전압 분배기 랩: 설계, 측정, 키르히호프 전압 법칙 검증

부품 및 재료

• 계산기 (또는 연필과 종이)
• 6볼트 배터리
• 1kΩ~100kΩ 범위 저항

정확한 읽기 위해 저항값 1kΩ~100kΩ 대역 제한. 극저항은 전류계 내부 저항이 전류 측정 왜곡, 초고항은 전압계 부하로 유효 회로 저항 변경.

참조

전기 회로 수업, 1권, 6장: "분압 회로와 키르히호프 법칙."

학습 목표

• 전압계, 전류계, 저항계 사용
• 옴의 법칙 적용
• 키르히호프 전압 법칙(KVL) 적용
• 전압 분배기 설계

회로도

일러스트레이션

지시사항

이 연습은 브레드보드, 터미널 스트립, 프리폼 세 가지 일반 구성법 시연. 같은 회로 각 기법으로 빌드해 각각 장단점 이해. 프리폼(악어 클립 점퍼 와이어)은 단순 시연용, 브레드보드는 다용도·고밀도지만 임시, 터미널 스트립은 공간 희생해 더 영구적 조립.

구색에서 저항 3개 선택, 옴미터로 각 값 검증. 측정값 기록. 저항들 직렬 연결해 6볼트 배터리에 부착. 회로 전원 인가 상태에서 전압계로 배터리 전압 측정, 이 읽기 기록. 부하 가볍지만 부하 하 측정으로 실제 운전 조건 반영 데이터 얻음.

옴의 법칙(I=E/R)으로 예상 회로 전류 계산. 전류계로 측정해 이 값 검증 (아래 터미널 스트립 예 참조).

1kΩ~100kΩ 저항값과 6볼트 소스면 전류 밀리암페어 또는 마이크로암페어 범위. 디지털 미터는 보통 표시기에 스케일(m 또는 μ) 표시, 정확히 읽기.

계산 전류로 각 저항 양단 전압 강하 예측(V=IR). 멀티미터 전압 모드로 전환해 각 강하 측정. 측정값 예측과 근접 일치해야 함, 전압 분배기 원리 확인: 각 저항 강하는 총 전압의 고정 분율, 자기 저항이 직렬 총합 대비 비율로 결정.

다음 섹션은 키르히호프 전압 법칙(KVL) 검증. 회로 각 고유 노드에 고유 번호 할당, 직접 연결된 노드엔 같은 번호. 예: 아래 그림처럼 0~3 번호 사용. 작은 라벨이나 테이프로 실제 회로에 노드 번호 표시.

디지털 전압계로 폐루프 전압 차 측정(예: 0→1→2→3→0). 표시된 부호 그대로 각 읽기 기록 – 프로브 연결 뒤집어 '양수' 강제하지 말 것. 부호 있는 전압들 대수적 합, 총합 0 되어야 함, KVL 시연. 같은 노드에서 시작해 끝나는 아무 루프나 선택 가능, 모든 루프 법칙 만족.

아래 0-1-2-3-0 루프 돌기 예시 단계:

전형적 측정으로 양수 3개, 음수 1개 나와 대수적 합 0.

1→2→3→1 같은 다른 루프 실험해 대수적 합 여전히 0임 확인. 이 속성 회로 토폴로지 무관하게 성립.

키르히호프 전압 법칙은 임의 네트워크에서 전압 크기와 극성 예측케 하는 강력한 분석 도구, 임의 폐경로 대수적 합이 0임을 보장함으로써.

컴퓨터 시뮬레이션

넷리스트 (다음 텍스트 파일 생성):

 Voltage divider v1 3 0 r1 3 2 5k r2 2 1 3k r3 1 0 2k .dc v1 6 6 1 * Voltages around 0-1-2-3-0 loop algebraically add to zero .print dc v(1,0) v(2,1) v(3,2) v(0,3) * Voltages around 1-2-3-1 loop algebraically add to zero .print dc v(2,1) v(3,2) v(1,3) .end 

시뮬레이션 노드 0~3, 저항값 선택해 총 전압 50%, 30%, 20%가 R1, R2, R3 양단에 걸리게. 소스 전압이나 저항값 원하는 대로 변경 가능. 시뮬레이션 실행하면 전압값 출력, 각 줄 합산으로 법칙 확인.

관련 워크시트:

전압 분배기 회로 워크시트