Divisores de voltaje

Los circuitos divisores de voltaje son útiles para proporcionar diferentes niveles de voltaje de un suministro común. Este suministro común puede ser un suministro único, ya sea positivo o negativo, por ejemplo, + 5V, + 12V, -5V o -12V, etc. con respecto a un punto común o tierra, generalmente 0V, o podría ser a través de un suministro dual. , por ejemplo ± 5V, o ± 12V, etc.

Los divisores de voltaje también se conocen como divisores de potencial, porque la unidad de voltaje, el “Volt”, representa la cantidad de diferencia del potencial entre dos puntos. Un divisor de voltaje o potencial es un circuito pasivo simple que aprovecha el efecto de la caída de voltaje en los componentes que están conectados en serie.

El potenciómetro, que es una resistencia variable con un contacto deslizante, es el ejemplo más básico de un divisor de voltaje, ya que podemos aplicar un voltaje a través de sus terminales y producir un voltaje de salida en proporción a la posición mecánica de su contacto deslizante. Pero también podemos hacer divisores de voltaje utilizando resistencias, condensadores e inductores individuales, ya que son componentes de dos terminales que se pueden conectar juntos en serie.

Divisor de voltaje resistivo

La forma más simple, fácil de entender y más básica de una red de divisor de voltaje pasivo es la de dos resistencias conectadas en serie. Esta combinación básica nos permite usar la regla del divisor de voltaje para calcular las caídas de voltaje en cada resistencia en serie.

Circuito divisor de voltaje resistivo

Aquí el circuito consta de dos resistencias conectadas en serie: R1 y R2. Dado que las dos resistencias están conectadas en serie, debe seguirse, por tanto, que el mismo valor de corriente eléctrica debe fluir a través de cada elemento resistivo del circuito, ya que no tiene a dónde ir. Proporcionando así una caída de voltaje I * R en cada elemento resistivo.

Con una tensión de alimentación o fuente, VS aplica a través de esta combinación en serie, podemos aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff, (KVL) y también utilizando la ley de Ohm para encontrar la caída de tensión en cada resistencia derivada en términos de la corriente común y la I que circula a través de ellos. Entonces, resolver la corriente (I) que fluye a través de la red en serie nos da:

La corriente que fluye a través de la red en serie es simplemente I = V / R siguiendo la ley de Ohm. Puesto que la corriente es común a ambas resistencias, (IR1 = IR2) podemos calcular la caída de tensión a través de la resistencia, R2 en el circuito en serie anteriormente como:

Lo mismo ocurre con la resistencia R1 como:

Ejemplo de divisor de voltaje No.1

¿Cuánta corriente fluirá a través de una resistencia de 20 Ω conectada en serie con una resistencia de 40 Ω cuando la tensión de alimentación a través de la combinación en serie es de 12 voltios CC? También calcule la caída de voltaje producido en cada resistencia.

Cada resistencia proporciona una caída de voltaje I * R que es proporcionalmente igual a su valor resistivo a través del voltaje de suministro. Usando la regla de la relación del divisor de voltaje, podemos ver que la resistencia más grande produce la caída de voltaje I * R más grande. Por tanto, R1 = 4V y R2 = 8V. La aplicación de la ley del voltaje de Kirchhoff muestra que la suma de las caídas de voltaje alrededor del circuito resistivo es exactamente igual al voltaje de suministro, ya que 4V + 8V = 12V.

Tenga en cuenta que si usamos dos resistencias de igual valor, es decir, R1 = R2, entonces el voltaje caído en cada resistor sería exactamente la mitad del voltaje de suministro para dos resistencias en serie, ya que la relación del divisor de voltaje sería igual al 50%.

Otro uso de una red de divisores de voltaje es el de producir una salida de voltaje variable. Si reemplazamos la resistencia R2 con una resistencia variable (potenciómetro), entonces el voltaje cayó a través de R2 y, por lo tanto, VOUT se puede controlar mediante una cantidad que depende de la posición del limpiador de potenciómetros y, por lo tanto, de la relación de los dos valores resistivos como nosotros tener una resistencia fija y una variable. Potenciómetros, trimmers, reóstatos y variacs son todos ejemplos de dispositivos divisores de voltaje variable.

También podríamos llevar esta idea de la división de voltaje variable un paso más allá reemplazando la resistencia fija R2 con un sensor como una resistencia dependiente de la luz, o LDR. Por lo tanto, a medida que el valor resistivo del sensor cambia con los cambios en los niveles de luz, el voltaje de salida VOUT también cambia en una cantidad proporcional. Los termistores y las galgas extensiométricas son otros ejemplos de sensores resistivos.

Dado que las dos expresiones de división de voltaje anteriores se relacionan con la misma corriente común, matemáticamente deben estar relacionadas entre sí. Entonces, para cualquier número de resistencias individuales que forman una red en serie, el voltaje que cae a través de cualquier resistor dado se da como:

Ecuación del divisor de voltaje

Donde: VR (x) es la caída de voltaje a través de la resistencia, RX es el valor de la resistencia y RT es la resistencia total de la red en serie. Esta ecuación de divisor de voltaje se puede utilizar para cualquier número de resistencias conectadas en serie entre sí debido a la relación proporcional entre cada resistencia, R y su caída de tensión correspondiente, V. Sin embargo, tenga en cuenta que esta ecuación se proporciona para una red de divisores de voltaje sin carga sin ninguna carga resistiva adicional conectada o corrientes de derivación paralelas.

Ejemplo de divisor de voltaje No.2

Tres elementos resistivos de 6kΩ, 12kΩ y 18kΩ están conectados en serie a través de una fuente de 36 voltios. Calcule la resistencia total, el valor de la corriente que fluye alrededor del circuito y el voltaje cae a través de cada resistencia.

Datos proporcionados: VS = 36 voltios, R1 = 6kΩ, R2 = 12kΩ y R3 = 18kΩ

Circuito divisor de voltaje

Las caídas de voltaje en las tres resistencias deben sumarse al voltaje de suministro según lo definido por la Ley de voltaje de Kirchhoff (KVL). Entonces, la suma de las caídas de voltaje es: VT = 6 V + 12 V + 18 V = 36.0 V el mismo valor del voltaje de suministro, VS y por lo tanto es correcto. Nuevamente observe que la resistencia más grande produce la caída de voltaje más grande.

Voltaje de puntos de toma en una red divisora

Considere una larga serie de resistencias conectadas a una fuente de tensión, VS. A lo largo de la red de la serie hay diferentes puntos de voltaje tocando, A, B, C, D,y E.

La resistencia total en serie se puede encontrar simplemente sumando los valores de resistencia en serie individuales, lo que da una resistencia total, RT valorde 15 kΩ. Este valor resistivo limitará el flujo de corriente a través del circuito producido por la tensión de alimentación, VS.

Las caídas de voltaje individuales a través de las resistencias se encuentran usando las ecuaciones anteriores, por lo que VR1 = VAB, VR2 = VBC, VR3 = VCD y VR4 = VDE.

Los niveles de voltaje en cada punto de toma se miden con respecto a tierra (0V). Por lo tanto, el nivel de voltaje en el punto D será igual a VDE, y el nivel de voltaje en el punto C será igual a VCD + VDE. En otras palabras, el voltaje en el punto C es la suma de las dos caídas de voltaje en R3 y R4.

Entonces, con suerte, podemos ver que al elegir un conjunto adecuado de valores resistivos, podemos producir una secuencia de caídas de voltaje que tendrán un valor de voltaje proporcional obtenido a partir de una sola volatilidad de suministro. Tenga en cuenta también que en este ejemplo cada punto de voltaje de salida tendrá un valor positivo porque el terminal negativo de la fuente de voltaje, VS, está conectado a tierra.

Ejemplo de divisor de voltaje No.3

1. Calcule la salida de voltaje sin carga para cada punto de derivación del circuito divisor de voltaje anterior si la red resistiva conectada en serie está conectada a una fuente de CC de 15 voltios.

2. Calcular la salida de voltaje sin carga de entre los puntos B y E.

Un divisor de voltaje negativo y positivo

En el circuito divisor de voltaje simple, por encima de todos los voltajes de salida se hace referencia a un punto de tierra común de voltaje cero, pero a veces es necesario producir voltajes positivos y negativos a partir de una fuente de voltaje de fuente única. Por ejemplo, los diferentes niveles de voltaje de una fuente de alimentación de computadora, -12V, + 3.3V, + 5V y + 12V, con respecto a un terminal de tierra de referencia común.

Ejemplo de divisor de voltaje No.4

Usando la ley de Ohm, encuentre los valores de los resistores R1, R2, R3 y R4 requeridos para producir los niveles de voltaje de -12V, + 3.3V, + 5V y + 12V si la potencia total suministrada al El circuito divisor de voltaje descargado es de 24 voltios CC, 60 vatios.

En este ejemplo, el punto de referencia de tierra de voltaje cero se ha movido para producir los voltajes positivo y negativo requeridos, mientras se mantiene la red del divisor de voltaje a través del suministro. Por lo tanto, los cuatro voltajes se miden todos con respecto a este punto de referencia común, lo que da como resultado que el punto D esté en el potencial negativo requerido de -12V con respecto a tierra.

Hemos visto hasta ahora que los circuitos resistivos en serie se pueden usar para crear un divisor de voltaje o una red de divisores de potencial que se puede usar ampliamente en circuitos electrónicos. Seleccionando valores apropiados para las resistencias en serie, se puede obtener cualquier valor de voltaje de salida que sea menor que el voltaje de entrada o de suministro. Pero además de utilizar resistencias y una tensión de alimentación de CC para crear una red de divisores de tensión resistiva, también podemos utilizar condensadores (C) e inductores (L), pero con una alimentación de CA sinusoidal, ya que los condensadores y los inductores son componentes reactivos, lo que significa que su la resistencia «reacciona» contra el flujo de corriente eléctrica.

Divisores de voltaje capacitivos

Como su nombre indica, los circuitos divisores de voltaje capacitivos producen caídas de voltaje en los capacitores conectados en serie a una fuente de CA común. Generalmente, los divisores de voltaje capacitivos se utilizan para «reducir» voltajes muy altos para proporcionar una señal de salida de voltaje baja que luego se puede usar para protección o medición. Hoy en día, los divisores de voltaje capacitivos de alta frecuencia se utilizan más en dispositivos de visualización y tecnologías de pantalla táctil que se encuentran en teléfonos móviles y tabletas.

A diferencia de los circuitos divisores de voltaje resistivo que operan con fuentes de CA y CC, la división de voltaje usando capacitores solo es posible con una fuente de CA sinusoidal. Esto se debe a que la división de voltaje entre los condensadores conectados en serie se calcula utilizando la reactancia de los condensadores, XC, que depende de la frecuencia del suministro de CA.

Recordamos de nuestros tutoriales sobre capacitores en circuitos de CA, que la reactancia capacitiva, XC (medida en ohmios) es inversamente proporcional tanto a la frecuencia como a la capacitancia, y por lo tanto viene dada por la siguiente ecuación:

Fórmula de reactancia capacitiva

• Donde:
•    Xc = Reactancia capacitiva en ohmios, (Ω)
•    π (pi) = Una constante numérica de 3,142
•    ƒ = Frecuencia en Hertz, (Hz)
•    C = Capacitancia en Faradios, (F)

Por lo tanto, al conocer el voltaje y la frecuencia del suministro de CA, podemos calcular las reactancias de los capacitores individuales, sustituirlos en la ecuación anterior por la regla del divisor de voltaje resistivo y obtener las caídas de voltaje correspondientes. a través de cada condensador como se muestra:

Divisor de voltaje capacitivo

Usando los dos capacitores de 10uF y 22uF en el circuito en serie anterior, podemos calcular las caídas de voltaje rms en cada capacitor en términos de su reactancia cuando se conecta a una fuente de 100 voltios, 50Hz rms.

Cuando se utilizan condensadores puros, la suma de todas las caídas de tensión en serie es igual a la tensión de la fuente, lo mismo que para las resistencias en serie. Si bien la cantidad de caída de voltaje en cada capacitor es proporcional a su reactancia, es inversamente proporcional a su capacitancia.

Como resultado, el capacitor más pequeño de 10uF tiene más reactancia (318.3Ω) por lo tanto, una caída de voltaje mayor de 69 voltios en comparación con el capacitor más grande de 22uF que tiene una reactancia de 144.7Ω y una caída de voltaje de 31 voltios respectivamente. La corriente en el circuito en serie, IC , será de 216 mA, y es el mismo valor para C1 y C2 que en serie.

Un último punto sobre los circuitos divisores de voltaje capacitivo es que mientras no haya resistencia en serie puramente capacitiva, las dos caídas de voltaje del capacitor de 69 y 31 voltios serán aritméticamente iguales al voltaje de suministro de 100 voltios como los dos voltajes producidos por el los condensadores están en fase entre sí. Si por alguna razón los dos voltajes están fuera de fase entre sí, entonces no podemos simplemente sumarlos como lo haríamos usando la ley de voltaje de Kirchhoff, sino que en su lugar se requeriría la adición fasorial de las dos formas de onda.

Divisores de voltaje inductivo

Como su nombre indica, los divisores de voltaje inductivo crean caídas de voltaje a través de inductores o bobinas conectadas en serie a un suministro de CA común. Un divisor de voltaje inductivo puede consistir en un solo devanado o bobina que se divide en dos secciones donde el voltaje de salida se toma de una de las secciones, o de dos bobinas individuales conectadas entre sí. El ejemplo más común de un divisor de voltaje inductivo es el autotransformador con múltiples puntos de derivación a lo largo de su devanado secundario.

Cuando se utilizan con suministros de CC de estado estacionario o con sinusoides que tienen una frecuencia muy baja, cercana a 0 Hz, los inductores actúan como un cortocircuito. Esto se debe a que su reactancia es casi cero, lo que permite que cualquier corriente de CC pase fácilmente a través de ellos, por lo que, al igual que la red de divisores de voltaje capacitivo anterior, debemos realizar cualquier división de voltaje inductivo utilizando un suministro de CA sinusoidal. La división de voltaje inductivo entre los inductores conectados en serie se puede calcular utilizando la reactancia de los inductores, XL que, al igual que la inductancia capacitiva, depende de la frecuencia del suministro de CA.

En los tutoriales sobre inductores en circuitos de CA, vimos que la reactancia inductiva, XL (también medida en ohmios) es proporcional tanto a la frecuencia como a la inductancia, por lo que cualquier aumento en la frecuencia de suministro aumenta la reactancia de un inductor. Por tanto, la reactancia inductiva se define como:

Fórmula de reactancia inductiva

• donde:
•    XL = Reactancia inductiva en ohmios, (Ω)
•    π (pi) = Una constante numérica de 3,142
•    ƒ = Frecuencia en Hertz, (Hz)
•    L = Inductancia en Henries, (H)

Si conocemos el voltaje y la frecuencia del suministro de CA, podemos calcular las reactancias de los dos inductores y usarlos junto con la regla del divisor de voltaje para obtener las caídas de voltaje en cada inductor como se muestra:

Divisor de voltaje inductivo

Usando los dos inductores de 10 mH y 20 mH en el circuito en serie anterior, podemos calcular las caídas de voltaje rms en cada capacitor en términos de su reactancia cuando se conecta a un suministro rms de 60 voltios y 200 Hz.

Al igual que los circuitos de división de voltaje resistivos y capacitivos anteriores, la suma de todas las caídas de voltaje en serie a través de los inductores será igual al voltaje de la fuente, siempre que no haya resistencias en serie. Es decir, un inductor puro. La cantidad de caída de voltaje en cada inductor es proporcional a su reactancia.

El resultado es que el inductor más pequeño de 10 mH tiene menos reactancia (12,56 Ω), por lo tanto, menos caída de voltaje a 30 voltios en comparación con el inductor más grande de 20 mH que tiene una reactancia de 25,14 Ω y una caída de voltaje de 40 voltios respectivamente. La corriente, IL en el circuito en serie es 1.6mA, y será el mismo valor para L1 y L2 ya que estos dos inductores están conectados en serie.

Resumen de divisores de voltaje

Hemos visto aquí que el divisor de voltaje, o red, es una configuración de circuito muy común y útil que nos permite producir diferentes niveles de voltaje a partir de una sola fuente de voltaje, eliminando así la necesidad de tener fuentes de alimentación separadas para diferentes partes de un circuito, operando a diferentes niveles de voltaje.

Como sugiere su nombre, un divisor de voltaje o potencial, «divide» un voltaje fijo en proporciones precisas utilizando resistencias, condensadores o inductores. El circuito divisor de voltaje más básico y comúnmente utilizado es el de dos resistencias en serie de valor fijo, pero también se puede usar un potenciómetro o reóstato para la división de voltaje simplemente ajustando la posición del limpiaparabrisas. Una aplicación muy común de un circuito divisor de voltaje es reemplazar una de las resistencias de valor fijo con un sensor. Los sensores resistivos como los sensores de luz, los sensores de temperatura, los sensores de presión y los medidores de tensión, que cambian su valor resistivo a medida que responden a los cambios ambientales, pueden usarse en una red de divisores de voltaje para proporcionar una salida de voltaje analógica. La polarización de transistores bipolares y MOSFET también es otra aplicación común de un divisor de voltaje.