Bộ chia điện áp lý tưởng
Có hai phần quan trọng đối với bộ chia điện áp: mạch điện và phương trình.
Sơ đồ mạch chia điện áp (mạch phân áp)
Một bộ phân áp bao gồm việc đặt một nguồn điện áp qua một loạt hai điện trở. Bạn có thể thấy nó được vẽ theo một vài cách khác nhau, nhưng về cơ bản chúng phải luôn giống nhau.
Chúng tôi sẽ gọi điện trở gần nhất với điện áp đầu vào (Vin ) là R1 và điện trở gần mặt đất nhất R2. Điện áp giảm trên R2 được gọi là Vout , đó là điện áp phân chia mà mạch của chúng ta tồn tại để tạo ra.
Đó là tất cả những gì có trong mạch! Vout là điện áp được chia của chúng tôi. Đó là những gì cuối cùng sẽ là một phần nhỏ của điện áp đầu vào.
Phương trình tính điện áp đầu ra của mạch phân áp
Phương trình phân áp giả định rằng bạn biết ba giá trị của đoạn mạch trên: điện áp đầu vào (Vin) và cả hai giá trị điện trở (R1 và R2). Với những giá trị đó, chúng ta có thể sử dụng phương trình này để tìm điện áp đầu ra (Vout):
Phương trình này nói rằng điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với điện áp đầu vào và tỷ lệ giữa R 1 và R 2 . Nếu bạn muốn biết điều này đến từ đâu, hãy xem phần này nơi phương trình được suy ra. Nhưng hiện tại, chỉ cần viết nó ra và ghi nhớ nó!
Máy tính toán điện áp ra cho mạch phân áp
Có một số thử nghiệm thú vị với đầu vào và đầu ra của phương trình phân áp! Dưới đây, bạn có thể cắm các số cho Vin và cả hai điện trở và xem loại điện áp đầu ra mà chúng tạo ra.
Nhập vào giá trị điện trở bạn cần tính và cùng xem kết quả bên dưới
Hoặc, nếu bạn điều chỉnh Vout , bạn sẽ thấy giá trị điện trở nào tại R2 là cần thiết (cho trước V và R1).
Đơn giản hóa phép tính cho mạch phân áp
Có một số điểm chung cần ghi nhớ khi sử dụng bộ chia điện áp. Đây là những đơn giản hóa giúp đánh giá một mạch phân chia điện áp dễ dàng hơn một chút.
Đầu tiên, nếu R2 và R1 bằng nhau thì điện áp đầu ra bằng một nửa điện áp đầu vào. Điều này đúng với giá trị điện trở bất kỳ.
Nếu R2 lớn hơn nhiều (ít nhất là một bậc của độ lớn) so với R1 , thì điện áp đầu ra sẽ rất gần với đầu vào. Sẽ có rất ít điện áp trên R1.
Ngược lại, nếu R2 nhỏ hơn nhiều so với R1 , điện áp đầu ra sẽ rất nhỏ so với đầu vào. Hầu hết điện áp đầu vào sẽ nằm trên R1
Các ứng dụng của mạch phân áp
Bộ chia điện áp có rất nhiều ứng dụng, chúng là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của các mạch điện mà các kỹ sư điện sử dụng. Đây chỉ là một vài trong số rất nhiều nơi bạn sẽ tìm thấy bộ chia điện áp.
Chiết áp
Chiết áp là một biến trở có thể được sử dụng để tạo ra một bộ chia điện áp có thể điều chỉnh được.
Bên trong chiết áp là một điện trở đơn và một cái cần gạt, nó cắt đôi điện trở và di chuyển để điều chỉnh tỷ lệ giữa cả hai nửa. Bên ngoài thường có ba chân: hai chân kết nối với mỗi đầu của điện trở, trong khi chân thứ ba kết nối với cần gạt của chiết áp.
Các chân 1 và 3 là các đầu điện trở.
Chân 2 kết nối với cần gạt.
Nếu các chân bên ngoài kết nối với nguồn điện áp (một đầu nối đất, chân kia với Vin ), đầu ra (Vout ở chân giữa sẽ bắt chước bộ chia điện áp. Xoay chiết áp theo một chiều và điện áp có thể bằng không; quay sang phía bên kia, điện áp đầu ra tiếp cận đầu vào; một cái cần gạt ở vị trí giữa có nghĩa là điện áp đầu ra sẽ bằng một nửa đầu vào.
Chiết áp có nhiều loại và có nhiều ứng dụng riêng. Chúng có thể được sử dụng để tạo điện áp tham chiếu, điều chỉnh đài phát thanh, đo vị trí trên cần điều khiển hoặc trong rất nhiều ứng dụng khác yêu cầu điện áp đầu vào thay đổi.
Đọc cảm biến điện trở
Nhiều cảm biến trong thế giới thực là các thiết bị điện trở đơn giản. Tế bào quang điện là một biến trở, nó tạo ra điện trở tỷ lệ với lượng ánh sáng mà nó cảm nhận được. Các thiết bị khác như cảm biến uốn, điện trở cảm ứng lực và điện trở nhiệt, cũng là những điện trở có thể thay đổi được.
Hóa ra điện áp thực sự dễ dàng đối với các bộ vi điều khiển (ít nhất là những bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số – ADC) để đo. Trở kháng? Không nhiều lắm. Tuy nhiên, bằng cách thêm một điện trở khác vào các cảm biến điện trở, chúng ta có thể tạo ra một bộ chia điện áp. Khi đã biết đầu ra của bộ phân áp, chúng ta có thể quay lại và tính toán điện trở của cảm biến.
Ví dụ, điện trở của tế bào quang điện thay đổi giữa 1kΩ trong ánh sáng và khoảng 10kΩ trong bóng tối. Nếu chúng ta kết hợp nó với một điện trở tĩnh ở đâu đó ở giữa – ví dụ 5,6kΩ, chúng ta có thể nhận được một phạm vi rộng từ bộ chia điện áp mà chúng tạo ra.
| Mức độ ánh sáng | R2(Cảm biến) | R1(Cố định) | Tỷ lệ R2/(R1+R2) | Vout |
| Nhẹ | 1kΩ | 5,6kΩ | 0,15 | 0,76 V |
| Lờ mờ | 7kΩ | 5,6kΩ | 0,56 | 2,78 V |
| Tối | 10kΩ | 5,6kΩ | 0,67 | 3,21 V |
Một dao động khoảng 2,45V từ sáng đến tối. Nhiều mức điện áp ra cho một mạch phân áp!
Mạch chuyển đổi điện áp
Các cảm biến phức tạp hơn có thể truyền các kết quả đọc của chúng bằng cách sử dụng các giao diện nối tiếp nặng hơn, như UART, SPI hoặc I2C. Nhiều cảm biến trong số đó hoạt động ở điện áp tương đối thấp, để tiết kiệm năng lượng. Thật không may, không có gì lạ khi những cảm biến điện áp thấp đó cuối cùng giao tiếp với một bộ vi điều khiển hoạt động ở điện áp hệ thống cao hơn. Điều này dẫn đến một vấn đề về chuyển đổi mức điện áp, trong đó có một số giải pháp bao gồm cả mạch phân áp.
Ví dụ: gia tốc kế ADXL345 cho phép điện áp đầu vào tối đa là 3,3V, vì vậy nếu bạn cố gắng giao tiếp nó với Arduino (giả sử hoạt động ở 5V), bạn sẽ cần phải làm gì đó để giảm tín hiệu 5V đó xuống 3,3V. Chia điện áp! Tất cả những gì cần thiết là một vài điện trở có tỷ lệ sẽ chia tín hiệu 5V thành khoảng 3,3V. Điện trở trong phạm vi 1kΩ-10kΩ thường là tốt nhất cho ứng dụng như vậy.
Hãy nhớ rằng giải pháp này chỉ hoạt động theo một hướng. Chỉ một bộ chia điện áp sẽ không bao giờ có thể chuyển một điện áp thấp hơn lên một điện áp cao hơn.
Mạch phân áp không được ứng dụng trong các trường hợp sau
Ví dụ như việc sử dụng bộ chia điện áp để hạ cấp, chẳng hạn như nguồn điện 12V thành 5V, không nên sử dụng bộ chia điện áp để cung cấp điện cho tải.
Bất kỳ dòng điện nào mà tải yêu cầu cũng sẽ phải chạy qua R1. Dòng điện và hiệu điện thế trên R1 tạo ra điện năng, bị tỏa nhiệt dưới dạng nhiệt. Nếu công suất đó vượt quá định mức của điện trở (thường từ ⅛W đến 1W), nhiệt bắt đầu trở thành vấn đề lớn, có khả năng làm nóng chảy điện trở kém.
Điều đó thậm chí còn không đề cập đến việc bộ phân áp cung cấp điện sẽ kém hiệu quả như thế nào. Về cơ bản, không sử dụng bộ chia điện áp làm nguồn cung cấp điện áp cho bất cứ thứ gì yêu cầu một lượng điện năng nhỏ. Nếu bạn cần giảm điện áp để sử dụng nó làm nguồn cung cấp điện, hãy xem xét bộ điều chỉnh điện áp hoặc nguồn cung cấp chuyển đổi.
Công thức chứng minh cho phương trình mạch phân áp
Nếu bạn vẫn chưa điền vào bộ chia điện áp, trong phần này chúng tôi sẽ đánh giá cách áp dụng định luật Ohm để tạo ra phương trình bộ chia điện áp. Đây là một bài tập thú vị, nhưng không quá quan trọng để hiểu được chức năng của bộ chia điện áp. Nếu bạn quan tâm, hãy chuẩn bị cho một số thời gian vui vẻ với định luật Ohm và đại số.
Phân tích mạch phân áp
Vì vậy, nếu bạn muốn đo điện áp tại Vout? Làm thế nào định luật Ôm có thể được áp dụng để tạo ra công thức tính hiệu điện thế ở đó? Giả sử rằng chúng ta biết các giá trị của Vin, R1 và R2, vì vậy hãy lấy phương trình Vout của chúng ta theo các giá trị đó.
Hãy bắt đầu bằng cách vẽ ra các dòng điện trong mạch I1 và I2 mà chúng ta sẽ gọi là dòng qua các điện trở tương ứng.
Mục tiêu của chúng ta là tính Vout, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta áp dụng định luật Ohm cho hiệu điện thế đó? Đủ dễ dàng, chỉ có một điện trở và một dòng điện liên quan:
Chúng ta biết giá trị của R2, nhưng còn I2 thì sao? Đó là một giá trị không xác định, nhưng chúng tôi biết một chút gì đó về nó. Chúng ta có thể giả định (và điều này hóa ra là một giả định lớn) rằng I1 tương đương với I2. Được rồi, nhưng điều đó có giúp ích gì cho chúng tôi không? Giữ suy nghĩ đó đi. Mạch của chúng ta bây giờ trông như thế này, trong đó tôi bằng cả I1 và I2 .
Chúng ta biết gì về Vin? Vin là điện áp trên cả hai điện trở R1 và R2. Các điện trở đó mắc nối tiếp. Điện trở nối tiếp cộng với một giá trị, vì vậy chúng ta có thể nói:
Và, trong giây lát, chúng ta có thể đơn giản hóa mạch thành:
Định luật Ohm cơ bản nhất của nó! Vin = I*R. Mà, nếu chúng ta biến R đó trở lại thành R1 + R2 , cũng có thể được viết là:
Và vì I tương đương với I2, hãy đặt nó vào phương trình Vout của chúng ta để nhận được:
Và đó là phương trình phân áp! Điện áp đầu ra là một phần nhỏ của điện áp đầu vào và phần đó là R2 chia cho tổng của R1 và R2.
