分压电路工作原理、计算公式及应用特点
电子学中有很多基本电路,看起来很是简单,但实际上有很大的用途。一种这样的电路是分压器电路。
根据应用的不同,有多种类型的分压器电路可用,例如电阻式、电感式、低通RC滤波器和电容式分压器。那么,分压电路工作原理及应用特点究竟是怎样的?下面一起来看看吧。
分压器电路的概念
分压器电路是一种简单的电子电路,只需使用几个电阻器即可将较高的输入电压转换为较低的输出电压。它通常用于模拟电路,例如基于运算放大器的电路,其中所需的电压可能是可变的。
下图显示了一个由两个电阻器R1和R2组成的简单分压器电路。VIN是输入电压,而VOUT是电阻R2上的输出电压。
因此,只要使用两个电阻器R1和R2,就可以通过适当选择R1和R2的值,将任何输入电压VIN转换为任何所需的输出电压VOUT。
分压器计算公式
分压器网络输出电压VOUT的计算公式如下:
VOUT = (VIN * R2) / (R1 + R2)
其中,VIN = 输入电压,VOUT = 输出电压,两个电阻的R1和R2值。
从上述分压器计算公式中,可以确认输出电压的比例因子由比率R2 / (R1 + R2)决定。
分压器方程推导过程
分压器电路的基础是欧姆定律。事实上,可以简单地利用欧姆定律推导出分压器方程。根据欧姆定律,电路中流动的电流与电路两端的电压与电位差成正比。在上述过程中,比例常数是电路(或元件)的电阻。
所以,在上述电路中使用欧姆定律,可以计算输入电压为:
VIN = I * R1 + I * R2 = I * (R1 + R2)
同样,输出电压为:VOUT = I * R2
如果观察上述两个方程,很明显两个方程中的电流是相同的,因此可以将上述方程重写如下:
I = VIN / (R1 + R2)和I = VOUT / R2
将上述两个等式相等,可以得到:
VOUT / R2 = VIN / (R1 + R2)
最后便得到:
VOUT = VIN * R2 / (R1 + R2)
分压器方程示例
假设VIN为5V,R1和R2的值分别为10000 Ω (10 KΩ) 和20000 Ω (20 KΩ)。根据上面给出的等式,可以计算出VOUT的值如下:
VOUT = 5 * 20000 / (10000 + 20000) = 3.3V
这种R1为10KΩ,R2为20KΩ的组合是常用的将5V电平信号转换为3.3V电平信号的分压电路之一。
分压器电路应用
是分压器在模拟和数字电路中非常常用,下面简单介绍几种分压器电路的常见应用。
1、电平转换器
分压器的主要应用之一是用作电平转换器。众所周知,如果微控制器和传感器在不同的电压水平下工作,那么一个简单的电平转换器就可以完成这项工作,该转换器由几个以分压器方式配置的电阻器组成。
下图是HC-05蓝牙模块与Arduino电路图:
该电路一个典型的要求是将来自微控制器的5V信号转换为传感器的3.3V 信号。这种情况,可以通过简单地使用两个10 KΩ和20 KΩ电阻作为R1和R2来做到这一点。
注意:20KΩ电阻并不常见,可以串联使用两个10 KΩ电阻。另一种方法是使用1KΩ电阻器作为R1,使用相当常见的2.2KΩ电阻器作为 R2。在这种情况下,输出电压将为3.4V,但传感器可以承受。
2、电位器
电位器或简单的POT是具有三个端子的可变电阻器。使用电位器,可以实现具有可变输出电压的分压器电路,主要是通过在电位器的极端引脚上连接输入电压并通过抽头端子获取输出来实现这一点。
通过调节电位器的游标位置,输出电压也会发生变化。
3、电阻式传感器(LDR和热敏电阻)
DIY项目中常用的两个传感器是LDR(光敏电阻)和热敏电阻。这两种传感器都是电阻型的。但问题是像Arduino这样的微控制器只能读取输入端的电压。
这时候通过在分压器电路中连接电阻传感器(LDR或热敏电阻),可以获得传感器两端的电压并对微控制器进行编程以相应地调整该值。
总结
其实,分压器电路在电子电路中很常见,应用广泛。因此,掌握分压的工作原理及分压电路的变形电路,对分析许多电子电路有着举足轻重的影响。