Electrónica. Trucos y secretos

Impedancia

Cuando una corriente alterna circula por un circuito eléctrico, puede sufrir cierta resistencia a su flujo, como ocurre en una corriente continua. En estos casos, no hablamos simplemente de resistencia, sino de impedancia (Z), que siempre se mide en ohmios y es un número complejo. Esto significa que está formado por dos componentes, como si fuera una especie de coordenada.

A diferencia del caso continuo, donde solo los resistores se oponen al paso de la corriente, en la corriente alterna o variable también pueden influir otros dipolos. Como ya hemos visto, condensadores e inductancias tienen un comportamiento que varía con la frecuencia de la señal. En concreto, ofrecen una resistencia mayor o menor según la frecuencia que los atraviesa. Estos dipolos, además de ofrecer resistencia al paso de la corriente, también actúan modificando la fase entre los componentes de tensión y corriente. La impedancia es, por tanto, una generalización de la ley de Ohm, y podemos expresarla como una relación entre el componente de tensión y corriente (expresadas como fasores):

Como ya hemos visto, un fasor es un número complejo, es decir, un número formado por dos componentes que pueden ser trazados sobre dos dimensiones. Así, la impedancia puede expresarse de este modo:

Z = R + jX

El componente horizontal R es igual a una resistencia auténtica, mientras que el componente X, situado sobre el eje vertical, se denomina reactancia y se debe a la presencia de bobinas y condensadores.

A veces también se habla de admitancia, que no es más que lo contrario de la impedancia y se expresa con la letra Y:

Podemos crear circuitos formados por dipolos caracterizados por un valor de impedancia que depende de la frecuencia a la cual trabaja el circuito. Los dipolos pueden ser combinados en serie o en paralelo, como ocurre con una simple resistencia. En el caso de los dipolos en serie, la impedancia resultante será igual a la suma de las impedancias de cada uno de los componentes:

Varios dipolos en paralelo tienen una admitancia equivalente a la suma de las admitancias de cada uno de los dipolos:

Podemos volver a escribir el conjunto de un modo más familiar, diciendo que el inverso de la impedancia de varios dipolos es igual a la suma de los inversos de cada una de las impedancias:

Figura 1.34 – Dipolos en serie (1) y en paralelo (2).

Potencia en los circuitos en corriente alterna

La fórmula para el cálculo de la potencia que hemos visto anteriormente no funciona para un circuito que contenga condensadores e inductores. Como ya hemos comprobado, estos componentes pueden almacenar energía que luego liberan y la energía proporcionada al circuito es en parte absorbida y en parte disipada (si existen componentes resistivos). Así, las cosas se van complicando y se habla de potencia aparente, que se calcula de forma muy parecida, aunque tenga, como ya hemos visto, un significado distinto.

VA = V_eff · I_eff

En lugar de expresarla con la letra P, se utiliza la sigla VA y no se mide en vatios, porque no tendría mucho sentido, sino en VA (voltiamperios).

Imaginemos que tenemos un circuito formado por un generador de tensión sinusoidal conectado a una impedancia. El generador tiene una tensión efectiva que indicamos mediante V_eff o V_RMS, que es igual a la tensión de pico dividida por la raíz cuadrada de 2. Estamos acostumbrados a expresar la tensión alterna utilizando su valor eficaz. Por ejemplo, sabemos que la tensión de red que llega a nuestras casas tiene un valor de 230 V, que equivale a la tensión efectiva (o RMS), mientras que su valor de pico es de unos 325 V.

Podemos expresar la impedancia conectada al generador con un número complejo Z:

Z = R + jX

Este número tiene un componente R, denominado real, que corresponde a los componentes resistivos presentes en el circuito, y un componente X, denominado reactivo, que tiene en cuenta los efectos energéticos imputables a bobinas y condensadores presentes dentro del circuito. Los componentes resistivos dispensan una potencia real y expresada en vatios:

Para los componentes reactivos hablaremos de potencia reactiva, que se expresará con el término VAR y se medirá en VA (voltiamperios):

Se nos podría ocurrir sumar las dos potencias para obtener la potencia aparente, pero estaríamos cometiendo un error:

P_R + VAR ≠ VA

Debemos tener en cuenta la fase que tienen los distintos componentes para poder combinarlos de manera correcta.

Otro parámetro importante que podemos encontrar en este tipo de circuitos es el factor de potencia (power factor), con el cual se indica el equilibrio o desequilibrio de las potencias reactivas en un circuito. La expresión es muy sencilla y se expresa normalmente como porcentaje:

En el numerador podemos ver la potencia resistiva, mientras que en el denominador tenemos la potencia aparente.

Decibelios

Los decibelios se utilizan para indicar fácilmente la relación entre dos magnitudes que pueden ser muy distintas. Según el tipo de magnitudes que se están comparando, se utilizan dos fórmulas distintas: una para comparar magnitudes como simples tensiones y otra para comparar potencias. Para ejecutar el cálculo se debe utilizar un logaritmo de base diez: sin profundizar en ello, pueden encontrar la función en una calculadora científica o en una hoja de cálculo. El logaritmo es un operador que simplifica los números y ayuda en las comparaciones cuando estamos comparando números muy grandes con números muy pequeños. La fórmula para las tensiones es:

La fórmula para las potencias es:

El logaritmo tiene un comportamiento particular. De hecho, si la relación entre las tensiones es mayor que 1, los decibelios tienen el signo más; si la relación es igual a 1, tendremos 0 decibelios, y para las relaciones menores de 1, tendremos decibelios negativos.

__________

¹ El sistema sexagesimal para medir la amplitud de los ángulos parte de 0° y llega hasta 360°.

² La letra griega π (PI) se utiliza para indicar una constante matemática igual a aproximadamente 3.14.

³ Letra griega fi.

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Componentes pasivos

Los componentes pasivos son fundamentales para la creación de circuitos. Resistores, condensadores y bobinas tienen propiedades y comportamientos distintos cuando se alimentan con corriente continua o alterna. Trataremos también motores, relés, altavoces y micrófonos.

1. Leer el valor de una resistencia

Aprendemos a leer el valor de una resistencia en 4 o 5 bandas de colores.

Las resistencias son los componentes electrónicos más conocidos dentro de los circuitos electrónicos. El formato más común es el denominado de agujero pasante (through- hole), es decir, formado por un componente similar a una pequeña salchicha con dos terminales metálicos. Las resistencias tienen valores que van de algunos ohmios o fracciones de ohmio a millones de ohmios. Se utilizan para introducir tensión o corriente dentro de los circuitos. El modelo más habitual es el que tiene una tolerancia del 5 % medida a 25 °C, lo que significa que una resistencia de 100 Ω podría tener un valor de entre 95 y 105 Ω. En el mercado se pueden encontrar componentes con las siguientes tolerancias: 1 %, 2 %, 5 %, 10 % y 20 %. El valor más o menos preciso depende de la tecnología utilizada en la construcción, así como del proceso mismo, que puede ser más o menos preciso.

Las resistencias del 5 % se identifican porque tienen cuatro bandas de colores y una de las líneas, situada en un extremo, es de color dorado. Para leer la resistencia, mantenemos la banda dorada a nuestra derecha y, a continuación, leemos las bandas de izquierda a derecha, utilizando el esquema de los colores que muestra la figura 2.1 y descrito en la tabla 2.1.

Figura 2.1 – Lectura del valor de una resistencia.

Tabla 2.1 – Códigos de color para la lectura de los resistores.

Supongamos que tenemos una resistencia con las bandas de color marrón, negro, amarillo y oro:

1. sujetamos el componente manteniendo la banda dorada a nuestra derecha;

2. empezamos a leer las bandas de izquierda a derecha;

3. la primera banda es de color marrón;

4. anotamos 1 en un papel;

5. la segunda banda es negra, por lo que escribimos 0;

6. la tercera banda es amarilla, por lo que escribimos 4;

7. sobre el papel, hemos escrito 1 0 4 (¡esto todavía no es el valor de la resistencia!);

Figura 2.2 – Leemos las bandas del resistor y anotamos en un papel el código que corresponde a cada color.

8. eliminamos la tercera cifra y la sustituimos por el número de ceros igual al valor de la cifra; eliminamos el número 4 y escribimos en su lugar cuatro ceros: 0 0 0 0;

Figura 2.3 – Sustituimos la tercera cifra con el correspondiente número de ceros.

9. ¡la resistencia vale 100 000 Ω!

Sin embargo, en lugar de escribir 100 000 Ω, los electrónicos prefieren escribir 100 kΩ. Los números hasta 999 se escriben sin abreviaciones. Los números por encima del millar se escriben con una k que significa kilo:

• 1 kΩ = 1000 Ω

• 10 kΩ = 10 000 Ω

• 100 kΩ = 100 000 Ω

Tras los k tenemos los mega, M. Si tenemos un resistor de un millón de Ω, 1 000 000 Ω, escribiremos 1 MΩ. ¡A veces el símbolo k o M se utiliza también como coma! Veamos algún ejemplo con el cual podríamos encontrarnos:

• 2k2 = 2200 Ω

• 4k7 = 47 000 Ω

• 3M3 = 3 300 000 Ω

Las resistencias del 5 % se producen solo en una serie limitada de valores. Los valores permitidos respetan esta escala: 1, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8, 8.2, 10. No encontraremos nunca una resistencia de 20 Ω, sino de 22 Ω o de 18 Ω. No existen componentes de 500 kΩ, sino de 470 kΩ o de 560 kΩ.

Tratemos de leer algunas resistencias con cuatro series de bandas como se muestra en la figura 2.4. El primer resistor tiene estas bandas de color: marrón, negro, negro, oro. Su valor es, por tanto, de 10 Ω. La segunda resistencia tiene estas bandas de color: amarillo, morado, naranja y oro. Su valor es de 47 kΩ. La tercera resistencia tiene las bandas de color marrón, negro, oro y oro. Por tanto, tendremos 1, 0, es decir, 10, que se deberá multiplicar por el multiplicador oro, que es igual a 0.1: así, obtendremos 1 Ω. La última resistencia tiene las bandas de color rojo, rojo, plata y oro. Si recordamos que la banda de plata corresponde a un multiplicador igual a 0.01, obtendremos un valor de 0.22 Ω.

Figura 2.4 – Resistores del 5 %: (1) 10 Ω, (2), 47 kΩ, (3) 1 Ω, (4) 0.22 Ω.

Existen resistores más precisos que los del 5 % y el procedimiento para su interpretación es exactamente igual. Estos modelos también tienen bandas sobre su cuerpo, aunque en este caso son cinco en lugar de cuatro. El método de lectura es idéntico: la cifra se compone leyendo las cuatro primeras bandas y tratando la cuarta como multiplicador. La quinta banda indica la precisión y para las resistencias del 1 % es de color marrón, mientras que para las del 2 % es de color rojo. En la figura 2.5 podéis ver dos resistores con cinco bandas. El primero tiene las bandas de color marrón, rojo, negro, rojo y marrón. Para las primeras cuatro, traducimos los colores en números y obtenemos 1202. Sustituimos el último número, el 2, por dos 0 y obtenemos 12 000 y, por tanto, 12 kΩ del 1 %, porque la última banda es de color marrón. Para la segunda resistencia, tenemos los colores blanco, marrón, negro, rojo, rojo. La última banda es de color rojo y, por tanto, la resistencia es del 2 %. Las otras bandas se traducen en el número 9102. Sustituimos la última cifra por dos ceros y obtenemos 91 000, es decir, 91 kΩ.

Figura 2.5 – Resistor al 1 % de 12 kΩ y resistor al 2 % de 91 kΩ.

En algunas resistencias como las de hilo o las cerámicas, el valor está impreso directamente sobre el cuerpo del componente, por lo que, a menos que el color del texto se desgaste, su lectura no supone ninguna dificultad. En una resistencia de 10 Ω y 5 W de potencia, sería posible, por ejemplo, encontrar un texto parecido a este: 5 W 10 J. La letra J indica la tolerancia, en este caso, del 10 %. En este tipo de resistencias, también es posible encontrar una R, que significa simplemente ohmios y también se utiliza como coma. Estos serían algunos ejemplos:

• 0R1 = 0.1 Ω

• 1R5 = 1.5 Ω

• R01 = 0.01 Ω

Figura 2.6 – Resistores de potencia: (1) 1.2 Ω y 10 W, (2) 100 Ω y 5 W.

2. Leer el valor de una resistencia de montaje superficial (SMD)

Aprendemos a leer el valor de una resistencia de montaje superficial (SMD o SMT).

Los circuitos electrónicos modernos están creados con tecnologías de montaje superficial (SMT, Surface Mount Technology) y utilizan componentes de dimensiones muy pequeñas (SMD, Surface Mount Device) que no requieren la perforación de las placas para permitir el paso de los terminales. Los resistores de este tipo están disponibles en distintos formatos. Unos son muy parecidos a una resistencia sin terminales: pequeños cilindros con placas conductoras a sus extremos. Este tipo de componentes se denomina MELF (Metal Electrode Leadless Face) o mini-MELF, según las dimensiones. Se trata de resistencias con un coeficiente térmico muy bajo y una buena estabilidad (su valor cambia poco cuando varía la temperatura). La lectura del valor de estas resistencias es sencilla, porque se encuentran marcadas con el mismo sistema de bandas de colores de los resistores de agujero pasante. Una resistencia MELF tiene 5.8 mm de largo y un diámetro de 2.2 mm.

Figura 2.7 – Resistor MELF de 120 kΩ del 5 %.

La otra tipología de resistencias incluye las que tienen forma rectangular, mucho más sencillas de soldar sobre un circuito impreso, pero mucho más pequeñas. Estas resistencias tienen la forma de una pequeña placa de color negro y muestran textos de fácil interpretación que indican el valor de la resistencia. Las dimensiones de este tipo de resistencias se expresan en fracciones de pulgadas. Los formatos utilizados son 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210, 1218, 2010, 2512. Uno de los más utilizados es el 0603, el cual corresponde a una resistencia de 0.06 x 0.03 pulgadas.

Las resistencias SMD utilizan un sistema similar al de las resistencias de hilo y sobre su cuerpo, de dimensiones muy reducidas, se puede ver impreso directamente el valor expresado en 3 o 4 cifras. Según el caso, se podrían leer expresiones como la siguiente: 223. La lectura es similar a la interpretación de las bandas de colores; de hecho, la última cifra es el multiplicador y, para obtener el valor del componente, solo tendrán que sustituirlo con el número correspondiente de cero. Así, 223 se convierte en 22 000 y, por tanto, en 22 kΩ. Estos son otros ejemplos:

• 102 equivale a 1 kΩ

• 103 equivale a 10 kΩ

• 2202 (de cuatro cifras) equivale a 22 kΩ

• 1R0 equivale a 1 Ω

• R10 equivale a 0.10 Ω

• 0 equivale a 0 Ω, normalmente utilizada como jumper para saltar pistas.

La letra R se utiliza en lugar de la coma para tener una mayor legibilidad. Las resistencias con valores por debajo de 10 Ω no disponen de multiplicador.

En algunos casos pueden aparecer siglas formadas por números y una letra. Esta expresión sigue un estándar denominado EIA-96 y, para interpretar el valor, es necesario utilizar una tabla de conversión. Las primeras dos cifras indican el valor y la letra final es el multiplicador.

Tabla 2.2 – Códigos EIA-96 para marcar las resistencias SMD.

Tabla 2.3 – Multiplicadores para los códigos EIA-96.

Utilizando las tablas 2.2 y 2.3, es posible interpretar el valor que aparece sobre el cuerpo de la resistencia. Si leyéramos el código 01A, primero deberíamos buscar en la tabla 2.2 el valor correspondiente a la posición 01 (en este caso 100) y, después, buscar el multiplicador A dentro de la tabla 2.3. La resistencia, por tanto, tendrá un valor igual a 100 x 1 = 100 Ω.

Aquí tienen otros ejemplos:

• 66X que se lee 475 x 0.1 = 47.5 Ω

• 85Z que se lee 750 x 0.001 = 0.75 Ω

• 36H que se lee 232 x 10 = 2320 Ω, es decir 2.32 kΩ

Figura 2.8 – Resistores SMD: (1) componente SMD 0603 de 1 kΩ, (2) algunos ejemplos de expresiones de valores de 3 y 4 cifras con sistema clásico y EIA-96.

3. Medir una resistencia

Podemos medir el valor de una resistencia utilizando un tester o un multímetro.

En caso de duda o para comprobar la lectura del valor de un resistor, es posible utilizar un tester o un multímetro. Para medir el componente deben:

1. conseguir un tester o un multímetro digital;

2. tener acceso a los terminales de la resistencia y, en caso de que se encuentre soldada en un circuito, soltar uno, si puede ser desoldándolo;

3. configurar el tester en la unidad de las resistencias;

4. seleccionar el flujo para que esté en el intervalo superior al que hay que medir (si la resistencia es de 100 Ω, configurar el tester en 200 Ω). Si no conocen este valor, empiecen por la configuración máxima y redúzcanla hasta obtener la unidad más precisa;

5. comprobar que las sondas estén conectadas en los terminales COM y V/Ω;

6. tocar firmemente con las puntas de las sondas los dos terminales del resistor y esperar unos instantes a que la lectura se estabilice.

Figura 2.9 – Inserten las sondas en los terminales COM y V/Ω.

Figura 2.10 – Seleccionen el flujo adecuado y, en el caso de que no se conozca la resistencia, empiecen por el más alto y vayan bajando.

Figura 2.11 – Toquen con las puntas el componente que se desea medir. En esta foto, para tener un contacto más estable, he utilizado pinzas de cocodrilo.

A menudo tendremos la tentación de medir el componente directamente sobre la placa en la que se encuentra montado, sin extraerlo. En estas condiciones, los componentes existentes influyen sobre el valor leído por el tester y, obviamente, este valor no es fiable. Este tipo de medida puede servir solo como comprobación aproximada para saber si un componente se acerca más o menos al valor indicado: no es fiable en absoluto. Presten mucha atención a no realizar medidas de este tipo sobre circuitos con corriente. Para medir con seguridad el valor de la resistencia, esta no debe estar alimentada.

Un resistor dañado presenta un aspecto parduzco y quemaduras evidentes, y también podría tener los colores alterados o mostrar expresiones ilegibles. En el caso de que se interrumpa, no medirá nada, aunque a veces puede presentar un valor alterado y, por tanto, medir de un modo incorrecto. Habitualmente, un resistor dañado presenta un único punto de ruptura: con la ayuda de una lupa pueden identificar el punto de interrupción y medir las dos partes para obtener el valor original, sumando los valores detectados.

También pueden obtener el valor de una resistencia en modo operativo, sin medirla directamente, sino identificando la corriente que pasa por ella y la tensión en sus extremos. Utilicen la ley de Ohm para obtener su valor.

Si en los extremos de un resistor se detectan 12 V y consiguen medir que la corriente que lo atraviesa es igual a 10 mA, su valor será: