3.4: Divisor de voltaje

PARTES Y MATERIALES

• Calculadora (o lápiz y papel para hacer aritmética)
• Batería de 6 voltios
• Surtido de resistencias entre 1 KΩ y 100 kΩ en valor

Estoy restringiendo intencionadamente los valores de resistencia entre 1 kΩ y 100 kΩ para obtener lecturas precisas de voltaje y corriente con su medidor. Con valores de resistencia muy bajos, la resistencia interna del amperímetro tiene un impacto significativo en la precisión de la medición. Valores de resistencia muy altos pueden causar problemas para la medición de voltaje, la resistencia interna del voltímetro cambiando sustancialmente la resistencia del circuito cuando está conectado en paralelo con una resistencia de alto valor.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 6: “Circuitos Divisores y Leyes de Kirchhoff”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del voltímetro
• Uso de amperímetro
• Uso del ohmímetro
• Uso de la Ley de Ohm
• Uso de la Ley de Voltaje de Kirchhoff (“KVL”)
• Diseño de divisor de voltaje

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Aquí se muestran tres métodos diferentes de construcción de circuitos: en una placa de pruebas, en una regleta de terminales y “forma libre”. Intenta construir el mismo circuito en cada sentido para familiarizarte con las diferentes técnicas de construcción y sus respectivos méritos. El método de “forma libre”, donde todos los componentes están conectados entre sí con cables de puente estilo “cocodrilo”, es el menos profesional, pero apropiado para un experimento simple como este. La construcción de la tabla de pruebas es versátil y permite una alta densidad de componentes (muchas partes en un espacio pequeño), pero es bastante temporal. Las regletas terminales ofrecen una forma de construcción mucho más permanente a costa de una baja densidad de componentes.

Seleccione tres resistencias de su surtido de resistencias y mida la resistencia de cada una con un ohmímetro. Tenga en cuenta estos valores de resistencia con lápiz y papel, para referencia en sus cálculos de circuito.

Conecte las tres resistencias en serie y a la batería de 6 voltios, como se muestra en las ilustraciones. Mida el voltaje de la batería con un voltímetro después de que las resistencias hayan sido conectadas a ella, observando también esta cifra de voltaje en papel. Es recomendable medir el voltaje de la batería mientras alimenta el circuito de resistencia porque este voltaje puede diferir ligeramente de una condición sin carga. Vimos este efecto exagerado en el experimento de “batería paralela” mientras alimentaba una lámpara de alta potencia: el voltaje de la batería tiende a “hundirse” o “caerse” bajo carga. Aunque este circuito de tres resistencias no debe presentar una carga lo suficientemente pesada (no se consume suficiente corriente) como para causar un “hundimiento” de voltaje significativo, medir el voltaje de la batería bajo carga es una buena práctica científica porque proporciona datos más realistas.

Use la Ley de Ohm (I=E/R) para calcular la corriente del circuito, luego verifique este valor calculado midiendo la corriente con un amperímetro como este (la versión “regleta de terminales” del circuito se muestra como una elección arbitraria en el método de construcción):

Si sus valores de resistencia están de hecho entre 1 kΩ y 100 kΩ, y el voltaje de la batería es de aproximadamente 6 voltios, la corriente debe ser un valor muy pequeño, en el rango de miliamperios (mA) o microamperios (µA). Cuando mide la corriente con un medidor digital, el medidor puede mostrar el símbolo de prefijo métrico apropiado (m o µ) en alguna esquina de la pantalla. Estos telltales de prefijo métrico son fáciles de pasar por alto al leer la pantalla de un medidor digital, ¡así que presta mucha atención!

El valor medido de la corriente debe estar de acuerdo estrechamente con su cálculo de la Ley de Ohm. Ahora, toma ese valor calculado para la corriente y multiplícalo por las respectivas resistencias de cada resistor para predecir sus caídas de voltaje (E=IR). Cambia tu multímetro al modo “voltaje” y mide el voltaje caído en cada resistencia, verificando la precisión de tus predicciones. Nuevamente, debe haber un acuerdo cercano entre las cifras de voltaje calculadas y medidas.

Cada caída de voltaje de resistencia será alguna fracción o porcentaje del voltaje total, de ahí el nombre divisor de voltaje dado a este circuito. Este valor fraccional está determinado por la resistencia de la resistencia particular y la resistencia total. Si una resistencia cae el 50% del voltaje total de la batería en un circuito divisor de voltaje, esa proporción del 50% seguirá siendo la misma siempre que los valores de la resistencia no se alteren. Entonces, si el voltaje total es de 6 voltios, el voltaje a través de esa resistencia será 50% de 6, o 3 voltios. Si el voltaje total es de 20 voltios, esa resistencia caerá 10 voltios, o 50% de 20 voltios.

La siguiente parte de este experimento es una validación de la Ley de Voltaje de Kirchhoff. Para ello, es necesario identificar cada punto único en el circuito con un número. Los puntos que son eléctricamente comunes (conectados directamente entre sí con una resistencia insignificante entre ellos) deben llevar el mismo número. Aquí se muestra un ejemplo usando los números del 0 al 3, tanto en forma ilustrativa como esquemática. En la ilustración, muestro cómo se pueden etiquetar puntos en el circuito con pequeños trozos de cinta, números escritos en la cinta:

Usar un voltímetro digital (¡esto es importante!) , medir las caídas de voltaje alrededor del bucle formado por los puntos 0-1-2-3-0. Escribir en papel cada uno de estos voltajes, junto con su respectivo signo como lo indica el medidor. Es decir, si el voltímetro registra un voltaje negativo como -1.325 voltios, debe escribir esa cifra como un número negativo. No invierta las conexiones de la sonda del medidor con el circuito para que el número se lea “correctamente”. ¡El signo matemático es muy significativo en esta fase del experimento! Aquí hay una secuencia de ilustraciones que muestran cómo “dar un paso” al bucle del circuito, comenzando y terminando en el punto 0:

El uso del voltímetro para “dar un paso” alrededor del circuito de esta manera produce tres cifras de voltaje positivo y una negativa:

Estas cifras, agregadas algebraicamente (“algebraicamente” = respetando los signos de los números), deben ser iguales a cero. Este es el principio fundamental de la Ley de Voltaje de Kirchhoff: que la suma algebraica de todas las caídas de voltaje en un “bucle” se suma a cero.

Es importante darse cuenta de que el “bucle” que dio un paso no tiene que ser el mismo camino que toma la corriente en el circuito, o incluso un camino de corriente legítimo en absoluto. El bucle en el que contabilizamos las caídas de voltaje puede ser cualquier colección de puntos, siempre y cuando comience y termine con el mismo punto. Por ejemplo, podemos medir y sumar los voltajes en el bucle 1-2-3-1, y ellos también formarán una suma de cero:

Intenta pisar entre cualquier conjunto de puntos, en cualquier orden, alrededor de tu circuito y comprueba por ti mismo que la suma algebraica siempre es igual a cero. Esta Ley es cierta sin importar cuál sea la configuración del circuito: serie, paralelo, serie-paralelo, o incluso una red irreducible.

La Ley de Voltaje de Kirchhoff es un concepto poderoso, que nos permite predecir la magnitud y polaridad de los voltajes en un circuito mediante el desarrollo de ecuaciones matemáticas para el análisis basadas en la verdad de todos los voltajes en un bucle sumando cero. Este experimento pretende dar evidencia empírica y una comprensión profunda de la Ley de Voltaje de Kirchhoff como principio general.

SIMULACIÓN COMPU

Netlist (hacer un archivo de texto que contenga el siguiente texto, textualmente):

Esta simulación por computadora se basa en los números de puntos mostrados en los diagramas anteriores para ilustrar la Ley de Voltaje de Kirchhoff (puntos 0 a 3). _{Los valores de resistencia se eligieron para proporcionar proporciones de 50%, 30% y 20% de voltaje total a través de R1, R2 y R 3, respectivamente.} No dude en modificar el valor de la fuente de voltaje (en la línea “.dc”, que se muestra aquí como 6 voltios) y/o los valores de la resistencia.

Cuando se ejecuta, SPICE imprimirá una línea de texto que contiene cuatro cifras de voltaje, luego otra línea de texto que contiene tres cifras de voltaje, junto con muchas otras líneas de texto que describen el proceso de análisis. Sumar las cifras de voltaje en cada línea para ver que la suma es cero.