Подключение нагрузки к делителю

       Выше мы рассматривали совсем идеальные условия для работы делителя. На практике не все так просто, когда к выходу Out подключат нагрузку, который потребляет ток:

       В данном случае напряжение нашего выхода Out не можем рассчитать правильно, опираясь только на данные значений R1 и R2, так как R4, который символизирует на схеме нагрузку, провоцирует дополнительное падение напряжения. Примем тот факт, что нам известен ток нагрузки в размере 10 мА, при предоставленных на Out 8 Вольт. Тогда мы можем вычислить сопротивление нагрузки:

R_нагр = U/I = 8В/0.01A = 800 Ом

Мы можем рассмотреть нижнюю часть делителя в виде двух сопротивлений, которые соединены параллельно, в случае схемы с подключенной нагрузкой:

Далее используем общую формулу расчета Out и получаем:

Потеря составляет 10-7,3=2,7В. Потери зависят от величины номинала R2 по отношению к сопротивлению нагрузки (R4 нагрузка). Чем больше номинал R2 от сопротивления нагрузки, тем сильнее будет эффект потери напряжения. Для уменьшения этого эффекта можно использовать R1 и R2 по номиналам, например, в 10 раз меньше, то есть R1 = 10 Ом, R2 = 40 Ом.

Обратите внимание на рис. 4, изменились номиналы резисторов, но пропорция сохранена.

Так как сохраняются пропорции, то напряжение Out не изменится:

U_Out = 10 * 40 / (10+40) = 8 В

Но вот потери напряжения уменьшаются:

       В данном подходе есть больше количество минусов: довольно много энергии будет уходить в землю, даже при отключенной нагрузке. В случае, если электронное устройство будет запитано от сети, то потеря энергии не столь существенна, как при питании от батарейки.

       Помимо растрат энергии впустую, в этом подходе есть еще один момент, о котором стоит помнить всегда- это предельная мощность резисторов. Рассмотрим эту проблему на примере вышеприведенных схем, рассчитаем нагрузку на R1 в схеме на Рис 3, который выше:

А теперь рассчитаем нагрузку на этот же резистор, но в случае схемы с Рис 4:

       Наглядно понятно из этих расчётов, что применять схему на Рис 4 на практике довольно опасно, так как нагрузка в 2.5 Вт выше максимальной мощности самых распространенных резисторов. Если попытаться воспользоваться схемой с Рис 4 с применением сниженных номиналов и резисторов стандарта 0.25 Вт либо 0.5 Вт, то в результате, вероятнее всего, будет возгорание.

 

Применимость

       На практике делитель напряжения может применяться для получения необходимого пониженного напряжения для нагрузки, которая не является силовой.

       Довольно часто применяют делитель напряжения для снятия показаний с датчиков. Есть большая линейка компонентов, которые изменяют характеристики, в данном случае сопротивление, в зависимости от окружающей среды. Например, фоторезистивные элементы изменяют свое сопротивление в зависимости от интенсивности освещения, которое попадает на них, термисторы изменяют свое сопротивление от нуля до порогового значения в зависимости от температуры.

       Исходя из этого, возникает возможность замены одного из резисторов в приведенной схеме на фоторезистор или термистор и т.д. Соответственно выходное напряжение на Out будет изменяться в зависимости от окружающих условий. которые оказывают влияние на датчик. В дальнейшем выход Out возможно подключить к аналоговому входу микроконтроллера, например Arduino, и получать информацию о параметрах окружающей среды (освещенность, температура и др.) Значение Out рассчитывается, исходя из параметров компонента из документации при определенных условиях среды и формулы расчёта Out, которую мы уже обсудили выше.

Также имеет место практика управления затвором/базой транзистора.

Важно:

l Нужно помнить, что напряжение выхода Out будет неравномерным, если нагрузка будет неравномерно во времени потреблять ток. Т.е. От изменения мощности потребителя будет изменяться напряжение.

l Данный способ получения пониженного напряжения не является подходящим для подключения мощных нагрузок, в виде лент светодиодов, моторов и прочего.

l Большие номиналы делящих резисторов вызывают дополнительное падение напряжения, которое провоцирует сама нагрузка, что нежелательно.

l Меньшие номиналы делящих резисторов провоцируют больший расход энергии впустую, выше нагрузка на сами резисторы

Время заряда конденсатора на примере RC цепочки.

   Резистор — его задача ограничивать ток. Это статичный элемент, чье сопротивление не меняется, про тепловые погрешности сейчас не говорим — они не слишком велики. Ток через резистор определяется законом ома — I=U/R, где U напряжение на выводах резистора, R — его сопротивление.

       У конденсатора есть интересное свойство — когда он разряжен то ведет себя почти как короткое замыкание — ток через него течет без ограничений, устремляясь в бесконечность. А напряжение на нем стремится к нулю. Когда же он заряжен, то становится как обрыв и ток через него течь перестает, а напряжение на нем становится равным заряжающему источнику. Получается интересная зависимость — есть ток, нет напряжения, есть напряжение — нет тока.

       А как быстро заряжается конденсатор?

       В идеальных условиях, когда у нас бесконечно мощный источник напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, идеальные сверхпроводящие провода и абсолютно безупречный конденсатор — этот процесс будет происходить мгновенно, с временем равным 0, равно как и разряд.

       Но в реальности всегда существуют сопротивления, явные — вроде банального резистора или неявные, такие как сопротивление проводов или внутреннее сопротивление источника напряжения.

В этом случае скорость заряда конденсатора будет зависеть от сопротивлений в цепи и емкости конденсатора, а сам заряд будет идти по экспоненциальному закону.

А у этого закона есть пара характерных величин:

l Т — постоянная времени, это время при котором величина достигнет 63% от своего максимума. 63% тут взялись не случайно, тут прямая завязка на такую формулу: VALUE T=max—1/e*max.

l 3T — а при троекратной постоянной значение достигнет 95% своего максимума.

Постоянная времени для RC цепи Т=R*C.

       Чем меньше сопротивление и меньше емкость, тем быстрей конденсатор заряжается. Если сопротивление равно нулю, то и время заряда равно нулю.

Рассчитаем за сколько зарядится на 95% конденсатор емкостью 1uF через резистор в 1 кОм:

T= C*R = 10^-6 * 10³ = 0.001c

3T = 0.003c через такое время напряжение на конденсаторе достигнет 95% от напряжения источника.

       Разряд пойдет по тому же закону, только вверх ногами. Т.е. через Твремени в на конденсаторе останется всего лишь 100% — 63% = 37% от первоначального напряжения, а через 3T и того меньше — жалкие 5%.

   Два вида включения RC цепочки:

Интегрирующая и дифференцирующая. Они же ФНЧ (фильтр низких частот) и ФВЧ (фильтр высоких частот).

Фильтр низких частот без изменений пропускает постоянную составляющую (т.к. ее частота равна нулю, ниже некуда) и подавляет все что выше чем 1/T. Постоянная составляющая проходит напрямую, а переменная составляющая через конденсатор гасится на землю.

Такой фильтр еще называют интегрирующей цепочкой.

 

Фильтр высоких частот работает наоборот. Он не пускает постоянную составляющую (т.к. ее частота слишком низка — 0) — ведь конденсатор для нее равносилен обрыву, а вот переменная составляющая пропускается через конденсатор без проблем.

Дифференцирующей цепью ее называют потому, что на выходе у нас получается дифференциал входной функции, который есть не что иное как скорость изменения этой функции.

l На участке 1 происходит заряд конденсатора, а значит через него идет ток и на резисторе будет падение напряжения.

l На участке 2 происходит резкое увеличение скорости заряда, а значит и ток резко возрастет, а за ним и падение напряжения на резисторе.

l На участке 3 конденсатор просто удерживает уже имеющийся потенциал. Ток через него не идет, а значит на резисторе напряжение тоже равно нулю.

l Ну и на 4м участке конденсатор начал разряжаться, т.к. входной сигнал стал ниже чем его напряжение. Ток пошел в обратную сторону и на резисторе уже отрицательное падение напряжения.