تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ – تقسیم ولتاژ با مقاومت

معرفی تقسیم‌کننده‌ های ولتاژ ، تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ  مداری ساده هستند، که یک ولتاژ بزرگ را به ولتاژی کوچک‌تر تبدیل می‌کنند. تنها با استفاده از دو مقاومت سری و ولتاژ ورودی، می‌توانیم ولتاژ خروجی بسازیم که کسری از ورودی باشد. تقسیم‌کننده‌ های ولتاژ یکی از اصلی‌ترین مدارات الکترونیکی هستند. اگر یادگیری قانون اهم شبیه آشنایی با الفبا باشد، یادگیری تقسیم‌کننده‌ های ولتاژ شبیه تلفظ کلمات است.

در این آموزش موارد زیر پوشش داده‌شده است:

• مدار تقسیم ولتاژ چیست ؟
• چگونه ولتاژ خروجی به ولتاژ ورودی و مقاومت‌‌ های تقسیم‌کننده بستگی دارد؟
• چگونه تقسیم ولتاژ در دنیای واقعی رفتار می‌کنند؟
• کاربردهای تقسیم‌ کننده ولتاژ  واقعی

تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ ایده آل

دو قسمت مهم در تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ وجود دارد: مدار و معادله مدار

تقسیم‌کننده ولتاژ شامل اعمال منبع ولتاژ به دو مقاومت سری است، ممکن است متوجه شده باشید. چندین روش مختلف وجود دارد، ولی اساسا یک مدار هستند.

 شکل 1. مثال‌هایی شماتیک از تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ. مقاومت‌های بلند و کوتاه از زوایای یکسان/مختلف و غیره

نزدیک‌ترین مقاومت به ولتاژ ورودی را R1 و مقاومت نزدیک به زمین را R2 نام‌گذاری می‌کنیم. افت ولتاژ در R2 را Vout می‌نامیم که تقسیم ولتاژ مدار ما را ایجاد می‌کند. همه این‌ها وابسته به مدار است، Vout ولتاژ تقسیم‌ شده ماست و کسری از ولتاژ ورودی است.

معادله تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ

معادله تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ فرض می‌کند شما سه مقدار زیر را می‌دانید: ولتاژ ورودی (Vin)، مقادیر دو مقاومت (R1 و R2). با توجه به این مقادیر، می‌توانیم از این رابطه برای پیدا کردن ولتاژ خروجی (Vout) استفاده ‌کنیم.

فرمول 1.  این رابطه را به خاطر داشته باشید.

این رابطه بیان می‌کند که ولتاژ خروجی به‌طور مستقیم با ولتاژ ورودی و نسبت R1 و R2 متناسب است. در حال حاضر، تنها این رابطه را بنویسید و به خاطر داشته باشید.

ساده‌سازی معادله تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ

چند تعمیم وجود دارد که برای استفاده از تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ بهتر است به خاطر داشته باشید. این ساده‌سازی‌ها باعث می‌شوند بررسی مدار تقسیم‌کننده ولتاژ کمی ساده‌تر شود.

 در ابتدا، اگر R2 و R1 برابر باشند، ولتاژ خروجی نصف ورودی است.صرف نظر از مقادیر مقاومت‌ ها برابر است.

اگر R2 خیلی بزرگ‌تر (حداقل یک‌مرتبه در مقدار) از R1 باشد، ولتاژ خروجی خیلی نزدیک ورودی است. ولتاژ کمی روی R1 است.

در مقابل، اگر R2 خیلی کوچک‌تر از R1 باشد، ولتاژ خروجی نسبت به ورودی کوچک خواهد بود. بیشتر ولتاژ ورودی روی R1 می‌افتد.

کاربردها

تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ کاربرد‌ زیادی دارند،آن‌ها از رایج‌ترین مدار‌های مهندسی برق هستند. تعداد بسیار زیادی تقسیم‌کننده وجود دارد؛که شما در اینجا تعداد محدودی را می‌بینید.

پتانسیومترها

یک پتانسیومتر، یک مقاومت متغیر است که می‌تواند برای ساخت تقسیم‌کننده ولتاژ استفاده شود.

شکل 2. اطلاعات سطحی از پتانسیومتر: از بالا چپ، ساعت‌گرد: یک پتانسیومتر تریمر استاندارد 10K، جویستیک دو محور، پتانسیومتر نرم، پتانسیومتر لغزشی، زاویه راست کلاسیک، یک پتانسیومتر تریمر مناسب برد بورد.

داخل پتانسیومتر یک مقاومت و لغزنده قرار دارد که مقاومت را به دو قسمت تقسیم می‌کند و برای تنظیم نسبت بین دو قسمت مقاومت حرکت می‌کند. در خارج آن معمولاً سه‌پایه قرار دارد: دوپایه به انتهای مقاومت وصل می‌شوند و اتصال سوم روی لغزنده قرار می‌گیرد.

شکل 3 . نماد شما تیک یک پتانسیومتر. پایه 1 و 3 انتهای مقاومت هستند و پایه 2 به لغزنده وصل است.

اگر خروجی پایه‌ها به منبع ولتاژ وصل شوند (یکی به زمین و دیگری به Vin)، خروجی (Vout) در پایه وسط، ولتاژ تقسیم شده است. اگر پتانسیومتر را کامل در یک جهت بچرخانید ولتاژ می‌تواند صفر شود، اگر جهت دیگر بچرخانید خروجی برابر ورودی می‌شود. لغزنده در وسط باشد، ولتاژ خروجی نصف ولتاژ ورودی است.

پتانسیومترها در بسته‌بندی‌های مختلف عرضه می‌شوند و کاربردهای زیادی دارند. می‌توانند در ساخت ولتاژ مرجع استفاده شوند، ایستگاه (باند) رادیویی را تنظیم کنند، مکان جویستیک را اندازه بگیرند یا بسیاری از کاربردهای دیگر که نیاز به ولتاژ ورودی متغیر است.

خواندن سنسورهای مقاومتی

بسیاری از سنسورها در دنیای واقعی وسایل مقاومتی ساده هستند. فتوسل مقاومت متغیر است که اندازه مقاومت را متناسب با مقدار نور حس می‌کند.  وسایل دیگر مانند سنسورهای منعطف، مقاومت‌های حساس به نیرو، ترمیستور ها و همچنین مقاومت‌های متغیر.

به نظر می‌رسد اندازه‌گیری ولتاژ برای میکروکنترلر بسیار آسان است (حداقل آن‌هایی که آنالوگ به دیجیتال دارند). اما با اضافه کردن مقاومت دیگر به سنسورهای مقاومتی، می‌توانیم تقسیم‌کننده ولتاژ بسازیم. هنگامی‌که خروجی تقسیم‌کننده ولتاژ مشخص شد، می‌توانیم به عقب برگردیم و مقاومت سنسور را اندازه بگیریم.

برای مثال، مقاومت فتوسل بین 1kΩ در نور و حدود 10kΩ در تاریکی متغیر است. اگر آن را با مقاومت ثابت حدود وسط بازه -5.6kΩ- ترکیب کنیم، می‌توانیم طیف گسترده‌ای از تقسیم ولتاژ را ایجاد کنیم.

شکل 4. فتوسل نیمی از تقسیم‌کننده ولتاژ را تشکیل می‌دهد، ولتاژ برای پیدا کردن مقاومت سنسور نور اندازه‌گیری می‌شود.

سطح نور	R2 (سنسور)	R1 (ثابت)	نسبت (R2/(R1+R2	Vout
روشن	1kΩ	5.6kΩ	0.15	0.76 V
کم‌نور	7kΩ	5.6kΩ	0.56	2.78 V
تاریک	10kΩ	5.6kΩ	0.67	3.21 V

تغییردهنده سطح

ممکن است سنسورهای پیچیده‌تر، مقادیر خوانده اندازه‌گیری کرده خود را با رابط‌ های سریال سنگین‌تر منتقل کنند، مانند UART ، SPI یا I2C. بسیاری از این سنسور ها در حالت ولتاژ نسبتاً کم‌ کار می‌کنند تا توان را ذخیره کنند. متأسفانه غیرمعمول نیست که این سنسورهای ولتاژ پایین درنهایت با یک میکروکنترلر که با سیستم ولتاژ بالاتر کار می‌کند، مرتبط می‌شود. این اتفاق منجر به مشکل تغییر سطح می‌شود که راه‌حل‌هایی ازجمله تقسیم ولتاژ دارد.

برای مثال یک شتاب ‌سنج ADXL345 ، حداکثر ولتاژ ورودی 3.3V را می‌پذیرد. بنابراین اگر شما سعی به مرتبط کردن آن با آردوینو کنید (با فرض ولتاژ کاری 5V)، نیاز به کم کردن ولتاژ 5V به 3.3V است. تقسیم‌کننده ولتاژ! همه‌چیزی که لازم است یک جفت مقاومت به نسبت تقسیم سیگنال 5V به حدود ولتاژ 3.3V است. معمولاً مقاومت‌های محدوده 1kΩ-10kΩ بهترین انتخاب برای این کار است.

شکل 5. مقاومت‌های 3.3kΩ  (نارنجی، نارنجی، قرمز) R2 ها هستند. مقاومت‌های 1.8kΩ،R1 ها هستند. مثال تقسیم‌کننده ولتاژ روی برد بورد، سطح 5V را به 3.3V می‌برد.

به خاطر داشته باشید این راه‌حل تنها در یک‌جهت کار می‌کند، یک تقسیم‌کننده ولتاژ به‌تنهایی قادر نیست سطح ولتاژ کم را به زیاد بیاورد.

کاربردهای ممنوع

به‌عنوان یک روش وسوسه‌انگیز ممکن است از تقسیم‌ کننده ولتاژ برای کم کردن ولتاژ استفاده شود، تبدیل یک منبع ولتاژ 12V به 5V، نباید تقسیم‌ کننده‌ های ولتاژ به‌عنوان منبع تغذیه بار استفاده شوند.

هر جریانی که مورد نیاز بار است باید از طریق R1 تأمین شود. جریان و ولتاژ R1 باعث تأمین انرژی می‌شود که به‌صورت گرما هدر می‌شود. اگر این توان از تحمل مقاومت تجاوز کند (معمولاً بین ⅛W تا 1W)، گرما باعث مشکل عمده می‌شود،به طور بالقوه ذوب مقاومت ضعیف…

این موضوع حتی نمی‌گوید منبع ساخته‌شده با تقسیم‌کننده ولتاژ چقدر کارآمد است. اساساً از تقسیم‌کننده ولتاژ به‌عنوان منبع ولتاژ برای هر چیزی که نیاز به مقدار کمی توان دارد، استفاده نمی‌شود. اگر نیاز دارید برای استفاده به‌عنوان منبع ولتاژ، ولتاژ را کم کنید، رگلاتورهای ولتاژ یا منابع سوئیچینگ را ببینید.

اگر هنوز تقسیم‌کننده ولتاژ را خوب نفهمیده‌اید، در این بخش به اینکه چگونه قانون اهم اعمال می‌شود برای تولید معادله تقسیم‌کننده ولتاژ، می‌پردازیم. این یک تمرین سرگرم‌کننده است، اما برای فهم چگونگی کار تقسیم‌کننده ولتاژ خیلی ضروری نیست. اگر علاقه‌مند هستید، برای سرگرم شدن با قانون اهم و جبر آماده شوید.

ارزیابی مدار

بنابراین، اگر می‌خواهید ولتاژ Vout را اندازه‌گیری کنید، چگونگی اعمال قانون اهم برای ساخت رابطه برای محاسبه ولتاژ را بدانید، با فرض اینکه مقادیر Vin، R1 و R2 را می‌دانیم، معادله Vout را بررسی می‌کنیم.

بیایید با رسم جریان I1 و I2 مدار که جریان عبوری از مقاومت‌های مربوطه هستند، شروع کنیم.

 هدف ما محاسبه Vout با اعمال قانون اهم به ولتاژ است. کار آسان است، تنها یک مقاومت و یک جریان وجود دارد.

ما مقدار R2 را می‌دانیم، اما چه چیزی درباره R1 می‌دانیم؟ یک مقدار نامعلوم است ولی اطلاعات اندکی از آن داریم. می‌توانیم 2 فرض کنیم (و به نظر می‌رسد یک فرض بزرگ است) I1 برابر I2 است. اما چه کمکی به ما می‌کند؟ به خاطر داشته باشید، در مدار ما به نظر می‌رسد I برابر I1 و I2 است.

 چه چیزی درباره Vin می‌دانیم؟  Vin ولتاژ هر دو مقاومت R1 و R2 است. این مقاومت‌ها سری هستند. مقاومت‌های سری یک مقدار جریان دارند. بنابراین می‌توان گفت:

قانون اهم اصل اساسی است! Vin=I*R. بنابراین اگر R را به R1+R2 تبدیل کنیم، می‌توان نوشت:

و ازآنجاکه I برابر I2 است، معادله Vout برابر می‌شود با:

دوستان! این معادله تقسیم‌کننده ولتاژ است! ولتاژ خروجی کسری از ولتاژ ورودی است و کسر برابر R2 تقسیم‌بر مجموع R1 و R2 است.

Source https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-dividers/all

اکنون‌ که شما یکی از رایج‌ترین مدارهای الکتریکی را درک کرده‌اید، دنیایی از چیزهای جدید برای یادگیری وجود دارد. درس های دیگری را نیز ما در میکرو دیزاینر الکترونیک برای شما آماده کرده ایم میتوانید از بین آموزش طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ ، آموزش میکروکنترلرهای LPC1768  ،  آموزش میکروکنترلرهای PIC  ،  آموزش Altium Designer  ،  مفاهیم پایه الکترونیک  ،  پروژه های آردوینو  ،  آموزش رزبری پای  ،  آموزش آردوینو  ،  اینترنت اشیاءدرس دلخواه را انتخاب و رایگان یادبگیرید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.