Circuitele de divizare a tensiunii sunt utile în asigurarea nivelelor de tensiune diferite de la o tensiune de alimentare comună. Această sursă comună poate fi o singură sursă, fie pozitivă, fie negativă, de exemplu, +5V, +12V, -5V sau -12V, etc. în raport cu un punct sau o masă comună, de obicei 0V, sau ar putea fi o sursă dublă, de exemplu ±5V sau ±12V etc.

Divizoarele de tensiune sunt, de asemenea, cunoscute ca divizoare de potențial, deoarece unitatea de tensiune, „Volt” reprezintă cantitatea de diferență de potențial între două puncte. Un divizor de tensiune sau potențial este un circuit pasiv simplu care profită de efectul căderii tensiunilor pe componentele care sunt conectate în serie.

Potențiometrul, care este un rezistor variabil cu un contact glisant, este cel mai de bază exemplu de divizor de tensiune, deoarece putem aplica o tensiune pe bornele sale și putem produce o tensiune de ieșire proporțională cu poziția mecanică a contactului său glisant. Dar putem face și divizoare de tensiune folosind rezistoare, condensatoare și inductoare individuale, deoarece acestea sunt componente cu două terminale care pot fi conectate împreună în serie.

Curentul care curge prin rețeaua serie este pur și simplu I = V/R urmând legea lui Ohm. Deoarece curentul este comun ambelor rezistoare, (IR1 = IR2) putem calcula tensiunea căzută pe rezistorul R2 în circuitul serie de mai sus ca fiind:

La fel pentru rezistorul R1 ca fiind:

Exemplu nr. 1 de divizor de tensiune

Cât de mult curent va circula printr-un rezistor de 20 Ω conectat în serie cu un rezistor de 40 Ω când tensiunea de alimentare pe combinația serie este de 12 volți c.c. De asemenea, calculați căderea de tensiune produsă pe fiecare rezistor.

Fiecare rezistență asigură o cădere de tensiune I*R care este proporțional egală cu valoarea sa rezistivă de-a lungul tensiunii de alimentare. Folosind regula raportului divizorului de tensiune, putem vedea că cel mai mare rezistor produce cea mai mare cădere de tensiune I*R. Astfel, VR1 = 4V și VR2 = 8V. Aplicarea legii tensiunii Kirchhoff arată că suma căderilor de tensiune pe circuitul rezistiv este exact egală cu tensiunea de alimentare, deoarece 4V + 8V = 12V.

Rețineți că, dacă folosim două rezistoare de valoare egală, adică R1 = R2, atunci tensiunea căzută pe fiecare rezistor ar fi exact jumătate din tensiunea de alimentare pentru două rezistențe în serie, deoarece raportul divizorului de tensiune ar fi egal cu 50%.

O altă utilizare a unei rețele de divizare a tensiunii este aceea de a produce o ieșire de tensiune variabilă. Dacă înlocuim rezistorul R2 cu un rezistor variabil (potențiometru), atunci tensiunea căzută pe R2 și, prin urmare, VOUT poate fi controlată de o cantitate dependentă de poziția cursorului potențiometrelor și, prin urmare, de raportul celor două valori rezistive așa cum am au un rezistor fix și unul variabil. Potențiometrele, trimmer-ii, reostatele și variacuri (autotransformatoare) sunt toate exemple de dispozitive de diviziune a tensiunii variabile.

Am putea duce, de asemenea, această idee a diviziunii de tensiune variabilă cu un pas mai departe prin înlocuirea rezistorului fix R2 cu un senzor, cum ar fi un rezistor dependent de lumină sau LDR. Astfel, deoarece valoarea rezistivă a senzorului se modifică odată cu modificările nivelelor de lumină, tensiunea de ieșire VOUT se modifică și ea cu o cantitate proporțională. Termistoarele și mărcile tensometrice sunt alte exemple de senzori rezistivi.

Întrucât cele două expresii de divizare a tensiunii de mai sus se referă la același curent comun, din punct de vedere matematic, acestea trebuie să fie legate între ele. Deci, pentru orice număr de rezistoare individuale care formează o rețea serie, tensiunea căzută pe orice rezistor dat este dată de:

Ecuația divizorului de tensiune

unde: VR(x) este căderea de tensiune pe rezistor, RX este valoarea rezistorului și RT este rezistența totală a rețelei serie. Această ecuație divizor de tensiune poate fi folosită pentru orice număr de rezistențe serie conectate între ele din cauza relației proporționale dintre fiecare rezistență R și căderea sa de tensiune corespunzătoare V. Rețineți însă că această ecuație este dată pentru o rețea de divizare a tensiunii fără sarcină rezistivă suplimentară conectată sau curenți de ramificație paraleli.

Exemplu nr. 2 de divizor de tensiune

Trei elemente rezistive de 6kΩ, 12kΩ și 18kΩ sunt conectate împreună în serie cu o sursă de 36 volți. Calculați rezistența totală, valoarea curentului care circulă în circuit și tensiunea ce cade pe fiecare rezistor.

Date: VS = 36 volți, R1 = 6kΩ, R2 = 12kΩ și R3 = 18kΩ

Circuitul divizorului de tensiune

Căderile de tensiune pe toate cele trei rezistoare ar trebui să se adauge la tensiunea de alimentare, astfel cum este definită de Legea tensiunii Kirchhoff (KVL). Deci suma căderilor de tensiune este: VT = 6 V + 12 V + 18 V = 36,0 V aceeași valoare a tensiunii de alimentare, VS și deci este corectă. Observați din nou că cel mai mare rezistor produce cea mai mare cădere de tensiune.

Nivelele de tensiune la fiecare punct de priză sunt măsurate în raport cu masa (0V). Astfel nivelul de tensiune din punctul D va fi egal cu VDE, iar nivelul de tensiune din punctul C va fi egal cu VCD + VDE. Cu alte cuvinte, tensiunea din punctul C este suma celor două căderi de tensiune pe R3 și R4.

Deci, alegând un set adecvat de valori rezistive, putem produce o succesiune de căderi de tensiune care vor avea o valoare proporțională a tensiunii obținută dintr-o singură tensiune de alimentare. Rețineți, de asemenea, că, în acest exemplu, fiecare punct al tensiunii de ieșire va avea o valoare pozitivă, deoarece borna negativă a sursei de tensiune, VS este împământată.

Exemplu nr. 3 de divizor de tensiune

1. Calculați ieșirea de tensiune fără sarcină pentru fiecare punct de priză al circuitului divizor de tensiune de mai sus dacă rețeaua rezistivă conectată în serie este conectată la o sursă de curent continuu de 15 volți.

2. Se calculează ieșirea de tensiune fără sarcină între punctele B și E.

Un divizor de tensiune negativ și pozitiv

În circuitul simplu de divizare a tensiunii, mai presus de toate, tensiunile de ieșire sunt raportate la un punct comun de masă cu tensiune-zero, dar uneori este necesar să se producă atât tensiuni pozitive, cât și negative de la o singură sursă de alimentare. De exemplu, diferitele nivele de tensiune de la o sursă PSU de computer, -12V, + 3,3V, + 5V și + 12V, în raport cu un terminal de masă de referință comun.

Exemplu nr. 4 de divizor de tensiune

Folosind Legea lui Ohm, găsiți valorile rezistențelor R1, R2, R3 și R4 necesare pentru a produce nivele de tensiune de -12V, + 3,3V, + 5V și + 12V dacă puterea totală furnizată circuitului divizor de tensiune fără sarcină este de 24 volți DC, 60 wați.

În acest exemplu, punctul de referință la masă cu tensiune-zero a fost mutat pentru a produce tensiunile pozitive și negative necesare, menținând în același timp rețeaua de divizare a tensiunii de-a lungul sursei. Astfel cele patru tensiuni sunt toate măsurate în raport cu acest punct de referință comun, care rezultă în punctul D ca fiind potențialul negativ necesar de -12V în raport cu masa.

Am văzut până acum că circuitele rezistive în serie pot fi folosite pentru a crea un divizor de tensiune sau o rețea divizoare de potențial care poate fi utilizată pe scară largă în circuitele electronice. Prin selectarea valorilor adecvate pentru rezistențele serie, se poate obține orice valoare a tensiunii de ieșire care este mai mică decât tensiunea de intrare sau de alimentare. Dar, pe lângă utilizarea rezistențelor și a unei tensiuni de alimentare DC pentru a crea o rețea rezistivă de divizare a tensiunii, putem folosi și condensatoare (C) și inductoare (L), dar cu o sursă AC sinusoidală, deoarece condensatoarele și inductoarele sunt componente reactive, ceea ce înseamnă că rezistența lor „reacționează” împotriva fluxului de curent electric.

Divizoare capacitive de tensiune

După cum sugerează și numele, circuitele de divizare a tensiunii capacitive produc căderi de tensiune pe condensatoarele conectate în serie la o sursă comună de curent alternativ. În general, divizoarele de tensiune capacitive sunt utilizate pentru a „coborî” tensiunile foarte mari pentru a oferi un semnal de ieșire de joasă tensiune care poate fi apoi utilizat pentru protecție sau măsurare. În prezent, divizoarele de tensiune capacitive de înaltă frecvență sunt utilizate mai mult în dispozitivele de afișare și tehnologiile cu ecran tactil găsite în telefoane mobile și tablete.

Spre deosebire de circuitele de divizare a tensiunii rezistive care funcționează atât pe surse AC, cât și DC, divizarea tensiunii folosind condensatoare este posibilă numai cu o sursă AC sinusoidală. Acest lucru se datorează faptului că diviziunea de tensiune între condensatoarele conectate în serie este calculată utilizând reactanța condensatoarelor, XC, care este dependentă de frecvența sursei AC.

Ne amintim din tutorialele noastre despre condensatoarele din circuitele AC, că reactanța capacitivă, XC (măsurată în ohmi) este invers proporțională atât cu frecvența, cât și cu capacitatea și, prin urmare, este dată de următoarea ecuație:

Formula reactanței capacitive

unde:
Xc = Reactanța capacitivă în ohmi, (Ω)
π (pi) = o constantă numerică de 3,142
ƒ = Frecvența în Herți, (Hz)
C = Capacitate în Farazi, (F)

Prin urmare, prin cunoașterea tensiunii și frecvenței sursei de alimentare AC, putem calcula reactanțele condensatoarelor individuale, le putem înlocui în ecuația de mai sus pentru regula divizorului de tensiune rezistivă și putem obține căderile de tensiune corespunzătoare pe fiecare condensator așa cum se arată.

Divizor de tensiune capacitiv

Folosind cele două condensatoare de 10μF și 22μF în circuitul serie de mai sus, putem calcula căderile de tensiune rms pe fiecare condensator în raport de reactanță atunci când sunt conectate la o sursă de 100 volți, 50Hz rms.

Când se utilizează condensatoare pure, suma tuturor căderilor de tensiune din serie este egală cu tensiunea sursă, la fel ca și pentru rezistențele serie. În timp ce cantitatea de cădere de tensiune pe fiecare condensator este proporțională cu reactanța sa, ea este invers proporțională cu capacitatea sa.

Ca rezultat, condensatorul mai mic de 10 μF are mai multă reactanță (318,3Ω), deci o cădere de tensiune mai mare de 69 volți în comparație cu condensatorul mai mare de 22 μF , care are o reactanță de 144,7 Ω și o cădere de tensiune de 31 volți, respectiv. Curentul din circuitul serie, IC va fi de 216 mA și are aceeași valoare pentru C1 și C2 deoarece ele sunt în serie.

Un ultim punct despre circuitele de divizare a tensiunii capacitive este că, atâta timp cât nu există rezistență în serie, pur capacitivă, cele două căderi de tensiune pe condensatoare de 69 și 32 de volți vor fi aritmetic egale cu tensiunea de alimentare de 100 volți deoarece cele două tensiuni produse de condensatoare sunt în fază între ele. Dacă din orice motiv cele două tensiuni sunt defazate între ele, atunci nu putem doar să le adunăm așa cum am folosi legea tensiunii Kirchhoffs, ci în schimb este necesară adunarea fazorială a celor două forme de undă.

Divizoare de tensiune inductive

După cum sugerează și numele său, divizoarele de tensiune inductive creează căderi de tensiune pe inductoare sau bobine conectate împreună în serie la o sursă comună de curent alternativ. Un divizor de tensiune inductiv poate consta dintr-o singură înfășurare sau bobină care este împărțită în două secțiuni în care tensiunea de ieșire este preluată de la una dintre secțiuni sau de la două bobine individuale conectate împreună. Cel mai comun exemplu de divizor de tensiune inductiv este autotransformatorul cu mai multe puncte de priză de-a lungul înfășurării sale secundare.

Când se utilizează cu surse de curent continuu sau cu sinusoide cu o frecvență foarte mică, apropiindu-se de 0 Hz, inductoarele acționează ca un scurtcircuit. Acest lucru se datorează faptului că reactanța lor este aproape zero, permițând oricărui curent continuu să treacă cu ușurință prin ele, astfel încât, la fel ca rețeaua anterioară capacitivă de divizare a tensiunii, trebuie să efectuăm orice divizare inductivă de tensiune folosind o sursă de curent alternativ sinusoidală. Divizarea inductivă a tensiunii între inductoarele conectate în serie poate fi calculată utilizând reactanța inductoarelor, XL care, la fel ca reactanța capacitivă, este dependentă de frecvența alimentării cu curent alternativ.

În tutorialele despre inductoare din circuitele de curent alternativ, am văzut că reactanța inductivă, XL (măsurată în ohmi) este proporțională atât cu frecvența, cât și cu inductanța, astfel încât orice creștere a frecvenței de alimentare crește o reactanță a inductoarelor. Astfel, reactanța inductivă este definită ca:

Formula reactanței inductive

unde:
XL = Reactanța inductivă în ohmi, (Ω)
π (pi) = o constantă numerică de 3,142
ƒ = Frecvența în Hz, (Hz)
L = Inductanță în Henry, (H)

Dacă cunoaștem tensiunea și frecvența sursei de alimentare AC, putem calcula reactanțele celor două inductoare și le putem folosi împreună cu regula divizorului de tensiune pentru a obține căderile de tensiune pe fiecare inductor așa cum se arată.

Divizor de tensiune inductiv

Folosind cele două inductoare de 10mH și 20mH din circuitul serie de mai sus, putem calcula căderile de tensiune rms pe fiecare inductor în raport de reactanța lor atunci când sunt conectate la o alimentare de 60 volți, 200Hz rms.

La fel ca circuitele de diviziune a tensiunii rezistive și capacitive anterioare, suma tuturor căderilor de tensiune serie pe inductoare va fi egală cu tensiunea sursei, atâta timp cât nu există rezistențe serie. Adică un inductor pur. Cantitatea de cădere de tensiune pe fiecare inductor este proporțională cu reactanța sa.

Rezultatul este că inductorul mai mic de 10 mH are o reactanță mai mică (12,56Ω), deci o cădere de tensiune mai mică de 30 volți în comparație cu inductorul mai mare de 20 mH care are o reactanță de 25,14 Ω și o cădere de tensiune de 40 volți, respectiv. Curentul, IL în circuitul serie este de 1,6 mA și va avea aceeași valoare pentru L1 și L2, deoarece aceste două inductoare sunt conectate în serie.

Rezumatul Divizor de tensiune

Am văzut aici că divizorul de tensiune sau rețeaua este o configurație de circuit foarte comună și utilă, permițându-ne să producem nivele diferite de tensiune dintr-o singură sursă de tensiune, eliminând astfel necesitatea de a avea surse de alimentare separate pentru diferite părți ale unui circuit care funcționează la diferite nivele de tensiune.

După cum sugerează și numele său, un divizor de tensiune sau potențial „împarte” o tensiune fixă ​​în proporții precise folosind rezistoare, condensatoare sau inductoare. Cel mai de bază și mai frecvent utilizat circuit divizor de tensiune este cel a două rezistoare serie de valoare-fixă, dar un potențiometru sau reostat poate fi de asemenea utilizat pentru divizarea tensiunii prin simpla ajustare a poziției cursorului.

O aplicație foarte obișnuită a unui circuit divizor de tensiune este înlocuirea unuia dintre rezistoare de valoare fixă ​​cu un senzor. Senzorii rezistenți, cum ar fi senzorii de lumină, senzorii de temperatură, senzorii de presiune și mărcile tensometrice, care își schimbă valoarea rezistivă pe măsură ce răspund la modificările de mediu, pot fi folosiți într-o rețea de divizare a tensiunii pentru a furniza o ieșire analogică de tensiune. Polarizarea tranzistoarelor bipolare și a MOSFET-urilor este, de asemenea, o altă aplicație obișnuită a unui divizor de tensiune.