전압 분배기

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전압 분배기

전압 분배기 회로는 공통 전압 소스에서 서로 다른 전압 레벨을 생성하는 데 사용되지만 전류는 직렬 회로의 모든 구성 요소에 대해 동일합니다.

전압 분배기는 공통 공급 전압과 다른 전압 레벨을 제공하는 데 유용합니다. 이 공통 공급 장치는 공통 지점 또는 접지(보통 0V)에 대해 +5V, +12V, -5V 또는 -12V 등과 같이 양극 또는 음극의 단일 공급 장치일 수 있거나 이중 공급 장치에 걸쳐 있을 수 있습니다. (예: ±5V, ±12V 등)

전압 분배기는 전위 분배기라고도 합니다. 왜냐하면 전압 단위인 "Volt"는 두 지점 사이의 전위차 의 양을 나타내기 때문입니다 . 전압 또는 전위 분배기는 직렬로 연결된 구성 요소 전체에 걸쳐 전압 강하 효과를 활용하는 간단한 수동 회로입니다.

슬라이딩 접점이 있는 가변 저항기인 전위차계는 터미널 전체에 전압을 적용하고 슬라이딩 접점의 기계적 위치에 비례하여 출력 전압을 생성할 수 있으므로 전압 분배기의 가장 기본적인 예입니다. 그러나 직렬로 함께 연결할 수 있는 2단자 구성 요소인 개별 저항기, 커패시터 및 인덕터를 사용하여 전압 분배기를 만들 수도 있습니다.

저항성 전압 분배기

수동 전압 분배기 네트워크의 가장 간단하고 이해하기 쉬우며 가장 기본적인 형태는 두 개의 저항이 직렬로 연결된 형태입니다. 이 기본 조합을 통해 전압 분배기 규칙을 사용하여 각 직렬 저항기의 전압 강하를 계산할 수 있습니다.

 

저항성 전압 분배기

여기서 회로는 직렬로 함께 연결된 두 개의 저항기( R 1 및 R 2 ) 로 구성됩니다 . 두 개의 저항이 직렬로 연결되어 있으므로 더 이상 갈 곳이 없기 때문에 동일한 값의 전류가 회로의 각 저항 요소를 통해 흘러야 합니다. 따라서 각 저항 요소에 걸쳐 I*R 전압 강하를 제공합니다.

이 직렬 조합 에 공급 또는 소스 전압 VS 를 적용하면 키르히호프의 전압 법칙(KVL)을 적용할 수 있으며 옴의 법칙을 사용하여 공통 전류 측면에서 파생된 각 저항에 걸쳐 떨어지는 전압을 찾을 수 있습니다 . . 따라서 직렬 네트워크를 통해 흐르는 전류(I)를 풀면 다음이 제공됩니다.

 

직렬 네트워크를 통해 흐르는 전류는 옴의 법칙에 따라 간단히 I = V/R 입니다 . 전류는 두 저항기 모두에 공통이므로(I R1 = I R2 ) 위 직렬 회로에서 저항기 R 2 에 걸쳐 떨어지는 전압을 다음과 같이 계산할 수 있습니다 .

 

마찬가지로 저항기 R1 의 경우 다음과 같습니다.

전압 분배기 예 No1

직렬 조합의 공급 전압이 12V DC일 때 40Ω 저항기와 직렬로 연결된 20Ω 저항기를 통해 흐르는 전류의 양은 얼마입니까? 또한 각 저항에 걸쳐 생성된 전압 강하를 계산합니다.

 

각 저항은 공급 전압 전반에 걸쳐 저항 값과 비례적으로 동일한 I*R 전압 강하를 제공합니다. 전압 분배기 비율 규칙을 사용하면 가장 큰 저항이 가장 큰 I*R 전압 강하를 생성한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 R1 = 4V 이고 R2 = 8V 이다 . 키르히호프의 전압 법칙을 적용하면 저항 회로 주위의 전압 강하의 합이 4V + 8V = 12V처럼 공급 전압과 정확히 동일하다는 것을 알 수 있습니다.

동일한 값, 즉 R 1  = R 2 인 두 개의 저항을 사용 하는 경우 전압 분배기 비율이 50%이므로 각 저항에서 강하되는 전압은 직렬로 연결된 두 저항에 대한 공급 전압의 정확히 절반이 됩니다.

전압 분배기 네트워크의 또 다른 용도는 가변 전압 출력을 생성하는 것입니다. 저항 R 2 를 가변 저항(전위차계)으로 교체하면 R 2 양단의 전압 강하 로 인해 V OUT은 전위차계 와이퍼의 위치에 따라 달라지는 양으로 제어될 수 있으므로 두 저항 값의 비율은 다음과 같습니다. 하나의 고정 저항과 하나의 가변 저항이 있습니다. 전위차계, 트리머, 가변 저항 및 가변 장치는 모두 가변 전압 분배 장치의 예입니다.

고정 저항기 R2 를 광 의존 저항기 (LDR)와 같은 센서로 교체함으로써 가변 전압 분할에 대한 아이디어를 한 단계 더 발전시킬 수도 있습니다 . 따라서 센서의 저항 값이 조도의 변화에 ​​따라 변하므로 출력 전압 V OUT 도 그에 비례하여 변합니다. 서미스터와 스트레인 게이지는 저항성 센서의 다른 예입니다.

위의 두 가지 전압 분배 표현은 동일한 공통 전류와 관련되므로 수학적으로 서로 관련되어야 합니다. 따라서 직렬 네트워크를 형성하는 개별 저항기 수에 관계없이 특정 저항기에 걸쳐 떨어지는 전압은 다음과 같이 지정됩니다.

전압 분배기 방정식

 

여기서, VR R(x) 는 저항기의 전압 강하이고, R X 는 저항기의 값이며, R T 는 직렬 네트워크의 총 저항입니다. 이 전압 분배기 방정식은 각 저항 R 과 해당 전압 강하 V 사이의 비례 관계로 인해 함께 연결된 여러 직렬 저항에 사용할 수 있습니다 . 그러나 이 방정식은 추가 저항 부하 연결이나 병렬 분기 전류가 없는 무부하 전압 분배기 네트워크 에 대해 제공됩니다.

전압 분배기 예 No2

6kΩ, 12kΩ 및 18kΩ의 3개 저항 요소는 36V 공급 장치에서 직렬로 함께 연결됩니다. 총 저항, 회로 주위에 흐르는 전류 값, 각 저항기의 전압 강하를 계산합니다.

 

주어진 데이터: V S  = 36V, R 1  = 6kΩ, R 2  = 12kΩ 및 R 3  = 18kΩ

전압 분배기 회로

 

3개 저항기 모두의 전압 강하는 키르히호프의 전압 법칙(KVL)에 정의된 공급 전압까지 합산되어야 합니다. 따라서 전압 강하의 합은 다음과 같습니다. V T = 6 V + 12 V + 18 V = 36.0 V 동일한 공급 전압 값 V S 도 마찬가지입니다. 가장 큰 저항이 가장 큰 전압 강하를 생성한다는 점에 다시 한 번 주목하십시오.

분배기 네트워크의 전압 태핑 포인트

전압 소스 V S 에 연결된 일련의 긴 저항기를 생각해 보십시오 . 직렬 네트워크를 따라 서로 다른 전압 태핑 지점 A , B , C , D 및 E 가 있습니다 .

총 직렬 저항은 개별 직렬 저항 값을 간단히 합산하여 총 저항 RT 값 15kΩ을 제공 하여 찾을 수 있습니다. 이 저항 값은 공급 전압 V S 에 의해 생성된 회로를 통한 전류 흐름을 제한합니다 .

저항기 전체의 개별 전압 강하는 위의 방정식을 사용하여 구합니다. 따라서 V R1 = V AB , V R2 = V BC , V R3 = V CD , V R4 = V DE 입니다.

각 태핑 지점의 전압 레벨은 접지(0V)를 기준으로 측정됩니다. 따라서 지점 D 의 전압 레벨은 V DE 와 같고 , 지점 C 의 전압 레벨은 V CD + V DE 와 같습니다 . 즉, C 지점의 전압은 R 3 과 R 4 양단의 두 전압 강하의 합입니다 .

따라서 적절한 저항 값 세트를 선택하면 단일 공급 전압에서 얻은 비례 전압 값을 갖는 일련의 전압 강하를 생성할 수 있다는 것을 알 수 있기를 바랍니다. 또한 이 예에서는 전압 공급 장치의 음극 단자인 V S가 접지되어 있으므로 각 출력 전압 지점의 값은 양수입니다.

전압 분배기 예 No3

1. 직렬 연결된 저항 네트워크가 15V DC 공급 장치에 연결된 경우 위의 전압 분배기 회로의 각 탭핑 지점에 대한 무부하 전압 출력을 계산합니다.

 

2. 지점 B 와 E 사이에서 출력되는 무부하 전압을 계산합니다 .

 

네거티브 및 포지티브 전압 분배기

위의 간단한 전압 분배기 회로에서는 모든 출력 전압이 공통의 0전압 접지점에서 참조되지만 때로는 단일 소스 전압 공급 장치에서 양의 전압과 음의 전압을 모두 생성해야 하는 경우도 있습니다. 예를 들어 공통 기준 접지 단자를 기준으로 컴퓨터 PSU의 다양한 전압 레벨(-12V, +3.3V, +5V 및 +12V)이 있습니다.

전압 분배기 예 No4

옴의 법칙을 사용하여 무부하 전압 분배기 회로에 공급되는 총 전력이 -12V, +3.3V, +5V 및 +12V의 전압 레벨을 생성하는 데 필요한 저항기 R 1 , R 2 , R 3 및 R 4 의 값을 구합니다 . DC 24볼트, 60와트입니다.

 

이 예에서는 공급 장치 전반에 걸쳐 전압 분배기 네트워크를 유지하면서 필요한 양극 및 음극 전압을 생성하기 위해 0전압 접지 기준점이 이동되었습니다. 따라서 4개의 전압은 모두 이 공통 기준점을 기준으로 측정되어 D 점은 접지에 대해 -12V의 필수 음전위가 됩니다.

지금까지 우리는 직렬 저항 회로를 사용하여 전자 회로에서 널리 사용할 수 있는 전압 분배기 또는 전위 분배기 네트워크를 만들 수 있다는 것을 살펴보았습니다. 직렬 저항에 대해 적절한 값을 선택하면 입력 또는 공급 전압보다 낮은 출력 전압 값을 얻을 수 있습니다. 그러나 저항과 DC 공급 전압을 사용하여 저항성 전압 분배기 네트워크를 생성하는 것 외에도 커패시터(C)와 인덕터(L)를 사용할 수도 있지만 정현파 AC 공급 장치에서는 커패시터와 인덕터가 반응성 구성 요소입니다. 저항은 전류의 흐름에 "반응"합니다.

용량성 전압 분배기

이름에서 알 수 있듯이 용량성 전압 분배기 회로는 공통 AC 공급 장치에 직렬로 연결된 커패시터 전체에 전압 강하를 생성합니다. 일반적으로 용량성 전압 분배기는 매우 높은 전압을 "강압"하여 보호 또는 측정에 사용할 수 있는 낮은 전압 출력 신호를 제공하는 데 사용됩니다. 요즘에는 휴대폰과 태블릿에 사용되는 디스플레이 장치와 터치 스크린 기술에 고주파 용량성 전압 분배기가 더 많이 사용됩니다.

AC 및 DC 전원 모두에서 작동하는 저항성 전압 분배 회로와 달리 커패시터를 사용한 전압 분배는 정현파 AC 전원에서만 가능합니다. 이는 직렬로 연결된 커패시터 사이의 전압 분배가 AC 전원의 주파수에 따라 달라지는 커패시터의 리액턴스 X C를 사용하여 계산되기 때문입니다.

AC 회로의 커패시터 에 대한 튜토리얼에서 용량성 리액턴스 XC ( 옴 단위로 측정)는 주파수와 용량 모두에 반비례하므로 다음 방정식으로 제공된다는 점을 기억합니다.

용량성 리액턴스 공식

• 어디:
•    Xc = 용량성 리액턴스(Ω), (Ω)
•    π (파이) = 3.142의 숫자 상수
•    f = 주파수(Hz), (Hz)
•    C = 정전용량(패럿), (F)

따라서 AC 전원의 전압과 주파수를 알면 개별 커패시터의 리액턴스를 계산하고 이를 저항성 전압 분배기 규칙에 대한 위의 방정식으로 대체하고 표시된 대로 각 커패시터에서 해당 전압 강하를 얻을 수 있습니다.

용량성 전압 분배기

 

위의 직렬 회로에서 10uF와 22uF의 두 커패시터를 사용하여 100V, 50Hz rms 공급 장치에 연결되었을 때 리액턴스 측면에서 각 커패시터의 rms 전압 강하를 계산할 수 있습니다.

 

순수 커패시터를 사용하는 경우 모든 직렬 전압 강하의 합은 직렬 저항의 경우와 마찬가지로 소스 전압과 같습니다. 각 커패시터의 전압 강하량은 리액턴스에 비례하고 커패시턴스에 반비례합니다.

결과적으로 더 작은 10uF 커패시터는 더 많은 리액턴스(318.3Ω)를 가지므로 각각 144.7Ω의 리액턴스와 31V의 전압 강하를 갖는 더 큰 22uF 커패시터에 비해 69V의 더 큰 전압 강하를 갖습니다. 직렬 회로의 전류 IC는 216mA 이며 C1 과 C2가 직렬 로 연결된 경우 와 동일한 값입니다 .

용량성 전압 분배기 회로 에 대한 마지막 요점 은 순전히 용량성인 직렬 저항이 없는 한 69V와 31V의 두 커패시터 전압 강하는 산술적으로 100V의 공급 전압과 동일하다는 것입니다. 커패시터는 서로 동상입니다. 어떤 이유로든 두 전압이 서로 위상이 맞지 않으면 키르히호프의 전압 법칙을 사용하는 것처럼 간단히 추가할 수 없으며 대신 두 파형의 페이저 추가가 필요합니다.

유도성 전압 분배기

이름에서 알 수 있듯이 유도 전압 분배기는 공통 AC 공급 장치에 직렬로 연결된 인덕터 또는 코일 전체에 전압 강하를 생성합니다. 유도성 전압 분배기는 두 개의 섹션으로 나누어진 단일 권선 또는 코일로 구성될 수 있으며, 출력 전압은 섹션 중 하나 또는 함께 연결된 두 개의 개별 코일에서 가져옵니다. 유도성 전압 분배기의 가장 일반적인 예는 2차 권선을 따라 여러 태핑 지점이 있는 자동 변압기 입니다.

정상 상태 DC 공급 장치 또는 0Hz에 가까운 매우 낮은 주파수를 갖는 정현파와 함께 사용할 경우 인덕터는 단락 회로로 작동합니다. 이는 리액턴스가 거의 0이어서 DC 전류가 쉽게 통과할 수 있기 때문입니다. 따라서 이전 용량성 전압 분배기 네트워크와 마찬가지로 사인파 AC 공급 장치를 사용하여 유도성 전압 분배를 수행해야 합니다. 직렬 연결된 인덕터 사이의 유도 전압 분배는 용량 성 인덕턴스 와 마찬가지로 인덕터의 리액턴스 X L 을 사용하여 계산할 수 있으며 AC 전원의 주파수에 따라 달라집니다.

AC 회로의 인덕터 에 대한 튜토리얼에서 유도 리액턴스 X L (옴 단위로 측정됨)은 주파수와 인덕턴스에 비례하므로 공급 주파수가 증가하면 인덕터 리액턴스가 증가한다는 것을 확인했습니다 . 따라서 유도성 리액턴스 는 다음과 같이 정의됩니다.

유도성 리액턴스 공식

• 어디:
•    X L = 유도성 리액턴스(Ω), (Ω)
•    π (파이) = 3.142의 숫자 상수
•    f = 주파수(Hz), (Hz)
•    L = 헨리 단위의 인덕턴스, (H)

AC 전원의 전압과 주파수를 알고 있다면 두 인덕터의 리액턴스를 계산하고 이를 전압 분배기 규칙과 함께 사용하여 그림과 같이 각 인덕터의 전압 강하를 얻을 수 있습니다.

유도성 전압 분배기

 

위의 직렬 회로에서 10mH와 20mH의 두 인덕터를 사용하여 60V, 200Hz rms 공급 장치에 연결되었을 때 리액턴스 측면에서 각 커패시터의 rms 전압 강하를 계산할 수 있습니다.

 

이전의 저항성 및 용량성 전압 분할 회로와 마찬가지로 직렬 저항이 없는 한 인덕터 전체의 모든 직렬 전압 강하의 합은 소스 전압과 동일합니다. 순수 인덕터를 의미합니다. 각 인덕터의 전압 강하량은 리액턴스에 비례합니다.

결과적으로 더 작은 10mH 인덕터는 더 적은 리액턴스(12.56Ω)를 가지므로 각각 25.14Ω의 리액턴스와 40V의 전압 강하를 갖는 더 큰 20mH 인덕터에 비해 30V에서 전압 강하가 더 적습니다. 직렬 회로의 전류 I L 은 1.6mA이며, 이 두 인덕터가 직렬로 연결되어 있으므로 L 1 및 L 2 에 대해 동일한 값이 됩니다 .

전압 분배기 요약

여기서는 전압 분배기 또는 네트워크가 매우 일반적이고 유용한 회로 구성이므로 단일 전압 공급 장치에서 다양한 전압 레벨을 생성할 수 있으므로 서로 다른 동작에서 작동하는 회로의 여러 부분에 대해 별도의 전원 공급 장치를 가질 필요가 없음을 확인했습니다. 전압 수준.

이름에서 알 수 있듯이 전압 또는 전위 분배기는 저항기, 커패시터 또는 인덕터를 사용하여 고정 전압을 정확한 비율로 "분할"합니다. 가장 기본적이고 일반적으로 사용되는 전압 분배 회로는 두 개의 고정 값 직렬 저항기이지만 전위차계 또는 가변 저항은 단순히 와이퍼 위치를 조정하여 전압 분배에 사용할 수도 있습니다.

전압 분배기 회로의 매우 일반적인 적용은 고정 값 저항기 중 하나를 센서로 교체하는 것입니다. 환경 변화에 반응하여 저항 값을 변경하는 광 센서, 온도 센서, 압력 센서 및 스트레인 게이지와 같은 저항 센서는 모두 전압 분배기 네트워크에서 사용되어 아날로그 전압 출력을 제공할 수 있습니다. 바이폴라 트랜지스터와 MOSFET의 바이어싱 역시 전압 분배기 의 또 다른 일반적인 응용 분야입니다 .