ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ มีหลายสถานการณ์ที่วงจรต้องการแหล่งจ่ายแรงดันและกระแสที่มีค่าแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น เมื่อตั้งค่าแรงดันไฟเลี้ยงสำหรับ Op-Amp มักจะใช้วงจรแบ่งแรงดันเพื่อให้ได้ค่าแรงดันที่ต้องการ แต่ถ้าเราต้องการกระแสที่มีค่าเฉพาะล่ะ? เช่นเดียวกับวงจรแบ่งแรงดัน ก็มีวงจรอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่าวงจรแบ่งกระแสซึ่งสามารถใช้แบ่งกระแสทั้งหมดออกเป็นหลายส่วนภายในวงจรปิดได้ ดังนั้นในบทเรียนนี้ เราจะเรียนรู้วิธีการสร้างวงจรแบ่งกระแสอย่างง่ายโดยใช้วิธีการต้านทาน (โดยใช้ตัวต้านทานเท่านั้น) โปรดทราบว่าก็สามารถสร้างวงจรแบ่งกระแสโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำได้เช่นกัน และการทำงานของวงจรทั้งสองจะเหมือนกัน

หลักการทำงานของวงจรแบ่งกระแสไฟฟ้า

ตัวต้านทานเป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่ใช้กันมากที่สุดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และการสร้างวงจรแบ่งกระแสโดยใช้ตัวต้านทานนั้นทำได้ง่ายมาก วงจรแบ่งกระแสเป็นวงจรเชิงเส้นที่แบ่งกระแสทั้งหมดที่ไหลเข้าสู่วงจร และสร้างการแบ่งหรือผลิตกระแสเศษส่วนของกระแสทั้งหมด

ตามกฎการแบ่งกระแสกระแสที่ไหลผ่านสาขาขนานใดๆ ของวงจรจะเท่ากับผลคูณของกระแสรวมและอัตราส่วนของความต้านทานของสาขาตรงข้ามต่อความต้านทานรวม ดังนั้น ด้วยกฎการแบ่งกระแส เราสามารถคำนวณกระแสที่ไหลผ่านสาขาหนึ่งได้ หากเรารู้กระแสรวมและค่าความต้านทานของสาขาอื่นๆ เราจะทำความเข้าใจเรื่องนี้เพิ่มเติมในส่วนต่อไป

วงจรแบ่งกระแสสามารถสร้างได้ง่ายๆ โดยใช้กฎกระแสของเคิร์ชฮอฟฟ์ (KCL)และกฎของโอห์มมาดูกันว่าการแบ่งกระแสนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรในวงจรตัวต้านทานที่ต่อขนานกัน

ในภาพด้านบน ตัวต้านทาน 1 โอห์มสองตัวต่อขนานกัน คือ R1 และ R2 ตัวต้านทานทั้งสองนี้แบ่งกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว เนื่องจากแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานทั้งสองเท่ากัน กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัวจึงสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรตัวแบ่งกระแส

ดังนั้น กระแสรวมทั้งหมดคือI _Total = I _R1 + I _R2ตามกฎกระแสของเคิร์ชฮอฟฟ์

ในการหาค่ากระแสของตัวต้านทานแต่ละตัว เราใช้กฎของโอห์ม I = V/R กับตัวต้านทานแต่ละตัว ในกรณีเช่นนี้

IR1 = V / R1 and IR2 = V / R2

ดังนั้น ถ้าเราใช้ค่าเหล่านี้ในสมการ I _Total = I _R1 + I _R2กระแสรวมจะเป็นดังนี้

Total Current = V / R1 + V / R2
= V (1 / R1 + 1 / R2)

ดังนั้น,

V = Itotal (1 / R1 + 1 / R2)-1
= Itotal (R1R2 / R1+R2)

ดังนั้น ถ้าเราสามารถคำนวณความต้านทานรวมและกระแสรวมได้แล้ว เราก็สามารถใช้สูตรข้างต้นเพื่อหาค่ากระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานได้สูตรกฎการแบ่งกระแสเพื่อคำนวณกระแสที่ไหลผ่าน R1 สามารถเขียนได้ดังนี้

IR1 = V / R1
= Itotal [(1 / R1) / (1 / R1 + 1 / R2)]
IR1 = Itotal (R2 / (R1 + R2))

ในทำนองเดียวกันสูตรกฎการแบ่งกระแสในปัจจุบันสำหรับการคำนวณกระแสที่ไหลผ่าน R2 สามารถเขียนได้ดังนี้

IR2 = V / R2
= Itotal [(1 / R2) / (1 / R1 + 1 / R2)]
IR2 = Itotal (R1 / (R1 + R2))

ดังนั้น ในกรณีที่ตัวต้านทานมีมากกว่าสองตัว จำเป็นต้องคำนวณความต้านทานรวมหรือความต้านทานเทียบเท่า เพื่อหาค่ากระแสที่แบ่งในแต่ละตัวต้านทานโดยใช้สูตร

I = V / R

การทดสอบวงจรแบ่งกระแสในฮาร์ดแวร์

มาดูกันว่าตัวแบ่งกระแสในปัจจุบันนี้ทำงานอย่างไรในสถานการณ์จริง

ในแผนผังวงจรข้างต้น มีตัวต้านทานสามตัวที่ต่อกับแหล่งจ่ายกระแสคงที่ขนาด 1A ตัวต้านทานทุกตัวมีค่าความต้านทาน 1 โอห์ม ดังนั้น R1 = R2 = R3 = 1 โอห์ม

วงจรนี้ได้รับการทดสอบบนแผงวงจรทดลองโดยการต่อตัวต้านทานทีละตัวแบบขนานกับแหล่งจ่ายกระแสคงที่ 1A ที่ต่อคร่อมวงจร คุณยังสามารถตรวจสอบวงจรแหล่งจ่ายกระแสคงที่แบบง่าย นี้ เพื่อเรียนรู้วิธีการทำงานของแหล่งจ่ายกระแสและวิธีการสร้างวงจรด้วยตนเองได้ ในภาพด้านล่าง ตัวต้านทานเพียงตัวเดียวต่อคร่อมวงจร

เมื่อต่อตัวต้านทานเข้ากับมัลติมิเตอร์ กระแสไฟฟ้าจะแสดงค่า 1A จากนั้นจึงต่อตัวต้านทานขนาด 1 โอห์มตัวที่สองเข้าไป กระแสไฟฟ้าลดลงเหลือครึ่งหนึ่ง ประมาณ 500mA ในตัวต้านทานแต่ละตัว ดังแสดงในภาพด้านล่าง

ทำไมจึงเกิดเหตุการณ์เช่นนี้? มาหาคำตอบกันโดยใช้การคำนวณวงจรแบ่งกระแส เมื่อตัวต้านทาน 1 โอห์มสองตัวต่อขนานกัน ความต้านทานรวมจะเป็น -

REquivalent = (1 / (1 / R1 + 1 / R2))
= (1 / (1 / 1 + 1 / 1)
= 0.5 Ohms

ดังนั้น เมื่อต่อตัวต้านทาน 1 โอห์มสองตัวแบบขนาน ความต้านทานรวมจึงกลายเป็น 0.5 โอห์ม ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน R1 จึงเป็น

IR1 = Itotal (Requivalent / R1)
IR1 = 1A (0.5 Ohms / 1 Ohms)
= 0.5 Amps

กระแสไฟฟ้าปริมาณเท่ากันไหลผ่านตัวต้านทานอีกตัวหนึ่ง เนื่องจาก R2 เป็นตัวต้านทาน 1 โอห์มตัวเดียวกัน และกระแสไฟฟ้าคงที่จนถึง 1 แอมป์ มัลติมิเตอร์แสดงค่าประมาณ 0.5 แอมป์ ซึ่งไหลผ่านตัวต้านทานทั้งสองตัว

ตอนนี้ได้ต่อตัวต้านทานขนาด 1 โอห์มเพิ่มเข้าไปในวงจรแล้ว มัลติมิเตอร์แสดงค่ากระแสไฟฟ้าประมาณ 0.33 แอมป์ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว

เนื่องจากมีตัวต้านทานสามตัวต่อขนานกัน เรามาหาค่าความต้านทานรวมของตัวต้านทานทั้งสามตัวที่ต่อขนานกันนี้กัน

Requivalent = (1 / (1/R1 + 1/R2 + 1/R3))
Requivalent = (1 / (1/1 + 1/1 + 1/1))
Requivalent = 1 / 3
Requivalent = 0.33 Ohms

ทีนี้ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว

IR = Itotal (Requivalent / R1)
IR = 1 Amp x (0.33 Ohms / 1 Ohms)
IR = 0.33 Amp

มัลติมิเตอร์แสดงค่ากระแสไฟฟ้าประมาณ 0.33 แอมป์ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว เนื่องจากตัวต้านทานทุกตัวมีค่า 1 โอห์ม และต่ออยู่ในวงจรที่กระแสไฟฟ้าคงที่ 1 แอมป์ คุณสามารถดูวิดีโอท้ายหน้าเพื่อตรวจสอบวิธีการทำงานของวงจรได้เช่นกัน

การใช้งานตัวแบ่งกระแสในปัจจุบัน

การใช้งานหลักของตัวแบ่งกระแสคือการสร้างกระแสเพียงเศษส่วนของกระแสทั้งหมดที่มีอยู่ในวงจร อย่างไรก็ตาม ในบางกรณี ชิ้นส่วนที่ใช้เป็นตัวนำกระแสอาจมีข้อจำกัดว่ากระแสจะไหลผ่านได้มากแค่ไหน กระแสเกินจะทำให้เกิดความร้อนสูงขึ้น และลดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนลง การใช้ตัวแบ่งกระแสจะช่วยลดกระแสที่ไหลผ่านชิ้นส่วน ทำให้สามารถใช้ชิ้นส่วนที่มีขนาดเล็กลงได้

ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่ต้องการตัวต้านทานที่มีกำลังวัตต์สูงกว่า การต่อตัวต้านทานหลายตัวแบบขนานจะช่วยลดการกระจายความร้อน และตัวต้านทานที่มีกำลังวัตต์ต่ำกว่าก็สามารถทำงานได้เช่นเดียวกัน