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COMPONENTES ELECTRÓNICOS

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Índice

Componentes electrónico…………………………………………….............................3

Teoría de Circuitos……………………………………………........................................ 8

Resistencia eléctrica……………………………………………..................................... 9

Resistor……………………………………………......................................................... 19

Potenciómetro…………………………………………….............................................. 27

Reostato……………………………………………....................................................... 30

Termistor……………………………………………..................................................... 31

Capacidad eléctrica………………………..……………………………………………........... 35

Condensador eléctrico……………………………………………..................................37

Inducción electromagnética……………………………………………......................... 47

Inductor……………………………………………........................................................ 48

Solenoide……………………………………………………………………………………………….. 58

Bobina de Rogowski ………………………………………………………………………………. 59

Componente electrónico

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Se denominan componentes electrónicos aquellos dispositivos que forman parte de un circuito electrónico. Se suelen encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito.

Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemáticos de la teoría de circuitos.

Fig. 1 Componentes electrónicos

Clasificación

De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comúnmente más aceptadas.

1. Según su estructura física

Discretos: son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores, etc.

Integrados: forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados.

2. Según el material base de fabricación.

Semiconductores (ver listado).

No semiconductores.

3. Según su funcionamiento.

Activos: proporcionan excitación eléctrica, ganancia o control (ver listado).

Pasivos: son los encargados de la conexión entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel (ver listado).

4. Según el tipo energía.

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Electromagnéticos: aquellos que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales (fundamentalmente transformadores e inductores).

Electroacústicos: transforman la energía acústica en eléctrica y viceversa (micrófonos, altavoces, bocinas, auriculares, etc.).

Optoelectrónicos: transforman la energía lumínica en eléctrica y viceversa (diodos LED, células fotoeléctricas, etc.).

Componentes

Componentes semiconductores

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta. mrd

Componentes activos

Los componentes activos son aquellos que son capaces de controlar el flujo de corriente de los circuitos o de realizar ganancias . Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal.

Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a loscircuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean circuitos que llevan integrados millones de componentes.

En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos cuyas características lo condicionará. Esto no sucede con los componentes pasivos. En la siguiente tabla se muestran los principales componentes activos junto a su función más común dentro de un circuito.

Componente Función más común

Amplificador operacional

Amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación.

Biestable Control de sistemas secuenciales.

PLD Control de sistemas digitales.

Diac Control de potencia.

DiodoRectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión.

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Diodo Zener Regulación de tensiones.

FPGA Control de sistemas digitales.

Memoria Almacenamiento digital de datos.

Microprocesador Control de sistemas digitales.

Microcontrolador Control de sistemas digitales.

Pila Generación de energía eléctrica.

Tiristor Control de potencia.

Puerta lógica Control de sistemas combinacionales.

Transistor Amplificación, conmutación.

Triac Control de potencia.

Componentes pasivos

Son aquellos en los que la potencia absorbida es transformada en calor.1 No tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito. Los componentes pasivos se dividen en:

Componentes pasivos lineales:

Componente Función más común

CondensadorAlmacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancia.

Inductor o bobina

Almacenar o atenuar el cambio de energía debido a su poder de autoinducción.

Resistor o resistencia

División de intensidad o tensión, limitación de intensidad.

Componentes electromecánicos:

A este grupo pertenecen los interruptores, fusibles y conectores.

Componentes optoelectrónicos

Componentes optoeletrónicos, son aquellos que transforman la energía lumínica en energía eléctrica, denominados fotosensibles, o la energía eléctrica en lumínica, denominados electroluminiscentes.

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Principales fabricantes

La industria de los componentes es fundamental para la industria electrónica que a su vez lo es para el resto de industrias. El importante volumen de negocio de este tipo de industria en los países más desarrollados les hace jugar un importante papel en sus respectivas economías. En la siguiente tabla se muestra un listado con las principales empresas fabricantes de componentes electrónicos. La mayoría son multinacionales en las que la fabricación de componentes electrónicos representa tan sólo una parte de campo de actuación.

EmpresaSímbolo

PaísTipos de componentes que fabrica

Web

Advanced Micro Devices

AMDEstados Unidos

Semiconductores, microprocesadores y microcontroladores

AMD

Analog Devices ADEstados Unidos

Semiconductores

Analog Devices

Cypress Semiconductor

CYEstados Unidos

Semiconductores

Cypress S.

Fairchild Semiconductor

FEstados Unidos

Semiconductores

Fairchild

Freescale Semiconductor

Estados Unidos

Semiconductores

Freescale

Fujitsu Microelectronics

FUJ Japón

Semiconductores, condensadores, relés...

Fujitsu

IBM Microelectronics

IBMEstados Unidos

Memorias, microprocesadores, microcontroladores...

IBM

Intel i Estados Unidos

Memorias, microprocesadores y

Intel

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microcontroladores

Microchip Technology Inc.

MCHP

Estados Unidos

Semiconductores

Microchip Technology

Mitsubishi Semiconductor

JapónSemiconductores

Mitsubishi

NEC Components NEC Japón

Semiconductores, condensadores, relés...

NEC

OKI OKI JapónSemiconductores

OKI

Panasonic JapónSemiconductores, baterías, resistores...

Panasonic

NXPHolanda

Semiconductores

NXP Semiconductors

RambusRMBS

Estados Unidos

Memorias Rambus

SamsungRepública de Corea

Memorias, microcontroladores...

Samsung

SGS-Thomson ST SuizaSemiconductores

ST

Sharp Japón

Memorias, microcontroladores, control de potencia...

Sharp

Siemens AGAlemania

Semiconductores, reguladores...

Siemens

Texas Instruments

tiEstados Unidos

Semiconductores

TI

Xilinx Estados

FPGA, CPLD Xilinx

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Unidos

ZilogEstados Unidos

Microcontroladores, microprocesadores, periféricos...

Zilog

Teoría de circuitos

En electricidad, la teoría de circuitos es aquella que comprende los fundamentos para el análisis de circuitos eléctricos y permite determinar los niveles de tensión y corriente en cada punto del circuito en respuesta a una determinada excitación.

La teoría de circuitos es una simplificación de la Teoría Electromagnética de Maxwell, estas simplificaciones se basan en la consideración de corrientes cuasi estacionarias, lo que implica que sólo puede aplicarse cuando la longitud de onda de las señales (ondas electromagnéticas) presentes en el circuito es mucho mayor (x100 o más) que las dimensiones físicas de éste. Esto quiere decir que la propagación de las ondas en el circuito es instantánea. A estos circuitos a veces se les llama circuitos de parámetros concentrados.

Las líneas de transmisión, por ejemplo una línea telefónica, su comportamiento no puede estudiarse con la teoría de circuitos porque son demasiado largas. En lugar de ello se usa un modelo de parámetros distribuidos (modelo de Heaviside).

Históricamente, la teoría de los circuitos eléctricos recibió el nombre de Electrocinética y se desarrolló de una forma independiente de la Teoría Electromagnética. Las bases de esta rama de la Ingeniería Eléctrica están en la ley de Ohm y las leyes de Kirchoff, y fueron aplicadas inicialmente a corrientes que no variaban con el tiempo, dada la utilización de generadores de corriente continua, como las pilas eléctricas. Sin embargo, cuando apareció la corriente alterna, la teoría debió adecuarse al tratamiento de cantidades que variaban sinusoidalmente en el tiempo, lo cual introdujo el uso de vectores estacionarios o fasores.

En los estudios universitarios de ingeniería eléctrica o electrónica suele darse como una asignatura cuyo objetivo es permitir el progreso del futuro ingeniero en las materias de naturaleza eléctrica, electrónica o Energía.

Para el aprendizaje de la teoría de circuitos es necesario tener unos conocimientos matemáticos básicos en geometría, resolución de sistemas de ecuaciones lineales, aritmética de números complejos y cálculo diferencial e integral. También es importante conocer los conceptos eléctricos de carga, potencial, campo electromagnético, corriente, energía y potencia.

Resistencia eléctrica

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Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre.

Para un conductor de tipo cable, la resistencia está dada por la siguiente fórmula:

Donde ρ es el coeficiente de proporcionalidad o la resistividad del material,   es la longitud del cable y S el área de la sección transversal del mismo.

La resistencia de un material depende directamente de dicho coeficiente, además es directamente proporcional a su longitud (aumenta conforme es mayor su longitud) y es inversamente proporcional a su sección transversal (disminuye conforme aumenta su grosor o sección transversal).

Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual con la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición, en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmnímetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida en Siemens.

Por otro lado, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la diferencia de potencial eléctrico y la corriente en que atraviesa dicha resistencia, así:1

Donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios.

También puede decirse que "la intensidad de la corriente que pasa por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial e inversamente proporcional a su resistencia"

Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductor. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

Fig. 2 Símbolo de la resistencia eléctrica en un circuito.

Comportamientos ideales y reales

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Figura 2. Circuito con resistencia.

Una resistencia ideal es un elemento pasivo que disipa energía en forma de calor según la ley de Joule. También establece una relación de proporcionalidad entre la intensidad de corriente que la atraviesa y la tensión medible entre sus extremos, relación conocida como ley de Ohm:

donde i(t) es la corriente eléctrica que atraviesa la resistencia de valor R y u(t) es la diferencia de potencial que se origina. En general, una resistencia real podrá tener diferente comportamiento en función del tipo de corriente que circule por ella.

Comportamiento en corriente continua

Una resistencia real en corriente continua (CC) se comporta prácticamente de la misma forma que si fuera ideal, esto es, transformando la energía eléctrica en calor por efecto Joule. La ley de Ohm para corriente continua establece que:

donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios.

Comportamiento en corriente alterna

Figura 3. Diagrama fasorial.

Como se ha comentado anteriormente, una resistencia real muestra un comportamiento diferente del que se observaría en una resistencia ideal si la intensidad que la atraviesa no es continua. En el caso de que la señal aplicada sea senoidal, corriente alterna (CA), a bajas frecuencias se observa que una resistencia real se comportará de forma muy similar a como lo haría en CC, siendo despreciables

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las diferencias. En altas frecuencias el comportamiento es diferente, aumentando en la medida en la que aumenta la frecuencia aplicada, lo que se explica fundamentalmente por los efectos inductivos que producen los materiales que conforman la resistencia real.

Por ejemplo, en una resistencia de carbón los efectos inductivos solo provienen de los propios terminales de conexión del dispositivo mientras que en una resistencia de tipo bobinado estos efectos se incrementan por el devanado de hilo resistivo alrededor del soporte cerámico, además de aparecer una cierta componente capacitiva si la frecuencia es especialmente elevada. En estos casos, para analizar los circuitos, la resistencia real se sustituye por una asociación serie formada por una resistencia ideal y por una bobina también ideal, aunque a veces también se les puede añadir un pequeño condensador ideal en paralelo con dicha asociación serie. En los conductores, además, aparecen otros efectos entre los que cabe destacar el efecto pelicular.

Consideremos una resistencia R, como la de la figura 2, a la que se aplica una tensión alterna de valor:

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna de valor:

donde  . Se obtiene así, para la corriente, una función senoidal que está en fase con la tensión aplicada (figura 3).

Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

Y operando matemáticamente:

De donde se deduce que en los circuitos de CA la resistencia puede considerarse como una magnitud compleja con parte real y sin parte imaginaria o, lo que es lo mismo con argumento nulo, cuya representación binómica y polar serán:

Asociación de resistencias

Resistencia equivalente

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Figura 4. Asociaciones generales de resistencias: a) Serie y b) Paralelo. c) Resistencia equivalente.

Se denomina resistencia equivalente de una asociación respecto de dos puntos A y B, a aquella que conectada a la misma diferencia de potencial, UAB, demanda la misma intensidad, I (ver figura 4). Esto significa que ante las mismas condiciones, la asociación y su resistencia equivalente disipan la misma potencia.

Asociación en serie

Dos o más resistencias se encuentran conectadas en serie cuando al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, todas ellas son recorridas por la misma corriente.

Para determinar la resistencia equivalente de una asociación serie imaginaremos que ambas, figuras 4a) y 4c), están conectadas a la misma diferencia de potencial, UAB. Si aplicamos la segunda ley de Kirchhoff a la asociación en serie tendremos:

Aplicando la ley de Ohm:

En la resistencia equivalente:

Finalmente, igualando ambas ecuaciones se obtiene que:

Y eliminando la intensidad:

Por lo tanto, la resistencia equivalente a n resistencias montadas en serie es igual a la sumatoria de dichas resistencias.

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Asociación en paralelo

Dos o más resistencias se encuentran en paralelo cuando tienen dos terminales comunes de modo que al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, UAB, todas las resistencias tienen la misma caída de tensión, UAB.

Para determinar la resistencia equivalente de una asociación en paralelo imaginaremos que ambas, figuras 4b) y 4c), están conectadas a la misma diferencia de potencial mencionada, UAB, lo que originará una misma demanda de corriente eléctrica, I. Esta corriente se repartirá en la asociación por cada una de sus resistencias de acuerdo con la primera ley de Kirchhoff:

Aplicando la ley de Ohm:

En la resistencia equivalente se cumple:

Igualando ambas ecuaciones y eliminando la tensión UAB:

De donde:

Por lo que la resistencia equivalente de una asociación en paralelo es igual a la inversa de la suma de las inversas de cada una de las resistencias.

Existen dos casos particulares que suelen darse en una asociación en paralelo:

1. Dos resistencias: en este caso se puede comprobar que la resistencia equivalente es igual al producto dividido por la suma de sus valores, esto es:

2. k resistencias iguales: su equivalente resulta ser:

Asociación mixta

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Figura 5. Asociaciones mixtas de cuatro resistencias: a) Serie de paralelos, b) Paralelo de series y c) Ejemplo de una de las otras posibles conexiones.

En una asociación mixta podemos encontrarnos conjuntos de resistencias en serie con conjuntos de resistencias en paralelo. En la figura 5 pueden observarse tres ejemplos de asociaciones mixtas con cuatro resistencias.

A veces una asociación mixta es necesaria ponerla en modo texto. Para ello se utilizan los símbolos "+" y "//" para designar las asociaciones serie y paralelo respectivamente. Así con (R1 + R2) se indica que R1 y R2 están en serie mientras que con (R1//R2) que están en paralelo. De acuerdo con ello, las asociaciones de la figura 5 se pondrían del siguiente modo:

a) (R1//R2)+(R3//R4)

b) (R1+R3)//(R2+R4)

c) ((R1+R2)//R3)+R4

Para determinar la resistencia equivalente de una asociación mixta se van simplificando las resistencias que están en serie y las que están en paralelo de modo que el conjunto vaya resultando cada vez más sencillo, hasta terminar con un conjunto en serie o en paralelo. Como ejemplo se determinarán las resistencias equivalentes de cada una de las asociaciones de la figura 5:

a)

R1//R2 = R1//2

R3//R4 = R3//4

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RAB = R1//2 + R3//4

b)

R1+R3 = R1+3

R2+R4 = R2+4

RAB = R1+3//R2+4

c)

R1+R2 = R1+2

R1+2//R3 = R1+2//3

RAB = R1+2//3 + R4

Desarrollando se obtiene:

a)

b)

c)

Asociaciones estrella y triángulo

Figura 6.a) Asociación en estrella.

b) Asociación en triángulo.

En la figura a) y b) pueden observarse respectivamente las asociaciones estrella y triángulo, también llamadas   y   o delta respectivamente. Este tipo de asociaciones son comunes en las cargas trifásicas. Las ecuaciones de equivalencia entre ambas asociaciones vienen dadas por el teorema de Kennelly:

Resistencias en estrella en función de las resistencias en triángulo (transformación de triángulo a estrella)

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El valor de cada una de las resistencias en estrella es igual al cociente del producto de las dos resistencias en triángulo adyacentes al mismo terminal entre la suma de las tres resistencias en triángulo.

Resistencias en triángulo en función de las resistencias en estrella (transformación de estrella a triángulo)

El valor de cada una de las resistencias en triángulo es igual la suma de las dos resistencias en estrella adyacentes a los mismos terminales más el cociente del producto de esas dos resistencias entre la otra resistencia.

Asociación puente

Figura 7. Asociación puente.

Si en una asociación paralelo de series como la mostrada en la figura 5b se conecta una resistencia que una las dos ramas en paralelo, se obtiene una asociación puente como la mostrada en la figura 7.

La determinación de la resistencia equivalente de este tipo de asociación tiene sólo interés pedagógico. Para ello se sustituye bien una de las configuraciones en triángulo de la asociación, la R1-R2-R5 o la R3-R4-R5 por su equivalente en estrella, bien una de las configuraciones en estrella, la R1-R3-R5 o la R2-R4-R5 por su equivalente en triángulo. En ambos casos se consigue transformar el conjunto en una asociación mixta de cálculo sencillo. Otro método consiste en aplicar una fem (E) a la asociación y

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obtener su resistencia equivalente como relación de dicha fem y la corriente total demandada (E/I).

El interés de este tipo de asociación está en el caso en el que por la resistencia central, R5, no circula corriente o R4, en función de las otras tres. En ello se basan los puentes de Wheatstone y de hilo para la medida de resistencias con precisión.

Resistencia de un conductor

El conductor es el encargado de unir eléctricamente cada uno de los componentes de un circuito. Dado que tiene resistencia óhmica, puede ser considerado como otro componente más con características similares a las de la resistencia eléctrica.

De este modo, la resistencia de un conductor eléctrico es la medida de la oposición que presenta al movimiento de los electronesen su seno, es decir la oposición que presenta al paso de la corriente eléctrica. Generalmente su valor es muy pequeño y por ello se suele despreciar, esto es, se considera que su resistencia es nula (conductor ideal), pero habrá casos particulares en los que se deberá tener en cuenta su resistencia (conductor real).

La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo ( ) en m, de su sección ( ) en m², del tipo de material y de latemperatura. Si consideramos la temperatura constante (20 º C), la resistencia viene dada por la siguiente expresión:

en la que   es la resistividad (una característica propia de cada material).

Influencia de la temperatura

La variación de la temperatura produce una variación en la resistencia. En la mayoría de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros elementos, como el carbono o el germanio la resistencia disminuye.

Como ya se comentó, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de superconductores.

Experimentalmente se comprueba que para temperaturas no muy elevadas, la

resistencia a cierta temperatura ( ), viene dada por la expresión:

Resistividad de algunos materiales a 20 °C

MaterialResistividad (Ω·m)

Plata 2 1,55 × 10–8

Cobre 3 1,70 × 10–8

Oro 4 2,22 × 10–8

Aluminio 5 2,82 × 10–8

Wolframio 6 5,65 × 10–8

Níquel 7 6,40 × 10–8

Hierro 8 8,90 × 10–8

Platino 9 10,60 × 10–8

Estaño 10 11,50 × 10–8

Acero inoxidable 301 11

72,00 × 10–8

Grafito 12 60,00 × 10–8

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donde

 = Resistencia de referencia a la temperatura  .

 = Coeficiente de temperatura. Para el cobre  .

 = Temperatura de referencia en la cual se conoce  .

Potencia que disipa una resistencia

Una resistencia disipa en calor una cantidad de potencia cuadráticamente proporcional a la intensidad que la atraviesa y a la caída de tensión que aparece en sus bornes.

Comúnmente, la potencia disipada por una resistencia, así como la potencia disipada por cualquier otro dispositivo resistivo, se puede hallar mediante:

A veces es más cómodo usar la ley de Joule para el cálculo de la potencia disipada, que es:

 o también 

Observando las dimensiones del cuerpo de la resistencia, las características de conductividad de calor del material que la forma y que la recubre, y el ambiente en el cual está pensado que opere, el fabricante calcula la potencia que es capaz de disipar cada resistencia como componente discreto, sin que el aumento de temperatura provoque su destrucción. Esta temperatura de fallo puede ser muy distinta según los materiales que se estén usando. Esto es, una resistencia de 2 W formada por un material que no soporte mucha temperatura, estará casi fría (y será grande); pero formada por un material metálico, con recubrimiento cerámico, podría alcanzar altas temperaturas (y podrá ser mucho más pequeña).

El fabricante dará como dato el valor en vatios que puede disipar cada resistencia en cuestión. Este valor puede estar escrito en el cuerpo del componente o se tiene que deducir de comparar su tamaño con los tamaños estándar y sus respectivas potencias. El tamaño de las resistencias comunes, cuerpo cilíndrico con 2 terminales, que aparecen en los aparatos eléctricos domésticos suelen ser de 1/4 W, existiendo otros valores de potencias de comerciales de ½ W, 1 W, 2 W, etc.

Resistor

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Tipo TermoeléctricoPasivo

Principio de funcionamiento

Efecto Joule

Invención Georg Ohm (1827)

Símbolo electrónico

Configuración Entrada y salida (sin polaridad)

Se denomina resistor al componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito eléctrico. En el propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos simplemente como resistencias. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., se emplean resistencias para producir calor aprovechando el efecto Joule.

Es un material formado por carbón y otros elementos resistivos para disminuir la corriente que pasa. Se opone al paso de la corriente. La corriente máxima y diferencia de potencial máxima en un resistor viene condicionada por la máxima potencia que pueda disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.

Existen resistores de valor manualmente ajustable, llamados potenciómetros, reostatos o simplemente resistencias variables. También se producen dispositivos cuya resistencia varía en función de parámetros externos, como los termistores, que son resistores que varían con la temperatura; los varistores que dependen de la tensión a la cual son sometidos, o las fotorresistencias que lo hacen de acuerdo a la luz recibida.

Comportamiento en un circuito

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Los resistores se utilizan en los circuitos para limitar el valor de la corriente o para fijar el valor de la tensión. Véase la Ley de Ohm. A diferencia de otros componentes electrónicos, los resistores no tienen polaridad definida.

Sistemas de Codificación

Código de colores

Figura 2: Diferentes resistencias todas ellas de empaquetado tipo axial.

Para caracterizar un resistor hacen falta tres valores: resistencia eléctrica, disipación máxima y precisión o tolerancia. Estos valores se indican normalmente en el encapsulado dependiendo del tipo de éste; para el tipo de encapsulado axial, el que se observa en las fotografías, dichos valores van rotulados con un código de franjas de colores.

Estos valores se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes, la última es el multiplicador y las otras indican las cifras significativas del valor de la resistencia.

El valor de la resistencia eléctrica se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras; se multiplica por el multiplicador y se obtiene el resultado en Ohmios (Ω). El coeficiente de temperatura únicamente se aplica en resistencias de alta precisión o tolerancia menor del 1%.

Color de la banda

Valor de la 1°cifra significativ

Valor de la 2°cifra significativ

Multiplicador

Tolerancia

Coeficiente de temperatur

21

a a a

Negro

0 0 1 - -

Marrón

1 1 10 ±1%100ppm/°C

Rojo

2 2 100 ±2%50ppm/°C

Naranja

3 3 1 000 -15ppm/°C

Amarillo

4 4 10 000 ±4%25ppm/°C

Verde

5 5100 000

±0,5%

20ppm/°C

Azul

6 61 000 000

±0,25%

10ppm/°C

Morado

7 710 000 000

±0,1%

5ppm/°C

Gris

8 8100 000 000

±0.05%

1ppm/°C

Blanco

9 91 000 000 000

- -

Dorado

- - 0,1 ±5% -

Plateado

- - 0,01±10%

-

Ninguno

- - -±20%

-

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Cómo leer el valor de una resistencia

En una resistencia tenemos generalmente 4 líneas de colores, aunque podemos encontrar algunas que contengan 5 líneas (4 de colores y 1 que indica tolerancia). Vamos a tomar como ejemplo la más general, las de 4 líneas. Con la banda correspondiente a la tolerancia a la derecha, leemos las bandas restantes de izquierda a derecha, como sigue: Las primeras dos bandas conforman un número entero de dos cifras:

La primera línea representa el dígito de las decenas. La segunda línea representa el dígito de las unidades.

Luego:

La tercera línea representa la potencia de 10 por la cual se multiplica el número.

El resultado numerico se expresa en Ohms.

Por ejemplo:

Observamos la primera línea: verde= 5 Observamos la segunda línea: amarillo= 4 Observamos la tercera línea: rojo= 2 o 100 Unimos los valores de las primeras dos líneas y multiplicamos por el valor de la

tercera

54 X 102 = 5400Ω o 5,4 kΩ y este es el valor de la resistencia expresada en Ohmios

Ejemplos

Figura 3: Resistencia de valor 2.700.000 Ω y tolerancia de ±10%.

La caracterización de una resistencia de 2.700.000 Ω (2,7 MΩ), con una tolerancia de ±10%, sería la representada en la figura 3:

1ª cifra: rojo (2)

2ª cifra: violeta (7)

Multiplicador: verde (100000)

Tolerancia: plateado (±10%)

Figura 4: Resistencia de valor 65 Ω y tolerancia de ±2%.

El valor de la resistencia de la figura 4 es de 65 Ω y tolerancia de ±2% dado que:

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1ª cifra: azul (6)

2ª cifra: verde (5)

3ª cifra: negro (0)

Multiplicador: dorado (10-1)

Tolerancia: rojo (±2%)

Codificación de los resistores de montaje superficial

Esta imagen muestra cuatro resistores de montaje de superficie (el componente en la parte superior izquierda es un condensador) incluyendo dos resistores de cero ohmios. Los enlaces de cero ohmios son usados a menudo en vez de enlaces de alambre

Resistencia de montaje superficial o SMD

A los resistores cuando se encuentran en circuitos con tecnología de montaje de superficie se les imprimen valores numéricos en un código similar al usado en los resistores axiales.

Los resistores de tolerancia estándar en estos tipos de montajes (Standard-tolerance Surface Mount Technology) son marcados con un código de tres dígitos, en el cual los primeros dos dígitos representan los primeros dos dígitos significativos y el tercer dígito representa una potencia de diez (el número de ceros).

Codificación en Resistencias SMD

En las resistencias SMD ó de montaje en superficie su codificación más usual es:

1ª Cifra = 1º número

2ª Cifra = 2º número

En este ejemplo la resistencia tiene un valor de:

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3ª Cifra = Multiplicador 1.200 ohmios = 1,2 kΩ

1ª Cifra = 1º número

La "R" indica coma decimal

3ª Cifra = 2º número

En este ejemplo la resistencia tiene un valor de:

1,6 ohmios

La "R" indica coma decimal ("0,")

2ª Cifra = 2º número

3ª Cifra = 3º número

En este ejemplo la resistencia tiene un valor de:

0,22 ohmios

Por ejemplo:

"334" 33 × 10.000 Ω = 330 kΩ

"222" 22 × 100 Ω = 2,2 kΩ

"473" 47 × 1.000 Ω = 47 kΩ

"105" 10 × 100.000 Ω = 1 MΩ

Los resistores de menos de 100 Ω se escriben: 100, 220, 470, etc. El número cero final representa diez a la potencia de cero, lo cual es 1.

Por ejemplo:

"100" = 10 × 1 Ω = 10 Ω

"220" = 22 × 1 Ω = 22 Ω

Algunas veces estos valores se marcan como "10" o "22" para prevenir errores.

Los resistores menores de 10 Ω tienen una 'R' para indicar la posición del punto decimal.

Por ejemplo:

"4R7" = 4,7 Ω

"0R22" = 0,22 Ω

"0R01" = 0,01 Ω

Los resistores de precisión son marcados con códigos de cuatro dígitos, en los cuales los primeros tres dígitos son los números significativos y el cuarto es la potencia de diez.

Por ejemplo:

"1001" = 100 × 10 Ω = 1 kΩ

"4992" = 499 × 100 Ω = 49,9 kΩ

"1000" = 100 × 1 Ω = 100 Ω

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Los valores "000" y "0000" aparecen en algunas ocasiones en los enlaces de montajes de superficie, debido a que tienen una resistencia aproximada a cero.

Codificación para uso Industrial

Formato: XX 99999 ó XX 9999X dos letras<espacio>valor del resistor (tres/cuatro dígitos)<sinespacio>código de tolerancia(numérico/alfanumérico - un dígito/una letra)

Designación Industrial

ToleranciaDesignación MIL

5 ±5% J

2 ±20% M

1 ±10% K

- ±2% G

- ±1% F

- ±0.5% D

- ±0.25% C

- ±0.1% B

El rango de la temperatura operacional distingue los tipos comercial, industrial y militar de los componentes.

Tipo Comercial : 0 °C a 70 °C Tipo Industrial : −40 °C a 85 °C (en ocasiones −25 °C a 85 °C) Tipo Militar : −55 °C a 125 °C (en ocasiones -65 °C a 275 °C) Tipo Estándar: -5 °C a 60 °C

Resistencias de precisión

Las resistencias de precisión o de hojas metálicas, conocidas también por su nombre en inglés foil resistors, son aquellas cuyo valor se ajusta con errores de 100 partes por millón o menos y tienen además una variación muy pequeña con la temperatura, del orden de 10 partes por millón entre 25 y 125 grados Celsius. Este componente tiene una utilización muy especial en circuitos analógicos, con ajustes muy estrechos de las especificaciones. La resistencia logra una precisión tan alta en su valor, como en su especificación de temperatura, debido a que la misma debe ser considerada como un sistema, donde los materiales que la comportan interactúan para lograr su estabilidad. Una hoja de metal muy fino se pega a un aislador como el vidrio o cerámica, al aumentar la temperatura, la expansión térmica del metal es mayor que la del vidrio o cerámica y al estar pegado al aislador, produce en el metal una fuerza que lo comprime reduciendo su resistencia eléctrica, como el coeficiente de variación de

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resistencia del metal con la temperatura es casi siempre positivo, la suma casi lineal de estos factores hace que la resistencia no varíe o que lo haga mínimamente.

El hecho de utilizar una hoja metálica para crear un medio resistivo, le da el nombre de foil resistors en inglés.

Este componente tuvo su origen en varios países y en diferentes tiempos. Por los años 50, algunas empresas y centros académicos de tecnología, en especial en los Estados Unidos, comenzaron a investigar nuevas técnicas de componentes que se adaptaran a la industria naciente de los semiconductores. Los nuevos sistemas electrónicos debían ser más estables y más compactos y la industria de ese tiempo puso más énfasis en la precisión y en la estabilidad del comportamiento con los cambios de temperatura. En la tecnología de resistores había dos tipos emergentes, los resistores hechos con películas metálicas muy finas, depositadas en substratos aislantes, como el vidrio o la cerámica, y cuyo depósito se realizaba con técnicas de evaporación metálicas.

Luego estaban los resistores hechos con hojas metálicas, cuyos espesores eran mayores que los realizados con películas metálicas. Las hojas metálicas se pegaban a substratos aislante, como el vidrio o la cerámica.

Investigando el origen de esta última tecnología llegamos a Duncan y John Cox, los cuales patentaron en 1951, un resistor para uso de calefacción.1 Si bien el objeto de este componente era de ser usado como elemento de calefacción, la novedad del mismo residía en su construcción geométrica, la forma de las líneas resistivas fueron adoptadas por empresas dedicadas a la fabricación de resistencias de hojas metálicas realizada en 1979 por Benjamín Solow,2 o en su versión mejorada de 1983 realizada por Josph Szware,3

Efecto piezorresistivo

Como se indicó inicialmente, hay un efecto de interacción de fuerzas entre la hoja metálica y el substrato, la hoja metálica se comporta como una galga extensométrica, que es un sensor basado en el efecto piezorresistivo, un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica.

Este sensor, en su forma básica fue usado por primera vez en 1936. El descubrimiento del principio fue realizado en 1856 por Lord Kelvin, el cual cargo alambres de cobre y de hierro, produciendo en los mismos una tensión mecánica y registrando un incremento de la resistencia eléctrica con la deformación unitaria por tracción (strain) del alambre, observo que el alambre de hierro tiene un incremento de la resistencia mayor que el alambre de cobre, cuando son sometidos a la misma deformación unitaria.

De los experimentos realizados por Lord Kelvin en 1856 resulta que cuando se somete un metal a una fuerza mecánica, se produce un cambio en su resistencia eléctrica. Así, sometiendo al metal a una fuerza que lo estire se produce un aumento de su resistencia, y si le aplicamos una compresión, su resistencia eléctrica disminuye. Este efecto, con el tiempo abrió un nuevo campo de las mediciones. Un aumento de la temperatura en un metal produce dos efectos, una dilatación y un aumento de su resistencia eléctrica.

En 1959, William T. Bean, introduce una galga extensométrica, o también llamada en inglés strain gauge de tipo de hoja metálica,4 con una geometría Cox utilizada para medir la deformación unitaria, de materiales sometidos a fuerzas mecánicas, varios puntos hay que resaltar de este desarrollo: 1) utiliza una hoja metálica con geometría

27

Cox, 2) utiliza metales como constantan o nicromo y 3) la utilización de un método fotográfico y luego el uso de una erosión química para realizar el modelo resistivo. Estudiando este desarrollo, se puede especular que los técnicos que utilizaban las galga extensométrica, midiento las propiedades mecánicas de los vidrios y cerámicas, encontraron una variación muy chica de la resistencia con la temperatura, debido precisamente al efecto citado inicialmente.

La primera descripción de este sistema, utilizando las propiedades geométricas, físicas y químicas, como la geometría Cox, el efecto Kelvin y el uso de la aleación níquel-cromo, fueron integradas todas ellas en un componente, fue realizada por Zandman en 1970.

Potenciómetro

Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie.

Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Para circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reostatos, que pueden disipar más potencia.

Potenciómetro rotatorio, el más común.

Tipo Pasivo, es técnicamente un Interruptor.

Principio de funcionamiento

Resistividad

Invención John Ambrose Fleming(1904)

Símbolo electrónico

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(Europa)

 (América)

Configuración Ánodo, Base, Cátodo.

Construcción

Existen dos tipos de potenciómetros:

Potenciómetros impresos, realizados con una pista de carbón o de cermet sobre un soporte duro como papel baquelizado, fibra, alúmina, etc. La pista tiene sendos contactos en sus extremos y un cursor conectado a un patín que se desliza por la pista resistiva.

Potenciómetros bobinados, consistentes en un arrollamiento toroidal de un hilo resistivo (por ejemplo, constantán) con un cursor que mueve un patín sobre el mismo.

Fig. 1 Distintos tipos de potenciómetros rotatorios.

Tipos

Fig. 2 Potenciómetros rotatorios multivuelta utilizados en electrónica. Estos potenciómetros permiten un mejor ajuste que los rotatorios normales.

29

Fig. 3 Potenciómetros deslizantes.

Según su aplicación se distinguen varios tipos:

Potenciómetros de Mando. Son adecuados para su uso como elemento de control en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos para variar los parámetros normales de funcionamiento. Por ejemplo, el volumen de una radio.

Potenciómetros de ajuste. Controlan parámetros preajustados, normalmente en fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo que no suelen ser accesibles desde el exterior. Existen tanto encapsulados en plástico como sin cápsula, y se suelen distinguir potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro es vertical, y potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al circuito impreso.

Según la ley de variación de la resistencia  :

Potenciómetros lineales. La resistencia es proporcional al ángulo de giro. Denominados con una letra B según la normativa actual (anteriormente A).

Logarítmicos. La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro. Denominados con una letra A según normativa actual (anteriormente B).

Senoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.

Antilogarítmicos. Generalmente denominados con una letra F.

En los potenciómetros impresos la ley de resistencia se consigue variando la anchura de la pista resistiva, mientras que en los bobinados se ajusta la curva a tramos, con hilos de distinto grosor.

Potenciómetros multivuelta. Para un ajuste fino de la resistencia existen potenciómetros multivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo desmultiplicador, de modo que para completar el recorrido necesita varias vueltas del órgano de mando.

Tipos de potenciómetros de mando

Potenciómetros rotatorios. Se controlan girando su eje. Son los más habituales pues son de larga duración y ocupan poco espacio.

Potenciómetros deslizantes. La pista resistiva es recta, de modo que el recorrido del cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y se usa, sobre todo, en ecualizadores gráficos, pues la posición de sus cursores representa la respuesta del ecualizador. Son más frágiles que los rotatorios y ocupan más espacio. Además suelen ser más sensibles al polvo.

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Potenciómetros múltiples. Son varios potenciómetros con sus ejes coaxiales, de modo que ocupan muy poco espacio. Se utilizaban en instrumentación, autorradios, etc.

Potenciómetros digitales. Se llama potenciómetro digital a un circuito integrado cuyo funcionamiento simula el de un potenciómetro Analógico. Se componen de un divisor de n+1 resistencias, con sus n puntos intermedios conectados a un multiplexor analógico que selecciona la salida. Se manejan a través de una interfaz serie (SPI, I2C, Microwire, o similar). Suelen tener una tolerancia en torno al 20 % y a esto hay que añadirle la resistencia debida a los switches internos, conocida como Rwiper. Los valores más comunes son de 10K y 100K aunque varía en función del fabricante con 32, 64, 128, 512 y 1024 posiciones en escala logarítmica o lineal. Los principales fabricantes son Maxim, Intersil y Analog Devices. Estos dispositivos poseen las mismas limitaciones que los conversores DAC como son la corriente máxima que pueden drenar, que está en el orden de los mA, la INL y la DNL, aunque generalmente son monotónicos.

Reostato

El reostato o reóstato es una de las dos funciones eléctricas del dispositivo denominado resistencia variable, resistor variable o ajustable. La función reostato consiste en la regulación de la intensidad de corriente a través de la carga, de forma que se controla la cantidad de energía que fluye hacia la misma; se puede realizar de dos maneras equivalentes: La primera conectando el cursor de la resistencia variable a la carga con uno de los extremos al terminal de la fuente; la segunda, conectando el cursor a uno de los extremos de la resistencia variable y a la carga y el otro a un borne de la fuente de energía eléctrica, es decir, en una topología, con la carga, de circuito conexión serie.

Los reostatos son usados en tecnología eléctrica (electrotecnia), en tareas tales como el arranque de motores o cualquier aplicación que requiera variación de resistencia para el control de la intensidad de corriente eléctrica.

Resistencia variable en función de reóstato (alrededor de 1900).

Termistor

31

Símbolo genérico de un termistor.

Símbolo NTC.

Símbolo PTC.

Un termistor es un sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor:

NTC (Negative Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura negativo

PTC (Positive Temperature Coefficient) – coeficiente de temperatura positivo (también llamado posi stor).

Cuando la temperatura aumenta, los tipo PTC aumentan su resistencia y los NTC la disminuyen.

El funcionamiento se basa en la variación de la resistencia del semiconductor debido al cambio de la temperatura ambiente, creando una variación en la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado. Usualmente, los termistores se fabrican a partir de óxidos semiconductores, tales como el óxido férrico, el óxido de níquel, o el óxido de cobalto.

Sin embargo, a diferencia de los sensores RTD, la variación de la resistencia con la temperatura no es lineal. Para un termistor NTC, la característica es hiperbólica. Para pequeños incrementos de temperatura, se darán grandes incrementos de resistencia. Por ejemplo, el siguiente modelo caracteriza la relación entre la temperatura y la resistencia mediante dos parámetros:

con

donde:

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 es la resistencia del termistor NTC a la temperatura T (K)

 es la resistencia del termistor NTC a la temperatura de referencia   (K)

B es la temperatura característica del material, entre 2000 K y 5000 K.

Por analogía a los sensores RTD, podría definirse un coeficiente de temperatura equivalente  , que para el modelo de dos parámetros quedaría:

Puede observarse como el valor de este coeficiente varía con la temperatura. Por ejemplo, para un termistor NTC con B = 4000 K y T = 25 °C, se tendrá un coeficiente

equivalente   = -0.045  , que será diez veces superior a la sensibilidad de un

sensor Pt100 con   = 0.00385  .

El error de este modelo en el margen de 0 a 50 °C es del orden de ±0.5 °C. Existen modelos más sofisticados con más parámetros que dan un error de aproximación aún menor.

En la siguiente figura se muestra la relación tensión – corriente de un termistor NTC, en la que aparecen los efectos del autocalentamiento.

Autocalentamiento.

A partir del punto A, los efectos del autocalentamiento se hacen más evidentes. Un aumento de la corriente implicará una mayor potencia disipada en el termistor, aumentando la temperatura de éste y disminuyendo su resistencia, dejando de aumentar la tensión que cae en el termistor. A partir del punto B, la pendiente pasa a ser negativa.

Tipos

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Termistor (tipo perla)

 

Termistor (tipo SMD)

 

Termistor (tipo disco)

 

Termistor (axial)

 

Sonda de medida

Inconvenientes de los termistores

Para obtener una buena estabilidad en los termistores es necesario envejecerlos adecuadamente. Pero el principal inconveniente del termistor es su falta de linealidad.

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Capacidad eléctrica

En electromagnetismo y electrónica, la capacidad eléctrica, también conocida como capacitancia, es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacidad también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste, se describe mediante la siguiente expresión matemática:

donde:

 es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.

 es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;

 es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.

Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del condensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad.

En la práctica, la dinámica eléctrica del condensador se expresa gracias a la siguiente ecuación diferencial, que se obtiene derivando respecto al tiempo la ecuación anterior.

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Donde i representa la corriente eléctrica, medida en amperios.

Donde:

C es la capacidad, en faradios;

A es el área de las placas, en metros cuadrados;

ε es la permitividad;

d es la separación entre las placas, en metros.

Energía

La energía almacenada en un condensador, medida en joules, es igual al trabajo realizado para cargarlo. Consideremos un condensador con una capacidad C, con una carga+q en una placa y -q en la otra. Para mover una pequeña

cantidad de carga   desde una placa hacia la otra en sentido contrario a la diferencia de potencial se debe realizar un trabajo  :

donde

W es el trabajo realizado, medido en julios;

q es la carga, medida en coulombios;

C es la capacidad, medida en faradios.

Es decir, para cargar un condensador hay que realizar un trabajo y parte de este trabajo queda almacenado en forma de energía potencial electrostática. Se puede calcular la energía almacenada en un condensador integrando esta ecuación. Si se comienza con un condensador descargado (q = 0) y se mueven cargas desde una de las placas hacia la otra hasta que adquieran cargas +Q y -Q respectivamente, se debe realizar un trabajo W:

Combinando esta expresión con la ecuación de arriba para la capacidad, obtenemos:

donde

W es la energía, medida en julios;

C es la capacidad, medida en faradios;

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V es la diferencia de potencial, medido en voltios;

Q es la carga almacenada, medida en coulombios.

Autocapacidad

Usualmente el término capacidad mutua se utiliza como abreviatura del término capacidad entre dos conductores cercanos, como las placas de un condensador. Sin embargo, para un conductor aislado también existe una propiedad llamada auto-capacitancia que es la cantidad de carga eléctrica que debe agregarse a un conductor aislado para aumentar su potencial en un voltio, para así calcular la capacidad eléctrica mediante un condensador paralelo o plano. El punto de referencia teórico para este potencial es una esfera hueca conductora, de radio infinito, centrado en el conductor. Usando este método, la auto-capacitancia de una esfera conductora de radio R está dada por:

Estos son algunos ejemplos de valores de auto-capacitancia:

Para el "plato" de la parte superior de un generador de Van de Graaff, normalmente una esfera de 20 cm de radio: 22.24 pF. El planeta Tierra: unos 710 µF.

Condensador eléctrico

Varios tipos de condensadores

Tipo Pasivo

Principio de funcionamiento

Capacidad eléctrica

Invención Ewald Georg von Kleist (1745)

Primera producción Hacia 1900

Símbolo electrónico

Configuración En condensadores electrolíticos: negativo y

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positivo; en cerámicos: no presentan polaridad

Un condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.1 2 Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga.

Nota terminológica

En algunos países se ha puesto de moda el uso del anglicismo capacitor para designar al condensador. Este uso, sin embargo, no es aceptado por la Real Academia de la Lengua, y por tanto no puede ser considerado Español correcto. 3

Funcionamiento

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a unad.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.

El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula:

en donde:

: Capacitancia o capacidad

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: Carga eléctrica almacenada en la placa 1.

: Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2.

Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la carga de la placa positiva o la de la negativa, ya que

aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.

En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la electrólisis.

Energía almacenada

Cuando aumenta la diferencia de potencial entre sus terminales, el condensador almacena carga eléctrica debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior; cuando esta disminuye, el condensador devuelve dicha carga al circuito. Matemáticamente se puede obtener que la energía  , almacenada por un condensador con capacidad  , que es conectado a una diferencia de

potencial  , viene dada por:

Fórmula para cualesquiera valores de tensión inicial y tensión final: 

Donde  es la carga inicial.   es la carga final.   es la tensión inicial.   es la tensión final.

Este hecho es aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de los transistores MOS para ahorrar componentes.

Carga y descarga

Véase también: Circuito RC

Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando.

Carga

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Descarga

Donde:

V(t) es la tensión en el condensador.

Vi es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del condensador.

Vf es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final (a régimen estacionario t>=4RC) entre las placas del condensador.

I(t) la intensidad de corriente que circula por el circuito.

RC es la capacitancia del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en Ohmios, llamada constante de tiempo.

En corriente alterna

En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la electricidad que recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del

producto de la pulsación ( ) por la capacidad, C:

Si la pulsación se expresa en radianes por segundo (rad/s) y la capacidad en faradios (F), la reactancia resultará en ohmios.

De acuerdo con la ley de Ohm, la corriente alterna que circule por el condensador se

adelantará 90º ( ) respecto a la tensión aplicada.

Asociaciones de condensadores

Asociación serie general.

Asociación paralelo general.

40

Los condensadores pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie:

y para la asociación en paralelo:

Es decir, el sumatorio de todas las capacidades de los condensadores conectados en paralelo.

Es fácil demostrar estas dos expresiones, para la primera solo hay que tener en cuenta que la carga almacenada en las placas es la misma en ambos condensadores (se tiene que inducir la misma cantidad de carga entre las placas y por tanto cambia la diferencia de potencial para mantener la capacitancia de cada uno), y por otro lado en la asociación en "paralelo", se tiene que la diferencia de potencial entre ambas placas tiene que ser la misma (debido al modo en el que están conectados), así que cambiará

la cantidad de carga. Como esta se encuentra en el numerador ( ) la suma de capacidades será simplemente la suma algebraica.

También vale recordar que el cálculo de la capacidad equivalente en paralelo es similar al cálculo de la resistencia de dos dispositivos en serie, y la capacidad o capacitancia en serie se calcula de forma similar a la resistencia en paralelo.

Condensadores variables

Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su capacidad. En el caso de un condensador plano, la capacidad puede expresarse por la siguiente ecuación:

donde:

 es la permitividad del vacío ≈ 8,854187817... × 10−12 F·m−1

 es la constante dieléctrica o permitividad relativa del material dieléctrico entre las placas;

A es el área efectiva de las placas;

y d es la distancia entre las placas o espesor del dieléctrico.

Para tener condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres últimas expresiones cambien de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento.

Otro tipo de condensador variable se presenta en los diodos Varicap.

41

Comportamientos ideal y real

Fig. 1: Condensador ideal.

El condensador ideal (figura 1) puede definirse a partir de la siguiente ecuación diferencial:

donde C es la capacidad, u(t) es la función diferencia de potencial aplicada a sus terminales e i(t) la corriente resultante que circula.

Comportamiento en corriente continua

Un condensador real en CC (DC en inglés) se comporta prácticamente como uno ideal, es decir, como un circuito abierto. Esto es así en régimen permanente ya que en régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con condensador, suceden fenómenos eléctricos transitorios que inciden sobre la d.d.p. en sus bornes (ver circuitos serie RL y RC).

Comportamiento en corriente alterna

Fig. 2: Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en un condensador.

Al conectar una CA sinusoidal v(t) a un condensador circulará una corriente i(t), también sinusoidal, que lo cargará, originando en sus bornes una caída de tensión, -vc(t), cuyo valor absoluto puede demostrarse que es igual al de v(t). Todo lo anterior, una vez alcanzado el régimen estacionario. Al decir que por el condensador «circula» una corriente, se debe puntualizar que, en realidad, dicha corriente nunca atraviesa su dieléctrico. Lo que sucede es que el condensador se carga y descarga al ritmo de la frecuencia de v(t), por lo que la corriente circula externamente entre sus armaduras.

42

Esto hace referencia a la corriente de conducción pero, en el interior del dieléctrico podemos hablar de la corriente de desplazamiento.

Fig. 3: Diagrama fasorial.

El fenómeno físico del comportamiento del condensador en CA se puede observar en la figura 2. Entre los 0º y los 90º i(t) va disminuyendo desde su valor máximo positivo a medida que aumenta su tensión de carga vc(t), llegando a ser nula cuando alcanza el valor máximo negativo a los 90º, puesto que la suma de tensiones es cero (vc(t)+ v(t) = 0) en ese momento. Entre los 90º y los 180º v(t) disminuye, y el condensador comienza a descargarse, disminuyendo por lo tanto vc(t). En los 180º el condensador está completamente descargado, alcanzando i(t) su valor máximo negativo. De los 180º a los 360º el razonamiento es similar al anterior.

De todo lo anterior se deduce que la corriente queda adelantada 90º respecto de la tensión aplicada. Considerando, por lo tanto, un condensador C, como el de la figura 1, al que se aplica una tensión alterna de valor:

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, adelantada 90º ( ) respecto a la tensión aplicada (figura 4), de valor:

donde  . Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

43

Figura 4. Circuitos equivalentes de un condensador en CA.

Y operando matemáticamente:

Por lo tanto, en los circuitos de CA, un condensador ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria negativa:

En el condensador real, habrá que tener en cuenta la resistencia de pérdidas de su dieléctrico, RC, pudiendo ser su circuito equivalente, o modelo, el que aparece en la figura 4a) o 4b) dependiendo del tipo de condensador y de la frecuencia a la que se trabaje, aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores.

Tipos de dieléctrico utilizados en condensadores

Condensadores electrolíticos axiales.

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Condensadores electrolíticos de tantalio.

Condensadores cerámicos, "SMD (montaje superficial)" y de "disco".

Condensador variable de una vieja radio AM.

Condensadores modernos.

Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados envidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas.

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Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos.

Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, baquelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce suhigroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar.

Condensadores autorregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autorregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras.

Condensadores electrolíticos. Es un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su primera armadura, la cual actúa como cátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda armadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un cortocircuito entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla el condensador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolito empleados:

Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas.

Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen.

Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias.

Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno.

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Condensadores de poliestireno. También conocidos comúnmente como Styroflex (marca registrada de Siemens). Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por disponer de coeficiente de temperatura inverso a las bobinas de sintonía, logrando de este modo estabilidad en los circuitos resonantes.

Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen diferentes tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas.

Condensadores síncronos. Es un motor síncrono que se comporta como un condensador.

Dieléctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que gira el eje.

Condensadores de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta.

Usos

Los condensadores suelen usarse para:

Baterías, por su cualidad de almacenar energía.

Memorias, por la misma cualidad.

Filtros.

Fuentes de alimentación.

Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con

otros componentes.

Demodular AM, junto con un diodo.

Osciladores de todos los tipos.

El flash de las cámaras fotográficas.

Tubos fluorescentes.

Compensación del factor de potencia.

Arranque de motores monofásicos de fase partida.

Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.

Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó

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indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

Esquema del principio de la inducción electromagnética

Inductor

Un inductor, bobina o reactor es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

Inductores de bajo costo.

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Tipo Pasivo

Principio de funcionamiento

Inducción electromagnética

Invención Michael Faraday(1831)

Símbolo electrónico

Construcción

Un inductor está constituido normalmente por una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético), para incrementar su capacidad de magnetismo.

Los inductores también pueden estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor.

El inductor consta de las siguientes partes:

Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente.

Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.

Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al

entrehierro. Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no,

de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado.

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Figura 1: Inductores, también llamados bobinas.

Funcionamiento de una bobina

Sea una bobina o solenoide de longitud l, sección S y de un número de espiras N, por el que circula una corriente eléctrica i(t).

Aplicando la Ley de Biot-Savart que relaciona la inducción magnética, B(t), con la causa que la produce, es decir, la corriente i(t) que circula por el solenoide, se obtiene que el flujo magnético Φ(t) que abarca es igual a:

Si el flujo magnético es variable en el tiempo, se genera en cada espira, según la Ley de Faraday, una fuerza electromotriz (f.e.m.) de autoinducción que, según la Ley de Lenz, tiende a oponerse a la causa que la produce, es decir, a la variación de la corriente eléctrica que genera dicho flujo magnético. Por esta razón suele llamarse fuerza contraelectromotriz. Ésta tiene el valor:

A la expresión   se le denomina Coeficiente de autoinducción, L, el cuál relaciona la variación de corriente con la f.e.m. inducida y, como se puede ver, depende de la geometría de la bobina y del núcleo en la que está devanada. Se mide en Henrios.

Energía almacenada

La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede demostrar (Fig. 5.3.6) que la energía  , almacenada por una bobina con inductancia  , que es recorrida por una corriente de intensidad  , viene dada por:

En circuitos

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Figura 1: Circuito con inductancia.

De la formulación física de la bobina se ha extraído la expresión:

Suponiendo una bobina ideal, (figura 1), sin pérdidas de carga, aplicando la segunda Ley de Kirchhoff, se tiene que:

Es decir, en toda bobina eléctrica dentro de un circuito se produce en ella una caída de tensión:

Despejando la intensidad:

Si en el instante t = 0, la bobina está cargada con una corriente I, ésta se puede sustituir por una bobina descargada y una fuente de intensidad de valor i(0) = I en paralelo.

La corriente por la bobina y por tanto el flujo no pueden variar bruscamente ya que si

no la tensión   debería hacerse infinita. Por eso al abrir un circuito en donde se halle conectada una bobina, siempre saltará un arco de corriente entre los bornes del interruptor que da salida a la corriente que descarga la bobina.

Cuando el inductor no es ideal porque tiene una resistencia interna en serie, la tensión aplicada es igual a la suma de la caída de tensión sobre la resistencia interna más la fuerza contra-electromotriz autoinducida.

En corriente alterna

En corriente alterna, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente

eléctrica que recibe el nombre de reactancia inductiva,  , cuyo valor viene dado por

el producto de la pulsación ( ) por la inductancia, L:

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Si la pulsación está en radianes por segundo (rad/s) y la inductancia en henrios (H) la reactancia resultará en ohmios.

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna que se verá retrasada

90º ( ) respecto a la tensión aplicada.

Asociaciones comunes

Figura 2. Asociación serie general.

Figura 3. Asociación paralelo general.

Al igual que las resistencias, las bobinas pueden asociarse en serie (figura 2), paralelo (figura 3) o de forma mixta. En estos casos, y siempre que no exista acoplamiento magnético, la inductancia equivalente para la asociación en serie vendrá dada por:

Para la asociación en paralelo tenemos:

Para la asociación mixta se procederá de forma análoga que con las resistencias.

Si se requiere una mayor comprensión del comportamiento reactivo de un inductor, es conveniente entonces analizar detalladamente la "Ley de Lenz" y comprobar de esta forma cómo se origina una reactancia de tipo inductiva, la cual nace debido a una oposición que le presenta el inductor o bobina a la variación de flujo magnético.

Comportamientos ideal y real

En corriente continua

Una bobina ideal en corriente continua se comporta como un cortocircuito (conductor ideal), ya que al ser i(t) constante, es decir, no varía con el tiempo, no hay autoinducción de ninguna f.e.m.

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Una bobina real en régimen permanente se comporta como

una resistencia cuyo valor   (figura 6a) será el de su devanado.

En régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente (ver circuitos serie RL y RC).

En corriente alterna

Figura 4. Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en una bobina.

Al conectar una CA senoidal v(t) a una bobina aparecerá una corriente i(t), también senoidal, esto es, variable, por lo que, como se comentó más arriba, aparecerá una fuerza contraelectromotriz, -e(t), cuyo valor absoluto puede demostrase que es igual al de v(t). Por tanto, cuando la corriente i(t) aumenta, e (t) disminuye para dificultar dicho aumento; análogamente, cuando i(t) disminuye, e(t) aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto puede apreciarse en el diagrama de la figura 4. Entre 0º y 90º la curva i(t) es negativa, disminuyendo desde su valor máximo negativo hasta cero, observándose que e(t) va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre 90º y 180º, la corriente aumenta desde cero hasta su valor máximo positivo, mientras e(t) disminuye hasta ser cero. Desde 180º hasta los 360º el razonamiento es similar al anterior.

Figura 5. Diagrama fasorial.

Dado que la tensión aplicada, v(t) es igual a -e(t), o lo que es lo mismo, está desfasada 180º respecto de e(t), resulta que la corriente i(t) queda retrasada 90º respecto de la tensión aplicada. Consideremos por lo tanto, una bobina L, como la de la figura 1, a la que se aplica una tensión alterna de valor:

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Figura 6.: Circuitos equivalentes de una bobina real en CC, a), y en CA, b) y c).

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, retrasada 90º ( ) respecto a la tensión aplicada (figura 5), de valor:

donde  . Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

Y operando matemáticamente:

Por lo tanto, en los circuitos de CA, una bobina ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria positiva:

En la bobina real, habrá que tener en cuenta la resistencia de su bobinado, RL, pudiendo ser su circuito equivalente o modelo, el que aparece en la figura 6b) o 6c) dependiendo del tipo de bobina o frecuencia de funcionamiento, aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores.

Comportamiento a la interrupción del circuito

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La alimentación carga el inductor a través la resistencia.

Examinemos el comportamiento práctico de un inductor cuando se interrumpe el circuito que lo alimenta. En el dibujo de derecha aparece un inductor que se carga a través una resistencia y un interruptor. El condensador dibujado en punteado representa las capacitancias parásitas del inductor. Está dibujado separado del inductor, pero en realidad forma parte de él, porque representa las capacidades parásitas de las vueltas del devanado entre ellas mismas. Todo inductor tiene capacidades parásitas, incluso los devanados especialmente concebidos para minimizarlas como el devanado en "nido de abejas".

El interruptor se abre. La corriente solo puede circular cargando las capacidades parásitas.

A un cierto momento   el interruptor se abre. Si miramos la definición de inductancia:

vemos que, para que la corriente que atraviesa el inductor se detenga instantáneamente, seria necesario la aparición de una tensión infinita, y eso no puede suceder. Por esa razon la corriente continúa circulando a través de las capacidades parásitas de la bobina. Al principio, el único camino que tiene es a través las capacidades parásitas. La corriente continúa circulando a través la capacidad parásita, cargando negativamente el punto alto del condensador en el dibujo.

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En el instante   el interruptor de abre dejando la inductancia oscilar con las capacidades parásitas.

Nos encontramos con un circuito LC que oscilará a una pulsación:

donde   es el valor equivalente de las capacidades parásitas. Si los aislamientos del devanado son suficientemente resistentes a las altas tensiones, y si el interruptor interrumpe bien el circuito, la oscilación continuará con una amplitud que se amortiguará debido a las pérdidas dieléctricas y resistivas de las capacidades parásitas y del conductor del inductor. Si además, el inductor tiene un núcleo ferromagnético, habrá también pérdidas en el núcleo.

Hay que ver que la tensión máxima (conocida como "sobretensión") de la oscilación puede ser muy grande, ya que el máximo de la tensión corresponde al momento en el

cual toda la energía almacenada en la bobina   habrá pasado a las capacidades

parásitas  . Si estas son pequeñas, la tensión puede ser muy grande y pueden producirse arcos eléctricos entre vueltas de la bobina o entre los contactos abiertos del interruptor.

Aunque los arcos eléctricos sean frecuentemente perniciosos y peligrosos, otras veces son útiles y deseados. Es el caso de la soldadura al arco, lámparas a arco, alto horno eléctrico y hornos a arco. En el caso de la soldadura al arco, el interruptor de nuestro diagrama es el contacto entre el metal a soldar y el electrodo.

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Si la tensión es grande pueden producirse arcos en el interruptor o en la bobina.

Lo que sucede cuando el arco aparece depende de las características eléctricas del arco. Y las características de un arco dependen de la corriente que lo atraviesa. Cuando la corriente es grande (decenas de amperios), el arco está formado por un camino espeso de moléculas y átomos ionizados que presentan poca resistencia eléctrica y una inercia térmica que lo hace durar. El arco disipa centenas de vatios y puede fundir metales y crear incendios. Si el arco se produce entre los contactos del interruptor, el circuito no estará verdaderamente abierto y la corriente continuará circulando. Los arcos no deseados constituyen un problema serio y difícil de resolver cuando se utilizan altas tensiones y grandes potencias.

En el instante   se produce un arco que dura hasta el instante  . A partir de ese momento, la inductancia oscila con las capacidades parásitas. En punteado la

corriente y la tensión que habría si el arco no se produjese.

Cuando las corrientes son pequeñas, el arco se enfría rápidamente y deja de conducir la electricidad. En el dibujo de la derecha hemos ilustrado un caso particular que puede producirse, pero que solo es uno de los casos posibles. Hemos ampliado la escala del tiempo alrededor de la apertura del interruptor y de la formación del arco.

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Después de la apertura del interruptor, la tensión a los bornes de la inductancia aumenta (con signo contrario). En el instante  , la tensión es suficiente para crear un arco entre dos vueltas de la bobina. El arco presenta poca resistencia eléctrica y descarga rápidamente las capacidades parásitas. La corriente, en lugar de continuar cargando las capacidades parásitas, comienza a pasar por el arco. Hemos dibujado el caso en el cual la tensión del arco es relativamente constante. La corriente del inductor disminuye hasta que al instante   sea demasiado pequeña para mantener el arco y este se apaga y deja de conducir. La corriente vuelve a pasar por las capacidades parásitas y esta vez la oscilación continúa amortiguándose y sin crear nuevos arcos, ya que esta vez la tensión no alcanzará valores demasiado grandes. Recordemos que este es solamente un caso posible.

Se puede explicar por qué una persona puede recibir una pequeña descarga eléctrica al medir la resistencia de un bobinado con un simple óhmetro que solo puede alimentar unos miliamperios y unos pocos voltios. La razón es que para medir la resistencia del bobinado, le hace circular unos miliamperios. Si, cuando se desconectan los cables del óhmetro, se sigue tocando con los dedos los bornes de la bobina, los miliamperios que circulaban en ella continuarán haciéndolo, pero pasando por los dedos.

Análisis de transitorios

El diodo sirve de camino a la corriente del inductor cuando el transistor se bloquea. Esto evita la aparición de altas tensiones entre el colector y la base del transistor.

La regla es que, para evitar los arcos o las sobretensiones, hay que proteger los circuitos previendo un pasaje para la corriente del inductor cuando el circuito se interrumpe. En el diagrama de la derecha hay un ejemplo de un transistor que controla la corriente en una bobina (la de un relé, por ejemplo). Cuando el transistor se bloquea, la corriente que circula en la bobina carga las capacidades parásitas y la tensión del colector aumenta y puede sobrepasar fácilmente la tensión máxima de la unión colector-base y destruir el transistor. Colocando un diodo como en el diagrama, la corriente encuentra un camino en el diodo y la tensión del colector estará limitada a la tensión de alimentación más los 0,6 V del diodo. El precio funcional de esta protección es que la corriente de la bobina tarda más en disminuir y eso, en algunos casos, puede ser un inconveniente. Se puede disminuir el tiempo si, en lugar de un diodo rectificador, se coloca un diodo zener o Transil. No hay que olvidar que el dispositivo de protección deberá ser capaz de absorber casi toda la energía almacenada en el inductor.

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Solenoide

Solenoide.

Líneas del campo magnético sobre un solenoide atravesado por una corriente.

Aplicaciones del solenoide.

Un solenoide es cualquier dispositivo físico capaz de crear un campo magnético sumamente uniforme e intenso en su interior, y muy débil en el exterior. Un ejemplo teórico es el de una bobina de hilo conductor aislado y enrollado helicoidalmente, de longitud infinita. En ese caso ideal el campo magnético sería uniforme en su interior y, como consecuencia, afuera sería nulo.

En la práctica, una aproximación real a un solenoide es un alambre aislado, de longitud finita, enrollado en forma de hélice (bobina) o un número de espirales con un paso acorde a las necesidades, por el que circula una corriente eléctrica. Cuando esto sucede, se genera un campo magnético dentro de la bobina tanto más uniforme cuanto más larga sea la bobina.

La bobina con un núcleo apropiado, se convierte en un electroimán. Se utiliza en gran medida para generar un campo magnético uniforme.

Se puede calcular el módulo del campo magnético en el tercio medio del solenoide según la ecuación:

Donde:

m: permeabilidad magnética.

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N: número de espiras del solenoide.

i: corriente que circula.

L: longitud total del solenoide.

Mientras que el campo magnético en los extremos de este pueden aproximarse como:

Válvulas solenoides

Este tipo de bobinas es utilizado para accionar un tipo de válvula, llamada válvula solenoide, que responde a pulsos eléctricos respecto de su apertura y cierre. Eventualmente controlable por programa, su aplicación más recurrente en la actualidad, tiene relación con sistemas de regulación hidráulica y neumática.

El mecanismo que acopla y desacopla el motor de arranque de los motores de combustión interna en el momento de su puesta en marcha es un solenoide.

Bobina de Rogowski

Bobina de Rogowski.

La bobina de Rogowski, llamada así en honor a su inventor Walter Rogowski, es un dispositivo electrónico, usado comotransductor para medir corriente alterna (AC) o pulsos rápidos de corriente.

Consiste en una bobina de cable en forma de hélice, alrededor de una circunferencia, como un toroide, pero con núcleo de aire, y las dos terminales están cercanas entre si. Una vez que se tiene esta, la bobina se cierra alrededor del cable conductor que transporta la corriente que se quiere medir. Dado que el voltaje inducido en la bobina es proporcional a la velocidad con la que varía la corriente que se mide en el cable, o a su derivada temporal, la salida obtenida en la bobina de Rogowski es usualmente conectada a un dispositivo integrador para obtener la señal proporcional a la corriente.

Una ventaja de la bobina de Rogowski frente a otros tipos de transformadores de corriente es que por su diseño puede ser abierta y flexible, lo cual permite medir un cable conductor sin perturbarlo. Dado que la bobina de Rogowski no tiene núcleo de hierro, sino de aire, esta permite tener una baja inductancia y respuesta a corrientes de rápida variación. Además, la ausencia de núcleo de hierro que sature, brinda alta linealidad, aún midiendo grandes corrientes, tales como las que se observan en transmisión de energía eléctrica de alta potencia, soldadura, o aplicaciones con pulsos de alta potencia. Una bobina de Rogowski construida apropiadamente, con el

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bobinado uniformemente espaciado, también presenta alta inmunidad a interferencia electromagnética.

La descripción definitiva fue dada por Walter Rogowski y W. Steinhaus en "Die Messung der magnetischen Spannung", Archiv für Elektrotechnik, 1912, 1, Pt.4, pp.141-150.

Recientemente se han desarrollado sensores de corriente de bajo costo basados en el principio de la bobina de Rogowski, que utilizan su principio básico, la diferencia está en que el sensor puede ser hecho usando una bobina plana en lugar de la bobina toroidal. Para rechazar la influencia de conductores externos a la zona de medición, estos sensores usan una geometría de bobina concéntrica en lugar de la toroidal para reducir la respuesta a campos externos. La ventaja principal de un sensor de corriente planar Rogowski, es que la precisión con la que se hace el devanado, la cual es un requerimiento para obtener buenas mediciones, puede ser lograda usando placas de circuito impreso de bajo costo.