Делитель тока на резисторах — калькулятор, пример из электротехники

Как работает делитель тока

Принцип действия делителя тока основан на первом Законе Кирхгофа, согласно которому сумма всех токов втекающих в узел равна сумме всех токов вытекающих из узла. Законы Кирхгофа устанавливают соотношения между токами и напряжениями в разветвленных электрических цепях произвольного типа.

Если рассматривать простую электрическую цепь с одним источником питания, то здесь для понимания деления тока достаточно воспользоваться правилом параллельного соединения резисторов. И именно им мы и будем пользоваться далее.

Параллельное соединение резисторов — это такое взаимное соединение компонентов, при котором оба вывода одного резистора соединены с соответствующими выводами другого резистора или резисторов. Рассмотрим простую схему с источником постоянного тока и двумя параллельно соединенными резисторами:

Что происходит в такой цепи? В первую очередь отметим, что напряжение источника питания и номиналы резисторов приведены условно, и они больше подходят для переменного напряжения, которое далее в примерах и будет участвовать. Также, возвращаясь к постоянному току, следует не путать условное направление тока от «+» к «-» от направления движения носителей электрического заряда (электронов) от «-» к «+».

В цепи с напряжением 220 В и суммарным сопротивлением от двух резисторов 30 и 20 Ом сила тока 18,3 А. При этом ток доходя до места параллельного соединения разделяется и проходит по двум путям, имеющим разные сопротивления. На синем пути с резистором 30 Ом сила тока 7,3 А. На зеленом пути с резистором 20 Ом сила тока 11 А. То есть на том пути, где сопротивление больше электроны замедляются и сила тока меньше. На пути, где сопротивление меньше, электроны движутся быстрее — соответственно и сила тока на этом отрезке больше. Пройдя участок с параллельным соединением ток опять сливается и по одному пути возвращается к источнику питания с силой 18,3 А (сумма сил тока на двух предыдущих участках 7,3 + 11).

В рассмотренном примере для анализа делителя тока была использована программа Multisim, которая просчитывает с помощью соответствующих приборов силу тока на каждом участке цепи с учетом напряжения источника питания и сопротивления резисторов. Стоит отметить, что в составе делителя тока может быть любое количество резисторов. Помимо параллельного соединения в цепи может быть и последовательное соединение резисторов. Полученное смешанное соединение также легко просчитывается в программе.

Все расчеты в цепи с делителем тока можно произвести и самостоятельно с использованием соответствующих формул. Далее мы приведем онлайн калькулятор делителя тока и рассмотрим пример расчета.

Калькулятор делителя тока онлайн

Представленный онлайн-калькулятор позволяет рассчитать силу тока при использовании последовательных резистивных делителей на любом участке цепи. Для расчета необходимо ввести общую силу тока цепи и значения сопротивлений резисторов на параллельном участке. Калькулятор делителя тока поддерживает до 10 резисторов одновременно.

Калькулятор делителя тока на резисторах:

Делитель тока — расчет по формулам

Для примера возьмем схожую с рассмотренной ранее схему. На параллельном участке три резистора 30, 20 и 10 Ом. Напряжение источника питания 220 В. Программа Multisim просчитала силу тока на каждом участке.

Нам же нужно рассчитать силу тока на разных участках самостоятельно. Исходные данные следующие:

• R1 = 30 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 10 Ом.
• В первом случае известно только напряжение источника питания U1 = 220 В (вольтметр V1).
• Во втором случае известна только общая сила тока в цепи I4 = 40,333 А.

Требуется определить силу тока I1, I2, I3 (амперметры U1, U2, U3) на участках с резисторами R1, R2, R3.

Решение:

1. Если неизвестно напряжение источника питания, то в первую очередь нужно определить сумму сопротивлений всех резисторов, соединенных параллельно. По каждому резистору течет свой ток. Сумма токов всех резисторов дает общую силу тока цепи: I = I1+I2+I3+…+In. Соответственно общая проводимость параллельной цепи равна сумме ее отдельных проводимостей. Проводимость есть величина, обратная сопротивлению, поэтому эквивалентное сопротивление параллельно соединенных резисторов определяется следующим отношением: 1/R = 1/R1+1/R2+1/R3+…+1/Rn. Соответственно 1/R = 1/30+1/20+1/10 = (2+3+6)/60 (привели к общему знаменателю) = 11/60. Отсюда R = 60/11 = 5,45 Ом (сумма резисторов R1, R2, R3).
2. Зная общую силу тока цепи и общее сопротивление, находим напряжение. U = I×R = 40,333×5,45 ≈ 219,8 ≈ 220 В.
3. При параллельном соединении резисторов напряжение во всей цепи и на каждом участке одинаково и равно напряжению источника питания. Соответственно I1 = U/R1; I2 = U/R2; I3 = U/R3.
4. I1 = 220/30 = 7,333 A.
5. I2 = 220/20 = 11 A.
6. I1 = 220/10 = 22 A.

Особенности делителя тока

Выделим основные особенности делителя тока, состоящего из параллельно соединенных резисторов:

• Общее сопротивление всегда меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора.
• Увеличение числа параллельно соединенных резисторов ведет к уменьшению общего сопротивления и увеличению общей силы тока в цепи.
• Если параллельно соединены два резистора с одинаковым сопротивлением, то общее сопротивление этих резисторов будет ровно в два раза меньше, чем сопротивление каждого из резисторов, входящих в эту цепочку.
• Если в цепи используются резисторы одного номинала, то формула общего сопротивления упрощается и принимает вид R = R1 / N (R1 – номинальное сопротивление резистора; N – количество резисторов с одинаковым номинальным сопротивлением).

Где применяется делитель тока

Делитель тока очень часто встречается в электротехнике. Важно не путать делитель тока с делителем напряжения, так как после анализа общедоступных источников была выявлена противоречивая информация даже в википедии.

Цитирование из википедии: «Делитель тока имеет важное значение в схемотехнике в качестве элемента цепи для подключения устройства с номинальным током меньшим, чем протекающий в цепи.» Цитирование из другого источника: «При проектировании электрических цепей возникают случаи, когда в цепи протекает ток одного номинала, а номинально-допустимый ток нагрузки должен быть меньше. Для этих целей используют делители тока.» А вот к чему все это приводит — цитирование очередного электротехнического блога: «Проще говоря, если вместо одного из резисторов подключить, например, вентилятор, то изменяя сопротивление второго резистора, мы будем также изменять силу тока, а значит и мощность, проходящую через вентилятор.»

Важно понимать, что напряжение во всей цепи одинаково для каждого резистора. И сила тока на участке резистора зависит только от его сопротивления. Поэтому, если рассмотреть пример с вентилятором, изменяя сопротивление другого резистора, мы не можем изменить силу тока, проходящую через вентилятор. Мощность останется прежней. Чтобы изменить силу тока и соответственно мощность, вместе с вентилятором должна быть последовательно соединена нагрузка, а не параллельно. Последовательное соединение — это делитель напряжения. Параллельное соединение — это делитель тока. Информацию из википедии трудно назвать неверной, но она не полная. Там не хватает уточнения, что для подключения устройства с номинальным током меньшим, чем протекающий в цепи, нужно совмещать делитель тока с делителем напряжения.

Вернемся к примерам использования делителя тока. Цепи делителей тока находят применение в измерительных схемах, где требуется, чтобы часть измеряемого тока проходила через чувствительный прибор. Используя формулу делителя тока, можно подобрать подходящий шунтирующий резистор таким образом, чтобы через измерительный прибор всегда проходила точно заданная доля общего тока:

Теперь обратимся к примерам делителя тока, которые буквально рядом с каждым. Любой частный дом или квартира — это параллельное соединение, соответственно и делитель тока. Совокупность всех повторных заземлителей нейтрали трансформатора — это тоже делитель тока. А не самый приятный пример параллельного соединения — это ситуация, когда ток одновременно уходит через заземлитель и человека, прикоснувшегося к корпусу заземленного электроприбора. В этом случае заземлитель с небольшим сопротивлением в сумме с большим сопротивлением человека дает общее небольшое сопротивление. Можно даже не считать, а просто воспользоваться одним из правил — общее сопротивление всегда меньше сопротивления любого параллельно включенного резистора. И здесь важно понимать, что ток, проходя эту связку заземлитель-человек, далее на своем пути встречает еще одно сопротивление — например от заземлителя нейтрали трансформатора. Получается делитель напряжения, который в совокупности с делителем тока и является основой безопасности использования заземления. То есть на каждом заземлителе происходит падение напряжения. А чем меньше напряжение, тем меньше сила тока.