⚡ 전압 분배기 계산기

전압 분배기는 전압을 내리는 가장 간단한 방법입니다. 공급원 양단에 저항 두 개를 직렬로 연결하고, 그 사이 지점에서 낮아진 전압을 빼내는 방식입니다. 센서 읽기, 트랜지스터 바이어스, 비교기에 기준 전압 공급 같은 전형적인 용도에 쓰이며 — 병렬 저항, LED 저항 패턴과 함께 전자공학의 핵심 기본 블록입니다.

출력은 두 저항의 비율에만 의존하지, 절대값에는 의존하지 않습니다. 두 저항을 함께 두 배로 키우면 출력 전압은 그대로지만 전류는 절반으로 줄어듭니다 — 전력 낭비를 줄이고 싶을 때 유용합니다.

실전에서 분배기는 만능 도구입니다. 0–12 V 센서 신호를 마이크로컨트롤러가 읽을 수 있는 0–3.3 V 범위로 축소하고, 비교기용 고정 기준 전압을 만들고, R2 자리에 가변저항을 쓰면 연속 조절 가능한 노브가 됩니다. 트랜지스터 베이스 바이어스나 연산증폭기 이득 설정에도 같은 비율 수학이 다시 등장하므로, 한 번 익혀두면 전자공학 도구 전체에서 써먹을 수 있습니다.

5 V 공급원 기준으로 흔한 저항 비율에 따른 출력은 다음과 같습니다:

공식은 옴의 법칙의 직접적인 결과입니다. 두 저항에는 같은 전류가 흐르므로 각 저항 양단의 전압은 저항값에 비례합니다. 출력은 R2에 걸리는 공급 전압의 비율입니다:

V_out = V_in × R₂ / (R₁ + R₂)

체인을 흐르는 전류는 I = V_in / (R₁ + R₂)이고, 각 저항에서 소모되는 전력은 P = I²R입니다. 마지막 값이 필요한 정격(W)을 결정합니다 — 10 kΩ 저항으로 만든 분배기는 거의 따뜻해지지 않는 반면, 10 Ω 저항으로 만든 분배기는 상당히 뜨거워질 수 있습니다.

파생 검산으로, 비율 V_out / V_in은 R₂ / (R₁ + R₂)와 같습니다. 원하는 분율을 알면 저항 비율을 직접 역산할 수 있습니다. 그리고 실용적인 경험칙이 있습니다: 출력에 연결하는 것은 입력 저항이 최소 R2의 10배가 되어야 하며, 그렇지 않으면 부하가 출력 전압을 끌어내립니다(분배기의 '로딩' 오차).

그 로딩을 정확히 예측할 수도 있습니다. 출력에서 본 분배기는 테브난 등가 전원입니다: V_out이라는 이상 전압과 R₁ ∥ R₂의 직렬 저항으로 표현됩니다. 여기에 부하 R_L을 걸면 실제 출력은 V_out × R_L / (R_L + (R₁ ∥ R₂))가 됩니다. R_L이 매우 크면 보정 항이 사라지고, R_L이 R₁ ∥ R₂에 가까워지면 출력은 절반으로 무너집니다 — 그래서 '10배' 규칙은 사실 10% 오차 예산이며, 두 저항값을 함께 키우면(소스 임피던스 증가를 대가로) 더 조일 수 있습니다.

1. 입력(공급) 전압 Vin을 입력하세요.
2. 위쪽 저항 R1과 아래쪽 저항 R2를 입력하세요.
3. 계산 버튼을 누르면 접점에서의 출력 전압이 나옵니다.
4. 체인 전류와 각 저항의 소비 전력을 확인하세요.
5. 부하를 구동한다면 출력 정확도를 위해 부하 저항을 R2의 10배 이상으로 유지하세요.

부하를 연결하면 분배기 출력이 떨어지는 이유는 무엇인가요?

부하는 R2와 병렬로 붙어 실효 아래쪽 저항을 낮추므로 출력 전압이 내려갑니다. 고임피던스 부하(연산증폭기 입력, MCU ADC)는 거의 영향을 주지 않지만, 스피커나 모터는 출력을 무너뜨립니다. 큰 부하에는 버퍼(전압 팔로워)를 사용하세요.

저항값이 중요한가요, 비율만 중요한가요?

비율이 전압을 정합니다. 절대값은 전류와 전력을 정합니다. 저항이 클수록 전류가 적게 흐르지만(배터리에 좋음) 부하에 더 민감해집니다.

분배기로 기기를 구동할 수 있나요?

직접은 안 됩니다. 분배기는 신호와 기준용이지 전력 공급용이 아닙니다 — 에너지 대부분이 저항에서 열로 낭비되고 부하가 걸리면 전압이 처집니다. 레귤레이터나 벅 컨버터를 사용하세요.

R1과 R2를 바꾸면 어떻게 되나요?

상보적인 전압이 나옵니다. 출력이 Vin × R1/(R1+R2)이 됩니다. 저항을 바꾸면 단지 탭이 비율의 반대쪽으로 이동할 뿐입니다.

저항 정격은 어떻게 고르나요?

각 저항에 대해 P = I²R을 계산하고(계산기가 보여줍니다) 그 두 배 이상 정격을 고르세요. 대부분의 신호 분배기는 1밀리와트 미만을 소모하므로 ¼ W 부품이면 충분합니다.

저전력 설계에는 큰 저항(예: 10 kΩ ~ 100 kΩ)을 사용해 분배기가 마이크로암페어만 흘리고 배터리를 거의 건드리지 않게 하세요 — 전원을 설계할 때는 배터리 수명 계산기와 함께 쓰면 좋습니다.

표준 E12 값이면 대부분의 비율을 쉽게 만듭니다: 10 kΩ 위에 10 kΩ이면 정확히 절반, 10 kΩ 위에 22 kΩ이면 입력의 약 0.31이 됩니다.

변하는 부하에서도 출력을 일정하게 유지해야 한다면 저항을 낮추는 대신(전력 낭비) 분배기 뒤에 연산증폭기 전압 팔로워를 붙이세요.

가변 분배기는 R2를 가변저항으로 바꾸면 됩니다 — 와이퍼가 V_out 탭이 되어 고정 단계 대신 연속 범위를 얻습니다.

마이크로컨트롤러 ADC에 연결하나요? 분배기의 소스 저항(R₁ ∥ R₂)이 ADC의 권장 입력 임피던스보다 한참 낮아야 합니다. 그렇지 않으면 샘플-홀드 커패시터가 변환 사이에 충전을 못 끝내서 처진 잘못된 전압을 읽게 됩니다.

열 드리프트는 정밀 분배기의 조용한 적입니다: 매칭되지 않은 100 ppm/°C 저항 쌍은 보드가 따뜻해지면 비율을 떠다니게 합니다. 기준 용도라면 두 부품이 같은 기판을 공유하며 서로를 추종하는 저항 네트워크를 쓰거나, 분배기 대신 전용 전압 레퍼런스 IC를 사용하세요.

분배기가 고임피던스 입력을 구동할 때는 체인 전류도 그 입력의 바이어스 전류보다 한참 위로 유지하세요 — 현대 CMOS는 피코암페어, 구형 부품은 마이크로암페어입니다. 체인 전류가 바이어스 전류 아래로 내려가면 바이어스 전류 자체가 탭을 왜곡하므로, 수 마이크로와트를 아끼려고 저항을 과도하게 키우면 안 되는 이유이기도 합니다.

구체적인 설계 예시 하나: 3.3 V ADC로 0–12 V 배터리를 읽으려면 V_out/V_in = 3.3/12 ≈ 0.275이 필요하고, 비율 표에서 R₂/R₁ ≈ 0.38이 됩니다. 위쪽 저항 10 kΩ에 아래쪽 3.8 kΩ(가장 가까운 E12 값인 3.9 kΩ 사용)이면 1% 이내로 들어옵니다. 갓 충전된 셀이 탭을 ADC 레일 너머로 밀어 올리지 못하도록 항상 여유를 두세요.