Калькулятор делителя напряжения под нагрузкой и с допусками

Подключите нагрузку к резистивному делителю и посмотрите, как проседает выходное напряжение: калькулятор считает делитель через эквивалент Тевенина, показывает разброс допусков резисторов и подбирает пару номиналов из ряда E24.

Делитель

Резистивный делитель: Vin — вход, R1 — верхнее плечо, R2 — нижнее плечо. Нагрузка RL включается параллельно R2. Допуск задаёт разброс обоих плеч.

В
Ом
Ом
Ом

Допуск резисторов: ±5 %

Vin не меньше нуля, R1 и R2 строго больше нуля, RL больше нуля при подключённой нагрузке. Допуск от 0 до 20 %. Пустое поле — ошибка, а не ноль.

Результат

—В

—

Без нагрузки
—
Тевенин Vth
—
Тевенин Rth
—
Просадка от нагрузки
—
Ток делителя Id
—
Ток нагрузки IL
—
Мощность P1
—
Мощность P2
—

Разброс допусков

Четыре крайних сочетания допуска плеч. Нагрузка считается точной, отклоняются только R1 и R2. Столбец «с нагрузкой» пуст, если нагрузка снята.

Выход делителя при крайних сочетаниях допуска
СочетаниеБез нагрузкиС нагрузкой

—

Размах с нагрузкой
—
Отклонения от номинала
—
Без нагрузки min … max
—

Подбор E24

Целевое выходное напряжение без нагрузки. Из ряда E24 от 100 Ом до 1 МОм выбирается пара R1, R2 с наименьшей ошибкой; при равной ошибке предпочитается ток делителя у 100 мкА.

В

Кнопка активна при корректном Vin и цели. Ток делителя показывается в микроамперах.

Верхнее плечо R1
—
Нижнее плечо R2
—
Фактическое Vout
—
Ошибка
—
Ток делителя Id
—

Нагрузка и просадка

Ползунок меняет RL по логарифмической шкале от 100 Ом до 1 МОм и связан с полем выше. График и число берутся из одной модели: Vout падает, когда RL становится сравним с Rth.

10 кОм
Зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки Ось X логарифмическая от 100 Ом до 1 МОм, ось Y — выходное напряжение. Точка отмечает текущую нагрузку.

—

Как считается Тевенин, просадка, допуски и ряд E24

Без нагрузки делитель даёт Vout = Vin · R2 / (R1 + R2). Сопротивление нагрузки включено параллельно нижнему плечу, поэтому удобно перейти к эквиваленту Тевенина: Vth = Vin · R2 / (R1 + R2), Rth = R1 · R2 / (R1 + R2), а затем Vout_нагр = Vth · RL / (Rth + RL).

Просадка ΔV = Vout − Vout_нагр, её относительная величина err = ΔV / Vout в процентах. Ток делителя Id = Vin / (R1 + R2), ток нагрузки IL = Vout_нагр / RL, мощности P1 = Id² · R1 и P2 = Id² · R2.

Допуск t перебирает четыре сочетания R1·(1±t) и R2·(1±t) и для каждого считает выход без нагрузки и с нагрузкой. Размах — разность максимума и минимума с нагрузкой, отклонения даны от номинала.

Подбор E24 идёт по мантиссам 1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1, умноженным на 10 в степени. Просадка становится меньше 1 % при RL > 99 · Rth.

Что считает калькулятор

Делитель напряжения — это два резистора последовательно: R1 от входа к выходу и R2 от выхода к земле. Выходное напряжение равно той доле входного, которую задаёт отношение плеч. Пока к выходу ничего не подключено, расчёт короткий. Стоит подключить нагрузку — и часть тока уходит в неё, нижнее плечо начинает вести себя как параллельное соединение R2 и сопротивления нагрузки, а выход проседает.

Калькулятор считает оба случая сразу: показывает напряжение без нагрузки и с ней, просадку в вольтах и процентах, разброс из-за допусков резисторов и подбор пары номиналов из ряда E24 под нужное напряжение.

Как заполнить поля

Vin — входное напряжение в вольтах. R1 и R2 — сопротивления плеч в омах: R1 стоит между входом и выходом, R2 — между выходом и землёй. Переключатель «Подключить нагрузку» добавляет третье сопротивление RL, включённое параллельно R2. Допуск задаётся кнопками 1, 2, 5 или 10 % и относится к обоим резисторам сразу.

Поле целевого напряжения в панели подбора — то, что вы хотите получить на выходе. Кнопка «Подобрать» выбирает ближайшую пару номиналов из ряда E24.

Как получается результат

Без нагрузки выход считается прямо через отношение плеч:

Vout = Vin · R2 / (R1 + R2)

С нагрузкой удобнее перейти к эквиваленту Тевенина: тот же делитель заменяется источником Vth с последовательным сопротивлением Rth.

Vth = Vin · R2 / (R1 + R2), Rth = R1 · R2 / (R1 + R2)

Нагрузка RL включается уже к этому источнику, поэтому

Vout_нагр = Vth · RL / (Rth + RL)

Просадка — разница между напряжениями без нагрузки и с нагрузкой, ΔV = Vout − Vout_нагр. Ток делителя Id = Vin/(R1+R2) течёт через плечи постоянно, ток нагрузки IL = Vout_нагр/RL — только через RL. Мощности считаются по напряжению на каждом плече: P1 = (Vin − Vout)²/R1 и P2 = Vout²/R2, где Vout берётся с нагрузкой, если она подключена. Под нагрузкой через R1 идёт и ток R2, и ток RL, поэтому формула Id²·R верна только для делителя без нагрузки.

Допуски берутся по крайним сочетаниям. Считаются четыре комбинации R1·(1±t) и R2·(1±t), для каждой — выход с нагрузкой и без неё; из них берутся минимум, максимум и размах. Это не статистика, а границы: реальный резистор окажется где-то внутри.

Подбор E24 перебирает пары номиналов от 100 Ом до 1 МОм и выбирает ту, у которой выходное напряжение ближе всего к цели. При близких ошибках предпочтение получает пара с током делителя около 100 мкА, чтобы делитель не грелся и не сажал источник.

Пример, который можно повторить

Вход 12 В, R1 = 10 кОм, R2 = 4,7 кОм, нагрузка 10 кОм, допуск 5 %. Без нагрузки выход равен 3,836735 В. Эквивалент Тевенина даёт Vth = 3,836735 В и Rth = 3 197,28 Ом, а с нагрузкой выход равен 2,907216 В. Просадка составляет 0,929519 В, то есть 24,23 %. Ток делителя без нагрузки 816,33 мкА, ток нагрузки 290,72 мкА. С подключённой нагрузкой на R1 рассеивается 8,268 мВт, на R2 1,798 мВт; без нагрузки было бы 6,664 и 3,132 мВт.

С допуском 5 % выход с нагрузкой лежит в границах от 2,726267 В до 3,096754 В — это 370,49 мВ размаха. Для цели 3,3 В при входе 12 В подбор даёт R1 = 24 кОм и R2 = 9,1 кОм: 3,29909 В, ошибка 0,91 мВ, ток делителя 362,5 мкА.

Где модель не работает

Расчёт предполагает линейные резисторы и идеальный источник Vin — его внутреннее сопротивление не учтено. Нагрузка тоже считается чисто резистивной: реальная схема может иметь ёмкостный или индуктивный характер, и тогда к делителю добавятся частотные эффекты. Температурные коэффициенты резисторов и самонагрев не учитываются, а допуск берётся один на оба плеча. У высокоомных делителей (сотни килоом и больше) начинает сказываться входное сопротивление измерительного прибора, и такой делитель чувствителен к наводкам. Подбор E24 сделан только по постоянному току: если нужна точная пропорция, ставят резисторную сборку или буферный усилитель.