¿Desventajas de usar resistencias grandes en un divisor de voltaje?

Question

¡Pregunta de dos partes! Estoy construyendo una carga ficticia de audio que presenta un resistor de 300W, 1% no inductivo de 8 ohmios. Este está conectado a los terminales del altavoz de un amplificador en prueba. Además, me gustaría medir a través del resistor (usando un conector hembra BNC para agregar un osciloscopio) y tener un interruptor que cambie un divisor de voltaje 10:1, para compensar voltajes más altos que mi osciloscopio puede no poder manejar (igual que el ajuste 10X en una sonda de osciloscopio). Mi circuito se ve algo así:

1. Me doy cuenta de que usar resistores de bajo valor para R1 y R2 significaría menos corriente pasando a través de la carga, por lo que valores altos son preferibles para no interferir con las mediciones. ¿Cuáles son los pros y los contras de usar resistores de menor o mayor valor aquí? ¿Por qué no optar por valores mucho más altos, como 360k y 40k, para una mayor precisión de medición?

2. ¿Qué tan cuidadoso debo ser con las clasificaciones de potencia de R1 y R2? ¿Es correcto suponer que con los valores que tengo actualmente, la proporción de corriente que pasa a través de las ramas paralelas es tan pequeña que incluso resistores de 1/4W apenas se verían afectados?

Answer 1

La capacitancia de tu cable formará un filtro paso bajo RC con los resistores. Con valores tan altos, deberías verificar si aún tienes el ancho de banda que necesitas.

Observa la capacitancia del cable en pF/m en la documentación del cable. Si no lo tienes, elige una hoja de datos de un cable de diámetro e impedancia similares.

En frecuencias de audio, la coincidencia de impedancia no será un problema, por lo que lo más probable es que no sea necesario tener esto en cuenta.

Olvidé mencionar: si el dispositivo de medición en el otro extremo del cable tiene corriente de ruido de entrada (es decir, no un osciloscopio, sino digamos, un amplificador operacional BJT) entonces los resistores de alto valor aumentarán el ruido. Pero los resistores de alto valor también simplifican mucho la protección de entrada, ya que limitarán la corriente...

Nota que si deseas una atenuación de 1:10, ¿por qué no usas la sonda 1:10 de tu osciloscopio?

Answer 2

La sonda de un osciloscopio tiene una pequeña capacitancia.

Tener una impedancia super alta en lo que estás midiendo significará que la señal se degradará porque no podrá fuente o extraer suficiente corriente para cargar y descargar el capacitor.

También ten en cuenta que los resistores en el divisor tienen una clasificación de precisión del 1%. Por lo tanto, utilizar resistencias de mayor valor no ayudará mucho.

La resistencia total sobre el divisor es 25000 veces mayor, por lo que la potencia nominal puede ser 25000 veces menor cuando se expone a los mismos voltajes: 300W/25000 < 1/4W

Answer 3

¿Cuáles son, si acaso, los pros y los contras de usar resistencias más pequeñas o de mayor valor aquí? ¿Por qué no optar por valores mucho más altos, como 360kΩ y 40kΩ, para una precisión de medición aún mayor?

La desventaja de usar resistencias de alto valor en un divisor de tensión es que aumenta la impedancia de salida y, por lo tanto, hace que la tensión de salida sea más sensible a la carga.

Vamos a calcular algunos números aproximados.

A frecuencias de audio podemos considerar un cable coaxial como un capacitor.

Tu divisor de tensión tiene una impedancia de salida de casi 20K.

Una entrada de osciloscopio en modo hi-z suele tener una impedancia de entrada de 1 Megohm en paralelo con unos pocos picofaradios. El cable coaxial RG58 tiene una capacitancia de alrededor de 100pF por metro. Digamos que tienes un par de metros de cable y alrededor de 250pF en total para cable, osciloscopio, trazas de PCB, etc.

Por lo tanto, primero veamos el caso de corriente continua. Una impedancia de 20K que conduce una carga de 1 Megohm da un error de ganancia de alrededor del 2%.

¿Y en frecuencias más altas? la impedancia de salida de tu divisor de tensión forma un filtro RC con la capacitancia del cable/osciloscopio. La frecuencia de corte de un filtro RC es

$$f_c=\frac{1}{2\pi R C}=\frac{1}{2\pi * 20 * 10^3 * 250 * 10^{-12}}=\frac{1}{\pi * 10^5 * 10^3 * 10^{-12}} = \frac{1}{\pi * 10^{-4}} \approx 3000$$

Eso es un poco bajo para trabajo de audio. Me gustaría reducir significativamente esos valores de resistencia para aumentar la frecuencia de corte. Por otro lado, no queremos reducirlos demasiado o nos encontraremos con problemas de disipación de potencia. Probablemente querremos resistencias aproximadamente 20 veces más pequeñas que tus valores para llevar la frecuencia de corte a alrededor de 60kHz.

Desafortunadamente, las resistencias de 9K no son un valor estándar, pero podemos formar una conectando una de 4.3K en serie con una de 4.7K.

Nota que las sondas de osciloscopio de 10x usan una resistencia de valor muy alto, sin embargo también utilizan capacitores de compensación que están ajustados para que coincidan con las características del cable y del osciloscopio, y en algunos casos cables especiales.

¿Qué tan cuidadoso debo ser en cuanto a las potencias nominales de R1 y R2? ¿Es correcto asumir que con los valores que tengo actualmente, la proporción de corriente que pasa a través de las ramas en paralelo es tan pequeña que ni siquiera resistencias de 1/4W se verían apenas afectadas?

Dijiste que compraste cuatro resistencias de 300W. No está claro para mí si planeas usarlas para construir cuatro circuitos de medición de amplificadores separados con una resistencia de 300W cada uno o un circuito de medición grande usando las cuatro. Vamos a asumir esto último por ahora.

Tu cadena de divisores tiene una resistencia de 200K que es 25000 veces la resistencia de la carga ficticia de 8 ohmios. Así que cuando 1200W está pasando a través de las resistencias de carga ficticia, 0.048W está pasando a través de la cadena de divisores. No hay problema.

La cadena que sugiero tiene una resistencia de 10K que es 1250 veces la resistencia de la carga ficticia de 8 ohmios. Así que cuando 1200W está pasando a través de la carga ficticia, 0.96W está pasando a través de la cadena de divisores. De esto, 0.4512W se disipa en la resistencia de 4.7K y menos en las otras resistencias.

Eso me parece un diseño viable. Las resistencias de película metálica de 0.6W están fácilmente disponibles y son bastante económicas.

Answer 4

Buenas respuestas publicadas aquí ya, pero yo agregaría...

Probablemente estarías mejor utilizando resistencias de .8R y 7.2R para tu carga ficticia, si puedes encontrar/hacerlas, y derivar ahí hacia tu interruptor.

O mejor utiliza algo activo para amortiguar/dividir la señal y minimizar el efecto de la conexión del osciloscopio en la salida del amplificador que estás probando.

Answer 5

Buenas respuestas pero tengo esto: 1. Conecta dos resistencias ficticias en serie para hacer 16 ohmios 2. De la misma manera para las dos restantes 3. Conecta estos circuitos en serie en paralelo al amplificador para hacer una carga ficticia total de 8 ohmios 4. Ahora puedes medir de forma segura conectando el osciloscopio entre las dos intersecciones de los circuitos en serie de 16 ohmios 5. Ahora estás utilizando un circuito puente de resistencia de alta potencia principalmente utilizado en amplificadores de instrumentación: -- midiendo la diferencia de voltaje -- y milivoltios si la tolerancia de las resistencias es la especificada.
¡Atención: el osciloscopio no debe estar conectado a tierra!