Spänningsdelare - delkretsen varje hobbyutövare bör känna till!

När du som elektronikintresserad börjar med projekt med sensorer och olika mikrokontrollerplattformar kan du upptäcka att komponenterna inte alltid har samma arbetsspänningar. Kanske arbetar en Raspberry Pi med 3.3V medan sensorn använder 5V. Här kommer spänningsdelaren in i bilden. Den kan bygga en bro mellan komponenter och mikrokontroller.

En spänningsdelare är ofta en delkrets i en större krets där två eller flera resistorer används för att dela upp en spänning i motsvarande antal mindre spänningar. Bilden nedan visar två resistorer i serie. Genom att variera värdena på resistorerna R1 och R2 kan vi bestämma spänningarna som mäts vid V1 och V2. Beroende på värdena på R1 och R2 kan dessa två spänningar vara lika stora eller mycket olika.

 

HÄRLEDNING AV FORMELN

Nedan härleds formeln som används för att beräkna komponentvärdena för R1 och R2 så att önskad utspänning erhålls.

Först skriver vi upp KVL, med antagandet att ingen ström går till Vout:

Nu löser vi ut i:

Om vi använder KVL för Vout tittar vi bara på utgången:

Spänningsdelarformeln

Nu kan vi skriva spänningsdelarformeln och använda den för att beräkna det okända värdet. Längre ned finns också länkar till räknare på nätet. 

Användningsområden

Sensormätningar

Sensorers analoga eller digitala utgångar kan ha en högre spänning än den mottagande ingången tål. Om du använder din mikrokontroller med en extern ADC med ett tillåtet mätområde på 0–5V, och sensorn ger 0–10V, måste signalen anpassas före anslutning. Överspänning kan skada ingången; den visas inte bara som 5V. En vanlig Raspberry Pi har ingen inbyggd ADC och kräver en extern ADC för analoga mätningar.

Exemplet nedan visar en minskning från 5V till 3.3V. På en vanlig Raspberry Pi kan en lämpligt anpassad digital signal läsas via GPIO; analoga sensorsignaler kräver en extern ADC. Kontrollera alltid den tillåtna inspänningen och belastningen på spänningsdelaren.

Högspänningsmätning

En spänningsdelare kan också skala ned en mycket hög spänning så att den kan mätas med en voltmeter. Mätprober har ofta en inbyggd spänningsdelare.

Logiknivåomvandling

Under lämpliga förhållanden kan en spänningsdelare användas för enkelriktad sänkning av en logiknivå, exempelvis från 5V till 3.3V. Den är inte en allmän dubbelriktad nivåomvandlare. Belastning, ingångsimpedans och signalens bandbredd eller flanker måste bedömas. Detta liknar sensormätningarna ovan. Ett klassiskt exempel är att låta ett 5V-system kommunicera med ett 3.3V-system, exempelvis via UART eller SPI  När Arduino och Raspberry Pi ansluts behövs ofta en logiknivåomvandlare. En enkel spänningsdelare kan bara användas i riktningen från högre till lägre spänning när belastning och signalhastighet tillåter det. Om vi har en resistor på 1000 ohm i lådan kan vi enkelt räkna ut den andra. Vi antar att resistorn på 1000 ohm är R2. 

 

Användbara räknare

Länken nedan går till en enkel räknare där du kan ange kända värden och beräkna dem du behöver hitta.

Spänningsdelarräknare | DigiKey

Det finns också en räknare för flera resistorer i serie i spänningsdelaren. Den beräknar spänningen mellan varje resistor i tur och ordning.

Voltage Divider Calculator - Electrical Engineering & Electronics Tools (allaboutcircuits.com)