تستخدم دائرة تقسيم الجهد في العديد من الدوائر الإلكترونية للحصول على جهد خرج أقل من جهد المصدر. وتعتمد هذه الدائرة على توصيل مقاومتين أو أكثر على التوالي، ثم أخذ جهد الخرج من نقطة محددة بين المقاومات. لذلك، يساعدك فهم دائرة تقسيم الجهد على تصميم الدوائر الإلكترونية وتحليلها بطريقة صحيحة.
ما هي دائرة تقسيم الجهد؟
دائرة تقسيم الجهد (Voltage Divider) هي دائرة إلكترونية بسيطة تستخدم المقاومات لتقسيم جهد المصدر إلى قيم أقل. وتتكون في صورتها الأساسية من مقاومتين متصلتين على التوالي مع مصدر جهد.
تحدد قيمة كل مقاومة مقدار هبوط الجهد عليها. وبما أن التيار نفسه يمر عبر المقاومتين، فإن المقاومة الأكبر تحصل على هبوط جهد أكبر.
عادةً، نأخذ جهد الخرج من طرفي المقاومة السفلية المتصلة بالأرضي. ومع ذلك، يمكن أخذ الخرج من نقاط أخرى إذا احتاج تصميم الدائرة إلى ذلك.
وبما أن التيار نفسه يمر عبر المقاومات المتصلة على التوالي، يمكنك التعرف على تطبيق قانون أوم في دوائر التوالي لفهم كيفية حساب الجهد والتيار
كيف تعمل دائرة تقسيم الجهد؟
لفهم طريقة العمل، افترض أنك وصلت مقاومتين، R1 وR2، على التوالي بمصدر جهد Vin. ثم أخذت جهد الخرج Vout من طرفي المقاومة الثانية R2.
تعمل الدائرة وفق الخطوات التالية:
- يمر التيار نفسه عبر المقاومتين؛ لأنهما متصلتان في مسار واحد.
- يهبط جزء من جهد المصدر على المقاومة الأولى.
- يهبط الجزء المتبقي على المقاومة الثانية.
- يظهر جهد الخرج عبر طرفي المقاومة الثانية.
وبحسب قانون كيرشوف للجهد، يساوي جهد المصدر مجموع هبوطي الجهد على المقاومتين. لذلك، يعتمد جهد الخرج على قيمتي المقاومتين ونسبة كل منهما إلى المقاومة الكلية.
لفهم العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة، يمكنك مراجعة شرح قانون أوم وتطبيقاته في الدوائر الكهربائية والإلكترونية
قانون حساب جهد الخرج في دائرة تقسيم الجهد
يمكنك حساب جهد الخرج باستخدام قانون تقسيم الجهد، الذي يعتمد على جهد الدخل وقيمتي المقاومتين.
القانون الأساسي:
Vout = Vin × R2 / (R1 + R2)
حيث:
- Vout: جهد الخرج بالفولت.
- Vin: جهد الدخل أو جهد المصدر.
- R1: المقاومة العلوية بين جهد الدخل ونقطة الخرج.
- R2: المقاومة السفلية بين نقطة الخرج والأرضي.
تُطبق هذه المعادلة عندما تأخذ جهد الخرج عبر المقاومة R2، ويكون تأثير الحمل المتصل بالخرج مهملاً أو غير موجود.
أما التيار المار في المقاومتين، فيمكن حسابه باستخدام العلاقة التالية:
I = Vin / (R1 + R2)
وبعد ذلك، تستطيع حساب هبوط الجهد على كل مقاومة باستخدام قانون أوم:
V1 = I × R1
V2 = I × R2
تتوافق هذه النتيجة مع قانون كيرشوف للجهد، الذي يساعد على تحليل الجهود في المسارات الكهربائية المغلقة
مثال عملي على حساب جهد الخرج
لنفترض أن لديك دائرة تقسيم جهد تتكون من العناصر التالية:
- جهد الدخل: 12 فولت.
- المقاومة الأولى R1: مقدارها 2 كيلو أوم.
- المقاومة الثانية R2: مقدارها 1 كيلو أوم.
لحساب جهد الخرج، نعوض القيم في القانون:
Vout = 12 × 1 / (2 + 1)
إذن، جهد الخرج يساوي 4 فولت.
ويمكننا التأكد من النتيجة بحساب التيار أولاً. تبلغ المقاومة الكلية 3 كيلو أوم، ولذلك يكون التيار:
I = 12 / 3000 = 0.004 A
أي 4 ملي أمبير.
بعد ذلك، نحسب الجهد على المقاومة الثانية:
Vout = 0.004 × 1000 = 4 V
وبذلك نحصل على النتيجة نفسها باستخدام قانون أوم، مما يؤكد صحة الحساب.
ماذا يحدث عند تغيير قيم المقاومات؟
تؤثر نسبة المقاومتين مباشرةً في جهد الخرج. لذلك، يمكنك الحصول على قيم مختلفة من جهد المصدر بتغيير قيمة إحدى المقاومتين أو كلتيهما.
- عند زيادة
R2: يرتفع جهد الخرج، إذا بقيتR1وجهد الدخل ثابتين. - عند زيادة
R1: ينخفض جهد الخرج، إذا بقيتR2وجهد الدخل ثابتين. - عند تساوي المقاومتين: يساوي جهد الخرج نصف جهد الدخل، بشرط عدم وجود حمل مؤثر.
- عند استخدام مقاومة سفلية صغيرة جداً مقارنة بالعلوية: يصبح جهد الخرج منخفضاً.
ومن المهم معرفة أن النسبة بين المقاومتين هي التي تحدد جهد الخرج في الحالة المثالية، وليس الحجم الفعلي للمقاومتين وحده. ومع ذلك، تؤثر قيمهما في استهلاك الطاقة والتيار المسحوب من المصدر.
كيف يؤثر الحمل على دائرة تقسيم الجهد؟
عند توصيل حمل إلكتروني بخرج الدائرة، يسحب الحمل تياراً إضافياً. ونتيجةً لذلك، قد ينخفض جهد الخرج عن القيمة التي حسبتها باستخدام القانون الأساسي.
يحدث ذلك لأن مقاومة الحمل تتصل بالتوازي مع R2، فتقل المقاومة المكافئة للجزء السفلي من الدائرة. ولهذا السبب، يجب أن تراعي مقاومة الحمل عند تصميم دائرة تقسيم الجهد.
يمكنك حساب المقاومة المكافئة للمقاومة السفلية والحمل باستخدام العلاقة التالية:
Rbottom = (R2 × RL) / (R2 + RL)
حيث تمثل RL مقاومة الحمل. بعد ذلك، يمكنك استخدام Rbottom بدلاً من R2 في قانون تقسيم الجهد لحساب جهد الخرج الفعلي.
للحصول على خرج أكثر استقراراً، يمكن استخدام مقاومات مناسبة لتقليل تأثير الحمل، أو إضافة مرحلة عزل مثل مضخم تشغيلي يعمل كمتابع جهد، وفقاً لمتطلبات الدائرة.
ما أهم استخدامات دائرة تقسيم الجهد؟
تدخل دوائر تقسيم الجهد في تطبيقات إلكترونية متعددة، ومن أبرزها:
- قراءة الحساسات: تحويل تغير مقاومة بعض الحساسات إلى تغير في الجهد يمكن قياسه.
- دوائر القياس: خفض جهد الإشارة قبل إدخالها إلى دائرة قياس، بشرط الالتزام بحدود الجهد والحماية المطلوبة.
- المداخل التناظرية: تهيئة الإشارات لتناسب نطاق دخل المتحكمات الدقيقة، مع مراعاة حدود الجهد والتيار.
- توليد جهد مرجعي بسيط: توفير جهد تقريبي لبعض الدوائر منخفضة التيار.
- تحويل مستويات الإشارة: تكييف بعض إشارات الجهد بين أجزاء الدائرة، عندما تسمح متطلبات الحمل والدقة بذلك.
ومع ذلك، لا يُنصح باستخدام مقسم الجهد وحده لتغذية الأحمال التي تحتاج إلى تيار كبير أو جهداً ثابتاً بدقة. ففي هذه الحالات، يكون من الأفضل استخدام منظم جهد أو دائرة مخصصة لتلبية متطلبات الحمل.
ما الفرق بين دائرة تقسيم الجهد ودائرة تقسيم التيار؟
تختلف الدائرتان في طريقة التوصيل والكمية الكهربائية التي نريد التحكم بها.
| وجه المقارنة | تقسيم الجهد | تقسيم التيار |
|---|---|---|
| التوصيل الشائع | مقاومات على التوالي | مقاومات على التوازي |
| الكمية التي تتوزع | الجهد | التيار |
| الخاصية الأساسية | التيار نفسه يمر عبر المقاومات المتصلة على التوالي | الجهد نفسه يظهر على فروع التوازي |
| الاستخدام | الحصول على جهد خرج أقل | توزيع التيار بين الفروع |
وبالتالي، يساعدك تحديد هدف الدائرة على اختيار طريقة التوصيل المناسبة وتطبيق القانون الصحيح.
لمعرفة كيف تؤثر طريقة التوصيل في توزيع الجهد والتيار، اطلع على شرح الفرق بين التوصيل على التوالي والتوازي.
الخلاصة
تتيح لك دائرة تقسيم الجهد الحصول على جهد خرج أقل من جهد المصدر باستخدام مقاومتين أو أكثر. ويعتمد جهد الخرج على نسبة المقاومات، ويمكن حسابه بسهولة باستخدام قانون تقسيم الجهد. لكن عند توصيل حمل بالخرج، يجب مراعاة تأثيره في قيمة الجهد الفعلية.
سؤال للتفاعل: إذا استخدمت مصدر جهد 10 فولت، ومقاومتين متصلتين على التوالي بقيمتي 3 كيلو أوم و2 كيلو أوم، فما جهد الخرج عبر المقاومة السفلية التي قيمتها 2 كيلو أوم؟
المصادر:
