커패시티브 전압 분배기 마스터하기: 설계, 이론 및 실용 응용

커패시티브 전압 분배기는 점점 인기를 얻고 있으며 콜핏츠 발진기 등 많은 전기 프로젝트에서 찾아볼 수 있습니다.

그러나 커패시티브 전압 분배기를 사용하기로 결정하기 전에 그것들이 어떻게 작동하는지 명확히 이해해야 합니다.

이 기사는 커패시티브 전압 분배기와 전압 분배기 규칙을 정의합니다. 또한 커패시티브 전압 분배기의 다양한 회로도 등을 살펴볼 것입니다.

커패시티브 전압 분배기란 무엇인가?

전압 분배기

출처: 위키피디아

커패시티브 전압 분배기는 전위 차이를 가져와 두 개로 나누면서 일정한 전압 비율을 유지하는 회로입니다.

또한 커패시티브 분배기는 일반적으로 서로 직렬로 연결된 한 쌍의 커패시터를 가집니다.

이 회로의 주요 목적은 옴의 법칙에 따라 다른 회로 부분에 다양한 양의 전압을 할당하는 것입니다:

V = I × R

여기서 V는 전압, I는 전류, R은 저항을 나타냅니다.

예를 들어 12볼트 전원 공급이 있고 각각 1µF인 네 개의 커패시터를 서로 직렬로 배치하면 커패시터는 6볼트의 전압 출력을 제공합니다. 이는 12볼트의 절반입니다.

전압 분배기 규칙이란 무엇인가?

전압 분배기

출처: 위키미디어 커먼즈.

평균적으로 몇 개의 회로 요소가 직렬로 상호 연결되면 입력 전압이 요소를 통해 분할됩니다.

마찬가지로 일부 회로 요소가 병렬로 상호 연결되면 전류도 구성 요소를 통해 분할됩니다.

결과적으로 병렬 회로에는 전류 분배기 규칙을 사용하고, 직렬 회로에는 전압 분배기 규칙을 사용하여 코스를 분석합니다.

전압 분배기 규칙은 잠재적 분배기 규칙이라고도 하며, 개별 요소의 전압을 계산하는 데 도움을 주므로 회로 분석에서 중요한 역할을 합니다.

회로에 사용된 요소에 따라 전압 분배기 규칙은 세 가지 범주로 나뉩니다.

즉,

• 유도성 전압 분배기
• 커패시티브 전압 분배기
• 저항성 전압 분배기

각각을 자세히 살펴보겠습니다.

저항 회로의 전압 분배기 규칙

저항성 전압 분배기 규칙을 이해하기 위해 전압 소스에 직렬로 연결된 한 쌍의 저항이 있는 회로를 사용해 보겠습니다.

저항이 직렬로 상호 연결되어 있으므로 둘 다 동일한 양의 전류가 흐릅니다.

저항기

그러나 저항은 서로 다른 전압을 가집니다. 회로의 입력 전압이 두 저항으로 분할되기 때문입니다. 또한 저항이 개별 전압의 양에 직접 영향을 미칩니다.

더 이해하기 위한 회로는 아래와 같습니다.

저항 회로

위 회로도에서 저항 R₁과 R₂는 V_S(전압 소스)와 직렬로 연결됩니다. 전압 소스는 총 1암페어의 전류를 제공합니다.

그럼에도 불구하고 설계자가 모든 요소를 직렬로 고정했으므로 루프가 생기고 이를 통해 흐르는 전류는 1암페어로 일정하게 유지됩니다.

이제 합 전압을 계산하려면 다음 공식을 사용할 수 있습니다.

V_S = V_R1 + V_R2 … (1)

여기서,

V_R1은 저항 R₁을 통한 전압을 나타내고 V_R2는 저항 R₂를 통한 전압을 나타냅니다. 또한 제공된 모든 전압이 이 두 저항 사이에 분할됩니다. 따라서 V_R1과 V_R2를 더하여 합 전압을 얻을 수 있습니다.

옴의 법칙을 따르면;

V_R1 = I×R₁ + I×R₂… (2)

따라서 방정식 (1)과 (2)에서;

V_S = I×R₁ + I×R₂

V_S = I(R₁ + R₂)

첫 번째 전류 값을 방정식 (2)에 대입합니다.

V_R1 = I×R₁

마찬가지로

V_R2 = I×R₂

따라서 저항 회로의 전압 분배기 규칙은 전류 분배기 규칙과 모순됩니다.

유도 회로의 전압 분배기 규칙

세 개 이상의 인덕터가 회로에 직렬 모드로 상호 연결되면 인덕터를 통해 흐르는 전류는 일정하게 유지됩니다. 그럼에도 불구하고 소스 전압은 모든 인덕터로 퍼집니다.

인덕터

따라서 개별 인덕터의 전압 양을 계산하기 위해 인덕터 전압 분배기 규칙을 사용할 수 있습니다.

유도 회로

위 회로도에서 설계자는 두 인덕터 L₁과 L₂를 직렬 모드로 연결했습니다. 또한 V_L1은 L₁을 통한 전압을 나타내고, 마찬가지로 V_L2는 L₂를 통한 전압을 나타냅니다. V_S는 공급 전압을 보여줍니다.

V_L1과 V_L2를 찾기 위해 인덕터 전압 분배기 규칙을 사용합니다. 이미 아시다시피 인덕터 전압 방정식은 다음과 같습니다.

여기서 L_eq는 회로의 총 인덕턴스와 같습니다. 전기 엔지니어가 예시 회로에서 인덕터를 직렬로 연결했습니다. 따라서 총 인덕턴스는 두 인덕턴스의 조합입니다.

L_eq = L₁ + L₂

방정식 (3)에서;

인덕터 L₁을 통한 전압은;

마찬가지로 인덕터 L₂를 통한 전압은;

따라서 인덕터의 전압 분배기 규칙이 저항기와 유사하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

용량 회로의 전압 분배기 규칙

아래 회로를 사용하여 커패시터의 전압 분배기 규칙을 계산해 보겠습니다.

용량 회로

여기서;

엔지니어는 한 쌍의 커패시터를 V_S(소스 전압)와 직렬로 고정했습니다. 다음, 소스 전압이 두 개로 분할됩니다. 하나는 커패시터 C₁을 통해, 다른 하나는 커패시터 C₂를 통해 갑니다.

커패시터

또한 V_C1은 커패시터 C₁을 통한 전압을 나타내고, V_C2는 커패시터 C₂를 통한 전압을 나타냅니다.

따라서 결합된 정전용량은

소스가 제공하는 총 전하: Q = C_eq × V_S, 본질적으로

커패시터 C₁ 전압;

V_C1 = Q₁ / C₁

커패시터 C₂ 전압;

V_C2 = Q₂ / C₂

요약하자면, 커패시터를 통한 개별 전압은 반대 정전용량에 총 정전용량과 총 전압을 곱한 비율입니다.

커패시티브 전압 분배기 공식

커패시티브 전압 분배기는 출력과 병렬로 한 쌍의 커패시터를 사용하고 AC(교류) 입력에 상호 연결된 회로입니다.

입력 및 출력 전압의 비율은 다음 공식을 사용하여 얻을 수 있습니다.

V_out / V_in = 1 / (1 + C_S / C_P)

여기서;

• C_S는 전체 직렬 연결 커패시터의 총 정전용량을 나타냅니다.
• C_P는 모든 병렬 연결 커패시터의 합 정전용량을 나타냅니다.

위 공식은 V_in에 의존하는 크기의 교류(AC) 신호를 공급합니다.

그러나 오프셋은 C_S 또는 C_P의 정전용량 양에 따라 달라집니다.

커패시티브 전압 분배기 회로도

커패시티브 AC 전압 분배기 회로

공식 X_C = 1 / (2πf × C)는 커패시티브 전압 분배기 회로에서 개별 커패시터를 통한 전압 분할을 안내합니다.

그렇더라도 회로의 커패시터에 할당된 전압 양을 계산하려면 먼저 커패시터의 임피던스를 계산해야 합니다. 위에서 언급한 공식을 사용하여 그렇게 할 수 있습니다.

임피던스를 계산한 후 옴의 공식을 사용하여 각 커패시터를 통과하는 전압 양을 알 수 있습니다.

예를 들어:

커패시티브 AC 전압 분배기 회로

위 회로에는 두 개의 커패시터와 120V AC 공급 전압이 있습니다. 결과적으로 전압이 두 커패시터로 흐릅니다. 커패시터가 직렬 모드임을 기억하세요.

이제 간단한 전압 분배기를 사용하여 할당된 전압을 알 수 있습니다. 여기서 1µF 커패시터는 2µF 커패시터의 두 배 전압을 얻습니다.

따라서 우리 경우 80V가 되고 2µF 커패시터는 40V를 얻습니다.

커패시티브 DC 전압 분배기 회로

DC 전압 분배기 회로에서 전압은 V = Q / C 공식에 따라 공유됩니다. 여기서 전압은 커패시터의 정전용량 값에 반비례합니다.

본질적으로 정전용량이 낮은 커패시터가 더 높은 전압을 받습니다. 반면 정전용량이 더 높은 커패시터는 더 낮은 전압을 받습니다.

예를 들어:

커패시티브 DC 전압 분배기 회로

위 회로는 15V의 DC 전압을 공급합니다. 즉, 15볼트가 한 쌍의 커패시터로 흐릅니다.

전압이 두 커패시터로 흐르므로 합산하면 공급 소스 15V와 같아집니다.

커패시터가 유사한 전하를 가진다고 가정하면 정전용량 값에서 전압을 계산할 수 있습니다.

1µF 커패시터 값이 2µF 커패시터 값의 절반이므로 첫 번째 커패시터의 전압은 두 번째의 두 배가 됩니다.

따라서 1µF 커패시터 전압은 10볼트, 2µF 커패시터 전압은 5볼트가 됩니다.

커패시티브 전압 분배기의 장단점

전압 분배기는 유용하지만 다른 모든 발명품과 마찬가지로 장단점이 있습니다.

장점

• 최소 열 손실
• 저렴함
• DC(직류) 또는 AC(교류) 모두 작동
• 낮은 설치 비용
• 주파수 의존적

단점

• 경량 AC에서만 작동
• 비교적 무거움
• 과열 시 작업 효율 저하
• 일부 전압 분배기는 설치 비용이 비싸며 AC에서만 작동

커패시티브 전압 분배기의 용도

앞서 언급했듯이 커패시티브 전압 분배기는 수많은 응용 분야가 있습니다. 그중 일부는 다음과 같습니다.

• 전압 분배기는 전압을 낮추고 고전압 측정을 가능하게 합니다.
• 마이크로컨트롤러 내부의 전압 분배기는 센서 저항 측정을 돕습니다.

마이크로컨트롤러

• 전압 분배기는 다양한 동작 전압을 인터페이스할 때 로직 레벨 시프터로 작동합니다.

요약

이 기사를 읽은 후 커패시티브 분배기 회로를 정의하고 전압 분배기 규칙을 설명하기를 바랍니다.

커패시티브 전압 분배기의 다양한 장단점을 이해하는 것이 가장 좋습니다.

주제에 대한 추가 정보가 필요하면 저희에게 연락하세요.