sábado, 7 de diciembre de 2013

Tutorial electrónica básica .02. Resistencias (fijas)

Parte 2. Las resistencias

Para qué sirve una resistencia
Tipos de resistencias
Características de una resistencia
Usos y aplicaciones
Valores normalizados. Código de colores
Resistencias en serie y en paralelo
Cómo comprobar una resistencia
Símbolo gráfico utilizado para las resistencias

Rincón de la Teoría: El efecto Joule

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Para qué sirve una resistencia 

La finalidad de un resistencia es oponerse al paso de la corriente eléctrica. Esa oposición será mayor o menor según su valor de resistencia, que viene expresado en ohmios. Se fabrican muchos valores de resistencia que van desde décimas de ohmio, prácticamente un conductor, hasta millones de ohmios, prácticamente un aislante.



La fracción de electricidad que la resistencia retiene no desaparece sino que se transforma en calor y se disipa en el aire merced al efecto Joule.



Tipos de resistencias.

En primer lugar, se pueden clasificar en dos tipos:
1) Fijas. Tienen un valor único.
2) Variables. Pueden regularse desde un mínimo hasta un valor dado.

En esta parte 2 nos ocuparemos de las resistencias fijas, dejando las variables para la siguiente parte.

Las resistencias fijas se dividen en dos grandes grupos:

1) Las de carbón. También las hay de película metálica y de película de óxido metálico. Son las mas usuales, y se utilizan hasta potencias de 2W en circuitos donde la corriente no es mucha. En la foto siguiente se puede apreciar una.


Resistencia de carbón

2) De metal vidriado, o vitrificadas. Se utilizan para potencias superiores, por lo que es fácil verlas en circuitos donde se manejan corrientes elevadas, tales como fuentes de alimentación, inversores y etapas finales de audio. Lo habitual es encontrarlas hasta 10W, aunque se fabrican de 50W e incluso más.


Resistencia vitrificada


Características principales

Las características que definen a una resistencia son dos:

1) Su valor óhmico. Es un número entre cero y varios millones. A veces viene impreso en la resistencia como tal número, aunque abreviado, especialmente en las resistencias vitrificadas. En las de carbón y película suele utilizarse el "código de colores" que veremos mas adelante.

2) Su potencia: Es el valor máximo de potencia que pueden disipar. Si se supera este valor, se acorta su vida y llegan a romperse. Este dato de la potencia no suele venir impreso en la resistencia, por lo que se debe deducir del tamaño de la propia resistencia.


Usos

Veamos tres usos:

1) Limitar la corriente
En el minuto 05:47 del vídeo (al final de este post) vamos a alimentar una lámpara de neón a 220v. Estas lámparas comienzan a lucir a partir de unos 90 voltios. Pero tienen la debilidad de que se destruyen porque la corriente que las atraviesa es excesiva... si no se limita. 

Una forma sencilla y económica de limitarla es poniendo una resistencia de 100K (cien mil ohmios) en serie con el neón. Esto impedirá que por el neón circule una corriente peligrosa, salvaguardándolo.

2) Divisor de tensión
Cuando se aplica una tensión a una resistencia aparece un voltaje entre sus terminales. Es lo que se conoce como caída de tensión. Esta es una cualidad propia de las resistencias. En realidad lo es de cualquier componente que ofrezca resistencia eléctrica, o sea...prácticamente todos. Muchas veces esta caída de tensión es indeseable. Sin embargo, este fenómeno a menudo se busca deliberadamente en las resistencias, con el montaje conocido como "divisor de tensión".

Si ponemos dos resistencias en serie y aplicamos tensión en ambos extremos de este montaje, aparecerá una tensión en el punto central, donde se unen las dos resistencias. Esa tensión dependerá del valor de las resistencias. En el vídeo, en el minuto 07:47 se pueden ver un par de pruebas con valores distintos de resistencia, y como era de esperar, se obtienen tensiones distintas en cada prueba.

3) Producir calor. Disipar calor.
Un ejemplo de aplicación es en el sistema de carga de baterías de los aerogeneradores o centrales eólicas de pequeño porte. Cuando las baterías se encuentran a plena carga, a falta de otro método mas eficaz, una solución para evitar seguir inyectando corriente a las baterías -y someterlas a esfuerzo inútilmente- es derivar la corriente producida a unas resistencias, que hacen que la electricidad excedente se convierta en calor.


Valores normalizados. Código de colores

Por razones de economía y logística no pueden fabricarse todos los valores posibles de resistencia. Hay varias tablas de valores aceptados internacionalmente, y los valores son discretos, en forma de "saltos".

Las resistencias se fabrican con un margen de error en su valor, y ese margen se conoce como tolerancia. Los valores de tolerancia mas comunes son los siguientes, de menos precisión a más:


20%, 10%, 5%, 2%, 1%

Por ejemplo, si una resistencia es de una tolerancia del 10% y es de 1000 ohmios, su valor real puede estar comprendido entre 900 y 1100 ohmios.

A cada una de estas tolerancias le corresponde una tabla de valores normalizados. Lógicamente, cuanto menor (mejor) tolerancia tenga, mayor es la gama de valores de dicha tabla.

Los valores disponibles para cada una de las tolerancias, en esta tabla:


Tabla de tolerancias y valores asociados



Vemos en la opción de tolerancia 10% (bastante común) los valores:
1,00,  1,20,  1,50,  1,80,  2,20,  2,70,  3,30,  3,90,  4,70,  5,60,  6,80 y 7,20 ohm. 

Para seguir con las decenas, sirven los mismos números pero corremos la coma a la derecha una posición y las dos primeras cifras significativas permanecen iguales: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 67 y 72

Para las centenas corremos la coma otra posición más a la derecha, y la serie quedaría así: 100, 120, 150, 180, 220, 270, 330, 390, 470, 560, 670 y 720

Para los miles añadimos un cero: 1000, 1200, 1500, 1800, 2200, 2700, 3300, 3900, 4700, 5600, 6700 y 7200

Y así sucesivamente hasta llegar al rango de los millones de ohmios:
1.000.000, 1.200.000, 1.500.000, 1.800.000, 2.200.000 ......

Es importante percatarse de que la cifra siempre contiene las mismas cifras iniciales significativas, y después, un número de ceros que puede ser desde ninguno, hasta cinco ceros. Digo cinco ceros porque no se fabrican resistencias de mas de unos pocos megaohmios.


Aquí tenéis el código de colores para las resistencias





El código de colores de una resistencia se debe interpretar así:

Primera banda de color   > Primera cifra significativa
Segunda banda de color > Segunda cifra significativa
Tercera banda de color   > Multiplicador (Número de ceros)
Cuarta banda de color    > Tolerancia

Ejemplo: Una resistencia con las siguientes cuatro bandas:

primera banda  : Marrón   > 1
segunda banda :Gris        > 8
tercera banda   : Naranja  > 3 (tres ceros)
cuarta banda    : Dorado  > tolerancia 5%

tendrá un valor de 18 + tres ceros = 18.000 ohmios (18K)
y una tolerancia del 5%

Acerca de las abreviaturas, la letra K significa "mil ohmios". 
Igual para la letra M que significa "un millón" pero se pronuncia "mega" 
en lugar de "M".

Ejemplos:

Resistencia                 Abreviatura 
--------------------    -------------
1.000 ohms                1K                    
1.800 ohms                1K8                 
4.700 ohms                4K7                 
22.000 ohms              22K                 
150.000 ohms            150K                             
330.000 ohms            330K                             
1.000.000 ohms         1M                                
1.200.000 ohms         1M2


Resistencias en serie y en paralelo

Habrá veces que necesitaremos una resistencia de un valor determinado y comprobamos que no disponemos de esa resistencia. Puede ser que no exista en el mercado ese valor, o sí existe, pero no lo tenemos en stock y no queremos esperar para ir a comprarlo.

Para salir del paso, podemos recurrir a montar varias resistencias en serie o en paralelo para obtener ese valor de resistencia.

Montaje de resistencias en SERIE:

Consiste en conectar las resistencias según el siguiente esquema.


Esquema básico resistencias en serie
La resistencia total (Rt) es igual a la suma de todas la resistencias individuales.
Si, por ejemplo, R1 es de 150 ohms y R2 es de 68 ohms, la resistencia total sería de 218 ohms.


Montaje de resistencias en PARALELO:

Se conectan según el esquema:


Ejemplo de montaje de resistencias en paralelo con R1 = 5K6 y R2= 8k2

La resultante se obtiene de la siguiente expresión





Es posible hacer un montaje mixto, uniendo grupos de resistencias tanto en serie como en paralelo.


Cómo saber si una resistencia está en buen estado

La forma mas rápida y fiable de medir una resistencia es mediante un polímetro o tester que nos dirá cuántos ohmios tiene. Comparando esa lectura con el valor impreso en la resistencia sabremos si está bien o hay que sustituirla. Hay que tener en cuenta que la resistencia tiene un margen de error y el tester tampoco es exacto 100% por lo que no debemos ser estrictos. Por ejemplo, una resistencia de 1K5 (1500 ohms) puede dar una lectura de 1476 ohms (o 1541 ohms) y eso sería normal.

Si la resistencia a medir está en un circuito, se aconseja desoldar al menos un terminal de dicha resistencia para evitar que el polímetro resulte "engañado" por otros componentes en paralelo con la resistencia objeto de la medida.

Evitaremos tocar la parte metálica de las puntas de prueba del polímetro, así como los terminales de la propia resistencia, esto para evitar errores de lectura. Este error no va a suceder si estamos midiendo una resistencia de bajo valor, pero en caso de estar midiendo una de alto valor, la resistencia de nuestro propio cuerpo, en paralelo con la resistencia que está siendo medida, alterará la lectura del polímetro dando un resultado falseado (valor de resistencia mas bajo que el real).


Símbolo gráfico utilizado para la resistencia


Dos son los símbolos utilizados en los gráficos y esquemas para las resistencias. El hecho de que haya dos símbolos distintos no obedece al hecho de que se utilicen para un tipo u otro de resistencia. Se pueden usar libremente:



Símbolos de resistencia



Rincón de la Teoría:
La ley de Joule


El efecto Joule se manifiesta en infinidad de ocasiones en nuestro entorno. Este efecto es muy común. Cuando un objeto es recorrido por una corriente eléctrica, se calienta.

La fórmula que nos dice cuánto calor, cuanta energía se produce, es esta:

Ley de Joule

El calor generado -según la fórmula- es directamente proporcional a la resistencia del objeto que está conduciendo esa electricidad, directamente proporcional al (cuadrado) de la intensidad, y directamente proporcional al tiempo.

En la vida real, este efecto es aprovechado en numerosas aplicaciones en donde se hace pasar una corriente eléctrica a través de una resistencia con el fin de generar calor. Por ejemplo: Una plancha, una estufa eléctrica, un soldador para electrónica...

Pero hay otras ocasiones en que este efecto es indeseable porque supone pérdidas energéticas ya que es un calor no deseado.

Ejemplos de esto último: Lámparas de incandescencia y halógenas.

Otro ejemplo del efecto Joule actuando en contra nuestra es el transporte de energía eléctrica a grandes distancias. Las líneas eléctricas recorren distancias de muchos kilómetros, y si no se hacen las cosas bien, prácticamente toda la energía se consume en la propia línea en forma de calor. Veamos como combatir esto:

En la formula vemos que cuanta mas resistencia e intensidad, mayor es la generación de calor. Por lo tanto, tendremos dos frentes de actuación:

1) Disminuir "R", la resistencia: Usar cables hechos con materiales muy conductores. El cobre y el aluminio son los mas usados. El cobre conduce mejor que el aluminio, pero también es mas caro. También hay que usar la mayor sección posible de cable. Cuanta mas sección, menos resistencia. Otra opción, que no siempre es posible, es que los centros de producción y consumo estén lo mas cerca posible.

2) Disminuir "I", la intensidad. Pero...¿se puede?
Afortunadamente si. Y aquí está el "truco" para evitar pérdidas que harían imposible el transporte de electricidad apenas unos metros mas allá de donde se produce.

El truco: En lugar de enviar a las líneas de distribución la electricidad tal y como la produce el generador, se eleva su tensión a varios centenares de miles de voltios. Luego, eso sí, en los lugares de consumo de esa electricidad, habrá que volver a bajar la tensión a valores utilizables. 

Lo veremos mejor con un gráfico comparativo de dos centrales eléctricas iguales, pero con una forma distinta de transportar esa electricidad:




Transportar la electricidad en forma de voltaje en lugar de en 
intensidad nos permite minimizar el impacto de la ley de Joule

Supongamos que tenemos una central eléctrica que produce 3000 voltios y puede dar 100 amperios. La línea de transporte, pongamos que tiene 10 ohmios. Apliquemos la fórmula de la ley de Joule a estas cifras.:

vemos que las pérdidas por calor son 1.000.000 julios

Ahora, otra variante: Esa misma central, antes de enviar directamente a las líneas de transporte esa electricidad la somete a un transformador donde la tensión se eleva de 3000V a 300.000V. La intensidad decrece proporcionalmente: De 100 Amp a 0.1 Amp. La potencia se mantiene constante tanto en el primario como en el secundario de ese transformador:

Primario     : 3000V x 100 amp   = 300.000 W
Secundario : 300.000V x 1 amp  = 300.000 W

Apliquemos ahora la ley de Joule a esos 300.000V a 1amp:

Queda claramente demostrado que, aunque la energía transportada es la misma, cuando se hace en forma de alta tensión, las pérdidas son muchísimo menores.

En ambos casos he elegido como tiempo el valor de un segundo. Si hubiésemos elegido un tiempo distinto (pero igual para ambos casos), los resultados hubieran sido igualmente favorables al segundo caso.

...Y esta es la razón de porqué se elige la alta tensión en el transporte de electricidad a pesar de las dificultades que conlleva: Transformadores voluminosos, torres de tendido eléctrico enormes, grandes distancias de separación entre cables para evitar arcos voltaicos propios de la alta tensión, aisladores igualmente grandes, el riesgo propio de la alta tensión...y aún así es ventajoso utilizarla, pues de otro modo sería imposible el transporte de electricidad.

Termino este rincón de la teoría dedicándole unas líneas al fusible. Un componente que sirve para proteger equipos contra corrientes excesivas que pueden suponer un riesgo de incendio. El fusible basa su funcionamiento en la ley de Joule: Cuando es recorrido por una corriente excesiva, se calienta, hasta el punto de que se alcanza el punto de fusión del hilo interno y éste se interrumpe, se corta, quedando el dispositivo afectado sin alimentación eléctrica, pero a salvo de esa corriente excesiva.


Fusible rápido de 1 Amp

Fusibles hay de muchos tipos, y algunos no son muy conocidos, pero son muy útiles. Dedicaré -mas adelante- un capítulo a este componente.

Vídeo sobre las resistencias:




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6 comentarios:

  1. Creo que aqui: "La intensidad decrece proporcionalmente: De 100 Amp a 0.1 Amp." te has confundido y seria de 100 Amp a 1 Amp no?
    Muy bueno el tutorial !!! He estado todos los dias mirando a ver si habias puesto el segundo tutorial, me encanta como explicas las cosas.
    Esperando el siguiente, jejejeje

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  2. MUY BUEN TUTORIAL JOSE.......SI PODES TE ENCARGO UN TUTORIAL PARA SABER CALCULAR QUE VALOR DE RESISTENCIA TENGO QUE UTILIZAR PARA UN DETERMINADO CIRCUITO (CUANDO QUIERO INVENTAR ALGO- EJ: UNA LAMPARA PARA MI PC, CON FOCOS LED CHICOS Y LA SALIDA DEL USB ES MAYOR, U OTROS INVENTOS.......) DESDE YA MIL GRACIAS CAPO Y UN ENORME ABRAZO A LA DISTANCIA.........

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  3. Como ya comente ayer en YouTube.. ¡¡¡Genial Maestro!!!! , se entiende todo a la perfección, estudie electrónica hace mucho y tus tutoriales refrescan mi memoria y aprendo cosas nuevas, gracias por la molestia de prepararlos y subirlos a la red...un abrazo

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  4. Gracias Jose por tu tiempo y que Dios te bendiga siempre

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  5. Jose necesito saber reparar o clonar centralitas de coches tu sabes como se puede hacer de forma económica?

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