Voltage Divider (전압 분배기)

12V의 전압을 3V로?....

일반적으로 우리가 전지나 전압요소를 활용할 때 큰 전압을 작게 나누어야 하는 일이 생긴다. 예를 들어 파워가 12V인데 3V에 구동되는 LED를 안정적으로 켜기에는 무리가 있다. 저항을 크게 하여 LED에 가는 전류의 양을 줄일 수는 있지만 그렇게 한다면 저항에 많은 에너지 손실이 발생하고 결국 타버릴 것이다.

 

단순히 적정전압을 맞추는 것 외에도 장비 구동을 위한 적절한 전압을 형성하는 것을 가장 기본적이면서 어려운 일이다. 하지만 회로를 설계할 때 반드시 필요한 부분이다. 

 

Voltage Drop (전압 강하 효과)

 

이전 포스팅에서 전압 강하 효과에 유도와 정의에 대해 간단히 다루었는데, 이번 포스팅에서는 이를 실용적으로 활용하는 방법에 대해 다뤄보고자 한다. 단순히 저항 요소를 배열하는 것만으로도 수학적으로 계산된 전압을 완벽히 만들 수 있다는 것은 매우 놀라운 일이다. 

 

Voltage Divider의 기본 원리

이전 포스팅을 마무리 할때 저항 2개가 직렬로 연결된 회로에서 시뮬레이션 한 결과가 마지막에 한장 들어갔다. 어떤 사람들은 이미 그 사진 한장에서 Voltage Divider를 직관적으로 이해했을 수도 있다. 그 회로를 다시 불러오자

 

 위 회로를 해석하기 이전에 3가지를 먼저 이해하고 있어야 하는데 

 

1. 전압 강하 법칙에 의해 R1, R2를 지나면서 전압은 감소한다.

2. 또한 회로 전체에 흐르는 전류 Inet은 R1을 지날 때나 R2를 지날 때나 같다.

3. 전압 강하는 V_drop=-I×R 가 성립한다.

 

 

이를 바탕으로 회로에서 발생하는 전압 강하 현상에 대해 자세히 이해해보면 다음과 같다. 가능하면 임의의 저항 2개를 가지고 식을 유도해 본 뒤 테스터기로 양단에 걸리는 전압을 확인해 보기를 바란다.

 

 

결과적으로 R1을 지날때 2V, R2를 지날때 1V가 강하되므로 총 3V가 강하되어 C와 F 포인트 사이의 전압은 총 3V가 감소한다. 이것이 전압 강하를 통해 전압을 자유롭게 조정하는 가장 기본적인 원리이다.

 

모든 전압을 만드는 Voltage Divider

이 원리를 이용한다면 저항의 값을 조절함으로서 사실상 거의 모든 전압 범위를 만들어 낼 수 있다. 특히 가변저항을 활용하면 임의의 저항을 자유롭게 만들어 낼수 있으므로 원하는 범위의 전압을 거의 정확하게 설정이 가능하다. 

 

위의 기본회로에서 R1을 가변저항으로 바꾸면 저항이 상수가 아닌 x라는 변수가 되고 저항이 바뀜에 따라 전체 전류가 변화하고 저항도 같이 변하므로 다항식으로 전압이 계산되게 된다. 

 

결과적으로 저항이 (0~최대)가 됨에 따라 전압이 변하게 되고 x값에 따른 함수로서 전압을 얻을수 있게 된다. 이론적으로는 0부터 8.18사이에 있는 모든 전압을 만들 수 있다. 

 

다만 1차 다항식이 아니기에 저항값이 변화함에 따라 선형적으로 전압이 증가하진 않는다. 실험할때 다이얼을 돌리면 어느 순간 빠르게 전압이 확 바뀔 것이다. 왜 그런지 생각해보자 

 

 

 

Reference

https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_divider

https://www.allaboutcircuits.com/tools/voltage-divider-calculator/

https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-dividers/all