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, एक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट है जिसका उपयोग कई दशकों के रिज़ॉल्यूशन के साथ इनपुट वोल्टेज के सटीक अनुपात के रूप में आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। वास्तव में, केल्विन-वर्ली डिवाइडर एक इलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रिसिजन डिज़िटल से एनालॉग कन्वर्टर है।

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

सर्किट
पारंपरिक वोल्टेज डिवाइडर ( केल्विन विभाजक ) श्रृंखला में जुड़े प्रतिरोधों की एक टैप की गई स्ट्रिंग का उपयोग करता है। इस वास्तुकला का मूलभूत नुकसान यह है कि 1000 में 1 भाग के रिज़ॉल्यूशन के लिए 1000 सटीक प्रतिरोधों की आवश्यकता होगी।

इस सीमा को पार करने के लिए, केल्विन-वर्ली डिवाइडर एक पुनरावृत्त योजना का उपयोग करता है जिसके तहत ग्यारह सटीक 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 एक टैप की गई स्ट्रिंग होती है। मान लीजिए i-वें चरण में प्रत्येक प्रतिरोधक का मान R हैiओम|Ω. 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 आर के इनपुट प्रतिबाधा के लिए डिज़ाइन किया गया हैi. वह डिज़ाइन विकल्प ब्रिज किए गए हिस्से का प्रभावी प्रतिरोध R बनाता हैi. i-वें चरण का परिणामी इनपुट प्रतिबाधा 10 R होगाi.

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

आवेदन
सर्किट की पूर्ण परिशुद्धता केवल बिना आउटपुट करंट प्रवाहित किए ही महसूस की जा सकती है, क्योंकि आउटपुट का प्रभावी स्रोत प्रतिरोध परिवर्तनशील है। इसलिए केल्विन-वर्ली डिवाइडर को आमतौर पर एक ज्ञात वोल्टेज मानक के खिलाफ उनके आउटपुट वोल्टेज की तुलना करने के लिए एक शून्य डिटेक्टर  के साथ संयोजन में लागू किया जाता है, उदाहरण के लिए एक 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 R हैnओम्स. संपूर्ण स्ट्रिंग की इनपुट प्रतिबाधा 10 R होगीn. 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 सख्त 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 पुल  सर्किट और एक संवेदनशील नल डिटेक्टर - 19 वीं शताब्दी में एक  बिजली की शक्ति नापने का यंत्र, या आज एक इलेक्ट्रॉनिक रूप से प्रवर्धित उपकरण - का उपयोग करके आसानी से पूरा किया जाता है।

एक दशक से अगले दशक तक प्रतिरोध का अनुपात, आश्चर्यजनक रूप से, महत्वपूर्ण नहीं है - आर का उपयोग करकेi+1 प्रतिरोध R से थोड़ा अधिक हैi/ 5 और प्रभावी प्रतिरोध को 2 × आर तक कम करने के लिए पूरे पिछले दशक के समानांतर एक ट्रिमिंग अवरोधक को जोड़नाi+1. उपरोक्त उदाहरण में, दूसरे चरण में 2 kΩ के बजाय 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, एक अवरोधक का एक 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 पीपीएम/K होता है। कुछ ऑफ-द-शेल्फ मेटल फ़ॉइल प्रतिरोधक 0.2 पीपीएम/के तक कम हो सकते हैं।

स्वयं तापन
किसी अवरोधक में नष्ट हुई शक्ति ऊष्मा में परिवर्तित हो जाती है। वह गर्मी डिवाइस का तापमान बढ़ा देती है। ऊष्मा का संचालन या विकिरण किया जाता है। एक सरल रैखिक लक्षण वर्णन डिवाइस (यूनिट वाट) में खर्च होने वाली औसत शक्ति और डिवाइस के थर्मल प्रतिरोध (K/W) को देखता है। एक 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 एक समस्या पैदा कर सकती है। पहला विभक्त चरण अक्सर 10 kΩ प्रतिरोधों से बना होता है, इसलिए विभक्त इनपुट प्रतिरोध 100 kΩ होता है। इसलिए 1000 V पर कुल बिजली 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 मतलब है कि ब्रिज किए गए प्रतिरोधों में एक चौथाई सेल्फ-हीटिंग और एक चौथाई तापमान में वृद्धि होगी।

डिवाइडर की सटीकता 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
थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव विभिन्न धातुओं के जंक्शनों पर वोल्टेज उत्पन्न करने का कारण बनता है यदि जंक्शन अलग-अलग तापमान पर होते हैं (थर्मोकपल भी देखें)। हालांकि ये अवांछित वोल्टेज छोटे हैं, कुछ माइक्रोवोल्ट प्रति डिग्री सेल्सियस के क्रम पर, वे उच्च सटीकता पर सराहनीय त्रुटियां पैदा कर सकते हैं जिसमें केल्विन-वर्ली सर्किट 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 (बाहरी कनेक्टर्स और केबलों के उपयोग के लिए; उदाहरण के लिए, एक मानक 4 मिमी प्लग/सॉकेट संयोजन हो सकता है) कम थर्मल ईएमएफ ग्रेड प्लग/सॉकेट के लिए केवल 0.07 μV/°C की तुलना में 1 μV/°C का गुणांक होता है ).

यह भी देखें

 * चार-टर्मिनल संवेदन
 * केल्विन ब्रिज
 * तनाव नापने का यंत्र

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.