DIVISOR DE TENSIÓN

1. OJETIVOS

Derivar pequeñas tensiones a partir de una tensión disponible. Si se conecta una carga al divisor de tensión (resistencia de carga RL), se habrá

sometido a cargar el divisor de tensión. El circuito puente se compone de la conexión en paralelo de dos divisores de

tensión.

2. MATERIALES

Tarjeta insertable UniTrain-I de divisor de tensión, SO4201-SE.

3. FUNDAMENTO TEORICO – DIVISOR DE TENSION

I. Divisor de tensión libre de cargaEn la tecnología de medición, a menudo es necesario derivar pequeñas tensiones a partir de una tensión disponible. Esto es posible por medios de un divisor de tensión. Un divisor de tensión, como se muestra en la imagen siguiente, se compone de dos resistencias, R1 y R2, conectadas en serie. En los bordes externos se aplica la tensión de alimentación U, la cual se divide en las tensiones U1 y U2. De acuerdo a la ley de división de tensión, es válido lo siguiente:

U1+U2=U

La intensidad de corriente en el divisor de tensión, de acuerdo con la ley de Ohm, tiene el siguiente valor:

I= UR1+R2

Y la caída de tensión de las dos resistencias es igual a:

U1=I.R1

U2=I.R2

Si se introducen los valores calculados de intensidad de corriente en estas dos ecuaciones, se obtiene la siguiente ecuación para ambas divisiones de tensión:

U 1=UR1

R1+R2

U 2=UR2

R1+R2

Estas dos ecuaciones solo son validas, si no se toma corriente del divisor de tensión, esto es, si se encuentra libre de carga.

II. Divisor de tensión con cargaSi se conecta una carga al divisor de tensión (en la imagen siguiente una resistencia de carga RL), se habrá sometido a cargar el divisor de tensión. A través de la resistencia de carga circula la corriente de carga IL y, a través de la resistencia R2, la componente transversal de corriente IQ. A través de R1 fluye la suma de estas dos corrientes. La componente transversal de corriente IQ genera pérdidas de calor en R2.

En el caso de los divisores de tensión libres de carga, la tensión de R2 es proporcional a la relación que existe entre R2 y la resistencia total R1 +R2. En el caso de los divisores de tensión sometidos a carga, este no es el caso puesto que se obtiene una característica más o menos curvada que se diferencia más fuertemente de la característica lineal del divisor de tensión sin carga, mientras menor sea la resistencia de carga, en función de la resistencia total R1 +R2 de ese último, este es, mientras mayor sea la corriente de carga en función de la componente transversal de corriente. Esto se debe a que el divisor de tensión sometido a carga se compone del circuito en serie de R1 y del circuito en paralelo de R1 +R2.La resistencia de compensación R2

* de este circuito en paralelo se puede calcular de la siguiente manera:

1R2

¿ =1R2

+ 1RL

=R2+RLR2 .RL

⇒R2¿=R2 . RLR2+RL

Por tanto, para la tensión de carga UL del divisor de tensión es válido:

U L=UR2

¿

R1+R2¿ =

R2 . RLR2+RL

R1+R2 .RLR2+RL

El divisor de tensión libre de carga se obtiene aquí permitiendo que la resistencia de carga RL se aproxime al infinito. En cada uno de estos dos casos se puede despreciar la resistencia R2 en relación a RL:

RL→∞⟹ R2+RL≈ RL

RL se puede abreviar y se obtiene la ecuación ya encontrada en el párrafo anterior para el divisor de tensión libre de carga. La tensión de carga del divisor de tensión sometido a ella es, por tanto, siempre menor que en el caso que no exista carga (marcha en vacio).

Las corrientes IL e IQ se pueden calcular si se conoce el valor de UL por medio de la ley de Ohm; la corriente total I se obtiene por medio de la suma de estas dos corrientes.

EXPERIMENTO: DIVISOR DE TENSION

En el siguiente experimento se deben analizar dos divisores de tensión diferentes en lo relativo a las divisiones de tensión con carga. Monte el circuito experimental representado a continuación: la siguiente animación ilustra el montaje experimental.

Ajustes del voltímetro A

Rango de medición: 20 V DC

Modo de operación: AV

Abra el instrumento virtual Voltímetro A y seleccione los ajustes que se detallan en al siguiente tabla. Abra el instrumento virtual Voltímetro B y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del voltímetro B

Rango de medición: 10 V DC

Modo de operación: AV

Calcule para el divisor de tensión de la izquierda y la tensión de alimentación dada de 15V, las tensiones U1 parciales (tensión en R1) y U1 (tensión en R2) con ausencia de carga (el conector puente B1 no está insertado). Los valores de resistencia son R1=10k Ω y R2=3,3k Ω. Anote los valores obtenidos en la siguiente tabla 1.

UB =15V Divisor de tensión de la izquierda Divisor de tensión de la derecha

Relación de división

(sin carga)

U1 / V U2 / V U1 / V U2 / V

Sin carga (cálculo)

Con carga (medición)

RL=9,4k Ω

RL=4,7k Ω

Inserte el conector puente B1. En las dos resistencias R3 y R4, de 4,7k Ω, se obtiene ahora una resistencia de carga RL de 9,4k Ω. Mida U1 y U2 nuevamente, con esta carga, y anote los valores medidos en la tabla. Inserte el conector puente B3, para cortocircuitar la carga R4 y, de esta manera, reducir la resistencia de carga a 4,7k Ω. Vuelva a medir las tensiones parciales y anote los resultados en la tabla.

Modifique el montaje experimental como se muestra en la animación siguiente para analizar ahora el divisor de tensión que se encuentra a la derecha.

4. PROCEDIMIENTO

Repita todas las mediciones realizadas, en primer lugar, para el divisor sin carga y luego para ambos casos con presencia de carga, esto es, RL=9,4k Ω y RL de 4,7k Ω.

1. ¿Qué relación de tensión U1: U2 poseen los divisores de tensión con ausencia de carga?

Ambos poseen una relación de 2:1. El izquierdo posee una relación de 3:1, y el derecho una de 5:1. El izquierdo posee una relación de 3:1, y el derecho una de 0,3:1. Ambos poseen una relación de 3:1. Ambos poseen una relación de 5:1.

2. ¿Cuál es la respuesta de los divisores de tensión ante la carga? Son posible varias respuestas.

La tensión del componente que no recibe carga aumenta. La tensión del componente que no recibe carga disminuye. La caída de tensión del componente que recibe la carga permanece invariable,

mientras que la del componente que no la recibe disminuye. En función de la carga introducida, disminuye la tensión del componente que la

recibe y la relación entre los divisores varía. En función de la carga introducida, aumenta la tensión del componente que la

recibe. La relación de tensión no varía.

3. ¿De qué manera influye el valor de la resistencia de carga sobre la tensión de salida (tensión de carga) del divisor?

El valor de la resistencia de carga no ejerce ninguna influencia sobre la tensión de salida.

Mientras menor sea la resistencia de carga, menor será la tensión de salida. Mientras menor sea la resistencia de carga, mayor será la tensión de salida.

4. Compare los resultados del divisor de tensión de la izquierda con los de la derecha. ¿Qué observa?

En cuanto a la carga, la variación de la tensión de salida del divisor de la izquierda es mayor que de la derecha.

En relación con la carga, no existe ninguna diferencia digna de mención en la respuesta de ambos divisores.

Las resistencias de carga en el orden de magnitud de las resistencias de los divisores producen una caída relativamente grande de la tensión de salida.

Las resistencias muy pequeñas (en relación con las resistencias de los divisores) producen una caída relativamente grande de la tensión de salida.

Las resistencias muy grandes (en relación con las resistencias de los divisores) producen una caída relativamente pequeña de la tensión de salida.

CIRCUITO PUENTE

El circuito puente se compone de la conexión en paralelo de dos divisores de tensión, de acuerdo con la siguiente imagen.

Si el divisor de tensión “superior” (compuesto por las resistencias R1 y R2) divide la tensión de alimentación en la misma relación que el divisor de tensión “inferior” (compuesto por las resistencias R3 y R4), entonces entre los puntos C y D no existe ninguna tensión (UD=0). En este se afirma que los puentes mantienen una condición de equilibrio. La condición de equilibrio es la siguiente:

R1R2

=R3R4

Si se reemplazan las resistencias R3 y R4 por una resistencia ajustable, se puede emplear el circuito puente para medir la resistencia; este tipo de circuito lleva el nombre del físico ingles Wheatstone y se le conoce también como puente de Wheatstone. Aquí RX es la resistencia cuyo valor se debe determinar y RN una resistencia (la mayoría de las veces ajustable) de comparación (“resistencia normal”). El puente se introduce para la medición en estado de equilibrio (UD=0) y RX se determina a partir de la siguiente relación:

RX=RNR3R4

EXPERIMENTO: CIRCUITO PUENTE

En el siguiente experimento se debe analizar un circuito puente. Para ello se combinaran los dos divisores de tensión ya analizados en un experimento anterior. Abra el instrumento virtual Voltímetro A, B la siguiente imagen y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del voltímetro A

Rango de medición: 20 V DC

Modo de operación: AV

Ajustes del voltímetro B

Rango de medición: 10 V DC

Modo de operación: AV

Compare el circuito montado con el circuito puente que se representa a continuación, y que ya fuera presentado en la pagina anterior del curso. ¿Qué resistencias de la tarjeta de experimentación corresponden a los valores anotados en el diagrama de circuito? Anote sus respuestas en la tabla 1, debe hacer las veces de resistencia de carga; para ello, inserte el conector B3.

Insertado o retirado los conectores B1 y B2 se puede aplicar la carga alternativa ¿Qué tensión UD del puente debería esperarse entre los puntos de medición MP2 y MP6, si se toma en cuenta el hecho de que ambos divisores de tensión presentan la misma relación de división? Conecte el Voltímetro B entre estos dos puntos de medición. En el caso de que sea necesario, varíe el rango de medición y mida la tensión del puente.

R (diagrama de circuito) R (tarjeta)

RX

RN

R3

R4

Anote sus resultados en las siguientes casillas.

Tensión que debería estar entre MP2 y MP6 Uesperada =__ V

Tensión medida entre MP2 y MP6 Umedida =__ V

Ahora se debe examinar la respuesta del circuito puente sometido a carga. La resistencia R3 de la tarjeta de experimentación nuevamente, en el divisor de tensión de la izquierda y/o en el de la derecha. Mida cada tensión UB presente entre MP1 y MP3 para las combinaciones indicadas en la tabla 2, al igual que las tensiones parciales U1 y U2 del divisor de tensión izquierdo (tensiones entre MP1 y MP2 ó bien entre MP2 y MP3) así como las correspondientes tensiones parciales del divisor de tensión derecho (tensiones

entre MP5 y MP6 ó bien entre MP6 y MP3). Mida además en cada ocasión la tensión UD del puente, entre MP2 y MP6. Anote todos los valores de medición en la tabla 2.

Tabla 2 Divisor izquierdo Divisor derecho

B-1 B-2 UB / V U1 / V U2 / V U1 / V U2 / V UD / V