007 EL RESISTOR

El alma de la electrónica y su personaje más importante es el resistor. 

Principio: La energía no se crea ni se pierde solo se transforma.

Por lo tanto el resistor es el único componente que transforma energía eléctrica en energía térmica.

Como hay personas curiosas que alguna vez tocaron un transformador y observaron que estaba caliente, es porque un transformador  esta construido con alambre de cobre y el alambre de cobre tiene cierta resistencia que es la que transforma energía eléctrica en calor.

Si el alambre se hace más grueso tiene menos resistencia y entonces se calienta menos. En el limite si el alambre pudiera hacerse de diámetro infinito no tendría resistencia y el transformador cumpliría con su función primaria sin calentarse para nada.

¿Por qué se calienta un resistor?

Como a una persona, a las moléculas o a los átomos que forman a nuestro resistor no les gusta que les peguen. Cuando les pegan reaccionan calentándose. ¿Y quién les pega a las moléculas? Los electrones que circulan por el resistor saltando de átomo en átomo del material que las forma. Esto significa que cuando mas electrones circulan mayor calor se produce. Para hacerlo mas práctico podríamos decir que la temperatura del resistor depende de la corriente eléctrica que circula por él y para ser finos podríamos explicarlo matemáticamente diciendo que

T = F (I)

que se lee: la temperatura es función de la corriente circulante por el resistor.

Igual que cuando le pegan a una persona, no todo depende de la cantidad de golpes que le pegan en un intervalo de tiempo determinado. También depende de la velocidad de los puños a la cual se aplican esos golpes. En nuestro caso depende de la velocidad a la cual se desplazan los electrones dentro del resistor y eso depende de la diferencia de potencial o tensión aplicada al resistor. Es decir que matemáticamente podríamos decir que también

T = F (V)

Es decir que combinando las expresiones matemáticas

T = F (I,V)

Todo lo que nos dice la ultima expresión es que la temperatura del resistor depende de la corriente que circula por él y de la tensión aplicada al resistor. Los electrónicos aprendemos con ejemplos. En la figura siguiente se puede observar un circuito muy sencillo en donde un resistor está conectado a una fuente de alimentación pero utilizando un amperímetro y un voltímetro para medir la tensión aplicada y la corriente que circula por el resistor. También se conecta un instrumento  llamado Vatímetro o medidor de potencia eléctrica cuya indicación depende tanto de la tensión aplicada como de la corriente que circula.

Fig1. Medición de la potencia sobre un resistor.

Primero analicemos algo extraño que no podemos dejar pasar. ¿Por qué si la fuente es de 9V al resistor solo le llegan 8,92V?. La respuesta es muy simple; porque el amperímetro tiene una resistencia interna considerable en donde se produce una caída de tensión. Esto no es un problema del laboratorio virtual sino una virtud. Los instrumentos reales también tienen resistencia interna. En el LW ( Livewire 1.2 Education Demo ) la resistencia interna del amperímetro no puede modificarse y es de 100 mOhms, otros laboratorios virtuales permite cambiar dicho valor. Los voltímetros también tiene una resistencia interna pero de elevado valor para que puedan ser conectados sobre la fuente sin generar elevadas corrientes. Por ejemplo en el LW un voltímetro tiene una resistencia interna de 50 Mohms.

La disposición de la figura no es la única posible para medir tensión y corriente, podría conectarse el voltímetro sobre la fuente y el amperímetro en serie con la carga. Cada una de las formas de conectar los instrumentos tienen un nombre. La primera se llama de tensión bien medida (porque se mide la tensión directamente sobre el resistor) y la segunda de corriente bien medida porque se mide correctamente la corriente circulante por el resistor.

En el mismo circuito se observa la conexión de un instrumento que posee cuatro bornes. Se trata de un vatímetro; este instrumento nos indica directamente la potencia disipada en el resistor que como podemos observar es de 7,95W.

El vatímetro no es un instrumento común. Por lo general cuando un tecnico necesita conocer la potencia disipada en un resistor. Mide la corriente y la tensión y realiza el calculo de la potencia mediante la formula correspondiente que es:

P = V x I

En nuestro caso reemplazando valores obtenemos que

8,92V x 0,891A = 7.95W

Como puede observar, se trata de un cálculo muy sencillo que no merece poseer un instrumento especial como un vatímetro.

Ahora sabemos que potencia se desarrolla en un resistor, pero no era precisamente eso lo que buscábamos. Nosotros queremos saber cuanto se calienta un resistor. Todo lo que podemos decir hasta ahora es que el resistor se va a calentar a una temperatura que es proporcional a la potencia disipada en él. Matemáticamente:

T = F (P)

Pero esa función no es fácil de hallar porque depende de las dimensiones físicas del resistor. Como ya dijimos la función del resistor es transformar energía eléctrica en energía térmica o calor. Es decir que calienta el ambiente, el aire que lo rodea. La temperatura de su cuerpo es función de cuanto aire pueda calentar y eso es a su ves función de su superficie externa. Es decir que un resistor pequeño se va a calentar mas pero va a generar menos cantidad de aire caliente. Con el tiempo el ambiente se va a calentar a la misma temperatura pero el resistor no; el resistor se calienta más y si llega a su temperatura máxima de trabajo se quema y tenemos una falla eléctrica.

En realidad al diseñador de un circuito no le interesa saber a que temperatura se calienta un resistor; lo que le interesa es saber que resistor debe colocar en una determinada parte del circuito para que no se queme. Por esa razón cuando se va a comprar un resistor de por ejemplo 1K el vendedor le pregunta ¿de que potencia? En efecto, él seguramente tiene resistores de 1K desde 0,125W hasta 50W. Los de 0,125W (1/8 de W) son muy pequeños y de carbón y los de 50W son muy grandes y de alambre.

Resistores de carbón depositado

Un resistor de carbón depositado se fabrica depositando carbón sobre un cilindro de material cerámico. Luego se agregan casquillos metálicos con terminales de alambre sobre sus puntas y por último se cubren de una pintura epoxi y se pintan las bandas de color que indican sus características.

En realidad con este método solo se fabrican algunos valores de resistencia como por ejemplo 1 Ohms, 10 Ohms, 100 Ohms, 1 Kohms, 10 Kohms, 100 Kohms, 1 Mohms y 10 Mohms que se suelen llamar cabezas de serie y que se diferencian en la cantidad de carbón depositado sobre los cilindros cerámicos (el espesor y tipo de grafito).

El resto de los valores se realizan por torneado de esos cilindros con un torno que hace un canal helicoidal en el carbón, al mismo tiempo que mide la resistencia y detiene el torneado cuando el resistor tiene el valor deseado.

En La figura siguiente podemos observar una fotografía de los resistores mas comunes utilizados en la electrónica; los resistores de carbón depositado que se fabrican en varias potencias diferentes y en una amplia gama de resistencias.

Fig.2 Resistores de carbón depositado

En la fotografía no se pueden apreciar las dimensiones de los resistores, por eso damos una tabla de valores con todos los resistores que normalmente se fabrican y su modelo que es algo uniformado para todos los fabricantes.

Tabla de resistores de carbón depositado (dimensiones en mm)

R16, R25 etc. es el modelo del resistor.

L: Longitud entre los casquillos sin considerar los terminales

D: Diámetro máximo (medido sobre los casquillos)

H: Largo de los terminales

d: Diámetro de los terminales

Las especificaciones mas importantes de estos resistores se pueden observar en la siguiente tabla.

Tabla de características de los resistores de carbón depositado.

La primer columna es la disipación del resistor que se debe entender del siguiente modo: La temperatura de un resistor depende de la potencia disipada pero no es independiente de la temperatura ambiente dentro del equipo. Por esa razón, en la columna final indica que todos los valores anteriores son para una temperatura ambiente máxima de 70ºC. A esa temperatura si a un resistor modelo R16 se le hace disipar 0,16W el mismo llega a la temperatura máxima de trabajo.

Pero los resistores tienen una limitación mas. Aunque no se halla llegado al valor máximo de potencia disipable por el resistor si la tensión supera un determinado valor el resistor se daña porque se perfora dieléctricamente el surco del grafito. Esa tensión se encuentra en la tercer columna que indica la tensión máxima de trabajo a la cual pueden funcionar permanentemente los resistores. En la cuarta columna hay otro valor de tensión que está indicado como “Tensión máxima de sobrecarga”. Este valor indica que en forma esporádica y por corto tiempo sobre el resistor se puede aplicar una tensión mayor a la de trabajo.

En la quinta columna está indicado el rango de resistencia posible para cada modelo. Observe que el fabricante utiliza la letra w en lugar de Ohms. Además la columna esta desdoblada en otras dos con las letras G y J que indican la tolerancia de los resistores. A continuación le explicamos que se entiende como tolerancia.

Tolerancia de los componentes electrónicos.

Ahora si yo digo que la electrónica es una ciencia muy inexacta seguramente  se van a sorprender. Sin embargo es así ya que los componentes pasivos se utilizan con tolerancias del 5%. Un resistor especial de precisión puede tener una tolerancia del 2%. Se imagina si la tolerancia de una pieza mecánica común como un tornillo y una tuerca se fabricaran con una tolerancia del 5%. Seguramente no habría modo de colocar una tuerca en un tornillo que tuviera un +5% de tolerancia si la tuerca tuviera un -5% de tolerancia. Si por ejemplo el tornillo fuera de 3 mm, ese 5% implica que podría llegar a tener 3,15 mm y la tuerca tendría 2,85 mm.

La ciencia electrónica es en realidad muy exacta; ya que el diseño de los circuitos esta realizado de modo tal que absorbe dichas tolerancias a pesar de usar componentes individuales muy poco exactos. Inclusive mas adelante vamos a analizar componentes que tienen una tolerancia mayor. Por ejemplo de -20 +50%.

Los valores de los componentes están uniformados para todos los fabricantes en algo que se llama “serie”. Por ejemplo la serie del 20% esta compuesta del siguiente modo:

1   1,2   1,5   1,8   2,2   2,7   3,3   3,9   4,7   5,6   6,8   8,2   10

Esto significa que solo existen resistores de 1 Ohm, 1,2 Ohms , 1,5 Ohms etc. hasta llegar a 10 Ohms. Luego seguirán resistores de 12 Ohms, 15 Ohms 18 Ohms, etc y al llegar a 100 Ohms la serie salta a 120 Ohms y así sucesivamente. Esta no es la única serie que existe. Los resistores de carbón se fabrican también según la serie del 10% y del 5% existiendo por último resistores de la serie del 1% fabricado para instrumentos de precisión.