Делитель напряжения | Расчет делителя напряжения

Делитель напряжения (теория)

Для того, чтобы поделить напряжение, нам потребуется два и более резисторов.  Для начала рассмотрим вот такой рисунок:

Наш схемка состоит из двух резисторов, подключенных последовательно. На эти резисторы подается напряжение. Оно может быть как переменное, так и постоянное. Назовем его U. Пропуская ток через эти резисторы, у нас сразу же в дело вступит Закон Ома.  Мы знаем, что если резисторы соединены последовательно, то их общее  сопротивление  будет равняться сумме их номиналов. То есть получается, что

R_общее=R1+R2

I=U/R_общее

то есть можно написать

I=U/(R1+R2)

При последовательном соединении резисторов, сила тока – I, проходящая через каждый резистор одинакова – это есть закон последовательного соединения резисторов. Так, разобрались. У нас каждый резистор обладает каким-то своим сопротивлением. Отсюда напрашивается вывод из Закона Ома, что на каждом сопротивлении у нас будет какое-то свое напряжение, которое зависит от сопротивления резистора.

На сопротивлении R1  у нас будет напряжение U1, а на сопротивлении R2  у нас будет напряжение U2

I=U2/R2=U1/R1=U/(R1+R2)

 

Давайте найдем значения U1 и U2. Вы все учились в школе и сможете без проблем решить эту уравнение. Умножаем, сокращаем и в конце концов получаем, что

U1=UxR1/(R1+R2)

U2=UxR2/(R1+R2)

А вы знаете, что если сложить правые части уравнения, получим U ? Не верите? Проверьте! Отсюда получаем, что U=U1+U2.

Короче говоря простым языком чайника: если резисторы включены в цепь последовательно, то на каждом резисторе падает напряжение (падает, значит на концах резистора имеется это напряжение) и сумма падений напряжений на всех резисторах будет равняться напряжению источника (батарейки, блока питания или какого-нибудь источника ЭДС). Мы разделили напряжение источника

U на два  разных напряжения U1 и U2.

Для лучшего понимания давайте рассмотрим еще одну цепь, состоящую из n резисторов

На схеме выше мы видим резисторы, которые соединены последовательно. Чему будет равняться U_общ

? Так как резисторы соединены последовательно, следовательно, на каждом резисторе падает какое-то напряжение. Сумма падений напряжения на всех резисторах будет равняться U_общ . В нашем случае формула запишется как

Делитель напряжения (практика)

Итак у нас имеются вот такие два резистора и наш любимый мультиметр:

Замеряем сопротивление маленького резистора, R1=109,7 Ом.

Замеряем сопротивление большого резистора R2=52,8 Ом.

Выставляем на блоке питания ровно 10 Вольт. Замеряем напряжение с помощью мультиметра (не смотрите на показания блока питания, он обладает бОльшей погрешностью, чем мультиметр).

Цепляемся блоком питания за эти два резистора, запаянные последовательно. Напомню, что на блоке ровно 10 Вольт. Показания амперметра на блоке питания тоже немного неточны. Силу тока мы будем замерять с помощью мультиметра.

Замеряем напряжение на большом резисторе. На нем падает 3,21 Вольт.

Замеряем напряжение на маленьком резисторе. На нем падает 6,77 Вольт

Ну что, с математикой думаю у всех в порядке. Складываем эти два значения напряжения 3,21+6,77 = 9,98 Вольт. А куда делись еще 0,02 Вольта? Спишем на погрешность щупов и средств измерений. Вот наглядный пример того, что мы смогли разделить напряжение на два разных напряжения.

Сила тока при последовательном соединении сопротивлений

Давайте же  убедимся, что сила тока при последовательном соединении резисторов везде одинакова. 0,04 А или 40 мА.

Убедились? 🙂

Переменный резистор в роли делителя напряжения

Для того, чтобы плавно делить напряжение, у нас есть переменный резистор в роли делителя напряжения. Его еще также называют потенциометром.

Его обозначение на схеме выглядит вот так:

Принцип такой: между двумя крайними контактами постоянное сопротивление. Сопротивление относительно среднего контакта по отношению к крайним может меняться  в зависимости от того, куда мы будем крутить крутилку этого переменного резистора. Этот резистор рассчитан на мощность 1Вт и имеет полное сопротивление 330 Ом. Давайте посмотрим, как он будет делить напряжение.

Так как мощность небольшая , всего 1 Вт, то не будем нагружать его большим напряжением. Формула мощности P=IU.  Ток потребления из закона Ома I=U/R. Значит, этот переменный резистор может делить только маленькое напряжение при маленьком сопротивлении нагрузки и наоборот. Главное, чтобы значение мощности этого  резистора не вышло за грани. Поэтому я буду делить напряжение в 1 Вольт.

Для этого выставляем на блоке напряжение в 1 Вольт и цепляемся к нашему резистору по двум крайним контактам.

Крутим крутилку в каком-нибудь произвольном направлении и останавливаем ее. Замеряем напряжение между левым и средним контактом:

0,34 Вольта

Замеряем напряжение между средним и правым контактом

0,64 Вольта

Суммируем напряжение  и получаем 0,34+0,64=0,98 Вольт. 0,02 Вольта опять где-то затерялись, скорее всего на щупах, так как они тоже обладают сопротивлением.

Заключение

В настоящее время делители напряжения создаются с помощью абсолютно других законов электроники. Это может быть полупроводниковые схемы или даже схемы с использованием микроконтроллеров. Но, если требуется быстро получить делитель напряжения и изменять малую мощность напряжения или сигнала в электронике, то делитель напряжения  на резисторах вам пригодится как нельзя кстати.

схема и расчёт [Амперка / Вики]

Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения (voltage divider). Это схема, строящаяся на основе пары резисторов.

В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе V_out? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?

Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков пока к выходу V_out ничего не подключено. А суммарное сопротивление пары резисторов при последовательном соединении:

Таким образом, сила тока протекающая через резисторы

Теперь, когда нам известен ток в R2, расчитаем напряжение вокруг него:

Или если отавить формулу в общем виде:

Так с помощью пары резисторов мы изменили значение входного напряжения с 9 до 5 В. Это простой способ получить несколько различных напряжений в одной схеме, оставив при этом только один источник питания.

Применение делителя для считывания показаний датчика

Другое применение делителя напряжения — это снятие показаний с датчиков. Существует множество компонентов, которые меняют своё сопротивление в зависимости от внешних условий. Так термисторы меняют сопротивление от нуля до определённого значения в зависимости от температуры, фоторезисторы меняют сопротивление в зависимости от интенсивности попадающего на них света и т.д.

Если в приведённой выше схеме заменить R1 или R2 на один из таких компонентов, V_out будет меняться в зависимости от внешних условий, влияющих на датчик. Подключив это выходное напряжение к аналоговому входу Ардуино, можно получать информацию о температуре, уровне освещённости и других параметрах среды.

Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно расчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта V_out

.

Подключение нагрузки

С делителем напряжения не всё так просто, когда к выходному подключения подключается какой-либо потребитель тока, который ещё называют нагрузкой (load):

В этом случае V_out уже не может быть расчитано лишь на основе значений V_in, R1 и R2: сама нагрузка провоцирует дополнительное падение напряжения (voltage drop). Пусть нагрузкой является нечто, что потребляет ток в 10 мА при предоставленных 5 В. Тогда её сопротивление

В случае с подключеной нагрузкой следует рассматривать нижнюю часть делителя, как два резистора соединённых параллельно:

Подставив значение в общую формулу расчёта

V_out, получим:

Как видно, мы потеряли более полутора вольт напряжения из-за подключения нагрузки. И тем ощутимее будут потери, чем больше номинал R2 по отношению к сопротивлению L. Чтобы нивелировать этот эффект мы могли бы использовать в качестве R1 и R2 резисторы, например, в 10 раз меньших номиналов.

Пропорция сохраняется, V_out не меняется:

А потери уменьшатся:

Однако, у снижения сопротивления делящих резисторов есть обратная сторона медали. Большое количество энергии от источника питания будет уходить в землю. В том числе при отсоединённой нагрузке. Это небольшая проблема, если устройство питается от сети, но — нерациональное расточительство в случае питания от батарейки.

Кроме того, нужно помнить, что резисторы расчитаны на определённую предельную мощьность. В нашем случае нагрузка на R1 равна:

А это в 4-8 раз выше максимальной мощности самых распространённых резисторов! Попытка воспользоваться описанной схемой со сниженными номиналами и стандартными 0.25 или 0.5 Вт резисторами ничем хорошим не закончится. Очень вероятно, что результатом будет возгарание.

Применимость

Делитель напряжения подходит для получения необходимого заниженного напряжения в случаях, когда подключенная нагрузка потребляет небольшой ток (доли или единицы миллиампер). Примером подходящего использования является считывание напряжения аналоговым входом микроконтроллера, управление базой/затвором транзистора.

Делитель не подходит для подачи напряжения на мощных потребителей вроде моторов или светодиодных лент.

Чем меньшие номиналы выбраны для делящих резисторов, тем больше энергии расходуется впустую и тем выше нагрузка на сами резисторы. Чем номиналы больше, тем больше и дополнительное (нежелательное) падение напряжения, провоцируемое самой нагрузкой.

Если потребление тока нагрузкой неравномерно во времени, V_out также будет неравномерным.

Преобразователь напряжения 12-5В своими руками

В настоящее время импульсные преобразователи используются практически везде и всё чаще заменяют классические линейные стабилизаторы, на которых при больших токах выделяется значительная мощность в виде тепловых потерь. Предлагаемая схема является простым понижающим преобразователем Step-Down с напряжения 12 В на стандартное для USB 5 В и собирается она на основе популярной микросхемы LM2576T.

Устройство предназначено для работы с автомобильной проводкой 12 В и может использоваться для зарядки или питания GPS-навигаторов, мобильных телефонов, планшетов оснащенных разъемом USB.

В состоянии покоя система полностью отключена от питания авто, а во время работы выключается сразу же после отключения тока, потребляемого с его выхода (например, при отключении провода от USB-разъема). Запуск системы осуществляется через кратковременное нажатие на кнопку, но если в данный момент выход не подключен — преобразователь снова автоматически выключится.

Принципиальная схема преобразователя LM2576T

Схема преобразователя на микросхеме LM2576

Основой является уже упомянутый ранее чип U1 (LM2576T-ADJ), дроссель L1 (100uH) и диод Шоттки D1 (1N5822). Конденсатор C1 (100uF) фильтрует напряжение питания. Выходной фильтр представляет собой конденсатор C4 (470uF), а стабилитрон D4 (BZX85C5V1) мощностью 1.3 Ватт может защитить систему от возможного кратковременного повышения напряжения питания (жалко будет спалить дорогой смартфон из-за случайных ошибок).

Принцип действия устройства

Для начала стоит написать несколько слов о самой микросхеме LM2576T — контроллере преобразователя. Схема обеспечивает превосходную альтернативу для типовых 3-х контактных линейных стабилизаторов семейства LM317, предлагая гораздо более высокую эффективность и позволяя снизить потери. Очень большое преимущество микросхемы LM2576T — возможность отключения и перехода в режим Standby, в котором потребляемый ток всего 50 мкА. Эта функция не используется в данной схеме преобразователя, но стоит иметь в виду на будущее. LM2576T содержит в своем составе все необходимые компоненты для преобразователя, вместе с силовым транзисторным ключом, который может работать с токами до 3 А. Сборка требует подключения только нескольких внешних компонентов.

Важным элементом является делитель напряжения R10 (1,2 k), R11 (3,6 к), так как он отвечает за величину выходного напряжения. Степень деления подобрана так, чтобы при выходном напряжении 5 В на входе компаратора микросхемы U1 присутствовало напряжение 1.23 В. Внутренний компаратор микросхемы управляет транзистором, чтобы напряжение на выходе достигло нужного значения. Всё это дело стабилизирует напряжение и при изменении тока нагрузки.

Преимуществом данной схемы является возможность автоматического выключения питания после отключения тока, потребляемого от преобразователя. Отвечает за это транзистор T1 (BD140), а также резисторы R6 (10k) и R4 (1k). В выключенном состоянии резистор R6 обеспечивает правильное отключение транзистора T1. Запуск системы осуществляется через кратковременное замыкание кнопки S1 (типа сенсорная). Преобразователь включается, а транзистор T4 (2N7000) поддерживает далее низкий потенциал на базе T1. Резистор R4 ограничивает ток базы транзистора Т1.

Для контроля тока потребляемого нагрузкой, используется операционный усилитель U2 (LM358), в котором задействуется только одна половина. Он работает с усилением, равным 1000, установленным через резисторы R12 (100k) и R13 (100 Ом). Конденсатор C2 (100nF) фильтрует напряжение питания усилителя. Для управления транзистором T4 используется делитель напряжения R9 (10k), R7 (10k), осуществляющий деление выходного напряжения ОУ на 2.

Незначительное падение напряжения на измерительном резисторе R14 (0,2 Ома) порядка 5 мВ, нужно для поддержания работы преобразователя. Таким образом, для поддержания включенного состояния инвертора, достаточно потребляемого нагрузкой тока 25 мА.

Двухцветный светодиод D2 выполняет роль индикатора питания.

Когда же напряжение на выходе слишком высокое, открывается стабилитрон D3 (BZX55C5V1), а на резисторе R8 (2,2 k) появляется потенциал, достаточный для открытия транзистора T3 (2N7000). Сразу T2 (2N7000) будет закрыт и загорится красный светодиод. Ток светодиодов ограничен через резисторы R2 (560 Ом) и R3 (1k). При нормальной работе транзистор T2 пропускает ток (через R5) и горит зеленый светодиод.

Печатная плата инвертора 12/5 вольт

Печатная плата инвертора на м/с 2576

Печатная плата в PDF доступна для скачивания по ссылке всем посетителям сайта 2 Схемы. Монтаж преобразователя не сложен, все помещается на односторонней печатке. Пайку следует начинать с маленьких радиоэлементов — резисторов, потом диоды, транзисторы, и заканчивая конденсаторами и разъемами. Под микросхему не следует использовать панельки, особенно если система будет работать в автомобиле, так как из-за вибраций м/с может вылететь из гнезда. Если схема будет работать постоянно и в сложных условиях, без притока воздуха, то стоит прикрутить небольшой радиатор (кусок пластины) на транзистор Т1.

Как упростить конструкцию

Как уже говорилось, DC-DC инвертор имеет функцию автоматического отключения. Но можно при желании от нее отказаться, что неплохо упростит конструкцию. Резистор R14 тогда надо заменить перемычкой, а операционный усилитель U2 и элементы, которые с ним работают, не будут нужны вообще. Не нужна также установка транзистора T4. Вместо кнопки можно использовать любой переключатель соответствующей мощности, что позволит включить преобразователь тумблером. В случае, если схема будет работать в постоянном режиме, не нужен и транзистор T1 — соедините его эмиттер с коллектором с помощью перемычки.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт (резистор, микросхема) 📹

 В этой статье расскажу о весьма банальных вещах, что не менялись уже не одно десятилетие, да они вообще не менялись. Другое дело, что с тех пор как был изучен принцип снижения напряжения в замкнутой цепи за счет сопротивления, появились и другие принципы питания нагрузки, за счет ШИМ, но тема это отдельная, хотя и заслуживающая внимания. Поэтому продолжу все-таки по порядку логического русла, когда расскажу о законе Ома, потом о его применении для различных радиоэлементов участвующих в понижении напряжения, а после уже можно упомянуть и о ШИМ.

Закон Ома при понижении напряжения

 Собственно был такой дядька Георг Ом, который изучал протекание тока в цепи. Производил измерения, делал определенные выводы и заключения. Итогами его работы стала формула Ома, как говорят закон Ома. Закон описывает зависимость падения напряжения, тока от сопротивления.
Сам закон весьма понятен и схож с представлением таких физических событий как протекание жидкости по трубопроводу. Где жидкость, а вернее ее расход это ток, а ее давление это напряжение. Ну и само собой любые изменения сечения или препятствия в трубе для потока, это будет сопротивлением. Итого получается, что сопротивление «душит» давление, когда из трубы под давлением, могут просто капать капли, и тут же падает и расход. Давление и расход величины весьма зависящие друг от друга, как ток и напряжение. В общем если все записать формулой, то получается так:

R=U/I; То есть давление (U) прямо пропорционально сопротивлению в трубе (R), но если расход (I) будет большой, то значит сопротивления как такового нет… И увеличенный расход должен показывать на пониженное сопротивление.

 Весьма туманно, но объективно! Осталось сказать, что закон то этот впрочем, был получен эмпирическим путем, то есть окончательные факторы его изменения весьма не определены.
Теперь вооружившись теоретическими знаниями, продолжим наш путь в познании того, как же снизить нам напряжение.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью резистора

 Самое простое это взять и использовать нестабилизированную схему. То есть когда напряжение просто понизим за счет сопротивления и все. Рассказывать о таком принципе особо нечего, просто считаем по формуле выше и все. Приведу пример. Скажем снижаем с 12 вольт до 5.

R=U/I. С напряжением понятно, однако смотрите, у нас недостаточно данных! Ничего не известно о «расходе», о токе потребления. То есть если вы решите посчитать сопротивление для понижения напряжения, то обязательно надо знать, сколько же «хочет кушать» наша нагрузка.

Эту величину вам необходимо будет посмотреть на приборе, который вы собираетесь питать или в инструкции к нему. Примем условно ток потребления 50 мА=0,05 А. Осталось также еще заметить, что по этой формуле мы подберем сопротивление, которое будет полностью гасить напряжение, а нам надо оставить 5 вольт, то 12-5=7 вольт подставляем в формулу.
R= 7/0,05=140 Ом нужно сопротивление, чтобы после из 12 вольт получить 5, с током на нагрузке в 50 мА.
 Осталось упомянуть о не менее важном! О том, что любое гашение энергии, а в данном случае напряжение, связано с рассеиваемой мощностью, то есть наш резистор должен будет «выдержать» то тепло, которое будет рассеивать. Мощность резистора считается по формуле.
P=U*I. Получаем. P=7*0,05=0,35 Вт должна быть мощность резистора. Не менее. Вот теперь курс расчет для резистора можно считать завершенным.

Как понизить напряжение с 12 на 5 вольт с помощью микросхемы

 Ничего принципиально не меняется и в этом случае. Если сравнивать этот вариант понижения через микросхему, с вариантом использующим резистор. По факту здесь все один в один, разве что добавляются полезные «интеллектуальные» особенности подстройки внутреннего сопротивления микросхемы исходя из тока потребления. То есть, как мы поняли из абзаца выше, в зависимости от тока потребления, расчетное сопротивление должно «плавать». Именно это и происходит в микросхеме, когда сопротивление подстраивается под нагрузку таким образом, что на выходе микросхемы всегда одно и тоже напряжение питания! Ну и плюсом идут такие «полезные плюшки» как защита от перегрева и короткого замыкания. Что касательно микросхем, так называемых стабилизаторов напряжения на 5 вольт, то это могут быть: LM7805, КРЕН142ЕН5А. Подключение тоже весьма простое.

Само собой для эффективной работы микросхемы ставим ее на радиатор. Ток стабилизации ограничен 1,5 -2 А.
Вот такие вот принципы понижения напряжения с 12 на 5 вольт. Теперь один раз их поняв, вы сможете легко рассчитать какое сопротивление надо поставить или как подобрать микросхему, чтобы получить любое другое более низкое напряжение.
Осталось сказать пару слов о ШИМ.

 Широко импульсная модуляция весьма перспективный и самое главное высокоэффективный метод питания нагрузки, но опять же со своими подводными камнями. Вся суть ШИМ сводится к тому, чтобы выдавать импульсами такое напряжение питание, которое суммарно с моментами отсутствия напряжения будет давать мощность и среднее напряжение достаточное для работы нагрузки. И здесь могут быть проблемы, если подключить источник питания от одного устройства к другому. Ну, самые простые проблемы это отсутствие тех характеристик, которые заявлены. Возможны помехи, неустойчивая работа. В худшем случае ШИМ источник питания может и вовсе сжечь прибор, под которые не предназначен изначально!

Делитель напряжения: устройство, принцип работы, назначение

Часто при проектировании электронной схемы возникает необходимость получить точку с определенным уровнем сигнала. Например, создать опорную точку или смещение напряжения, запитать маломощный потребитель, понизив его уровень и ограничить ток. Именно в таких случаях нужно использовать делитель напряжения. Что это такое и как его рассчитать мы расскажем в этой статье.

Определение

Делителем напряжения называется прибор или устройство, которое понижает уровень выходного напряжения относительно входного, пропорционально коэффициенту передачи (он будет всегда ниже нуля). Такое название он получил, потому что представляет собой два и более последовательно соединенных участка цепи.

Они бывают линейными и нелинейными. При этом первые представляют собой активное или реактивное сопротивление, в которых коэффициент передачи определяется соотношением из закона Ома. К ярко выраженным нелинейным делителям относят параметрические стабилизаторы напряжения. Давайте разберемся как устроен это прибор и зачем он нужен.

Виды и принцип действия

Сразу стоит отметить, что принцип работы делителя напряжения в общем одинаков, но зависит от элементов, из которых он состоит. Различают три основных вида линейных схем:

• резистивные;
• емкостные;
• индуктивные.

Наиболее распространен делитель на резисторах, из-за своей простоты и легкости расчетов. На его примере и рассмотрим основные сведения об этом устройстве.

У любого делителя напряжения есть Uвходное и Uвыходное, если он состоит из двух резисторов, если резисторов три, то выходных напряжений будет два, и так далее. Можно сделать любое количество ступеней деления.

Uвходное равно напряжению питания, Uвыходное зависит от соотношения резисторов в плечах делителя. Если рассматривать схему на двух резисторах, то верхним, или как его еще называют, гасящим плечом будет R1. Нижним или выходным плечом будет R2.

Допустим у нас Uпитания 10В, сопротивление R1 — 85 Ом, а сопротивление R2 — 15 Ом. Нужно рассчитать Uвыходное.

Тогда:

U=I*R

Так как они соединены последовательно, то:

U1=I*R1

U2=I*R2

Тогда если сложить выражения:

U1+U2=I(R1+R2)

Если выразить отсюда ток, получится:

Подставив предыдущее выражение, имеем следующую формулу:

Посчитаем для нашего примера:

Делитель напряжения может быть выполнен и на реактивных сопротивлениях:

Тогда расчеты будут аналогичны, но сопротивления рассчитывают по нижеприведенным формулам.

Для конденсаторов:

Для индуктивности:

Особенностью и различием этих видов делителей является то, что резистивный делитель может использоваться в цепях переменного и в цепях постоянного тока, а емкостной и индуктивный только в цепях переменного тока, потому что только тогда будет работать их реактивное сопротивление.

Интересно! В некоторых случаях емкостной делитель будет работать в цепях постоянного тока, хорошим примером является использование такого решения во входной цепи компьютерных блоков питания.

Использование реактивного сопротивления обусловлено тем, что при их работе не выделяется такого количества тепла, как при использовании в конструкциях активных сопротивлений (резисторов)

Примеры использования в схеме

Есть масса схем, где используются делители напряжения. Поэтому мы приведем сразу несколько примеров.

Допустим мы проектируем усилительный каскад, на транзисторе, который работает в классе А. Исходя из его принципа действия, нам нужно задать на базе транзистора такое напряжение смещения (U1), чтобы его рабочая точка была на линейном отрезке ВАХ, при этом чтобы ток через транзистор не был чрезмерным. Допустим нам нужно обеспечить ток базы в 0,1 мА при U1 в 0,6 Вольта.

Тогда нам нужно рассчитать сопротивления в плечах делителя, а это обратный расчет относительно того, что мы привели выше. В первую очередь находят ток через делитель. Чтобы ток нагрузки не сильно влиял на напряжения на его плечах, зададим ток через делитель на порядок выше тока нагрузки в нашем случае 1 мА. Uпитания пусть будет 12 Вольт.

Тогда общее сопротивление делителя равняется:

Rд=Uпитания/I=12/0.001=12000 Ом

R2/R=U2/U

Или:

R2/(R1+R2)=U2/Uпитания

10/20=3/6

20*3/6=60/6/10

R2=(R1+R2)*U1/Uпитания=12000*0.6/12=600

R1=12000-600=11400

Проверим расчеты:

U2=U*R2/(R1+R2)=12*600/12000=7200/12000=0,6 Вольт.

Соответственное верхнее плече погасит

U2=U*R2/(R1+R2)=12*11400/12000=136800/12000=11,4 Вольт.

Но это еще не весь расчет. Для полного расчета делителя нужно определить и мощность резисторов, чтобы они не сгорели. При токе 1 мА на R1 выделится мощность:

P1=11,4*0,001=0,0114 Ватт

А на R2:

P2=0,6*0,001=0,000006 Ватт

Здесь она ничтожно мала, но представьте какой мощности нужны были бы резисторы, если бы ток делителя составлял 100 мА или 1 А?

Для первого случая:

P1=11,4*0,1=1,14 Ватт

P2=0,6*0,1=0,06 Ватт

Для второго случая:

P1=11,4*1=11,4 Ватт

P2=0,6*1=0,6 Ватт

Что уже немалые для электроники цифры, в том числе и для использования в усилителях. Это не эффективно, поэтому в настоящее время используют импульсные схемы, хотя и линейные продолжают использоваться либо в любительских конструкциях, либо в специфичном оборудовании с особыми требованиями.

Второй пример – это делитель для формирования Uопорного для регулируемого стабилитрона TL431. Они применяются в большинстве недорогих блоков питания и зарядных устройств для мобильных телефонов. Схема подключения и расчетные формулы вы видите ниже. С помощью двух резисторов здесь создается точка с Uопорным в 2.5 вольта.

Еще один пример — это подключение всевозможных датчиков к микроконтроллерам. Рассмотрим несколько схем подключения датчиков к аналоговому входу популярного микроконтроллера AVR, на примере семейства плат Arduino.

В измерительных приборах есть разные пределы измерения. Такая функция реализуется также с помощью группы резисторов.

Но на этом область применения делителей напряжения не заканчивается. Именно таким образом гасятся лишние вольты при ограничении тока через светодиод, также распределяется напряжение на лампочках в гирлянде, и также вы можете запитать маломощную нагрузку.

Нелинейные делители

Мы упомянули, что к нелинейным делителям относится параметрический стабилизатор. В простейшем виде он состоит из резистора и стабилитрона. У стабилитрона условное обозначение на схеме похоже на обычный полупроводниковый диод. Разница лишь в наличии дополнительной черты на катоде.

Расчет происходит, отталкиваясь от Uстабилизации стабилитрона. Тогда если у нас есть стабилитрон на 3.3 вольта, а Uпитания равно 10 вольт, то ток стабилизации берут из даташита на стабилитрон. Например, пусть он будет равен 20 мА (0.02 А), а ток нагрузки 10 мА (0.01 А).

Тогда:

R=12-3,3/0,02+0,01=8,7/0,03=290 Ом

Разберемся как работает такой стабилизатор. Стабилитрон включается в цепь в обратном включении, то есть если Uвыходное ниже Uстабилизации – ток через него не протекает. Когда Uпитания повышается до Uстабилизации, происходит лавинный или туннельный пробой PN-перехода и через него начинает протекать ток, который называется током стабилизации. Он ограничен резистором R1, на котором гасится разница между Uвходным и Uстабилизации. При превышении максимального тока стабилизации происходит тепловой пробой и стабилитрон сгорает.

Кстати иногда можно реализовать стабилизатор на диодах. Напряжение стабилизации тогда будет равно прямому падению диодов или сумме падений цепи диодов. Ток задаете подходящий под номинал диодов и под нужды вашей схемы. Тем не менее такое решение используется крайне редко. Но такое устройство на диодах лучше назвать ограничителем, а не стабилизатором. И вариант такой же схемы для цепей переменного тока. Так вы ограничите амплитуду переменного сигнала на уровне прямого падения — 0,7В.

Вот мы и разобрались что это такое делитель напряжения и для чего он нужен. Примеров, где применяется любой из вариантов рассмотренных схем можно привести еще больше, даже потенциометр в сущности является делителем с плавной регулировкой коэффициента передачи, и часто используется в паре с постоянным резистором. В любом случае принцип действия, подбора и расчетов элементов остается неизменным.

Напоследок рекомендуем посмотреть видео, на котором более подробно рассматривается, как работает данный элемент и из чего состоит:

Материалы по теме:

Делитель напряжения

 

В этой статье расскажем про делитель напряжения и покажем примеры с решениями.

Для уменьшения значения входного (питающего) напряжения используют делитель напряжения на резисторах. В нём, выходное напряжение Uвых зависит от значения входного (питающего) напряжения Uвх и значения сопротивления резисторов. Делитель напряжения – наиболее часто применяемое соединение резисторов. Например, переменный резистор, используемый в качестве регулятора громкости Ваших компьютерных колонок, является делителем напряжения с изменяемыми сопротивлениями плеч, где он выполняет роль ограничителя амплитуды входного сигнала.

 

Так как, сопротивление нагрузки влияет на выходное напряжение Uвых делителя, для обеспечения точности делителя напряжения, необходимо выполнять правило (2):Значение резистора R2 должно быть приблизительно на два порядка меньше (в 100 раз) сопротивления нагрузки подключаемой к выходу делителя. Если Вам не нужна высокая точность, то эту разницу можно снизить до 10 раз.

Используя закон Ома, и пренебрегая малым током нагрузки, делитель напряжения можно описать соотношением:

(8)

Преобразовывая указанную формулу так, как нам удобно, можно определить:
1. Выходное напряжение Uвых по известным значениям входного напряжения Uвх и сопротивлений резисторов R1, R2 :

(9)

Пример: Необходимо определить выходное напряжение Uвых делителя при известных напряжении источника тока Uвх = 50 В, и значениях R1 = 10 кОм и R2 = 500 Ом.
Решение: По формуле вычисляем Uвых = 50 * 500 / (10000 + 500) = 2,38 В.

2. Входное напряжение делителя Uвх , по известным значениям выходного напряжения Uвых и сопротивлений резисторов R1, R2 :

(10)

Пример: Необходимо определить входное напряжение Uвх делителя при необходимых выходном напряжении Uвых = 4 В, и значениях R1 = 15 кОм и R2 = 3 кОм.
Решение: По формуле вычисляем Uвх = 4 * (15000 + 3000) / 3000 = 24 В.

3. Значение R1 по известным значениям входного напряжения Uвх , выходного напряжения Uвых и сопротивления резистора R2 :

(11)

Пример: С помощью делителя напряжения необходимо получить на нагрузке сопротивлением 50 кОм напряжение Uвых = 10 В от источника напряжением Uвх = 50 В.
Решение: Сопротивление резистора R2 должно быть в 100 раз меньше сопротивления нагрузки 50 кОм (см. правило 2). Выполняем это условие: R2 = 500 Ом.
По формуле вычисляем R1 = 50 * 500 / 10 – 500 = 2000 Ом = 2 кОм
Не забывайте, что сам делитель потребляет ток от источника тока, в соответствии с законом Ома (формула 1): Iдел = Uвх / (R1 + R2) = 50/(2000+500) = 0,02 А (20 мА).
Определим рассеиваемую мощность резисторов по формуле (3):
Для резистора R1 : P = 0,02 * 0,02 * 2000 = 0,8 Вт; по правилу (1) выбираем резистор мощностью P = 2 Вт;
Для резистора R2 : P = 0,02 * 0,02 * 500 = 0,2 Вт; по правилу (1) выбираем резистор мощностью P = 0,5 Вт.

4. Значение R1 и R2 по известным значениям входного напряжения Uвх , выходного напряжения Uвых и входного (общего) сопротивления делителя Rобщ , где Rобщ = R1 + R2 :

(12)

(13)

</div

Пример: Определить значения R1 и R2 делителя напряжения, если их сумма R1+R2 = 1кОм, при входном напряжении источника Uвх = 50 В и напряжении на выходе Uвых = 20 В.
Решение: По формуле (4) вычисляем R2 = 20 * 1000 / 50 = 400 Ом;
По формуле (5) вычисляем R1 = 1000 — 400 = 600 Ом;
Не забывайте, что сам делитель потребляет ток от источника тока, в соответствии с законом Ома (формула 1): Iдел = Uвх / (R1 + R2) = 50/(600+400) = 0,05 А (50 мА).
Определим рассеиваемую мощность резисторов по формуле (3):
Для резистора R1 : P = 0,05 * 0,05 * 600 = 1,5 Вт; по правилу (1) выбираем резистор мощностью P = 2 Вт;
Для резистора R2 : P = 0,05 * 0,05 * 400 = 1 Вт; по правилу (1) выбираем резистор мощностью P = 2 Вт.

 

Напрашивается законный вопрос: Если есть делитель, значит должен быть и коэффициент деления? Конечно! Но он Вам пригодится лишь тогда, когда вы будете иметь дело с другими элементами, например трансформатором, а не резисторами.

В качестве R2 делителя напряжения может применяться сама нагрузка с её внутренним сопротивлением. В таком случае, R2 указанное в формуле, приравняйте к сопротивлению нагрузки Rн, и используйте те же формулы, которые применимы к двум независимым резисторам. Тогда, правило (2) не используется.

В следующей статье рассмотрим делитель тока.

Согласование логических уровней 5В и 3.3В устройств

Всякое решение плодит новые проблемы.
Следствие к закону Мерфи

В настоящий момент все больше и больше производителей микросхем осуществляют перевод их на питание от 1.8В до 3.3В. В связи с этим возникает задача согласования логических уровней устройств с различными питающими напряжениями. Наиболее часто производится подключение 3.3В устройств к 5В устройствам. Методы согласования для этого случая и рассмотрим в данной статье. Однако общие принципы приведенных методов справедливы и для согласования устройств с другими питающими напряжениями при соответствующей адаптации.

Не все методы согласования могут использоваться во всех ситуациях, поэтому необходимо разобраться в механизмах работы каждого из них. Не важно какие устройства соединяются между собой, важно направление сигнала. Направление определяет необходимость применения защиты. Например, при подключении выхода устройства с 5В питанием ко входу устройства с 3.3В питанием необходимо предусмотреть защиту по входу для второго устройства. Однако выход 3.3В устройства можно напрямую подключить ко входу 5В устройства и при этом есть вероятность, что второму устройству для нормальной работы будет достаточно уровня сигналов первого, так как они находятся в допустимых пределах. Для выхода с открытым коллектором (стоком) необходимо не забывать предусматривать подтягивающий резистор.
Существуют также устройства с питанием 3.3В, которые могут напрямую подключаться к 5В устройствам. У данных устройств в описании входных интерфейсов присутствует параметр «5V Tolerant Input», т.е. возможно прямое подключение к 5В выходу.
Если не указано иное, то при описании способов согласования уровней предполагается, что 5В и 3.3В устройства имеют общую «землю». Для упрощения при моделировании за логический «0» будем принимать нулевой уровень напряжения, за логическую «1» будем принимать +5В. Стрелочками будем указывать направление тока в цепи.

Последовательно включенный резистор

Наиболее простой схемой согласования уровней является использование последовательно включенного резистора, однако необходимо помнить, что не все устройства можно подключить с использованием данной схемы. Схема является двухсторонней.


Эта схема требует наличия встроенной защиты входных портов от перенапряжения на стороне 3.3В устройства. Защита представляет собой два диода, включенных по схеме ограничения уровня (clamping diodes). Эти диоды довольно надежны, но они не предназначены для длительного пропускания больших токов, поэтому и используется ограничительный резистор. Он ограничивает ток, протекающий через диоды тем самым предотвращая их повреждение. Желательно чтобы этот ток был как можно меньше (микроамперы). При больших токах возможно повреждение диодов и, кроме того, микросхема может «защелкнуться» — выражается в быстром, сильном разогреве корпуса последней.
Номинал резистора R1 зависит от максимально возможного тока через диод D1. 10 кОм резистор будет безопасным для большинства устройств. Необходимо помнить, что большой номинал резистора будет ограничивать максимально возможную скорость передачи сигнала. Для высокоскоростных сигналов необходимо уменьшать резистор, но для большинства устройств его значение должно быть не менее 1 кОм.
Если 3.3В устройство не содержит защитных диодов по входу, то использовать данную схему сопряжения нельзя — это может привести к выходу устройства из строя.
Если известен максимально допустимый ток защитных диодов, то можно рассчитать минимальное сопротивление резистора. Например, для микросхем Propeller максимальный ток защитных диодов составляет +-500 мкА:
R = U/I = (5 — 3.3 — 0.6)/500E-6 = 2.2 кОм
где 0.6В — падение напряжения на защитном диоде.
Для безопасности выбираем резистор с большим номиналом из стандартного ряда — 2.7 кОм.
В случае отсутствия защитных диодов можно использовать один внешний диод:

Но более разумно в этом случае подумать о возможности использования других схем сопряжения.

Достоинством схемы с последовательным резистором является ее простота. Существенным недостатком является инжекция дополнительного тока в источник питания 3.3В. При мощном 5В выходе и маломощном источнике питания 3.3В эта инжекция тока может привести к флуктуациям трехвольтового питания вокруг 3.3В.

Делитель напряжения

Данная схема используется для согласования уровней 5В выхода с 3.3В входом. Наиболее часто встречаемая у радиолюбителей схема. Схема является односторонней.

Для приведения уровня используется обычный делитель напряжения — резисторы R1 и R2. Как правило, выходное сопротивление RS очень мало (менее 10 Ом), поэтому для того, чтобы его влиянием на резистор R1 можно было пренебречь необходимо выбирать резистор R1 много больше RS. На приемной стороне значение резистора RL очень велико (более 500 кОм), поэтому для того, чтобы его влиянием на резистор R2 можно было пренебречь необходимо выбирать резистор R2 много меньше RL.
При выборе номиналов резисторов необходимо учитывать компромисс между рассеиваемой мощностью и временем нарастания/спада сигнала. Для минимального потребления суммарное сопротивление резисторов R1 и R2 должно быть как можно больше. Однако, емкость нагрузки, состоящая из паразитной емкости CS и входной емкости 3.3 В устройства CL, может сильно повлиять на время нарастания/спада входного сигнала. При слишком больших R1 и R2 время нарастания/спада может выйти за допустимые пределы.
Пренебрегая значением RS и RL получим формулы для расчета значений R1 и R2:

Vout / (R1 + R2) = Vin / R2, следовательно, R1 = (Vout — Vin) * R2 / Vin = (5 — 3.3) * R2 / 3.3 = 0.515 * R2

Формула для вычисления времени нарастания/спада сигнала имеет вид:

где
R = 0.66 * R1 — эквивалентное сопротивление,
С = СS + CL — эквивалентная емкость,
Vi = начальное напряжение на конденсаторе C,
Vf = конечное напряжение на конденсаторе С,
Va = напряжение эквивалентного источника напряжения (0.66 * Vout).
Из этой формулы получаем выражение для эквивалентного сопротивления:

В качестве примера произведем расчет резисторов делителя при следующих условиях:
CS = 1 пФ,
CL = 5 пФ,
Максимальное время нарастания напряжения от 0.3В до 3В <= 1 мкс.

Получаем максимальное эквивалентное сопротивление:

R = -[1E-6/(6E-12*ln((3-0.66*5)/(0.3 — 0.66*5))] = 72382 Ом.

Находим значения резисторов R1 и R2:

R1 = R/0.66 = 72382/0.66 = 109.7 кОм,
R2 = R1 / 0.515 = 110 / 0.515 = 213 кОм.

Из стандартного ряда выбираем: R1 = 110 кОм (ближайший больший номинал), R2 = 200 кОм (ближайший меньший номинал).

Достоинством схемы также является простота. Недостаток — дополнительное потребление тока делителем (поэтому в не активном состоянии оптимальным, если
это возможно, будет установить 5В выход в «0» — ток потребления будет минимальным).

Диодный интерфейс

Также как и предыдущий вариант данная схема используется для согласования уровней 5В выхода с 3.3В входом. Схема является односторонней.

Использование диода для изоляции 5В устройства от 3.3В устройства является экономичным и безопасным методом и не требует наличия защитных диодов со стороны 3.3В устройства. При наличии на выходе Vout логической «1» на входе Vin будет примерно 3.3В, при наличии на выходе логического «0» на входе Vin будет напряжение, соответствующее прямому падению напряжения на диоде D1. Поэтому для данной схемы желательно применять диоды Шоттки, так как они имеют низкое прямое падение напряжения (около 0.2В).
Подтягивающий резистор R1 необходим для подачи на вход 3.3В устройства логической «1», так как 5В устройство не может передать этот сигнал из-за наличия диода. Номинал данного резистора обычно выбирается равным 10 кОм, при этом, при указанных на схеме значениях емкостей, время нарастания сигнала от 0.2В (прямое падение напряжения на диоде) до 2.3В (минимальное напряжение логической «1» для 3.3В устройства) составит примерно 68 нс, что вполне достаточно для большинства приложений.

Достоинством схемы является ее простота и надежность работы. Недостатком можно считать желательное применения диодов Шоттки, хотя и при применении обычных диодов схема сохраняет работоспособность (напряжение «0» будет составлять примерно 0.7В, что меньше максимального значения уровня напряжения для 3.3В устройств, равного 1В).

Интерфейс на транзисторе

Также как и предыдущий вариант данная схема используется для согласования уровней 5В выхода с 3.3В входом. Схема является односторонней.

Преобразование уровня производится с помощью NPN транзистора. Сигнал инвертируется, в устройствах на микроконтроллерах это легко учесть простым инвертированием управляющего сигнала. Каких либо преимуществ перед предыдущей схемой не имеет.
Возможно также применение n-канального полевого транзистора:

Резистор R2 необходим для надежного запирания транзистора при плавающем уровне на затворе, например, при старте системы. В данной схеме необходимо использовать транзисторы с малым пороговым напряжением затвора. Идеальным будет использование так называемых «цифровых» транзисторов. Обратите
внимание, что для сохранения времени нарастания сигнала необходимо уменьшить номинал подтягивающего резистора R5 до 4.7 кОм.

Достоинства данной схемы по сравнению с предыдущей отсутствуют. Недостатком является увеличенная стоимость и сложность. Более разумно использовать MOSFET транзистор в другом включении, которое рассмотрим ниже.

Интерфейс с оптической изоляцией

В условиях повышенных электромагнитных помех или, например, при разработке медицинских устройств, необходимо гальванически изолировать устройство с 5В питанием от устройства с питанием 3.3В. Сделать это можно применив транзисторную оптопару. Схема является односторонней.

При включении светодиода по схеме представленной на рисунке схема не инвертирует сигнал. Если катод подключить к земляному проводу, а анод подключить к Vout, то схема будет инвертировать сигнал. Номиналы резисторов R2 и R3 выбираются в зависимости от применяемой оптопары.

Достоинством данной схемы является гальваническая развязка устройств, что предотвращает взаимовлияние устройств, улучшает шумовые характеристики системы. Оптическая изоляция позволяет подключать микроконтроллер к устройствам со значительно большим напряжением питания, таким как 12В в автомобильных устройствах и 24В в промышленных устройствах. Недостатком схемы является повышенная стоимость и ограничение по скорости нарастания/спада сигнала, вызванное инерционностью оптопар.

Интерфейс с последовательно включенным MOSFET транзистором

Немного изменив подключение MOSFET транзистора мы можем получить двунаправленную схему согласования уровней идеально подходящую для применения в шинных системах с открытым коллектором (стоком) таких как 1-Wire, I2C. Принцип работы преобразователя проще всего описать в виде трех состояний.

Состояние 1.

В исходном состоянии ни одно из устройств не подтягивает линию связи к «0», на стороне 3.3В устройства линия подтянута к «1» резистором R1, на стороне 5В устройства линия подтянута к «1» резистором R2. Затвор и исток транзистора имеют одинаковый потенциал 3.3В, транзистор закрыт. Таким образом, на входе обоих устройств присутствует логическая «1», для каждого со своим уровнем напряжения.

Состояние 2.

3.3В устройство устанавливает на своем выходе «0». Исток транзистора принимает низкий
потенциал, в то время как на затворе остается 3.3В. Транзистор открывается, вход 5В устройства подтягивается к низкому уровню через открытый транзистор, на входе 5В устройства устанавливается логический «0».

Состояние 3.

5В устройство устанавливает на своем выходе «0». Через диодный переход исток-подложка транзистора напряжение на истоке снижается до тех пор, пока напряжение на затворе не перейдет пороговый уровень, затем транзистор открывается и вход 3.3В устройства подтягивается к «0» открывшимся транзистором.

Рассмотренные состояния свидетельствуют, что логические уровни передаются в обоих направлениях.
Приведем требования к наиболее важным характеристикам транзисторов, используемых в качестве преобразователей уровней для работы с I2C:

Тип: ————————————N-канальный МОП-транзистор с режимом обогащения
Пороговое напряжение затвора:——Vgs(th) не менее 0.1В, не более 2В
Сопротивление открытого канала:—Rds(on) не более 100 Ом при токе стока Id= 3 мА, Vgs= 2.5В
Входная емкость:———————-Ciss не более 100 пФ при Vds= 1В, Vgs = 0В
Время переключения:——————ton toff не более 50 нс
Допустимый ток стока:—————Id 10 мА или более

Номиналы подтягивающих резисторов зависят от наихудших уровней напряжения питания и логических уровней, протяженности линии связи, а также от требований к времени нарастания/спада сигнала.

Данная схема согласования уровней может также использоваться для обеспечения защиты схемы от выбросов повышенного напряжения, но при условии, что характеристики используемого транзистора позволят работать с данными выбросами. Каскад пониженного напряжения является защищенной частью, а каскад повышенного напряжения должен подключаться к внешнему устройству. Если преобразование уровней не требуется, то на резистор R2 можно подать то же напряжение, что и на каскад пониженного напряжения.
Дополнительной особенностью данной схемы является изоляция каскада пониженного напряжения при снятии с него напряжения питания. В данном случае напряжение питания этой части схемы близко к нулю и транзистор закрыт так как напряжение на затворе меньше порогового значения. Работа каскада повышенного напряжения не блокируется, он сохраняет полную работоспособность. Для гарантии запаса помехоустойчивости напряжение питания каскада должно упасть ниже минимального порогового напряжения на затворе транзистора. Функция изоляции сохраняет работоспособность даже если преобразование уровня не требуется, т. е. одинакового напряжения питания обоих частей схемы.
В случае необходимости применения одновременной изоляции и каскада с повышенным напряжением схему преобразователя уровней необходимо изменить:

Если отключится напряжение питания 5В части схемы, то закроется транзистор Q3, тем самым изолировав эту часть схемы от 3.3В части. Наличие резистора R7 (можно использовать резистор с высоким сопротивлением) не является обязательным, он может использоваться для предотвращения плавания потенциала на стоках транзисторов при установлении высоко уровня. Данная схема согласования является симметричной, поэтому в качестве каскада пониженного или повышенного напряжения может использоваться как левая, так и правая часть схемы.

MOSFET транзистор можно заменить биполярным NPN транзистором:

Исходное состояние. На входах обоих устройств — «1».

3.3В устройство устанавливает на своем выходе «0». Эмиттер транзистора принимает низкий потенциал, напряжение база-эмиттер превышает пороговое, транзистор открывается, вход 5В устройства подтягивается к «0».

5В устройство устанавливает на своем выходе «0». Транзистор оказывается включенным в инверсном режиме, напряжение база-эмиттер превышает пороговое, транзистор открывается, вход 3.3В устройства подтягивается к «0».

Достоинствами схемы является двунаправленность, защита от выбросов напряжения, изоляция частей схемы при отключении питания, возможность использования в шинных системах, таких как I2С и 1-Wire. Недостатком, пожалуй, можно считать некоторую усложненность схемы, но достоинства полностью перекрывают этот недостаток.

Интерфейс на буферных элементах

Буферные микросхемы обычно используются для буферизации тока на сигнальных шинах. Однако, они также могут использоваться для организации преобразования уровней. Для этого необходимо использовать специальное семейство буферов — LVC (Low Voltage CMOS). Это семейство разработано для применения в 3.3В устройствах и имеет толерантные к 5 В входы.
Для наших целей можно использовать, например, микросхему 74LVC244A, которая представляет собой 8 буферов, сгруппированных в две группы по 4 элемента:

74LVC244A обеспечивает неинвертирующий
буфер с 3.3В выходами, который может принимать по входу как 3.3В, так и 5В сигналы. Выходы микросхемы могут обеспечивать ток до 50 мА, питание микросхемы может быть от 1.65В до 3.6В, что позволяет использовать ее для 1.8В устройств.
Схема включения:

Для уменьшения шумов и потребляемой мощности все неиспользуемые входы необходимо подключить к общему проводу. Подав на управляющий вход /OE логическую «1» можно перевести все выходы в группе в Z состояние, тем самым изолировав 3.3В устройство от 5В устройства.

Достоинствами данной схемы являются простота реализации, надежность работы и доступность компонентов. Недостатком можно считать однонаправленность.

Интерфейс с использованием специализированной микросхемы транслятора уровней

Ну и, наконец, согласование уровней можно провести с помощью специализированных микросхем трансляторов уровней, которые специально разработаны для решения проблем согласования уровней. Например, микросхема TXB0108PWR представляет собой не инвертирующий, двунаправленный восьми портовый преобразователь уровней с индивидуальными напряжениями питания Vcca и Vccb. Порт A может работать в диапазоне 1.2В…3.6В, порт B в диапазоне 1.65В…5.5В. Однако напряжение питания порта A обязательно должно быть меньше либо равно напряжения питания порта B. Одна из возможных схем включения:

В данной схеме 3.3В устройство является контролером преобразователя уровней — подачей на вход OE логической «1» разрешает работу преобразователя. Если данная функция не требуется, то следует подтянуть вход OE к плюсу питания. Устройства, подобные TXB0108PWR реализуют также и защитные функции такие как отключение выходов при пропадании любого из питающих напряжений (z состояние). Для уменьшения времени нарастания/спада импульсов TXB0108PWR содержит также детекторы фронтов импульсов, которые принудительно открывают выходные драйверы.
Как и все специфические устройства, TXB0108PWR требует для своей корректной работы специфических условий (ничто в мире не бывает бесплатным, даже сыр в мышеловке — он достается бесплатно только второй мышке). Например, TXB0108PWR требует, чтобы выходные каскады, подключенные к ней, могли обеспечивать протекание тока силой как минимум +-2 мА. Также емкостная нагрузка не должна превышать 70 пФ. Резистивная нагрузка должна быть больше 50 кОм, что делает не возможным использование данной микросхемы для преобразования уровней в I2C и 1-Wire, а точнее в любых конструкциях с открытым коллектором/стоком. Для этих целей можно использовать специализированные микросхемы, например, серии TXS01xx фирмы «TEXAS INSTRUMENTS» или аналогичные.

Достоинствами данной схемы являются простота реализации и хорошие скоростные параметры. Недостатками можно считать немного увеличенную стоимость и малую доступность данных преобразователей на рынке.

Пример согласования уровней

В качестве реального примера согласования уровней рассмотрим схему подключения широко используемого LCD индикатора от сотового телефона NOKIA3310 к микроконтроллеру с 5В питанием:

Резисторы R8-R11, совместно с диодами D7-D10 образуют преобразователь уровней 5В в 3.3В. Транзистор Q2 с резистором R12 предназначены для отключения питания от индикатора, а также для обеспечения появления сигнала сброса RES в течение 100 мс после появления питания на LCD, как того требует Datasheet на контроллер индикатора. Конденсатор C15 — развязывающий.

Благодарности

Выражаю большую благодарность Chris Savage за его статью и любезное разрешение на использование ее материалов для создания данной статьи.

Использованные материалы

1. Chris Savage, «Mixed Voltage Systems. Interfacing 5V and 3.3V Devices», журнал «Nuts and Volts» №4 2011 г.
   
2. Microchip, «Compiled Tips ‘N Tricks Guide» Chapter 8 «3V Tips ‘n Tricks»
   
3. Philips, AN97055 APPLICATION NOTE, «Bi-directional level shifter for I2C-bus and other systems&quot
4. Л. Н. Бочаров «Инверсное включение транзистора», МРБ № 887, 1975 г.
5. Texas Instruments,SN74LVC244A, Datasheet
6. Texas Instruments,TXB0108PWR, Datasheet