Componentes eléctricos: resistencias, condensadores, bobinas y transformadores

Resistencias

Las resistencias o resistores son componentes que ofrecen cierta oposición al paso o circulación de la corriente eléctrica. Una resistencia tiene dos características importantes que definen sus condiciones de trabajo y utilización:

  • El valor y tolerancia, es decir, la magnitud óhmica de la resistencia y los límites o desviaciones establecidos por el fabricante para asegurar su precisión.
  • La potencia que es capaz de disipar la resistencia.

Resistencias fijas: Las resistencias fijas son aquellas que tienen siempre el mismo valor y tienen dos terminales. Para conocer el valor óhmico de una resistencia se marcan sobre ella unas franjas de colores normalizadas, que se identifican mediante el código de colores adjunto en la tabla 1.

Aplicaciones: Producir una caída de tensión o diferencia de potencial entre sus terminales. Limitar la corriente para proteger otros componentes, por ejemplo una lámpara.

Resistencias variables: Las resistencias variables son las que tienen la capacidad de variar o modificar su valor óhmico dentro de unos límites.

Los potenciómetros o resistencias variables lineales, se basan en una resistencia sobre la que se desliza un contacto móvil que, según la posición que ocupa, puede tomar valores entre 0 y R Ω. Normalmente dispone de tres terminales. El terminal central es el cursor, y los extremos se alternan de forma que si uno presenta un valor máximo, el otro será mínimo con respecto al terminal central. Se emplean en operaciones de ajuste o de control de un parámetro: al variar la resistencia, varía la intensidad que circula, pudiendo variar la temperatura, la iluminación, etc.

Resistencias dependientes: Son operadores fabricados con materiales con capacidad para variar su resistencia eléctrica en función del factor del que dependan. Los tipos más utilizados son:

  • Resistencias dependientes de la luz (LDR): Las LDR (Light Dependent Resistor) varían su resistencia según la cantidad de luz que incide sobre ellas, es decir, aumenta en la oscuridad (algunas de ellas pueden alcanzar valores superiores a los 50 KΩ) y disminuye cuando se la ilumina hasta alcanzar valores muy bajos (del orden de 100 Ω).
  •  Resistencias dependientes de la temperatura (NTC y PTC):.
    • Termistores NTC (coeficiente negativo de temperatura), en las que la resistencia disminuye al aumentar la temperatura.
    • Termistores PTC (coeficiente positivo de temperatura), que aumenta su resistencia al subir su temperatura.

Condensadores

Un condensador es un componente constituido por dos placas conductoras entre las que se intercala un aislante, cuya función es almacenar una cantidad de energía en forma de carga eléctrica.
El modelo más representativo es el condensador plano que consta de dos láminas metálicas llamadas armaduras, colocadas paralelamente y separadas por un dieléctrico.
Se define la capacidad de un condensador como el cociente entre la carga de una de las armaduras y la tensión o diferencia de potencial que existe entre las mismas, es decir:

La unidad de capacidad es el faradio, de símbolo F, que se define como la capacidad de un condensador eléctrico, entre cuyas armaduras aparece una diferencia de potencial de 1 voltio cuando se carga con una cantidad de electricidad de 1 culombio.
El faradio es una unidad enormemente grande por lo que en la práctica se utilizan el milifaradio (mF), microfaradio (µF), el nanofaradio (nF) y el picofaradio (pF).
Para el caso del condensador plano, si d es la separación entre las placas, S su área y ε la constante dieléctrica del medio, se deduce:

También se puede definir el condensador como un componente en el que la relación entre la tensión aplicada a sus armaduras y la intensidad que circula está dada por la expresión:

De aquí se deduce que por un condensador solamente circula corriente cuando varía la tensión aplicada, por ejemplo, si esa tensión es alterna. Si la tensión aplicada es continua, una vez alcanzado el régimen permanente la intensidad es nula, lo cual tiene sentido porque entre las placas del condensador el circuito está abierto.
En corriente alterna, los condensadores presentan un comportamiento selectivo con la frecuencia, de manera que el obstáculo que ofrecen al paso de la corriente alterna es inversamente proporcional a la frecuencia de la corriente. El valor de este obstáculo llamado reactancia capacitiva es:

La energía almacenada en un condensador es:

Tipos de condensadores

  • Fijos: Por regla general, esta clase de condensadores se clasifican, a su vez, por el dieléctrico utilizado: papel, plástico, cerámica, electrolítico.
    De todos ellos debemos prestar especial atención a los condensadores electrolíticos; estos son condensadores que tienen una capacidad, por unidad de volumen, muy superior a los tipos anteriores. Esto se logra aumentando artificialmente la superficie de una lámina de aluminio y disminuyendo el espesor del dieléctrico.
    Este tipo de condensadores tiene polaridad, es decir, no pueden invertirse las conexiones indicadas en el elemento, ni puede aplicarse corriente alterna.
    Para fabricar condensadores electrolíticos se emplea el tantalio, además del aluminio.
    Los condensadores fijos se pueden marcar utilizando el mismo código de colores que las resistencias, aunque la mayoría de los fabricantes prefieren indicar sobre la superficie del condensador el valor de su capacidad y la máxima tensión de trabajo. En caso de que no se especifiquen las unidades, el valor de la capacidad está referido a picofaradios (pF).
  • Variables: Esta clase de condensadores se suele clasificar según su utilización y no según el dieléctrico usado. Son unos condensadores de placas rígidas con dieléctrico de aire. Merced a un mecanismo, se logra que unas se muevan respecto a las otras, variando la superficie del condensador y, por tanto, su capacidad.

Bobinas

La inductancia o bobina es un componente caracterizado por su coeficiente de autoinducción (L) que es un parámetro indicador de la cantidad de energía que la bobina almacena en el campo magnético.
Las bobinas son componentes que, al igual que los condensadores, presentan 3 características principales:

  • Almacenan energía: el valor de la energía almacenada en el campo magnético es proporcional al coeficiente de autoinducción y al cuadrado de la intensidad que circula.
  • En electromagnetismo se deduce que si la intensidad que circula por la bobina es variable, en sus extremos se induce una f.e.m. (caída de tensión, porque se opone a las causas que la originan, según la ley de Lenz) de valor:
  • En corriente alterna, las bobinas presentan un comportamiento selectivo con la frecuencia, de manera que el obstáculo que ofrecen al paso de la corriente alterna es directamente proporcional a la frecuencia de la corriente. El valor de este obstáculo llamado reactancia inductiva es:

De estas características se deduce que las bobinas tienen las mismas aplicaciones que los condensadores. Se diferencian en que si en el condensador la reactancia es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal [XC=1/(2πfC)], en las bobinas lo es directamente [XL=2πfL]; si el condensador almacena energía en el campo eléctrico, la bobina lo hace en el campo magnético. Por eso, se dice que bobinas y condensadores son componentes duales.

El funcionamiento en la práctica de estos componentes hace que las bobinas sean más indicadas para trabajar en Electricidad (relés, transformadores, etc.), mientras que en las aplicaciones electrónicas son más eficientes los condensadores.

Transformadores

Los transformadores son máquinas eléctricas que permiten modificar los factores de potencia, tensión e intensidad de corriente, con el fin práctico de que estos tomen valores más adecuados para el transporte o consumo de la energía eléctrica pero sin cambiar su forma y conservando, prácticamente, la potencia.
La utilidad práctica de los transformadores se deriva de la economía resultante al efectuarse el transporte de la energía eléctrica a tensiones elevadas, debido a que la sección de conductor necesaria en la línea es inversamente proporcional al cuadrado del valor de la tensión adoptada para el transporte de la electricidad.
La distribución de la energía a los centros de consumo no puede hacerse a esas altas tensiones por el riesgo que entrañaría, de manera que se precisan nuevos transformadores reductores para distribuir en baja tensión.
Sea un circuito magnético simple, constituido por dos columnas, en el que han sido arrollados dos circuitos eléctricos: uno, constituido por una bobina de N1 espiras, es conectado a la fuente de energía eléctrica de corriente alterna y recibe el nombre de bobinado primario. Un segundo bobinado al que llamamos secundario, constituido por N2 espiras, permite conectar a sus dos extremos libres un circuito eléctrico de utilización, al que cede la energía eléctrica absorbida por el bobinado primario.
Se deduce que un transformador puede ser considerado desde el punto de vista del bobinado primario, como un receptor de corriente, mientras que el lado de bobinado secundario es un verdadero generador eléctrico.

El transformador monofásico está formado por los elementos siguientes:

Núcleo: El núcleo es el elemento encargado de acoplar magnéticamente los arrollamientos de las bobinas primaria y secundaria del transformador.
En los transformadores de baja frecuencia está fabricado superponiendo numerosas chapas de aleación acero-silicio, a fin de reducir las pérdidas por histéresis magnética, por un lado y aumentar la resistividad del acero para así reducir las pérdidas por corrientes de Foucault, por otro. Su espesor suele oscilar entre 0.30 y 0.50 mm.
Con el fin de facilitar la refrigeración del transformador los núcleos disponen de unos canales en su estructura que sirven para que circule el aceite de refrigeración.
Devanados primario y secundario: Por el circuito primario recibe la energía; mientras que por el secundario la suministra.
A su vez, se denomina lado de alta del transformador al circuito con mayor tensión y lado de baja, al de menor tensión, independientemente de que se comporte como primario o secundario, debido al carácter reversible del transformador.
En algún caso, pueden ser iguales los números de espiras de los bobinados primario y secundario; en estos casos, la función del transformador es la de proporcionar aislamiento galvánico entre dos etapas. Sin embargo, en general, pueden presentarse dos casos distintos:
– El bobinado primario dispone de un número de espiras mayor que el secundario. Entonces se trata de un transformador reductor.
– El bobinado primario tiene menos espiras que el secundario. En tal caso se trata de un transformador elevador.
Recibe el nombre de relación de transformación de un transformador el valor del cociente que resulta de dividir los números de espiras, la relación de transformación es igual a:

Según esta definición, en un transformador reductor el valor de la relación de transformación es mayor que la unidad, mientras que en un transformador elevador resulta menor que la unidad.
En un transformador ideal la potencia del primario se transmite íntegramente al secundario por lo que se verifica que:
V1·I1 = V2·I2