Divisores de voltaje

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Divisores de voltaje
Un divisor de voltaje es un circuito simple que reparte la tensión de una fuente entre una o más
impedancias conectadas. Con sólo dos resistencias en serie y un voltaje de entrada, se puede
obtener un voltaje de salida equivalente a una fracción del de entrada. Los divisores de voltaje
son uno de los circuitos más fundamentales en la electrónica.
Contenido:
1. Introducción
1.1 Puntos a tratar
2. Divisor de voltaje ideal
2.1 Circuito
2.2 Ecuacion
3. Aplicaciones
3.1 Potenciómetros
3.2 Lectura de sensores resistivos
3.3 Cambios de nivel
4. Que no se debe hacer.
1.1 Puntos a tratar
Como se ve un circuito divisor de voltaje.
Como el voltaje de salida depende del voltaje de entrada y de las resistencias del
divisor.
Como se comportan los divisores de voltaje en el mundo real.
Aplicaciones de los divisores de voltaje en la vida real.
2. Divisor de voltaje ideal.
A continuación se presentarán dos temas importantes de un divisor de voltaje: el circuito y la
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ecuación.
2.1 Circuito
Un divisor de voltaje requiere que se conecte una fuente de voltaje a través de dos resistencias
en serie. Es posible que el divisor de voltaje sea dibujado de distintas maneras, pero siempre
debe ser esencialmente el mismo circuito.
[caption id="attachment_93" align="aligncenter" width="300"]
Ejemplos esquemáticos de divisores de
voltaje.[/caption]
Llamamos a la resistencia más cercana al voltaje de entrada (Vin) R1 y a la resistencia más
cercana a tierra R2. La caída de voltaje en R2 es nuestro voltaje de salida (Vout), este es el
voltaje resultante de nuestro circuito, que como ya se mencionó es una fracción de nuestro
voltaje de entrada.
2.2 Ecuación
La ecuación del divisor de voltaje supone que se conocen tres valores del circuito anterior: el
voltaje de entrada (Vin), y ambos valores de resistencia (R1 y R2). Teniendo en cuenta estos
valores, podemos usar esta ecuación para encontrar el voltaje de salida (Vout):
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[caption id="attachment_93" align="aligncenter" width="293"]
Ecuación básica.[/caption]
Esta ecuación establece que el voltaje de salida es directamente proporcional al voltaje de
entrada conforme a la relación de R1 y R2.
Simplificaciones
Hay algunas generalidades que se deben tener en cuenta al utilizar los divisores de voltaje.
Estas son simplificaciones que hacen que la evaluación de un circuito divisor de voltaje sea un
poco más fácil.
En primer lugar, si R2 y R1 son iguales, entonces el voltaje de salida es la mitad del
de la entrada. Esto es así independientemente de los valores de las resistencias.
Si R2 es mucho mayor que R1, entonces el voltaje de salida será muy cercano al de la
entrada. Habrá muy poco voltaje a través de R1.
Por otro lado, si R2 es mucho más pequeño que R1, el voltaje de salida será muy
pequeño en comparación con el de la entrada. La mayor parte del voltaje de entrada
estará a través de R1.
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3. Aplicaciones.
Los divisores de voltaje tienen un montón de aplicaciones, se encuentran entre los circuitos
eléctricos más comunes que los ingenieros utilizan. Éstos son sólo algunos de los muchos
lugares donde encontramos divisores de voltaje:
3.1 Potenciometros
Un potenciómetro es una resistencia variable que se puede utilizar para crear un divisor de
voltaje ajustable.
[caption id="attachment_98" align="aligncenter" width="300"]
Ejemplos de potenciómetros.[/caption]
En el interior del potenciómetro hay una sola resistencia y una aguja, la cual corta la resistencia
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en dos y se mueve para ajustar la relación entre las dos mitades. Externamente hay por lo
general tres pines: dos pines conectados a cada extremo de la resistencia, mientras que el
tercero se conecta a la aguja del potenciómetro.
[caption id="attachment_98" align="aligncenter" width="300"]
Símbolo esquemático del potenciómetro. Los
pines 1 y 3 son los extremos de la resistencia. El pin 2 se conecta con la aguja.[/caption]
Si los pines de los extremos se conectan a una fuente de voltaje (uno a tierra y el otro a Vin), la
salida (Vout) en el pin central imitará un divisor de voltaje. Girando la aguja del potenciómetro
hasta el final en una dirección, el voltaje de salida puede ser cero; girando hacia el otro lado, el
voltaje de salida se aproximará al de entrada; si la aguja está en la posición media significa que
el voltaje de salida será la mitad del de la entrada.
Los potenciómetros vienen en una gran variedad de paquetes, y tienen muchas aplicaciones.
Se pueden utilizar para crear un voltaje de referencia, ajustar las estaciones de radio, medir la
posición en un joystick, o en muchas otras aplicaciones que requieren un voltaje de entrada
variable.
3.2 Lectura de sensores resistivos
Muchos sensores en el mundo real son dispositivos sensibles de constitución simple. Una
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fotocelda es una resistencia variable, que produce una resistencia proporcional a la cantidad de
luz que detecta. Otros dispositivos como los sensores de flexión, resistencias sensibles a la
fuerza (galgas) y termistores, también son resistencias variables.
Resulta que para los microcontroladores (al menos los que tienen convertidores de analógico a
digital -ADC-) es más sencillo medir el voltaje que la resistencia. Pero, mediante la adición de
otra resistencia a los sensores resistivos, podemos crear un divisor de voltaje para poder
sensar este. Una vez conocida la salida del divisor de voltaje, podemos calcular la resistencia
del sensor.
[caption id="attachment_98" align="aligncenter" width="112"]
La fotocelda
constituye la mitad de este divisor de voltaje. El voltaje se mide para encontrar la resistencia del
sensor de luz.[/caption]
Por ejemplo, la resistencia de la fotocelda varía entre 1 k? en la luz y 10 k? en la oscuridad. Si combinamos eso con una resistencia estática en un punto intermedio (digamos 5.6 k?), podemos obtener un amplio rango del divisor de voltaje que crean.
Nivel de luz
R2 (Sensor)
R1 (Estática)
Relación R2/(R1+R2)
Vout
1 k?
5.6 k?
0.15
0.76 V
Claro
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Poca luz
7 k?
5.6 k?
0.56
2.78 V
10 k?
5.6 k?
0.67
3.21 V
Oscuro
Un cambio de alrededor de 2.45 V de claro a oscuro. ¡Mucha resolución para la mayoría de los
ADCs!
3.3 Cambios de nivel
Sensores más avanzados pueden transmitir sus lecturas utilizando interfaces seriales, como
UART, SPI, o I2C. Muchos de esos sensores operan a un voltaje relativamente bajo, con el fin
de conservar energía. Por desgracia, no es raro que estos sensores de bajo voltaje se
interconecten con un microcontrolador que funciona con un voltaje superior. Esto conduce a un
problema de cambio de nivel, que tiene varias soluciones entre ellas el divisor de voltaje.
Por ejemplo, un acelerómetro ADXL345 permite un voltaje máximo de entrada de 3.3 V, por lo
que si tratamos de interactuar con un Arduino (generalmente operando a 5 V), será necesario
hacer algo para reducir la señal de 5V a 3.3V. ¡Un divisor de voltaje! Todo lo que se necesita es
un par de resistencias cuya relación dividirá una señal de 5V a 3.3V. Las resistencias en el
rango de 1 k? - 10k? son generalmente las mejores para tal aplicación, se debe tener en cuenta
que esta solución sólo funciona en una dirección. Un divisor de voltaje por sí solo nunca será
capaz de modificar un voltaje bajo a uno más alto.
[caption id="attachment_101" align="aligncenter" width="238"]
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Las resistencias de 3.3k? (naranja, naranja, rojo) son las
R2, las resistencias de 1.8k? son la R1.Este es un ejemplo de divisores de voltaje en un
protoboard, para cambiar el nivel de señales de 5V a 3.24V.[/caption]
4. Que no se debe hacer.
Por muy tentador que pueda ser usar un divisor de voltaje para reducir, por ejemplo, una fuente
de alimentación de 12V a 5V, los divisores de voltaje no deben ser utilizados para
suministrar energía a una carga.
Cualquier corriente que la carga requiera también va a tener que correr a través de R1. La
corriente y el voltaje a través de R1 producen energía, que se disipa en forma de calor. Si esa
energía es superior a la que puede tolerar la resistencia (por lo general entre ? W y 1 W), el
calor comienza a ser un problema importante, lo que podría derretir la resistencia.
Lo anterior ni siquiera menciona lo ineficiente que sería una fuente de alimentación reducida
con un divisor de voltaje. Básicamente, no se debe utilizar un divisor de voltaje como fuente de
alimentación para nada que requiera aunque sea una pequeña cantidad de energía. Si se
necesita reducir un voltaje para utilizarlo como fuente de alimentación, se recomienda revisar
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los reguladores de voltaje o fuentes de alimentación variables.
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