Divisor de Voltaje o Tensión Formulas y Ejemplos

Un divisor de voltaje, es un arreglo de 2 impedancias, comúnmente resistencias que dividen el voltaje y la corriente de salida. La división es proporcional a las resistencias involucradas en el divisor. Un divisor de voltaje se configura para tener una salida de potencial determinada, esta se puede calcular con una simple ecuación o formula.

La salida en voltaje de un divisor sirve solamente como una referencia de voltaje. Puede parecer interesante, aplicar nuestro divisor como fuente de voltaje, sin embargo no es recomendable. La resistencia que va a tierra forma un paralelo con la resistencia de carga lo cual modifica el voltaje de la entrada de la carga. Usualmente los divisores como fuentes se implementan en conjunto con diodos zener y/o amplificadores operacionales. Esto considerando aplicaciones básicas. La configuración básica de un divisor de voltaje es la siguiente, en donde por convención vamos a llamar R1 y R2 a las resistencias. R1 la que va a la fuente y R2 la que va a tierra. Vi es el voltaje de entrada y Vo es el de salida del divisor.

divisor de voltaje

Figura 1: Configuración de un divisor de voltaje.

Ecuaciones del divisor de voltaje

La expresión que define el divisor de voltaje, es la siguiente. Observar que además podemos realizar el análisis con impedancias, esto es, con resistencias complejas. A continuación se mencionan las ecuaciones, tome en cuenta que R es resistencia, X es reactancia y Z es impedancia. Estas ecuaciones nos permiten calcular el voltaje de salida de un circuito serie. Primero tenemos el de las resistencias:

    \[ V_o= V_i \left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right) \]

Para el caso de reactancias:

    \[ V_o= V_i \left(\frac{X_2}{X_1+X_2}\right) \]

En el caso de impedancias:

    \[ V_o= V_i \left(\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}\right) \]

Despejando los elementos, de la expresión nos quedan los siguientes valores. Esto te ayudará a tener a la mano las expresiones ya despejadas en caso de requerir alguna incógnita.

    \[ R_1= R_2 \left(\frac{V_i-V_o}{V_o}\right) \]

    \[ R_2=  -\left(\frac{V_o R_1}{V_o-V_i}\right) \]

    \[ V_i= V_o \left(\frac{R_2+R_1}{R_2}\right) \]

Aplicaciones

Fuente de voltaje

El divisor de voltaje, como fuente tiene que llevar un circuito que ajuste la impedancia. En este caso se hace referencia a un amplificador operacional en modo seguidor común con retro-alimentación y ganancia unitaria. La corriente del sistema sera tomada de los terminales de alimentación del amplificador operacional. De esta manera, la terminal Vo del divisor no se ve modificada en voltaje. Como por ejemplo, el siguiente caso tiene dos resistencias de 1 KOhm, con una entrada de 12V. Nos “debería de dar” el siguiente valor:

    \[ V_o= V_i \left(\frac{R_2}{R_1+R_2}\right) = 12V \left(\frac{1K\Omega}{1K\Omega+1K\Omega}\right) = 6V \]

Sin embargo vemos que debido a el paralelo de R2 con RL el valor de la resistencia baja. De tal manera que la expresión correcta es:

    \[ R_p= \left(\frac{R_2 R_L}{R_2+R_L}\right) =  \left(\frac{1K\Omega 10K\Omega}{1K\Omega+10K\Omega}\right) \approx 909.09\Omega \]

    \[ V_o= V_i \left(\frac{R_p}{R_1+R_p}\right) = 12V \left(\frac{909.09\Omega}{1K\Omega+909.09\Omega}\right) \approx 5.714V \]

Divisor de voltaje

Figura 2: Divisor de voltaje conectado a una carga resistiva. Vemos como el voltaje cae.

Para el caso donde tenemos un seguidor, la impedancia de entrada del mismo es tan alta que el la resistencia en paralelo, tiende a ser R2. Recordemos que en un paralelo, la resistencia tiende al valor menor.

    \[ R_p= \left(\frac{R_2 R_i}{R_2+R_i}\right) =  \left(\frac{1K\Omega 10M\Omega}{1K\Omega+10M\Omega}\right) \approx 999\Omega \]

Divisor de tensión

Figura 3. Con un seguidor podemos mantener el nivel de voltaje deseado de un divisor de tensión.

Regulador de voltaje

El divisor en conjunto con un diodo zener, puede funcionar como un regulador de voltaje. En este caso podemos considerar la resistencia R2 como la carga de un sistema, R1 como la resistencia en serie. Supongamos que queremos limitar el voltaje de entrada de dicho sistema con un voltaje máximo. Esto aplicable a casos donde el incremento de potencial pueda dañar algún circuito o sistema. Buscamos un diodo zener con el voltaje máximo deseado y lo configuramos como la siguiente figura.

Notese que si por ejemplo, el sistema tiene una carga variable es posible que el voltaje supere al del zener. Tomemos por ejemplo una resistencia en serie de 1 KOhm. Un voltaje de entrada de 12V. El voltaje maximo, o del zener es de 5V. La carga varia de 500 Ohms a 10 KOhms. Entonces consideramos las salidas si el diodo zener no estuviera puesto, que serian.

    \[ V_o= V_i \left(\frac{R_L}{R_1+R_L}\right) = 12V \left(\frac{10K\Omega}{1K\Omega+10K\Omega}\right) \approx 10.909V \]

    \[ V_o= V_i \left(\frac{R_L}{R_1+R_L}\right) = 12V \left(\frac{500\Omega}{1K\Omega+500\Omega}\right) = 4V \]

Por lo que nos sirve para cunado la carta esta en 10KOhms.

Divisor de tensión.

Figura 4: Divisor de tensión, en donde la resistencia de carga hace las veces de R2.

Se puede observar que sin el diodo zener, se sobrepasa el nivel de voltaje máximo. Al poner el diodo entre la salida del divisor y tierra, la diferencia de potencial del mismo se mantiene fija. Por lo tanto, cuando la salida del voltaje es mayor al Vz, entonces la salida es Vz. En este caso 5V.

regulador zener

Figura 5: Con un diodo en un divisor, la tensión se regula al voltaje del diodo.

Sensores con efecto resistivo

Los sensores con efectos resistivos, como un LDR, pueden ser configurados con un divisor de tensión. Básicamente, con esta configuración, estamos convirtiendo un cambio de resistencia, en uno de voltaje. Sensores flexibles, de temperatura, de iluminación, de fuerza o presión, son algunos de los casos en donde se puede implementar el divisor de voltaje.

Sensor resistivo

Figura 6: Configuración para conectar sensores resistivos.

Referencia de un ADC

Con un divisor de voltaje, con una de las 2 resistencias variables, podemos generar una referencia variable para un ADC. El ajuste de voltaje máximo de un ADC nos ayuda a mejorar la resolución de nuestro sistema. Este efecto también se puede lograr con una amplificador operacional a la entrada. Una desventaja de este circuito para referencia, es el acoplo de impedancias. Para acoplar impedancias se recomienda un amplificador operacional en modo seguidor.

Puente de Wheatstone

Un puente de Wheatstone es conformado por 2 divisores de voltaje, puedes ver nuestro tutorial del puente de Wheatstone aquí.

Puente de Wheatstone

Figura 7: Puente de Wheatstone.

Comparador de voltaje variable

Podemos colocar un divisor en una de las entradas de un comparador. Esta configuración nos permite modificar el umbral a partir de donde el voltaje de salida se activa. Esta configuración se usa mucho en sensores donde no quieres cuantificar tu información, solo saber si se activo o no. Podemos decir, que conviertes un sensor de analógico a digital, solo que tu nueva resolución es de 1 bit. En casos donde solo quieres detectar por ejemplo, día y noche o húmedo y seco, es ideal esta configuración.

Comparador umbral

Figura 8: Comparador con nivel de umbral ajustable. Modo activo.

Comparador

Figura 9: Comparador con nivel de umbral ajustable. Modo inactivo.

Conclusiones

Como puedes observar, el circuito divisor de voltaje es un circuito fácil y practico. Podemos observar que es posible modificar un voltaje dado en función a una de las dos resistencias. Siempre descartar el uso del divisor como regulación para una fuente de voltaje. Si queremos una fuente regulada, procurar usar un regulador de voltaje dedicado o incorporar un amplificador operacional.

ATENCIÓN

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Licencia Creative Commons
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Autor: Dr: Hector Hugo Torres Ortega

One Response

  1. gilbert julio 30, 2018

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