شرح دارة تقسيم الجهد
ما هي دائرة تقسيم الجهد؟
في مجال
الإلكترونيات، يكون مقسم الجهد (والمعروف أيضاً باسم مُقسِم الفولتية)، عبارة عن
دائرة خطية تنتج جهد كهربائي يسمى بجهد الإخراج (Vout)، والذي يمثل جزءً من قيمة جهد الإدخال (Vin) المغذي لتلك الدارة.
يتم تقسيم الجهد في تلك الدارة عن طريق توزيع جهد
الدخل Vin بين مكونات تلك الدارة المقسمة للجهد والتي
غالباً ما تكون مقاومات كهربائية.
أمثلة على دارة تقسيم الجهد
أبسط مثال
على مقسم الجهد هو مقاومتان متصلتان على التوالي، مع تطبيق جهد كهربائي عبر طرفيها، ومخرج
الجهد الناتج من نقطة الاتصال بينهما. والشكل التالي يشمل على أكثر من شكل يخص
دارة تقسيم الجهد:
بواسطة تلك الدارات، يمكن تقسيم الجهد والحصول على القيمة التي
تحتاجها وتُناسِب فرق الجهد المطلوب.
مميزات وخصائص دائرة تقسيم الجهد الكهربائي
1- مناسبة
للتطبيقات الكهربائية والالكترونية التي تحتاج إلى تيار منخفض نسبياً مثل تشغيل
الأردوينو Arduino أو الرازبري باي Raspberry Pi.
2- تشكل خياراً جيداً عند ثبات قيمة جهد الدخل التي تعمل
عليه دائرة تقسيم الجهد.
عيوب دائرة تقسيم جهد
1- دارة تقسيم الجهد غير ثابتة Unstable،
وذلك بسبب اعتماد مقدار الخرج الفولتي Vout
على مقدار الجهد الذي يدخل إلى تلك الدارة أي Vin.
2- غير مناسبة ولا تتلائم مع التطبيقات
الكهربائية والالكترونية التي تحتاج إلى تيار كهربائي عالي.
3- الارتفاع المفرط في درجة حرارة المقاومات
المستخدمة في دارة تقسيم الجهد، إذ أن الطاقة الضائعة والتي يتم استهلاكها في تلك الدارة لتوفير فرق جهد أقل،
ستتحول بدورها إلى حرارة، أي طاقة حرارية داخل تلك المقاومات الكهربائية.
معادلة دارة تقسيم الجهد
لحساب معادلة دائرة
تقسيم الجهد الكهربائي، نستخدم المعادلة التالية:
إن طريقة
ومبدأ عمل دائرة تقسيم الجهد
تعتمد اعتمادا كبيراً على المعادلة السابقة، حيث تفترض معادلة مقسم الفولتية أنك تعرف
وتعلم قيم ثلاثة متغيرات فيها، وهي: جهد الدخل (Vin)، وقيم المقاومتين (R1 وR2). وبالنظر إلى تلك القيم، يمكننا استخدام هذه المعادلة للعثور على
جهد الخرج (Vout).
حسابات متعلقة بمعادلة دارة تقسيم الجهد الكهربائي
هناك بعض الحالات
الخاصة، والتي يجب وضعها في عين الاعتبار عند استخدام معادلة أو قانون مقسمات الجهد.
هذه الحالات هي عبارة عن تبسيط سهل للتعامل مع قانون تقسيم الجهد والتي تجعل التعامل
مع ذلك القانون أسهل قليلاً. وهي ثلاثة حالات:
الحالة الأولى: إذا كانت قيم كل من المقاومة الأولى R1 والمقاومة الثانية R2 متساويتان، أي أن R1=R2، يكون جهد الخرج Vout هو نصف قيمة الجهد المدخل Vin. وهذا صحيح بغض النظر عن قيم المقاومات كما
في المعادلة التالية:
الحالة الثانية: إذا كانت قيمة المقاومة الثانية R2 أكبر بكثير من
قيمة المقاومة الأولى R1، أي أن R2>>R1، يكون قيمة جهد
الخرج Vout نفس قيمة الجهد المدخل Vin تقريباً. وهذا صحيح
بغض النظر عن قيم المقاومات كما في المعادلة التالية:
الحالة الثالثة: إذا كانت قيمة المقاومة الثانية R2 أقل بكثير من
قيمة المقاومة الأولى R1، أي أن R1>>R2، يكون قيمة جهد
الخرج Vout مساوياً
للصفر تقريباً. وهذا صحيح بغض النظر عن قيم المقاومات
كما في المعادلة التالية:
اشتقاق معادلة دائرة تقسيم الجهد
لاستنتاج
واشتقاق قانون تقسيم الجهد الخاص بمعادلة دارة تقسيم الجهد، يجب معرفة بعض المبادئ
الأساسية الخاصة بالمقاومات المكافئة من حيث التوصيل على التوالي والتوازي وعلاقة
التيار الكهربائي وفرق الجهد مع كلتا الحالتين إضافة إلى قانون أوم.
بالنظر إلى
دارة تقسيم الجهد، والتي تحتوي على المقاومتين R1 وR2،
نلاحظ أن كلا المقاومتين مربوطتين وموصولتين على التوالي. وكما نعلم، فإن قيمة
التيار الكهربائي الكلي I الخارج من مصدر الجهد Vout سيكون مساوياً لقيمة
التيار الكهربائي المار في كلتا المقاومتين لأنهما موصولتان على التوالي. إذ أن
التيار الكهربائي الكلي لا يتفرع في حالة التوصيل على التوالي.
الهدف
الأساسي في تلك الحسابات المتعلقة في كل من التيار الكهربائي والمقاومات وفرق
الجهد هو حساب قيم Vout
والتي بدورها يمكن ايجادها من العلاقة:
نلاحظ في
هذه المعادلة أنه بالإمكان حساب قيمة التيار الكهربائي I2
والذي يساوي قيمة التيار الكهربائي الكلي I،
وقيمة R2 معطاه.
لحساب
قيمة التيار الكلي I يجب إيجاد المقاومة
المكافئة الكلية R
ثم استخدام قانون أوم كما يلي:
بالتعويض في المعادلة الأولى لـ Vout نحصل على شكل المعادلة:
استخدامات وتطبيقات دارة مقسم الجهد
يشيع
استخدام دائرة تقسيم الجهد لإنشاء الفولتية المرجعية، أي لإنشاء فرق
جهد جديد يتلاءم مع حاجة استخدامه لتطبيقات معينة. لكن هنالك أيضاً العديد من
التطبيقات الأخرى لاستعمال وتوظيف دارة مقسم الجهد:
1- تقليل فرق
الجهد بتناسب طردي مع الدخل الفولتي.
2- يمكن استخدام
كمخففات للإشارة عند الترددات المنخفضة
3- يستخدم
لضبط دقة الترددات كافة بدقة متناهية بما يتلاءم مع النظام اللاسلكي المطلوب.
4- تستخدم
دارة مقسم الجهد في تطبيقات حساب وقياس الجهد العالي.
5- ضبط
مستوى الإشارة وتحيز الأجهزة النشطة في مكبرات الصوت.
6- تدخل دارة
مقسم الجهد في كل من تطبيقات جسر ويتستون ومقياس التيار المتردد.
7- العمل
كجهد متغير من شأنه التحكم في مستوى الصوت في العديد من أجهزة الراديو.
8- مقاومات الجهد المتغيرة Potentiometers.
9- المتحكمات
والمستشعرات الدقيقة.
مكونات وتركيب دارة مقسم الجهد
إن طريقة عمل وصنع دارة مقسم الجهد غير مكلفة وبسيطة، ولا تستهلك
العديد من قطع الالكترونيات المخصصة لصنعها. يتم إنشاء دارة مقسم الجهد عن طريق توصيل اثنين من المقاومات
الكهربائية على التوالي. ويتم تطبيق الجهد الكهربائي (أي جهد الدخل) على أحد
الأطراف والأرضي على الطرف الآخر، لنحصل على الجهد المطلوب ضمن المعادلة السابقة.
يمكن
استبدال المقاومات في دائرة مقسم الجهد بأي مجموعة من العناصر الالكترونية الآتية
مثل المحثات Inductors والمكثفات الكهربائية Capacitor.
أمثلة تطبيقية على دارة تقسيم الجهد الكهربائي
يمكن
استخدام دائرة مقسم الجهد للتحكم الدقيق بقياس مقاومة المستشعر إذ أنه يزيد من
كفاءة المتحكمات والمستشعرات الدقيقة خاصة المجسات الكهربائية. فعلى سبيل المثال،
تتراوح مقاومة الخلية الكهروضوئية أو المسماة بالمقاومة الضوئية بين 1 كيلو أوم في
الضوء وحوالي 10 كيلو أوم في الظلام. فإذا قمنا بدمج تلك المقاومة الضوئية مع مقاومة
ثابتة بمقدار 5.6 كيلو أوم في مكان ما في الوسط، فيمكننا الحصول على مجموعة واسعة
من قيم الجهود الكهربائية من نفس دارة مقسم الجهد كما في الشكل التالي:
الجدول التالي يوضح العلاقة العكسية بين شدة الانارة الساقطة على
المجس الضوئي ومقدار فرق الجهد الخارج من تلك الدارة:
مستوى الضوء
|
قيمة المقاومة الضوئية R2
|
قيمة المقاومة الكربونية الثابتة R1
|
نسبة R2/(R1+R2)
|
الخرج الفولتي Vout
|
ضوء ساطع
|
1 كيلو أوم
|
5.6 كيلو أوم
|
0.15
|
0.76 فولت
|
ضوء خافت
|
7 كيلو أوم
|
5.6 كيلو أوم
|
0.56
|
2.78 فولت
|
ظلام
|
10 كيلو أوم
|
5.6 كيلو أوم
|
0.67
|
3.21 فولت
|
تحويل فرق الجهد من 5 فولت إلى 3.3 فولت
يمكن
استخدام مقسم الجهد كبديل لمحول خافض للهجد من مستوى جهد عالي إلى منخفض. أما
الهدف الأساسي من استخدام دائرة تقسيم الجهد في الدارات المنطقية Digital Circuits فهي لربط دائرتين منطقيتين تستخدمان جهد
تشغيل مختلف. على سبيل المثال، تعمل بعض الدوائر المنطقية على فرق جهد 5 فولت
بينما تعمل بعض الدوائر الأخرى عند 3.3 فولت. قد تتكامل تلك الدارات الالكترونية
بفرقي جهد مختلف، الأمر الذي يؤدي إلى طلب دائرة وسيطة مثل دارة تقسيم الجهد
للتوفيق والتلائم بين الدارة المنطقية الأولى والتي تعمل على فرق جهد 5 فولت
والدارة المنطقية الأخرى والتي تعمل على فرق جهد 3.3 فولت.
أسئلة شائعة متعلقة بدارة تقسيم الجهد الكهربائي
سؤال: هل
يمكن استبدال منظم الجهد بدائرة منظم الجهد؟ ولماذا؟
جواب: لا، لا يمكن
استخدام دائرة منظم الجهد كبديل لمنظم الجهد Voltage Regulator.
وذلك لأن دارة تقسيم الجهد غير ثابتة، أي أن مقدار الجهد الخارج عنها يختلف
باختلاف مقدار الجهد الذي تعمل عليه تلك الدارة.
سؤال: لماذا
تحترق المقاومة في دارة تقسيم الجهد؟
جواب: جميع المقاومات
مخصصة لتحمل فرق جهد وتيار كهربائي معين للمرور من خلالها. لذلك يجب اختيار نوع
المقاومة بحسب قدرتها لاستهلاك الطاقة الكهربائية بالواط. وهي تتراوح ما بين 1/8
واط وحتى 4 واط. أي 1/8 واط، 1/4 واط، 1/2 واط، 1 واط، 2 واط، 4 واط. فكلما ازدادت
قدرة المقاومة الكهربائية في تلك الدارة على استهلاك الطاقة، ازداد مقدار المعامل
الحراري الخاص بها وازداد تحملها للحرارة.
سؤال: ما دور
أو سبب إضافة مكثف كهربائي إلى دائرة مقسم الجهد؟
جواب: دور المواسع أو
المكثف الالكتروني في دارة تقسيم الجهد الكهربائي، للحفاظ على ثبات الدخل
الكهربائي Vin أو الخرج الكهربائي Vout، أي قيمة
فرق الجهد عند المدخل أو المخرج وذلك بحسب موقعه على التوازي مع المقاومات المكونة
لتلك الدارة.
سؤال: هل هنالك دارات كهربائية جاهزة
خاصة بدائرة تقسيم الجهد الكهربائي؟
جواب: نعم،
ويطلق على مثل هذه الدارات؛ مقاومات الجهد المتغيرة Potentiometers كما في الشكل التالي:
سؤال: هل
هنالك دائرة تقسيم جهد متعدد بوجود أكثر من مقاومتين
نعم، أنه من شأن تلك الدارة أن تأخذ أي عدد من
المقاومات ذات القيم المختلفة. حيث أن مقدار وقيمة الخرج الفولتي يختلف عند كل طرف
من أطراف المقاومة التي يخرج منها. لذلك يمكن من أن تنتج تلك الدارة أعدادا كبيرة
من الخرج الفولتي بقيم متفاوتة ومختلفة بحسب قيم وعدد تلك المقاومات فيها.
سؤال: هل
هنالك تسميات وأسماء أخرى لدائرة تقسيم الجهد؟
جواب: نعم، فهنالك من
يدعوها بدارة توزيع الجهد، أو دارة مجزئ الجهد أو دائرة تقسيم الفولتية وأحياناً
يطلق عليها دارة مقاومة تخفيض الجهد الكهربائية.