Una opción económica para convertir los parámetros básicos de la corriente eléctrica son los divisores de tensión. Un dispositivo de este tipo es fácil de fabricar por uno mismo, pero para ello hay que conocer la finalidad, los casos de uso, el principio de funcionamiento y ejemplos de cálculos.
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Designación y uso
Un transformador sirve para transformar las tensiones alternas de manera que se pueda almacenar un valor de corriente suficientemente alto. Si se van a añadir al circuito cargas con bajo consumo de corriente (hasta cientos de mA), no sería adecuado un convertidor de tensión de transformador (U).
En estos casos, se puede utilizar un simple divisor de tensión (DN), que cuesta bastante menos. Una vez obtenido el valor deseado de U, se rectifica y se suministra la energía al consumidor. Si es necesario, hay que utilizar una etapa de salida de potencia para aumentar la corriente (I). Además, también existen divisores de U constante, pero estos modelos son menos utilizados.
Los DN se utilizan a menudo para cargar diversos dispositivos en los que es necesario obtener valores U e intensidades más bajas para diferentes tipos de baterías a partir de 220 V. Además, es razonable utilizar los dispositivos U-sharing para crear instrumentos de medición eléctrica, tecnología informática, así como unidades de pulso de laboratorio y de alimentación ordinaria.
Principio de funcionamiento
Un divisor de tensión (DN) es un dispositivo en el que la salida U y la entrada U están interrelacionadas mediante un coeficiente de transferencia. El factor de transferencia es la relación de los valores U en la salida y la entrada del divisor. El circuito de un divisor de tensión es sencillo y consiste en una cadena de dos consumidores conectados en serie - elementos de radio (resistencias, condensadores o inductores). Se diferencian por sus características de salida.
Las principales magnitudes de la corriente alterna son la tensión, la corriente, la resistencia, la inductancia (L) y la capacitancia (C). Fórmulas para calcular los valores básicos de la electricidad (U, I, R, C, L) cuando los consumidores están conectados en serie:
- Los valores de resistencia se suman;
- Se añaden las tensiones;
- La corriente se calculará según la ley de Ohm para la sección del circuito: I = U / R;
- Las inductancias se suman;
- La capacitancia de toda la cadena de condensadores: C = (C1 * C2 * ... * Cn) / (C1 + C2 + ... + Cn).
El principio de las resistencias conectadas en serie se utiliza para hacer una simple resistencia DN. El circuito puede dividirse convencionalmente en 2 brazos. El primer brazo es el superior y está entre la entrada y el punto cero del DN, y el segundo brazo es el inferior, del que se toma la U de salida.
La suma de las U de estos brazos es igual al valor resultante de la U entrante. Los DN pueden ser de tipo lineal y no lineal. Los dispositivos lineales son los que tienen una salida U que varía linealmente con el valor de entrada. Se utilizan para establecer la U correcta en diferentes partes de los circuitos. Los no lineales se utilizan en los potenciómetros funcionales. Su resistencia puede ser activa, reactiva y capacitiva.
Además, un DN también puede ser capacitivo. Utiliza una cadena de 2 condensadores conectados en serie.
Su principio de funcionamiento se basa en la componente reactiva de la resistencia de los condensadores en un circuito de componente variable. Un condensador no sólo tiene características capacitivas sino también una resistencia Xc. Esta resistencia se llama capacitancia, depende de la frecuencia de la corriente y se determina mediante la fórmula: Xc = (1 / C) * w = w / C, donde w es la frecuencia cíclica, C es el valor del condensador.
La frecuencia cíclica se calcula mediante la fórmula: w = 2 * PI * f, donde PI = 3,1416 y f es la frecuencia de CA.
El tipo de condensador, o capacitivo, permite corrientes relativamente más altas que las de los dispositivos resistivos. Se utiliza ampliamente en circuitos de alta tensión en los que el valor U debe reducirse varias veces. Además, tiene la importante ventaja de no sobrecalentarse.
El tipo inductivo se basa en el principio de la inducción electromagnética en los circuitos de corriente alterna. La corriente fluye a través de un solenoide, cuya resistencia depende de L y se llama inductiva. Su valor es directamente proporcional a la frecuencia de la corriente alterna: Xl = w * L, donde L es el valor de la inductancia del circuito o bobina.
Un DN inductivo sólo funciona en circuitos con una corriente que tiene una componente variable, y tiene una resistencia inductiva (Xl).
Ventajas y desventajas
Las principales desventajas de los DN resistivos son que no pueden utilizarse en circuitos de alta frecuencia, la considerable caída de tensión a través de las resistencias y la reducción de la potencia. En algunos circuitos es necesario seleccionar la potencia de las resistencias, porque se produce un calentamiento considerable.
En la mayoría de los circuitos de CA se utilizan DN de carga activa (resistiva), pero con condensadores de compensación conectados en paralelo a cada una de las resistencias. Este enfoque reduce el calentamiento, pero no elimina el principal inconveniente, que es la pérdida de potencia. Una ventaja es el uso en circuitos de corriente continua.
Los elementos activos (resistencias) deben ser sustituidos por elementos capacitivos para eliminar la pérdida de potencia en un DN resistivo. Un elemento capacitivo tiene varias ventajas sobre un DN resistivo:
- Se utiliza en los circuitos de corriente alterna;
- No hay sobrecalentamiento;
- La pérdida de potencia se reduce, ya que el condensador no tiene potencia, a diferencia de una resistencia;
- Puede utilizarse en fuentes de alimentación de alta tensión;
- Alta eficiencia;
- Pérdida I más baja.
El inconveniente es que no puede utilizarse en circuitos de U constante. Esto se debe a que el condensador en los circuitos de CC no tiene capacitancia, sino que sólo actúa como condensador.
Un DN inductivo en circuitos de CA también tiene una serie de ventajas, pero también puede utilizarse en circuitos de U constante. Una bobina inductora tiene una resistencia, pero debido a la inductancia, esta opción no es adecuada porque hay una caída importante de U. Las principales ventajas sobre el tipo resistivo de DN:
- Aplicación en redes con U variable;
- Calentamiento de elementos menores;
- Menos pérdidas de energía en los circuitos de CA;
- Eficiencia comparativamente alta (mayor que la capacitiva);
- Uso en equipos de medición de alta precisión;
- Menor inexactitud;
- La carga conectada a la salida del divisor no afecta al factor de división;
- La pérdida de corriente es menor que la de los divisores capacitivos.
Las desventajas son las siguientes:
- El uso de DC U en las redes de suministro de energía da lugar a importantes pérdidas de corriente. Además, la tensión cae drásticamente debido al consumo de energía eléctrica para la inductancia.
- La respuesta en frecuencia de la señal de salida (sin el uso de un puente rectificador y un filtro) varía.
- No es adecuado para circuitos de CA de alta tensión.
Cálculo del divisor de tensión con resistencias, condensadores e inductores
Después de seleccionar el tipo de divisor de tensión hay que utilizar las fórmulas para calcular. Un cálculo incorrecto puede quemar el propio aparato, la etapa de salida amplificadora de corriente y el consumidor. Las consecuencias de un cálculo incorrecto pueden ser peores que el fallo de los componentes de la radio: un incendio como resultado de un cortocircuito y la electrocución.
Al calcular y montar el circuito, deben respetarse claramente las normas de seguridad, comprobar el correcto montaje del aparato antes de encenderlo y no probarlo en una habitación húmeda (aumenta la posibilidad de electrocución). La ley básica utilizada en los cálculos es la ley de Ohm para una sección de circuito. Su formulación es la siguiente: la corriente es directamente proporcional a la tensión en una sección del circuito e inversamente proporcional a la resistencia de dicha sección. La entrada en forma de fórmula es la siguiente: I = U / R.
Algoritmo para calcular un divisor de tensión con resistencias:
- Tensión total: Upit = U1 + U2, donde U1 y U2 son los valores de U en cada una de las resistencias.
- Tensiones en las resistencias: U1 = I * R1 y U2 = I * R2.
- Upit = I * (R1 + R2).
- Corriente en vacío: I = U / (R1 + R2).
- La caída en U de cada resistencia: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * U pi y U2 = (R2 / (R1 + R2)) * Upit.
Los valores de R1 y R2 deben ser 2 veces inferiores a la resistencia de la carga.
Para calcular el divisor de tensión en los condensadores, se pueden utilizar las siguientes fórmulas: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Upit y U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Upit.
Fórmulas similares para calcular el DN en las inductancias: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Upit y U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Upit.
Los divisores se utilizan en la mayoría de los casos con un puente de diodos y un estabilitrón. Un estabilitrón es un dispositivo semiconductor que actúa como estabilizador de U. Los diodos deben seleccionarse con una U inversa superior a la U permitida en este circuito. El estabilitrón debe seleccionarse de acuerdo con el libro de referencia para el valor requerido de la tensión de estabilización. Además, hay que incluir una resistencia delante en el circuito, ya que sin ella el dispositivo semiconductor se quemará.
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