Caso práctico: Divisor de voltaje simple

Prototipo de Divisor de voltaje simple (Maker Style)

Nivel: Básico. Demuestra cómo dos resistencias en serie dividen el voltaje de entrada en proporciones predecibles.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito fundamental que utiliza dos resistencias en serie para reducir un voltaje de fuente de CC más alto a un nivel de voltaje más bajo específico.

  • Por qué es útil:

    • Interfaz de sensores: Adapta sensores de alto voltaje (por ejemplo, sensores automotrices de 12 V) a microcontroladores de bajo voltaje (por ejemplo, lógica de 3.3 V o 5 V).
    • Polarización: Proporciona voltajes de referencia estables para bases de transistores o entradas de amplificadores operacionales.
    • Desplazamiento de nivel: Método simple para reducir los niveles de señal entre diferentes etapas del circuito.

  • Resultado esperado:

    • Voltaje de entrada (Vin): Medido en la fuente de alimentación completa de 9 V.
    • Voltaje de salida (Vout): Medido en la unión entre las resistencias; esperando exactamente 4.5 V (50% de la entrada).
    • Corriente: Una corriente pequeña y segura fluye continuamente desde la fuente a tierra a través de la ruta en serie.
    • Verificación de la relación: El voltaje de salida sigue la fórmula Vout = Vin × (R2 / (R1 + R2)).

  • Público objetivo y nivel: Estudiantes que comienzan con la Ley de Ohm y Circuitos en Serie (Nivel: Básico).

Materiales

  • V1: Fuente de voltaje de 9 V CC (batería o fuente de alimentación).
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: elemento del lado alto (cae la mitad del voltaje).
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: elemento del lado bajo (resistencia de medición).
  • M1: Multímetro digital (modo voltímetro), función: herramienta de medición.

Guía de conexionado

Construya el circuito utilizando las siguientes conexiones de nodos. Asegúrese de que la fuente de alimentación esté apagada mientras ensambla los componentes.

  • V1: Conecte el terminal positivo al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
  • R1: Conecte entre el nodo VCC y el nodo VOUT.
  • R2: Conecte entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Voltage Divider
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ INPUT ]                    [ PROCESSING ]                    [ OUTPUT ]

 [ 9V Source (V1) ] --(VCC)--> [ R1: High-Side 10k ] --(VOUT)--> [ Multimeter (M1) ]
                                          |
                                          v
                                 [ R2: Low-Side 10k ]
                                          |
                                          v
                                    [ Node 0 (GND) ]
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Realice los siguientes pasos para validar el comportamiento del circuito.

  1. Configurar el multímetro: Cambie su multímetro al modo de voltaje de CC (rango de 20 V o rango automático).
  2. Medir la entrada (Vin): Coloque la sonda roja en el nodo VCC y la sonda negra en el nodo 0. Verifique que la lectura sea de aproximadamente 9 V.
  3. Medir la salida (Vout): Coloque la sonda roja en el nodo VOUT (la unión entre R1 y R2) y la sonda negra en el nodo 0.
  4. Validar el resultado: La lectura debe ser de aproximadamente 4.5 V.
    • Cálculo: Vout = 9V × (10kΩ / (10kΩ + 10kΩ)) = 9V × 0.5 = 4.5V.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Title: Simple voltage divider

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source
* Connected positive to VCC, negative to 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 10 kOhm resistor (High-side)
* Connected between VCC and VOUT
R1 VCC VOUT 10k

* R2: 10 kOhm resistor (Low-side)
* Connected between VOUT and 0 (GND)
R2 VOUT 0 10k

* M1: Digital Multimeter (Voltmeter mode)
* Function: Measurement tool across R2 (VOUT to GND)
* Modeled as a high-impedance resistor (10 MegOhm) to represent input impedance
R_M1 VOUT 0 10Meg
* ... (truncated in public view) ...

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* Title: Simple voltage divider

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source
* Connected positive to VCC, negative to 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 10 kOhm resistor (High-side)
* Connected between VCC and VOUT
R1 VCC VOUT 10k

* R2: 10 kOhm resistor (Low-side)
* Connected between VOUT and 0 (GND)
R2 VOUT 0 10k

* M1: Digital Multimeter (Voltmeter mode)
* Function: Measurement tool across R2 (VOUT to GND)
* Modeled as a high-impedance resistor (10 MegOhm) to represent input impedance
R_M1 VOUT 0 10Meg

* --- Simulation and Output ---
* Operating point analysis for DC steady state
.op

* Transient analysis (required for .print tran)
* Simulating for 5ms to show steady DC levels
.tran 100u 5ms

* Print directives
.print tran V(VCC) V(VOUT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (59 rows) 
Index   time            v(vcc)          v(vout)
0	0.000000e+00	9.000000e+00	4.497751e+00
1	5.000000e-07	9.000000e+00	4.497751e+00
2	1.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
3	2.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
4	4.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
5	8.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
6	1.600000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
7	3.200000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
8	6.400000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
9	1.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
10	2.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
11	3.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
12	4.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
13	5.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
14	6.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
15	7.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
16	8.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
17	9.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
18	1.028000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
19	1.128000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
20	1.228000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
21	1.328000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
22	1.428000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
23	1.528000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
... (35 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Conectar una carga pesada: Conectar un motor o una carga de baja resistencia a VOUT hará que el voltaje caiga significativamente por debajo de 4.5 V (efecto de carga). Solución: Conecte solo cargas de alta impedancia (como entradas de microcontrolador) o use un búfer.
  2. Usar relaciones de resistencia incorrectas: Usar valores de resistencia aleatorios dará como resultado un voltaje de salida aleatorio. Solución: Calcule siempre la relación requerida utilizando la fórmula del divisor de voltaje antes de construir.
  3. Sobrecalentamiento de resistencias: El uso de valores de resistencia muy bajos (por ejemplo, 10 Ω) conecta la fuente casi directamente a tierra, causando una alta corriente. Solución: Use valores en el rango de kΩ para voltajes de referencia de señal para minimizar el desperdicio de energía.

Solución de problemas

  • Síntoma: VOUT marca 0 V.
    • Causa: R1 está abierta (rota) o R2 está en cortocircuito a tierra.
    • Solución: Verifique la continuidad de R1 y asegúrese de que las patas de R2 no se toquen.
  • Síntoma: VOUT es igual a VCC (9 V).
    • Causa: R2 está abierta (rota) o R1 está en cortocircuito.
    • Solución: Asegúrese de que R2 esté insertada correctamente en los rieles de la protoboard.
  • Síntoma: VOUT está ligeramente desviado (por ejemplo, 4.6 V en lugar de 4.5 V).
    • Causa: Tolerancia de la resistencia (las resistencias estándar varían en ±5%).
    • Solución: Este es un comportamiento normal. Use resistencias de precisión del 1% si los valores exactos son críticos.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Divisor variable: Reemplace R1 y R2 con un solo potenciómetro de 10 kΩ (cursor a la salida) para crear una fuente de voltaje variable de 0 V a 9 V.
  2. Salida con búfer: Conecte el nodo VOUT a un amplificador operacional configurado como seguidor de voltaje para manejar cargas como LED sin que caiga el voltaje.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito divisor de voltaje descrito?




Pregunta 2: ¿Qué componentes fundamentales se utilizan para crear este circuito?




Pregunta 3: Según el texto, ¿cuál es una aplicación útil de este circuito para sensores?




Pregunta 4: Si el voltaje de entrada (Vin) es de 9 V y se espera un Vout de 4.5 V, ¿qué relación tienen las resistencias?




Pregunta 5: ¿Qué fórmula general describe el comportamiento del voltaje de salida (Vout) en un divisor de voltaje?




Pregunta 6: ¿Qué se espera que ocurra con la corriente en este circuito?




Pregunta 7: ¿Para qué nivel de habilidad está diseñado este caso práctico?




Pregunta 8: ¿Dónde se debe medir el voltaje de salida (Vout) en este circuito?




Pregunta 9: ¿Qué utilidad tiene este circuito en relación con los transistores?




Pregunta 10: ¿Qué voltaje de entrada (Vin) se utiliza en el ejemplo práctico del texto?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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