Voltaj bölücü, büyük bir voltajı bölerek daha küçük voltaj almamızı sağlayan basit bir devredir. Sadece iki seri direnç ve bir giriş voltajı kullanarak, girişin bir bölümüne denk gelen çıkış voltajı oluşturabiliriz. Voltaj bölücüler elektronikteki en temel devrelerden biridir. Ohm’un yasasını öğrenmek ABC öğrenmek gibiyse, voltaj bölücülerinin öğrenilmesi ise “kedi” kelimesinin nasıl yazıldığını öğrenmek gibi olacaktır. Çok önemlidir.
İdeal Voltaj Bölücü
Gerilim bölücünün iki önemli kısmı vardır: Devre ve Denklem.
Devre
Voltaj bölücü, en az iki direnç dizisi ve bu dirençler üzerine voltaj uygulanması ile oluşur. Bunun birkaç farklı yolla çizildiğini görebilirsiniz, ancak bunlar temel her zaman aynı devrelerdir.
Yukarıda her devre aynı işi yapıyor, sadece çizim olarak faklı gösterilmiş. Yaptığı iş anlamında aralarında bir fark yok.
Giriş voltajına (Vin) en yakın dirence R1 deriz ve toprağa en yakın dirence R2 deriz. R2 üzerindeki voltaj düşüşüne Vout (çıkış voltajı) denir ve toprak ile Vout ucunu ölçü aletimize bağladığımızda bölünmüş bir voltaj okuruz. Devreyi, bu bölünmüş voltajı elde etmek için kurarız, devrenin var oluş amacı budur.
Devrede hepsi bu kadar! Sonunda giriş voltajının bir kısmı olan bölünmüş bir voltaj elde ettik.
Denklem
Voltaj bölücü denklemi, yukarıdaki devrenin üç değerini bildiğinizi varsayar: Giriş voltajı (Vin) ve her iki direnç değeri (R1 ve R2). Bu değerler göz önüne alındığında, aşağıdaki denklemi çıkış gerilimini (Vout) bulmak için kullanabiliriz:
Bu denklem bize; çıkış voltajının, giriş voltajı ve R1, R2 oranı ile doğru orantılı olduğunu belirtir. Bunun nereden geldiğini konunun aşağılarında anlatacağız. Şimdilik, sadece bu kadarını yazalım ve unutmayalım.
Örnek: Vin=12V, Vout=6V R1=1k, ise R2=? için yukarıdaki denklemi kullanalım
değerleri yerlerine yazalım 6 = 12(R2 / (1000 + R2)
ifadeyi sadeleştirelim, (1/2) = R2 / (1000 + R2) ise 2xR2 = 1000 + R2
ise R2 eşitliğin diğer tarafına -R2 olarak geçer ve 2R2 – R2 = 1000 ve R2 = 1000 yani 1k olur.
Basitleştirmeler
Voltaj bölücüler kullanılırken akılda tutulması gereken bazı genellemeler vardır. Bunlar, voltaj bölme devresini değerlendirmeyi biraz daha kolaylaştıran basitleştirmelerdir.
İlk olarak; eğer R2 ve R1 eşit ise, çıkış voltajı girişin yarısı kadardır. Bu, dirençlerin değerlerinden bağımsız olarak geçerlidir. Dirençler hangi değeri alırsa alsın bu kural değişmez.
Eğer R2, R1 ‘den çok çok daha büyükse, çıkış voltajı girişe çok yakın olacaktır. R1 üzerinde çok az bir voltaj düşümü olacaktır.
Eğer R1, R2’den çok çok daha büyükse de, çıkış voltajı girişe kıyasla daha küçük olacaktır. Giriş voltajının çoğu R1 üzerinde düşecektir.
Uygulamalar
Voltaj bölücülerinin tonlarca uygulaması vardır, bunlar elektrik-elektronik mühendisliğinde kullanılan devrelerin en yaygınları arasındadır. Voltaj bölücülerinizi bulacağınız yerlerden sadece birkaçını aşağıda belirtmeye çalışacağım.
-
Potansiyometreler
Potansiyometre, ayarlanabilir bir voltaj bölücü oluşturmak için kullanılabilecek değişken bir dirençtir.
Poatnsiyometrenin içinde, rezistörü ikiye bölerek direnç oranını ayarlamak için hareket eden bir uç (orta ayak) ve kenarlardaki her iki ayak arasında sabit bir direnç bulunur. Dışarıdan bakıldığında genellikle üç pin vardır: direncin her bir ucuna iki pim bağlanırken, üçüncü pin de potansiyometrenin hareketli pinine bağlanır. Bu hareketli mekanizma, Pot içerisindeki sabit direncin belirli noktalarına basar ve o andaki direnç derğerine göre uçta bir direnç gösterir.
Dış pinler bir voltaj kaynağına (biri toprağa, diğeri Vin’e) bağlanırsa, çıkış (orta pindeki Vout bir voltaj bölücüsünü taklit eder). Potansiyometreyi bir yöne tamamen çevirdiğinizde ve Vout sıfır olur veya tamamen diğer tarafa çevirdiğinizde ise çıkış voltajı giriş voltajı seviyesine yaklaşır. Hareketli ucu orta pozisyona getirdiğimizde ise çıkış voltajının, giriş voltajının yarısı olacağı anlamına gelir.
Potansiyometreler çeşitli paketlerde gelir ve kendi uygulamalarına sahiptir. Referans voltajı oluşturmak, radyo istasyonlarını ayarlamak, bir joystick üzerindeki konumunu ölçmek veya değişken giriş voltajı gerektiren tonlarca başka uygulamalarda kullanılabilirler.
2.Dirençli Sensörler
Gerçek dünyadaki birçok sensör basit dirençli cihazlardır. Bir fotosel, algıladığı ışık miktarıyla orantılı bir direnç üreten değişken bir dirençtir. Esnek sensörler, kuvvete duyarlı dirençler ve termistörler gibi diğer cihazlar da değişken dirençlerdir.
Mikrodenetleyicilerin; ölçülecek olan voltajı analog-dijital dönüştürücüler (ADC’ler) yardımıyla kolaylıkla ölçebilmesi için işleri çok kolaylaştırır. Direnç midirler? Hayır. Ancak, direnç sensörlerine başka bir direnci seri devre olarak eklediğimizde, bir voltaj bölücü oluşturabiliriz. Gerilim bölücünün çıkış voltajı bilindiğinde geri dönüp sensörün direncini hesaplayabiliriz.
Örneğin, fotoselin direnci, ışıkta 1kΩ ile karanlıkta yaklaşık 10kΩ arasında değişmektedir. Bunu ortada bir yerde statik bir dirençle birleştirirsek – 5.6kΩ diyelim- geniş yelpazeli bir voltaj bölücü elde edebiliriz.
Fotosel bu voltaj bölücünün yarısını oluşturur. Fotoselin direncini bulmak için voltaj ölçülür.
| Işık Seviyesi | R2 (Sensör) | R1 (Sabit) | Oran R2/(R1+R2) | Vout |
| Aydınlık | 1kΩ | 5.6kΩ | 0.15 | 0.76 V |
| Loş ışık | 7kΩ | 5.6kΩ | 0.56 | 2.78 V |
| Karanlık | 10kΩ | 5.6kΩ | 0.67 | 3.21 V |
Işıktan karanlığa doğru yaklaşık 2.45V’lık bir salınım görürüz.
3. Seviye Değiştirici
Daha karmaşık sensörler, UART, SPI veya I2C gibi daha ağır seri arayüzler kullanarak okumalarını iletebilirler. Bu sensörlerin çoğu, gücü korumak için nispeten düşük bir voltajda çalışır. Ne yazık ki, bu düşük voltajlı sensörlerin sonuçta daha yüksek bir sistem voltajında çalışan bir mikro kontrolörle etkileşime girmesi çok sık karşılaşılan bir durumdur. Bu durum seviye kayması sorununa yol açar, ancak bu sorunun da voltaj bölücüler de dahil olmak üzere çok sayıda çözümü vardır .
Örneğin, bir ADXL345 ivmeölçer, maksimum 3.3V giriş voltajına izin verir. Bu nedenle bir Arduino ile birlikte bu sensörü kullanmaya çalışırsanız , Arduinonun 5V sinyalini 3.3V’a düşürmek için bir şeyler yapılması gerekecektir. Gereken tek şey bir Voltaj bölücü, 5V’luk bir sinyali yaklaşık 3.3V’a bölen bir çift direnç. 1kΩ-10kΩ aralığında dirençler genellikle böyle bir uygulamalar için en iyisidir;
Unutmayın, bu çözüm sadece bir yönde çalışır. Tek başına bir voltaj bölücü asla daha düşük bir voltajı daha yüksek bir seviyeye yükseltemez.
Uygulamada Yapılmaması Gerekenler
Voltaj seviyesini düşürmek için bir voltaj bölücü kullanmak cazip bir seçenektir ancak, örneğin 12 V güç kaynağı olması durumunda, 5V’ luk bir yüke güç sağlamak için voltaj bölücüler kullanılmamalıdır. Çok akım çeken yükler için ve bu seviyede bir voltaj düşürülmesi için voltaj regülatörü entegreleri kullanılmalıdır.
Yükün gerektirdiği herhangi bir akımın R1’den geçmesi de gerekir. R1’deki akım ve gerilim, ısı şeklinde dağıtılan gücü üretir. Bu güç rezistörün güç derecesini aşıyorsa (genellikle ⅛W ve 1W arasında) ısı, potansiyel olarak zayıf rezistörü eritir ve büyük bir problem olmaya başlar.
Voltaj bölücü ile yapmaya çalışacağımız bir güç kaynağının ne kadar verimsiz olacağını söylemeye bile gerek yoktur. Temel olarak, çok az miktarda güç gerektiren herhangi bir iş için dahi, voltaj kaynağı olarak voltaj bölücü kullanmayın. Güç kaynağı olarak kullanmak için bir voltajı düşürmeniz gerekirse, voltaj regülatörlerine veya swithmode güç kaynaklarına bakın.
Ekstra Bilgi: Kanıtlar
Bu bölümde, voltaj bölücü denklemini üretmek için Ohm yasasının nasıl uygulandığını değerlendireceğiz. Bu kısım,voltaj bölücülerinin ne yaptığını anlamak için çok önemli değil. Eğer ilgileniyorsanız, Ohm kanunu ve cebiriyle uğraşarak voltaj bölücülerin nasıl oluştuğunu anlamaya çalışacağız.
Devrenin değerlendirilmesi
Eğer Vout’taki gerilimi ölçmek istersen ne olur? Buradaki voltajı hesaplamak için bir formül oluşturmak gerekirse Ohm kanunu nasıl uygulanabilir? Vin, R1 ve R2’nin değerlerini bildiğimizi varsayalım, bu nedenle Vout denklemimizi bu değerler açısından ele alalım.
İlgili dirençler arasındaki “I1 ve I2” akımları olarak çağıracağımız devreyi çizerek başlayalım.
Amacımız Vout’u hesaplamak, peki ya Ohm yasasını bu gerilime uygularsak? Yeterince kolay, sadece bir direnç ve bir akım mevcut:
R2’nin değerini biliyoruz, peki ya I2? Bu bilinmeyen bir değer, ancak bunun hakkında bir şeyler biliyoruz. I1’in I2’ye eşdeğer olduğunu varsayıyoruz. Peki bu bize yardımcı oluyor mu? Bunu aklımızda tutalım. Devremiz şimdi, I1 ve I2 değerlerine eşit olmuş gibi görünüyor.
Vin hakkında ne biliyoruz? Vin, R1 ve R2 dirençleri arasındaki voltajdır. Bu dirençler seri halindedir. Seri dirençler birbileri ile toplarak tek bir direnç elde edilebilir.
Ve bir an için devreyi basitleştirebiliriz.
Ohm yasası en temel haliyle burada uygulanabilir, Vin = I * R yada diğer hali ile I=V/R. Eğer R’yi R1 + R2’ye geri döndürürsek, şu şekilde de yazılabilir:
I akımı, I1 akımı ve I2’ye eşdeğer olduğu için(I=I1=I2), Vout =I2*R2 denklemimizde I2 yerine v/R ‘yi uyarlayalım:
Ve böylece voltaj bölücü denklemini elde etmiş oluruz. Çıkış voltajı, giriş voltajının bir kısmıdır ve bu kısım, R2’nin Rl ve R2’nin toplamına bölünmesiyle elde edilir.
Umarım faydalı olmuştur…..
Bu yazı https://learn.sparkfun.com/tutorials/voltage-dividers sitesinden Türkçe’ye çevrilmiştir.
arduinomblog 