Spændingsdeler - delkredsløbet en hver hobbyist skal kende til!

Når man som elektronik hobbytist kaster dig ud i projekter med sensorer og forskellige mikrokontroller platforme, kan man støde på at operations spændingerne mellem komponenterne ikke altid er ens. Måske kører en Raspberry Pi på 3.3V og sensoren kører på 5V. Her kommer spændingsdeleren ind i billedet. Det er redningsmanden som kan skabe en bro mellem komponenter og mikrocontrollere.

En spændingsdeler er ofte et delkredsløb i et større kredsløb, hvor man bruger to eller flere modstande til at såkaldt dele i lige mange mindre spændinger. Nedenstående billede viser at der er to modstande i serie. Ved at variere værdierne på modstandene R1 og R2 kan vi bestemme spændingen der kan måles på V1 og V2. Alt efter R1 og R2 værdierne kan disse to spændinger være lige store eller langt fra hinanden.

 

UDLEDNING AF FORMEL

Af nedenstående ses en udledning af formlen som anvendes til at beregne komponent værdierne for R1 og R2, så den ønskede outputspænding opnås.

Først opskrives KVL, med antagelse at der ingen strøm løber til Vout:

Nu isoleres i:

Hvis vi laver KVL for Vout, kigger kun på output:

Spændingsdeler formel

Det er nu muligt at opskrive spændingsdeler formlen, som kan anvendes til at beregne den ukendte værdi. Længere nede vil der også være links, til udregner på internettet. 

Anvendelser

Sensor målinger

Sensorers analoge eller digitale udgange kan have et højere spændingsniveau end den modtagende indgang tåler. Hvis du bruger din mikrokontroller med en ekstern ADC med et tilladt måleområde på 0–5V, og sensoren giver 0–10V, skal signalet tilpasses før tilslutning. Overspænding kan beskadige indgangen; den bliver ikke blot vist som 5V. En almindelig Raspberry Pi har ikke en indbygget ADC og kræver en ekstern ADC til analoge målinger.

Nedenstående eksempel viser reduktion fra 5V til 3.3V. På en almindelig Raspberry Pi kan et passende tilpasset digitalt signal læses via GPIO; analoge sensorsignaler kræver en ekstern ADC. Kontrollér altid indgangens tilladte spænding og belastningen på spændingsdeleren.

Højspændings måling

En spændingsdeler kan også nedskalere en meget høj spænding, så det er muligt at måle spændingen på et voltmeter. Ofte findes der prober(dem man måler med) med indbygget spændingsdeler.

Logic level shift

En spændingsdeler kan under passende betingelser bruges til ensrettet reduktion af et logikniveau, eksempelvis fra 5V til 3.3V. Den er ikke en generel tovejs-niveauomformer. Belastning, indgangsimpedans og signalets båndbredde eller flanker skal vurderes. Lidt som nævnt i ovenstående afsnit med sensormålinger. Et meget klassisk eksempel vil være at få et system der kører 5V til at snakke sammen med et der operer på 3.3V. Det kan eksempelvis være over UART eller SPI  Ofter når man kobler Arduino og Raspberry Pi sammen skal der bruges en logic level shifter. En simpel spændingsdeler kan kun anvendes i retningen fra højere til lavere spænding, når belastning og signalhastighed tillader det. Hvis vi har en 1000 ohm liggende i skuffen kan vi let regne den anden. Vi antager at de 1000 ohm er R2. 

 

Nyttige udregnerer

Nedenstående link, er en simpel udregner for du kan skrive værdier ind og derefter regne dem du mangler at finde.

Kalkulator for spændingsdeler | DigiKey

Er tilbydes også en udregner for flere modstande i serie i din spændingsdeler. Her udregner den så spændingen der vil være mellem hver modstand løbende.

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