Въведение
Делителите на напрежение са основни елементи за намаляване на входното напрежение до безопасни нива за микроконтролерите. Те се използват за измерване на високи напрежения, когато ADC входовете на устройства като Arduino, ESP8266 и ESP32 имат ограничен диапазон. В тази статия ще разгледаме как да изчислим правилния делител за различни приложения, като използваме стойности на резистори, които осигуряват точност и надеждност.
Какво е делител на напрежение?
Делителят на напрежение е електронна схема, използвана за намаляване на високо входно напрежение до по-ниско изходно напрежение, което може да бъде обработено от други електронни компоненти или микроконтролери. Тази схема се състои от два или повече резистора, свързани последователно, като изходното напрежение се взема от точка между тях.
Основният принцип на работа на делителя е базиран на закона на Ом и се описва с формулата:
където:
- Vout: Изходното напрежение след делителя (в V).
- Vin: Входното напрежение към делителя (в V).
- R1: Резисторът, свързан към входното напрежение (в Ω).
- R2: Резисторът, свързан към земя (в Ω).
Тази формула показва, че съотношението между изходното и входното напрежение зависи от стойностите на резисторите R1 и R2.
Какво е импеданс на делителя?
Импедансът на делителя на напрежение е общото съпротивление, което влиза в контакт с източника на напрежение. Това е съвкупната устойчивост, която резисторите в делителя оказват на електрическото течение. Важно е да се отбележи, че импедансът на делителя играе критична роля за точността на измерванията, които прави микроконтролерът чрез неговия аналогово-цифров преобразувател (ADC).
Импедансът на делителя се изчислява по формулата:
където R1 и R2 са стойностите на резисторите в делителя. Импедансът влияе на това какъв ток ще протича през веригата и, ако импедансъте твърде висок, може да доведе до неточности при измерванията на ADC, защото може да не успее да вземе точни измервания, ако токът е твърде малък.
За да се постигне точност при измервания с Arduino, ESP8266 или ESP32, обикновено е препоръчително импедансът да бъде в диапазона от 10kΩ до 100kΩ. Това позволява на ADC да работи ефективно, като минимизира възможността за шум или пад на напрежение, който би изкривил резултатите. Повече спецификации за тези платформи може да намерите в нашия раздел: Ревюта.
Какво е разсейвана мощност от делителя на напрежение и подбор на правилните резистори?
Разсейваната мощност в делителя на напрежение е количеството енергия, което се преобразува в топлина в резисторите. Всеки резистор в делителя генерира топлина, когато през него преминава ток, и това може да доведе до повишаване на температурата, което да наруши точността на измерванията или да повреди компонентите, ако не се изберат правилните стойности на резисторите.
Мощността се изчислява чрез формулата:
Подбор на резистори
При избора на резистори за делителя е важно да се вземат предвид както разсейваната мощност, така и точността на измерванията. Високите стойности на резисторите водят до по-нисък ток и съответно по-ниска разсейвана мощност. Например, резистори с висока стойност (например 200kΩ и нагоре) ще генерират по-малко топлина в сравнение с по-ниски стойности, но ако импедансът е твърде висок, това може да доведе до неравномерно изчитане на сигнала от ADC.
Препоръчва се:
- Резисторите да бъдат с мощност поне два пъти по-голяма от изчислената разсейвана мощност, за да се избегнат повреди от прегряване.
- Да се използват резистори с точност от ±1% или по-добро, за да се осигури правилното измерване на напрежението.
Избирайки правилните стойности на резисторите и с подходяща мощност, ще осигурите стабилни и точни измервания с минимален риск от прегряване на компонентите.
Какво е стъпка на изчитане?
Стъпката на изчитане е минималната разлика в напрежението, която може да бъде разпозната и измерена от аналогово-цифровия преобразувател (ADC) на микроконтролера. Тя се определя от резолюцията на ADC и максималното напрежение, което може да се изчете.
За да разберем какво точно представлява стъпката на изчитане, трябва да се запознаем с основната формула за ADC:
където:
- Vout,max: е максималното напрежение, което ADC може да измери (обикновено 5V за Arduino или 3.3V за ESP32).
- n: е резолюцията на ADC в битове (например 10 бита за Arduino и ESP8266, 12 бита за ESP32).
Стъпката на изчитане ни показва колко малка промяна в напрежението може да бъде открита от ADC. Например, ако резолюцията на ADC е 10 бита, максималното напрежение е 5V, тогава стъпката на изчитане ще бъде:
Това означава, че ADC може да разпознае промени в напрежението, които са по-малки от 5V, като минимална стъпка от около 4.88mV.
При измерване на входни напрежения (преди делител на напрежение), стъпката на изчитане може да се пресметне спрямо напрежението преди делителя, като се използва коефициентът на делителя (k):
където (к) е коефициентът на делителя на напрежение.
Стъпката на изчитане е критична за точността на измерванията и за правилната настройка на делителя, тъй като тя определя колко точно може да бъде отчетена всяка промяна в измерваното напрежение.
Добавяне на RC филтър в делителя на напрежение
RC филтърът (резистор и кондензатор) е полезно допълнение към делителя на напрежение, особено когато трябва да измервате сигнал с минимален шум и стабилност. Филтърът изглажда сигналите и премахва високочестотния шум, което подобрява точността на измерването на аналоговите входове на микроконтролера.
Как работи RC филтърът?
RC филтърът е тип нискочестотен филтър, който пропуска сигнали с ниска честота и потиска тези с висока честота. Той се добавя паралелно на изхода на делителя на напрежение, като кондензаторът е свързан към земя.
Основната формула за изчисляване на честотата на срез (fc) е:
където:
- fc: Честотата на срез (в Hz).
- R: Съпротивлението в делителя (в Ω).
- C: Капацитетът на кондензатора (в F).
Предимства на RC филтъра в делител на напрежение:
- Изглаждане на сигнала: Премахва високочестотния шум, който може да е резултат от смущения или променливи входни сигнали.
- Подобряване на точността: Намалява ефекта на пулсации в измерванията, които могат да влияят на ADC.
- Оптимално за сензори: Особено полезно, ако делителят е свързан към чувствителни сензори или измервателни устройства.
Как да използваме RC филтър?
Може да прочетете как да използваме RC филтър в статита ни: Използване на LOW-PASS RC филтри за изчитане на аналогови сигнали с Arduino.
Добавянето на RC филтър към делителя на напрежение е лесен и ефективен начин да повишите надеждността и точността на вашите измервания.
Заключение
Делител на напрежение e основен инструмент в електрониката, позволяващи безопасно и прецизно измерване на високи напрежения. В основата на тяхната работа стои правилният подбор на резистори, за да се постигнат желаните стойности на изходното напрежение. Импедансът на делителя е ключов фактор за точността на измерванията, като правилно балансираните стойности на R1 и R2 осигуряват надеждност и минимални загуби на сигнал.
Разсейваната мощност е друг важен аспект, който трябва да се има предвид при избора на резистори. Тя определя топлинното натоварване в делителя, а изчисляването й гарантира, че използваните резистори ще издържат на натоварването без повреди. Стъпката на изчитане, която зависи от резолюцията на ADC и изходното напрежение, показва прецизността, с която микроконтролерът може да измерва промени в сигнала.
Добавянето на RC филтър в делителя на напрежение е ценна практика за намаляване на високочестотния шум и стабилизиране на сигнала. Това е особено важно в чувствителни приложения или при работа в шумна електрическа среда.
С правилно изчисление и дизайн на делителя на напрежение, оптимално съобразен с нуждите на вашето устройство (Arduino, ESP8266 или ESP32), можете да гарантирате точност, стабилност и дълготрайност на вашите проекти. Тази статия ви предостави всичко необходимо, за да разберете основите на делителите на напрежение и да ги приложите ефективно в практиката.
Повече в : Wikipedia-Voltage divider и Wikipedia-RC circuit.