващи потенциали или създават работни напрежения в различни точки на електронните схеми;
- Нелинейни, когато изходното напрежение на делителя зависи нелинейно от коефициент и намират приложение във функционални потенциометри.
В зависимост от градивните елементи биват:
- Делители с активно съпротивление;
- Делители на напрежение с реактивно съпротивление.
Резисторен делител на напрежение
[редактиране | редактиране на кода]
Най-простият резисторен делител на напрежение представлява два последователно включени резистора и , включени в електрическа верига към източник на напрежение . Последователното свързване на резисторите определя протичането на електрически ток със сила в съответствия със законите на Кирхоф, и с пад на напрежение върху всеки, пропорционален на стойността на съпротивлението му в съответствие със закона на Ом. Поради характера на свързването, токът през резисторите в двете рамена е еднакъв.
.
За всеки резистор:
Ако разделим на за това отношение ще получим:
Вижда се, че отношението на напреженията и е точно пропорционално на отношението между съпротивленията и
Като се използва равенството
, в което и
може да се изрази електрическия ток през делителя:
Като се приеме че е изходното напрежение на делителя на напрежение, връзката между него и входното напрежение ) напрежение делителя:
Делител от индуктивни елементи
[редактиране | редактиране на кода]Когато комплексните съпротивления и са индуктивности съответно и , то
Когато от източникът на входното напрежение във веригата протича постоянен ток, изходното напрежение ще е пропорционално на активното съпротивление на бобините, както при резисторния делител на напрежение. Този делител се използва основно за делител в електрически вериги с променливо напрежение и в електрическата верига протича променлив ток. Чрез горното уравнение се изразява взаимодействието между двете индуктивности, където може да участва и взаимната индукция на двете бобини за определяне изходното напрежение на делителя.
Капацитивен делител на напрежение
[редактиране | редактиране на кода]
Когато комплексните съпротивления и са кондензатори с капацитет съответно и , то в такава електрическа верига не може да протече постоянен ток. За променливо напрежение изходното напрежение на делителя ще се определи като:
Протичането на ток през капацитивния делител се определя от импедансите на двете рамена, които силно са зависими от честотата на приложеното електрическо напрежение. С използването на по-сложни схеми в рамената на делителя (напр. включени паралелно резистори и кондензатори) може да се определи изходно от постоянен ток до напрежение в определен честотен диапазон. Капацитивният делител намира приложение и в енергетиката за контрол на свръхвисоките напрежения, където изграждането на напрежителен трансформатор е технически и икономически неизгодно. За подобряване на работата на делителя понякога в точката с по-нисък потенциал паралелно се свързва регулируема индуктивност настроена в резонанс с капацитета.
Нискочестотен RC филтър
[редактиране | редактиране на кода]
Когато и са съответно резистор и кондензатор , то за електрическата верига реактивното съпротивление на този елемент е
където
- j е имагинерната единица;
- ω е кръговата честота характеризираща електрическия сигнал;
- C капацитет на кондензатора.
Реактивното съпротивление се променя по горната формула от честотата на електрическите сигнали на входа на делителя.
Този делител определя следното отношение на напреженията на входа и изхода
- .
Произведението от съпротивлението на резистора и капацитета на кондензатора се нарича времеконстанта на електрическата верига и се обозначава с τ (tau) = RC.
Съотношението на напреженията зависи от честотата и намалява с нейното увеличаване, т.е. увеличаването на реактивното съпротивление увеличава изходното напрежение . В този смисъл това е схема на нискочестотен филтър. Изразеното съотношение съдържа имагинерно число, с което се определя не само амплитудата, но и фазата на електрическото напрежение. За да се извлече съотношението на амплитудите, се определя само величината на съотношението:
Особености
[редактиране | редактиране на кода]Изходното напрежение на делителя на напрежение е силно зависимо от товара, включен към електрическата верига. Съпротивлението на товара е паралелно включено към . Това означава, че протичащия ток през товара по закона на Кирхоф, протича и през , което при промяната на товара ще променя и съотношението
- .
За да се запазят функциите на делителя на напрежение и неговото изходно напрежение да се променя малко в приемливи граници за електронните схеми в които се прилага, токът протичащ през товара трябва да е пренебрежимо малък в сравнение с токът през двете основни съпротивления. Това условие ще се спазва, когато товарът е със съпротивление от 100 до 1000 пъти по-голямо като стойност от това на . При разчетите за реалния делител на напрежение трябва да се отчетат промените на основния източник на напрежение, стандартния ред на съпротивленията на резисторите и процентното им отклонение от тяхната средна стойност, промяната на температурния коефициент на съпротивленията и отделяната мощност от делителят.
Разсейваната мощност за резисторен делител на напрежение например, трябва да се отчита като
- , където е токът на делителя без товар.
Използване в електронни схеми
[редактиране | редактиране на кода]Делителят на напрежение не се използва като схема за електрическо захранване, поради отлагането на значителна мощност върху съпротивленията на делителя. Не е възможно използването за задвижване на електрически машини или електрически нагревателни елементи. В тези случаи, за да се спази горното условие, поради ниската стойност на съпротивлението на делителя през него ще протича електрически ток с висока стойност и ще се разсейва безполезно голяма електрическа мощност. Когато се използва за такива цели, то токът през товара трябва да е незначителен в сравнение с този протичащ през двете рамена на делителя.
В електронната схемотехника делителят на напрежение намира приложение във вериги за определяне работния режим на активни и полупроводникови елементи, за създаване на преднапрежения в управляващи вериги или в качеството си на реактивен делител, какъвто е най-простия случай на дадения по-горе нискочестотен филтър. При включване в рамената му на нелинейни елементи намира приложение на параметричен стабилизатор на напрежение.
В електрониката на операционните усилватели, делителят на напрежение се използва за създаване на виртуална маса. В енергетиката важно приложение е използването му за измерване и следене на свръхвисоки напрежения, при които употребата на напрежителен трансформатор е технически и икономически неизгодно. Някои автотрансформатори и потенциометрите също могат да се разглеждат като делители на напрежение.[1]