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LOS DIVISORES DE TENSIÓN
En este módulo, usted descubrirá algunos de los circuitos divisores de tensión y algo acerca de porqué son así y que importancia tienen en el diseño de la electrónica. Qué es un divisor de tensión?Aquí va a descubrir y aprender pero, no tenga demasiada prisa. Lea y practique con lo que aquí se explica y siga los pasos que se dan en la lección. El diagrama siguiente, muestra una resistencia que depende de la luz conocida como LDR (Resistencia Dependiente de la Luz), junto con su símbolo de circuito:
La parte sensible a la luz del LDR es una pista 'ondulada' de sulfuro de cadmio. La energía de la luz que incide en esta zona, acciona la avalancha de los portadores de carga en este material (conducción), de modo que bajará su resistencia mientras que el nivel de la iluminación se mantenga. Un sensor de luz, utiliza una LDR como parte de un divisor del tensión. Nota: Voy a utilizar un termino en la denominación de los componentes del que espero que nos ayude en la comprensión. Utilizaré los términos 'arriba' y 'bajo' para las resistencias del divisor, por su posición en el grafico y como digo, espero que esto nos ayude a recordar. Circuito esencial de un divisor de tensión, también llamado divisor de potencial o divisor de voltaje y su fórmula:
Como se puede ver, dos resistencias están conectadas en serie con la tensión
de entrada Vin, que puede ser o no, la tensión de la fuente de alimentación,
conectada a Rarriba, la otra resistencia Rbajo
conectada a masa. La tensión de la salida Vout, es el voltaje a extremos de
Rbajo y viene dada por:
Normalmente conocemos la tensión de entrada Vin, la tensión de salida en algunos casos y la corriente
que se necesita en la salida del divisor, por lo tanto podemos plantear un ejemplo de utilidad como el siguiente:
Tenemos una tensión de entrada de 9V, necesitamos una tensión de salida de 5V.
Calcular las resistencias necesarias para crear un divisor de tensión de estas características.
Observemos estas dos formulas de la derecha, entre ellas podemos ver la semejanza, en donde
los términos del quebrado se intercambia tensión (V) por resistencia (R).
Podemos deducir Va = 4V y Vb = 5V. También podemos deducir lo siguiente:
(Ra+Rb)
x Vout = Rb x Vin [F3]
Suponiendo que la
corriente en vacío a través de Ra y Rb sea de 0'02A, optemos el valor para el
conjunto Ra+Rb = 450 Ohms, sustituimos los valores
conocidos y tenemos: (450) x 5 =
Rb x 9; despejando Rb, tememos que: Rb = 2250 / 9 = 250 Ohms, ahora
podemos saber que Ra = 200 Ohms La potencia o vataje de Ra
se hallará dependiendo de la corriente que se necesite en la salida más la de
drenaje (0'02A). Para comprobar los cálculos, aplicaremos la
formula [F1], lo que nos muestra su validez.
Puede ayudarnos a recordar que, Rbajo en la ecuación aparece en la parte superior de la fórmula porque la tensión de salida (Vout) se mide a extremos de Rbajo. ¿Qué sucede si una de las resistencias en el divisor de tensión es substituida por una LDR? En el siguiente circuito, Rarriba es una resistencia de 10k, y se utiliza una LDR como Rbajo:
Supongamos que la LDR tiene una resistencia de 500 W = 0.5 kW en luz brillante y 200 kW en la oscuridad (ambos valores son razonables). Cuando la LDR está en la luz, Vout será: 0,5 Vout= -------------- x 9 V = 0,43 V 0,5 + 10 Y en la penumbra, Vout será: 200 Vout= -------------- x 9 V = 8,57 V 200 + 10 Es decir este circuito da una tensión BAJA en la salida cuando el LDR está en la luz, y una tensión ALTA cuando la LDR está en la penumbra. El circuito divisor de tensión dará una tensión de la salida que cambia con la iluminación, de forma inversamente proporcional a la cantidad de luz que reciba. Un sistema de sensor que funcione como esto se podría pensar como 'sensor de oscuridad' y se podría utilizar para controlar los circuitos de iluminación que se encienden (conectan) automáticamente por la tarde. Quizás esto no le parezca un circuito emocionante, pero puede pensar en aplicaciones que usen un sensor como divisor de tensión. Hay realmente otra manera de hacer trabajar a los sistemas con sensores de luz. Aquí está el divisor de voltaje constituido por la LDR que sustituye la resistencia de Rarriba:
¿Qué efecto tiene esto en la Vout? La acción invierte el circuito es decir,
Vout llega a ser ALTA, cuando la LDR está en la luz, y BAJA cuando el LDR está en la
oscuridad. Substituya los valores apropiados en el fórmula del divisor del voltaje para convencerse de que esto
es verdad.
Aplique la fórmula para calcular la Vout de un divisor
de tensión.
¿Cuál es la alternativa conocida para esta clase de circuito?
¿La resistencia de una LDR baja o sube con luz brillante? Explique su respuesta.
Calcule Vout para el circuito
mostrado abajo, asumiendo que el LDR tiene una resistencia de 2 kW. ¿En este circuito, Vout aumenta o disminuye
con luz brillante?
¿Cómo se podría invertir la función de este circuito?
Una resistencia que es sensible a la temperatura es lo que se llama un termistor,
una definición más técnica sería: A la resistencia con coeficiente de temperatura
negativo, conocida como termistor, NTC o con coeficiente de temperatura
positivo PTC, a este tipo de resistencias la temperatura ambiente les afecta de
modo que modifican su valor dentro de unos parámetros. Hay varios tipos de encapsulado: La resistencia de la mayoría de los tipos comunes de termistor
disminuye mientras que se eleva la temperatura. Se llaman de, coeficiente negativo de temperatura o termistores
NTC. Observe el -t° al lado del símbolo del circuito. Un termistor NTC típico se hace usando materiales
de óxido de metal semiconductor. Los semiconductores tienen la característica de ofrecer la mitad de la
resistencia entre los conductores y los aislantes. Mientras más se eleva la temperatura, más portadores
de carga están disponibles y esto causa la caída del valor de la resistencia. Aunque es menos utilizado, es posible fabricar termistores de temperatura
de coeficiente positivo o PTC. Éstos se hacen de diversos materiales y muestran un aumento
de resistencia que varía con temperatura. ¿Cómo podríamos hacer un circuito con este sensor, para su uso en una
alarma de incendios? Utilizaremos un circuito que entregue una tensión alta cuando se
detecten las condiciones de temperatura caliente. Necesitamos poner un divisor de tensión con
un termistor NTC en la posición que ocupa Rarriba: ¿Cómo podríamos hacer un circuito con un sensor para detectar
temperaturas de menos de 4°C para advertir a motoristas que pueda haber hielo en
la carretera? Usaremos un circuito que dé una tensión alta en condiciones frías.
Necesitamos un divisor de voltaje con el termistor en lugar de Rbajo: Este último ejemplo nos plantea una interesante pregunta: ¿Cómo
saber qué valor de tensión de Vout se va a conseguir con 4°C?
Vea el siguiente gráfico de las característica de un termistor:
En el eje Y, se representa la resistencia con una escala logarítmica.
Ésta es una manera de comprimir el gráfico de modo que sea más fácil ver cómo cambia la resistencia. Entre 100
W y 1000 W, cada división horizontal corresponde a 100
W. Por otra parte, entre 1000 W y 10000
W, cada división corresponde a 1000 W.
Y sobre 10000
W, representa 10000 W cada división. Como se puede apreciar, este termistor tiene una resistencia que varía de alrededor 70 k
W en 0°C a cerca de 1 kW
a 100°C. Los catálogos de los suministradores, dan generalmente la resistencia a 25°C, que en este caso será
20 kW. Generalmente, los catálogos también especifican un ' beta ' o '
B-valor '. Cuando se especifican estos dos números, es posible calcular un valor aproximado para la resistencia del termistor
en cualquier temperatura de la ecuación particular:
RT
= R To
x e
(B((1/T) - (1/T0)))
Donde: RT
es la resistencia a temperatura T en grados Kelvin (k = ºC + 273) Quizás no necesites aplicar esta ecuación en este momento,
pero es útil saber que, la información proporcionada en los catálogos es suficiente para permitir que podamos
calcular el funcionamiento del termistor. Con una hoja de
Excel
por ejemplo, es posible generar las curvas características para cualquier termistor,
calculando los valores de la resistencia para una gama de temperaturas dadas.
Con RTo
= 20 kW y B = 4200, saltos de
resistencia a partir de 0 a 10°C están como sigue: Según el gráfico, la resistencia para 4°C, se puede estimar
poco menos de 60 kW. Mediante la ecuación se ha calculado el valor
exacto, que es 58.2 kW. Con estos datos elegimos el que da un valor para Rarriba cerca de
58.2 kW, lo que hará del divisor de tensión para la alarma por hielo, más sensible
cerca de los 4°C. El valor más cercano (E12/E24) es 56 kW. Esto es importante porque los
saltos grandes de Vout hacen más fácil diseñar los otros subsistemas en la alarma
para hielo, de modo que las temperaturas por debajo de 4°C podrán ser detectadas con mayor fiabilidad. Los dispositivos sensores varían considerablemente su resistencia,
se puede aplicar esta regla para cerciorarse de que los divisores de
tensión que construya serán siempre tan sensibles como sea posible en el punto crítico. Los termistores vuelven a utilizarse en lugares en los que puede que no se
imagine. Se utilizan extensivamente en coches, por ejemplo en: Inyección electrónica de combustible, en la cual la entada
de aire, la mezcla aire/combustible y las temperaturas del agua que le enfría, se supervisan para ayudar a determinar la
concentración del combustible para la inyección óptima. Controles de temperatura del aire acondicionado y de asientos
en vehículos. Los indicadores de alertas, tales como temperaturas de
aceite y de líquido, nivel de aceite y turbo-cargador. Control del motor de ventilador, basado en la
temperatura del agua que se enfría. Sensores de escarcha, para la medida de la temperatura exterior. Sistemas acústicos. Los termistores se utilizan para medir las temperaturas superficiales y profundas del mar
para ayudar a supervisar corrientes del océano en el efecto EL NIÑO. Obviamente, los termistores se utilizan para
medir flujo de aire, por ejemplo en la supervisión de la respiración en bebés prematuros, entre otras aplicaciones. Cuando el ventilador de nuestro computador se para, cosa que es bastante habitual por
el uso continuado, se seca la grasa del eje y llega a pararse o se desgasta
el soporte del eje, produce el típico ruido poco antes de estropearse
definitivamente. Para evitar que se queme algún componente de considerable
costo, necesitamos un detector de temperatura que nos avise de tal circunstancia. Necesitamos un detector de temperatura que active un sonido de
alerta que nos avise, utilizaremos un termistor NTC, un circuito integrado de bajo coste el 555 y unos pocos
componentes asociados para esta práctica: En el esquema anterior cuando la temperatura de la CPU supera el límite
establecido por la NTC, se produce un aumento de la tensión en la patilla 2, lo que produce el disparo del circuito
integrado que está configurado como oscilador, generando una frecuencia audible que es amplificada por el transistor
a su salida por la patilla 3 y que podemos oír en el altavoz, además mediante el diodo led de la salida, nos indicará
de forma visual que la temperatura está por encima de lo previsto.
Divisor con diodo Zener
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Donde:
1. Rmin, valor mínimo de la resistencia limitadora.
2. Rmax, valor máximo de la resistencia limitadora.
3. Vinmax, valor máximo de la tensión de entrada.
4. Vinmin, valor mínimo de la tensión de entrada.
5. Vz, tensión Zener.
6. Icmin, mínima intensidad que puede circular por la carga,
si la carga se desconecta, Icmin tomará el valor 0.
7. Icmax, máxima intensidad que soporta la carga.
8. Izmax, máxima intensidad que soporta el diodo Zener.
9. Izmin, mínima intensidad del diodo zener para mantener su
su zona zener o conducción en inversa.
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Según esto, obsérvese que en el punto (6) si se desconecta la carga la intensidad Icmin tiende a 0, lo cual repercute en el sobrecalentamiento del diodo zener haciendo peligrar su integridad, por lo que se recomienda utilizar una resistencia en paralelo al diodo zener para que no se produzca este efecto negativo.
Esta resistencia puede calcularse considerando una corriente de paso cercana a la mínima del diodo zener para que se mantenga en la llamada zona zener de donde toma su nombre.
Caso práctico: Disponemos de una Vin de 5V, necesitamos una tensión para activar un circuito a 3V3 que consume 500mA, debemos calcular la R limitadora para que mediante un diodo zener de 3V3 nos entregue en la salida los 3V3 y si por cualquier motivo la carga se desconecta que no peligre el diodo zener.
Aplicando las formulas descritas en este caso, sólo usaremos un calculo, el de Rmáxima y obtendremos una resistencia de 3R3, es decir, de 3'3 W. Sin embargo, al conectar la tensión de 5V a la entrada y sin aplicar ninguna carga, se observa que hay un consumo de cerca de 500mA, cuando no hay carga, también se descubre que el diodo zener está realmente muy caliente y seguro que nos acordaremos de cuanto.
Ahora, pongamos una resistencia que limite este consumo, paradójicamente esta resistencia, no se pone en serie, sino en paralelo. Si calculamos el valor para una corriente de paso de 0'003 A (3mA) con una tensión de 3'3V por aproximación usaremos una resistencia de 1k W. Y ¡¡Voila!! Ahora, el consumo ha bajado a 100mA. El diodo zener no se calienta y el consumo no es excesivo, lo que se pedía.
Sir Charles Wheatstone era un científico versátil y con talento. Él inventó la concertina, experimentó con fotografía estereoscópica e inventó el estereoscopio e hizo una parte importante en el desarrollo temprano de las comunicaciones del telégrafo. Él no reclamó haber inventado el circuito nombrado después con su nombre, sino que estaba entre los primeros en explotar el circuito con eficacia en la fabricación de resistencias patrón.
¿Así que, que es un puente de Wheatstone? Veamos, este es el circuito:
Es obvio que el circuito consiste en dos divisores de tensión. Suponga que RX es un valor de la resistencia desconocida. Si ajustamos RC hasta que Va del segundo divisor de tensión es igual a Vb del divisor de tensión del brazo que contiene RX. Cuando los valores de Va y Vb son iguales, se dice que el puente está equilibrado. El punto de equilibrio puede ser detectado conectando un voltímetro o un amperímetro a través de los terminales de salida entre Va y Vb. Ambas clases de medida dan una lectura cero cuando se alcanza el equilibrio.
En un circuito equilibrado, el cociente RX/RA es igual al
cociente de RB/RC .
RA
x RB
RX =
------------------
RC
Es decir si los valores del RA, de RB y de RC se saben, es fácil calcular RX. En instrumentos, basados en el puente de Wheatstone, el RA y el RB son fijos y RC es ajustable en una escala que varía de una manera tal que el valor de RX se puede leer directamente.
Para el ajuste de un puente Wheatstone como termómetro (siempre dentro de unos parámetros), la sonda de la NTC, se introduce en un vaso con agua y hielo (temperatura conocida 0ºC), la resistencia ajustable Rc se regula de modo que el polímetro marque 0V, esto se debe realizar con varios intentos para que el ajuste sea lo más exacto posible. Cuando se consiga el ajuste, tendremos calibrado el termómetro, con la seguridad relativa de conocer la temperatura que tiene un cuerpo o el ambiente.
Actualmente, los circuitos puente de Wheatstone no se utilizan generalmente para medir valores de resistencia, sino que se utilizan para diseñar los circuitos sensores.
Para la detección de cambios en la presión del aire, debido a los cambios repentinos en la altitud, se usa un instrumento llamado variómetro como ayuda en el vuelo de planeadores. El variómetro alerta al piloto del planeador, de las corrientes aéreas ascendentes o las térmicas. Circundando o dentro de una térmica, el piloto puede ganar altura y permanecer en vuelo por más tiempo.
Un tipo de variómetro utiliza termistores para supervisar los cambios de presión:
Los cambios de altitud son los que producen los cambios del flujo de aire. Un elemento calefactor calienta el aire que llega de la corriente del flujo a distintas temperaturas, un sensor alto por agua y en sentido descendiente el elemento de calefacción dependiendo del índice del flujo de aire.
Los sensores de termistor son parte del puente de Wheatstone:
Cuando el instrumento es primer instalado, preestablezca el resistor se ajusta según la salida cero. La ventaja del puente de Wheatstone es que solamente las diferencias de la temperatura entre los dos sensores pondrán el puente de balance. Las condiciones atmosféricas frías o calientes afectan a ambos sensores igualmente. El flujo de aire en/de la cámara de referencia tiene un efecto opuesto en los dos sensores: uno será calentado por la corriente de aire, mientras que el otro se enfría. Consecuentemente, la salida cambiará por más que se haya ajustado el sensor del dispositivo.
Por cierto, los circuitos de puente de Wheatstone se suponen difíciles de entender. El circuito se dibuja generalmente como un puente rectificador:
Es poco probable pensar en dos divisores de tensión, pero una vez que describamos cómo se comporta el circuito será fácil de seguir.
Repaso:
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Otro nombre para un sensor de sonidos es un micrófono. El diagrama muestra un micrófono denominado electret:
Como se debe saber, para que los micrófonos electret trabajen correctamente, necesitan de una tensión de alimentación, generalmente alrededor 1.5 V a través. Un circuito adecuado para el uso con una fuente de 9 V es el siguiente:
Los 4.7 kW
y las resistencias de 1 kW forman un divisor de tensión que
proporciona 1.6 V a través del micrófono. Las ondas acústicas generan pequeños cambios en
la tensión, generalmente en la gama de 10-20 mV. Para separar estas pequeñas señales de 1.6 V, se
utiliza las características de un condensador, separando así la componente
continua de la alimentación.
Como ya se ha dicho, cuando se utiliza un interruptor para
proporcionar una entrada a un circuito como presionar un interruptor generalmente genera un pico de tensión. Es el
pico de tensión que genera el propio circuito con la acción de puesta en
marcha. ¿Qué se necesita para generar una señal de tensión con el interruptor? . . . Se necesita un divisor de tensión. El circuito se puede construir con cualquiera de las
dos maneras:
La resistencia bajo en el primer circuito fuerza
a Vout, llegando a nivel CERO, hasta que se acciona el pulsador. Este circuito entrega una
tensión alta, cuando se presiona el pulsador. Un valor para la resistencia de 10
kW es adecuada. En el segundo circuito,
la resistencia Rarriba fuerza a nivel ALTO a Vout, mientras
no se actúe sobre el pulsador. Al presionar el pulsador, se conecta Vout directamente con 0 V. Es decir,
este circuito entrega un nivel BAJO cuando se presiona el pulsador. En los circuitos de proceso señales
de lógica, una tensión BAJA se llama 'lógica 0' o ' 0 ', mientras que una
tensión ALTA se llama 'lógica 1' o ' 1 '. Estos circuitos de divisor de
tensión son perfectos para proporcionar las señales de entrada para los sistemas de lógica. Algunas clases de interruptores que se podrían utilizar. Una variedad de
pulsadores que llaman pulsador táctil miniatura. Éstos son unos pulsadores pequeños que
encajan bien en la placas estándar para montajes de prototipos:
Como se puede ver, el pulsador tiene cuatro terminales
que están conectados a pares por las tiras internas de metal. Al presionar el botón se tiende un puente sobre
los contactos y cierra el contacto. Los terminales extras son útiles al diseñar las placas de circuito
impreso para teclados y también para el pulsador de parada o reset. Hay otros tipos de pulsadores que puede ser que nos
interese utilizar en una configuración
de divisor de tensión. Podemos incluir los interruptores magnéticos de láminas
llamados reed, los interruptores de nivel y los detectores de presión, todos
para usos con alarmas contra ladrones. Los circuitos electrónicos acumulan sistemas y se idean en términos
de ENTRADA, PROCESO, SALIDA. Entre los sistemas, se transfieren las señales.
Estas señales se transfieren casi siempre como voltajes que varían. Esto hace inevitable que los circuitos electrónicos
incluyan los divisores de tensión como parte integral de su estructura.
Los divisores del voltaje no son un poco importantes justo, ellos son fundamentales a una comprensión de
circuitos electrónicos. Una vez que usted haya comenzado a buscarlos,
usted los encontrará por todas partes. Un
interruptor de láminas reed se cierra cuando se coloca cerca un imán.
En un sistema de alarma, el imán está fijado a la parte móvil de una
puerta o ventana, mientras que el interruptor reed está fijado al
marco. Vout debe ser BAJO cuando la puerta o
la ventana, esta cerrada y debe pasar a ALTO cuando se abre la puerta o la ventana. ¿Cuál de los
dos circuitos divisor de tensión mostrados nos dará este resultado?
¿Cómo se podrían incluir varios interruptores reed en el mismo circuito divisor de tensión, para
obtener una tensión alta, cuando de los interruptores reed estén abiertos?
Los circuitos electrónicos se
componen de subsistemas o circuitos dedicados y se piensa en términos
de ENTRADA, PROCESO, SALIDA. Entre estos sistemas se transfieren las distintas señales. Estas señales se
transfieren casi siempre como tensiones que cambian. Esto hace inevitable que los circuitos
electrónicos incluyan los divisores de tensión similares a los
estudiados, como parte integral de su estructura. Los divisores de tensión justamente no son poco importantes,
yo diría que son fundamentales en la comprensión de circuitos electrónicos. Una vez que hayamos empezado a buscarlos entre los circuitos
habituales que manejamos, los encontraremos por todas partes. Ahora, en pocos días, después
de haber leído este tema, nos encontraremos con los divisores de tensión en
cada porción de circuito en el que indaguemos, eso no es malo, sin embargo es
bueno y conveniente que repasemos la base, es decir la formula a aplicar en cada caso. Si tiene alguna duda (sinceramente espero
que no), recuerde que puede comunicarse con la administración para ampliar la parte que no tenga clara, al menos intentaremos
darle respuesta a sus dudas.
Como siempre, comentarios, criticas y sugerencias para mejorar este artículo, son bienvenidos y apreciados.
Señales con los interruptores.
Respuestas
Conclusiones.
[F1]
[F2]
