Ejercicios prácticos con Electrónica

Análisis

Aunque diminutas, las resistencias SMT (Surface Mount Technology, tecnología de montaje en superficie) suelen llevar impreso su valor en la superficie del encapsulado. No obstante, emplean el mismo sistema de valor base seguido de un multiplicador. Así pues, una resistencia SMT de 270 Ω llevará impreso el número 2700, mientras que una de 1 Ω mostrará la cifra 1001.

Véase también

Los condensadores con tecnología de agujero pasante muestran sus valores en la camisa del encapsulado de manera muy similar a las resistencias SMT (vea el Ejercicio 3.3).

2.2 Cómo averiguar los valores estándar de una resistencia

Problema

Después de nuestros cálculos, llegamos a la conclusión de que necesitamos una resistencia de 239 Ω. ¿Cómo averiguar el valor estándar para una resistencia que podamos comprar?

Solución

Debemos adquirir una resistencia de la serie ±5 % E24.

Los valores básicos de la serie E24 son 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82 y 91, con tantos ceros después como necesitemos.

Análisis

La serie ±1 % E96 incluye todos los valores base de la serie E24, pero con hasta cuatro veces más valores. Sin embargo, es muy raro necesitar esa precisión en el valor de una resistencia.

Si la función de la resistencia va a ser la de limitar la corriente que llegue a otro componente que podría verse dañado, por ejemplo a un LED (Ejercicio 4.4) o a la base de un transistor bipolar (Ejercicio 5.1), seleccionaremos el valor de resistencia más alto de la serie E24.

Por ejemplo, si los cálculos indican que la resistencia debería tener un valor de 239 Ω, optaremos por una de 240 Ω de la serie E24.

De hecho, no es necesario calcular y adquirir todos los valores concebibles de resistencia a medida que los vayamos necesitando, más teniendo en cuenta que suelen venir en paquetes de 100. Personalmente, suelo tener existencias de los valores siguientes: 10, 100, 270 y 470 Ω, así como de 1, 3,3, 4,7, 10 y 100 kΩ, y 1 MΩ.

Véase también

Los detalles completos de todas las series de resistencias disponibles se encuentran en http://www.logwell.com/tech/components/resistor_values.html.

2.3 Selección de una resistencia variable

Problema

Deseamos comprender el funcionamiento de una resistencia variable.

Solución

Una resistencia variable, también llamada potenciómetro, está hecha con una pista resistiva y un deslizador que varía su posición a lo largo de dicha pista. Variando la posición del deslizador podemos variar la resistencia entre este y cualquiera de los dos terminales (polos) en los extremos de la pista. Los potenciómetros más comunes son los giratorios, como el mostrado en la Figura 2-3.

Figura 2-3. Un potenciómetro giratorio.

Análisis

Los potenciómetros se presentan en una gran variedad de formas y tamaños. La Figura 2-4 muestra una selección de potenciómetros.

Figura 2-4. Potenciómetros.

Los dos potenciómetros de la izquierda en la Figura 2-4 se conocen como potenciómetros de ajuste, potenciómetros trimmer o trimpots. Estos dispositivos están diseñados para ajustarlos con un destornillador, o bien usando el diminuto tornillo con los dedos pulgar e índice.

El siguiente potenciómetro es un dispositivo estándar con una tuerca con un eje o husillo que permite su fijación en un agujero. El eje se puede cortar a la longitud necesaria antes de añadirle una tuerca o pomo para manejarlo.

En el centro de la Figura 2-4 aparece un potenciómetro doble, dual o dual-gang. En realidad se trata de la unión de dos potenciómetros con un eje común y se suele emplear en controles de volumen estéreo. Junto a él aparece un dispositivo similar que combina un potenciómetro con un interruptor. Por último, en el extremo derecho vemos un potenciómetro deslizante como el que podríamos ver, por ejemplo, en una mesa de mezclas.

Los potenciómetros están disponibles con pistas de dos tipos. Las pistas lineales presentan una variación de resistencia casi lineal en todo el rango del potenciómetro. Es decir, en el punto medio, la resistencia será la mitad del rango completo.

Los potenciómetros que incorporan una pista logarítmica incrementan la resistencia de acuerdo con una función del logaritmo de la posición del deslizador, en lugar de modo proporcional a la posición. Esto los hace más aptos como controles de volumen, ya que la percepción que el ser humano tiene del volumen del sonido es logarítmica. No obstante, a menos que estemos haciendo un control de volumen para un amplificador de audio, normalmente usaremos un potenciómetro lineal.

Véase también

Para conectar un potenciómetro a un Arduino o Raspberry Pi, vea el Ejercicio 12.9.

Un potenciómetro se presta muy bien para actuar como divisor de voltaje variable (vea el Ejercicio 2.6).

2.4 Conexión de resistencias en serie

Problema

Comprender la influencia global que tienen las resistencias en serie sobre la resistencia y el manejo de la potencia en un circuito.

Solución

La resistencia global de varias resistencias en serie no es más que la suma de cada una de las resistencias.

Análisis

La Figura 2-5 muestra dos resistencias en serie. La corriente fluye primero por la primera resistencia y, luego, por la segunda. Como conjunto, las resistencias serán equivalentes a una sola resistencia de 200 ohmios.

Figura 2-5. Resistencias en serie.

La disipación de potencia en forma de calor de cada resistencia será:

Si usamos una sola resistencia de 200 Ω, la disipación de potencia sería:

De este modo, usando dos resistencias, podemos duplicar la potencia.

El lector podría preguntarse por qué usar dos resistencias en serie cuando podría usar solo una. La disipación de calor podría ser una razón si no encontramos resistencias con la potencia suficiente.

No obstante, hay otras situaciones, por ejemplo la mostrada en la Figura 2-6, donde usamos una resistencia variable (potenciómetro) junto con una resistencia fija para asegurarnos de que la resistencia total del conjunto no caiga por debajo del valor de la resistencia fija.

Figura 2-6. Un potenciómetro y una resistencia fija.

Véase también

Las resistencias en serie se utilizan a menudo para construir un divisor de voltaje (vea el Ejercicio 2.6).

2.5 Conexión de resistencias en paralelo

Problema

Comprender la influencia global que tienen las resistencias en paralelo sobre la resistencia y el manejo de la potencia en un circuito.

Solución

La resistencia global de varias resistencias en paralelo es igual al inverso de la suma de los valores inversos de las resistencias. Es decir, si tenemos dos resistencias, R1 y R2, dispuestas en paralelo, la resistencia global viene dada por la expresión:

Análisis

En el ejemplo de la Figura 2-7, que muestra dos resistencias de 100 Ω en paralelo, el conjunto equivale a una sola resistencia de:

Intuitivamente vemos que tiene todo el sentido. Ahora contamos con dos rutas con la misma resistencia, en lugar de una como sería el caso con una única resistencia.

Figura 2-7. Resistencias en paralelo.

En la Figura 2-7, una sola resistencia de 50 Ω equivale a las dos de 100 Ω situadas en paralelo. Ahora bien, ¿cómo influye esto en las potencias nominales de las dos resistencias?

Intuitivamente, lo lógico es suponer que la disipación de potencia total de ambas resistencias de 100 Ω será la misma que en las dos de 50 Ω, pero haremos el cálculo para estar seguros.

Por cada resistencia de 100 Ω, la potencia será:

Así que el total de las dos resistencias será de 45 mW, lo que nos permite usar menos potencia y resistencias más comunes.

Como era de esperar, el cálculo para una sola resistencia de 50 Ω nos da:

Véase también

Vea el Ejercicio 2.4 para las resistencias en serie.

2.6 Cómo reducir un voltaje a un valor específico

Problema

Deseamos reducir un voltaje de CA o CC.

Solución

Utilizar dos resistencias en serie como divisor de voltaje (también llamado divisor de potencial). La palabra potencial indica que la presencia de un voltaje hace posible (potencial) la circulación de la corriente y, por tanto, la realización de trabajo.

La Figura 2-8 muestra un par de resistencias usadas como divisor de voltaje.

Figura 2-8. Un divisor de voltaje.

El voltaje de salida (Vout) será una fracción del voltaje de entrada (Vin) según la fórmula:

Por ejemplo, si R1 vale 270 Ω; R2, 470 Ω; y Vin, 5 V:

Solución

Observe que si R1 y R2 son iguales, el voltaje se divide entre 2.

Un potenciómetro resulta un divisor de potencial que podemos visualizar como dos resistencias, R1 y R2, en serie cuya resistencia total es la misma, pero cuyo valor relativo varía a medida que giramos el pomo. Este es precisamente el funcionamiento de un potenciómetro como control de volumen.

Resulta tentador pensar en un divisor de voltaje como mecanismo útil para reducir este en las fuentes de alimentación. Sin embargo, esto no es así porque, en cuanto tratamos de alimentar algo (enviarle carga eléctrica) a través de la salida del divisor de voltaje, es como si pusiéramos otra resistencia en paralelo a R2. Esto reduce efectivamente la resistencia de la mitad inferior del divisor de voltaje y, por tanto, mengua el voltaje de salida. Esto solo funcionará si las resistencias R1 y R2 son muy inferiores a la resistencia de la carga. Lo que las hace ideales para reducir los niveles de señal, pero no para circuitos de gran potencia.

Véase también

Vea el Capítulo 7 para aprender diversas técnicas destinadas a reducir voltajes en las fuentes de alimentación. Para los cambios de nivel con un divisor de voltaje, vea el Ejercicio 10.17.

2.7 Cómo seleccionar una resistencia para que no se queme

Problema

Deseamos conocer la potencia nominal o clasificación de potencia de una resistencia para evitar que se sobrecaliente y falle.

Solución

Calcular la potencia (Ejercicio 1.6) que nuestra resistencia disipará en forma de calor y seleccionar una resistencia con una potencia nominal lo bastante superior como para que funcione con seguridad.

Por ejemplo, si tenemos una resistencia de 10 Ω conectada directamente a los terminales de una batería de 1,5 V, la potencia que disipa en forma de calor se puede calcular del siguiente modo:

Esto significa que una resistencia estándar de ¼ W resultaría adecuada, pero que podríamos asegurarnos y dar el paso a una de ½ W.

Análisis

La potencia nominal de las resistencias más usadas por los aficionados es de ¼ W (250 mW). Estas resistencias son lo bastante grandes como para que se puedan manejar cómodamente y sus patillas tienen un grosor suficiente como para hacer buenos contactos con la placa de pruebas (Ejercicio 20.1). Asimismo, son capaces de manejar cómodamente la potencia requerida en la mayoría de sus usos habituales, como limitar la corriente de los LED (Ejercicio 14.1) o actuar de divisores de voltaje con corrientes bajas (Ejercicio 2.6).

Otras potencias nominales usuales en resistencias de agujero pasante con patillas son ½, 1, 2, 5 y 10 W, e incluso superiores.

La Figura 2-9 muestra una selección de resistencias con diferentes potencias nominales.

En las pequeñas resistencias SMT, o resistencias de chip, que se presentan soldadas en las placas PCB, las potencias nominales empiezan desde mucho más abajo.

Véase también

Para entender la potencia eléctrica, vea el Ejercicio 1.6.

Figura 2-9. Varias resistencias (de izquierda a derecha): 0,125 W, 0,25 W, 0,5 W, 1 W y 7 W (en la parte superior).

2.8 Cómo medir el nivel de luminosidad

Problema

Deseamos realizar la medición de la luminosidad electrónicamente.

Solución

Utilizar una fotorresistencia.

Una fotorresistencia (Figura 2-10) es una resistencia encapsulada en un elemento transparente cuya resistividad varía con relación a la cantidad de luz que recibe. Cuanto mayor sea el brillo que reciba, menor será la resistencia.

Una fotorresistencia típica podría tener una resistividad de 1 kΩ a plena luz del día, que se incrementaría hasta varios MΩ en un ambiente de oscuridad total.

Análisis

Las fotorresistencias se utilizan a menudo en configuración de divisor de voltaje (Ejercicio 2.6) con una resistencia de valor fijo para convertir la resistividad de la fotorresistencia en un voltaje que podría, luego, usarse en un microcontrolador (Ejercicio 12.6) o en un comparador (Ejercicio 17.10).

Figura 2-10. Una fotorresistencia.

Véase también

Podemos encontrar más información sobre el uso de una fotorresistencia en el Ejercicio 12.6.

2.9 Cómo medir la temperatura

Problema

Deseamos medir la temperatura electrónicamente.

Solución

Un método consiste en usar un termistor. Existen otros métodos, que exploraremos en el Ejercicio 12.10 y en el Ejercicio 12.11.

Todas las resistencias son sensibles a los cambios de temperatura hasta cierto punto. Sin embargo, los termistores (Figura 2-11) presentan una resistividad extremadamente sensible a dichos cambios. Al igual que ocurre con las fotorresistencias (Ejercicio 2.8), se usan a menudo en la configuración del divisor de voltaje (Ejercicio 2.6) para convertir la resistividad en una lectura de voltaje más adecuada.

Figura 2-11. Dos termistores.

Análisis

Existen dos tipos de termistores. Los termistores NTC (Negative Temperature Coefficient, coeficiente de temperatura negativo) son los más habituales y presentan una resistividad que disminuye a medida que se incrementa la temperatura. La resistividad de los termistores PTC (Positive Temperature Coefficient, coeficiente de temperatura positivo) por el contrario, crece a medida que lo hace la temperatura.

Además de su uso para medir temperaturas (vea el Ejercicio 12.7) los termistores PTC también se utilizan para limitar la corriente. A medida que la corriente que atraviesa el termistor se incrementa, la resistencia se caliente y se eleva también la resistividad del material, con lo que la corriente comienza a reducirse.

Véase también

Para consultar circuitos prácticos que usen un termistor en la medición de temperatura, vea el Ejercicio 12.7 y el Ejercicio 12.8.

2.10 Cómo seleccionar el hilo correcto

Problema

El conductor, cable, o hilo ideal es el que presenta una resistividad de cero. En realidad todos los hilos tienen resistividad y nuestra obligación consiste en tenerlo presente en nuestros diseños, así como conocer bien los diferentes tipos de hilos.

Solución

Todos los hilos oponen resistencia al paso de la corriente. Un cable de cobre grueso opondrá una resistencia mucho menor que la misma longitud de cable más fino. Una cita conocida es la que dice: "lo mejor de los estándares es que hay muchos entre los que elegir". Y en ningún sitio resulta esto más acertado que en el ámbito del grosor, o sección, de un hilo conductor. Uno de los estándares más comunes es el AWG (American Wire Gauge, medida de sección de cable americana) que se usa mayoritariamente en los Estados Unidos, y la SWG (Standard Wire Gauge, medida de sección de cable estándar) que se usa sobre todo en el Reino Unido; además, claro está, de expresar la sección directamente en mm.

Prácticamente todo el cableado que se utiliza en electrónica está hecho de cobre. Si eliminamos los elementos aislantes de un hilo y observamos que es de color plateado, seguramente será también de cobre, pero con una aleación de zinc para evitar que se oxide y facilitar la soldadura.

La Tabla 2-2 muestra algunas de las secciones que se usan más habitualmente junto con sus valores de resistencia en Ω/pie (un pie es aproximadamente 30,5 cm) y Ω/metro para los hilos de cobre.

Tabla 2-2. Propiedades de las secciones usadas más habitualmente en hilos de cobre.

Cuanto mayor sea el valor AWG menor es el calibre, más fino es el cable. Los hilos más finos de 24 AWG suelen ser hilos esmaltados diseñados para el devanado de transformadores y bobinas inductoras, como los mostrados en la Figura 2-12.

Figura 2-12. Hilo con esmaltado aislante para devanado de bobinas inductoras, 30-22 AWG.

El conductor sólido está formado por un solo hilo de cobre rodeado de plástico aislante (Figura 2-13). Resulta muy útil con las placas de pruebas, en las que se hacen conexiones sin soldadura (Ejercicio 20.1). Sin embargo, no se debería utilizar en situaciones donde haya probabilidad de que se lo vaya a doblar o retorcer de forma repetida, puesto que podría romperse por fatiga del material. El autor siempre tiene existencias de este tipo de cable con aislantes al menos de tres colores: negro, para el negativo; rojo, para el positivo; y algún otro color para conexiones sin potencia.