Divisor de voltaje

Circuito lineal que produce un voltaje de salida que es una fracción de su voltaje de entrada.

En electrónica , un divisor de tensión (también conocido como divisor de potencial ) es un circuito lineal pasivo que produce una tensión de salida ( V _out ) que es una fracción de su tensión de entrada ( V _in ). La división de tensión es el resultado de distribuir la tensión de entrada entre los componentes del divisor. Un ejemplo sencillo de un divisor de tensión son dos resistencias conectadas en serie , con la tensión de entrada aplicada a través del par de resistencias y la tensión de salida emergiendo de la conexión entre ellas.

Los divisores de tensión resistivos se utilizan habitualmente para crear tensiones de referencia o para reducir la magnitud de una tensión de forma que se pueda medir, y también pueden utilizarse como atenuadores de señal a bajas frecuencias. Para corriente continua y frecuencias relativamente bajas, un divisor de tensión puede ser lo suficientemente preciso si está hecho únicamente de resistencias; cuando se requiere una respuesta de frecuencia en un amplio rango (como en una sonda de osciloscopio ), un divisor de tensión puede tener elementos capacitivos añadidos para compensar la capacidad de carga. En la transmisión de energía eléctrica, un divisor de tensión capacitivo se utiliza para medir alta tensión.

Caso general

Figura 1: Un divisor de voltaje simple

Un divisor de tensión referenciado a tierra se crea conectando dos impedancias eléctricas en serie, como se muestra en la Figura 1. La tensión de entrada se aplica a través de las impedancias en serie Z ₁ y Z ₂ y la salida es la tensión a través de Z ₂ . Z ₁ y Z ₂ pueden estar compuestos de cualquier combinación de elementos como resistencias , inductores y condensadores .

Si la corriente en el cable de salida es cero, entonces la relación entre el voltaje de entrada, V _in , y el voltaje de salida, V _out , es:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

Prueba (usando la ley de Ohm ):

${\displaystyle V_{\mathrm {in} }=I\cdot (Z_{1}+Z_{2})}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }=I\cdot Z_{2}}$

${\displaystyle I={\frac {V_{\mathrm {in} }}{Z_{1}+Z_{2}}}}$

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }=V_{\mathrm {in} }\cdot {\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}}$

La función de transferencia (también conocida como relación de voltaje del divisor ) de este circuito es:

${\displaystyle H={\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}}$

En general, esta función de transferencia es una función compleja y racional de frecuencia .

Ejemplos

Divisor resistivo

Figura 2: Divisor de tensión resistivo simple

Un divisor resistivo es el caso en el que ambas impedancias, Z ₁ y Z ₂ , son puramente resistivas (Figura 2).

Sustituyendo Z ₁  = R ₁ y Z ₂  = R ₂ en la expresión anterior obtenemos:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

Si R ₁  = R ₂ entonces

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {1}{2}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

Si V _{de salida}  = 6 V y V _{de entrada}  = 9 V (ambos voltajes comúnmente utilizados), entonces:

${\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}={\frac {6}{9}}={\frac {2}{3}}}$

y resolviendo usando álgebra , R ₂ debe ser el doble del valor de R ₁ .

Para resolver R ₁ :

${\displaystyle R_{1}={\frac {R_{2}\cdot V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-R_{2}=R_{2}\cdot \left({{\frac {V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-1}\right)}$

Para resolver R ₂ :

${\displaystyle R_{2}=R_{1}\cdot {\frac {1}{\left({{\frac {V_{\mathrm {in} }}{V_{\mathrm {out} }}}-1}\right)}}}$

No es posible ninguna relación V _salida  / V _entrada mayor que 1. Es decir, utilizando solo resistencias no es posible invertir el voltaje ni aumentar V _salida por encima de V _entrada .

Filtro RC de paso bajo

Figura 3: Divisor de voltaje de resistencia/condensador

Considere un divisor que consta de una resistencia y un condensador como se muestra en la Figura 3.

Comparando con el caso general, vemos que Z ₁  = R y Z ₂ es la impedancia del capacitor, dada por

${\displaystyle Z_{2}=-\mathrm {j} X_{\mathrm {C} }={\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}\ ,}$

donde X _C es la reactancia del capacitor, C es la capacitancia del capacitor, j es la unidad imaginaria y ω (omega) es la frecuencia en radianes del voltaje de entrada.

Este divisor tendrá entonces la relación de voltaje:

${\displaystyle {\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}={\frac {Z_{\mathrm {2} }}{Z_{\mathrm {1} }+Z_{\mathrm {2} }}}={\frac {\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}{{\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}+R}}={\frac {1}{1+\mathrm {j} \omega RC}}\ .}$

El producto τ (tau) = RC se llama constante de tiempo del circuito.

La relación depende entonces de la frecuencia, en este caso disminuyendo a medida que aumenta la frecuencia. Este circuito es, de hecho, un filtro de paso bajo básico (de primer orden) . La relación contiene un número imaginario y, en realidad, contiene tanto la información de amplitud como la de desplazamiento de fase del filtro. Para extraer solo la relación de amplitud, calcule la magnitud de la relación, es decir:

${\displaystyle \left|{\frac {V_{\mathrm {out} }}{V_{\mathrm {in} }}}\right|={\frac {1}{\sqrt {1+(\omega RC)^{2}}}}\ .}$

Divisor inductivo

Los divisores inductivos dividen la entrada de CA según la inductancia:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {L_{2}}{L_{1}+L_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

(con componentes en las mismas posiciones que la Figura 2.)

La ecuación anterior es para inductores que no interactúan; la inductancia mutua (como en un autotransformador ) alterará los resultados.

Los divisores inductivos dividen la entrada de CA de acuerdo con la reactancia de los elementos como para el divisor resistivo anterior.

Divisor capacitivo

Los divisores capacitivos no pasan la entrada de CC.

Para una entrada de CA, una ecuación capacitiva simple es:

${\displaystyle V_{\mathrm {out} }={\frac {Xc_{2}}{Xc_{1}+Xc_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }={\frac {1/C_{2}}{1/C_{1}+1/C_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }={\frac {C_{1}}{C_{1}+C_{2}}}\cdot V_{\mathrm {in} }}$

(con componentes en las mismas posiciones que la Figura 2.)

Cualquier corriente de fuga en los elementos capacitivos requiere el uso de la expresión generalizada con dos impedancias. Mediante la selección de elementos R y C paralelos en las proporciones adecuadas, se puede mantener la misma relación de división en un rango útil de frecuencias. Este es el principio que se aplica en las sondas de osciloscopio compensadas para aumentar el ancho de banda de medición.

Efecto de carga

La tensión de salida de un divisor de tensión variará según la corriente eléctrica que esté suministrando a su carga eléctrica externa . La impedancia de fuente efectiva que proviene de un divisor de Z ₁ y Z ₂ , como se indicó anteriormente, será Z ₁ en paralelo con Z ₂ (a veces escrito Z ₁ // Z ₂ ), es decir: ( Z ₁ Z ₂ ) / ( Z ₁  + Z ₂ ) = HZ ₁ .

Para obtener una tensión de salida suficientemente estable, la corriente de salida debe ser estable (y, por lo tanto, formar parte del cálculo de los valores del divisor de potencial) o limitarse a un porcentaje adecuadamente pequeño de la corriente de entrada del divisor. La sensibilidad de la carga se puede reducir reduciendo la impedancia de ambas mitades del divisor, aunque esto aumenta la corriente de entrada en reposo del divisor y da como resultado un mayor consumo de energía (y calor desperdiciado) en el divisor. ^[1] Los reguladores de tensión se utilizan a menudo en lugar de divisores de tensión pasivos cuando es necesario acomodar corrientes de carga altas o fluctuantes.

Aplicaciones

Los divisores de tensión se utilizan para ajustar el nivel de una señal, para polarizar dispositivos activos en amplificadores y para medir tensiones. Tanto un puente de Wheatstone como un multímetro incluyen divisores de tensión. Un potenciómetro se utiliza como divisor de tensión variable en el control de volumen de muchas radios.

Medición de sensores

Los divisores de tensión se pueden utilizar para permitir que un microcontrolador mida la resistencia de un sensor. ^[2] El sensor está conectado en serie con una resistencia conocida para formar un divisor de tensión y se aplica una tensión conocida a través del divisor. El convertidor analógico a digital del microcontrolador está conectado a la toma central del divisor para que pueda medir la tensión de la toma y, utilizando la tensión medida y la resistencia y tensión conocidas, calcular la resistencia del sensor. Esta técnica se utiliza comúnmente para medir la resistencia de sensores de temperatura como termistores y RTD .

Otro ejemplo que se utiliza habitualmente es el de un potenciómetro (resistencia variable) como uno de los elementos resistivos. Cuando se hace girar el eje del potenciómetro, la resistencia que produce aumenta o disminuye; el cambio de resistencia corresponde al cambio angular del eje. Si se combina con una referencia de tensión estable, la tensión de salida se puede introducir en un convertidor analógico-digital y una pantalla puede mostrar el ángulo. Este tipo de circuitos se utilizan habitualmente para leer perillas de control.

Medición de alto voltaje

Sonda divisora ​​de resistencia de alto voltaje (HV). El HV que se va a medir ( V _in ) se aplica a la punta de la sonda de bola de corona y la tierra se conecta al otro extremo del divisor a través del cable negro. La salida del divisor ( V _out ) aparece en el conector adyacente al cable.

Un divisor de tensión se puede utilizar para reducir una tensión muy alta de modo que pueda medirse con un voltímetro . La alta tensión se aplica a través del divisor, y la salida del divisor (que produce una tensión más baja que está dentro del rango de entrada del medidor) se mide con el medidor. Las sondas divisoras de resistencia de alta tensión diseñadas específicamente para este propósito se pueden utilizar para medir tensiones de hasta 100 kV. En estas sondas se utilizan resistencias especiales de alta tensión, ya que deben ser capaces de tolerar altas tensiones de entrada y, para producir resultados precisos, deben tener coeficientes de temperatura coincidentes y coeficientes de tensión muy bajos. Las sondas divisoras capacitivas se utilizan normalmente para tensiones superiores a 100 kV, ya que el calor provocado por las pérdidas de potencia en las sondas divisoras de resistencia a tensiones tan altas podría ser excesivo.

Cambio de nivel lógico

Un divisor de tensión se puede utilizar como un modificador de nivel lógico básico para interconectar dos circuitos que utilizan diferentes tensiones de funcionamiento. Por ejemplo, algunos circuitos lógicos funcionan a 5 V, mientras que otros lo hacen a 3,3 V. Interconectar directamente una salida lógica de 5 V con una entrada de 3,3 V puede provocar daños permanentes en el circuito de 3,3 V. En este caso, se podría utilizar un divisor de tensión con una relación de salida de 3,3/5 para reducir la señal de 5 V a 3,3 V, para permitir que los circuitos interoperasen sin dañar el circuito de 3,3 V. Para que esto sea posible, la impedancia de la fuente de 5 V y la impedancia de entrada de 3,3 V deben ser insignificantes, o deben ser constantes y los valores de la resistencia del divisor deben tener en cuenta sus impedancias. Si la impedancia de entrada es capacitiva, un divisor puramente resistivo limitará la velocidad de datos. Esto se puede superar aproximadamente añadiendo un condensador en serie con la resistencia superior, para que ambas patas del divisor sean capacitivas y resistivas.

Véase también

• Divisor de corriente
• Convertidor de CC a CC
• Amplificador de voltaje

Referencias

1. "9.2.1 Requisitos de diseño". SN74HCS72 Biestables de tipo D duales con activación por flanco negativo y entrada de disparador Schmitt con borrado y preajuste (PDF) . Texas Instruments Incorporated . Junio ​​de 2020 [febrero de 2020]. pág. 11. SCLS801A. Archivado (PDF) desde el original el 2023-07-20 . Consultado el 2023-07-20 . pág. 11: Se requiere que la resistencia R1 sea al menos diez veces más grande que R2 para evitar un circuito divisor (R2 ≤ 10 R1).(23 páginas)
2. "Una introducción rápida y sencilla a los sensores, microcontroladores y electrónica; tercera parte: cómo funcionan los sensores y actuadores y cómo conectarlos a un microcontrolador" (PDF) . 2014-07-02. Archivado (PDF) desde el original el 2023-07-20 . Consultado el 2015-11-02 .

Enlaces externos

• Calculadora de divisor de voltaje