6.1: Circuitos divisores de voltaje

Analicemos un circuito en serie simple, determinando las caídas de voltaje a través de resistencias individuales:

Determine la resistencia total del circuito

A partir de los valores dados de las resistencias individuales, podemos determinar una resistencia total del circuito, sabiendo que las resistencias suman en serie:

Utilice la ley de Ohm para calcular el flujo de electrones

A partir de aquí, podemos usar la Ley de Ohm (I=E/R) para determinar la corriente total, que sabemos que será la misma que cada corriente de resistencia, siendo las corrientes iguales en todas las partes de un circuito en serie:

Ahora, sabiendo que la corriente del circuito es de 2 mA, podemos usar la Ley de Ohm (E=IR) para calcular el voltaje en cada resistor:

Debe ser evidente que la caída de voltaje a través de cada resistor es proporcional a su resistencia, dado que la corriente es la misma a través de todas las resistencias. Observe cómo el voltaje a través de _R2 es el doble que el voltaje a través de _R1, así como la resistencia de _R2 es el doble que la de _R1.

Si cambiáramos el voltaje total, encontraríamos que esta proporcionalidad de caídas de voltaje permanece constante:

El voltaje a través de _R2 sigue siendo exactamente el doble que el de la caída de _R1, a pesar de que el voltaje de la fuente ha cambiado. La proporcionalidad de las caídas de voltaje (relación de una a otra) es estrictamente una función de los valores de resistencia.

Con un poco más de observación, se hace evidente que la caída de voltaje a través de cada resistencia también es una proporción fija de la tensión de suministro. El voltaje a través de _R1, por ejemplo, era de 10 voltios cuando el suministro de la batería era de 45 voltios. Cuando el voltaje de la batería se incrementó a 180 voltios (4 veces más), la caída de voltaje a través de _R1 también aumentó en un factor de 4 (de 10 a 40 voltios). La relación entre la caída de voltaje de _R1 y el voltaje total, sin embargo, no cambió:

Asimismo, ninguna de las otras relaciones de caída de voltaje cambió con el aumento de la tensión de alimentación tampoco:

Fórmula del divisor de voltaje

Por esta razón, un circuito en serie a menudo se llama divisor de voltaje por su capacidad para proporcionar, o dividir, el voltaje total en porciones fraccionarias de relación constante. Con un poco de álgebra, podemos derivar una fórmula para determinar la caída de voltaje de resistencia en serie dado nada más que voltaje total, resistencia individual y resistencia total:

La relación entre la resistencia individual y la resistencia total es la misma que la relación entre la caída de voltaje individual y la tensión de suministro total en un circuito divisor de voltaje. Esto se conoce como la fórmula del divisor de voltaje, y es un método de cortocircuito para determinar la caída de voltaje en un circuito en serie sin pasar por los cálculos de corriente de la Ley de Ohm.

Usando esta fórmula, podemos volver a analizar las caídas de voltaje del circuito de ejemplo en menos pasos:

Los divisores de voltaje encuentran una amplia aplicación en los circuitos de medidores eléctricos, donde se utilizan combinaciones específicas de resistencias en serie para “dividir” un voltaje en proporciones precisas como parte de un dispositivo de medición de voltaje.

Un dispositivo que se usa frecuentemente como componente de división de voltaje es el potenciómetro, que es una resistencia con un elemento móvil posicionado por una perilla o palanca manual. El elemento móvil, típicamente llamado limpiaparabrisas, hace contacto con una tira resistiva de material (comúnmente llamada cable deslizante si está hecho de alambre metálico resistivo) en cualquier punto seleccionado por el control manual:

El contacto del limpiaparabrisas es el símbolo de flecha hacia la izquierda dibujado en el medio del elemento de resistencia vertical. A medida que se mueve hacia arriba, entra en contacto con la tira resistiva más cerca del terminal 1 y más lejos del terminal 2, disminuyendo la resistencia al terminal 1 y elevando la resistencia al terminal 2. A medida que se mueve hacia abajo, resulta el efecto contrario. La resistencia medida entre los terminales 1 y 2 es constante para cualquier posición del limpiaparabrisas.

Potenciómetros rotativos vs. lineales

Aquí se muestran ilustraciones internas de dos tipos de potenciómetros, rotativos y lineales:

Algunos potenciómetros lineales son accionados por el movimiento en línea recta de una palanca o botón deslizante. Otros, como el representado en la ilustración anterior, son accionados por un tornillo giratorio para una capacidad de ajuste fino. Estas últimas unidades a veces se denominan potes, ya que funcionan bien para aplicaciones que requieren una resistencia variable para ser “recortadas” a algún valor preciso. Cabe señalar que no todos los potenciómetros lineales tienen las mismas asignaciones de terminales que se muestran en esta ilustración. Con algunos, el terminal del limpiaparabrisas está en el medio, entre los dos terminales terminales.

La siguiente fotografía muestra un potenciómetro rotativo real con limpiaparabrisas expuesto y cable deslizante para una fácil visualización. El eje que mueve el limpiaparabrisas se ha girado casi completamente en el sentido de las agujas del reloj para que el limpiaparabrisas esté casi tocando el extremo terminal izquierdo del cable deslizante:

Aquí está el mismo potenciómetro con el eje del limpiaparabrisas movido casi a la posición completa en sentido contrario a las agujas del reloj, de modo que el limpiaparabrisas está cerca del otro extremo del recorrido:

Si se aplica un voltaje constante entre los terminales exteriores (a través de la longitud del cable deslizante), la posición del limpiaparabrisas extraerá una fracción del voltaje aplicado, medible entre el contacto del limpiaparabrisas y cualquiera de los otros dos terminales. El valor fraccional depende completamente de la posición física del limpiaparabrisas:

La importancia de la aplicación del potenciómetro

Al igual que el divisor de voltaje fijo, la relación de división de voltaje del potenciómetro es estrictamente una función de la resistencia y no de la magnitud del voltaje aplicado. En otras palabras, si la perilla o palanca del potenciómetro se mueve a la posición del 50 por ciento (centro exacto), el voltaje caído entre el limpiaparabrisas y cualquiera de los terminales externos sería exactamente 1/2 del voltaje aplicado, sin importar cuál sea ese voltaje, o cuál es la resistencia de extremo a extremo del potenciómetro. En otras palabras, un potenciómetro funciona como un divisor de voltaje variable donde la relación de división de voltaje se establece por la posición del limpiaparabrisas.

Esta aplicación del potenciómetro es un medio muy útil para obtener un voltaje variable a partir de una fuente de voltaje fijo como una batería. Si un circuito que está construyendo requiere una cierta cantidad de voltaje que es menor que el valor del voltaje de una batería disponible, puede conectar los terminales exteriores de un potenciómetro a través de esa batería y “marcar” cualquier voltaje que necesite entre el limpiaparabrisas del potenciómetro y uno de los terminales exteriores para su uso en tu circuito:

Cuando se usa de esta manera, el nombre potenciómetro tiene mucho sentido: medirán (controlan) el potencial (voltaje) aplicado a través de ellos creando una relación variable de divisor de voltaje. Este uso del potenciómetro de tres terminales como divisor de voltaje variable es muy popular en el diseño de circuitos.

Aquí se muestran varios pequeños potenciómetros del tipo comúnmente utilizado en equipos electrónicos de consumo y por aficionados y estudiantes en la construcción de circuitos:

Las unidades más pequeñas a la izquierda y a la derecha están diseñadas para enchufarse a una placa de prueba sin soldadura o soldarse en una placa de circuito impreso. Las unidades intermedias están diseñadas para montarse en un panel plano con cables soldados a cada uno de los tres terminales.

Aquí hay tres potenciómetros más, más especializados que el conjunto que se acaba de mostrar:

La gran unidad “Helipot” es un potenciómetro de laboratorio diseñado para una conexión rápida y fácil a un circuito. La unidad en la esquina inferior izquierda de la fotografía es del mismo tipo de potenciómetro, solo sin caja o dial de conteo de 10 vueltas. Ambos potenciómetros son unidades de precisión, que utilizan bandas de resistencia de pista helicoidal de múltiples vueltas y mecanismos de limpiaparabrisas para realizar pequeños ajustes. La unidad en la parte inferior derecha es un potenciómetro de montaje en panel, diseñado para un servicio rudo en aplicaciones industriales.

Revisar

• Los circuitos en serie proporcionan, o dividen, el voltaje de suministro total entre caídas de voltaje individuales, siendo las proporciones estrictamente dependientes de las resistencias: E _Rn = E _Total (R _n/R _Total)
• Un potenciómetro es un componente de resistencia variable con tres puntos de conexión, frecuentemente utilizado como divisor de voltaje ajustable.