Bạn đã từng nghe về bộ chia điện áp chưa? Đó là một công cụ quan trọng trong ngành điện và được sử dụng rộng rãi bởi các kỹ sư. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá cách một bộ chia điện áp hoạt động và tìm hiểu công thức tính điện áp đầu ra của nó.
Contents
Bộ chia điện áp – Điểm khởi đầu lý tưởng
Để hiểu bộ chia điện áp, chúng ta cần tìm hiểu hai yếu tố quan trọng: mạch điện và phương trình.
Bạn đang xem: Bộ chia điện áp – Giải mã công thức đơn giản
Sơ đồ mạch chia điện áp (mạch phân áp)
Một bộ chia điện áp bao gồm việc đặt một nguồn điện áp qua một chuỗi hai điện trở. Có nhiều cách vẽ mạch, nhưng cơ bản, chúng phải giống nhau.
Chúng ta sẽ gọi điện trở gần nhất với điện áp đầu vào là R1 và điện trở gần mặt đất nhất là R2. Điện áp giảm trên R2 được gọi là Vout, đó là điện áp phân chia mà mạch tạo ra.
Vout là điện áp được chia của chúng ta. Đó chỉ là một phần nhỏ của điện áp đầu vào.
Phương trình tính điện áp đầu ra của mạch phân áp
Phương trình phân áp giả sử bạn biết ba giá trị của đoạn mạch: điện áp đầu vào (Vin) và cả hai giá trị điện trở (R1 và R2). Với những giá trị đó, chúng ta có thể sử dụng phương trình này để tìm điện áp đầu ra (Vout):
Vout = Vin * (R2 / (R1 + R2))Phương trình này nói rằng điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với điện áp đầu vào và tỷ lệ giữa R1 và R2. Nếu bạn thắc mắc tại sao phương trình này có thể giúp chúng ta tính được điện áp đầu ra, hãy đọc phần này để tìm hiểu cách chúng ta suy ra nó. Nhưng hiện tại, chỉ cần ghi nhớ công thức này!
READ MORE:
Máy tính để tìm điện áp đầu ra của mạch phân áp
Hãy thực hiện một số thử nghiệm thú vị với đầu vào và đầu ra của phương trình phân áp! Dưới đây, bạn có thể điền các giá trị cho Vin và cả hai điện trở để xem loại điện áp đầu ra mà chúng tạo ra.
Hoặc, nếu bạn điều chỉnh Vout, bạn sẽ thấy giá trị điện trở nào của R2 là cần thiết (cho trước Vin và R1).
Đơn giản hóa phép tính cho mạch phân áp
Có một số điểm quan trọng cần ghi nhớ khi sử dụng bộ chia điện áp. Điều này giúp đánh giá một mạch phân chia điện áp dễ dàng hơn một chút.
Đầu tiên, nếu R2 và R1 bằng nhau, điện áp đầu ra sẽ bằng một nửa điện áp đầu vào. Điều này đúng với mọi giá trị điện trở.
Nếu R2 lớn hơn nhiều so với R1, điện áp đầu ra sẽ gần với đầu vào. R1 sẽ có rất ít điện áp.
Ngược lại, nếu R2 nhỏ hơn nhiều so với R1, điện áp đầu ra sẽ rất nhỏ so với đầu vào. R1 sẽ có hầu hết điện áp.
Các ứng dụng của mạch phân áp
Bộ chia điện áp có rất nhiều ứng dụng và là một trong những mạch điện thông dụng mà các kỹ sư điện sử dụng. Dưới đây là một số ví dụ về nơi bạn có thể tìm thấy bộ chia điện áp.
Chiết áp
Xem thêm : Giới thiệu PIC CCS C Compiler 5.115: Một công cụ lập trình tiện ích cho vi điều khiển PIC
Chiết áp là một biến trở có thể được sử dụng để tạo ra một bộ chia điện áp có thể điều chỉnh được.
Bên trong chiết áp là một điện trở và một cái cần gạt, nó cắt đôi điện trở và di chuyển để điều chỉnh tỷ lệ giữa cả hai nửa. Ngoài ra, có ba chân: hai chân kết nối với mỗi đầu của điện trở, trong khi chân thứ ba kết nối với cần gạt của chiết áp.
Nếu các chân bên ngoài kết nối với nguồn điện áp (một đầu nối đất, chân còn lại kết nối với Vin), đầu ra (Vout ở chân giữa) sẽ bắt chước bộ chia điện áp. Bằng cách xoay chiết áp theo một chiều, điện áp có thể bằng không; xoay sang phía bên kia, điện áp đầu ra tiếp cận đầu vào; một cần gạt ở vị trí giữa có nghĩa là điện áp đầu ra sẽ bằng một nửa đầu vào.
Chiết áp có nhiều loại và có nhiều ứng dụng riêng. Chúng có thể được sử dụng để tạo điện áp tham chiếu, điều chỉnh đài phát thanh, đo vị trí trên cần điều khiển hoặc trong rất nhiều ứng dụng khác yêu cầu điện áp đầu vào thay đổi.
Đọc các cảm biến điện trở
Nhiều cảm biến trong thế giới thực là các thiết bị điện trở đơn giản. Tế bào quang điện là một biến trở, nó tạo ra điện trở tỷ lệ với lượng ánh sáng mà nó cảm nhận được. Các thiết bị khác như cảm biến uốn, điện trở cảm ứng lực và điện trở nhiệt, cũng là những điện trở có thể thay đổi được.
Hóa ra đo điện áp thực sự dễ dàng cho các bộ vi điều khiển (ít nhất là cho các bộ chuyển đổi tương tự thành kỹ thuật số – ADC). Trở kháng? Không nhiều lắm. Tuy nhiên, bằng cách thêm một điện trở khác vào các cảm biến điện trở, chúng ta có thể tạo ra một bộ chia điện áp. Khi đã biết đầu ra của bộ phân áp, chúng ta có thể quay lại và tính toán điện trở của cảm biến.
Ví dụ, điện trở của tế bào quang điện thay đổi giữa 1kΩ trong ánh sáng và khoảng 10kΩ trong bóng tối. Nếu chúng ta kết hợp nó với một điện trở tĩnh ở đâu đó giữa – ví dụ 5,6kΩ, chúng ta có thể nhận được một phạm vi rộng từ bộ chia điện áp mà chúng tạo ra.
| Mức độ ánh sáng | R2 (Cảm biến) | R1 (Cố định) | Tỷ lệ R2/(R1+R2) | Vout |
|---|---|---|---|---|
| Nhẹ | 1kΩ | 5,6kΩ | 0,15 | 0,76 V |
| Lờ mờ | 7kΩ | 5,6kΩ | 0,56 | 2,78 V |
| Tối | 10kΩ | 5,6kΩ | 0,67 | 3,21 V |
Một phạm vi điện áp khoảng 2,45V từ sáng đến tối. Có nhiều mức điện áp đầu ra cho một mạch phân áp!
Mạch chuyển đổi điện áp
Các cảm biến phức tạp hơn có thể truyền kết quả đo của chúng bằng cách sử dụng các giao diện nối tiếp nặng hơn, như UART, SPI hoặc I2C. Nhiều cảm biến trong số đó hoạt động ở điện áp tương đối thấp, để tiết kiệm năng lượng. Thật không may, không có gì lạ khi những cảm biến điện áp thấp đó cuối cùng giao tiếp với một bộ vi điều khiển hoạt động ở điện áp hệ thống cao hơn. Điều này dẫn đến một vấn đề về chuyển đổi mức điện áp, trong đó có một số giải pháp bao gồm cả mạch phân áp.
Ví dụ: gia tốc kế ADXL345 cho phép điện áp đầu vào tối đa là 3,3V, vì vậy nếu bạn cố gắng giao tiếp nó với Arduino (giả sử hoạt động ở 5V), bạn sẽ cần phải làm gì đó để giảm tín hiệu 5V đó xuống 3,3V. Chia điện áp! Tất cả những gì cần thiết là một vài điện trở có tỷ lệ sẽ chia tín hiệu 5V thành khoảng 3,3V. Điện trở trong phạm vi 1kΩ-10kΩ thường là tốt nhất cho ứng dụng như vậy.
Hãy nhớ rằng giải pháp này chỉ hoạt động theo một hướng. Một bộ chia điện áp sẽ không bao giờ có thể chuyển một điện áp thấp hơn lên một điện áp cao hơn.
Lưu ý: Mạch phân áp không phù hợp cho các trường hợp cung cấp điện
Lưu ý rằng không nên sử dụng bộ chia điện áp để cung cấp điện cho tải, ví dụ như sử dụng để hạ cấp nguồn điện 12V xuống 5V. Bất kỳ dòng điện nào mà tải yêu cầu cũng sẽ phải chạy qua R1. Dòng điện và hiệu điện thế trên R1 tạo ra điện năng, tỏa nhiệt dưới dạng nhiệt. Nếu công suất đó vượt quá định mức của điện trở, nhiệt đó có thể làm nóng và làm chảy điện trở.
Việc sử dụng bộ phân áp để cung cấp điện còn không hiệu quả. Vì vậy, không nên sử dụng bộ chia điện áp làm nguồn cung cấp điện cho bất cứ thứ gì yêu cầu một lượng điện năng nhỏ. Nếu bạn cần giảm điện áp để sử dụng nó làm nguồn cung cấp điện, hãy xem xét bộ điều chỉnh điện áp hoặc nguồn cung cấp chuyển đổi.
READ MORE:
Công thức chứng minh cho phương trình mạch phân áp
Nếu bạn đã tò mò về cách phương trình chia điện áp được tạo ra, chúng ta có thể đi sâu vào định luật Ohm và đại số để tạo ra công thức. Đây chỉ là một phần thú vị, không quá quan trọng để hiểu cách bộ chia điện áp hoạt động. Nhưng nếu bạn quan tâm, hãy chuẩn bị cho một khoảng thời gian vui vẻ với định luật Ohm và đại số.
Phân tích mạch phân áp
Xem thêm : Tìm hiểu thiết bị ổn định dòng điện áp 220V
Vì vậy, nếu bạn muốn đo điện áp tại Vout? Làm thế nào định luật Ohm có thể được áp dụng để tạo ra công thức tính hiệu điện thế ở đó? Hãy giả sử rằng chúng ta biết các giá trị của Vin, R1 và R2, vì vậy hãy xem công thức Vout của chúng ta dựa trên các giá trị đó.
Hãy bắt đầu vẽ các dòng điện trong mạch I1 và I2, dòng điện qua các điện trở tương ứng.
Mục tiêu của chúng ta là tính Vout, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta áp dụng định luật Ohm cho hiệu điện thế đó? Đủ dễ dàng, chỉ có một điện trở và một dòng điện liên quan:
Vout = I * R
Chúng ta biết giá trị của R2, nhưng còn I2 thì sao? Đó là một giá trị không xác định, nhưng chúng ta biết một chút gì đó về nó. Chúng ta có thể giả định (và điều này hóa ra là một giả định lớn) rằng I1 tương đương với I2. Nhưng điều đó có giúp ích gì cho chúng ta không? Hãy để ý.
Mạch của chúng ta bây giờ trông như thế này, trong đó I bằng cả I1 và I2:
Và chúng ta biết Vin là điện áp trên cả hai điện trở R1 và R2. Các điện trở đó nối tiếp. Điện trở nối tiếp cộng một giá trị, vì vậy chúng ta có thể nói:
Vin = I * (R1 + R2)
Và, trong giây lát, chúng ta có thể đơn giản hóa mạch thành:
Vin = I * R
Định luật Ohm cơ bản nhất của nó! Vin = I * R. Nếu chúng ta thay R đó trở lại thành R1 + R2, cũng có thể được viết là:
Vin = I * (R1 + R2)
Và vì I tương đương với I2, hãy đặt nó vào phương trình Vout của chúng ta để nhận được:
Vout = I2 * R2
Và đó là công thức phân áp! Điện áp đầu ra là một phần nhỏ của điện áp đầu vào và phần đó là R2 chia cho tổng của R1 và R2.
Nguồn: https://cite.edu.vn
Danh mục: Học tập
Related articles
