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Divisor de tensión

17 de enero de 2023
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Hoy vamos a aprender que es un divisor de tensión, para que sirve y como podemos usarlos para nuestros proyectos de electrónica o con Arduino.

Si ya has hecho algún que otro proyecto con Arduino con diferentes sensores, algún servomotor, motores con encoder u otro componente que necesitaba una alimentación más pequeña como un sensor de temperatura LM35, etc probablemente hayas usado un regulador de tensión.

Regulador de tensión 7805
Diagrama del regulador de tensión LM7805

Para el que no lo sepa, un regulador de voltaje se usa para tener un voltaje más pequeño partiendo de uno más grande.

Esto te facilita mucho la vida, cuando por ejemplo partes de una alimentación de 12v y necesitas alimentar algo a 5v, con poner un regulador LM7805 ya lo tendrías solucionado.

Pues el divisor de voltaje hace prácticamente lo mismo pero con una o dos resistencias y un diodo zener, pero dejemos el zener para más adelante y centrémonos en el divisor de tensión.

Esto suena bien, si en el momento de necesitarlo no tienes ningún regulador de voltaje, podemos diseñar un regulador de tensión añadiendole un zener.

Índice

    Calculadora de división de tensión

    Si tan sólo quieres usar una calculadora online de un divisor de tensión te la dejamos a continuación, pero te recomendamos que sigas leyendo el articulo y aprendas como hacerlo y como funciona.

    Experimenta con las entradas y salidas de la ecuación del divisor de voltaje. Introduce la tensión de entrada con un par de resistencia y observa que tensión se produce en su salida.

    También puedes poner directamente el voltaje de salida que necesitas para que te calcule qué resistencia de R2 deberías poner.

    Vin =  V
    R1 =  Ω
    R2 =  Ω
    Vout =  V

    Qué es un divisor de tensión

    También conocido como divisor de voltaje, es un circuito divisor muy básico que va a dividir un voltaje que tenemos a la entrada del circuito en otras dos más pequeñas.

    División de tensión

    Para que quede aún más claro vamos a suponer que tenemos una bombilla de coche, las bombillas de coches sabemos que funcionan a 12v.

    Pero nosotros tenemos una fuente de alimentación de 24v, por lo que podemos quemarla si la conectamos directamente a tensión.

    Pero si usamos un divisor de voltaje podremos dividir esos 24v que tenemos como alimentación de entrada en dos voltajes diferentes por ejemplo en dos de 12v cada una.

    Esto dependerá de las resistencia que vayamos a usar, y lo podremos calcular con una fórmula.

    Calcular resistencias de un divisor de voltaje

    Vamos a ponerle valores a las resistencias de la imagen anterior y sigamos con un ejemplo, que es como mejor se aprenden las cosas.

    Calcular división de tensión
    Calcular resistencias de un divisor de tensión

    Ya tenemos una fuente de alimentación y unas resistencias conectadas en serie. Ahora vamos a ver la fórmula para calcular que tensión tendré a la salida del divisor de voltaje.


        \[V_{salida} = V_{entrada} * \frac{R2}{R1+R2}\]

    La resistencia que coloquemos en la parte inferior de la imagen del circuito va a ir en el numerador ( arriba ).

    Si resolvemos la fórmula


        \[ V_{salida} = 12_v * \frac{3k}{1k+3k} \]

        \[ V_{salida} = 12_v * \frac{3k}{4k} \]

        \[ V_{salida} = 12_v * \frac{3}{4}=9_v \]

    Según la fórmula para calcular la tensión de salida de un divisor tenemos, que si nos entran 12v con poner una resistencia de 1k arriba y otra de 3k abajo vamos a tener una salida de 9v.

    La energía restante (3v) la perdemos en forma de energía calorífica cuando las resistencias se calientan, por lo que hay que tenerlo en cuenta para decidir de cuantos vatios queremos las resistencias.

    La formula para calcular la potencia


        \[ potencia = intensidad * voltaje \]

    Os habréis dado cuenta que no podemos calcular la potencia si no tenemos antes la intensidad, ¿verdad?, vamos a calcularla con de la siguiente forma.

    Según la ley de Ohm tensión es igual a la intensidad por la resistencia, así que despejamos la intensidad que es lo que queremos calcular.


        \[ Voltaje = intensidad * resistencia \]

    Despejamos la intensidad que es lo que nos interesa. Como está multiplicando lo pasamos al otro lado dividiendo y quedaría de la siguiente manera.


        \[ intensidad = \frac{V_{entrada}}{Resistencia} \]

    Pero como queremos saber la corriente total del circuito y tenemos dos resistencia hay que sumarlas.


        \[ intensidad = \frac{V_{entrada}}{R1 + R2} \]

    Resolvemos la fórmula


        \[ intensidad = \frac{12_v}{1k + 3k} = 3_{mA}\]

    Ya sabemos que tenemos una corriente de 3mA en el circuito ahora calculamos la potencia eléctrica con la fórmula de intensidad por voltaje


        \[ p= i*v = 3 mA* 12V = 36 mW \]

    Calcule la tensión de salida

    Ya que sabemos como calcular todo, vamos a hacer un ejercicio más rápido para que todas las dudas queden resueltas.

    Datos del problema

    • Entrada 6v
    • R1 = 50k
    • R2 = 10k
    • Calcular tensión de salida ?¿?¿


        \[ V_{salida} = 6_v * \frac{10k}{10k+50k} = 6* \frac{10k}{60k} = \frac{60}{60} = 1v\]

    Cómo funciona un diodo Zener

    Un diodo zener fue diseñado para dejar pasar un voltaje constante aunque haya variaciones de corriente.

    Diodo zener - regulador de voltaje

    Sólo tendrías que tener en cuenta un par de cosas.

    • La intensidad que pasa por el zener no debe ser inferior a su corriente mínima, es decir, ha sido diseñado para que funcione con una corriente mínima por lo que debe atravesar más por el zener y se conoce como IZmin.
    • La potencia disipada por el zener de ser inferior a su potencia máxima.
    zona de ruptura de un diodo zener
    Zona de ruptura de un diodo zener


        \[ potencia Máx = Imax * V_z\]

    Regulador de voltaje con un Zener

    Como sabemos el voltaje de entrada y la de salida que deseamos, es fácil elegir el zener con una tensión aproximada al voltaje de salida o de carga, Vz~=Vo

    Por lo tanto, su fórmula para calcular la resistencia seria


        \[ R=(V_{in} - V_z) - (Izmin + Corriente Salida)\]

    Ejemplo – Cómo calcular el Zener en un regulador de tensión

    Diseñar un circuito que su voltaje de salida sea 10v y una intensidad que varie entre 0 ( sin carga ) y 50mA.

    La tensión de entrada será 15 y vamos a suponer que la corriente mínima para poder polarizar el zener es 5mA.

    Bueno analizando el ejercicio, si queremos un voltaje de salida de 10v el Zener debe tener una tension zener Vz de 10v.

    Como sabemos la tensión y la intensidad podemos calcular la potencia máxima.


        \[ P_{max} = 0.050 * 10 = 500mW\]

    Recordar que la intensidad hay que pasarla a amperios si trabajamos con voltios, 50mA=0.050A

    Ahora podemos calcular la resistencia en serie que necesitamos a la entrada.


        \[ R = (V_{in} - V_z) / (Izmin + IL) \]


        \[ R = (15 - 10) / (0.005 + 0.050)\]


        \[ R = 90.9 Ohm\]

    Para redondear la dejamos en 91 Ohm y calculamos con ella la potencia máxima.


        \[ P_{max} = (0.050)^2 * 91 = 227.5mW\]

    El regulador de voltaje con un divisor de tensión

    Ya sabéis que con un zener y una resistencia de bajo valor se puede hacer un regulador de tensión, pero también lo podemos hacer junto a un divisor de voltaje.

    Vamos a detallarlo un poco más.

    Regulador de tensión con un divisor de voltaje
    Regulador de tensión con un divisor de voltaje

    De momento considerar que el diodo zener no lo hemos conectado todavía, si os fijáis todo seguiría siendo como antes, R1 es la resistencia en serie y RL sería la resistencia de carga.

    Pero sin ese zener se sobrepasaría el nivel de voltaje máximo y si lo conectamos la diferencia de potencial se mantendría fija que es lo que deseamos.

    Con esto quiero decir que cuando la salida es mayor a la tensión del zener, la salida realmente será la del mismo zener como por ejemplo 5v.

    Es decir, si queremos que a la salida tengamos 5v como tendríamos con un regulador de tensión 7805, sólo tendríamos que colocar un zener con un voltaje de ruptura de 5v, para que cuando la salida superase la del zener, se mantenga fija en 5v.

    divisor de voltaje
    Divisor de voltaje o tensión

    No utilices un divisor de tensión como fuente de alimentación

    Por muy tentador que sea utilizar un reductor de tensión como este, por ejemplo, una fuente de alimentación de 12V a 5V, los divisores de tensión no deben utilizarse para suministrar energía a una carga eléctrica.

    Cualquier corriente que la carga requiera también tendrá que pasar por R1. La corriente y el voltaje a través de R1 producen energía, que se disipa en forma de calor.

    Si esa potencia pasa el valor nominal de la resistencia (normalmente entre ⅛W y 1W), el calor empieza a ser un problema importante, pudiendo fundir nuestra resistencia.

    Eso sin mencionar lo ineficiente que sería una fuente de alimentación con un este método.

    Básicamente, no utilices un divisor de tensión como fuente de alimentación para cualquier cosa que requiera incluso una cantidad modesta de energía.

    Si necesitas bajar el voltaje para usarlo como fuente de alimentación, busca reguladores de voltaje o fuentes de alimentación conmutadas.

    Espero que os haya sido interesante este tema y os haya servido de ayuda, he intentado explicarlo de una manera muy amena para que todo el mundo incluso los principiantes lo entiendan sin problema.

    Podéis comentar abajo que tal os ha parecido.

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    Hoy vamos a aprender que es un divisor de tensión, para que sirve y como podemos usarlos para nuestros proyectos con arduino.
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