מחלק מתח

הקדמה

מחלק המתח הוא מעגל פשוט ההופך מתח גדול למתח קטן, בשימוש של שני נגדים ומתח כניסה אנחנו יכולים לחשב את מתח היציאה (מכוון שמתח המוצא הוא שבר של הקלט) מחלק המתח הוא אחד המעגלים הבסיסיים ביותר בתחום האלקטרוניקה.

במאמר זה נלמד

  • מהו מחלק מתח ואיך הוא נראה
  • איך מתח המוצא תלוי במתח הכניסה ואיך הוא מתחלק בנגדים
  • איך מחלק מתח מתנהג בעולם האמיתי
  • יישומים חיים למחלק מתח

מחלק מתח הבסיס

ישנם שני חלקים חשובים במחלק המתח: המעגל והמשוואה.

המעגל:

מחלק המתח חייב להחיל מקור מתח על שני נגדים. יתכן ותראו את זה בכמה צורות שונות, אבל הם תמיד אותו מעגל.

Voltage divider1

 

Vout הוא המתח המחולק שלנו, זה מה שמתח הכניסה בסופו של דבר הפך להיות. לנגד שהכי קרוב למתח הכניסה נקרא R1, והנגד שהכי קרוב לאדמה R2. 

כאשר מתחברים שני נגדים בטור אל מקור מתח זורם זרם (I = U/(R1+R2 בכל אחד מהנגדים.
על כל אחד מהנגדים נופל מתח ששווה לערך הנגד כפול הזרם דרכו (הזרם בשני הנגדים זהה) על פי חוק אום.
ניתן לומר שמתח המקור מתחלק בין שני הנגדים מכיוון שסכום המתחים על שני הנגדים שווה למתח המקור. מעגל פשוט זה נקרא מחלק מתח.

המעגל הזה שימושי כאשר רוצים ליצר מתח יחוס במעגלים אלקטרונים. ניתן לייצר מתח יחוס על ידי חיבור שני נגדים בטור בין מתח הספק לאדמה וכך לכוון את הנגדים למתח הרצוי.

הערה : כאשר משתמשים במחלק מתח לצורך אספקת מתח יחוס יש לבחור נגדים בגודל עשרות קילואום (אבל תמיד לבדוק את צרכי המעגל על ידי חישוב מתאים) כדי שלא ימשכו יותר מידי זרם מהספק. אם נבחר נגדים קטנים הם ימשכו זרם חזק מידי מהספק ואם נבחר נגדים גדולים מאוד, הזרם דרכם יהיה נמוך ויתכן שדרוש במקרים מסוימים למשוך גם זרם ממחלק המתח.

המשוואה

משוואת מחלק המתח מבוססת על ההנחה שאתה יודע לפחות שלושה ערכים מהמעגל.
מתח הכניסה (Vin) ושני ערכי הנגדים (R1 ו R2).
בהינתן ערכים אלו אנו יכולים להשתמש במשוואה זו כדי למצוא את מתח המוצא (Vout)

2
משוואה זו קובעת כי מתח המוצא עומד ביחס ישיר למתח הכניסה וביחס לנגדים R1 ו R2.

הפשטה

ישנם כמה כללים שטוב לזכור שמשתמשים במחלק המתח, כללי הפשטה אלה עוזרים להעריך את אומדן מחלק המתח.


3
ראשית, אם R1 ו R2 שווים אז מתח היציאה הוא חצי ממתח הכניסה. הדבר נכון ללא קשר לערכי הנגדים.
4
אם R2 גדול בהרבה (לפחות בסדר הגודל) מאשר R1, אז מתח היציאה יהיה קרוב מאוד למתח הכניסה. ויהיה מעט מאוד מתח על פני R1.
5
לעומת זאת, אם R2 קטן בהרבה מR1, מתח היציאה יהיה קטן לעומת מתח הכניסה. רוב מתח הכניסה יהיה מעובר לR1.


יישומים

למחלק המתח יש המון יישומים, הוא בשימוש נפוץ ביותר במעגלי ההנדסה. הנה כמה מקומות שתמצא בהם מחלק מתח.


פוטנציומטרים

פוטנציומטר הוא נגד משתנה אשר ניתן להשתמש בו כדי ליצור מחלק מתח מתכוונן.
6
בתוך הפוטנציומטר יש נגד יחיד ורגל אמצעית המשנה את אורך המוליך (ולפיכך את ההתנגדות). הרגל האמצעית "החותכת" את הנגד באמצע ומוציאה את היחס בין שני החצאים. הרגל האמצעית קרויה "זחלן"
מבחינה חיצונית יש בדרך כלל שלושה חיבורים: 2 חיבורים מתחברים בשני צידי הנגד,(לפלוס ולאדמה) ואילו החיבור האמצעי מתחבר לזחלן של הפוטנציומטר.
7
אם הפינים החיצונים מחוברים למקור מתח (אחד לקרקע והשני למתח כניסה) הפלט(Vout) על החיבור האמצעי יחקה את מחלק המתח. אם תסובב את כל הזחלן לצד אחד המתח יהיה אפס, סובב לצד שני ומתח המוצא יהיה קרוב למתח הכניסה, זחלן במצב אמצעי פירושו מתח המוצא יהיה מחצית ממתח הכניסה.
פוטנציומטרים מגיעים במגוון רב של צורות, וקיימים להם יישומים רבים. הם משמשים ליצור מתח יחוס, לשליטה על תחנות רדיו, בג'ויסטיקים ועוד בהמון יישומים אחרים הדורשים מתח כניסה משתנה.

קריאת התנגדות חיישנים

חיישנים רבים בעולם הם התקני התנגדות פשוטים. נגד תלוי אור הוא נגד משתנה, אשר מייצר התנגדות יחסית לכמות האור שהוא חש. מכשירים אחרים כמו חיישני סנסור רגיש, חיישני כוח ולחץ, תרמיסטור(נגד שהתנגדותו תלויה בטמפרטורה) הם גם נגדים משתנים.
מתברר שלמיקרו-בקרים ממש קל למדוד מתח (אלה עם הממירים אנלוגי-דיגיטלי) אבל התנגדות? לא כל כך קל. אבל על ידי הוספת עוד נגד לחיישן התנגדות נוכל ליצור מחלק מתח. ברגע שהפלט של מחלק המתח ידוע, אנחנו יכולים לחשב את ההתנגדות של החיישן. לדוגמה, חיישן אור משתנה בין  1kΩ באור לכ 10 בחושך. אם אנו משלבים את זה עם התנגדות סטטית באמצע – נגיד 5.6, אנחנו יכולים לקבל מגוון רחב של ערכים מתוך מחלק המתח שנוצר.

8

Light Level R2(Sensor) R1(Fixed) Ratio R2/(R1+R2) Vout
Light 1kΩ 5.6kΩ 0.15 0.76 V
Dim 7kΩ 5.6kΩ 0.56 2.78 V
Dark 10kΩ 5.6kΩ 0.67 3.21 V

תפנית של כ2.5 וולט מאור לחושך. הרבה הפרדה לרוב ממירי האנלוגי דיגיטלי

 

המרת מתחים


חיישנים מסובכים עשויים לשדר את הקריאות שלהם באמצעות ממשקים טורים כבדים, כגון UART, SPI, ו I2C. רבים מהחיישנים האלה פועלים במתח נמוך יחסית, כדי לחסוך בצריכת חשמל. זה לא נדיר שנצטרך לחבר חיישנים שעובדים במתח נמוך עם מיקרו-קונטרולרים שעובדים במתח גבוה. בעיה זו מובילה את הנושא של המרת מתחים, ישנם מספר דרכים להתמודד עם הבעיה כולל מחלק המתח.
לדוגמה, ADXL345 accelerometer(חישן תאוצה לשלושה צירים) עובד עם מתח מקסימלי של V3.3, אם ננסה לחבר אותו ללוח ארדואינו (שנניח שפועל במתח של V5), מתישהו נצטרך להוריד את המתח מV5 ל V3.3.
איך עושים זאת? מחלק מתח. כל מה שצריך הוא זוג נגדים אשר יחלקו באופן יחסי את המתח מV5 ל v3.3
נגדים בטווח של 1-10kΩ הם המומלצים עבור פעולה זו.
זכור שפתרון זה עובד רק ממתח גבוה לנמוך, מחלק המתח לעולם לא יכול להפוך מתח נמוך למתח גבוה.

יישומים אסורים

מפתה ככל שיהיה אין להשתמש במחלק המתח להוריד מתח של 12V, מחלק המתח לא נועד לספק חשמל בעומס.
כל שהזרם שהולך לרוץ על גבי נגד R1 גדול, גם הזרם וגם המתח מתפזרים על גבי R1 בצורת חום, אם העוצמה עולה על הערך של הנגד (בדרך כלל בין W ל 1W) החום מתחיל להוות בעיה, ופוטנציאל ההתכה לנגד גדל.
אפילו לא נזכיר כמה יעיל שתהיה הפרדה בין הזרם לחשמל. בעיקרון, לא להשתמש במחלק המתח בתור ספק כוח לכל דבר שדורש אפילו כמות קטנה של כוח. אם אתה רוצה להוריד את המתח, השתמש בווסת מתח או בספק כוח ממותג.

הוכחה מתמטית

בואו נתחיל.

נניח שאנחנו יודעים את הערכים של R1R2 ו Vin בואו נחשב את Vout בעזרת המשוואה.

נצייר את זרימת מתח על פני המעגל, נכנה את הזרמים L1 ו L2 בהתאמה.
9
המטרה שלנו לחשב את Vout , נפעיל את חוק אום על המתח, זה די קל רק נגד אחד וזרם אחד מעורבים.
10
נחמד, אבל מה עם הערך של R2, אנחנו לא יודעים את הערך, אבל אנחנו יודעים עליו משהו קטן אחר.
אנחנו יכולים להניח(וזה יתברר כהנחה גדולה) ש L1 שווה ל L2 . נכון, אבל איך זה עוזר לנו? קצת סבלנות.
עכשיו המעגל נראה ככה, איפה שה I אז I1 ו I2 שווים.

16

אז מה אנחנו יודעים על Vin? אז Vin הוא המתח שעל שני הנגדים, R1 ו R2. נגדים אלה מחוברים במערך. למערך נגדים יש ערך אחד, ולכן ניתן לומר ש:
12
וכרגע אנחנו יכולים לפשט את המעגל ל:
13

חוק אום ברמה הבסיסית ביותר. Vin = I * R. אם נחזיר בחזרה את R לתוך R1 + R2 נוכל לכתוב את זה כך:
14
ואז I שווה שווה ל I2 נכניס את זה לתוך המשוואה שלנו ונקבל:
15
וזה חברים היתה משוואת מחלק המתח, מתח המוצא הוא שבר של מתח הכניסה מחולק בסכום של R1 ו R2. כפול R2.

 

אתר Mobile-ic.net מתמחה במכירת ציוד למעבדות סלולר וטכנאי סלולר במחירים הכי זולים בשוק.

צור קשר

כתובתנו: סוקולוב 81 חולון

טלפון : 077-9400267

פלאפון:  054-229-9690

 

 
Top