Un diviseur de tension est utile pour diviser la tension en différents niveaux de tension à partir d’une source de tension commune. Cette source de tension peut être une source positive ou négative unique. Par exemple, +5V, +12V, -5V ou -12V, etc., par rapport à une certaine masse ou nœud commun, généralement 0V. Ou nous pourrions produire un réseau de diviseur de tension à partir d’une alimentation à double tension. Par exemple, ±5V ou ±12V, etc. Mais qu’est-ce qu’un circuit diviseur de tension et comment fonctionne-t-il ?

Les diviseurs de tension sont également connus sous le nom de diviseurs de potentiel, car l’unité de tension, le “Volt”, représente la quantité de différence de potentiel entre deux points. Un diviseur de tension ou de potentiel est un circuit passif simple qui tire parti de l’effet des tensions chutant à travers des composants connectés en série pour produire une tension qui est une fraction fixe de la tension source.

Le potentiomètre, qui est un résistor variable avec un contact glissant, est l’exemple le plus basique d’un diviseur de tension, car nous pouvons appliquer une tension à ses bornes et produire une tension de sortie proportionnelle à la position mécanique de son contact glissant. Mais nous pouvons également fabriquer des diviseurs de tension en utilisant des résistances, des condensateurs et des inducteurs individuels, car ce sont des composants à deux bornes qui peuvent être connectés ensemble en série.

Règle du Diviseur de Tension

La forme la plus simple, la plus facile à comprendre et la plus basique d’un réseau passif de diviseur de tension est celle de deux résistances connectées ensemble en série. Cette combinaison de base nous permet d’utiliser la règle du diviseur de tension pour calculer les chutes de tension à travers chaque résistance en série.

Circuit Diviseur de Tension

Ici, le circuit consiste en deux résistances connectées ensemble en série : R₁ et R₂. Comme les deux résistances sont connectées en série, il doit en résulter que la même valeur de courant électrique doit circuler à travers chaque élément résistif du circuit, car il n’a nulle part ailleurs où aller. Ainsi, cela fournit une chute de tension I*R à travers chaque élément résistif.

Avec une tension d’alimentation ou de source, V_S, appliquée à cette combinaison en série, nous pouvons appliquer la loi des tensions de Kirchhoff (KVL) et également utiliser la loi d’Ohm pour trouver la tension chutée à travers chaque résistance dérivée en fonction du courant commun, I, qui circule à travers elles.

Donc, résoudre pour le courant (I) circulant dans le réseau en série nous donne :

Le courant circulant à travers le réseau en série est simplement I = V/R selon la loi d’Ohm. Comme le courant est commun aux deux résistances, (I_R1 = I_R2), nous pouvons calculer la tension chutée à travers la résistance, R₂, dans le circuit en série ci-dessus comme étant :

Formule du Diviseur de Tension

De même pour la résistance R₁ comme étant :

Exemple de Règle du Diviseur de Tension N°1

Quel courant circulera à travers une résistance de 20Ω connectée en série avec une résistance de 40Ω lorsque la tension d’alimentation à travers la combinaison en série est de 12 volts DC. Calculez également la chute de tension produite à travers chaque résistance.

Chaque résistance fournit une chute de tension I*R qui est proportionnellement égale à sa valeur résistive par rapport à la tension d’alimentation. En utilisant la règle du rapport de diviseur de tension, nous pouvons voir que la plus grande résistance produit la plus grande chute de tension I*R. Ainsi, R₁ = 4V et R₂ = 8V. L’application de la loi des tensions de Kirchhoff montre que la somme des chutes de tension dans le circuit résistif est exactement égale à la tension d’alimentation, soit 4V + 8V = 12V.

Notez que si nous utilisons deux résistances de valeur égale, c’est-à-dire R₁ = R₂, alors la tension chutée à travers chaque résistance serait exactement la moitié de la tension d’alimentation pour deux résistances en série car le ratio de diviseur de tension serait égal à 50%.

Une autre utilisation d’un réseau de diviseur de tension est de produire une tension de sortie variable. Si nous remplaçons la résistance R₂ par un résistor variable (potentiomètre), alors la tension chutée à travers R₂ et donc V_OUT peut être contrôlée par un montant dépendant de la position du balai du potentiomètre et donc du rapport des deux valeurs résistives, car nous avons une résistance fixe et une résistance variable. Les potentiomètres, les trimmers, les rhéostats et les varis sont tous des exemples de dispositifs de division de tension variable.

Nous pourrions également aller un pas plus loin avec cette idée de division de tension variable en remplaçant la résistance fixe R₂ par un capteur tel qu’un résistor dépendant de la lumière, ou LDR. Ainsi, à mesure que la valeur résistive du capteur change avec les variations des niveaux de lumière, la tension de sortie V_OUT change également proportionnellement. Les thermistances et les jauges de contrainte sont d’autres exemples de capteurs résistifs.

Étant donné que les deux expressions de division de tension ci-dessus concernent le même courant commun, mathématiquement, elles doivent donc être liées entre elles. Ainsi, pour tout nombre de résistances individuelles formant un réseau en série, la tension chutée à travers une résistance donnée est donnée par :

Équation du Diviseur de Tension

Où : V_R(x) est la chute de tension à travers la résistance, R_X est la valeur de la résistance, et R_T est la résistance totale du réseau en série. Cette équation de diviseur de tension peut être utilisée pour n’importe quel nombre de résistances en série connectées ensemble en raison de la relation proportionnelle entre chaque résistance R et sa chute de tension correspondante V.

Notez cependant que cette équation est donnée pour un réseau de diviseur de tension non chargé, sans aucune charge résistive supplémentaire connectée ou avec des courants de branche parallèle.

Exemples de Diviseur de Tension N°2

Trois éléments résistifs de 6kΩ, 12kΩ et 18kΩ sont connectés ensemble en série à travers une alimentation de 36 volts. Calculez la résistance totale, la valeur du courant circulant dans le circuit, et les chutes de tension à travers chaque résistance.

Données fournies : V_S = 36 volts, R₁ = 6kΩ, R₂ = 12kΩ et R₃ = 18kΩ

Circuit Diviseur de Tension

Les chutes de tension à travers les trois résistances devraient s’additionner pour égaler la tension d’alimentation comme défini par la loi des tensions de Kirchhoff (KVL). Ainsi, la somme des chutes de tension est : V_T = 6 V + 12 V + 18 V = 36.0 V, la même valeur que la tension d’alimentation, V_S, et donc c’est correct. Encore une fois, remarquez que la plus grande résistance produit la plus grande chute de tension.

Points de Tappage dans un Réseau de Diviseur de Tension

Considérez une longue série de résistances connectées à une source de tension, V_S. Le long du réseau en série, il y a différents points de tappage de tension, A, B, C, D, et E.

La résistance série totale peut être trouvée en ajoutant simplement les valeurs de résistance individuelles de série, donnant une valeur totale de résistance, R_T de 15kΩ. Cette valeur résistive limitera le flux de courant à travers le circuit produit par la tension d’alimentation, V_S.

Les chutes de tension individuelles à travers les résistances sont trouvées en utilisant les équations ci-dessus, ainsi V_R1 = V_AB, V_R2 = V_BC, V_R3 = V_CD, et V_R4 = V_DE.

Les niveaux de tension à chaque point de tappage sont mesurés par rapport à la terre (0V). Ainsi, le niveau de tension au point D sera égal à V_DE, et le niveau de tension au point C sera égal à V_CD + V_DE. En d’autres termes, la tension au point C est la somme des deux chutes de tension à travers R₃ et R₄.

Nous pouvons donc espérer voir qu’en choisissant un ensemble approprié de valeurs résistives, nous pouvons produire une séquence de chutes de tension qui aura une valeur de tension proportionnelle obtenue à partir d’une seule source de tension. Notez également que dans cet exemple, chaque point de sortie de tension sera positif, car la borne négative de la source de tension, V_S, est mise à la terre.

Exemple de Diviseur de Tension N°3

1. Calculez la tension de sortie à vide pour chaque point de tappage du circuit diviseur de tension ci-dessus si le réseau résistif en série est connecté à une alimentation de 15 volts DC.

2. Calculez la tension de sortie à vide entre les points B et E.

Un Diviseur de Tension Négatif et Positif

Dans le simple circuit diviseur de tension ci-dessus, toutes les tensions de sortie sont référencées à partir d’un point de terre commun de zéro volt, mais parfois, il est nécessaire de produire à la fois des tensions positives et négatives à partir d’une alimentation de tension unique. Par exemple, les différents niveaux de tension d’un PSU informatique, -12V, +3.3V, +5V et +12V, par rapport à une borne de référence terrestre commune.

Exemple de Diviseur de Tension N°4

En utilisant la loi d’Ohm, trouvez les valeurs des résistances R₁, R₂, R₃ et R₄ nécessaires pour produire les niveaux de tension de -12V, +3.3V, +5V et +12V si la puissance totale fournie au circuit diviseur de tension non chargé est de 24 volts DC, 60 watts.

Dans cet exemple, le point de référence terrestre de zéro volt a été déplacé pour produire les tensions positives et négatives requises, tout en maintenant le réseau de diviseur de tension à travers l’alimentation. Ainsi, les quatre tensions sont toutes mesurées par rapport à ce point de référence commun, ce qui signifie que le point D se trouve à la tension négative requise de -12V par rapport à la terre.

Nous avons vu jusqu’à présent que les circuits résistifs en série peuvent être utilisés pour créer un diviseur de tension, ou un réseau de diviseur de potentiel qui peut être largement utilisé dans les circuits électroniques. En sélectionnant des valeurs appropriées pour les résistances en série, n’importe quelle valeur de tension de sortie peut être obtenue, qui est inférieure à la tension d’entrée ou d’alimentation.

Mais en plus d’utiliser des résistances et une tension d’alimentation DC pour créer un réseau de diviseur de tension résistif, nous pouvons également utiliser des condensateurs (C) et des inducteurs (L), mais avec une alimentation CA sinusoïdale, car les condensateurs et inducteurs sont des composants réactifs, ce qui signifie que leur résistance “réagit” contre le flux de courant électrique.

Diviseurs de Tension Capacitif

Comme son nom l’indique, les circuits de diviseur de tension capacitif produisent des chutes de tension à travers des condensateurs connectés en série à une alimentation CA commune. En général, les diviseurs de tension capacitif sont utilisés pour “réduire” des tensions très élevées afin de fournir un signal de sortie de faible tension qui pourra ensuite être utilisé pour la protection ou la mesure. De nos jours, les diviseurs de tension capacitif à haute fréquence sont davantage utilisés dans les dispositifs d’affichage et les technologies d’écran tactile trouvées dans les téléphones mobiles et les tablettes.

Contrairement aux circuits de diviseur de tension résistif qui fonctionnent sur des alimentations CA et CC, la division de tension utilisant des condensateurs n’est possible qu’avec une alimentation CA sinusoïdale. Cela est dû au fait que la division de tension entre des condensateurs connectés en série est calculée en utilisant la réactance des condensateurs, X_C, qui dépend de la fréquence de l’alimentation CA.

Nous nous souvenons de nos tutoriels concernant les condensateurs dans les circuits CA, que la réactance capacitive, X_C (mesurée en Ohms) est inversement proportionnelle à la fois à la fréquence et à la capacité, et est donc donnée par l’équation suivante :

Formule de Réactance Capacitive

• Où :
•    X_C = Réactance capacitive en Ohms (Ω)
•    π (pi) = une constante numérique de 3,142
•    ƒ = Fréquence en Hertz (Hz)
•    C = Capacité en Farads (F)

Par conséquent, en connaissant la tension et la fréquence de l’alimentation CA, nous pouvons calculer les réactances des condensateurs individuels, les substituer dans l’équation ci-dessus pour la règle du diviseur de tension résistif, et obtenir les chutes de tension correspondantes à travers chaque condensateur comme montré.

Diviseur de Tension Capacitif

En utilisant les deux condensateurs de 10uF et 22uF dans le circuit en série ci-dessus, nous pouvons calculer les chutes de tension RMS à travers chaque condensateur en termes de leur réactance lorsqu’ils sont connectés à une alimentation RMS de 100 volts, 50Hz.

Lorsque des condensateurs purs sont utilisés, la somme de toutes les chutes de tension en série égale la tension source, tout comme pour les résistances en série. Bien que la quantité de chute de tension à travers chaque condensateur soit proportionnelle à sa réactance, elle est inversement proportionnelle à sa capacité.

Par conséquent, le plus petit condensateur de 10uF a plus de réactance (318.3Ω), donc une plus grande chute de tension de 69 volts par rapport au plus grand condensateur de 22uF qui a une réactance de 144.7Ω et une chute de tension de 31 volts respectivement. Le courant dans le circuit en série, I_C, sera de 216mA, et sera la même valeur pour C₁ et C₂ car ils sont en série.

Un dernier point concernant les circuits de diviseur de tension capacitif est que tant qu’il n’y a pas de résistance en série, purement capacitif, les deux chutes de tension des condensateurs de 69 et 31 volts seront arithmétiquement égales à la tension d’alimentation de 100 volts, car les deux tensions produites par les condensateurs sont en phase les unes avec les autres. Si pour quelque raison que ce soit, les deux tensions sont hors phase l’une par rapport à l’autre, alors nous ne pouvons pas simplement les additionner comme nous le ferions en utilisant la loi de Kirchhoff, mais nous devrons plutôt effectuer une addition de phasors des deux formes d’onde.

Diviseurs de Tension Inductifs

Comme son nom l’indique, les diviseurs de tension inductifs créent des chutes de tension à travers des inducteurs ou des bobines connectées ensemble en série à une alimentation CA commune. Un diviseur de tension inductif peut consister en un seul enroulement ou bobine qui est divisé en deux sections dont la tension de sortie est prélevée à travers l’une des sections, ou à partir de deux bobines individuelles connectées ensemble. L’exemple le plus commun d’un diviseur de tension inductif est l’auto-transformateur avec plusieurs points de tappage le long de son enroulement secondaire.

Lorsqu’il est utilisé avec des alimentations CC en état stable ou avec des sinusoïdes ayant une fréquence très basse, proche de 0 Hz, les inducteurs agissent comme un court-circuit. Cela est dû à leur réactance qui est presque nulle, permettant à tout courant CC de passer facilement à travers eux, donc tout comme le précédent réseau de diviseur de tension capacitif, nous devons effectuer toute division de tension inductive en utilisant une alimentation CA sinusoïdale. La division de tension inductive entre des inducteurs connectés en série peut être calculée en utilisant la réactance des inducteurs, X_L, qui comme inductance capacitive, dépend de la fréquence de l’alimentation CA.

Dans les tutoriels sur les inducteurs dans les circuits CA, nous avons vu que la réactance inductive, X_L (également mesurée en Ohms) est proportionnelle à la fois à la fréquence et à l’inductance, donc toute augmentation de la fréquence d’alimentation augmente la réactance d’un inducteur. Ainsi, la réactance inductive est définie comme :

Formule de Réactance Inductive

• Où :
•    X_L = Réactance inductive en Ohms (Ω)
•    π (pi) = une constante numérique de 3,142
•    ƒ = Fréquence en Hertz (Hz)
•    L = Inductance en Henrys (H)

Si nous connaissons la tension et la fréquence de l’alimentation CA, nous pouvons calculer les réactances des deux inducteurs et les utiliser avec la règle de diviseur de tension pour obtenir les chutes de tension à travers chaque inducteur comme montré.

Diviseur de Tension Inductif

En utilisant les deux inducteurs de 10mH et 20mH dans le circuit en série ci-dessus, nous pouvons calculer les chutes de tension RMS à travers chaque inducteur en fonction de leur réactance lorsque connectés à une alimentation RMS de 60 volts, 200Hz.

Comme pour les circuits de division de tension résistif et capacitif précédents, la somme de toutes les chutes de tension en série à travers les inducteurs sera égale à la tension source, tant qu’il n’y a pas de résistances en série. Ce qui signifie un inducteur pur. La quantité de chute de tension à travers chaque inducteur est proportionnelle à sa réactance.

Le résultat est que le plus petit inducteur de 10mH a une réactance moindre (12.56Ω), entraînant donc une chute de tension de 30 volts par rapport au plus grand inducteur de 20mH qui a une réactance de 25.14Ω et une chute de tension de 40 volts respectivement. Le courant, I_L dans le circuit en série est de 1.6mA, et sera la même valeur pour L₁ et L₂ car ces deux inducteurs sont connectés en série.

Résumé de la Règle du Diviseur de Tension

Nous avons vu ici que le diviseur de tension, ou réseau est une configuration de circuit très commune et utile nous permettant de produire différents niveaux de tension à partir d’une seule alimentation de tension, éliminant ainsi le besoin d’avoir des alimentations séparées pour différentes parties d’un circuit fonctionnant à des niveaux de tension différents.

Comme son nom l’indique, un diviseur de tension ou diviseur de potentiel, “divise” une tension fixe en proportions précises utilisant des résistances, des condensateurs ou des inducteurs. Le circuit de diviseur de tension le plus basique et le plus couramment utilisé est celui de deux résistances de valeur fixe en série, mais un potentiomètre ou un rhéostat peut également être utilisé pour la division de tension simplement en ajustant sa position de balai.

Une application très courante d’un circuit diviseur de tension est de remplacer l’une des résistances de valeur fixe par un capteur. Les capteurs résistifs tels que les capteurs de lumière, les capteurs de température, les capteurs de pression et les jauges de contrainte, qui changent leur valeur résistive en réponse aux changements environnementaux, peuvent tous être utilisés dans un réseau de diviseur de tension pour fournir une tension de sortie analogique. Le polarisation des transistors bipolaires et des MOSFETs est également une application courante d’un diviseur de tension.