Voltaj Bölücü devreler, ortak bir voltaj kaynağından farklı voltaj seviyeleri üretmek için kullanılır, ancak akım, bir seri devredeki tüm bileşenler için aynıdır.
Voltaj Bölücü Devreler, ortak bir besleme voltajından farklı voltaj seviyeleri sağlamada faydalıdır. Bu ortak besleme, ortak bir noktaya veya toprağa, genellikle 0V’ye göre, örneğin +5V, +12V, -5V veya -12V, vb. gibi pozitif veya negatif tek bir besleme olabilir veya bir ikili besleme üzerinden olabilir. , örneğin ±5V veya ±12V, vb.
Gerilim bölücüler ayrıca potansiyel bölücüler olarak da bilinir, çünkü gerilim birimi “Volt” iki nokta arasındaki potansiyel fark miktarını temsil eder. Gerilim veya potansiyel bölücü, seri bağlı bileşenlere düşen gerilimlerin etkisinden yararlanan basit bir pasif devredir.
Kayar kontaklı değişken bir direnç olan potansiyometre, terminallerine voltaj uygulayabildiğimiz ve kayan kontağının mekanik konumu ile orantılı olarak bir çıkış voltajı üretebildiğimiz için voltaj bölücünün en temel örneğidir. Ancak, seri olarak birbirine bağlanabilen iki terminalli bileşenler oldukları için ayrı dirençler, kapasitörler ve indüktörler kullanarak voltaj bölücüler de yapabiliriz.
Dirençli Gerilim Bölücü
Pasif voltaj bölücü ağının en basit, anlaşılması en kolay ve en temel biçimi, birbirine seri bağlanmış iki dirençtir. Bu temel kombinasyon, her bir seri dirençteki voltaj düşüşlerini hesaplamak için Gerilim Bölücü Kuralını kullanmamıza izin verir .
Dirençli Gerilim Bölücü Devre
Burada devre birbirine seri bağlanmış iki dirençten oluşur: R 1 , ve R 2 . İki direnç seri olarak bağlandığından, bu nedenle, gidecek başka bir yeri olmadığı için, devrenin her bir dirençli elemanından aynı elektrik akımı değerinin akması gerektiği sonucu çıkarılmalıdır. Böylece her dirençli eleman boyunca bir I*R voltaj düşüşü sağlanır.
Bir besleme veya kaynak gerilimi ile, V S bu dizi kombinasyonu karşısında uygulanan, Kirchhoff Voltaj Kanunu (KVL) uygulamak ve aynı zamanda gerilim ortak akım açısından türetilmiş her Direnç üzerindeki düşüşü bulmak için Ohm kanunu kullanılarak yapabilirsiniz.
Seri ağdan akan akım, Ohm Yasasına göre basitçe I = V/R’dir.
Aynı şekilde R 1 direnci için:
Gerilim Bölücü Soru Örneği 1
Seri kombinasyonundaki besleme voltajı 12 volt dc olduğunda, 40Ω dirençle seri bağlanmış 20Ω dirençten ne kadar akım geçecektir. Ayrıca her dirençte üretilen voltaj düşüşünü de hesaplayın.
Her direnç, besleme voltajı boyunca direnç değerine orantılı olarak eşit olan bir I*R voltaj düşüşü sağlar. Gerilim bölücü oran kuralını kullanarak, en büyük direncin en büyük I*R gerilim düşüşünü ürettiğini görebiliriz. Böylece, R 1 = 4V ve R 2 = 8V . Kirchhoff’un Voltaj Yasasını uygulamak, dirençli devre etrafındaki voltaj düşüşlerinin toplamının, 4V + 8V = 12V olarak, besleme voltajına tam olarak eşit olduğunu gösterir.
Eşit değerde iki direnç kullanırsak, yani R 1 = R 2 , o zaman her bir direnç boyunca düşen gerilim, gerilim bölücü oranı %50’ye eşit olacağından, serideki iki direnç için besleme geriliminin tam olarak yarısı olacaktır.
Bir voltaj bölücü ağın bir başka kullanımı, değişken voltaj çıkışı üretmektir. Direnç R2’yi değişken bir dirençle (potansiyometre) değiştirirsek, R2 boyunca düşen voltaj ve dolayısıyla VOUT, potansiyometre çubuğunun konumuna ve dolayısıyla iki dirençli değerin oranına bağlı bir miktarla kontrol edilebilir. Potansiyometreler, düzelticiler, reostalar ve varyaklar değişken voltaj bölmeli cihazların tüm örnekleridir.
Sabit direnç R2’yi ışığa bağımlı direnç veya LDR gibi bir sensörle değiştirerek bu değişken voltaj bölme fikrini bir adım daha ileri götürebiliriz. Bu nedenle, sensörün dirençli değeri ışık seviyelerindeki değişikliklerle değiştikçe, çıkış voltajı da orantılı bir miktarda değişir. Termistörler ve gerinim ölçerler dirençli sensörlerin diğer örnekleridir.
Yukarıdaki iki voltaj bölme ifadesi aynı ortak akımla ilgili olduğundan, matematiksel olarak bu nedenle birbirleriyle ilişkili olmaları gerekir. Bu nedenle, bir seri ağ oluşturan herhangi bir sayıda bireysel direnç için, verilen herhangi bir direnç boyunca düşen voltaj şu şekilde verilir:
Burada: V R(x) direnç boyunca voltaj düşüşüdür, R X direncin değeridir ve R T seri ağın toplam direncidir.
Bu gerilim bölücü denklemi, her bir direnç, R ve buna karşılık gelen voltaj düşüşü, V arasındaki orantısal ilişki nedeniyle birbirine bağlı herhangi bir sayıda seri direnç için kullanılabilir. Bununla birlikte, bu denklemin, herhangi bir ek dirençli yük bağlı veya paralel dal akımları olmayan yüksüz bir gerilim bölücü ağı için verildiğine dikkat edin.
Gerilim Bölücü Soru Örneği 2
6kΩ, 12kΩ ve 18kΩ’luk üç dirençli devre, 36 voltluk bir besleme üzerinden seri olarak birbirine bağlanır. Toplam direnci, devrenin etrafından geçen akımın değerini ve her bir dirençteki gerilim düşüşlerini hesaplayın.
Verilen veriler: V S = 36 volt, R 1 = 6kΩ, R 2 = 12kΩ ve R 3 = 18kΩ
Gerilim Bölücü Devre
Her üç dirençteki voltaj düşüşleri, Kirchhoff’un Voltaj Yasası (KVL) tarafından tanımlanan besleme voltajına eklenmelidir. Yani voltaj düşüşlerinin toplamı: V T = 6 V + 12 V + 18 V = 36,0 V besleme voltajının(VS ) aynı değerdedir ve doğrudur. Yine en büyük direncin en büyük voltaj düşüşünü ürettiğine dikkat edin.
Bölücü Ağdaki Gerilim Dokunma Noktaları
Bir voltaj kaynağına bağlı uzun bir direnç serisi düşünün, V S . Seri ağ boyunca farklı voltaj kademe noktaları vardır, A , B , C , D ve E .
Toplam seri direnç, toplam direnç, R T değeri 15kΩ veren bireysel seri direnç değerlerinin basitçe bir araya getirilmesiyle bulunabilir. Bu direnç değeri, besleme gerilimi V S tarafından üretilen devre boyunca akımın akışını sınırlayacaktır
Dirençler boyunca tek tek voltaj düşüşleri yukarıdaki denklemler kullanılarak bulunur, bu nedenle V R1 = V AB , V R2 = V BC , V R3 = V CD ve V R4 = V DE .
Her kademe düğüm noktasındaki voltaj seviyeleri toprağa (0V) göre ölçülür. Böylece D noktasındaki gerilim seviyesi VDE‘YE, C noktasındaki gerilim seviyesi VCD + VDE eşit olacaktır. Başka bir deyişle, C noktasındaki voltaj, R3 ve R4 boyunca iki voltaj düşüşünün toplamıdır.
Ayrıca, bu örnekte, voltaj kaynağının negatif terminali vs topraklandığından her çıkış voltajı noktasının pozitif olacağını unutmayın.
Gerilim Bölücü Soru Örneği 3
1. Seri bağlı dirençli ağ 15 volt DC beslemeye bağlıysa, yukarıdaki voltaj bölücü devresinin her bir kademe noktası için yüksüz voltaj çıkışını hesaplayın.
2. B ve E noktaları arasındaki yüksüz gerilim çıkışını hesaplayın .
Negatif ve Pozitif Gerilim Bölücü
Basit voltaj bölücü devresinde, yukarıda tüm çıkış voltajları, ortak bir sıfır voltajlı toprak noktasından referans alınır, ancak bazen tek bir kaynak voltaj kaynağından hem pozitif hem de negatif voltajlar üretmek gerekir. Örneğin, ortak bir referans toprak terminaline göre bir bilgisayar güç kaynağında ki farklı voltaj seviyeleri, -12V, +3.3V, +5V ve +12V dir.
Gerilim Bölücü Soru Örneği 4
Ohm Yasasını kullanarak, eğer yüksüz voltaj bölücü devresine sağlanan toplam güç -12V, +3.3V, +5V ve +12V ise bu voltaj seviyelerini üretmek için gereken R 1 , R 2 , R 3 ve R 4 dirençlerinin değerlerini bulun, güç kaynağı, 24 volt DC, 60 watt’tır.
Bu örnekte, sıfır voltajlı topraklama referans noktası, besleme boyunca voltaj bölücü ağını korurken gerekli pozitif ve negatif voltajları üretmek üzere hareket ettirilmiştir. Bu nedenle, dört voltajın tümü, D noktasındaki bu ortak referans noktasının toprağa göre-12V’LUK gerekli negatif potansiyelde olmasına göre ölçülür.
Şimdiye kadar, seri dirençli devrelerin, elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılabilen bir voltaj bölücü veya potansiyel bölücü ağı oluşturmak için kullanılabileceğini gördük. Seri dirençler için uygun değerler seçilerek, giriş veya besleme geriliminden daha düşük olan herhangi bir çıkış gerilimi değeri elde edilebilir. Ama dirençleri kullanarak ve DC besleme gerilimi direnç gerilim bölücü bir ağ oluşturmak için de (L) (C) kapasitörler ve indüktörler kullanabiliriz.
Kapasitif Gerilim Bölücü
Adından da anlaşılacağı gibi, Kapasitif Voltaj Bölücü devreleri, seri olarak ortak bir AC kaynağına bağlı kapasitörler arasında voltaj düşüşleri üretir. Genellikle kapasitif voltaj bölücüler, daha sonra koruma veya ölçüm için kullanılabilecek düşük voltajlı bir çıkış sinyali sağlamak için çok yüksek voltajları “düşürmek” için kullanılır. Günümüzde yüksek frekanslı kapasitif voltaj bölücüler daha çok cep telefonlarında ve tabletlerde bulunan görüntüleme cihazlarında ve dokunmatik ekran teknolojilerinde kullanılmaktadır.
Hem AC hem de DC kaynakları üzerinde çalışan dirençli voltaj bölücü devrelerin aksine, kapasitörler kullanılarak voltaj bölünmesi yalnızca sinüsoidal bir AC kaynağı ile mümkündür. Bunun nedeni, seri bağlı kapasitörler arasındaki voltaj bölünmesinin , AC kaynağının frekansına bağlı olan kapasitörlerin reaktansı X C kullanılarak hesaplanmasıdır.
AC devrelerindeki kapasitörler hakkındaki öğreticilerimizden , kapasitif reaktansın, X C‘nin (Ohm cinsinden ölçülür) hem frekans hem de kapasitans ile ters orantılı olduğunu ve bu nedenle aşağıdaki denklemle verildiğini hatırlıyoruz:
Kapasitif Reaktans Formülü
- Burada:
- Xc = Ohm cinsinden Kapasitif Reaktans, (Ω)
- π (pi) = 3.142 sayısal sabiti
- ƒ = Hertz cinsinden frekans, (Hz)
- C = Farad cinsinden kapasitans, (F)
Bu nedenle, AC kaynağının voltajını ve frekansını bilerek, bireysel kapasitörlerin reaktanslarını hesaplayabilir, bunları yukarıdaki denklemde dirençli voltaj bölücü kuralı için değiştirebilir ve gösterildiği gibi her kapasitörde karşılık gelen voltaj düşüşlerini elde edebiliriz.
Yukarıdaki seri devrede 10uF ve 22uF’lik iki kondansatörü kullanarak, 100 volt, 50Hz rms beslemeye bağlandığında her bir kapasitördeki rms voltaj düşüşlerini reaktanslarına göre hesaplayabiliriz.
Saf kapasitörler kullanıldığında, tüm seri voltaj düşüşlerinin toplamı, seri dirençlerde olduğu gibi kaynak voltajına eşittir. Her bir kondansatör üzerindeki voltaj düşüşünün miktarı reaktansı ile orantılı iken, kapasitansı ile ters orantılıdır.
Sonuç olarak, daha küçük 10uF kapasitör daha fazla reaktansa (318.3Ω) sahiptir, dolayısıyla sırasıyla 144.7Ω reaktansa ve 31 volt voltaj düşüşüne sahip olan daha büyük 22uF kapasitöre kıyasla 69 voltluk daha büyük bir voltaj düşüşü gerçekleşir.
Kapasitif voltaj bölücü devrelerle ilgili son bir nokta, tamamen kapasitif olan seri direnç olmadığı sürece, 69 ve 31 voltluk iki kapasitör voltaj düşüşünün aritmetik olarak 100 voltluk besleme voltajına eşit olacağıdır. kapasitörler birbirleriyle aynı fazdadır. Herhangi bir nedenle iki voltaj birbiriyle faz dışı ise, o zaman Kirchhoffs voltaj yasasını kullanırken yaptığımız gibi bunları basit bir şekilde toplayamayız, bunun yerine iki dalga formunun fazör ilavesi gerekli olacaktır.
Endüktif Gerilim Bölücüler
Adından da anlaşılacağı gibi, Endüktif Voltaj Bölücüler , seri olarak ortak bir AC kaynağına bağlanan indüktörler veya bobinler arasında voltaj düşüşleri oluşturur. Bir endüktif voltaj bölücü , çıkış voltajının bir bölümden veya birbirine bağlı iki ayrı bobinden alındığı iki bölüme ayrılan tek bir sargı veya bobinden oluşabilir. Endüktif voltaj bölücünün en yaygın örneği , ikincil sargısı boyunca birden çok kademe noktası bulunan otomatik transformatördür.
Sabit durum DC kaynaklarıyla veya 0 Hz’e yaklaşan çok düşük frekansa sahip sinüzoidlerle kullanıldığında, indüktörler kısa devre görevi görür. Bunun nedeni, reaktanslarının neredeyse sıfır olması ve herhangi bir DC akımının içlerinden kolayca geçmesine izin vermesidir, bu nedenle önceki kapasitif voltaj bölücü ağda olduğu gibi, sinüzoidal bir AC kaynağı kullanarak herhangi bir endüktif voltaj bölmesi gerçekleştirmeliyiz. İndüktörler bağlı seriler arasında Endüktif voltaj bölümü, indüktörler, reaktansının kullanılarak hesaplanabilir X L gibi kapasitif indüktans , alternatif akım beslemesinin frekansına bağlıdır.
AC devrelerindeki indüktörler hakkındaki eğitimlerde , endüktif reaktansın, X L‘nin (Ohm olarak da ölçülür) hem frekans hem de endüktansla orantılı olduğunu gördük, bu nedenle besleme frekansındaki herhangi bir artış indüktör reaktansını arttırır. Böylece endüktif reaktans şu şekilde tanımlanır:
Endüktif Reaktans Formülü
- Burada:
- X L = Ohm cinsinden Endüktif Reaktans, (Ω)
- π (pi) = 3.142 sayısal sabiti
- ƒ = Hertz cinsinden frekans, (Hz)
- L = Henry cinsinden Endüktans, (H)
AC kaynağının voltajını ve frekansını biliyorsak, iki indüktörün reaktansını hesaplayabilir ve gösterildiği gibi her bir indüktördeki voltaj düşüşlerini elde etmek için bunları voltaj bölücü kuralıyla birlikte kullanabiliriz.
Endüktif Gerilim Bölücü
Yukarıdaki seri devrede 10mH ve 20mH’lik iki indüktörü kullanarak, 60 volt, 200Hz rms kaynağına bağlandığında her bir kapasitördeki rms voltaj düşüşlerini reaktansları açısından hesaplayabiliriz.
Önceki dirençli ve kapasitif voltaj bölme devreleri gibi, indüktörler boyunca tüm seri voltaj düşüşlerinin toplamı, seri direnç olmadığı sürece kaynak voltajına eşit olacaktır. Saf bir indüktör anlamına gelir. Her indüktördeki voltaj düşüşü miktarı, reaktansı ile orantılıdır.
Sonuç, daha küçük 10mH indüktörün daha az reaktansa (12.56Ω) sahip olmasıdır, bu nedenle sırasıyla 25.14Ω reaktansa ve 40 voltluk bir voltaj düşüşüne sahip olan daha büyük 20mH indüktöre kıyasla 30 voltta daha az voltaj düşüşü olur. Seri devredeki akım, I L 1.6mA’dır ve bu iki indüktör seri olarak bağlandığından L 1 ve L 2 için aynı değer olacaktır.
Gerilim Bölücü Özeti
Burada voltaj bölücünün veya şebekenin, tek bir voltaj kaynağından farklı voltaj seviyeleri üretmemize izin veren çok yaygın ve kullanışlı bir devre konfigürasyonu olduğunu gördük, böylece farklı voltajlarda çalışan bir devrenin farklı parçaları için ayrı güç kaynaklarına sahip olma ihtiyacını ortadan kaldırır.
Adından da anlaşılacağı gibi, bir voltaj veya potansiyel bölücü, dirençler, kapasitörler veya indüktörler kullanarak sabit bir voltajı kesin oranlara “bölür”. En temel ve yaygın olarak kullanılan voltaj bölücü devresi, iki sabit değerli seri direnç devresidir, ancak bir potansiyometre veya reosta, sadece silecek konumunu ayarlayarak voltaj bölümü için de kullanılabilir.
Gerilim bölücü devrenin çok yaygın bir uygulaması, sabit değerli dirençlerden birinin bir sensörle değiştirilmesidir. Işık sensörleri, sıcaklık sensörleri, basınç sensörleri ve gerinim ölçerler gibi çevresel değişikliklere tepki verirken direnç değerlerini değiştiren dirençli sensörlerin tümü, analog bir voltaj çıkışı sağlamak için bir voltaj bölücü ağında kullanılabilir. Bipolar transistörlerin ve MOSFET’lerin kutuplanması da Gerilim Bölücünün başka bir yaygın uygulamasıdır.