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UNMSM, Juarez Izquierdo, Wanda, Experiencia 5: Divisores de Tensión

Experiencia 5: DIVISORES DE TENSIÓN Juarez Izquierdo, Wanda Allison [email protected] Facultad de Ingeniería Electrónica y Eléctrica - UNMSM

Resumen.- En la presente, quinta, experiencia del laboratorio de circuitos eléctricos I se buscó conocer los fundamentos de los divisores de tensión y comprobarlos mediante la experimentación, así mismo conocer y entender el concepto de efecto de carga y como esta afecta en una medición. Para ello hemos hecho uso de resistores, un protoboard, una fuente, un miliamperímetro y un voltímetro con los cuales armamos circuitos en los que medimos la intensidad de corriente corroborando los conceptos de divisor de intensidad de corrientes. Índice de términos.Ley de Ohm.- La intensidad de corriente que atraviesa un circuito es directamente proporcional al voltaje o tensión del mismo e inversamente proporcional a la resistencia que presenta.

I=

V … … … … . … … ..… … … . … [ 1 ] R

Resistor.Es un dispositivo electrónico de dos terminales y que no tiene polaridad, su principal función es la disipación de calor, proceso en el cual se convierte la energía eléctrica en energía térmica, es decir calor, la unidad de medida del resistor es el ohm (Ω).

Resistencia equivalente .- Cuando en un circuito hay varias resistencias conectadas, resulta útil para calcular las corrientes que pasan por el circuito y las caídas de tensión que se producen, encontrar una resistencia que pueda sustituir a otras, de forma que el comportamiento del resto del circuito sea el mismo; o sea, debemos encontrar o calcular la Resistencia equivalente. Las reglas para encontrar resistencias equivalentes a otras, ya sea en paralelo o en serie, se pueden aplicar de forma reiterada. Pasando a través de las resistencias en paralelo los voltios son los mismos ya que sus extremos están en el mismo punto eléctrico (la tensión esla misma

… … .. [2 ]

I. INTRODUCCIÓN: Un divisor de voltaje es un circuito simple que reparte la tensión de una fuente entre una o más impedancias conectadas. Con sólo dos resistencias en serie y un voltaje de entrada, se puede obtener un voltaje de salida equivalente a una fracción del de entrada. Los divisores de voltaje son uno de los circuitos más fundamentales en la electrónica.

UNMSM, Juarez Izquierdo, Wanda, Experiencia 5: Divisores de Tensión Un divisor de voltaje requiere que se conecte una fuente de voltaje a través de dos resistencias en serie. Es posible que el divisor de voltaje sea dibujado de distintas maneras, pero siempre debe ser esencialmente el mismo circuito. Llamamos a la resistencia más cercana al voltaje de entrada (Vin) R1 y a la resistencia más cercana a tierra R2. La caída de voltaje en R2 es nuestro voltaje de salida (Vout), este es el voltaje resultante de nuestro circuito, que como ya se mencionó es una fracción de nuestro voltaje de entrada.

Figura 5.1

… … … … … … … … … … … . … … … .[3 ]

Figura 5.2

II. MATERIALES Y MÉTODOS

A. Equipos, materiales y herramientas utilizados    

  

Fuente de poder DC Multímetro digital Multímetro analógico Resistores de 470KΩ (2), 100KΩ (2), 47KΩ (2), 20 KΩ (2), 10KΩ (2), 4.7KΩ (2), 1KΩ (2), 100Ω (5) y 50Ω Protoboard Cables de conexión diversos Computadora con Multisim.

B. Esquemas:

Figura 5.3

C. Procedimientos: i. Resolver el Informe Previo 1. Liste y describa algunas posibles aplicaciones de los divisores de tensión. Los divisores de voltaje tienen muchas aplicaciones, se encuentran entre los circuitos

UNMSM, Juarez Izquierdo, Wanda, Experiencia 5: Divisores de Tensión eléctricos más comunes que los ingenieros utilizan. Éstos son algunos de los muchos lugares donde se pueden encontrar divisores de tensión: a. Potenciómetro Es una resistencia variable que se puede utilizar para crear un divisor de voltaje ajustable. En el interior del potenciómetro hay una sola resistencia y una aguja, la cual corta la resistencia en dos y se mueve para ajustar la relación entre las dos mitades. Externamente hay por lo general tres pines: dos pines conectados a cada extremo de la resistencia, mientras que el tercero se conecta a la aguja del potenciómetro.

… … … … … … … … … … … … .[ 4 ]

b. Leyendo Sensores Resistivos Muchos sensores en el mundo real son dispositivos resistivos simples. Una fotocelda es una resistencia variable, la cual produce una resistencia proporcional a la cantidad de luz que sense. Otros dispositivos como sensores flex, resistencias sensibles a la fuerza, y termistores, también son resistencias variables. Resulta que el voltaje es muy fácil de medir para los microcontroladores (esos con

convertidores análogo-digital por lo menos). ¿La resistencia? No tanto. Pero, al agregar otra resistencia a los sensores resistivos, podemos crear un divisor de voltaje. Una vez que es conocida la salida del divisor de voltaje, podemos devolvernos y calcular la resistencia del sensor. Por ejemplo, en la siguiente imagen la resistencia de la fotocelda varía entre 1kΩ en la luz y alrededor de 10kΩ en la oscuridad. Si combinamos eso con una resistencia estática de un valor en el medio, digamos 5.6KΩ, podemos obtener un amplio rango del divisor de voltaje. Cambios de Nivel Los sensores más complicados pueden transmitir sus lecturas usando protocolos e interfaces, como UART, SPI, o I2C. Muchos de esos sensores operan en un voltaje relativamente bajo (3.3V) para poder conservar energía. Desafortunadamente, no es raro que estos sensores de bajo voltaje estén interconectados con un microcontrolador que opera en un sistema de voltaje más alto (5V). Esto crea un problema de cambio de nivel, lo cual tiene varias soluciones, incluyendo la división de voltaje … … … . [5 ]

2. ¿Cómo se manifiesta el efecto de carga cuando se realizan mediciones de tensión? Divisor de Tensión con Carga.Al conectar el receptor, este

UNMSM, Juarez Izquierdo, Wanda, Experiencia 5: Divisores de Tensión tendrá una resistencia (RL) y el problema es que esta resistencia cambiará la I total del circuito, ya no será la I teórica calculada anteriormente, y si cambia la intensidad total del circuito, las caídas de tensión en R1 (la V1) y en Rs (la Vs) también cambiarán, ya que dependen de la I, modificando los valores de Vs, que ya no serán los 6V que realmente necesitamos. Fíjate como quedaría el divisor al poner la carga (bombilla): ¿Qué hacemos si queremos nuestro divisor de tensión real? La solución es que calculemos primero la corriente que va a demandar nuestro receptor (la bombilla) y hacer los cálculos para el divisor en vacío, pero para una corriente 10 veces mayor. La pila de 10V sería la entrada (Ventrada) y la bombilla funcionará a 6 V. La bombilla la colocaríamos en la tensión de salida (Vsalida). Lógicamente tenemos que conocer la intensidad que demandará nuestro aparato al conectarlo para que funcione correctamente. En nuestro caso la bombilla imaginemos que tiene una intensidad de 1mA (miliamperio) = 0,001A. Datos iniciales: Ve, Vs, e Intensidad que consume el aparato de salida (en nuestro caso la bombilla) A veces no nos dan el valor directamente de la intensidad, pero si no es así, nos darán la potencia del aparato. Imagina que nuestra bombilla es de 0,006w. ¿Cuál será su intensidad? Sabiendo la fórmula de la potencia es muy fácil calcular

la intensidad, ya que sabemos la tensión a la que estará conectada, en nuestro caso a 6V: Potencia = V x I; despejando I = P/V. En nuestro caso I = 0,006w/6 = 0,001A = 1mA Una vez que conocemos la intensidad que consume nuestro receptor, hacemos los cálculos del divisor del tensión en vació pero para una supuesta intensidad 10 veces mayor, es decir para una I de 0,001 x10 = 0,01A. Ya tenemos los datos iniciales. Ve = 10V; Vs = 6V; I = 0,01A. Ahora veamos como construimos el divisor de tensión. El problema es saber de qué valor tendrían que ser las resistencias para que con 10V a la entrada obtengamos 6V a la salida con una intensidad de 0,01A. OJO estos 3 datos son siempre imprescindibles. Es muy fácil, solo hay que aplicar la ley de ohm en cada resistencia. V1 = R1 x I; despejamos R1; R1 = V1/I = 4/0,01 = 400Ω de la misma forma Vs = Rs x I; despejando Rs = Vs / I = 6/0,01 = 600Ω Si montamos nuestro divisor con esas dos resistencias, problema solucionado. Comprobemos que es cierto. ¿Qué tensión tendremos en Rs? Apliquemos la ley de ohm: Vs = Rs x I = 600Ω x 0,01A = 6V. En V1 tendremos V1 = R1 x I = 400 x 0,01 = 4V [ 6 ]

ii. Realizar el análisis teórico del circuito de la figura 5.1 para hallar la tensión en los terminales del resistor, luego realizar la simulación del mismo circuito, con los datos llenar la tabla 5.1

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iii. Realizar el mismo procedimiento para la figura 5.2 y 5.3 (para este caso hacer los cambios de resistencias según

lo indicado), con los datos obtenidos llenar la tabla 5.2 y tabla 5.3

III. RESULTADOS Tabla 5.1

V 3 (V ) Valor teórico Valor simulado Valor medido

2V 2V 2 , 447 V

Tabla 5.2

Valor teórico Valor simulado Valor medido

R1=R2 =1 K Ω R1=R2 =4,7 K Ω R1=R2 =10 K Ω R1=R2 =47 K Ω R1=R2 =100 K Ω R1=R2 =470 K Ω

R0 (Ω) 100 Ω 100 Ω 93,9 Ω

V 0 (V ) 0,5263 V 0,53 V 0,53 V

V 2 ( V ) simulad V 2 ( V ) teóric 7,5 V 7,5 V 7,5 V 7,5 V 7,5 V 7,5 V 7,5 V 7,5 V 7,5 V 7,5 V 7,48 V 7,5 V

P0 (mW ) 2,7699 mW 2,7878 mW . 2,7878 mW .

V 2 ( V ) multimetro analógic 7,5 V 7, 4 V 7,3 V 7, 4 V 7,5 V 7,3 V

V 2 ( V ) multimetro digital 7,5 4 V 7,5 1V 7, 49 V 7,5 5V 7, 47 V 7, 48 V

Tabla 5.3

Ecuaciones:

V 1=

R1 R1+ R 2

∗V …..(1)

R1 + R2=10 k +20 k=30 k Ω

v 3=

R3 R1−2 +R3

∗5=

2 20 k ∗5= ∗5 30 k + 20 k 5

v 3=2V . Resistencia equivalente de dos resistores en serie:

Para la Tabla 5.2 de la Figura 5.2

v 1 + v 2=15.

R1 , R2 → R eq=R 1+ R 2 ….(2) v 2= Para la Tabla 5.1 de la Figura 5.1

R2 R1 + R2

v 2=7,5 V .

∗15=

1k 1 ∗15= ∗15 2 1 k +1 k

UNMSM, Juarez Izquierdo, Wanda, Experiencia 5: Divisores de Tensión

Para la Tabla 5.3 de la Figura 5.3

Para: R 1=R2=4,7 K Ω

v 2=

R2 4,7 k 4,7 k ∗ ∗15= ∗15= 9,4 k 4,7 k + 4,7 k R 1 + R2

v 2=7,5 V .

Para: R 1=R2=10 K Ω v 2=

R2 10 k 10 k ∗15= ∗15= ∗15 10 k +10 k R 1 + R2 20 k

v 2=7,5 V . Para: R 1=R2=47 K Ω

R2 47 k 47 k ∗15 ∗15= v 2= ∗15= 94 k 47 k + 47 k R 1 + R2 v 2=7,5 V .

Para: R 1=R2=100 K Ω v 2=

R2 100 k 100 k ∗15= ∗15= 200 k 100 k +100 k R 1 + R2

v 2=7,5 V . Para: R 1=R2=470 K Ω

v 2=

R2 470 k 470 k ∗15= ∗15= 940 k 470 k +470 k R 1 + R2

v 2=7,5 V .

IV. ANÁLISIS DE RESULTADOS 1. Luego de los resultados hallados, explique qué es el efecto de carga y cómo puede afectar la exactitud de las mediciones de tensión.

El efecto de carga afecta a corrientes continuas tanto como alternas, este efecto introduce un error. Este efecto será irrelevante cuando la resistencia del dispositivo del cual se hace la medida es mucho menor a la resistencia de entrada del instrumento. Cuando el valor de la resistencia sobre la que se mide es menor de 10K ohmios el error es despreciable del orden de 0,1% o inferior. El error ocurre cuando la resistencia de dispositivo a medir es de un valor similar a la resistencia del propio instrumento (voltímetro). 2. Explique las diferencias encontradas en las mediciones de tensión realizadas con multímetros digitales con respecto a multímetros (o voltímetros) analógicos Son muy cercanos, la diferencia es mínima. Esto se debe a la resistencia interna de cada instrumento y el margen de error por parte de cada instrumento y observador (cuando se usa un instrumento analógico). 3. Realice un análisis de error. Grafique el valor del error absoluto con respecto al valor de la resistencia R2

V. CONCLUSIONES Se trata de un circuito práctico de amplia utilización en electrónica que permite obtener a partir de un

UNMSM, Juarez Izquierdo, Wanda, Experiencia 5: Divisores de Tensión generador de tensión de un valor dado, otro generador con una fracción de tensión cualquiera. Mediante este circuito es posible alimentar (proporcional tensión de alimentación o polarización) a un equipo de bajo consumo o a un componente electrónico.

[2 ] http://www.profesorenlinea .cl/fisica/Electricidad_Resistenci a_equivalente.html

[3 ] https://www.5hertz.com/index .php? route=tutoriales/tutorial&tutorial_i d=11

[4 ] https://es.scribd.com/docume VI. BIBLIOGRAFÍA

[1 ] https://www.edu.xunta.es/esp azoAbalar/sites/espazoAbalar/files/ datos/1464947843/contido/24_la_l ey_de_ohm.html

nt/366741691/AplicacionesDivisor-de-Tension-y-Corriente

[5 ] http://cursos.mcielectronics.cl/divis or-de-voltaje/

[6 ] http://www.areatecnologia.co m/electronica/divisor-detension.html...