Ο διαιρέτης τάσης ή διαιρέτης δυναμικού είναι μία απλή κυκλωματική διάταξη η οποία αποτελείται από δύο αντιστάτες συνδεδεμένους εν σειρά, στα άκρα των οποίων εφαρμόζεται η τάση εισόδου. Ως τάση εξόδου λαμβάνεται η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες της μίας εκ των δύο αντιστάσεων. Οι τιμές που μπορεί να πάρει η τάση εξόδου κυμαίνονται από το 0 έως την τάση εισόδου.

Το κυκλωματικό διάγραμμα ενός διαιρέτη τάσης:
Vin: Τάση εισόδου
Vout: Τάση εξόδου
R1 , R2: Ηλεκτρικές αντιστάσεις

ΑνάλυσηΕπεξεργασία

Η ανάλυση του κυκλώματος ενός διαιρέτη τάσης είναι αρκετά απλή.[1] Σύμφωνα με την θεωρία των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα των δύο αντιστατών εν σειρά προκύπτει από την διαίρεση της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του κυκλώματος προς το άθροισμα των τιμών των εν σειρά αντιστάσεων. Η τάση εξόδου είναι ουσιαστικά η τάση που αναπτύσσεται στα άκρα της δεύτερης αντίστασης. Η τάση αυτή μπορεί να βρεθεί εάν πολλαπλασιάσουμε το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση επί την τιμή της. Ο συλλογισμός αυτός μπορεί να δοθεί μαθηματικά εφαρμόζοντας τον νόμο του Ωμ [2]:

Ρεύμα κυκλώματος:  

Τάση εξόδου:  

Η σχέση αυτή δείχνει ότι ο λόγος της πτώσης τάσης V2 στο R2 προς τη συνολική τάση Vin είναι πανομοιότυπος με τον λόγο της αντίστασης R2 προς τη συνολική αντίσταση των R1 και R2

Από την παραπάνω ανάλυση προκύπτει πως, με κατάλληλη εκλογή των ηλεκτρικών αντιστάσεων του κυκλώματος, μπορούμε να πάρουμε στην έξοδο οποιαδήποτε τιμή τάσης ανάμεσα στο 0 και την τάση εισόδου.

Η σχέση τάσεων TF ονομάζεται Συνάρτηση μεταφοράς (Transfer Function) και ισούται:

 

Περαιτέρω μετασχηματισμοί ισοδυναμίας καταλήγουν στις ακόλουθες πρακτικές σχέσεις:

  αντίστοιχα  

Διαιρέτης αποτελούμενος από ωμικές αντιστάσεις λειτουργεί ισοδύναμα και με εναλλασσόμενο και με συνεχές ρεύμα..

Ειδικές ΠεριπτώσειςΕπεξεργασία

Στην περίπτωση που η αντίσταση R1 είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με την R2, η τάση στην έξοδο θα είναι περίπου ίση με την τάση εισόδου. Επίσης, στην περίπτωση που η αντίσταση R2 είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με την R1, η τάση εξόδου θα πλησιάζει το 0. Τέλος, εάν θεωρήσουμε ότι οι δύο αντιστάσεις είναι ίσες (R1 = R2), τότε η τάση εξόδου θα είναι ακριβώς το μισό της τάσης εισόδου.

Εάν θέλουμε να προσθέσουμε φορτίο στον διαιρέτη τάσης RL, τότε αντί της αντίστασης R2 θα πρέπει να εισάγουμε στους τύπους τον παράλληλο συνδυασμό της αντίστασης R2 και της αντίστασης RL, όπου η δεύτερη είναι η αντίσταση εισόδου του κυκλώματος που έχουμε θεωρήσει ως φορτίο. Η ισοδύναμη αντίσταση Req το αποτέλεσμα της παράλληλης σύνδεσης των αντιστάσεων R2 και RL:

 


  Συνεπώς χρησιμοποιούμε αυτή την τιμή για να υπολογίσουμε την τάση Vout


  και τέλος έχουμε  

Διαιρέτης με αντίσταση και πυκνωτή RCΕπεξεργασία

 
Διαιρέτης με αντίσταση και πυκνωτή

Εκτός από του διαιρέτες που αποτελούνται από ωμικές αντιστάσεις υπάρχει η δυνατότητα συνδυασμού με πυκνωτές ή με επαγωγικές αντιστάσεις (πηνία). Αν αντικαταστήσουμε την αντίσταση R2 με ένα πυκνωτή C τότε θα έχουμε:

Η αντίσταση που προκαλεί ο πυκνωτής ονομάζεται Άεργη αντίσταση (Electrical reactance). Η Άεργη αντίσταση είναι μια αντίδραση στην αλλαγή τάσης ενός στοιχείου. Η Άεργη αντίδραση Xc είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη συχνότητα σήματος f (ή ω γωνιακής συχνότητας μετρούμενη σε rad/sec) και την χωρητικότητα C.

Υπάρχουν δύο επιλογές στη βιβλιογραφία για τον ορισμό της Άεργης αντίστασης για έναν πυκνωτή. Το ένα είναι να χρησιμοποιήσουμε μια ομοιόμορφη έννοια της αντίστασης ως το φανταστικό μέρος της αντίστασης, στην οποία περίπτωση η Άεργη αντίσταση ενός πυκνωτή είναι ο αρνητικός αριθμός,

 

Σε αυτή την περίπτωση, ωστόσο, πρέπει να θυμάστε να προσθέσετε ένα αρνητικό πρόσημο για την Άεργη αντίσταση ενός πυκνωτή, δηλ. Z_c=-jXC (J φανταστική μονάδα ή φανταστικός αριθμός)

Μια άλλη επιλογή είναι να ορίσουμε την Άεργη αντίσταση ως θετικό αριθμό,

 

Μετά από αυτή τη διευκρίνηση της Άεργης αντίσταση μπορούμε να υπολογίσουμε το κύκλωμα το οποίο στην ουσία είναι ένα Low pass RC φίλτρο.

Η αντίσταση του Ac του πυκνωτή είναι   όπου XC είναι η Άεργη αντίσταση του πυκνωτή, C είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή, j είναι η φανταστική μονάδα και ω (ωμέγα) είναι γωνιακή συχνότητα της τάσης εισόδου.

  Το γινόμενο RC ονομάζεται σταθερά χρόνου του κυκλώματος.

Στη συνέχεια, ο λόγος τάσεων εξαρτάται από τη συχνότητα, στην περίπτωση αυτή μειώνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα. Αυτό το κύκλωμα είναι, στην πραγματικότητα, ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης (πρώτης τάξης) . Η σχέση περιέχει έναν φανταστικό αριθμό και στην πραγματικότητα περιέχει και τις πληροφορίες πλάτους και μετατόπισης φάσης του φίλτρου[3]. Για να εξαγάγετε μόνο τον λόγο πλάτους, υπολογίστε το μέτρο (magnitude) του λόγου, το οποίο είναι:

: 

Το μέγεθος συνεισφοράς του πυκνωτή στο διαιρέτη τύπου RC εξαρτάται από τη συχνότητας της τάσης εισόδου Vin Η επίδραση της συχνότητας απεικονίζεται σε ένα διάγραμμα Bode. Τα διαγράμματα Bode (Bode diagrams – 1938) ή λογαριθμικά διαγράμματα αποτελούνται από δύο καμπύλες: Καμπύλη πλάτους σε decibel (db) συναρτήσει του ω και καμπύλη φάσης συναρτήσει του ω.[3] Η κυανή καμπύλη οφείλεται σε πυκνωτή 1 μF ενώ η πορτοκαλί σε πυκνωτή 10μF. Η δημιουργία του εν λόγω διαγράμματος έγινε με το πρόγραμμα Circuit Academy.[4]

 
Διαιρέτης τάσης με πυκνωτές

Διαιρέτης με πυκνωτές.Επεξεργασία

Εκτός από τους διαιρέτες τάσης αντίστασης, υπάρχουν και χωρητικοί διαιρέτες τάσης, οι οποίοι αποτελούνται από δύο πυκνωτές. Ο διαιρέτης αυτός λειτουργεί μόνο με εναλλασσόμενη τάση. Στην περίπτωση αυτή η τάση εξόδου Vout είναι:

 

Διαιρέτης με Επαγωγικές αντιστάσεις.Επεξεργασία

Διαιρέτης τάσεως μπορεί να γίνει και με την αντικατάσταση μας αντίστασης ή ενός πυκνωτή με ένα πηνίο. Στην περίπτωση αυτή η τάση εισόδου θα πρέπει να είναι εναλλασσόμενη για να δημιουργείται επαγωγική αντίσταση από το πηνίο ανάλογα με τη συχνότητα.

ΧρήσειςΕπεξεργασία

Ο διαιρέτης τάσης χρησιμοποιείται όταν θέλουμε να προσαρμόσουμε την τάση εισόδου μιας διάταξης (π.χ. μιας ενισχυτικής διάταξης) ή ενός ηλεκτρονικού εξαρτήματος (π.χ. ενός τρανζίστορ) έτσι ώστε να τροφοδοτήσουμε το κύκλωμα είτε με τάση που βρίσκεται μέσα στα όρια ασφαλούς λειτουργίας του ή με τάση που θα μας δώσει μια επιθυμητή τάση εξόδου και τον επιθυμητό συντελεστή απολαβής και για τη μέτρηση των τάσεων. Μια γέφυρα Wheatstone και ένα Πολύμερο περιλαμβάνουν και τα δύο διαιρέτες τάσης. Ένα ποτενσιόμετρο χρησιμοποιείται ως διαιρέτης μεταβλητής τάσης στον έλεγχο έντασης πολλών ραδιοφώνων. Οι αυτομετασχηματιστές λειτουργούν σαν διαιρέτες επαγωγικών τάσεως.

Ένας διαιρέτης τάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μειώσει μια πολύ υψηλή τάση έτσι ώστε να μπορεί να μετρηθεί με ένα βολτόμετρο. Η υψηλή τάση εφαρμόζεται κατά μήκος του διαιρέτη και η έξοδος του διαιρέτη —η οποία εξάγει χαμηλότερη τάση που βρίσκεται εντός του εύρους εισόδου του μετρητή— μετράται από το βολτόμετρο. Οι διαιρέτες αντιστάσεων υψηλής τάσης που έχουν σχεδιαστεί ειδικά για αυτό το σκοπό μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση τάσεων έως 100 kV. Σε τέτοιους ανιχνευτές χρησιμοποιούνται ειδικές αντιστάσεις υψηλής τάσης, καθώς πρέπει να είναι σε θέση να ανέχονται υψηλές τάσεις εισόδου και, για να παράγουν ακριβή αποτελέσματα, πρέπει να έχουν αντίστοιχους συντελεστές θερμοκρασίας και πολύ χαμηλούς συντελεστές τάσης. Οι χωρητικοί ανιχνευτές διαιρέτη με πυκνωτές χρησιμοποιούνται συνήθως για τάσεις πάνω από 100 kV, καθώς η θερμότητα που προκαλείται από τις απώλειες ισχύος στους ανιχνευτές διαιρέτη αντιστάσεων σε τέτοιες υψηλές τάσεις μπορεί να είναι υπερβολική.[5]

Δείτε επίσηςΕπεξεργασία

Παραπομπές

  1. from the CircuitLab Community. «Ultimate Electronics: Practical Circuit Design and Analysis». σελ. Chapter 2.25. 
  2. Gussow, Milton (2007). Basic electricity (2nd ed. έκδοση). New York: McGraw-Hill (Schaum’s Outline Series). σελ. 39. ISBN 978-0-07-170250-8. 
  3. 3,0 3,1 Βελώνη, Aναστασία. «Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου. -Ενότητα : Απόκριση Συχνότητας Αναλογικών Σ.Α.Ε. -- Διαγράμματα BODE» (PDF). eclass.teipir.gr. Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά.--Τεχνολογικού Τομέα. 
  4. «CircuitLab.-Circuit simulation and schematics». 
  5. Kuffel, E. (2000). High Voltage Engineering, Fundamentals, Second edition. OXFORD: Butterworth-Heinemann. σελ. 129. ISBN 0-7506-3634-3.