분압 회로는 저항 두 개만으로 입력 전압의 일부를 꺼내는 가장 단순한 회로입니다. 센서 전압을 마이크로컨트롤러가 읽을 수 있는 범위로 줄이거나, 비교기의 기준 전압을 만들 때 거의 매번 등장합니다. 하지만 "전압을 만드는 회로"로 오해해 부하를 달았다가 출력이 뚝 떨어지는 실수가 흔합니다. 이 글에서는 분압 공식, 부하가 있을 때의 변화, 저항값을 고르는 기준, 실전 예제를 정리합니다. 값을 바로 계산하려면 분압 계산기를 쓰세요.
기본 공식
입력 전압 Vin을 R1과 R2에 걸면 같은 전류가 두 저항을 흐르고, 전압은 저항값에 비례해 나뉩니다.
Vout = Vin × R2 / (R1 + R2)
R1과 R2가 같으면 출력은 입력의 절반이고, R2가 R1보다 크면 출력이 입력에 가까워집니다. 이 식은 출력에 아무것도 연결하지 않았을 때(무부하)의 값입니다.
부하를 달면 달라집니다
출력에 부하(회로의 입력 저항)를 연결하면 R2와 부하가 병렬이 되어 아래쪽 저항이 작아지고, 그만큼 출력이 떨어집니다.
R2' = R2 × R부하 / (R2 + R부하) Vout = Vin × R2' / (R1 + R2')
5V를 10kΩ + 10kΩ으로 나누면 무부하 출력은 2.5V입니다. 여기에 10kΩ 부하를 달면 R2'가 5kΩ이 되어 출력이 약 1.67V까지 떨어집니다. 분압기의 출력은 출력 임피던스(R1과 R2의 병렬값)를 가지므로 약한 신호원이라고 생각해야 합니다.
| 부하 저항 | 출력(R1 = R2 = 10kΩ, Vin 5V) | 무부하 대비 하락 |
|---|---|---|
| 없음 | 2.50V | 0% |
| 1MΩ | 2.49V | 약 0.5% |
| 100kΩ | 2.38V | 약 5% |
| 10kΩ | 1.67V | 약 33% |
저항값을 정하는 순서
- 비율을 정합니다. 필요한 출력/입력 비율을 구합니다(예: 12V → 5V이면 약 0.417).
- 전체 저항을 정합니다. 분압기에 흐르는 전류
Vin ÷ (R1 + R2)를 허용 가능한 값으로 잡고 역산합니다. 배터리 회로는 수십 µA(수백 kΩ), 일반 회로는 0.1~1mA(수 kΩ~수십 kΩ)가 흔합니다. - 표준값으로 맞춥니다. E24 값 중 비율이 가장 가까운 조합을 찾습니다. 저항 두 개를 직렬·병렬로 조합하면 더 정확히 맞출 수 있습니다(직렬·병렬 저항 계산기).
- 부하를 확인합니다. 부하 저항이 R2의 10배 이상이면 하락이 10% 이내입니다. 부족하면 R을 줄이거나 버퍼(연산증폭기)를 넣습니다.
- 허용 오차를 감안합니다. ±5% 저항 두 개를 쓰면 출력 비율이 최대 약 ±5%까지 어긋납니다. 정밀 기준이 필요하면 ±1% 저항을 쓰세요.
실전 예제
5V 신호를 3.3V로 낮추기
R1 = 1kΩ, R2 = 2kΩ이면 5 × 2 / 3 ≈ 3.33V입니다. 한 방향으로만 흐르는 입력 신호(센서 → 3.3V 입력 핀)에는 쓸 수 있습니다. 양방향 통신선은 레벨 시프터가 필요합니다(3.3V와 5V 신호 연결).
12V를 5V로 줄이기
필요한 비율은 5/12 ≈ 0.417입니다. R1 = 6.8kΩ, R2 = 4.7kΩ이면 4.90V, R1 = 6.8kΩ, R2 = 5.1kΩ이면 5.14V가 나옵니다. 약간의 차이가 문제가 되는 곳이라면 가변저항을 쓰거나 R2에 작은 저항을 직렬로 더해 미세 조정합니다.
배터리 전압을 ADC로 읽기
12V 납 배터리(만충전 14.4V까지)의 전압을 3.3V ADC로 읽으려면 14.4V가 3.3V를 넘지 않도록 비율을 정합니다. R1 = 39kΩ, R2 = 10kΩ이면 비율이 0.204로, 12V에서 2.45V, 14.4V에서 2.94V가 되어 여유가 있습니다. ADC가 요구하는 입력 임피던스(보통 10kΩ 이하)와 맞는지 데이터시트를 확인하고, 필요하면 R2와 병렬로 0.1µF 커패시터를 달아 노이즈를 줄입니다.
분압의 한계
- 전력을 전달하지 못합니다. 모터나 LED를 직접 구동하는 전압을 분압으로 만들면 전압이 크게 흔들리고 열이 많이 납니다. 전원이 필요하면 레귤레이터를 쓰세요.
- 전류를 소모합니다. 전원이 연결된 동안 항상
Vin ÷ (R1 + R2)가 흐릅니다. 배터리 회로에서는 저항을 크게 하세요. - 출력 임피던스가 있습니다. 출력이 R1∥R2만큼의 내부 저항을 가지므로 이후 회로가 전류를 당기면 전압이 변합니다.
- 입력 전압 변동을 그대로 따라갑니다. 전원 전압이 흔들리면 출력도 같은 비율로 흔들립니다.
가변저항과 분압
가변저항의 세 핀을 모두 쓰면 R1과 R2의 합이 일정한 분압기가 됩니다. 와이퍼 위치에 따라 출력이 0V에서 Vin까지 연속으로 바뀌고, 센서 기준 전압이나 볼륨으로 쓰입니다.
정리
Vout = Vin × R2 / (R1 + R2)는 무부하 공식이며, 부하가 있으면 R2와 부하를 병렬로 계산해야 합니다. 부하 저항을 R2의 10배 이상으로 잡고, 저항 허용 오차가 출력 오차로 이어진다는 점을 기억하세요. 다음으로 저항 읽는 법에서 표준값을 익히고, LM358로 전압 비교기 만들기에서 분압을 기준 전압으로 응용해 보세요.