Naponski razdelnik i merenje ulaznog napona

U slučajevima kada je potrebno znati ulazni napon u okviru projekta, jedan od načina je preko naponskog razdelnika. O naponskom razdelniku je bilo reči kada smo govorili o termistorima (SK 9/2017). Tada smo koristili naponski razdelnik da bismo preko analognog pina izmerili temperaturu. Na isti način možemo izmeriti napon. I prilikom očitavanja temperature preko termistora, mi smo zapravo merili napon.

Naponski razdelnik je prema definiciji pasivno linearno kolo koje daje izlazni napon, a koji je opet deo ulaznog napona. U okviru ovog kola imamo podelu napona između komponenti, gde je izlazni napon uvek manji od ulaznog. Kolo naponskog razdelnika najčešće sadrži dva otpornika u serijskoj vezi, ali se u istu svrhu može koristiti i potenciometar. Vrednosti ovih otpornika zavise od željene vrednosti izlaznog napona i vrednosti ulaznog napona. Govorimo o osnovnim strujnim kolima iz elektronike. Mi naravno nećemo puno ulaziti u kompleksniju elektroniku jer ovde je reč o osnovnom radu sa mikrokontrolerima gde naponi preko pet volti (negde i 3,3 volta) na ulaznom pinu najčešće znače i „beli dim”.

Da bi se preko Arduina izmerilo, recimo napon baterije od devet volti, potrebna su samo dva otpornika i malo matematike. Primer na slici je sa dva otpornika (20K i 6,8K) koji su napon od sedam volti spustili (podelili) na 1,75 volti. Kao i u primeru sa termistorom i ovde koristimo istu jednačinu. Ukoliko želimo da znamo izlazni napon, potrebno je da znamo ulazni napon i vrednosti oba otpornika. Obrnuto, ako znamo koji je ulazni i znamo koji nam treba izlazni, lako ćemo odrediti vrednosti otpornika. U našem primeru, prema jednačini V_out nam je sedam volti, dok su R₁ i R₂ od 20K i 6,8K. Matematika kaže da bi napon na izlazu trebalo da bude 1,77 volti, dok je multimetar rekao da je to 1,75 volti. Napon baterije od devet volti bi u tom slučaju na izlazu imao 2,28 volti. Postoji dosta online kalkulatora za ovu svrhu, gde možemo videti da sa 1,7K i 3,3K za R₁ i R₂ možemo od pet volti dobiti 3,3 volta. Ako otpornicima zamenimo mesta dobićemo 1,67 volti, jer to i jeste razlika do pet volti. Ono o čemu treba voditi računa je da maksimalni ulazni napon koji će proći kroz naš naponski razdelnik na izlazu ne prelazi pet volti. Jednačina isto tako kaže da ako stavimo dva otpornika iste vrednosti, na izlazu ćemo dobiti polovinu vrednosti ulaznog napona. Ukoliko je R₂ manji od R₁, imaćemo malu razliku između napona, dok će u obrnutom slučaju biti obrnuto, naravno. Atmel za većinu svojih MCU ne preporučuje strujna kola sa impedansom većom od 100 kilooma.

Po prodavnicama se može naći i gotovo rešenje u vidu modula sa oznakom B25, gde je ovo 25 zapravo maksimalni napon koji bi se smeo povezati na terminale. Za sam razdelnik na modulu su ugrađena dva SMD otpornika od 30K i 7,5K za R₁ i R₂ (oznake 3002 i 7501). Preko ovog modula napon na terminalima od 25 volti će na izlaznim pinovima biti pet volti, što treba znati ako ćemo koristiti ploče netolerantne na taj napon. Dakle, modul napon grubo rečeno smanjuje pet puta. Ako ćemo modul koristiti na pločama sa logikom na 3,3 volta, maksimalni ulazni napon ne bi smeo biti veći od 16,5 volti. Modul sa druge strane na sebi ima plus, minus i S pinove gde je plus N/C, što će reći da se ne koristi. Minus povezujemo na GND, a S na neki od analognih pinova, u našem slučaju A2. Dodali smo i Oled ekran uz MassDuino Nano koji radi na pet volti.

#include <SPI.h>

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define OLED_RESET 4

Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);

int voltageInput = A2;

float vout = 0.0;

float vin = 0.0;

float R1 = 30000.0;

float R2 = 7500.0;

int value = 0;

void setup() {

Serial.begin(9600);

display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3c);

display.clearDisplay();

display.display();

}

void loop() {

value = analogRead(voltageInput);

vout = (value*5.0)/1024.0;

vout = vout – 0.16;

vin = vout/(R2/(R1+R2));

Serial.println(value);

Serial.println(vout);

Serial.println(vin);

display.clearDisplay();

display.setTextSize(2);

display.setTextColor(WHITE);

display.setCursor(0,0);

display.print("INPUT");

display.setCursor(0,25);

display.print("V= ");

display.print(vin,2);

display.display();

}

Bez obzira da li koristili otpornike u gotovom projektu ili na prototipskoj ploči, ili B25 modul, postavka skeča je ista. Pored dodavanja biblioteka i pravljenja objekata, za R₁ i R₂ dodeljujemo vrednosti samih otpornika u našem kolu u omima. O OLED ekranima je već bilo reči na stranicama SK LABS, tako da taj deo nećemo pojašnjavati. U loop funkciji čitamo analogni pin A2 i konvertujemo analognu u digitalnu vrednost uz dodatnu kalibraciju. Nakon toga, obrnutom jednačinom dolazimo do vrednosti ulaznog napona na našem naponskom razdelniku.

Ima dosta primera gde naponski razdelnici, osim voltmetra, imaju primenu. Mogu se koristiti kao pomerači napona (level shifters) kada kombinujemo ploče i aktuatore koji rade na različitim naponima. Osim za termistore, koriste se na isti način i za senzore svetla, rezistivne senzore u raznim uređajima, zapravo ima ih svuda oko nas. Na kraju, važna napomena: Arduino nema referentni napon samog ADC-a, što će reći da pet posto razlike u napajanju samog Arduina znači i pet posto razlike u očitavanju ulaznog napona preko naponskog razdelnika. U našem slučaju smo korigovali V_out za -0,16 da bismo dobili tačna očitavanja. Razlog netačnom očitavanju može biti i tolerancija samih otpornika koja može da ide i do +-10% od nominalne vrednosti, što i te kako može da utiče na krajnje očitavanje. Kod aksijalnih (valjkastih) otpornika o stepenu tolerancije nam govori četvrti prsten u boji.

Dejan PETROVIĆ