केल्विन-वर्ली डिवाइडर

केल्विन-वर्ली वोल्टेज डिवाइडर, जिसका नाम इसके आविष्कारकों विलियम थॉमसन, प्रथम बैरन केल्विन और सी.एफ. वर्ली के नाम पर रखा गया है, यह इलेक्ट्रॉनिक परिपथ है, जिसका उपयोग कई दशकों के रिज़ॉल्यूशन के साथ इनपुट वोल्टेज के स्पष्ट अनुपात के रूप में आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। वास्तव में, केल्विन-वर्ली डिवाइडर इलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रिसिजन डिज़िटल से एनालॉग कन्वर्टर है।

परिपथ का उपयोग अंशांकन और मैट्रोलोजी प्रयोगशालाओं में स्पष्ट वोल्टेज माप के लिए किया जाता है। यह 0.1 पीपीएम (10 मिलियन में 1) का रिज़ॉल्यूशन, स्पष्टता और रैखिकता प्राप्त कर सकता है।

परिपथ
पारंपरिक वोल्टेज डिवाइडर ( केल्विन डिवाइडर ) श्रृंखला में जुड़े प्रतिरोधों की टैप की गई स्ट्रिंग का उपयोग करता है। इस वास्तुकला की मूलभूत हानि यह है कि 1000 में 1 भाग के रिज़ॉल्यूशन के लिए 1000 स्पष्ट प्रतिरोधों की आवश्यकता होती है।

इस सीमा को पार करने के लिए, केल्विन-वर्ली डिवाइडर पुनरावृत्त योजना का उपयोग करता है, जिसके अनुसार ग्यारह स्पष्ट प्रतिरोधों से युक्त कैस्केड चरण प्रति चरण एक दशक का रिज़ॉल्यूशन प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, तीन चरणों को कैस्केडिंग करने से 0.001 की वृद्धि में 0 से 1 तक के किसी भी विभाजन अनुपात को चुनने की अनुमति मिलती है।

केल्विन-वर्ली डिवाइडर के प्रत्येक चरण में समान मूल्य के प्रतिरोधों की टैप की गई स्ट्रिंग होती है। मान लीजिए i-वें चरण में प्रत्येक प्रतिरोधक का मान Ri Ω है। एक दशक के चरण के लिए, ग्यारह प्रतिरोधक होंगे। उनमें से दो प्रतिरोधों को निम्नलिखित चरण द्वारा ब्रिज किया जाएगा, और निम्न चरण को 2 Ri के इनपुट प्रतिबाधा के लिए डिज़ाइन किया गया है। ववह डिज़ाइन विकल्प ब्रिज किए गए हिस्से के प्रभावी प्रतिरोध को Ri बनाता है। i-वें चरण का परिणामी इनपुट प्रतिबाधा 10 Ri होगा।

सरल केल्विन-वर्ली दशक डिज़ाइन में, प्रत्येक चरण का प्रतिरोध 5 के कारक से कम Ri+1 = Ri / 5 हो जाता है। पहले चरण में 10 kΩ प्रतिरोधों का उपयोग किया जा सकता है, दूसरे चरण में 2 kΩ, तीसरे चरण में 400 Ω, चौथे चरण में 80 Ω और पांचवें चरण में 16 Ω का उपयोग किया जा सकता है।

आवेदन
परिपथ की पूर्ण परिशुद्धता केवल आउटपुट धारा को बिना प्रवाहित किए ही अनुभव की जा सकती है, क्योंकि आउटपुट का प्रभावी स्रोत प्रतिरोध परिवर्तनशील है। इसलिए केल्विन-वर्ली डिवाइडर को सामान्यतः ज्ञात वोल्टेज मानक के विपरीत उनके आउटपुट वोल्टेज की तुलना करने के लिए एक शून्य डिटेक्टर के साथ संयोजन में प्रयुक्त किया जाता है, उदाहरण के लिए वेस्टन सेल (जिसका उपयोग इससे विद्युत धारा खींचे बिना भी किया जाना चाहिए)।

केल्विन-वर्ली डिवाइडर का अंतिम चरण सिर्फ केल्विन डिवाइडर है। एक दशक के विभाजक के लिए, दस समान मूल्य के प्रतिरोधक होंगे। माना प्रत्येक प्रतिरोधक का मान Rn ओम है। संपूर्ण स्ट्रिंग की इनपुट प्रतिबाधा 10 Rn होगी। वैकल्पिक रूप से, अंतिम चरण दो अवरोधक ब्रिज टैप हो सकता है।

ट्रिमिंग
उच्च परिशुद्धता के लिए, केवल यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि किसी एक दशक में प्रतिरोधों का प्रतिरोध समान हो, पहले दशक में मिलान की उच्चतम परिशुद्धता की आवश्यकता होती है। प्रतिरोधों को कठोर सहनशीलता के लिए चुना जाना चाहिए, और समान होने के लिए उनके प्रतिरोध मूल्यों को व्यक्तिगत रूप से ट्रिम करने की आवश्यकता हो सकती है। इस चयन या ट्रिमिंग के लिए केवल प्रत्येक ट्रिमिंग चरण में दो प्रतिरोधों के प्रतिरोधों की तुलना करने की आवश्यकता होती है, जिसे व्हीटस्टोन ब्रिज परिपथ और संवेदनशील नल डिटेक्टर - 19 वीं शताब्दी में एक गैल्वेनोमीटर, या आज इलेक्ट्रॉनिक रूप से प्रवर्धित उपकरण - का उपयोग करके सरलता से पूरा किया जाता है।

एक दशक से अगले दशक तक प्रतिरोध का अनुपात, आश्चर्यजनक रूप से, महत्वपूर्ण नहीं है - Ri / 5 से थोड़ा अधिक Ri+1 प्रतिरोधों का उपयोग करके और प्रभावी प्रतिरोध को 2 × Ri+1 तक कम करने के लिए पूरे पिछले दशक के समानांतर ट्रिमिंग अवरोधक को जोड़कर महत्वपूर्ण नहीं है। उपरोक्त उदाहरण में, दूसरे चरण में 2 kΩ के अतिरिक्त 3 kΩ प्रतिरोधों का उपयोग किया जा सकता है; दूसरे चरण के समानांतर 60 kΩ के (ट्रिम करने योग्य) अवरोधक को जोड़ने से दूसरे चरण का कुल इनपुट प्रतिरोध आवश्यक 20 kΩ तक कम हो जाता है।

तापमान गुणांक
आदर्श रूप से, अवरोधक का स्थिर प्रतिरोध होता है। व्यवहार में, प्रतिरोध समय और बाहरी परिस्थितियों के साथ अलग-अलग होगा। तापमान के साथ प्रतिरोध अलग-अलग होगा।

कार्बन फिल्म प्रतिरोधकों का तापमान गुणांक कई सौ भाग प्रति मिलियन प्रति केल्विन होता है। कुछ वायरवाउंड प्रतिरोधकों का गुणांक 10 ppm/K होता है। कुछ ऑफ-द-शेल्फ मेटल फ़ॉइल प्रतिरोधक 0.2 ppm/K तक कम हो सकते हैं।

स्वयं तापन
किसी अवरोधक में नष्ट हुई पॉवर ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है। वह गर्मी उपकरण का तापमान बढ़ा देती है। ऊष्मा का संचालन या विकिरण किया जाता है। सरल रैखिक लक्षण वर्णन उपकरण (यूनिट वाट) में व्यय होने वाली औसत पॉवर और उपकरण के थर्मल प्रतिरोध (K/W) को देखता है। उपकरण जो 0.5 W का अपव्यय करता है और जिसका तापीय प्रतिरोध 12 K/W है, उसका तापमान परिवेश के तापमान से 6 K अधिक बढ़ जाएगा।

जब केल्विन-वर्ली डिवाइडर का उपयोग उच्च वोल्टेज का परीक्षण करने के लिए किया जाता है, तो स्व-हीटिंग समस्या उत्पन्न कर सकती है। पहला विभक्त चरण अधिकांशतः 10 kΩ प्रतिरोधों से बना होता है, इसलिए विभक्त इनपुट प्रतिरोध 100 kΩ होता है। इसलिए 1000 V पर कुल विद्युत् अपव्यय 10 W है। अधिकांश डिवाइडर प्रतिरोधक 1 W का अपव्यय करेंगे, लेकिन दूसरे डिवाइडर चरण द्वारा ब्रिज किए गए दो प्रतिरोधक केवल 0.25 W का अपव्यय करेंगे। इसका अर्थ है कि ब्रिज किए गए प्रतिरोधों में एक चौथाई सेल्फ-हीटिंग और एक चौथाई तापमान में वृद्धि होगी।

डिवाइडर की स्पष्टता बनाए रखने के लिए, सेल्फ-हीटिंग से तापमान वृद्धि सीमित होनी चाहिए। बहुत कम तापमान गुणांक प्राप्त करने से तापमान भिन्नता का प्रभाव छोटा रहता है। प्रतिरोधों के तापीय प्रतिरोध को कम करने से तापमान में वृद्धि कम रहती है।

वाणिज्यिक केल्विन-वर्ली डिवाइडर तार-घाव प्रतिरोधकों का उपयोग करते हैं और उन्हें तेल स्नान में डुबो देते हैं (कभी-कभी केवल पहला दशक)।

थर्मल ईएमएफ
यदि जंक्शन अलग-अलग तापमान पर होते हैं (थर्मोकपल भी देखें), थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव विभिन्न धातुओं के जंक्शनों पर वोल्टेज उत्पन्न करने का कारण बनता है। चूँकि ये अवांछित वोल्टेज छोटे हैं, कुछ माइक्रोवोल्ट प्रति डिग्री सेल्सियस के क्रम पर, वे उच्च स्पष्टता पर सराहनीय त्रुटियां उत्पन्न कर सकते हैं, जिसमें केल्विन-वर्ली परिपथ सक्षम है। त्रुटियों को उचित डिज़ाइन के माध्यम से कम किया जा सकता है - सभी जंक्शनों को एक ही तापमान पर रखकर, और केवल कम थर्मोइलेक्ट्रिक गुणांक वाले धातु युग्मों को नियोजित करके (उपयोग किए गए बाहरी कनेक्टर्स और केबलों तक; उदाहरण के लिए, मानक 4 मिमी प्लग/सॉकेट संयोजन का गुणांक 1 μV/°C हो सकता है, जबकि "कम थर्मल ईएमएफ" ग्रेड प्लग/सॉकेट के लिए केवल 0.07 μV/°C होता है) कम किया जा सकता है।

यह भी देखें

 * चार-टर्मिनल संवेदन
 * केल्विन ब्रिज
 * पोटेंशियोमीटर

बाहरी संबंध

 * IET Labs, KVD-700 Series Kelvin-Varley Divider Operation Manual, 2007
 * Migrating from dc voltage dividers to modern reference multimeters, Fluke Application Note, 2006.
 * Belleman ADC presentation, page 61. shows design with two resistor final stage.
 * Migrating from dc voltage dividers to modern reference multimeters, Fluke Application Note, 2006.
 * Belleman ADC presentation, page 61. shows design with two resistor final stage.
 * Migrating from dc voltage dividers to modern reference multimeters, Fluke Application Note, 2006.
 * Belleman ADC presentation, page 61. shows design with two resistor final stage.
 * Belleman ADC presentation, page 61. shows design with two resistor final stage.