Fundamentos de Electricidad
Fundamentos de Electricidad
Principios Físicos para el Análisis de Hojas de Datos
1. Introducción y Objetivo
La comprensión de los componentes electrónicos (resistencias, transistores, circuitos integrados) es imposible sin un dominio sólido de las fuerzas físicas que rigen su comportamiento. Una hoja de datos (datasheet) describe límites y características basados en tres variables fundamentales: Voltaje, Corriente y Resistencia.
El objetivo de este documento es establecer la relación matemática y conceptual entre estas variables, definir la disipación de energía (potencia) y diferenciar los tipos de flujo eléctrico, conocimientos indispensables para interpretar especificaciones técnicas sin dañar los componentes.
2. La Ley de Ohm: La Relación Fundamental
La Ley de Ohm es el pilar del análisis de circuitos. Postula que la corriente que fluye a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje a través de los dos puntos e inversamente proporcional a la resistencia entre ellos.
2.1 Variables Involucradas
- Voltaje (V): También llamado tensión o diferencia de potencial. Es la fuerza que "empuja" a los electrones. Se mide en Voltios (V).
- Corriente (I): Es el flujo real de electrones que pasa por un punto del circuito en un segundo. Se mide en Amperios (A).
- Resistencia (R): Es la oposición que presenta un material al paso de la corriente. Se mide en Ohmios (Ω).
2.2 Formulación Matemática
Donde:
- V es el voltaje en Voltios.
- I es la corriente en Amperios.
- R es la resistencia en Ohmios.
Análisis de Proporcionalidad
Para comprender un componente electrónico, se debe interiorizar el comportamiento de la fórmula:
Ejemplo: Si conectas un LED a 12V en lugar de 5V sin cambiar la resistencia limitadora, la corriente se disparará y el LED se quemará.
Ejemplo: Aumentar el valor de una resistencia en un circuito reduce el flujo de corriente, protegiendo componentes sensibles.
3. Potencia Eléctrica: Disipación y Calor
La potencia eléctrica es la velocidad a la que se consume o se transforma la energía eléctrica. En componentes electrónicos, esta energía transformada generalmente se manifiesta como calor (Efecto Joule), luz (LEDs) o movimiento (motores).
Entender la potencia es vital para la seguridad del diseño (Safety Factor). Si un componente recibe más potencia de la que puede disipar físicamente, sufrirá una destrucción térmica.
3.1 Formulación Matemática
Donde P es la Potencia medida en Vatios (Watts - W).
3.2 Variaciones de la Fórmula
Sustituyendo la Ley de Ohm en la fórmula de potencia, obtenemos una variación crítica para componentes resistivos:
Esta fórmula es esencial para dimensionar resistencias. Por ejemplo, si una corriente se duplica, la potencia (calor generado) se multiplica por cuatro. Esto explica por qué es necesario verificar el "Wattage" (vatiaje) en las hojas de datos de las resistencias (ej. 1/4 W, 1/2 W, 5 W).
4. Tipos de Corriente: DC vs AC
La naturaleza del flujo de electrones dicta qué componentes se pueden utilizar y cómo interpretar sus especificaciones de frecuencia y voltaje máximo.
4.1 Corriente Continua (DC)
- Características: Voltaje constante y polaridad fija (+ y - definidos).
- Fuentes: Baterías, celdas solares, fuentes de alimentación de computadoras.
- Relevancia: La mayoría de los circuitos electrónicos digitales funcionan internamente con DC. Conectar la polaridad al revés en DC suele destruir el componente.
4.2 Corriente Alterna (AC)
- Características: Varía en el tiempo siguiendo una forma de onda. Se define por su Frecuencia (Hz).
- Fuentes: Red eléctrica doméstica, señales de audio.
- Relevancia: Al leer una hoja de datos para AC, se debe distinguir entre voltajes pico (Vpk) y voltajes eficaces (RMS).
Aplicación Práctica
Caso A: El LED quemado
Imagina conectar un LED rojo estándar (que soporta máx 20mA según su hoja de datos) directamente a una batería de 9V sin resistencia.
- Teoría: Al no haber resistencia limitadora (R cercana a 0), la fórmula I = V/R tiende a infinito.
- Resultado Real: La corriente se dispara, el LED no puede disipar esa potencia (P = V×I) y se quema instantáneamente.
Ejercicio Guiado: Cálculo de Resistencia
Problema: Tienes una fuente de 12V DC y necesitas alimentar un ventilador que tiene una resistencia interna de 24 Ω.
1. Calcular Corriente (I = V / R): 12V / 24Ω = 0.5 Amperios
2. Calcular Potencia (P = V × I): 12V × 0.5A = 6 Watts
Conclusión: La hoja de datos del ventilador debe indicar que soporta al menos 6W de disipación.
Resolución Individual y Autoevaluación
Desafío Rápido: Tienes una resistencia de 100 Ω y sabes que se quemará si la potencia supera 1 Watt.
¿Cuál es el Voltaje Máximo que puedes aplicar?
Solución: Usando P = V² / R → V = √(P × R) → V = √(1 × 100) = 10 Voltios.
Lista de Verificación (Checklist)
HOJA DE EVALUACIÓN: FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD
Docente: Ing. Victor Manuel García Ríos
Nombre del Alumno: _______________________________________________________
Fecha: ______________ Grupo: ______________
📝 Cuestionario de Comprensión
Instrucciones: Responde en los recuadros. Al finalizar, presiona el botón "Imprimir" al final de la página.
🛠️ Problemas de Aplicación
Conecta la teoría con la información de hojas de datos.
Problema 1: Selección de Resistencia
Datos: I = 0.1 A, R = 100 Ω.
Opciones de Potencia: 1/4 W, 1/2 W, 1 W.
Calcula la potencia disipada y elige la resistencia adecuada.
Problema 2: Interpretación de Datasheet
Vceo (Voltaje máx) .... 30 V
Ic (Corriente máx) .... 0.5 A
Ptot (Potencia máx) ... 0.8 W
Situación: Tu circuito aplica 10V y pasan 0.1A por el transistor.