Делитель напряжения это элемент, который встречается в любой схемотехнике. Если понять как работает делитель напряжения то гораздо проще понять принцип работы активных элементов, таких как лампа и транзистор. Чтобы не сильно погружаться в формулы, покажем физику работы делителя на пальцах. Вот его схема.
Напряжение, приложенное к делителю, распределяется пропорционально номиналам резисторов
Делитель образуют два резистора — первый R1 сопротивлением 80 Ом и второй R2 сопротивлением 160 Ом. Резисторы соединены последовательно. Вот собственно и вся схема. Номиналы резисторов и напряжение батареи мы выбрали произвольно.
К делителю приложено напряжение 12 В батареи. Теперь, все исходные данные задачи у нас на руках, и мы начинаем считать. Наша задача — определить напряжение на выходе делителя, то есть в той точке схемы, к которой подключен вольтметр.
Немного цифр — рассчитываем наш делитель
Сразу отметим, что вся цепь у нас — строго последовательная, то есть последовательно соединены батарея E, резистор R1 и резистор R2 (резистор R2 соединен с батареей через цепь «заземления»). Это означает, что в образовавшемся кольце течет один и тот же ток. Найти его значение просто: поскольку суммарное сопротивление, к которому приложено напряжение батареи, составляет R1+R2 = 240 Ом, то соответственно ток в делителе будет равен напряжению батареи 12 В, отнесенному к этому суммарному сопротивлению: ток = 12 В / 240 Ом = 50 мА.
Важно понимать, что через батарею E, резистор R1 и резистор R2 течет один и тот же ток — 50 мА. Это логично, поскольку ответвляться ему некуда — батарея и два резистора последовательно образуют замкнутое кольцо.
Ток 50 мА, протекающий по резистору R2, создает на нем падение напряжения 50 мА х 160 Ом = 8 В. Вот мы и нашли выходное напряжение делителя — оно составляет 8 Вольт. Проверим себя — на резисторе R1 падает 50 мА х 80 Ом = 4 В, если сложить падения напряжений на резисторах то получится 8 В + 4 В = 12 В — напряжение батареи, как и должно быть.
Запомним: в последовательной резистивной цепи ток один и тот же, а напряжения складываются.
Нагружаем делитель
Тут сразу возникает один интересный вопрос — это множественность выбора номиналов резисторов для того чтобы получить из 12 В напряжение 8 В. Как следует из физики делителя, те же самые 8 В можно получить, увеличив номиналы резисторов R1 и R2 одновременно и в два раза, и в четыре, и хоть в десять раз. И будет от этого некоторая польза — ток, потребляемый от батареи будет пропорционально уменьшаться. Например, если мы возьмем резисторы R1 и R2 номиналом не 80 и 160 Ом, а например 240 Ом и 480 Ом соответственно, то точно также получили бы на выходе 8 В, только ток в делителе стал бы в три раза меньше.
На самом деле, существует одно серьезное ограничение. Делитель используется не сам по себе, а совместно с нагрузкой, для которой он собственно говоря и предназначен. На рисунке в качестве нагрузки показан высокоомный вольтметр, который практически никак не нагружает делитель. Делитель будет считаться нагруженным, когда ток отдаваемый в нагрузку начнет превышать примерно десятую долю тока протекающую через резисторы делителя. До этого, наш расчет остается в силе и дополнительным током который ответвляется в нагрузку можно пренебречь. Но если например вольтметр показанный на рисунке вдруг начнет потреблять больше 5 мА (десятая часть от тока делителя 50 мА), то это внесет существенное изменение в работу делителя: дополнительный ток, ответвляющийся в нагрузку становится соизмеримым с током делителя и его уже необходимо учитывать при расчете. Выходное напряжение делителя начнет падать — можно сказать, что делитель «не держит нагрузку».
Поэтому, помимо расчета выходного напряжения, делитель рассчитывается и на протекающий по нему ток. Эти два параметра однозначно определяют номиналы резисторов R1, R2. Например, если бы мы решили продавать наш делитель, то в паспортных данных указали, что он рассчитан на нагрузку не более 5 мА и в пределах нормальной нагрузки мы гарантируем понижение напряжения с 12 В до 8 В.
Снижение выходного напряжения делителя, вызванное нагрузкой, можно объяснить в других терминах. Делитель имеет выходное сопротивление, примерно равное сопротивлению резистора R2. Если сопротивление нагрузки начнет повышаться более чем десятая часть R2, то для такой нагрузки делитель будет выглядеть как источник напряжения с большим внутренним сопротивлением — а это означает, что он будет не в состоянии обеспечить эту нагрузку.
Играем параметрами
Попробуем немного поменять номиналы резисторов, например R2, чтобы посмотреть как это скажется на выходном напряжении делителя, «пощупать» его. Для того чтобы лучше это представить, предположим что резистор R2 — это на самом деле микрофон со своим собственным сопротивлением 160 Ом, и как микрофон он изменяет свое сопротивление под воздействием голоса. Чем больше чувствительность микрофона — тем больше изменение сопротивления. Предположим, что некто поет в микрофон и за счет этого амплитуда изменения сопротивления составляет 10 Ом, то есть сопротивление микрофона R2 меняется от 150 Ом до 170 Ом. Делая предположение что это изменение не слишком сильно скажется на токе делителя (точный расчет должен это учитывать, но нам точный расчет и не нужен, поскольку влияние этого уточнение на порядок ниже основного), получаем диапазон выходного напряжения делителя 50 мА х (150 Ом … 170 Ом) = 7,5 В … 8,5 В. Это означает, что на выходе делителя появился звуковой сигнал амплитудой 0,5 В. Таким образом, делитель преобразовал изменение сопротивления микрофона, вызванное голосом, в выходной сигнал.
Понимание этого процесса — как сопротивление одного плеча делителя отображается на выходное напряжение — является ключевым для понимания схемотехники, основанной на электронной лампе или транзисторе, и для понимания того, что такое рабочая точка.
Ответить