====== Делитель напряжения: схема и расчёт ======

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

{{ :схемотехника:voltage-divider-1.png?nolink& |}}

В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе
//V<sub>out</sub>//? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?

Ток, протекающий через //R1// и //R2// одинаков пока
к выходу //V<sub>out</sub>// ничего не подключено. А суммарное сопротивление 
пары резисторов при последовательном соединении:

<latex>$$ R_t = R_1 + R_2 = 900 \unit{Ом}$$</latex>

Таким образом, сила тока протекающая через резисторы

<latex>$$ I = \frac{U}{R_t} = \frac{9\unit{В}}{900\unit{Ом}} = 0.01\unit{А} = 10\unit{мА}$$</latex>

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

<latex>$$ V_{out} = I \cdot R_2 = 0.01\unit{А} \cdot 500\unit{Ом} = 5\unit{В}$$</latex>

Или если отавить формулу в общем виде:

<latex>$$ V_{out} = V_{in} \frac{R_2}{R_1 + R_2} $$</latex>

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<sub>out</sub>// 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<sub>out</sub>//.

===== Подключение нагрузки =====

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

{{ :схемотехника:voltage-divider-2.png?nolink& |}}

В этом случае //V<sub>out</sub>// уже не может быть расчитано лишь на основе значений //V<sub>in</sub>//,
//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

<latex>$$ R_L = \frac{U}{I} = \frac{5\unit{В}}{0.01\unit{А}} = 500\unit{Ом} $$</latex>

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

<latex>$$ R_{2L} = \frac1{\frac1{R_2} + \frac1{R_L}} = 250\unit{Ом}$$</latex>

Подставив значение в общую формулу расчёта //V<sub>out</sub>//, получим:

<latex>$$ V_L = V_{in} \frac{R_{2L}}{R_1 + R_{2L}} = 9\unit{В}\cdot \frac{250\unit{Ом}}{400\unit{Ом} + 250\unit{Ом}} = 3.46\unit{В}$$</latex>

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.

{{ :схемотехника:voltage-divider-3.png?nolink& |}}

Пропорция сохраняется, //V<sub>out</sub>// не меняется:

<latex>$$ V_{out} = 9\unit{В} \cdot \frac{50\unit{Ом}}{40\unit{Ом} + 50\unit{Ом}} = 5\unit{В} $$</latex>

А потери уменьшатся:

<latex>$$ R_{2L} = \frac1{\frac1{R2} + \frac1{R_L}} = 45.45\unit{Ом}$$</latex>

<latex>$$ V_L = V_{in} \frac{R_{2L}}{R_1 + R_{2L}} = 9\unit{В} \cdot \frac{45.45\unit{Ом}}{40\unit{Ом} + 45.45\unit{Ом}} = 4.79\unit{В} $$</latex>

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:

<latex>$$ P = \frac{V_{in}^2}{R_1} = \frac{9\unit{В} \cdot 9\unit{В}}{40\unit{Ом}} \approx 2\unit{Вт} $$</latex>

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 [[схемотехника:транзисторы|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<sub>out</sub>// также будет неравномерным.