분압기

전자 공학에서 분압기(전위 분압기라고도 함)는 입력 전압(V_in)의 일부인 출력 전압(V_out)을 생성하는 수동 선형 회로입니다.전압 분배는 입력 전압을 분배기의 구성 요소 간에 분배한 결과입니다.분압기의 간단한 예로는 두 개의 저항이 직렬로 연결되어 있으며, 입력 전압은 저항 쌍에 인가되고 출력 전압은 두 저항 쌍 간의 연결에서 발생합니다.

저항 분압기는 일반적으로 기준 전압을 생성하거나 전압 크기를 줄여 측정할 수 있도록 하는 데 사용되며 저주파에서 신호 감쇠기로도 사용될 수 있습니다.직류 및 비교적 낮은 주파수의 경우 저항기로만 구성된 경우 분압기가 충분히 정확할 수 있습니다. 오실로스코프 프로브와 같이 광범위한 주파수 응답이 필요한 경우 분압기에는 부하 캐패시턴스를 보상하기 위해 용량성 요소가 추가될 수 있습니다.송전에서는 정전용량 분압기가 고전압 측정에 사용된다.

일반적인 경우

접지를 기준으로 하는 분압기는 그림 1과 같이 두 개의 전기 임피던스를 직렬로 연결하여 생성됩니다.입력 전압은 직렬 임피던스₁ Z 및₂ Z에 걸쳐 적용되며 출력은 Z에₂ 걸친 전압입니다.Z와₁₂ Z는 저항기, 인덕터 및 캐패시터와 같은 요소의 조합으로 구성될 수 있습니다.

출력 와이어의 전류가 0인 경우 입력 전압 V와_in 출력 전압 V_out 사이의 관계는 다음과 같습니다.

${\displaystyle V_{\mathrm {out}}=black {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}}\cdot V_{\mathrm {in}}}}$

증명(옴의 법칙 사용):

${\displaystyle V_{\mathrm {in}}=I\cdot(Z_{1}+Z_{2})}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out}}=I\cdot Z_{2}}$

${\displaystyle I=mathrm {in}}}{Z_{1}+Z_{2}}}}}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out}}=V_{\mathrm {in}}\cdot {frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}}}$

이 회로의 전달 함수(분압기의 전압비라고도 함)는 다음과 같습니다.

${\displaystyle H=matrm {out}}}{V_{\mathrm {in}}}=matrm {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}}}$

일반적으로 이 전달 함수는 주파수의 복잡하고 합리적인 함수입니다.

예

저항분할기

저항분할기는 임피던스 Z와₁₂ Z가 모두 순수하게 저항인 경우입니다(그림 2).

이전 식에₁ Z₂ = R 및₂ Z = R을 대입하면₁ 다음과 같은 결과가 나옵니다.

${\displaystyle V_{\mathrm {out} = scdfrac {R_{2}} {R_{1}+R_{2}}\cdot V_{\mathrm {in}}}$

R₁ = R이면₂

${\displaystyle V_{\mathrm {out}}=blac {1}{2}}\cdot V_{\mathrm {in}}}$

V = 6V 및_in V = 9V(둘 다 일반적으로 사용되는 전압)인 경우_out:

${{displaystyle {V_{\mathrm {out}}}{V_{\mathrm {in}}}}={R_{1}+R_{2}}={6}={{2}}}={frac {2}}}}$

그리고 대수를 사용하여 풀면 R은₂ R의₁ 두 배가 되어야 한다.

R1에 대한 해결 방법:

${\displaystyle R_{1}=snapfrac {R_{2}\cdot V_{\mathrm {out}}}{V_{\mathrm {out}}}-R_{2}=R_{2}\cdot \left {\frac {V_{\mathrm {in}}}}}} {V_mathrm}}$

R2에 대한 해결 방법:

${\displaystyle R_{2}=R_{1}\cdot {\frac {1}{\frac {V_{\mathrm {in}}}{V_{\mathrm {out}}}-1}\오른쪽)}}}$

1보다 큰 비율의_out V/V는_in 사용할 수 없습니다.즉, 저항만 사용하여 전압을 반전하거나 V 이상으로 증가시킬_outin 수 없습니다.

저역 통과 RC 필터

그림 3과 같이 저항과 콘덴서로 구성된 칸막이를 검토합니다.

일반적인 경우와 비교하여 Z = R 및₂ Z는 다음과 같은 캐패시터의 임피던스임을 알 수 있습니다₁.

${\displaystyle Z_{2}=-\mathrm {j} X_{\mathrm {C}}=sq frac {1}{\mathrm {j}\,}$

여기서_C X는 캐패시터의 리액턴스, C는 캐패시터의 캐패시턴스, j는 가상 단위, δ(오메가)는 입력 전압의 라디안 주파수입니다.

그러면 이 분배기의 전압비는 다음과 같습니다.

${{displaystyle {V_{\mathrm {out}}}{V_{\mathrm {in}}}={Z_{\mathrm {2}}+Z_{\mathrm {2}}}=carc {frac {{\mathrm {1}}{\mathrm {\m}}}}}{{\m}}}}}{{\m}}}}}}}}{{{\mathrm}}}}}}}}}}}}}}}}}{{{{{{{{$

δ(표준) = RC의 곱을 회로의 시간 상수라고 합니다.

이 비율은 주파수에 따라 달라지는데, 이 경우 주파수가 증가할수록 감소합니다.이 회로는 실제로는 기본(1차) 로우패스 필터입니다.이 비율에는 허수가 포함되어 있으며 실제로 필터의 진폭 및 위상 편이 정보를 모두 포함합니다.진폭 비율만 추출하려면 비율의 크기를 계산합니다. 즉, 다음과 같습니다.

${\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {out}}}}{V_{\mathrm {in}}}\right ={\frac {1+(오메가 RC)^2}}}}}\.}$

유도분할기

유도 분할기는 인덕턴스에 따라 AC 입력을 분할합니다.

${\displaystyle V_{\mathrm {out}}=blac {L_{2}}{L_{1}+L_{2}}}}\cdot V_{\mathrm {in}}}}$

(그림 2와 같은 위치에 컴포넌트가 있는 경우).

위의 방정식은 비인터랙티브 인덕터에 대한 것입니다. 상호 인덕턴스(자동 트랜스 트랜스폼에서와 같이)는 결과를 변경합니다.

유도분할기는 위의 저항분할기와 같이 소자의 저항에 따라 DC 입력을 분할합니다.

용량 분할기

정전식 칸막이는 DC 입력을 통과하지 않습니다.

AC 입력의 경우 간단한 용량 방정식은 다음과 같습니다.

${\displaystyle V_{\mathrm {out}}=black {Xc_{2}}{Xc_{1}+Xc_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} =cdot frac {1/C_{1}+1/C_{2}}\cdot V_{\mathrm {in} =cdot {C_{1}+C_{2}}}}\cdot V_{\mathrm {in}}}}$

(그림 2와 같은 위치에 컴포넌트가 있는 경우).

카피티브 소자의 누설 전류는 2개의 임피던스를 갖는 일반화 식을 사용해야 합니다.적절한 비율로 병렬 R 및 C 요소를 선택함으로써 유용한 주파수 범위에서 동일한 분할비를 유지할 수 있다.이는 측정 대역폭을 늘리기 위해 보정된 오실로스코프 프로브에 적용되는 원리입니다.

부하효과

분압기의 출력 전압은 분압기가 외부 전기 부하에 공급하는 전류에 따라 달라집니다.위와 같이 Z와₂ Z의₁ 나눗셈기에서 나오는 유효 소스 임피던스는 Z와₂ 병렬로 Z(Z₂ // Z라고도 함₁)가 됩니다₁. 즉, (Z₁₂) / (Z₁ + Z₂)=HZ₁

충분히 안정적인 출력 전압을 얻으려면 출력 전류가 안정적이어야 하거나(따라서 잠재적 분배기 값 계산의 일부로 포함됨) 분배기 입력 전류의 적절한 작은 비율로 제한되어야 합니다.부하 감도는 분배기의 양쪽 절반 임피던스를 줄임으로써 감소시킬 수 있지만, 이렇게 하면 분배기의 대기 입력 전류가 증가하고 분배기의 전력 소비량(및 낭비 열)이 증가합니다.고부하 전류 또는 변동 부하 전류를 수용해야 할 경우 수동 분압기 대신 전압 조절기를 사용하는 경우가 많습니다.

적용들

분압기는 신호 레벨 조정, 증폭기 내 활성 장치의 바이어스 및 전압 측정에 사용됩니다.휘트스톤 브릿지와 멀티미터는 모두 분압기를 포함합니다.전위차계는 많은 무선의 음량 조절에서 가변 분압기로 사용됩니다.

센서 측정

분압기를 사용하여 마이크로컨트롤러가 ^[1]센서의 저항을 측정할 수 있습니다.센서는 알려진 저항으로 직렬로 배선되어 분압기를 형성하고 알려진 전압이 분압기에 인가됩니다.마이크로컨트롤러의 아날로그-디지털 변환기는 분배기의 중앙 탭에 연결되어 탭 전압을 측정하고 측정된 전압과 알려진 저항 및 전압을 사용하여 센서 저항을 계산할 수 있습니다.이 기술은 일반적으로 서미스터 및 RTD와 같은 온도 센서의 저항을 측정하는 데 사용됩니다.

일반적으로 사용되는 또 다른 예로는 저항 소자의 하나로 전위차계(가변 저항기)가 있습니다.전위차계의 샤프트가 회전할 때 발생하는 저항이 증가하거나 감소하면 저항의 변화는 샤프트의 각도 변화에 해당합니다.안정적인 전압 기준과 결합하면 출력 전압이 아날로그-디지털 변환기에 공급되어 디스플레이에 각도를 표시할 수 있습니다.이러한 회로는 일반적으로 판독 제어 노브에 사용됩니다.

고전압 측정

전압 분압기를 사용하여 전압계로 측정할 수 있도록 매우 높은 전압을 축소할 수 있습니다.고전압은 분압기에 인가되며, 분압기 출력(미터의 입력 범위 내에 있는 낮은 전압을 출력하는 분압기 출력)은 미터기로 측정됩니다.이 목적을 위해 특별히 설계된 고전압 저항 분배 프로브를 사용하여 최대 100kV의 전압을 측정할 수 있습니다.이러한 프로브에는 높은 입력 전압을 견딜 수 있어야 하며 정확한 결과를 얻으려면 온도 계수와 매우 낮은 전압 계수가 일치해야 하기 때문에 특수 고전압 저항이 사용됩니다.정전식 분배기 프로브는 일반적으로 100kV 이상의 전압에 사용됩니다. 이러한 고전압에서 저항 분배기 프로브의 전력 손실로 인해 발생하는 열이 과도할 수 있기 때문입니다.

로직 레벨 시프트

분압기는 서로 다른 동작전압을 사용하는 2개의 회로를 인터페이스하기 위한 조로직 레벨 시프터로 사용할 수 있다.예를 들어 일부 논리회로는 5V로 동작하는 반면 다른 논리회로는 3.3V로 동작합니다.5V 로직 출력을 3.3V 입력에 직접 인터페이스하면 3이 영구적으로 손상될 수 있습니다.3V 회로이 경우 출력비가 3.3/5인 분압기를 사용하여 5V 신호를 3.3V로 줄이고 3V를 손상시키지 않고 회로를 상호 운용할 수 있습니다.3V 회로이를 실현하기 위해서는 5V 소스 임피던스와 3이 필요합니다.3V 입력 임피던스는 무시할 수 있거나 일정해야 하며 분할 저항 값이 임피던스를 고려해야 합니다.입력 임피던스가 정전용량인 경우 순수하게 저항성 분할기가 데이터 속도를 제한합니다.이 문제는 상부 저항기와 직렬로 콘덴서를 추가하여 대략적으로 해결할 수 있으며, 분할기의 양쪽 레그를 정전 용량성 및 저항성으로 만들 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 전류 분배기
• DC-DC 컨버터
• 전압 증폭기

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