전위차계를 이용한 전압 분배

교육과정: GCSE, A-level, IB B.5

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목표

전위차계로 조절 가능한 전압을 얻고, 부하가 전압 분배기의 출력을 어떻게 바꾸는지 살펴봅니다.

실험 장치

10 V 전압원이 1 kΩ 전위차계의 양 끝 단자에 연결되어 있으며, 노브는 가운데 위치에 있습니다. 전압계는 가동 접점과 (−)극 사이에 연결되어 있습니다. 1 kΩ 부하가 스위치를 거쳐 출력에 연결되어 있고, 스위치는 열려 있습니다.

실험 방법

1. 전압계의 측정값을 기록하세요.
2. 전위차계 노브를 한쪽 방향으로 끝까지 돌린 다음, 반대쪽으로도 끝까지 돌리세요.
3. 노브를 가운데 위치로 되돌리고 부하 스위치를 닫으세요.
4. 부하가 연결된 상태에서 전압계의 측정값을 기록하세요.

예상 결과

가운데 위치에서 출력 전압은 약 5.00 V입니다. 노브를 돌리면 출력 전압이 0에서 10 V까지 변합니다. 시계 방향으로 돌리면 가동 접점이 전압원의 (+)극에 연결된 단자 쪽으로 움직이고 전압이 높아집니다. 1 kΩ 부하를 연결하면 출력 전압이 약 4.0 V로 떨어집니다. 부하가 전위차계의 아래쪽 절반에 병렬로 연결되어 분로 역할을 합니다.

질문

1. 부하를 연결하면 분배기의 전압이 줄어드는 이유는 무엇입니까?
2. 전압 감소가 1% 미만이 되려면 부하는 얼마여야 합니까?

답

1. 부하는 전위차계의 아래쪽 절반과 병렬로 연결되며, 500 Ω과 1 kΩ을 병렬로 연결하면 약 333 Ω이 됩니다. 이제 분배기의 아래쪽 부분은 위쪽 500 Ω보다 저항이 작아져 10 V 중 더 작은 몫을 받습니다(10 V × 333 / 833 ≈ 4.0 V).
2. 출력 쪽에서 보면 가운데 위치의 분배기는 출력 저항이 \(R_{out}\) = 250 Ω인 5 V 전압원처럼 작동하는데, 이 출력 저항은 500 Ω인 두 절반이 병렬로 연결된 것입니다. 출력 전압은 \(R_{out} / (R_{out} + R_L)\)의 비율만큼 줄어들므로, 감소가 1% 미만이 되려면 부하 \(R_L\)이 99 × 250 Ω ≈ 25 kΩ보다 커야 하며, 이는 전위차계 저항의 25배입니다.