作者: Lashley Wang
关键词: 电路设计
敲黑板
- 什么是分压器？
- 分压器的基本公式是什么？
- 设计分压器时最常见的错误是什么？
- 为什么高阻值分压器更容易出现电压跌落？
- 如何避免负载效应带来的误差？
分压器由两个串联的电阻组成，用于将输入电压降低设定的量。这是欧姆定律的一个应用。本文推导了分压器公式，并最后演示了电路负载的危害。
- 输出电压由电阻比值决定，而非电阻值本身。
- 每个分压器都会受到下一级电路或您的测量仪表的负载影响。
- 高阻值电阻的分压器比低阻值电阻的分压器电压下降更明显。然而，低阻值电阻难以驱动且效率低下。
什么是分压器？
分压器是一个由两个电阻组成的串联电路：
- 图1展示了标准形式，输入在上方，输出取自R1和R2的连接点。
- 对于电阻分压器，输出电压总是小于输入电压。
- 输出电压由电阻的比值决定，而非其绝对数值。
技术提示 ：图1所示的电路在输出信号上未连接负载。任何连接到输出的负载都会干扰电路，导致输出电压低于预期值。
快速解决方案
DigiKey的在线计算器（图2）提供了一种快速求解分压器方程的方法。还有一个选项卡（未显示）适用于分压器带负载运行的情况。
分压器是一种捷径，允许我们使用单一方程来求解系统。如果深入探究，我们会发现两个底层方程已被合并。
电路中流动的电流定义为：
电阻R2两端的电压定义为：
如果合并这些方程，我们会发现：
最后一步，我们重新排列方程，得到熟悉（标准）形式的分压公式：
这种形式更受青睐，因为它清晰地表明输出电压与电阻比值成正比：
分压器是一个包含4个变量的系统。给定任意三个变量，我们可以计算出第四个，如下列四个方程所示。作为实用的代数练习，你应该能够从分压方程的标准形式推导出每个方程。
在实践中，将分压器保持为标准形式（第一个方程）然后进行代数运算，可能更简单且不易出错。保持一致性有其价值。此外，批改你解答的人可能不会从另外三个方程的角度来考虑分压器。
一个经典的设计错误是将分压器视为一个孤立系统来思考。具体来说，它未能考虑分压器上的负载。这个负载可能是一个外部电路，甚至像电压表或示波器探头这样无害的设备。
这种负载效应最好通过图3来展示。这里我们看到一组独立的分压器，由R1/R2对、R3/R4对和R5/R6对组成。每个分压器的输出电压使用一个具有模拟1 MΩ输入电阻的电压表进行测量。当我们从左向右移动时，每一级的电阻对选择为按10倍系数增加。
在我们理想（空载）的计算中，每个电阻对产生5 VDC的输出。在现实世界中，我们观察到较高电阻对处出现电压跌落。1 kΩ电阻对测得5.00 VDC，而100 kΩ电阻对测得4.76 VDC。
技术提示 ：电压表或示波器探头的输入电阻或阻抗可能会对电路造成负载效应。DigiKey计算器确实包含计算带负载分压器输出电压的选项。
我们可以继续讨论戴维南定理。图3示例尤其具有启发性，因为它提供了一种直观观察电路的便捷方式。我们还可以将分压器扩展至包含电感和电容等电抗元件。当频率发生变化时，挑战也随之增加。如果考虑这些因素，简单的电阻分压器将转变为滤波器，例如这个代表性的低通器件。或许改天我们可以探讨这些概念。
你可能会想用在线计算器来完成作业。
千万别这样做！
电阻分压器浓缩了电子学的基础课程。作为电子学专业的学生，你需要解决数千个相关问题。通过热情投入这些问题，并寻找问题之外的联系与应用，你将真正领悟电子学的精髓。凭借这种直观理解，你将看到负载对分压器的影响，当电压低于预期时不再感到意外。同样的概念在未来探索滤波器及电路负载的有害影响时，将完整呈现。
请务必阅读这篇关于三个或更多电阻分压器计算的后续文章。
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