Gerilim (voltaj) bölücü, elektrik devrelerinde iki ya da daha fazla elektriksel bileşenin (çoğunlukla direnç, kapasitör veya indüktör) seri bağlanmasıyla oluşturulan ve giriş gerilimini, bu bileşenlerin değerleri oranında parçalara bölen bir devre topolojisidir. Temel amacı, giriş geriliminin istenilen bir oranla düşürülerek daha düşük bir çıkış gerilimi elde edilmesidir. Bu yapı, hem doğru akım (DC) hem de alternatif akım (AC) devrelerinde kullanılabilir.

Genel Durumlar

Toprağa referanslı bir gerilim bölücü, iki elektriksel empedansın seri bağlanmasıyla oluşturulur. Giriş gerilimi, seri haldeki Z1Z_1Z1​ve Z2Z_2Z2​​ empedansları boyunca uygulanır; çıkış gerilimi ise Z2Z_2Z2​ empedansı üzerindeki potansiyel fark olarak alınır. Bu empedanslar; direnç, indükdör ve kondansatör gibi devre elemanlarının herhangi bir kombinasyonundan oluşabilir.

 

^{Basit Gerilim Bölücü Devresi (Yazarın kendi çalışmasıdır.)}

 

Yukarıdaki şekilde gösterilen devreye ait giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki ilişki, gerilim bölücü prensibine dayalı olarak Vout=Vin×Z2Z1+Z2V_{out} = V_{in} \times \frac{Z_2}{Z_1 + Z_2}Vout​=Vin​×Z1​+Z2​Z2​​ şeklinde ifade edilmektedir. Bu ilişkinin kanıtı, temel devre analiz kurallarına dayanmaktadır. Öncelikle, seri bağlı devrelerde tüm bileşenler üzerinden aynı akımın geçtiği bilinmektedir. Bu nedenle, devrenin toplam empedansı Ztoplam=Z1+Z2Z_{toplam} = Z_1 + Z_2Ztoplam​=Z1​+Z2​ olarak yazılır. Ohm Yasası'na göre, bu toplam empedans üzerinden geçen akım I=VinZ1+Z2I = \frac{V_{in}}{Z_1 + Z_2}I=Z1​+Z2​Vin​​ şeklinde bulunur. Çıkış gerilimi VoutV_{out}Vout​ ise yalnızca Z₂ elemanının uçları arasındaki gerilim olduğundan, yine Ohm Yasası kullanılarak Vout=I×Z2V_{out} = I \times Z_2Vout​=I×Z2​ biçiminde ifade edilir. Bu noktada, yukarıda hesaplanan akım değeri çıkış gerilimi denklemine yerleştirilirse _{Vout=(VinZ1+Z2)×Z2V_{out} = (\frac{V_{in}}{Z_1 + Z_2}) \times Z_2Vout​=(Z1​+Z2​Vin​​)×Z2​} ifadesi elde edilir. Bu çarpım sadeleştirildiğinde, gerilim bölücü formül olan Vout=Vin×Z2Z1+Z2V_{out} = V_{in} \times \frac{Z_2}{Z_1 + Z_2}Vout​=Vin​×Z1​+Z2​Z2​​ denklemi ortaya çıkar. Bu formül, çıkış geriliminin, giriş geriliminin empedanslar oranına göre paylaştırılmasıyla elde edildiğini gösterir. Böylece, giriş gerilimi Z₁ ve Z₂ arasında bölünerek, yalnızca Z₂'ye düşen kısmı çıkış gerilimi olarak belirlenmiş olur.

Farklı Gerilim Bölücü Yapıları

Gerilim bölücüler, elektrik ve elektronik devrelerde farklı bileşenlerle çeşitli şekillerde uygulanabilir. En yaygın kullanılan yapı, direnç temelli gerilim bölücülerdir. Bu yapıda kullanılan dirençler sabit değerli olabileceği gibi, biri değişken direnç (potansiyometre) şeklinde de olabilir. Alternatif akım devrelerinde özellikle yüksek frekanslı sinyallerin bölünmesinde ise kapasitif gerilim bölücüler tercih edilir. Kapasitörlerin empedansları frekansa bağlı olarak değiştiğinden, bu tür bölücüler frekans bağımlı bir bölme işlevi görür ve özellikle yüksek gerilimli uygulamalarda ölçüm amacıyla kullanılır. Bir diğer yapı olan endüktif gerilim bölücüler, trafo sargılarında karşımıza çıkar ve özellikle AC sinyallerin oransal olarak bölünmesinde etkilidir. Endüktörlerin frekansla değişen empedansı sayesinde, belirli koşullar altında gerilim bölme işlevi sağlanır.

Uygulama Alanları

Gerilim bölücüler, birçok elektronik uygulamada temel ve işlevsel bileşenler olarak kullanılır. Analog sinyal dönüştürme alanında, sensörlerden gelen sinyallerin analog-sayısal çeviricilere (ADC) uygun gerilim seviyelerine düşürülmesinde önemli rol oynarlar. Referans gerilim üretimi amacıyla da kullanılarak, özellikle op-amp gibi bazı devre elemanlarının ihtiyaç duyduğu sabit gerilim değerleri sağlanabilir. Potansiyometre uygulamaları ise kullanıcı etkileşiminin gerektiği ses seviyesi, parlaklık ya da hız ayarı gibi durumlarda gerilim bölücü olarak işlev görür. Yüksek gerilim ölçümlerinde, ölçüm cihazlarını doğrudan yüksek voltaja maruz bırakmadan, gerilimi güvenli seviyelere düşürerek ölçüm yapılmasına olanak tanır. Ayrıca, filtreleme uygulamalarında RC (direnç-kapasitör) veya RL (direnç-endüktör) temelli frekans bağımlı gerilim bölücüler, sinyal işleme sürecinde filtre görevi üstlenir.

Uygulama Örnekleri

RC Alçak Geçiren Filtre (Low-Pass Filter)

Gerilim bölücüler, elektrik ve elektronik sistemlerde temel, hesaplanabilir ve genellikle maliyet açısından verimli bir çözüm sunar. Bununla birlikte, hassasiyet gerektiren uygulamalarda dikkatli tasarım, yük analizleri ve gerektiğinde aktif bileşenlerle desteklenmiş yapılar tercih edilmelidir. Direnç temelli gerilim bölücüler, uygulama sahalarının genişliği ve hesaplama kolaylığı bakımından özellikle eğitim, araştırma ve prototipleme alanlarında temel bir araç olarak değerlendirilmektedir.

 

^{Alçak Geçiren Filtre Devresi (Yazarın kendi çalışmasıdır.)}

 

RC alçak geçiren filtre devresi, bir direnç (R) ve bir kondansatörden (C) oluşan basit bir yapıya sahiptir. Giriş gerilimi VinV_{in}Vin​, direnç üzerinden geçerek kondansatöre ulaşır ve çıkış gerilimi VoutV_{out}Vout​ kondansatörün uçlarından alınır. Bu devredeki bileşenlerin empedansları sırasıyla Z1=RZ_1 = R Z1​=R ve Z2=1jWCZ_2 = \frac{1}{jWC}Z2​=jWC1​ şeklinde ifade edilir. Gerilim bölücü prensibine göre çıkış gerilimi, giriş geriliminin bir kısmı olarak şu şekilde hesaplanır:

 

Vout=Vin×1/(jwC)R+1/(jwC)=Vin1+jwRCV_{out} = V_{in} \times \frac{1/(jwC)}{R + 1 / (jwC)} = \frac{V_{in}}{1 + jwRC}Vout​=Vin​×R+1/(jwC)1/(jwC)​=1+jwRCVin​​

 

Bu denklem, çıkış geriliminin frekansa bağlı olduğunu gösterir. Dolayısıyla, bu devre yalnızca bir gerilim bölücü olmakla kalmaz, aynı zamanda frekans bazlı çalışan bir filtre görevi de görür. Özellikle bu tür devreler belirli frekansların geçmesine izin verirken, daha yüksek frekanslı bileşenleri zayıflatır. Bu özelliği nedeniyle "alçak geçiren filtre" olarak adlandırılır.

 

Gerilim bölücüler, elektrik ve elektronik sistemlerde oldukça temel ve yaygın kullanılan yapılardır. Hesaplamaları kolaydır, genellikle düşük maliyetlidirler ve birçok uygulama için verimli çözümler sunarlar. Ancak, yüksek hassasiyet gerektiren uygulamalarda bu yapılar dikkatle tasarlanmalı; yük etkileri göz önünde bulundurulmalı ve gerekirse aktif devre elemanlarıyla desteklenmelidir. Direnç temelli gerilim bölücüler, geniş bir uygulama alanına sahiptir ve bu yapıların anlaşılması; eğitim, araştırma ve prototipleme süreçlerinde temel bir araç olarak değerlendirilmektedir.