Divisor de Voltaje

Introducción

Un divisor de voltaje es un circuito simple que convierte un voltaje grande en uno más pequeño. Usando solo dos resistencias en serie, y un voltaje de entrada, podemos crear un voltaje de salida que es una fracción del de entrada. Los divisores de voltaje son uno de los circuitos más fundamentales en la electrónica. Si aprender la Ley de Ohm era como una introducción al abecedario, aprender sobre los divisores de voltaje será como aprender a deletrear gato.

Contenido del Tutorial

Como se ve un circuito de divisor de voltaje
Como el voltaje de salida depende del voltaje de entrada y las resistencias divisoras
Como se comportan los divisores de voltaje en el mundo real
Aplicaciones de la vida real de divisores de voltaje

Lecturas Sugeridas

Este tutorial se realiza en base de conocimiento básico de electrónica. Si aún no lo ha hecho, debería considerar leer los siguientes tutoriales:

Hay dos partes importantes en un divisor de voltaje: El circuito y la ecuación.

El Circuito

Un divisor de voltaje involucra aplicar una fuente de voltaje a través de una serie de dos resistencias. Lo puedes ver dibujado de diferentes formas, pero debería ser esencialmente el mismo circuito.

Ejemplos de esquemáticos de divisores de voltajes.

Vamos a referirnos a la resistencia más cerca del voltaje de entrada (V_in) como R₁, y a la resistencia más cercana a la tierra como R₂. La caída de voltaje a través de R₂ se llama V_out, ese es el voltaje dividido el cual es la razón de la existencia de nuestro circuito.

¡Eso es todo lo que hay con respecto al circuito! V_out es nuestro voltaje dividido. Eso es lo que va a terminar siendo una fracción del voltaje de entrada.

La Ecuación

La ecuación del divisor de voltaje asume que conoce tres valores del circuito anterior: Voltaje de Entrada (V_in), y los dos valores de las resistencias (R₁ y R₂). Dado esos valores, podemos usar esta ecuación para encontrar el voltaje de salida (V_out):

¡Memorice esta ecuación! — ¡Memoriza esta ecuación!

Esta ecuación dice que el voltaje de salida es directamente proporcional al voltaje de entrada y a la razón de R₁ y R₂. Si quieres conocer de dónde proviene esto, revisa la sección donde es la ecuación derivada. Pero por ahora, solo escríbela y acuérdate de ella.

Simplificaciones

Hay algunas generalizaciones que son buenas a tener en mente cuando se usan divisores de voltaje. Estas son simplificaciones que hacen que sea un poco más fácil evaluar un circuito divisor de voltaje.

Primero, si R2 y R1 son iguales, entonces el voltaje de salida es la mitad del de entrada. Esto es verdad sin importar el valor de las resistencias.

Si R₂ es mucho más grande (al menos un orden de magnitud) que R₁, entonces el voltaje de salida puede ser muy cercano al de entrada. Va a haber muy poco voltaje a través de R₁.

A la inversa, si R₂ es más pequeña que R₁, el voltaje de salida va a ser pequeño comparado con la entrada. La mayoría del voltaje de entrada estará a través de R_1.

Aplicaciones

Los divisores de voltaje tienen un montón de aplicaciones, están entre los circuitos más usados de los ingenieros eléctricos. Aquí hay solo un poco de los varios lugares donde podría encontrar divisores de voltajes.

Potenciómetros

Un potenciómetro es una resistencia variable, la cual puede ser usada para crear un divisor de voltaje ajustable.

Al interior del potenciómetro hay una sola resistencia y una escobilla metalica, la cual corta la resistencia en dos y se mueve para ajustar la razón entre las dos mitades. Externamente, hay 3 pines: 2 pines conectan a cada punta del resistor, y el tercero conecta al wiper del potenciómetro.

Un símbolo esquemático de un potenciómetro. Los pines 1 y 3 son los extremos de las resistencias. El pin 2 conecta al wiper.

Si los pines externos se conectan a una fuente de voltaje (uno a tierra, el otro a V_in), la salida (V_out el pin del medio) va a imitar un divisor de voltaje. Gire el potenciómetro hasta tope en un sentido y el voltaje sera cercano a cero; gíralo en el otro sentido y el voltaje de salida se acercará al de entrada; una escobilla metalica en posición media significa que el voltaje será la mitad que el de la entrada.

Los potenciómetros vienen en una variedad de paquetes, y pueden tener aplicaciones propias. Pueden ser usados para crear un voltaje de referencia, ajustar estaciones de radio, medir la posición en un joystick, o en muchas aplicaciones más que requieran un voltaje de entrada variable.

Leyendo Sensores Resistivos

Muchos sensores en el mundo real son dispositivos resistivos simples. Una fotocelda es una resistencia variable, la cual produce una resistencia proporcional a la cantidad de luz que sense. Otros dispositivos como sensores flex, resistencias sensibles a la fuerza, y termistores, también son resistencias variables.

Resulta que el voltaje es muy fácil de medir para los microcontroladores (esos con convertidores análogo-digital por lo menos). ¿La resistencia? No tanto. Pero, al agregar otra resistencia a los sensores resistivos, podemos crear un divisor de voltaje. Una vez que es conocida la salida del divisor de voltaje, podemos devolvernos y calcular la resistencia del sensor.

Por ejemplo, en la siguiente imagen la resistencia de la fotocelda varía entre 1kΩ en la luz y alrededor de 10kΩ en la oscuridad. Si combinamos eso con una resistencia estática de un valor en el medio, digamos 5.6KΩ, podemos obtener un amplio rango del divisor de voltaje.

La fotocelda compone la mitad de este divisor de voltaje. El voltaje es medido para encontrar la resistencia del sensor de luz.

Nivel de Luz	R₂ (Sensor)	R₁ (Fija)	Razón R₂/(R₁+R₂)	V_out
Luz	1kΩ	5.6kΩ	0.15	0.76 V
Escasa Luz	7kΩ	5.6kΩ	0.56	2.78 V
Oscuridad	10kΩ	5.6kΩ	0.67	3.21 V

Un cambio de alrededor 2.45 V de luz a oscuridad. ¡Suficiente resolución para la mayoría de los convertidores análogos-digitales!

Cambios de Nivel

Los sensores más complicados pueden transmitir sus lecturas usando protocolos e interfaces, como UART, SPI, o I2C. Muchos de esos sensores operan en un voltaje relativamente bajo (3.3V) para poder conservar energía. Desafortunadamente, no es raro que estos sensores de bajo voltaje estén interconectados con un microcontrolador que opera en un sistema de voltaje más alto (5V). Esto crea un problema de cambio de nivel, lo cual tiene varias soluciones, incluyendo la división de voltaje.

Por ejemplo, un acelerómetro ADXL345 permite un voltaje máximo de entrada de 3.3V, así que si tratas de interconectarlo con un Arduino (asumiendo que opera con 5V), algo se debe hacer para bajar la señal de 5V a 3.3V. ¡Un divisor de voltaje! Todo lo que necesitas son un par de resistencias cuya razón divide la señal de 5V a alrededor de 3.3V. Las resistencias en el rango de 1kΩ-10kΩ son generalmente las mejores para tal aplicación; tengamos en mente que esto solo funciona en una única dirección. Un divisor de voltaje nunca va a poder cambiar un voltaje menor a uno mayor.

Las resistencias 3.3kΩ (Naranjo, Naranjo, Rojo) Son las R2, las resistencias1.8kΩ resistores son las R1. Un ejemplo de divisores de voltajes en un protoboard, cambiando de nivel señales de 5V a 3.24V.

¿Que cosas NO se deben hacer?

Puede ser tentador usar un divisor de voltaje para bajar una fuente de poder de digamos 12 V a 5V, los divisores de voltaje no deben ser usados para suministrar poder a una carga.

Cualquier corriente que la carga requiera también va a correr a través de R_1.La corriente y el voltaje a través de R₁ producen potencia, la cual es disipada en forma de calor. Si esa potencia excede la tolerada por la resistencia (generalmente entre 1/8 W y 1W), el calor comienza a ser un gran problema, potencialmente derritiendo la pobre resistencia.

Eso ni si quiera mencionado cuan ineficiente podría ser una fuente de poder creada con un divisor de voltaje. Básicamente, no ocupes un divisor de voltaje como fuente de voltaje para nada que requiera incluso una modesta cantidad de potencia. Si necesitas bajar un voltaje para usar como una fuente de poder, utiliza los reguladores de voltaje y fuentes de voltaje como transformadores o fuentes switching.

Crédito Extra: Demostración

Si aún no te cansas de los divisores de voltaje, en esta sección evaluaremos como la Ley de Ohm se aplica para producir la ecuación de los divisores de voltaje. Este es un ejercicio entretenido, pero no es importante para entender que hacen con los divisores de voltaje. Si estas interesado, preparate para divertirse con la Ley de Ohm y Algebra.

Evaluar el Circuito

Entonces ¿que sucede si intentamos medir el voltaje que existe en V_out? ¿Cómo podría la Ley de Ohm aplicarse para crear una fórmula para calcular el voltaje ahí? Asumamos que conocemos los valores de V_in, R₁, y R₂, entonces saquemos nuestra ecuación de V_out en término a esos valores.

Comencemos con dibujar las corrientes en el circuito –I₁ y I₂– las cuales llamaremos las corrientes a través de las resistencias respectivas.

Nuestra meta es calcular V_out. ¿Que ocurrirá si aplicamos la Ley de Ohm a ese voltaje? Fácil, solo hay una resistencia y una corriente involucrada:

¡Qué Bueno! Conocemos el valor de R_2,pero, ¿Qué ocurre con I₂? Ese es un valor desconocido, pero sabemos un poco sobre él. Podemos asumir (y esto es una asunción bastante grande) que I₁ es equivalente a I₂. Bueno, ¿Eso cómo nos ayuda? Ya veremos eso. Nuestro circuito ahora se ve así, donde I es igual a I₁ y I₂.

¿Que sabemos sobre V_in? Bueno, V_in es el voltaje que circula a través de ambas resistencias R₁ y R₂. Esas resistencias están en serie. Las resistencias en serie se suman y forman un valor, por lo tanto podríamos decir que:

Y, por un momento, podemos simplificar el circuito a:

¡La Ley de Ohm en su forma más básica! V_in = I * R. La cual si cambiamos de vuelta la R a R₁ + R₂, también se puede escribir como:

Y como I es equivalente a I₂, ingrese eso a nuestra ecuación de V_out para obtener:

¡Y eso, mis amigos, es la ecuación de división de voltaje! El voltaje de salida es una fracción del voltaje de entrada, esa fracción es R₂ dividido por la suma de R₁ y R₂.