विभवांतर विभाजक

चित्र 1: एक साधारण वोल्टेज विभक्त

इलेक्ट्रानिक्स में, एक वोल्टेज विभक्त (एक संभावित विभक्त के रूप में भी जाना जाता है) एक निष्क्रिय रैखिक परिपथ है जो एक आउटपुट वोल्टेज (V_out) उत्पन्न करता है जो कि इसके इनपुट वोल्टेज (V_in) का एक अंश है। वोल्टेज विभाजन विभक्त के घटकों के बीच इनपुट वोल्टेज को वितरित करने का परिणाम है। वोल्टेज विभक्त का एक सरल उदाहरण श्रृंखला में जुड़े दो प्रतिरोधक हैं, जिसमें प्रतिरोधक जोड़ी में इनपुट वोल्टेज लागू होता है और आउटपुट वोल्टेज उनके बीच के कनेक्शन से निकलता है।

रेसिस्टर वोल्टेज विभक्त सामान्यतः संदर्भ वोल्टेज बनाने के लिए या वोल्टेज के परिमाण को कम करने के लिए उपयोग किया जाता है ताकि इसे मापा जा सके, और कम आवृत्तियों पर सिग्नल एटेन्यूएटर्स के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है। प्रत्यक्ष धारा और अपेक्षाकृत कम आवृत्तियों के लिए, वोल्टेज विभक्त पर्याप्त रूप से सटीक हो सकता है यदि केवल प्रतिरोधकों से बना हो जहां एक विस्तृत श्रृंखला पर आवृत्ति प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है (जैसे एक ऑसिलोस्कोप जांच में), एक वोल्टेज विभक्त में लोड धारिता की भरपाई के लिए धारितीय तत्व जोड़े जा सकते हैं। विद्युत शक्ति संचरण में, उच्च वोल्टेज की माप के लिए एक धारितीय वोल्टेज विभक्त का उपयोग किया जाता है।

सामान्य स्थिति

जमीन के संदर्भ में एक वोल्टेज विभक्त श्रृंखला में दो विद्युत प्रतिबाधाओं विद्युत प्रतिबाधा को जोड़कर बनाया गया है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। इनपुट वोल्टेज को श्रृंखला प्रतिबाधाओं Z₁ और Z₂ में लागू किया जाता है और आउटपुट Z₂ के पार वोल्टेज होता है। Z₁ और Z₂ तत्वों के किसी भी संयोजन से बना हो सकता है जैसे कि प्रतिरोधक, प्रेरक और संधारित्र।

यदि आउटपुट तार में विद्युत शून्य है तो इनपुट वोल्टेज, V_in और आउटपुट वोल्टेज, V_out के बीच संबंध है।

$V_{\mathrm {out} }={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

प्रमाण (ओम के नियम का उपयोग करके)

$V_{\mathrm {in} }=I\cdot (Z_{1}+Z_{2})$

$V_{\mathrm {out} }=I\cdot Z_{2}$

$I={\frac {V_{\mathrm {in} }}{Z_{1}+Z_{2}}}$

$V_{\mathrm {out} }=V_{\mathrm {in} }\cdot {\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}$

इस परिपथ का स्थानांतरण फलन (जिसे विभक्त वोल्टेज अनुपात भी कहते हैं) है।

$H={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}$

सामान्य तौर पर यह स्थानांतरण फलन आवृत्ति का एक जटिल, तर्कसंगत कार्य है।

उदाहरण

प्रतिरोधक विभक्त

चित्रा 2: सरल प्रतिरोधक वोल्टेज डिवाइडर

एक प्रतिरोधक विभक्त वह स्थिति है जहां दोनों प्रतिबाधा, Z₁ और Z₂, विशुद्ध रूप से प्रतिरोधक हैं (चित्र 2)।

Z₁ = R₁ और Z₂ = R₂ को पिछले व्यंजक में प्रतिस्थापित करने पर प्राप्त होता है:

$V_{\mathrm {out} }={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

यदि R₁ = R₂ तो

$V_{\mathrm {out} }={\frac {1}{2}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

यदि V_out = 6V और V_in = 9V (दोनों सामान्यतः प्रयुक्त वोल्टेज) हैं, तो

${\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}={\frac {6}{9}}={\frac {2}{3}}$

और बीजगणित का उपयोग करके हल करके, R₂ को R₁ के मान से दोगुना होना चाहिए।

R₁ के लिए हल करने के लिए

$R_{1}={\frac {R_{2}\cdot V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-R_{2}=R_{2}\cdot \left({{\frac {V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-1}\right)$

R₂ के लिए हल करने के लिए

$R_{2}=R_{1}\cdot {\frac {1}{\left({{\frac {V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-1}\right)}}$

1 से अधिक V_out/V_in का कोई भी अनुपात संभव नहीं है। अर्थात्, अकेले प्रतिरोधों का उपयोग करना या तो वोल्टेज को उल्टा करना या विन के ऊपर V_out को बढ़ाना संभव नहीं है।

निम्न-बायस (RC) फिल्टर

चित्रा 3: प्रतिरोधी / संधारित्र वोल्टेज विभक्त

जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, एक प्रतिरोधक और संधारित्र से युक्त एक विभक्त पर विचार करें।

सामान्य स्थिति की तुलना में, हम देखते हैं कि Z₁ = R और Z₂ संधारित्र का प्रतिबाधा है, जो कि दिया गया है-

$Z_{2}=-\mathrm {j} X_{\mathrm {C} }={\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}\ ,$

जहाँ X_C संधारित्र की प्रतिघात है, C संधारित्र की धारिता है, j काल्पनिक इकाई है, और ω (ओमेगा) इनपुट वोल्टेज की रेडियन आवृत्ति है।

इस विभक्त का तब वोल्टेज अनुपात होगा

${\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {Z_{\mathrm {2} }}{Z_{\mathrm {1} }+Z_{\mathrm {2} }}}={\frac {\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}{{\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}+R}}={\frac {1}{1+\mathrm {j} \omega RC}}\ .$

गुणनफल τ (tau) = RC को परिपथ का समय नियतांक कहते हैं।

अनुपात तब आवृत्ति पर निर्भर करता है, इस मामले में आवृत्ति बढ़ने के साथ घटती जाती है। यह सर्किट, वास्तव में, एक बुनियादी (प्रथम-क्रम) कम पास फ़िल्टर है। अनुपात में एक काल्पनिक संख्या होती है, और वास्तव में इसमें फ़िल्टर के आयाम और चरण बदलाव की जानकारी दोनों सम्मिलित होती हैं। केवल आयाम अनुपात निकालने के लिए, अनुपात के परिमाण की गणना करें, अर्थात्-

$\left|{\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}\right|={\frac {1}{\sqrt {1+(\omega RC)^{2}}}}\ .$

आगमनात्मक विभक्त

आगमनात्मक विभक्त एसी (AC) इनपुट को प्रेरकत्व के अनुसार विभाजित करते हैं।

$V_{\mathrm {out} }={\frac {L_{2}}{L_{1}+L_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

(चित्रा 2 के रूप में घटकों के साथ समान स्थिति में)

उपरोक्त समीकरण गैर-अंतःक्रियात्मक प्रेरकों के लिए है पारस्परिक प्रेरकत्व (एक ऑटोट्रांसफॉर्मर के रूप में) परिणामों को बदल देगा।

आगमनात्मक विभक्त डीसी (DC) इनपुट को तत्वों के प्रतिरोध के अनुसार विभाजित करते हैं जैसा कि ऊपर प्रतिरोधक विभक्त के लिए है।

धारितीय विभक्त

धारितीय विभक्त डीसी इनपुट पार नहीं करते हैं।

एसी इनपुट के लिए एक साधारण धारितीय समीकरण है।

$V_{\mathrm {out} }={\frac {Xc_{2}}{Xc_{1}+Xc_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }={\frac {1/C_{2}}{1/C_{1}+1/C_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }={\frac {C_{1}}{C_{1}+C_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }$

(चित्रा 2 के रूप में घटकों के साथ समान स्थिति में)

धारितीय तत्वों में किसी भी विद्युत रिसाव के लिए दो बाधाओं के साथ सामान्यीकृत अभिव्यक्ति के उपयोग की आवश्यकता होती है। समानांतर R और C तत्वों को उचित अनुपात में चुनकर, समान विभाजन अनुपात को उपयोगी आवृत्तियों पर बनाए रखा जा सकता है। माप बैंडविड्थ को बढ़ाने के लिए क्षतिपूर्ति दोलन दर्शी जांच में यह सिद्धांत लागू होता है।

लोडिंग प्रभाव

वोल्टेज विभक्त का आउटपुट वोल्टेज उस विद्युत प्रवाह के अनुसार अलग-अलग होगा जो वह अपने बाहरी विद्युत भार को आपूर्ति कर रहा है। Z₁ और Z₂ के विभक्त से आने वाला प्रभावी स्रोत प्रतिबाधा, Z₂ केसमानांतर Z₁ होगा (कभी-कभी Z₁ // Z₂ लिखा जाता है), अर्थात (Z₁ Z₂) / (Z₁ + Z₂)=HZ₁।

पर्याप्त रूप से स्थिर आउटपुट वोल्टेज प्राप्त करने के लिए, आउटपुट विद्युत या तो स्थिर होना चाहिए (और इसलिए संभावित विभक्त मानों की गणना का हिस्सा बनाया जाना चाहिए) या विभक्त के इनपुट विद्युत के उचित रूप से छोटे प्रतिशत तक सीमित होना चाहिए। लोड संवेदनशीलता को विभक्त के दोनों हिस्सों के प्रतिबाधा को कम करके कम किया जा सकता है, हालांकि इससे विभक्त के निष्क्रिय इनपुट विद्युत में वृद्धि होती है और इसके परिणामस्वरूप विभक्त में अधिक बिजली की खपत (और व्यर्थ ऊष्मा) होती है। वोल्टेज नियामकों का उपयोग प्रायः निष्क्रिय वोल्टेज विभक्त के बदले में किया जाता है जब उच्च या उतार-चढ़ाव वाले लोड धाराओं को समायोजित करना आवश्यक होता है।

अनुप्रयोग

वोल्टेज विभक्त का उपयोग सिग्नल के स्तर को समायोजित करने के लिए, प्रवर्धको में सक्रिय उपकरणों के पूर्वाग्रह के लिए और वोल्टेज के मापन के लिए किया जाता है। एक व्हीटस्टोन ब्रिज और एक मल्टीमीटर दोनों में वोल्टेज विभक्त सम्मिलित होते हैं। कई रेडियो के ध्वनि नियंत्रण में एक विभवमापी का उपयोग एक चर वोल्टेज विभक्त के रूप में किया जाता है।

नियंत्रक माप

एक सूक्ष्म नियंत्रक को सेंसर के प्रतिरोध को मापने की अनुमति देने के लिए वोल्टेज विभक्त का उपयोग किया जा सकता है। सेंसर को वोल्टेज विभक्त बनाने के लिए एक ज्ञात प्रतिरोध के साथ श्रृंखला में तार दिया जाता है और एक ज्ञात वोल्टेज को विभक्त पर लागू किया जाता है। सूक्ष्म नियंत्रक का अनुरूप से अंकीय परिवर्तक विभक्त के केंद्र टैप से जुड़ा है ताकि यह टैप वोल्टेज को माप सके और मापा वोल्टेज और ज्ञात प्रतिरोध और वोल्टेज का उपयोग करके सेंसर प्रतिरोध की गणना कर सके। इस तकनीक का उपयोग सामान्यतः ताप प्रतिरोधक और RTDs जैसे तापमान सेंसर के प्रतिरोध को मापने के लिए किया जाता है।

एक अन्य उदाहरण जो सामान्यतः उपयोग किया जाता है, उसमें प्रतिरोधक तत्वों में से एक के रूप में एक विभवमापी (चर अवरोधक) सम्मिलित होता है। जब विभवमापी के शाफ्ट को घुमाया जाता है तो इससे उत्पन्न प्रतिरोध या तो बढ़ता है या घटता है, प्रतिरोध में परिवर्तन शाफ्ट के कोणीय परिवर्तन से मेल खाता है। यदि एक स्थिर वोल्टेज संदर्भ के साथ युग्मित किया जाता है, तो आउटपुट वोल्टेज को अनुरूप से अंकीय परिवर्तक में सिंचित किया जा सकता है और एक प्रदर्शित कोण दिखा सकता है। इस तरह के परिपथ सामान्यतः नियंत्रित नॉब्स को पढ़ने में उपयोग किए जाते हैं।

उच्च वोल्टेज माप

उच्च वोल्टेज (HV) प्रतिरोधक विभक्त जांच। मापा जाने वाला एचवी (VIN) कोरोना बॉल जांच टिप पर लगाया जाता है और जमीन को ब्लैक केबल के जरिए विभक्त के दूसरे सिरे से जोड़ा जाता है। विभक्त आउटपुट (VOUT) केबल से सटे योजक पर दिखाई देता है।

एक वोल्टेज विभक्त का उपयोग बहुत उच्च वोल्टेज को कम करने के लिए किया जा सकता है ताकि इसे वोल्ट मीटर द्वारा मापा जा सके। उच्च वोल्टेज को विभक्त पर लागू किया जाता है, और विभक्त आउटपुट - जो कम वोल्टेज को आउटपुट करता है जो मीटर की इनपुट रेंज के भीतर होता है - को मीटर द्वारा मापा जाता है। इस उद्देश्य के लिए विशेष रूप से डिजाइन किए गए उच्च वोल्टेज प्रतिरोधी विभक्त जांच का उपयोग 100 केवी (kV) तक वोल्टेज मापने के लिए किया जा सकता है। इस तरह की जांच में विशेष उच्च वोल्टेज प्रतिरोधों का उपयोग किया जाता है क्योंकि वे उच्च इनपुट वोल्टेज को सहन करने में सक्षम होना चाहिए और सटीक परिणाम उत्पन्न करने के लिए, तापमान गुणांक और बहुत कम वोल्टेज गुणांक से मेल खाना चाहिए। धारितीय विभक्त जाँच का उपयोग सामान्यतः 100 kV से ऊपर के वोल्टेज के लिए किया जाता है, क्योंकि ऐसे उच्च वोल्टेज पर प्रतिरोधक विभक्त जाँच में बिजली के नुकसान के कारण होने वाली ऊष्मा अत्यधिक हो सकती है।

तर्क स्तर स्थानांतरण

एक वोल्टेज विभक्त का उपयोग दो परिपथों को अंतरापृष्ठ करने के लिए कच्चे तर्क स्तर के शिफ्टर के रूप में किया जा सकता है जो विभिन्न प्रचालन वोल्टेज का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, कुछ लॉजिक परिपथ 5V पर संचालित होते हैं जबकि अन्य 3.3V पर काम करते हैं। 5V लॉजिक आउटपुट को 3.3V इनपुट में सीधे अंतरापृष्ठ करने से 3.3V परिपथ को स्थायी नुकसान हो सकता है। इस मामले में, 3.3/5 के आउटपुट अनुपात वाले वोल्टेज विभक्त का उपयोग 5V सिग्नल को 3.3V तक कम करने के लिए किया जा सकता है, ताकि परिपथ 3.3V परिपथ को नुकसान पहुंचाए बिना इंटरऑपरेट कर सकें। इसके लिए व्यवहार्य होने के लिए, 5V स्रोत प्रतिबाधा और 3.3V इनपुट प्रतिबाधा नगण्य होनी चाहिए, या वे स्थिर होनी चाहिए और विभक्त प्रतिरोधक मानों को उनके प्रतिबाधा के लिए जिम्मेदार होना चाहिए। यदि इनपुट प्रतिबाधा धारितीय है, तो विशुद्ध रूप से प्रतिरोधक विभक्त डेटा दर को सीमित कर देगा। विभक्त के दोनों पैरों को धारितीय के साथ-साथ प्रतिरोधक बनाने के लिए, शीर्ष अवरोधक के साथ श्रृंखला में एक संधारित्र जोड़कर इसे मोटे तौर पर दूर किया जा सकता है।

यह भी देखें

• विद्युत विभक्त।
• डीसी-से-डीसी परिवर्तक।
• वोल्टेज प्रवर्धक।

संदर्भ

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