分压器是什么,详解分压器电路基本原理

在本指南中,详细介绍了电子电路中一个非常关键和基本的元素,那就是分压器。

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分压器是一个基本的无源电路,但起着非常关键的作用,功能是将一个大的电压降为一个小的电压。基本分压器电路由两个串联的电阻组成,产生的输出电压只是其输入电压的一部分。输入电压被施加在两个电阻上,所需要的输出电压来自两个电阻之间的连接,第二个电阻通常连接到地。

基本分压器电路

下面是一些例子,可以看到一个分压器电路的设置。所有的分压器电路应该看起来相当相似。电路应该由两个电阻组成。  一个电阻应连接到地,另一个连接到源电压,并从一对电阻之间的输出电压的电线。

Voltage-Divider-Circuit-Example.png

正如所看到的,在分压器电路的基本设置中,最接近输入电压(Vin)的电阻通常被称为R1,离地线最近的电阻通常称为R2。输入电压通过电阻对(R1和R2)引起的电压降称为Vout。由此产生的电压降就是所说的分压。这个分压是原始输入电压(Vin)的一部分。

使用R1、R2、Vin和Vout来命名电路中的元素,因为它们对于理解您将需要的分压器方程式的值至关重要。

分压器公式

分压器公式假设你知道电路中利用的三个值。需要知道利用方程的数值是以下三个:电阻值(R1和R2)以及输入电压(Vin)。利用下面公式中的这三个值,就可以计算出分压器电路的输出电压。

Voltage-Divider-Main-Equation.png

现在最后一次介绍分压器方程中使用的变量,以便对每个变量有了解。

  • Vin是以伏特(V)为单位的输入电压。
  • R1是分压器中第1个电阻的电阻,单位为欧姆Ω。
  • R2是分压器中第2个电阻的电阻,单位为欧姆Ω。
  • Vout是以伏特(V)为单位的输出电压。

分压器公式示例

分压器公式的第一个例子,利用以下数值。

  • Vin为5v。
  • R1为220Ω电阻。
  • 而R2为680Ω电阻。

现在,如果我将这些值带入到分压器公式中,应该最终得到类似下面显示的东西。

Voltage-Divider-Main-Equation-example-01.png

首先,先将R1和R2的电阻值加在一起。所以在我上面的例子中,最终是220+680,等于900。

把公式中的220+680替换成我的结果,所以我最终得到以下公式。

Voltage-Divider-Main-Equation-example-02.png

现在已经做了简单的加法,终于可以计算出分压器方程中的除法部分。

只要用计算出的R1+R2值除以R2值即可。在我们的例子中,是680除以900。

使用计算器可以得到0.755555555555555556,但为了简单起见,将其四舍五入到小数点后两位,数字变成0.76。

把公式中的除法部分换成你所得到的值,公式现在应该是下面这个样子。

Voltage-Divider-Main-Equation-example-03.png

最后,可以将Vin与计算出的电阻除法量相乘。在我的例子中,将5乘以0.76即可。

这个乘法的结果将给你的Vout量。在我们的例子中,这个结果是3.8伏特。

公式简化

可以对分压器方程进行一些简化。不过,在本指南中,我将只引导您完成下面的一个。

使用简化可以使您更容易快速评估分压器电路。

Voltage-Divider-Main-Simplication-01.png

这个简化说,如果R1电阻和R2电阻的值相同,那么输出的电压等于输入电压的一半。

分压器应用

分压器在电子电路中的应用很多,是很多电子电路的核心部件。下面我就给大家介绍一下分压电路的几个应用。

电位器

电位器是最常用的电子电路之一,是众多不同产品的核心部件。以下是一些电位器使用的器件的例子。

  • 测量操纵杆的位置
  • 创建一个参考电压
  • 控制扬声器中的音频电平
  • 在许多其他方面

电位器是一种可变电阻,其作用就像可调式分压器一样。锅内是一个单电阻,被一个刮片隔开。这个刮片就是你移动的,可以调整两半电阻之间的比例。在锅外,你会发现有三个引脚,两边的引脚是电阻两端的连接,你可以认为这两个引脚是R1和R2。

中间的那个引脚就是连接到刮片的。理论上这就像分压电路中的Vout一样。

potent-example.png

要连接一个电位器,使它像一个可调节的分压器,你需要将一侧连接到你的输入电压(Vin),另一侧连接到地。

当两个外部引脚都正确接线后,中间的引脚将作为您的分压器输出(Vout)。

将电位器朝一个方向转动会使电压趋向于零,将电位器调到另一边会使电压接近输入电压。将电位器转到中间位置,意味着输出电压将是输入电压的一半。

电平移位器

电平移位器是处理数字电子器件时需要理解的一个重要概念。它们也可以称为 “逻辑电平移动器 “或 “电压电平转换 “电路。

电平转换器用于将电压从一个电平转换到另一个电平。这通常用于允许具有不同电压要求的IC之间的兼容性。

一些比较复杂的传感器利用UART、SPI或I2C等接口来传输读数,往往需要处理不同的电压水平。

一个潜在用途的例子是在处理Raspberry Pi等微控制器板时。

Raspberry Pi是一个很有趣的例子,它的电平变换器很方便。尽管Raspberry Pi提供了5v和3.3v的电源输出,但它的GPIO引脚只能处理3.3v的输入。

利用电路中的分压器,我们可以将输入引脚的电压从5v降到3.3v。

下面我们将通过一个例子,使用Raspberry Pi的分压器电路,将传感器的输出从5V做平移到3.3v。

级别转换的例子

例如,在我们的距离传感器教程中,我们利用HC-SR04超声波传感器。

该传感器利用5v电源输入,这意味着我们需要将Echo引脚上的输出从5v降到3.3v,才能到达GPIO引脚。

我们可以通过选择一个初始电阻值来计算我们需要的电阻。1kΩ-10kΩ之间的电阻对于将电压从5v降到3.3v效果最好。

在我们的例子中,我们将利用一个1kΩ的电阻。为了计算出我们需要使用的第二个电阻,我们将使用另一个重新排列的分压器公式。

要计算R2值,我们需要知道Vin,Vout和我们计划使用的R1电阻的值。

有了这3个值,我们可以利用下面的公式。

Level-Shifting-Equation-01.png

将该等式填入我们的已知值,我们可以用它来计算将电压从5v降到3.3v所需的电阻值。

用我们的输入和输出值以及我们的R1电阻1kΩ,你应该最终得到以下公式。

Level-Shifting-Equation-02.png

首先,你应该计算两半的除法,如果你用Vout(3.3)乘以R1(1000)的值,应该得到3300。

现在我们还需要做下半部分,从Vin中减去Vout,在这个例子中就是5 – 3.3,等于1.7。

Level-Shifting-Equation-03.png

最后,将两个值相除,得到你的电阻值,在我们的例子中,是3300除以1.7。

将其放入计算器中,我们得到一个很长的数字,但我们会将其简化为最接近的两位小数。

Level-Shifting-Equation-04.png

通过这个数值,我们可以推断出2kΩ的电阻应该足以将5v电压降到3.3v。

读取电阻式传感器

有一点你可能会注意到,现实世界中的许多传感器只是简单的电阻装置,可以对某些变化做出反应。

例如,像我在光传感器教程中使用的LDR(光依赖电阻)传感器,其工作原理是产生一个与接触它的同类量成比例的电阻。

还有许多其他的传感器实际上只是花哨的电阻,如热敏电阻、柔性传感器和力敏电阻。

遗憾的是,虽然不像电压(加上模数转换器),但对于Raspberry Pi等电脑来说,电阻并不容易测量。

然而,可以通过重新设计电路,使其更容易成为一个分压器。这很简单,只要增加一个电阻,这样电路就更像我们在本指南前面展示的电路。

这样我们就可以利用分压器提供给我们的电压来计算当前的光照度。

添加一个你知道的值的电阻,比如一个1k欧姆的电阻,然后你就可以通过重新排列前面使用的公式,计算出LDR在不同光照度下的电阻。

需要知道的是,Vin、Vout和R1电阻值。

Voltage-Divider-re-arangement.png

利用上面的公式可以快速计算出LDR在最暗的光照度和最亮的光照度下的电阻。

这样我们就可以知道它的最高电阻和最低电阻。

当你有这两个电阻值时,你可以计算出一个位于两者之间的电阻值,这将为你计算通过模数转换器的电流光提供最大的分辨率。

例如,光电池的电阻可以在光照下1kΩ和黑暗中约10kΩ之间变化。

因此,通过利用一个中间值的电阻,如5.1kΩ的电阻,我们可以从LDR中获得最宽的范围。

LDR.png

希望本指南能帮助您了解什么是分压器,如何在电路中使用它以及计算它的结果电压。

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