Resistencias o resistores (Conceptos básicos)

  Han pasado casi 4 años desde que publiqué la última entrada en este blog (diciembre 2014); cuando comencé con este blog en el 2011, lo hice para no desesperarme y tratar de sobrellevar algunos problemas de salud que tenía en ese entonces. En esta ocasión, nuevamente tengo algunos inconvenientes de salud menores por lo que no pude asistir el día de hoy a impartir clase en el instituto en donde actualmente trabajo. Desde el escritorio donde me encuentro redactando esta entrada, mando un afectuoso saludo a todos los lectores, en especial, a los compañeros(as) de la materia de Física General, esperando que la información aquí publicada les sea de utilidad. Comenzamos...

De los elementos y compuestos que existen en la naturaleza, algunos de ellos presentan cierta resistencia u oposición al flujo de electrones a través de ellos. Esta propiedad se le conoce como resistencia eléctrica o simplemente resistencia (R), la unidad de medición en el Sistema Internacional (SI) es el ohm (Ω, letra griega omega), nombrado así en honor al físico - matemático alemán, Georg Simon Ohm, quien estudió la relación entre la corriente eléctrica (I), el voltaje (E) y la resistencia (R), dando origen a una famosa ley, conocida como "Ley de Ohm".

El símbolo básico de una resistencia utilizado en los diagramas electrónicos; es el que se muestra a continuación:

 

 Figura 1. Símbolo que representa un elemento resistivo o resistencia simple.

 A dicho símbolo, se le coloca la letra "R" junto con un número que identifica a la resistencia, así también, el valor en ohms de esa resistencia ya sea utilizando valores enteros o con los prefijos Kilo- (k) o Mega- (M):

  

Figura 2. Nomenclatura utilizada para indicar valores en las resistencias.

El aspecto físico y tamaño de una resistencia varía según la aplicación, el material con el que está construida y su la capacidad de disipar calor (W, Watts). El aspecto de una resistencia común comercial es el que se muestra en la Figura 3:

Figura 3. Encapsulado de una resistencia comercial estándar de 1/2 W.

El encapsulado de una resistencia, como se mencionó anteriormente, también varía en función de la capacidad para disipar calor (W, Watts), que genera el flujo de corriente eléctrica (I) a través de ella:

Figura 4. Distintos tipos de encapsulados.

También dependiendo de su aplicación; existen resistencias variables manualmente, llamadas potenciómetros, presets y trimpots:

Figura 5. Símbolo y diversos aspectos físicos de un potenciómetro.

Resistencias que varían con la intensidad de luz que incide sobre ellas, denominadas fotorresistencias (LDR, Light Dependent Resistor)

 

 Figura 6. Símbolos y aspecto físico de una fotorresistencia o LDR.

Y resistencias que incrementan o decrementan su valor con la temperatura, nombradas como termistores (tipo PTC o NTC).

Figura 7. Símbolos y aspecto físico de un termistor PTC.

Después de comentar de forma general los tipos y encapsulados de algunas resistencias, se habrá notado que algunas permiten estampar el valor en ohms en su superficie, mientras que otras utilizan números y franjas de colores, éstas últimas son las que se estudiarán a continuación. Como se observó en la Figura 3, el encapsulado de las resistencias comerciales estándar, posee 4 franjas de distintos colores para expresar su valor de resistencia, éstas franjas indican lo siguiente:

Figura 8. Código de colores para saber el valor de una resistencia comercial estandar.

1a. Banda: Corresponde al primer dígito de la cantidad en ohms. 

2a. Banda: Corresponde al segundo dígito de la cantidad en ohms. 

3a. Banda: Corresponde al multiplicador o al número de ceros que se agregan a los dos dígitos anteriores.

4a. Banda: Corresponde a la tolerancia del valor indicado por las 3 bandas anteriores.

En la resistencia que se muestra en la Figura 8, se tienen los colores: Gris, Rojo, Café y Oro, por lo que la resistencia es de 820 Ω con una tolerancia de más/menos 5%; el 5 % de 820 Ω es 41 Ω, entonces al medir la resistencia con un multímetro en una escala de 2 kΩ, el valor real oscilará entre los 779 Ω y 861 Ω como se muestra a continuación; si la lectura se sale de esos valores, se puede decir que la resistencia está defectuosa o errónea.

  

 Figura 9. Valor real (808 Ω) de la resistencia de 820 Ω  de  1/2 W.

 A continuación, se muestran otros tres ejemplos para estimar el valor en resistencias con bandas de colores:

 

 Figura 10. Valores de las resistencias de acuerdo a las bandas.

 Valores reales de las resistencias:

Figura 11. (a) Resistencia de 220 Ω, (b) Resistencia de 1 MΩ y(c) Resistencia de 1 kΩ,.

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Alfredo Alcázar

Gráfica y simulación (utilizando Matlab y Multisim) de la fase de carga de un capacitor (análisis transitorio), en un circuito RC.

  He abandonado un poco el escribir en éste blog (más de un año), y hay tantas cosas que suceden en un año... 

  En la presente entrada, se intentará plasmar un poco de lo aprendido, cuando en cierta ocasión, me tocó impartir la materia de electromagnetismo en el instituto donde actualmente laboro, por lo que el tema a tratar es, el cómo graficar la fase de carga (análisis transitorio) de un capacitor, utilizando el software Matlab de la empresa MathWorks y hacer su respectiva simulación, utilizando el software Multisim de National Instruments.

  Comenzando con un poco de teoría, un capacitor o condensador, es un dispositivo usado en la electrónica que permite almacenar energía o carga eléctrica en su interior, utilizando el principio de atracción de las cargas. Un capacitor básico, normalmente está constituido por un par de placas paralelas de material conductor, separadas por un material aislante también llamado dieléctrico, como se muestra a continuación:

Figura 1. Estructura básica de un capacitor.

(Para expandir, clic sobre la imagen).

  La capacidad de almacenamiento de energía del capacitor, también llamada capacitancia, cuya unidad es el Farad o Faradio (nombrado así, en honor al científico británico Michael Faraday), depende del área de las placas de material conductor, de la separación de las placas una de la otra, y la permitividad relativa del material aislante que separa a dichas placas; para un capacitor de placas paralelas se puede estimar la capacitancia, utilizando la siguiente fórmula (fórmula No.1):

  Donde:

Es la capacitancia total, expresada en Faradios.

Valor de la permitividad del vacío.

Valor de la permitividad relativa del material aislante o dieléctrico.

Área de las placas paralelas del material conductor, por lo regular, expresada en metros cuadrados (o su correspondiente ajuste a centrímetros cuadrados).

Distancia que separa las placas paralelas, por lo regular, expresada en metros (o su correspondiente ajuste a centrímetros).

  Cuando se tiene un circuito RC (formado por un resistor y un capacitor) como el que se muestra a continuación:

Figura 2. Circuito RC conectado a una fuente de CD.

(Para expandir, clic sobre la imagen).

  El tiempo de carga del capacitor (que para el caso del circuito mostrado, es un capacitor electrolítico o polarizado), está en función del valor de la resistencia y la capacitancia de los elementos R y C. El voltaje en las terminales del capacitor y la corriente que fluye hacia éste último, se puede representar de manera gráfica utilizado las siguientes fórmulas:

  Para el voltaje en las terminales del capacitor (fórmula No.2):

  Donde:

Es el voltaje en las terminales del capacitor, expresado en volts.

  Valor en Volts de la fuente de alimentación.

   Tiempo transcurrido en segundos.

 Valor en ohms del resistor.

 Valor del capacitor en faradios.

Para la corriente que fluye hacia el capacitor (fórmula No.3):

  Donde:

Es la corriente que fluye hacia el capacitor, expresada en amperes.

  Valor en volts de la fuente de alimentación

   Tiempo transcurrido en segundos.

 Valor en ohms del resistor.

 Valor del capacitor en faradios.

  En primer lugar, para graficar el comportamiento del voltaje (fórmula No. 2), en las terminales del capacitor del circuito mostrado en la Figura 1, se debe estimar el tiempo que tardará en cargarse dicho capacitor. Existe una constante de tiempo, que depende de los valores de capacitancia y resistencia de los componentes del circuito RC; dicha constante, se expresa con la letra griega (tau), cuyo cálculo se realiza mediante la siguiente fórmula (fórmula No.4):

  Donde:

Está expresada en segundos.

Se expresa en ohms.

Se expresa en faradios.

  Posteriormente, al sustituir en la fórmula anterior los valores de R y C del circuito mostrado en la Figura 1, se tiene que:

 Por otra parte, se sabe también, que un capacitor alcanza aproximadamente el 98% de su carga cuando han transcurrido 5 constantes de tiempo ().   Por lo que el tiempo que a gráficar será un poco mayor a 5 segundos.

  A continuación, se presenta un video de cómo realizar la gráfica de la fase de carga, mostrando el comportamiento del voltaje de CD en las terminales del capacitor, utilizando el software Matlab:

  En la siguiente figura, se muestra la gráfica obtenida en el video anterior:

Figura 3. Gráfica que muestra el comportamiento del voltaje en las terminales del capacitor.

(Para expandir, clic sobre la imagen).

  Nota 1: Durante la fase de carga, un capacitor totalmente descargado se comporta como si existiese un corto circuito entre sus terminales, y cuando éste alcanza su carga completa, se comporta como si sus terminales fuesen un circuito abierto.

  Continuando con el análisis de la fase de carga del capacitor, ahora se procede a mostrar, la forma de graficar la corriente (fórmula No.3) que circula hacia dicho capacitor:

  En la siguiente figura, se muestra la gráfica obtenida en el video anterior:

Figura 4. Gráfica que muestra el comportamiento de la corriente que fluye hacia el capacitor.

(Para expandir, clic sobre la imagen).

  Por último, se muestra el video, de cómo realizar la simulación del análisis transitorio (corriente y voltaje) del circuito RC, utilizando el Software Multisim:

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ALF