Caída de tensión: definición y cálculo
¿Qué es la caída de voltaje?
La mayoría de nosotros entendemos que el agua a gran altura se puede utilizar para hacer trabajo. Por ejemplo, el agua sobre una represa está a mayor altura que el agua debajo de la represa, y esa agua se puede usar para hacer funcionar los generadores eléctricos a medida que se mueve hacia abajo a través del cambio de elevación.
El agua sobre la represa tiene mayor energía potencial que el agua debajo de la represa y libera esa energía para otros fines a medida que desciende. La cantidad de energía entregada por cada trozo de agua es precisamente proporcional al cambio de elevación que experimenta ese trozo de agua.
La ‘caída de voltaje’ se refiere a un proceso similar que ocurre en los circuitos eléctricos. En los circuitos, el agua que fluye se reemplaza por una carga eléctrica que fluye, también conocida como corriente, y el cambio de elevación se reemplaza por una caída de voltaje.
A cada punto de un circuito se le puede asignar un voltaje que es proporcional a su ‘elevación eléctrica’, por así decirlo. La caída de voltaje es simplemente la diferencia aritmética entre un voltaje más alto y uno más bajo. La cantidad de potencia (energía por segundo) entregada a un componente en un circuito es igual a la caída de voltaje a través de las terminales de ese componente multiplicada por el flujo de corriente a través del componente:
P = V*I
Aquí V es la caída de voltaje en voltios, I es el flujo de corriente en amperios y P es la potencia en vatios. Obviamente, si V o I son cero, no se entrega potencia ni energía a ese componente, por lo que no puede cumplir ningún propósito útil. Por lo tanto, la caída de voltaje (junto con el flujo de corriente) es una característica vital de todos los circuitos eléctricos y los ingenieros que diseñan esos circuitos la planifican y controlan con mucho cuidado.
¿Cómo se calcula la caída de voltaje?
Voltímetros
Una forma de determinar la caída de voltaje a través de un componente del circuito es construir el circuito y medir la caída, usando una herramienta llamada voltímetro . Los voltímetros están diseñados para alterar lo menos posible el funcionamiento del circuito al que están conectados. Logran esto minimizando la corriente que fluye a través del voltímetro al valor más pequeño posible (es decir, extraen la menor energía posible del circuito).
Si esta fuera la única forma de determinar las caídas de voltaje, el diseño del circuito sería un proceso de prueba y error. Afortunadamente, los ingenieros pueden escribir ecuaciones basadas en los componentes que forman el circuito y la forma en que están conectados.
KVL y KCL
La solución de estas ecuaciones proporciona conocimiento de todas las caídas de voltaje y todos los flujos de corriente en el circuito. Luego, los ingenieros pueden ajustar los diversos valores de los componentes para obtener un circuito final que cumpla su propósito de una manera óptima (ruido más bajo, velocidad más rápida, consumo de energía total más bajo, etc.)
Las ecuaciones que expresan la conectividad de un circuito se basan en:
- Ley de voltaje de Kirchoff (KVL): establece que la suma de la caída de voltaje alrededor de cualquier camino cerrado en un circuito es cero. Las ecuaciones KVL son expresiones de conservación de energía.
- Ley de corriente de Kirchoff (KCL): establece que el flujo de corriente total hacia o desde cualquier unión de cables en el circuito es cero. Las ecuaciones de KCL son expresiones de conservación de carga.
Las ecuaciones KVL / KCL se pueden escribir para un circuito sin tener en cuenta la naturaleza de los componentes reales en el circuito; todo lo que importa es el patrón de sus interconexiones (también conocida como la topología del circuito). Pero KVL y KCL por sí solos no son suficientes y por sí mismos producen un sistema de ecuaciones que contiene más valores desconocidos que ecuaciones. Un sistema tan subespecificado no tiene una solución única.
Ecuaciones Constitutivas
Para resolver este problema, los ingenieros también incluyen la ecuación constitutiva de cada componente del circuito. Las ecuaciones constitutivas expresan la física de los componentes mismos (sin tener en cuenta cómo están interconectados) y varían según el tipo de componente.
Por ejemplo, la ecuación constitutiva de una resistencia (V = I*R, conocida como Ley de Ohm ) es completamente diferente de la de un inductor o un capacitor. La inclusión de las ecuaciones KVL / KCL y todas las ecuaciones constitutivas siempre da como resultado un sistema de ecuaciones que tiene una solución única.
A veces, cuando se incluyen componentes no lineales como transistores o diodos en el circuito, es necesario usar una computadora para resolver las ecuaciones numéricamente, pero eso es una parte estándar de la ingeniería eléctrica moderna. El software de computadora especializado para este propósito está fácilmente disponible, tanto comercialmente como de la comunidad de código abierto.
Es importante entender que ningún componente en un circuito “conoce” los otros componentes per se. El comportamiento de cada componente está completamente definido por la caída de tensión en sus terminales y el flujo de corriente que entra y sale de sus terminales. Si se conocen las caídas de voltaje o los flujos de corriente (quizás como funciones del tiempo), el otro se puede calcular usando la ecuación constitutiva del componente. El comportamiento colectivo de los componentes viene impuesto por las ecuaciones KVL/KCL.
Resumen de la lección
La caída de voltaje cuantifica la cantidad de energía eléctrica que recibe un componente cuando la corriente fluye a través de él (potencia = voltaje x flujo, o P = V*I). Todos los componentes de un circuito deben participar en las transferencias de potencia para contribuir a la funcionalidad del circuito.
La caída de voltaje se puede medir con un voltímetro o se puede determinar resolviendo una combinación de ecuaciones KVL/KCL y ecuaciones constitutivas de componentes , aunque en algunos casos se debe usar una computadora para obtener la solución.
- Ley de voltaje de Kirchoff (KVL): la suma de la caída de voltaje alrededor de cualquier camino cerrado en un circuito es cero. Las ecuaciones KVL son expresiones de conservación de energía.
- Ley de corriente de Kirchoff (KCL): el flujo de corriente total hacia o desde cualquier unión de cables en el circuito es cero. Las ecuaciones de KCL son expresiones de conservación de carga.
Al seleccionar una topología de circuito apropiada (patrón de interconexiones del circuito) y valores apropiados para los diversos componentes, los ingenieros pueden diseñar circuitos que funcionen de manera útil.
Rodrigo Ricardo
Apasionado por compartir conocimientos y ayudar a otros a aprender algo nuevo cada día.
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