Qué valores para el divisor de tensión

Question

Acabo de aprender sobre los divisores de tensión y cómo calcular los valores relativos de las resistencias a utilizar. Por ejemplo, para pasar de 5v a 3,3v podría utilizar una resistencia de 1 kohm y otra de 2 kohm. Sin embargo, también podría usar una de 100 ohmios y otra de 200 ohmios, o de 15 y 30 ohmios o, por lo que sé, dos valores cualesquiera con los valores relativos correctos. Sin embargo, creo que hay ventajas y desventajas de los diferentes valores absolutos de las resistencias.

Así que mi pregunta es, ¿cómo puedo decidir qué valores específicos utilizar?

Answer 1

La mejor manera de ver las diferencias es utilizar el equivalente de Thevenin para un divisor de resistencias establecido entre dos fuentes de tensión ideales (sin resistencia propia). A menudo, esto es sólo un poco de tensión de alimentación y tierra.

Veamos el caso más evidente:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

El lado izquierdo tiene un divisor de resistencias entre una fuente de tensión ideal y tierra y, sin ninguna carga colgando de $V_\text{OUT}$ (sólo está abierto, como se puede ver), la tensión es fácil de calcular como $V_\text{OUT}=V_\text{IN}\cdot\frac{R_2}{R_1+R_2}$ . Sin embargo, lo que falta en ese simple cálculo es el hecho de que $V_\text{OUT}$ ya no es ideal . Ahora tiene una resistencia en la fuente que hace que no sea ideal. Esto se debe a que cualquier corriente requerida por una carga (actualmente no presente) conectada entre $V_\text{OUT}$ y tierra debe causar una caída de tensión adicional a través de $R_1$ y eso cambia la tensión que experimenta la carga. Así que, de nuevo, $V_\text{OUT}$ ya no es ideal .

La efectiva, la no-idealidad de $V_\text{OUT}$ se expresa estableciendo en primer lugar un $V_\text{TH}$ que es igual a la de la carga $V_\text{OUT}$ y luego insertar una resistencia en serie entre esta ficticia $V_\text{TH}$ y $V_\text{OUT}$ . Esto se muestra en el lado derecho, arriba. Esta resistencia que representa la no idealidad de la fuente de tensión es $R_\text{TH}=\frac{R_1\cdot R_2}{R_1+R_2}$ .

El resultado de todo esto es que ahora tienes una forma más sencilla de ver el divisor de resistencias y puedes ver fácilmente cómo no ideal es simplemente examinando el valor de $R_\text{TH}$ . Cuanto más se acerque este valor a cero, más ideal será la fuente de tensión. Pero el precio que se paga por acercarse a cero es una disipación de potencia rápidamente creciente desperdiciada en el propio divisor de resistencia.

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Para generalizar completamente lo anterior, veamos un divisor de resistencias que se sitúa entre dos fuentes de tensión ideales diferentes, donde una de ellas NO es cero voltios. (Eso es sólo un punto de referencia arbitrario, de todos modos).

simular este circuito

La única diferencia es que ahora ambas tensiones pueden ser distintas de cero. En este caso, el único cálculo nuevo es la versión más general: $V_\text{TH}=\frac{V_\text{B}\cdot R_1+V_\text{A}\cdot R_2}{R_1+R_2}$ . Eso se reduce a la ecuación que di antes, arriba, cuando $V_\text{B}=0\:\text{V}$ .

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La elección de los valores de las resistencias dependerá de la gama de impedancias de carga que se quiera permitir conectar a $V_\text{OUT}$ y cuánta variación de voltaje pueden tolerar sus cargas.

Por ejemplo, supongamos que tenemos una barra de alimentación de $5\:\text{V}$ y quiero utilizar un divisor de tensión para crear una fuente de tensión en $3.3\:\text{V}$ . Supongamos también que la corriente máxima requerida por el dispositivo que se va a conectar a $V_\text{OUT}$ es $10\:\text{mA}$ . Supongamos que el dispositivo no debe experimentar más de $3.6\:\text{V}$ ni menos de $3.1\:\text{V}$ o no funcionará correctamente. Y, por último, que la corriente mínima en el peor de los casos que requiere el dispositivo es $100\:\mu\text{A}$ .

Dadas estas especificaciones, queremos un caso peor $\Delta V=3.6\:\text{V}-3.1\:\text{V}=500\:\text{mV}$ con una variación de corriente en el peor de los casos de $\Delta I=10\:\text{mA}-100\:\mu\text{A}=9.9\:\text{mA}$ . Esto sugiere una impedancia efectiva de la fuente de $R_\text{TH}=R_\text{SRC}=\frac{500\:\text{mV}}{9.9\:\text{mA}}\approx 50.5\:\Omega$ .

Ahora tienes dos ecuaciones y dos incógnitas:

$$\begin{align*} 50.5\:\Omega &= \frac{R_1\cdot R_2}{R_1+R_2}\\\\ 5\:\text{V}\cdot\frac{R_2}{R_1+R_2} &=3.6\:\text{V}+100\:\mu\text{A}\cdot 50.5\:\Omega \end{align*}$$

A grandes rasgos, necesitarías $R_1\approx 70\:\Omega$ y $R_2\approx 181\:\Omega$ . Tenga en cuenta que sólo el funcionamiento de este divisor requiere $\frac{\left(5\:\text{V}\right)^2}{70\:\Omega+181\:\Omega}\approx 100\:\text{mW}$ . (También hay que tener en cuenta que el voltaje de salida (si el dispositivo no consumiera nada de corriente) podría alcanzar unos $5\frac12 \:\text{mV}$ por encima del máximo $3.6\:\text{mV}$ especificación. Lo cual puede ser aceptable.

Answer 2

Los divisores de tensión son un conjunto de compensaciones. El divisor de tensión de retroalimentación en un LDO de 1uA(máx) de Idd tendrá 10.000.000 de resistencias de ohmios; éstas son casi 1.000X más ruidosas que las resistencias de 50 ohmios utilizadas en los circuitos de radio de alta sensibilidad; no es conveniente utilizar un LDO de este tipo para proporcionar VDD a un oscilador local (o a un sintetizador de frecuencias de selección de canales) para una radio, ni para el circuito amplificador de un micrófono sin electretos, porque un LDO de este tipo tendrá un ruido aleatorio de casi 1milliVolt pico-pico en la salida regulada. Pero ese LDO de 1uA sólo consume ----- 1uA o menos, simplemente sentado en su circuito, y algunos de esos LDOs incluyen un pin de "reposo" que permite a la MCU gestionar el uso de energía.

Si se desea una tensión regulada más "silenciosa", las resistencias del divisor de tensión deben ser sustancialmente baja en valor para reducir el ruido aleatorio de los electrones (Boltzmann, Johnson, Nyquist); los valores más bajos de las resistencias (de nuevo, en el divisor de realimentación) permiten un ancho de banda de realimentación mucho mayor y los 60Hz y los armónicos se suprimen mucho mejor a cambio de una Iddq 100x o 1.000x mayor del LDO.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Uno de los problemas de las resistencias es la distorsión por calentamiento térmico a bajas frecuencias, ya que el elemento resistivo (carbono/arcilla a granel, en el caso de las resistencias de AllenBradley; una fina película metálica alrededor del núcleo cerámico, en el caso de muchas otras resistencias) tiene tiempo para calentarse y luego enfriarse. El coeficiente de temperatura, tal vez 100 ppm/grado centígrado, y la resistencia térmica (la lámina de PCB tiene 70 grados centígrados por vatio por cuadrado de lámina, así que suponga 200 grados centígrados por vatio para una resistencia), produce 00 * 200 = 20.000 ppm por vatio o un 2% de resistencia delta por vatio. Este cambio de valor provoca una distorsión del 2º armónico (si está equilibrado en torno a cero) y del 3º armónico (si no está equilibrado).

Walt Jung, de ADI, aborda esta cuestión en los divisores de tensión de retroalimentación de los amplificadores de audio. Sugiere utilizar RESISTENCIAS GRANDES (físicamente GRANDES) en la red de realimentación, para que las constantes de tiempo sean muy bajas.

El resultado es la conversión ascendente de los tonos bajos, para que aparezcan como modulación AM de los tonos más altos.

Para orientar su pensamiento sobre la resistencia-distorsión térmica, he estimado que una resistencia de 100Kohm ---- cubo de 1mm ---- tiene un IP2 de 1.000 voltios.

Como han señalado otras personas al responder a otras preguntas (¿Dave Tweed?), algunas resistencias de matriz resistiva de partículas granulares tienen un comportamiento de ruido de disparo a bajas frecuencias; este ruido es proporcional a sqrt(corriente); las resistencias de película metálica a granel no muestran esto EXCESO ruido, que tiene fama de mostrar un espectro de potencia 1/F. He leído sobre el "Principio de exclusión de Pauli" como explicación, pero eso es un comportamiento cuántico.

Answer 3

Es un compromiso: entre la estabilidad y el derroche de energía..

Cuando conectas dos resistencias a través de tu fuente de alimentación, fluye una corriente a través de ellas. Esta corriente no hace nada más que calentar esas resistencias; es esencialmente desperdiciada. Por eso es conveniente que las resistencias sean lo más altas posible, para que se desperdicie menos energía.

Si estás creando un divisor de tensión, es de suponer que quieres conectar algo al punto medio, que ve la tensión creada. Ese objeto tendrá cierta resistencia o, de lo contrario, consumirá algo de corriente. El consumo de esa corriente perturbará la tensión establecida por el divisor de tensión. Cuanto mayor sea esa corriente, en comparación con la que fluye por las resistencias, peor será el efecto.

Por lo tanto, se desea que la corriente a través de las dos resistencias sea lo más baja posible, con la limitación de que la corriente consumida por la carga debe ser sólo un pequeño fragmento de la corriente a través de las resistencias.

Tenga en cuenta que si la carga es realmente una resistencia fija, entonces no tiene sentido utilizar dos resistencias como divisor de tensión. Utiliza la propia carga como una de las resistencias.

Answer 4

Los valores de las resistencias dependen de la cantidad de corriente que quieras que fluya.

Para 5 V:

R = 1kOhm + 2kOhm = 3 kOhm -> I = U/R = 1,67 mA

R = 100 Ohm + 200 Ohm = 300 Ohm -> I = 16,67 mA

Normalmente se utilizan los divisores de tensión para una referencia de tensión y no como fuente de alimentación porque la tensión depende mucho de la carga y las resistencias también disipan energía.