分壓電路以兩顆電阻將較高的電壓按比例降低,常見於量測電池電壓、把 5 V 訊號降為 3.3 V,或提供類比參考電壓。本工具提供兩種模式:已知電阻求輸出電壓,以及依目標電壓自動挑選最接近的 E24 標準電阻組合。
計算方式
R1 接在輸入電壓與輸出端之間,R2 接在輸出端與接地之間:
Vout = Vin × R2 ÷ (R1 + R2)
例如 Vin = 5 V、R1 = 10 kΩ、R2 = 20 kΩ:Vout = 5 × 20 ÷ 30 ≈ 3.33 V,電路持續消耗約 0.17 mA。
挑選模式會在 E24 標準值中搜尋 R2,依比例計算所需的 R1 並取最接近的標準值,再列出輸出誤差最小的三組。誤差相同時,優先列出總阻值接近 20 kΩ 的組合。
選擇阻值大小的考量
- 阻值太小:電流大、耗電,對電池供電的裝置不利。
- 阻值太大:容易受後級負載與雜訊影響。微控制器的 ADC 輸入通常建議訊號源阻抗不要太高;以 ATmega328P(Arduino UNO)為例,規格書建議 10 kΩ 以下,超過時可在 ADC 腳位加一顆小電容(例如 0.1 µF)對地穩定讀值。
- 接上負載後電壓會下降:後級電路的輸入阻抗與 R2 並聯,等效的下方電阻變小。負載電流不可忽略時,分壓電路不適合當電源,請改用穩壓器。
常見用途
- 量測電池電壓:例如 2 顆 18650 串聯(滿電約 8.4 V),經分壓降到 5 V 以下,再送入 Arduino 類比腳位。
- 5 V 轉 3.3 V 邏輯(單向、低速):以 R1 = 10 kΩ、R2 = 20 kΩ 將 5 V 輸出降為約 3.3 V,供 ESP32 等 3.3 V 晶片讀取。高速或雙向訊號(例如 I²C)應改用電平轉換模組。
實際算例
範例一:ESP32 量測標稱 12 V 電池
假設電池最高電壓為 14.4 V,希望在 12 V 時分壓至約 2.5 V。R1 接電池正端與量測點,R2 接量測點與接地。先選 R2=10 kΩ,由 Vout=Vin × R2 ÷ (R1+R2) 整理得 R1=10 × (12 ÷ 2.5 − 1)=38 kΩ,改選 E24 標準值 39 kΩ。
代回計算,12 V 時 Vout=12 × 10 ÷ 49=2.44898 V,約 2.449 V;相對 2.5 V 的誤差約 −2.04%。分壓電流=12 ÷ 49000=0.24490 mA。最高 14.4 V 時,輸出=14.4 × 10 ÷ 49=2.93878 V,電流約 0.29388 mA。
以最高電壓計算,兩顆功率分別為 P=I² × R:R1 約 3.37 mW、R2 約 0.864 mW,各選 1/8 W 即有充足餘裕。仍須依 ESP32 型號與 ADC 衰減設定確認可量測範圍,並將電阻公差納入最高輸出檢查;3.3 V 供電不代表 ADC 全範圍都能準確量測。
範例二:5 V 低速訊號降至約 3.3 V
已知 Vin=5 V、目標 3.3 V,選 E24 的 R1=5.1 kΩ、R2=10 kΩ。總阻值為 15.1 kΩ,輸出=5 × 10 ÷ 15.1=3.31126 V;相對目標誤差=(3.31126 ÷ 3.3 − 1) × 100%,約 +0.34%。
電流=5 ÷ 15100=0.33113 mA;R1、R2 功率分別約 0.559 mW、1.10 mW,各選 1/8 W 即可。這是後級負載可忽略時的結果;接收端須共地,並確認其輸入電壓限制與邏輯準位。
常見錯誤
- 上下電阻放反:公式分子是接地側的 R2,交換後分壓比例會改變。
- 只算電池標稱電壓:應以最高可能電壓檢查輸入限制。
- 把分壓當電源:負載會與 R2 並聯,使輸出下降,不適合直接供電給模組。
- 只提高阻值來省電:過高的訊號源阻抗可能影響 ADC 取樣,也不宜直接套用於高速或雙向訊號。
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