Διαιρέτης τάσης

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.

Ανάλυση

Η ανάλυση του κυκλώματος ενός διαιρέτη τάσης είναι αρκετά απλή. 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 με τους ακόλουθους τύπους: 

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.

Ειδικές Περιπτώσεις

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, τότε αντί της αντίστασης R₂ θα πρέπει να εισάγουμε στους τύπους τον παράλληλο συνδυασμό της αντίστασης R₂ και της αντίστασης R_in, όπου η δεύτερη είναι η αντίσταση εισόδου του κυκλώματος που έχουμε θεωρήσει ως φορτίο.

Χρήσεις

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 απλαβής. 

Στο παρακάτω κύκλωμα μεταβάλλουμε τις τιμές των αντιστάσεων R1 και R2 καθώς και την τάση του κυκλώματος και βλέπουμε πως μεταβάλλονται οι επί μέρους τάσεις U1, U2 στα άκρα των αντιστάσεων R1,R2. Η μεταβολή των τάσεων γίνεται με βάση τους τύπους

 Ανοίξτε τον παρακάτω σύνδεσμο, πατήστε εκεί που δείχνει το βέλος και παίξτε

http://photodentro.edu.gr/lor/r/8521/10443?fbclid=IwAR34EUSIiF1QOs9Fs6dSvR-wgNwQBx0WTE50vYn5g38Szq1UtX1m5jCKl24

Πως λειτουργεί το τρανζίστορ με απλά λόγια

Τι είναι το τρανζίστορ;

Η κρυσταλλοτρίοδος ή κρυσταλλολυχνία, όπως λέγεται στα ελληνικά το τρανζίστορ, είναι μια διάταξη ημιαγωγών στερεάς κατάστασης, με πολλές εφαρμογές στην ηλεκτρονική.

Όπως λέει και το όνομά του, το βασικό χαρακτηριστικό του είναι ότι μας επιτρέπει να μεταβάλλουμε την αντίσταση σε ένα κύκλωμα, καθώς μπορεί να ρυθμίζει την ροή του ρεύματος που απορροφά, ανάλογα με την τάση που δέχεται.

Αυτό το χαρακτηριστικό του, το καθιστά ιδανικό για ενίσχυση ή σταθεροποίηση τάσης, για διαμόρφωση συχνοτήτων, ενώ έχει και αρκετές εφαρμογές ως διακόπτης ή ως μεταβλητή αντίσταση.

Δεν είναι τυχαίο άλλωστε ότι το τρανζίστορ θεωρείται μία από τις μεγαλύτερες εφευρέσεις του περασμένου αιώνα, μιας και βρίσκεται σε όλες τις σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές.

Αυτό σημαίνει ότι χωρίς να το ξέρουμε, στο σπίτι μας έχουμε εκατοντάδες τρανζίστορ. Από το τηλεκοντρόλ της τηλεόρασης, μέχρι το ψυγείο!

Κατασκευάζονται τόσο μεμονωμένα όσο και σε ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα γνωστά τσιπς.

Πως λειτουργεί όμως το τρανζίστορ;

Ενώ υπάρχουν χιλιάδες τεχνικά εγχειρίδια ηλεκτρονικής, δεν υπάρχει ούτε ένα που να εξηγεί την λειτουργία του τρανζίστορ με απλά λόγια. Όλα το κάνουν να φαίνεται πολύπλοκο.

Ας προσπαθήσουμε να το δούμε όσο πιο απλά γίνεται. 

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα τρανζίστορ που δεν δουλεύει με ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά με νερό.

Το τρανζίστορ μας αποτελείται από την Βάση, τον Συλλέκτη και τον Εκπομπό, όπως ακριβώς και το κανονικό τρανζίστορ.

Παρέχουμε στον εκπομπό μια ποσότητα νερού, η κίνηση της οποίας εμποδίζεται από ένα έμβολο (κάτι σαν βαλβίδα δηλαδή) με αποτέλεσμα να μην μπορεί να φτάσει στον συλλέκτη.

Αυτή η ποσότητα νερού είναι η αντίστοιχη ηλεκτρική τάση.

Αν αυξήσουμε την ποσότητα του νερού, το τρανζίστορ μας θα σκάσει, όπως θα σκάσει και το πραγματικό αν του αυξήσουμε την τάση. Επειδή δεν επιθυμούμε κάτι τέτοιο κρατάμε την τάση σε ασφαλή επίπεδα.

Αν τώρα ρίξουμε μια μικρή ποσότητα νερού στην Βάση, αυτό θα κυλήσει μέσα στον σωλήνα και θα ωθήσει το έμβολο προς τα πάνω, επιτρέποντας σε μια μεγάλη ποσότητα νερού να χυθεί από τον εκπομπό στον συλλέκτη.

Μάλιστα, το νερό της Βάσης θα αναμιχθεί με το νερό του εκπομπού.

Αν τώρα αυξήσουμε την ποσότητα του νερού που θα ρίξουμε στη Βάση, το έμβολο θα σηκωθεί ακόμη πιο ψηλά και πολύ περισσότερο νερό θα τρέξει τελικά στον συλλέκτη.

Επομένως παρατηρούμε ότι ένα μικρό ρεύμα νερού στη Βάση επιτρέπει μεγάλη ποσότητα ροής στον συλλέκτη.

Για παράδειγμα, αν ρίξουμε 5 ml νερού στη Βάση, εισέρχονται 500 ml νερού στον συλλέκτη. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ενίσχυση.

Παρατηρούμε επίσης ότι η ποσότητα του νερού που μπορεί να τρέξει από τον εκπομπό στον συλλέκτη εξαρτάται από την διάμετρο του σωλήνα της Βάσης.

Αυτό σημαίνει ότι όσο και να πιέσουμε την Βάση, το ανώτατο όριο ροής από τον εκπομπό στον συλλέκτη είναι συγκεκριμένο και περιορισμένο. Αν θέλουμε μεγαλύτερη ροή, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μεγαλύτερο τρανζίστορ.Τέλος, βλέπουμε ότι το τρανζίστορ μπορεί να χρησιμοποιηθεί κάλλιστα και ως διακόπτης.

Αν δεν υπάρχει καθόλου νερό στη Βάση ο διακόπτης είναι τελείως κλειστός.

Αν ρίξουμε όση ποσότητα νερού χρειάζεται για να αδειάσει όλο το περιεχόμενο του εκπομπού στον συλλέκτη, τότε ο διακόπτης είναι τελείως ανοικτός. 

Θυμηθείτε:

Τα πραγματικά τρανζίστορ παράγουν θερμότητα κατά τη λειτουργία τους όπως οι αντιστάσεις στα ηλεκτρικά κυκλώματα, η οποία πρέπει να κρατιέται σε χαμηλά επίπεδα για να μη λιώσει.

Αυτή είναι πάνω κάτω η λειτουργία του τρανζίστορ με απλά λόγια. Ελπίζουμε να ρίξαμε λίγο φως ή καλύτερα λίγο... νερό. ;)


πηγή:http://coolweb.gr/

ΕΛΕΓΧΟΣ ΔΙΟΔΩΝ

Τι είναι η δίοδος

Η δίοδος αποτελεί το βασικότερο μη γραμμικό ημιαγωγικό ηλεκτρικό στοιχείο δύο ακροδεκτών και στην ιδανική της μορφή, αποτελεί το στοιχείο εκείνο που εμφανίζει μηδενική αντίσταση στη διέλευση του ρεύματος κατά μία συγκεκριμένη φορά και άπειρη αντίσταση κατά την αντίθετη. Συγκεκριμένα επιτρέπει τη ροή του ρεύματος προς τη μια κατεύθυνση, κατά την ορθή πόλωση, ενώ προς την αντίθετη, κατά την ανάστροφη πόλωση, την απαγορεύει.

Ο λόγος που αναφέρεται ως «μη γραμμικό» έχει να κάνει με τη σχέση τάσης στα άκρα, VD, και ρεύματος, ID, που διαρρέει τη δίοδο. Πιο συγκεκριμένα, η χαρακτηριστική τάσης-έντασης που περιγράφει τη λειτουργία της διόδου έχει σχεδιαστεί στο διάγραμμα του Σχήματος

Όπως φαίνεται στο Σχήμα όταν η τάση στα άκρα της διόδου έχει θετική τιμή, η δίοδος είναι ορθά πολωμένη. Για πολύ μικρές τιμές  της τάσης η δίοδος δεν άγει. Όταν όμως η διαφορά δυναμικού στα άκρα της ξεπεράσει μια συγκεκριμένη τιμή, Vκ, τότε η ορθά πολωμένη δίοδος ξεκινάει να άγει. Μάλιστα, ακόμα και για ελάχιστη αύξηση της τάσης στα άκρα της διόδου, παρατηρείται πολύ μεγάλη αύξηση του ρεύματος που τη διαρρέει. Η τιμή Vκ ονομάζεται τάση κατωφλίου (threshold) και ουσιαστικά αποτελεί την ελάχιστη τάση που απαιτείται να εφαρμοστεί στα άκρα της επαφής p-n για να ξεκινήσει η ροή ηλεκτρικού ρεύματος διαμέσου της διόδου

Αντίθετα, όταν η τάση  λαμβάνει αρνητικές τιμές, δηλαδή βρισκόμαστε στην περιοχή ανάστροφης πόλωσης, τότε, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, δεν είναι δυνατό να έχουμε ροή ρεύματος για μικρές τάσεις ανάστροφης πόλωσης μέσω της διόδου. Όμως, ακόμα και σε αυτή την περίπτωση, αν η τιμή της ανάστροφης τάσης αυξηθεί τόσο ώστε να ξεπεράσει μια συγκεκριμένη τιμή, Vα, τότε ξεπερνιέται το εμπόδιο της περιοχής έλλειψης φορέων και παρατηρείται ροή ρεύματος. Η συγκεκριμένη τάση ανάστροφης πόλωσης, Vα, ονομάζεται «τάση κατάρρευσης» της διόδου και η τιμή της είναι πολύ μεγαλύτερη, κατά απόλυτη τιμή, από αυτή της τάσης κατωφλίου στην περίπτωση της ορθής πόλωσης.

Η τάση κατωφλίου καθώς και η τάση κατάρρευσης εξαρτώνται από τον τρόπο αλλά και τα υλικά κατασκευής της κάθε διόδου. Έτσι, για την περίπτωση διόδων πυριτίου και γερμανίου η τάση κατωφλίου κυμαίνεται μεταξύ 0.5 Volts – 0.7 Volts, ενώ η τάση κατάρρευσης, ανάλογα με τη σχεδίαση και κατασκευή της κάθε διόδου μπορεί να πάρει τιμές από 75Voltsέως και πολύ μεγαλύτερες. Γενικά, οι απλές δίοδοι είναι κατασκευασμένες για να λειτουργούν μόνο προς τη μία κατεύθυνση ροής ρεύματος, αυτή της ορθής πόλωσης. Για τον λόγο αυτό η τάση κατάρρευσης λαμβάνει πολύ μεγάλες τιμές με στόχο να μην μπορεί να υλοποιηθεί στην πράξη στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Όμως, υπάρχουν συγκεκριμένοι τύποι διόδων, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να αποτελεί χαρακτηριστικό τους, μια χαμηλή σχετικά, συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης ανάστροφης πόλωσης από την οποία και μετά, το ρεύμα διέρχεται από τη δίοδο. Οι δίοδοι αυτές, ονομάζονται «δίοδοι Zener» και το χαρακτηριστικό τους το οποίο τις διαφοροποιεί από τις απλές διόδους, που παρουσιάστηκαν παραπάνω, είναι ότι επιτρέπουν τη διέλευση του ρεύματος και κατά την αντίθετη φορά, όταν η αναστροφή τάση που εφαρμόζεται επάνω τους, ξεπεράσει μία συγκεκριμένη τάση κατάρρευσης η οποία στην περίπτωση αυτή, ονομάζεται «τάση Zener».

Έλεγχος διόδων

Πολλές φορές θα χρειαστεί να ελέγξουμε την καλή λειτουργία μιας διόδου (ή LED ή διόδου zener) σε ένα κύκλωμα, καθώς μετά από κάποια υπερφόρτωση μπορεί είτε να βραχυκυκλώσουν, είτε να μείνουν ανοιχτές.

Άλλες φορές πάλι μπορεί να έχουμε κάποια άγνωστη δίοδο της οποίας δεν γνωρίζουμε ποιο είναι το forward (ή reverse για zener) breakdown voltage.

Έλεγχος διόδων με πολύμετρο.

Ο πιο απλός και εύκολος τρόπος να μετρήσουμε μια δίοδο είναι να χρησιμοποιήσουμε το ωμόμετρο του πολυμέτρου μας.
Προσέχοντας οι ακροδέκτες του πολυμέτρου ( κόκκινος και μαύρος ακροδέκτης) να είναι στις σωστές υποδοχές του πολυμέτρου, συνδέουμε σε ορθή πόλωση μια δίοδο προς έλεγχο ενώνοντας τον κόκκινο ακροδέκτη του πολυμέτρου στην άνοδο και τον μαύρο στην κάθοδο.
 Τα ψηφιακά πολύμετρα έχουν ειδική κλίμακα (μέχρι 2ΚΩ) για μέτρηση διόδου, οπότε αν η δίοδος είναι καλή θα δείξει τιμή από 400Ω έως 800Ω. 

Αν συνδέσουμε τον κόκκινο ακροδέκτη του πολυμέτρου με την κάθοδο της διόδου και τον μαύρο ακροδέκτη με την άνοδο (ανάστροφη πόλωση) τότε αν η δίοδος είναι καλή θα δείξει αντίσταση μεγαλύτερη από 20ΜΩ, θεωρητικά άπειρη.

Αν μια δίοδος είναι καμένη θα δείξει βραχυκυκλωμένη είτε στην ορθή είτε στην ανάστροφη πόλωσή της, έχει γίνει δηλαδή ο ημιαγωγός αγωγός!
 Επίσης μπορεί να δείχνει άπειρη αντίσταση στην ορθή πόλωσή της ή στην ορθή πόλωση μια τιμή αντίστασης πέρα από τα φυσιολογικά μεγέθη.

Πρακτικά όλα τα πολύμετρα έχουν λειτουργία ελέγχου διόδων, η οποία μπορεί να μας δείξει και την καλή λειτουργία της διόδου αλλά και να μας δώσει μία ένδειξη για το ποιο περίπου είναι το breakdown voltage.

Όμως λόγω της περιορισμένης τάσης που διαθέτουν τα πολύμετρα, μπορούν να ελέγξουν μόνο διόδους με σχετικά χαμηλό breakdown voltage, της τάξης των 3-4 Volt το πολύ, επομένως σε μεγάλα led ή διόδους zener δεν πρόκειται να δώσουν σωστή ένδειξη.

Το πολύμετρο στη θέση με το σύμβολο της διόδου του περιστροφικού διακόπτη επιλογής, ελέγχει εάν μια δίοδος είναι σωστή ή κατεστραμμένη. 

Συνδέουμε τους ακροδέκτες του οργάνου με τους ακροδέκτες της διόδου κατά την ορθή πόλωση (+ πολυμέτρου με + διόδου και - πολυμέτρου με - διόδου. Εάν η ένδειξη είναι περίπου στην τάση κατωφλίου 0,7 [V], αντιστρέφοντας την πολικότητα σύνδεσης των ακροδεκτών του οργάνου, η ένδειξη θα πρέπει να είναι 0 [V]. Ένα τέτοιο αποτέλεσμα δηλώνει ότι η δίοδος είναι σωστή, δηλαδή άγει μόνο προς τη μία κατεύθυνση. Εάν τα αποτελέσματα των μετρήσεων είναι όμοια και στις δύο συνδέσεις σημαίνει ότι η δίοδος είναι κατεστραμένη.

Έλεγχος διόδων με τη βοήθεια εξωτερικής πηγής.


 Υπάρχουν δίοδοι υψηλών συχνοτήτων όπου δεν είναι εύκολο να μετρηθούν με ένα κοινό ωμόμετρο ή πολύμετρο, διότι μπορεί να παρουσιάζουν διαρροές σε υψηλές συχνότητες λειτουργίας. 

Η διάταξη που χρησιμοποιούμε για τον έλεγχο είναι η παρακάτω:

Απλά τοποθετούμε μια δίοδο σε σειρά με μία αντίσταση του 1 ΚΩ για περιορισμό του ρεύματος και το τροφοδοτούμε με μια πηγή τάσης.

Ας δούμε μερικές περιπτώσεις.

Περίπτωση 1

Η πρώτη περίπτωση είναι η δίοδος ορθά πολωμένη και η τάση που παρέχουμε να είναι μικρότερη από το Vf της διόδου. Εδώ είναι μία τυπική δίοδος Si με Vf=0,7 Volt και η τάση παροχής είναι 0,4 Volt.

Το αποτέλεσμα είναι ότι η δίοδος δεν άγει, επομένως το κύκλωμα δεν διαρρέεται από ρεύμα. Εφόσον η αντίσταση δεν διαρρέεται από ρεύμα, δεν υπάρχει πτώση τάσης πάνω της. Συνεπώς όλη η τάση της παροχής πέφτει πάνω στα άκρα της διόδου. Πρακτικά είναι το ίδιο σαν η δίοδος να μην υπήρχε καν και στη θέση της να ήταν ανοιχτό κύκλωμα. Αν δηλαδή μετρήσουμε την τάση στα άκρα της διόδου με ένα πολύμετρο πρέπει να δούμε τάση όση η τάση της παροχής.

Στην πράξη, επειδή υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα διαρροής, βλέπουμε ότι 50 μV πέφτουν πάνω στην αντίσταση, οπότε η τάση στη δίοδο δεν είναι 400 mV αλλά 399,95 mV. Για πρακτικούς λόγους όμως θεωρούμε ότι η τάση στο κεντρικό σημείο ανάμεσα στη δίοδο και την αντίσταση είναι μηδέν.

Περίπτωση 2

Η δέυτερη περίπτωση είναι με τη δίοδο πάλι ορθά πολωμένη και την τάση παροχής μεγαλύτερη από το Vf της διόδου. Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχουμε 12 Volt.

Εδώ πλέον η δίοδος έχει ενεργοποιηθεί και διαρρέεται απο ρεύμα. Αν βάλουμε ένα πολύμετρο στα άκρα της θα μετρήσουμε τάση 12 – 11,28 = 0,72 Volt. Αυτή η τάση μένει λίγο πολύ σταθερή όσο και αν ανέβει η τάση παροχής, αρκεί φυσικά το ρεύμα που θα προκληθεί να μην είναι υπερβολικό και η αντίσταση που χρησιμοποιούμε να αντέχει σε αυτή την τάση.

Περίπτωση 3

Στην τρίτη και τελευταία περίπτωση πολώνουμε ανάστροφα τη δίοδο.

Αυτό ουσιαστικά είναι παραλλαγή της περίπτωσης 1. Η δίοδος εφόσον είναι ανάστροφα πολωμένη και η τάση παροχής μικρότερη από το Vr της διόδου, δεν διαρρέεται από ρεύμα και το ίδιο και η αντίσταση. Επομένως όλη η τάση της παροχής πέφτει πάνω στη δίοδο. Εδώ πάλι λόγω του ρεύματος διαρροής η τάση στο κέντρο δεν είναι μηδέν αλλά 12 nanovolt, η οποία φυσικά είναι τόσο μικρή που μπορούμε για πρακτικούς λόγους να τη θεωρήσουμε μηδενική.

Οπότε συνοψίζοντας, εκτελούμε τους εξής δύο ελέγχους:

1) Τάση παροχής μικρότερη από το breakdown voltage (reverse ή forward) -> Τάση στη δίοδο = Τάση παροχής

2) Τάση παροχής μεγαλύτερη από το breakdown voltage (reverse ή forward) -> Τάση στη δίοδο = breakdown voltage

Αυτό είναι όλο και όλο που χρειαζόμαστε για να ελέγξουμε πρακτικά οποιαδήποτε δίοδο, zener ή led. Αν η μέτρηση που λαμβάνουμε με το πολύμετρο δεν πέφτει σε κάποια από τις δύο κατηγορίες, τότε ξέρουμε ότι η δίοδος έχει κάποιο πρόβλημα.

Έλεγχος διόδων με παλμογράφο.

Επίσης ένας άλλος ακόμα ποιο αξιόπιστος τρόπος μέτρησης της διόδου είναι με το component tester ενός παλμογράφου. 
Στην περίπτωση αυτή ο παλμογράφος μας δείχνει την χαρακτηριστική καμπύλη της διόδου και έτσι έχουμε καλύτερη εικόνα για την σωστή λειτουργία της.

Με τη μέθοδο αυτή το αποτέλεσμα στην οθόνη του παλμογράφου είναι η προβολή της χαρακτηριστικής της VI . 
Μία βραχυκυκλωμένη δίοδος°VI–χαρακτηριστικής της διόδου, που αντιστοιχεί σε γωνία 90 απεικονίζει μία κατακόρυφη γραμμή, ενώ μία ανοικτοκυκλωμένη δίοδος σε μία οριζόντια γραμμή. . Το φαινόμενο της καθετότητας είναι°Αν υπάρχει διαρροή, η γωνία γίνεται μεγαλύτερη από 90 χαρακτηριστικό όλων των εξαρτημάτων με επαφές ΡΝ όταν είναι αξιόπιστα, γιατί έτσι δηλώνουν την "υπογραφή" τους.

Σε αυτό το βίντεο μπορείτε να δείτε πώς μπορούμε να ελέγξουμε διόδους, zener και led χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές.

πηγές: el.teithe.gr και http://fubar.gr/και repository.kallipos.gr

Διαιρέτης τάσης, ποτενσιόμετρα και ροοστάτες

1. Διαιρέτη τάσης

Ο διαιρέτης τάσης (voltage divider στα Αγγλικά) είναι ένα από τα πιο θεμελιώδη ηλεκτρικά/ηλεκτρονικά κυκλώματα και έχει αμέτρητες εφαρμογές. Όποιος αποφασίσει να ασχοληθεί με τα ηλεκτρονικά θα το βρίσκει συνέχεια μπροστά του, οπότε είναι απολύτως απαραίτητο να γνωρίζει πολύ καλά τη λειτουργία του, τον μαθηματικό τύπο που τον διέπει, καθώς και να τον αναγνωρίζει όταν τον βλέπει σε ένα κύκλωμα.

Το Κύκλωμα του διαιρέτη τάσης

Το κύκλωμα αποτελείται από δύο αντιστάσεις R1 και R2 και μπορεί να μας δώσει μια τάση εξόδου Vout η οποία είναι ένα κλάσμα της τάσης εισόδου Vin. Πιo συγκεκριμένα, η τάση εξόδου μπορεί (ανάλογα με τις τιμές των αντιστάσεων που έχουμε επιλέξει) να πάρει τιμές από 0 εώς Vin. Δεν μπορεί δηλαδή να είναι μεγαλύτερη από την τάση εισόδου.

Το κύκλωμα είναι αυτό:

Αν η παραπάνω απεικόνιση μπερδεύει, το παραπάνω κύκλωμα είναι ισοδύναμο με αυτό:

Επίσης μια λιγότερο συνηθισμένη μορφή του διαιρέτη τάσης είναι η παρακάτω, όπου αντί για μία αντίσταση τιμής R1 χρησιμοποιούμε δύο αντιστάσεις τιμής R1/2:

Όπως βλέπουμε η τάση εξόδου είναι στα άκρα της R2 και όχι ως προς τη γείωση όπως στα προηγούμενα κυκλώματα.

Ο μαθηματικός τύπος που δίνει την τάση εξόδου συναρτήσει της τάσης εισόδου είναι: Vout=Vin*R2/(R1+R2)

Μερικές ενδιαφέρουσες παρατηρήσεις:

• Η τάση εξόδου μπορεί να είναι μέχρι ίση αλλά όχι μεγαλύτερη από την εισόδου.
• Για την τάση εξόδου δεν έχει σημασία η απόλυτη τιμή των αντιστάσεων αλλά η αναλογία τους. Δηλαδή τα ζεύγη αντιστάσεων R1=1,2KΩ, R2=2,4KΩ βγάζουν την ίδια τάση με R1=120Ω και R2=240Ω ή R1=50Ω και R2=100Ω. Και στις τρεις περιπτώσεις η R2 είναι διπλάσια της R1.
• Αν οι δύο αντιστάσεις έχουν ίδια τιμή τότε η Vout είναι ακριβώς η μισή της Vin
• Όσο η R1 τείνει προς το μηδέν τότε Vout τείνει προς Vin
• Όσο η R2 τείνει προς το μηδέν τότε Vout τείνει προς 0
• Από τα παραπάνω προκύπτει ότι όταν θέλουμε την τάση εξόδου να είναι πάνω από το μισό της τάσης εισόδου, πρέπει η R1 να είναι μικρότερη της R2. Το αντίστροφο αν θέλουμε η τάση εξόδου να είναι κάτω από το μισό της εισόδου.
• Το κύκλωμα διαρρέεται συνεχώς από ρεύμα που δίνεται από τον τύπο I=Vin/(R1+R2). Οπότε επιλέγουμε αντιστάσεις μεγάλης τιμής ώστε να περιορίσουμε το ρεύμα.

Τροφοδοσία φορτίων με τον διαιρέτη τάσης

Τώρα εύλογα θα σκεφτεί κάποιος πως ο διαιρέτης τάσης είναι ιδανικός για να τροφοδοτήσουμε κάποια συσκευή χαμηλής τάσης όταν στη διάθεσή μας έχουμε μια υψηλότερη. 
Για παράδειγμα, το αυτοκίνητό παράγει τάση 12Volt ενώ το κινητό τηλέφωνο μου θέλει 5Volt, οπότε με ένα διαιρέτη τάσης με R1=5,8KΩ και R2=4,2KΩ μπορούμε να πάρουμε έξοδο κοντά στα 5Volt και να το φορτίσουμε, ενώ το ρεύμα που θα καταναλώνει ο διαιρέτης θα είναι Ι=12/(5800+4200)=1,2mA. Δηλαδή με δύο αντιστάσεις που κοστίζουν μερικά cents μπορώ να φτιάξω φορτιστή αυτοκινήτου ο οποίος μάλιστα θα έχει ελάχιστες απώλειες!

Έστω ότι το κινητό είναι κάποιο σύγχρονο smartphone με μεγάλη οθόνη οπότε καταναλώνει 1 Ampere κατά τη φόρτιση. Οπότε κατά προσέγγιση μπορεί να προσωμειωθεί με μια αντίσταση 5Ω.

Φτιάχνουμε το διαιρέτη τάσης στο LTspice και εκτελούμε operating point analysis:

Όντως η τάση είναι πολύ κοντά στην επιθυμητή, ενώ και το ρεύμα ακριβώς όπως το υπολογίσαμε. Ας δούμε όμως τώρα τι γίνεται όταν συνδέσουμε το κινητό προς φόρτιση:

Όπα, τι έγινε εδώ πέρα; Η τάση έπεσε στα 10mV και κατά συνέπεια το ρεύμα φόρτισης είναι μόλις 2mA.

Γιατί συνέβη αυτό;

Όταν συνδέσαμε το κινητό, ουσιαστικά βάλαμε μια αντίσταση 5Ω παράλληλα με την R2. Η ισοδύναμη αντίσταση είναι δηλαδή σύμφωνα με τον τύπο για τις παράλληλες αντιστάσεις Requivalent=(4200*5)/(4200+5)=4,99Ω. Αυτό σημαίνει ουσιαστικά ότι με το που συνδέσαμε το κινητό φτιάξαμε ένα νέο διαιρέτη τάσης με την R1 αμετάβλητη στα 5,8KΩ και την R2=4,99Ω. Βάζοντας αυτές τις τιμές στον τύπο του διαιρέτη τάσης όντως παίρνουμε σαν αποτέλεσμα τα 10mV που δίνει και το LTspice.

Αυτό ήταν αναμενόμενο να γίνει, καθώς όταν σε μία αντίσταση βάλουμε παράλληλα μια πολύ μικρότερη (στην περίπτωση μας περίπου 1000 φορές μικρότερη), τότε η μικρή αντίσταση υπερισχύει και μειώνει δραστικά την τιμή της ισοδύναμης αντίστασης. Μάλιστα, όταν δεν θέλουμε να κάνουμε μετρήσεις ακριβείας, δεν χρειάζεται καν να υπολογίσουμε την ισοδύναμη παράλληλη αντίσταση χρησιμοποιώντας τον τύπο, μπορούμε απευθείας να υποθέσουμε ότι η τιμή της θα είναι ίση με την τιμή της μικρής αντίστασης. Όντως, στην περίπτωση του παραδείγματος, η ισοδύναμη αντίσταση έχει μόλις 0,01Ω διαφορά από την αντίσταση του κινητού τηλεφώνου.

Για να μην συμβεί αυτή η πτώση τάσης κατά τη σύνδεση του φορτίου, πρέπει οι αντιστάσεις R1 και R2 να είναι τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους (10 φορές) μικρότερες από την αντίσταση του φορτίου. Έτσι, όταν συνδεθεί παράλληλα με την R2 το φορτίο, η ισοδύναμη αντίσταση τους θα είναι κοντά στην τιμή της R2 και έτσι η τάση εξόδου δεν θα μεταβληθεί πολύ. Οπότε αλλάζουμε τις αντιστάσεις με 0,58 και 0,42 Ohm αντίστοιχα και τρέχουμε πάλι το simulation στο LTspice.

Η τάση εξόδου τώρα είναι 4,8 Volt και το ρεύμα 960mA δηλαδή πολύ κοντά στα επιθυμητά.

Αλλά κάτι δεν πάει καλά! Το συνολικό ρεύμα που παρέχει η μπαταρία του αυτοκινήτου για το διαιρέτη τάσης και το κινητό τηλέφωνο είναι 12,4A. Δηλαδή για να πάρουμε το 1A για να φορτίσουμε το κινητό, πετάμε παράλληλα στα σκουπίδια περίπου 11,5A. Χώρια που οι αντιστάσεις R1 και R2 πρέπει να είναι rated για πάνω από 70W, δηλαδή θερμαντικά σώματα!

Συμπεράσματα:

Σαν εμπειρικός κανόνας, για να λειτουργήσει ο διαιρέτης τάσης, θα πρέπει οι αντιστάσεις του R1 και R2 να είναι τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους μικρότερες από την αντίσταση του φορτίου. Σε αυτή την περίπτωση το ρεύμα που διαρρέει τον ίδιο το διαιρέτη τάσης θα είναι χοντρικά μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερο από το ρεύμα του φορτίου.

Οπότε είναι φανερό πως η τροφοδοσία φορτίων είναι εντελώς μη αποδοτική (μικρότερη του 10%) με έναν διαιρέτη τάσης, παρά μόνο για εξαιρετικά μικρά φορτία. Θα δούμε αναλυτικά ποια είναι αυτά παρακάτω στις εφαρμογές.

2. Ποτενσιόμετρα

Το ποτενσιόμετρο θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ένας μεταβλητός διαιρέτης τάσης. Η πιο κλασσική μορφή ποτενσιόμετρου είναι η παρακάτω:

Το συγκεκριμένο αποτελείται από έναν άξονα τον οποίο μπορούμε να περιστρέψουμε με το χέρι και τρεις ακροδέκτες. Το παξιμάδι και η ροδέλα είναι για να στερεώνεται στις προσόψεις συσκευών. Στην άκρη του άξονα για λόγους καλαισθησίας και ευχρηστίας μπορεί να προσαρμοστεί κάποιο πλαστικό “πόμολο” όπως αυτά:

Κλασσική εφαρμογή που συναντούμε τέτοιου τύπου ποτενσιόμετρα είναι στα ραδιόφωνα για τη ρύθμιση της έντασης του ήχου.

Τυπικά το εύρος περιστροφής από άκρη σε άκρη είναι 180 ή 270 μοίρες. Για ειδικές εφαρμογές οπού χρειάζεται μεγάλη ακρίβεια στη ρύθμιση υπάρχουν ποτενσιόμετρα 10 στροφών. Εναλλακτικά, υπάρχουν τα “πόμολα” τύπου Vernier, τα οποία μπορούν να προσαρμοστούν σε ένα κλασσικό ποτενσιόμετρο 180 ή 270 μοιρών και τα οποία έχουν εσωτερικά ένα γρανάζωμα υποπολαπλασιασμού. Έτσι το “πόμολο” μπορεί να περιστρέφεται 10 ή παραπάνω φορές, ενώ εσωτερικά το ποτενσιόμετρο ακολουθεί την τυπική του περιστροφή των 180 ή 270 μοιρών.

Σημείωση: Κάποιες συσκευές έχουν κουμπιά τα οποία περιστρέφονται χωρίς να τερματίζουν κάπου. Αυτά δεν είναι ποτενσιόμετρα, αλλά περιστροφικοί κωδικοποιητές (rotary encoders) και λειτουργούν με εντελώς διαφορετικό τρόπο.

Εσωτερικά ο μηχανισμός του ποτενσιόμετρου μοιάζει κάπως έτσι:

Η καφέ λωρίδα σε σχήμα πετάλου είναι φτιαγμένη από ειδικό σύρμα υψηλής αντίστασης. Περιστρέφοντας τον άξονα μπορούμε να μετακινήσουμε τη θέση του δρομέα (wiper, απεικονίζεται με κίτρινο χρώμα) πάνω στο σύρμα. Καθώς η αντίσταση είναι ανάλογη με το μήκος του σύρματος, όταν ο δρομέας βρίσκεται ακριβώς στη μέση, το αριστερό τμήμα έχει το ίδιο μήκος και συνεπώς την ίδια αντίσταση με το δεξί. Καθώς ο δρομέας μετακινείται αριστερόστροφα τότε η αντίσταση του αριστερού τμήματος του σύρματος γίνεται μικρότερη ενώ του δεξιού μεγαλύτερη. Το αντίστροφο συμβαίνει όταν κινείται ο δρομέας δεξιόστροφα.

Η συνολική αντίσταση του ποτενσιόμετρου παραμένει αμετάβλητη ανεξάρτητα από τη θέση στην οποία βρίσκεται ο δρομέας. Ως εκ τούτου, το ρεύμα που το διαρρέει παραμένει πρακτικά σταθερό.

Η αντιστοιχία με το διαιρέτη τάσης είναι εμφανής. Στους δύο εξωτερικούς ακροδέκτες συνδέουμε την τάση εισόδου και τη γείωση, ενώ από τον μεσαίο ακροδέκτη παίρνουμε την τάση εξόδου. Συνηθίζεται να συνδέουμε τη γείωση στον πρώτο ακροδέκτη έτσι ώστε η τάση εξόδου να είναι μηδέν όταν το ποτενσιόμετρο βρίσκεται στο αριστερό τέρμα και να αυξάνεται καθώς το περιστρέφουμε δεξιόστροφα, μέχρι να γίνει ίση με την τάση εισόδου στο δεξί τέρμα.

Εφαρμογές διαιρέτη τάσης και ποτενσιόμετρων

Όπως είδαμε στα προηγούμενα, ο διαιρέτης τάσης μπορεί να δώσει μία τάση εξόδου η οποία είναι ένα κλάσμα της τάσης εισόδου, όμως δεν μπορεί να δώσει ρεύμα.

Επομένως χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που απαιτούν συγκεκριμένη τάση αλλά καταναλώνουν μηδενικό ή εξαιρετικά μικρό ρεύμα.

Τέτοιες εφαρμογές ενδεικτικά είναι:

• ADC (Analog to Digital converters)
• Comparators (Συγκριτές)
• Op Amps (Τελεστικοί Ενισχυτές)
• Ρύθμιση της τάσης πύλης (gate voltage) σε Field Effect Transistors

1) ADC

Τα ADC είναι διατάξεις που μετατρέπουν μία (αναλογική) τάση από 0 έως κάποια τάση αναφοράς, σε έναν αριθμό. Για παράδειγμα, τα ADC του Arduino είναι των 10bit και λειτουργούν με τάση αναφοράς τα 5 Volt. Επομένως αν δεχτεί τάση 0 Volt, θα το μετατρέψει σε 0. Αν δεχτεί τάση 5 Volt θα τη μετατρέψει σε 1023 (10bit = 2^10 = 1024). Αντίστοιχα, οποιοδήποτε βολτάζ απο 0 έως 5 Volt θα μετατραπεί στον αντίστοιχο αριθμό απο 0 έως 1023.

Ο αριθμός που προκύπτει από την μετατροπή του ADC μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον κώδικα του μικροελεγκτή για να ελέγξει κάποια έξοδο.

2)  Comparators (Συγκριτές)

Οι συγκριτές είναι μια ειδική κατηγορία op amp (μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ένας απλός op amp ως συγκριτής αλλά όχι με την ίδια ακρίβεια). Ο συγκριτές δέχονται στην είσοδό τους δύο τάσεις. Όταν η μία τάση είναι μεγαλύτερη απο την άλλη τότε βγάζουν στην έξοδο μηδενική τάση. Αντίθετα όταν η πρώτη τάση γίνει μικρότερη απο την άλλη τότε ο συγκριτής βγάζει στην έξοδο την τάση τροφοδοσίας, πχ 5 ή 12 Volt.

Συνήθως στην μία είσοδο δίνουμε μία σταθερή τάση (τάση αναφοράς), οπότε ο συγκριτής ενεργοποιείται όταν η δεύτερη τάση ξεπεράσει το κατώφλι της τάσης αναφοράς.

Μια κλασσική εφαρμογή του συγκριτή είναι στα φώτα νύχτας με φωτοκύτταρο.

Εδώ υπάρχουν δύο διαιρέτες τάσης.

Η τάση αναφοράς ορίζεται στο pin 2 του συγκριτή απο τον διαιρέτη τάσης που αποτελείται από τις αντιστάσεις R3 και R4. Έχουν την ίδια τιμή, οπότε η τάση αναφοράς είναι η μισή της τροφοδοσίας, δηλαδή 6 Volt.

Ο δεύτερος διαιρέτης τάσης αποτελείται από τη μεταβλητή αντίσταση R1 και από το LDR (Light Dependent Resistor) ή αλλιώς φωτοκύτταρο. Όταν πέφτει φως, η αντίσταση του LDR μειώνεται και η τάση στο pin 3 του συγκριτή μικραίνει. Αντίθετα όταν δεν πέφτει φως, η αντίσταση του LDR αυξάνεται και η τάση αυξάνεται. Η μεταβλητή αντίσταση (trimmer) χρησιμοποιείται για να ρυθμίσει ακριβώς την απόκριση του κυκλώματος. Συνήθως αυτές ρυθμίζονται εργοστασιακά και μετά κολλούνται και ο τελικός χρήστης δεν έχει πρόσβαση σε αυτές.

3) Op amps (Τελεστικοί ενισχυτές)

Οι τελεστικοί ενισχυτές είναι μια ομάδα ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που πέρα από την ενίσχυση σημάτων έχουν και πολλές άλλες εφαρμογές. Ένα χαρακτηριστικό τους είναι πως απαιτούν συμμετρική τροφοδοσία, δηλαδή από μια τάση έως την αρνητική της, πχ +12 εώς -12 Volt και το 0 ως γείωση

Σε περίπτωση που η διαθέσιμη τάση είναι από μία μπαταρία, αυτό δεν είναι δυνατόν. Εδώ ο διαιρέτης τάσης δίνει πάλι τη λύση!

Ως θετική τάση χρησιμοποιούμε το θετικό της μπαταρίας και ως αρνητική τάση το αρνητικό της. Η γείωση ορίζεται από έναν διαιρέτη τάσης με δύο ίδιες αντιστάσεις στο μισό της συνολικής τάσης της μπαταρίας. Επειδή η γείωση αυτή στην πραγματικότητα βρίσκεται σε κάποια τάση, ονομάζεται εικονική γείωση (virtual ground).

4) Ρύθμιση gate voltage σε Field Effect Transistor

Στο παρακάτω κύκλωμα οι αντιστάσεις R1 και R2 αντιπροσωπεύουν ένα ποτενσιόμετρο 47kohm το οποίο ελέγχει την τάση στο gate του MOSFET έτσι ώστε να λειτουργεί σαν dimmer για την λάμπα.

Καθώς όμως η γραμμική περιοχή του MOSFET, δηλαδή η περιοχή που λειτουργεί σαν αντίσταση, είναι πολύ στενή, από 2,5 έως 3,5 Volt μόνο, το ποτενσιόμετρο έχει μεγάλη νεκρή διαδρομή.

Το παρακάτω κύκλωμα ρυθμίζει την περιοχή που θα δουλεύει το ποτενσιόμετρο:

Η αντίσταση R3 δεν αφήνει την αντίσταση του ποτενσιόμετρου προς τη γείωση να μηδενιστεί. Έτσι ακόμα και τέρμα κλειστό η έξοδός του θα βρίσκεται σε κάποια τάση πάνω από το μηδέν.

Επιπλέον, οι αντιστάσεις R4 και R5 σχηματίζουν έναν διαιρέτη τάσης ο οποίος περιορίζει τη μέγιστη τάση του ποτενσιόμετρου. Για να μήν υπάρχει πτώση τάσης στην έξοδο του διαιρέτη τάσης, οι αντιστάσεις αυτές είναι μία τάξη μεγέθους μικρότερες από την αντίσταση του ποτενσιόμετρου.

Έτσι με αυτές τις τιμές αντιστάσεων, η έξοδος του ποτενσιόμετρου δίνει από 1,9 έως 3,8 Volt αντί για 0 έως 12 που έδινε αρχικά.

3. Ροοστάτης

Στο κύκλωμα που εικονίζεται παραπάνω συνδέουμε ένα ροοστάτη. Το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μόνο από το τμήμα ΑΔ του αγωγού του ροοστάτη. Αν μετακινήσουμε το δρομέα δ προς το άκρο Β, το μήκος ΑΔ του αγωγού που περιλαμβάνεται στο κύκλωμα αυξάνεται. Όμως με την αύξηση του μήκους του αγωγού αυξάνεται και η αντίστασή του γιατί τα δύο αυτά μεγέθη είναι ανάλογα.
Τότε σύμφωνα με το νόμο του Ωμ, Ι = V/R, εφόσον η τάση στα άκρα του ροοστάτη διατηρείται σταθερή, η αύξηση της αντίστασης R προκαλεί μείωση της έντασης του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα και επομένως της έντασης φωτοβολίας του λαμπτήρα. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται και με τη χρήση του αμπερομέτρου Α. Το αντίθετο αποτέλεσμα θα παρατηρήσουμε εάν μετακινήσουμε το δρομέα δ προς το άκρο Α του ροοστάτη.

πηγή:http://fubar.gr/και sciencetube.gr