Como exatamente um divisor de tensão em série funciona?

Peço desculpas se isso se resume a uma falta de entendimento fundamental do fluxo elétrico, o que provavelmente acontece. Quando olho para isso:

Não entendo por que o Z2 é fatorado no Vout - até onde eu sei, a corrente deve se ramificar antes de chegar ao Z2. A corrente vai direto da entrada para o solo e depois volta e se espalha?

Como exatamente um divisor de tensão em série funciona?

Receio que o circuito, conforme traçado, seja confuso para aqueles que estão aprendendo os fundamentos. Embora não seja aparente, as duas impedâncias são conectadas em série, o que significa que toda a corrente através$Z_1$ através $Z_2$ - não há ramificação antes de chegar ao $Z_2$. Isso é crucial para entender a equação do divisor de tensão.

Vamos redesenhar o circuito para enfatizar a conexão em série:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Claramente, este é um circuito conectado em série e a corrente em série é apenas

Pela lei de Ohm, a tensão através de um resistor é produto da corrente e da resistência. Assim, a tensão através de cada resistor é dada por

Esta é a divisão de tensão e esse resultado depende crucialmente do fato de os resistores serem conectados em série, de modo que tenham uma corrente de corrente idêntica.

Agora, se a saída do nosso circuito é a tensão através$R_2$, podemos rotular o nó no qual os dois resistores se conectam como $V_{out}$ como no esquema da sua pergunta.

E, podemos não desenhar a fonte de tensão de entrada explicitamente como no seu esquema.

Uma última coisa, se anexarmos outro circuito em paralelo com $R_2$ de modo que parte da corrente através $R_1$'ramifica-se' por esse caminho, as equações do divisor de tensão derivadas acima não são mais válidas .

No entanto, poderíamos explicar esse circuito externo substituindo $R_2$ nas equações acima com $R_{EQ}$ Onde

e $R_L$ é a resistência equivalente do circuito externo.

Seu raciocínio é um problema com divisores de tensão, mas não pelo motivo que você acredita.

Se assumirmos que o circuito conectado a V _out possui impedância infinita, toda a corrente de V _in flui através de Z ₁ e consequentemente Z ₂ . À medida que a corrente flui através de cada um dos resistores, uma diferença de tensão se desenvolve através deles, proporcional à razão entre suas resistências e o total (Lei de Ohm). Esta queda de tensão existe quer medir-se ou não, e que detém V _{para fora} a uma certa voltagem acima do solo. Esta é a operação básica de um divisor de tensão.

O problema que quase tocam é que V _fora que não têm impedância infinita. Alguns corrente faz passar para fora do nó no circuito ligado, e isto reduz a queda de tensão através Z ₂ . É por isso que os divisores de tensão não podem ser usados ​​como reguladores de tensão para algo mais complexo que um FET ou diodo.

Usando a analogia da água, imagine que você tenha uma mangueira de 50 pés de diâmetro de meia polegada presa a uma mangueira em uma extremidade, que a outra extremidade esteja tampada e que haja um manômetro na mangueira, outra na extremidade tampada da mangueira. mangueira e outra no meio da mangueira.

Agora imagine que o babador da mangueira esteja aberto e que o medidor no babador da mangueira leia 50 PSI.

Como a outra extremidade da mangueira está tampada, não pode haver fluxo de água através da mangueira, e os outros medidores também terão 50 PSI.

Da mesma forma, se eu conectar dois resistores em série, conecte uma extremidade da string a uma fonte de alimentação de 50 volts e deixe a outra extremidade flutuar, voltímetros conectados à extremidade da fonte de alimentação da string, à junção dos resistores e à a extremidade flutuante da sequência lerá 50 volts porque não há retorno ao suprimento e, portanto, não há fluxo de carga através da sequência.

Agora, destrave a mangueira.

A água fluirá através dele e, como não há nada retendo a água na extremidade sem tampa, esse medidor exibirá 0 PSI.

Supondo que não haja perdas atrás do babador, a pressão no babador permanecerá em 50 PSI e, em seguida, com a outra extremidade da mangueira em 0 PSI, o manômetro no meio da mangueira deve indicar 25 PSI.

Com dois resistores de valor igual na coluna, quando a extremidade flutuante da coluna retornar à carga de suprimento, ela fluirá através da coluna.

Então, supondo que não haja queda de tensão na saída carregada da fonte, o voltímetro na extremidade da coluna exibirá 50 volts, aquele na extremidade de retorno da coluna exibirá zero volts e aquele na junção dos resistores vai ler 25 volts.

Primeiro de tudo, você deve perceber que não há como voltar atrás. A corrente devido a tensões CC é sempre unidirecional e no circuito em que você forneceu fluxos de corrente

Aqui, a filial em $V_{out}$está aberto (significando impedância infinita). Portanto, como o caminho do circuito não está completo dessa maneira ideal, nenhuma corrente se ramifica.

É exatamente por isso que os dispositivos de medição de tensão (como o voltímetro) têm alta impedância. Sempre que você conectar um dispositivo de alta resistência (características gerais das cargas) entre$V_{out}$ e $ground$ a corrente vê um caminho de resistência mais baixo via $Z_2$ e escolhe.

Obviamente, algumas correntes também vazam para carregar, causando uma possível queda. Para calcular a queda, você deve considerar uma resistência equivalente a$Z_2$ e $Z_{load}$ (resistência de carga) em paralelo e substitua o $Z_2$no circuito acima com a resistência equivalente calculada. Agora você tem um divisor de potencial simples onde$V_{out}$ pode ser calculado como

Certamente, $V_{out}$ sem carga será maior que a carga com alguma resistência finita.