ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าคืออะไร? (พร้อมตัวอย่าง) - กายภาพ - 2025

ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าหรือตัวแบ่งแรงดันประกอบด้วยความสัมพันธ์ของตัวต้านทานหรืออิมพีแดนซ์ในอนุกรมที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่าย ด้วยวิธีนี้แรงดันไฟฟ้า V ที่จ่ายโดยแหล่ง - แรงดันอินพุต - จะถูกกระจายตามสัดส่วนในแต่ละองค์ประกอบตามกฎของโอห์ม:

โดยที่ V _iคือแรงดันไฟฟ้าคร่อมองค์ประกอบของวงจร I คือกระแสที่ไหลผ่านและ Z _iคืออิมพีแดนซ์ที่สอดคล้องกัน

รูปที่ 1. ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าตัวต้านทานประกอบด้วยตัวต้านทานแบบอนุกรม ที่มา: Wikimedia Commons

เมื่อจัดเรียงแหล่งที่มาและองค์ประกอบในวงจรปิดต้องปฏิบัติตามกฎข้อที่สองของ Kirchhoff ซึ่งระบุว่าผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงและเพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ 0

ตัวอย่างเช่นหากวงจรที่จะพิจารณาเป็นตัวต้านทานล้วนๆและมีแหล่งจ่ายไฟ 12 โวลต์เพียงแค่มีตัวต้านทานสองตัวที่เหมือนกันในอนุกรมกับแหล่งที่มาดังกล่าวแรงดันไฟฟ้าจะถูกแบ่งออก: ความต้านทานแต่ละตัวจะมี 6 โวลต์ และด้วยตัวต้านทานที่เหมือนกันสามตัวคุณจะได้รับ 4 V ในแต่ละตัว

เนื่องจากแหล่งกำเนิดแสดงถึงแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นดังนั้น V = +12 V. และในตัวต้านทานแต่ละตัวจะมีแรงดันตกที่แสดงด้วยเครื่องหมายลบ: - 6 V และ - 6 V ตามลำดับ เป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่ากฎข้อที่สองของ Kirchoff เป็นจริง:

+12 V - 6 V - 6 V = 0 V

นี่คือที่มาของชื่อตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากการใช้ตัวต้านทานแบบอนุกรมสามารถรับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าได้อย่างง่ายดายโดยเริ่มจากแหล่งที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า

สมการตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า

ลองพิจารณาวงจรตัวต้านทานอย่างหมดจดต่อไป เรารู้ว่ากระแส I ผ่านวงจรตัวต้านทานแบบอนุกรมที่เชื่อมต่อกับแหล่งที่มาดังแสดงในรูปที่ 1 นั้นเท่ากัน และตามกฎของโอห์มและกฎข้อที่สองของ Kirchoff:

V = IR ₁ + IR ₂ + IR ₃ + … IR _i

โดยที่ R ₁ , R ₂ … R _iแสดงถึงความต้านทานแต่ละอนุกรมของวงจร ดังนั้น:

V = ฉัน ∑ R _i

ดังนั้นปัจจุบันกลายเป็น:

ฉัน = V / ∑ R _i

ทีนี้ลองคำนวณแรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทานตัวใดตัวหนึ่งตัวต้านทาน R _iตัวอย่างเช่น:

V _i = (V / ∑ R _i ) R _i

สมการก่อนหน้านี้เขียนใหม่ด้วยวิธีต่อไปนี้และเรามีกฎตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่และตัวต้านทาน N ในอนุกรมพร้อมแล้ว:

ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าพร้อมตัวต้านทาน 2 ตัว

หากเรามีวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่มีตัวต้านทาน 2 ตัวสมการข้างต้นจะกลายเป็น:

และในกรณีพิเศษที่ R ₁ = R ₂ , V _i = V / 2 โดยไม่คำนึงถึงกระแสเช่นเดียวกับที่กล่าวไว้ตอนต้น นี่คือตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่ง่ายที่สุดของทั้งหมด

ในรูปต่อไปนี้เป็นแผนภาพของ divider นี้ซึ่ง V แรงดันไฟฟ้าอินพุตเป็นสัญลักษณ์เป็นวี_ในและ V _ฉันเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับโดยการหารแรงดันไฟฟ้าระหว่างตัวต้านทาน R ₁และ R 2

รูปที่ 2. ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าพร้อมตัวต้านทาน 2 ตัวในอนุกรม ที่มา: Wikimedia Commons ดูหน้าสำหรับผู้แต่ง / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)

ตัวอย่างการทำงาน

กฎของตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้ในวงจรตัวต้านทานสองวงจรเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า

- ตัวอย่าง 1

แหล่งที่มา 12 V สามารถใช้ได้ซึ่งจะต้องมีการแบ่งออกเป็น 7 V และ V 5 สองตัวต้านทาน R ₁และ R 2 มีความต้านทานคงที่ 100 Ωและความต้านทานตัวแปรซึ่งมีช่วงระหว่าง 0 ถึง1kΩ มีตัวเลือกอะไรบ้างในการกำหนดค่าวงจรและตั้งค่าของตัวต้านทาน R ₂ ?

สารละลาย

ในการแก้แบบฝึกหัดนี้จะใช้กฎของตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าสำหรับตัวต้านทานสองตัว:

สมมติว่า R ₁คือความต้านทานที่มีแรงดันไฟฟ้า 7 V และมีการวางความต้านทานคงที่ R ₁ = 100 Ω

ความต้านทานที่ไม่รู้จัก R ₂ต้องอยู่ที่ 5 V:

YR ₁ถึง 7 V:

5 (ร₂ +100) = 12 ร₂

500 = 7 ร₂

R ₂ = 71.43 Ω

คุณยังสามารถใช้สมการอื่นเพื่อให้ได้ค่าเดียวกันหรือแทนที่ผลลัพธ์ที่ได้เพื่อตรวจสอบความเท่าเทียมกัน

หากตอนนี้ความต้านทานคงที่ถูกวางไว้ที่ R ₂ดังนั้น R ₁จะอยู่ที่ 7 V:

5 (100 + ร₁ ) = 100 x 12

500 + 5R ₁ = 1200

R ₁ = 140 Ω

ในทำนองเดียวกันสามารถตรวจสอบได้ว่าค่านี้ตรงตามสมการที่สอง ค่าทั้งสองอยู่ในช่วงของความต้านทานตัวแปรดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะใช้วงจรที่ร้องขอในทั้งสองวิธี

- ตัวอย่าง 2

โวลต์มิเตอร์กระแสตรงกระแสตรงเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าในช่วงหนึ่งขึ้นอยู่กับตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า ในการสร้างโวลต์มิเตอร์ต้องใช้เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าเช่น D'Arsonval's

เป็นเครื่องวัดที่ตรวจจับกระแสไฟฟ้าพร้อมกับมาตรวัดระดับและเข็มบ่งชี้ กัลวาโนมิเตอร์มีหลายรุ่นหนึ่งในรูปเป็นแบบธรรมดาโดยมีขั้วต่อสองขั้วที่ด้านหลัง

รูปที่ 3. กัลวาโนมิเตอร์ชนิด D'Arsonval ที่มา: F. Zapata

กระแสไฟฟ้ามีความต้านทานภายใน R _Gสูงสุดในปัจจุบันซึ่งทนเพียงขนาดเล็กในปัจจุบันเรียกว่าฉันG ดังนั้นแรงดันในกระแสไฟฟ้าเป็น V _ม. = ฉัน_G R G

ในการวัดแรงดันไฟฟ้าใด ๆ โวลต์มิเตอร์จะวางขนานกับองค์ประกอบที่จะวัดและความต้านทานภายในจะต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะไม่ดึงกระแสจากวงจรมิฉะนั้นจะเปลี่ยนแปลง

หากเราต้องการใช้กัลวาโนมิเตอร์เป็นมิเตอร์แรงดันไฟฟ้าที่จะวัดต้องไม่เกินค่าสูงสุดที่อนุญาตซึ่งเป็นค่าความเบี่ยงเบนสูงสุดของเข็มที่อุปกรณ์มี แต่เราถือว่า V _mมีขนาดเล็กเนื่องจาก I _Gและ R _Gมีขนาดเล็ก

อย่างไรก็ตามเมื่อมีการเชื่อมต่อกัลวาโนมิเตอร์แบบอนุกรมกับตัวต้านทานอื่น R _Sซึ่งเรียกว่าตัวต้านทานแบบ จำกัด เราสามารถขยายช่วงการวัดของกัลวาโนมิเตอร์จาก V _mขนาดเล็กไปยังแรงดันไฟฟ้าที่ใหญ่กว่าε เมื่อถึงแรงดันไฟฟ้าเข็มเครื่องมือจะมีการโก่งสูงสุด

รูปแบบการออกแบบมีดังนี้:

รูปที่ 4. การออกแบบโวลต์มิเตอร์โดยใช้กัลวาโนมิเตอร์ ที่มา: F. Zapata

ในรูปที่ 4 ด้านซ้าย G เป็นกระแสไฟฟ้าและ R คือความต้านทานใด ๆ ที่คุณต้องการในการวัดแรงดัน V x

รูปด้านขวาแสดงให้เห็นว่าวงจรที่มี G, R _Gและ R _Sเทียบเท่ากับโวลต์มิเตอร์ซึ่งวางขนานกับความต้านทาน R

โวลต์มิเตอร์แบบเต็มสเกล 1V

ตัวอย่างเช่นสมมติว่าความต้านทานภายในของกัลวาโนมิเตอร์คือ R _G = 50 Ωและกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่รองรับคือ I _G = 1 mA ความต้านทานที่ จำกัด RS เพื่อให้โวลต์มิเตอร์ที่สร้างด้วยกัลวาโนมิเตอร์นี้คำนวณแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 1 V ดังนั้น:

I _G (R _S + R _G ) = 1 โวลต์

R _S = (1 V / 1 x 10 ^-3 A) - R _G

R _S = 1,000 Ω - 50 Ω = 950 Ω

อ้างอิง

1. Alexander, C. 2006. พื้นฐานของวงจรไฟฟ้า. 3 ฉบับ Mc Graw Hill
2. Boylestad, R. 2011. การวิเคราะห์วงจรเบื้องต้น. ครั้งที่ 2 ฉบับ เพียร์สัน
3. Dorf, R. 2006. ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับวงจรไฟฟ้า. 7 ฉบับ John Wiley & Sons
4. Edminister, J. 1996. วงจรไฟฟ้า. ซีรีส์ Schaum 3 ฉบับ Mc Graw Hill
5. Figueroa, D. ซีรี่ส์ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม. เล่มที่ 5 ไฟฟ้าสถิต. แก้ไขโดย D. Figueroa ยูเอสบี.
6. Hyperphysics การออกแบบโวลต์มิเตอร์ สืบค้นจาก: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
7. วิกิพีเดีย ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.