Bộ phân áp
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ | chia điện áp |
| load/ləʊd/ | tải trọng |
| thermistor/ˈθɜːmɪstə/ | nhiệt điện trở |
| threshold/ˈθreʃəʊld/ | ngưỡng |
| potentiometer/pəˌtentɪˈɒmɪtə/ | cân bằng điện |
| null method/nʌl ˈmeθəd/ | phương pháp không |
| galvanometer/ˌɡælvəˈnɒmɪtə/ | galvanomét |
| balance length/ˈbæləns leŋθ/ | chiều dài cân bằng |
Núm vặn âm lượng
- Một núm vặn âm lượng hoặc điều chỉnh độ sáng có thể thiết lập mức đầu ra từ tắt hoàn toàn đến tối đa.
- Bên trong là bộ chia điện thế — các điện trở phân chia điện áp.
- Nó biến nguồn cố định thành bất kỳ điện áp nào bạn muốn.
Phân chia điện áp
- Hai điện trở mắc nối tiếp phân chia nguồn tỷ lệ thuận với điện trở của chúng.
- Lấy tín hiệu từ $R_2$: $V_{\text{out}} = V_{\text{in}}\dfrac{R_2}{R_1 + R_2}$.
Chia sẻ điện áp trong mạch nối tiếp
Trong vòng lặp nối tiếp, cùng một dòng điện chảy khắp nơi và điện áp của pin bị phân bổ trên các linh kiện — sự phân bổ này chính là nguyên lý hoạt động của bộ phân áp.
Nguồn $12\ \text{V}$ đặt lên $R_1 = 2.0\ \text{k}\Omega$ và $R_2 = 4.0\ \text{k}\Omega$ mắc nối tiếp. Điện áp đầu ra qua $R_2$ là bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$V_{\text{out}} = V_{\text{in}}\dfrac{R_2}{R_1+R_2} = 12 \times \dfrac{4.0}{2.0+4.0} = 8.0\ \text{V}$.
Trong bộ phân áp, điện áp đặt trên mỗi điện trở tỷ lệ thuận với điện trở của nó.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Cùng một dòng điện chảy qua cả hai, nên $V = IR$ nghĩa là điện trở lớn hơn nhận phần điện áp lớn hơn.
Ví dụ minh họa: một bộ chia, sau đó là tải
Nguồn $12\ \text{V}$ được đặt lên cặp nối tiếp $R_1 = 3.0\ \text{k}\Omega$ và $R_2 = 1.0\ \text{k}\Omega$. Tìm điện áp đầu ra qua $R_2$. Sau đó, một tải $1.0\ \text{k}\Omega$ được mắc song song với đầu ra.
- Không tải: $V_{\text{out}} = 12 \times \dfrac{1.0}{3.0 + 1.0} = 3.0\ \text{V}$.
- Có tải: nó mắc song song với $R_2$, tạo ra $\dfrac{1.0 \times 1.0}{1.0 + 1.0} = 0.50\ \text{k}\Omega$ tại vị trí đó.
- Điện áp đầu ra khi có tải: $V_{\text{out}} = 12 \times \dfrac{0.50}{3.0 + 0.50} = 1.7\ \text{V}$.
- Kiểm tra: việc nối tải đã làm giảm điện áp đầu ra — bộ chia chỉ cung cấp đúng điện áp thiết kế cho tải khi điện trở của tải lớn hơn nhiều so với $R_2$.
Nguồn $9.0\ \text{V}$ đặt lên $R_1 = 6.0\ \text{k}\Omega$ và $R_2 = 3.0\ \text{k}\Omega$ mắc nối tiếp, đầu ra qua $R_2$. Một tải $3.0\ \text{k}\Omega$ được mắc vào đầu ra. Điện áp đầu ra lúc này là bao nhiêu, tính bằng V?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Tải mắc song song với $R_2$ tạo ra $1.5\ \text{k}\Omega$, nên $V_{\text{out}} = 9.0 \times \dfrac{1.5}{6.0 + 1.5} = 1.8\ \text{V}$ — giảm từ $3.0\ \text{V}$ khi không có tải.
Mạch cảm biến
- Thay điện trở bằng thermistor → đầu ra thay đổi theo nhiệt độ.
- Thay bằng LDR → đầu ra thay đổi theo ánh sáng.
Thermistor trong bộ chia chuyển đổi sự thay đổi nhiệt độ thành sự thay đổi điện áp đầu ra
Thay thế một điện trở trong bộ phân áp bằng LDR thì điện áp đầu ra phụ thuộc vào:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Điện trở LDR thay đổi theo ánh sáng, nên phần điện áp của nó — tức là đầu ra — theo sát độ sáng.
Hướng di chuyển của đầu ra là gì?
- Điện áp đầu ra trên một điện trở chính là phần đóng góp của điện trở đó vào nguồn, và phần đóng góp này tăng lên khi điện trở của nó tăng so với điện trở kia.
- Thermistor đóng vai $R_1$, đầu ra đo trên điện trở cố định $R_2$: nhiệt độ ↑ → điện trở thermistor ↓ → phần đóng góp của $R_2$ ↑ → $V_{\text{out}}$ tăng.
- LDR như $R_1$, ánh sáng giảm: điện trở LDR ↑ → phần của $R_2$ ↓ → $V_{\text{out}}$ giảm. Hoán đổi hai linh kiện để đảo ngược hành vi.
Trong mỗi bộ phân áp, đầu ra được lấy qua điện trở cố định. Nối sự thay đổi với hành vi của đầu ra.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Khi điện trở cảm biến giảm (biến trở nhiệt nóng hơn, LDR sáng hơn), điện trở cố định nhận phần điện áp nguồn lớn hơn và điện áp đầu ra trên nó tăng.
Chuyển mạch tại ngưỡng
- Đưa tín hiệu đầu ra đang thay đổi vào transistor hoặc bộ so sánh.
- Nó có thể bật hoặc tắt tải khi nhiệt độ hoặc ánh sáng vượt qua một ngưỡng cài sẵn (ví dụ: đèn đường lúc chạng vạng).
Bộ phân áp cảm biến có thể bật tải khi đại lượng đo vượt qua một ngưỡng ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Đưa đầu ra vào bộ so sánh/biến tần; nó chuyển trạng thái tải khi điện áp vượt ngưỡng (ví dụ: đèn bật lúc chập tối).
Potentiometer (phương pháp triệt tiêu)
- Một dây dẫn đồng dạng lấy tín hiệu $V_x = V_{\text{full}}\dfrac{x}{L_0}$ dọc theo chiều dài của nó — bởi vì đối với dây đồng dạng $R \propto L$, và với cùng một dòng điện chạy khắp nơi $V = IR \propto L$.
- Để so sánh các suất điện động, trượt thanh cho đến khi galvanometer chỉ không → tại điểm cân bằng, không có dòng điện chảy qua pin thử nghiệm, nên điện trở trong không còn quan trọng: $\dfrac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2} = \dfrac{l_1}{l_2}$.
Trượt đầu chạm cho đến khi galvanometer chỉ không → tại điểm cân bằng, đoạn dây lấy tín hiệu tỷ lệ thuận với suất điện động.
Tại điểm cân bằng của máy đo hiệu điện thế, dòng điện chạy qua pin đang đo là:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Tại điểm cân bằng, điện áp trên dây đối diện chính xác với suất điện động của pin, nên không có dòng điện chảy qua (trạng thái không).
Tại điểm cân bằng, điện trở trong của pin đang đo không ảnh hưởng đến kết quả.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Với dòng điện bằng 0 qua pin, không có $Ir$ hao phí — nên điện trở trong không có tác dụng. Đó chính là ưu điểm của phương pháp không (null method).
Ví dụ giải mẫu: độ dài cân bằng
Pin dẫn dòng tạo ra $2.0\ \text{V}$ trên một dây đồng dạng dài $100\ \text{cm}$. Pin thử nghiệm đạt trạng thái cân bằng tại độ dài cân bằng là $64\ \text{cm}$.
- Suất điện động của pin thử nghiệm: $\varepsilon = 2.0 \times \dfrac{64}{100} = 1.28\ \text{V}$.
- Nếu pin thử nghiệm có điện trở trong: không có thay đổi — tại điểm cân bằng không có dòng điện chảy qua nó, nên không có điện áp hao hụt.
- Nếu pin nguồn có điện trở trong: hiệu điện thế trên dây là nhỏ hơn $2.0\ \text{V}$, nên cần độ dài lớn hơn để đạt cùng $1.28\ \text{V}$: điểm cân bằng di chuyển xa hơn dọc theo dây.
- Kiểm tra: độ dài cân bằng không thể vượt quá chiều dài dây, vì vậy pin thử có suất điện động lớn hơn hiệu điện thế trên dây sẽ không thể cân bằng được.
Pin dẫn $1.5\ \text{V}$ đặt lên dây potentiometer đều $100\ \text{cm}$. Pin thử cân bằng ở $80\ \text{cm}$. Suất điện động của nó là bao nhiêu, tính bằng V?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Điện áp dọc theo dây tỷ lệ thuận với chiều dài: $\varepsilon = 1.5 \times \dfrac{80}{100} = 1.2\ \text{V}$.
Đầu ra của bộ chia chỉ là $V_{\text{in}}\dfrac{R_2}{R_1 + R_2}$ khi không có tải nào kết nối — một tải mắc song song với $R_2$ sẽ làm giảm nó. Trong máy đo thế, "không có dòng điện tại điểm cân bằng" chính là lý do khiến nó trở thành phương pháp không: điện trở trong của pin thử bị triệt tiêu, nhưng điện trở trong của pin nguồn thì không. Và "độ dài cân bằng tỷ lệ thuận với suất điện động" chỉ đúng vì dây dẫn đồng nhất.
Bạn đã nắm vững
- Bộ chia phân chia điện áp theo điện trở: $V_{\text{out}} = V_{\text{in}}\dfrac{R_2}{R_1 + R_2}$; khi có tải mắc vào đầu ra sẽ làm giảm điện áp.
- Một nhiệt điện trở hoặc LDR (điện trở phụ thuộc ánh sáng) làm cho đầu ra phản ứng với nhiệt hoặc ánh sáng — điện áp đầu ra trên điện trở cố định tăng lên khi điện trở của cảm biến giảm xuống.
- Phương pháp không: cân bằng ở mức không dòng điện, do đó điện trở trong của pin thử không ảnh hưởng; $\dfrac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2} = \dfrac{l_1}{l_2}$