Publicado : 10/01/2022 ¿Qué es la Potencia? ¿Cómo escoger los elementos en función de ella? - Categorías : Concursos y eventos , Otras novedades , Teoría Productos relacionados Kit Célula Peltier Ventilador Disipador Pasta Térmica TEC1-12706 12V 60W Conoce como afecta la potencia a tus circuitos, y la relación que tiene con respecto a la corriente, el voltaje, la energía o el tiempo. Hay varios tipos de potencia que tener en cuenta y afectan de distinta manera. Descubre en este blog como tenerla en cuenta para que no dañe tu circuito, y que elementos debes usar en función de tu circuito. Definición de potencia Escuchamos el término potencia para varios aspectos, en el mecánico y en el eléctrico, y tenemos en mente una idea del concepto. Sin embargo, la definición correcta para la potencia eléctrica es la proporción por unidad de tiempo, a la que la energía eléctrica se transfiere mediante un circuito eléctrico. Es decir, la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado. Estos elementos, si sabes ya sabes un poco, o has podido intuirlo por la foto de arriba, suelen ser resistencias, o elementos resistivos. De ellos y como afectan hablaremos más en detalle más adelante. La unidad para la potencia en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt (W). Este corresponde a 1 julio por segundo (1 J/s). Se utiliza, por tanto, para cuantificar la tasa a la que se transfiere la energía. En términos de Unidades básicas del SI, el vatio se describe como kg⋅m²/s³. Sin embargo, aquí vamos a tratar la definición eléctrica del vatio, la cual es la velocidad a la que se realiza el trabajo cuando una corriente de un amperio (I) fluye a través de una red que tiene una diferencia de potencial eléctrica de un voltio. Diferencia entre potencia y energía En español son dos palabras distintas, con significados distintos pero que pueden llegar a cofundirse. Esto es incluso más habitual en inglés donde la palabra “power” hace referencia a ambas. Ya hemos definido lo que es la potencia, por lo que, ¿qué es la energía? El término energía tiene diversas definiciones, todas ellas relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, surgir, transformar o poner en movimiento. En el caso de la energía eléctrica, se define como la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico. En cuanto a la unidad de medida que utilizamos para cuantificar la energía es el julio o joule (J). En realidad, la energía puede presentarse en muchas formas, por ejemplo: energía mecánica (por ejemplo, un vehículo a toda velocidad). energía eléctrica o electricidad (por ejemplo, almacenada en condensadores). energía química (en enlaces entre átomos). energía térmica (relacionada con el movimiento de moléculas dentro del cuerpo, su medida es la temperatura). Pero, ¿cuál es la diferencia entre energía y potencia? En términos generales, la energía es la cantidad de potencia usada durante un cierto período de tiempo. Esta energía puede ser cualquiera de las que se ha mencionado arriba, y por lo tanto gastará una cantidad de potencia del mismo tipo. Las fórmulas relacionan siempre todo de una manera más visual, por lo que empezamos con la típica: la ley de Ohm. Esta relaciona la intensidad (I), resistencia (R), y el voltaje (V). Pero hemos dicho que la potencia estaba relacionada con ellas, por lo que si la incluimos podemos ver cómo en la siguiente ilustración. En resumen, la ecuación más sencilla que relaciona la potencia es la tensión por la corriente, VxI. Solo queda relacionarla con la energía, que como hemos dicho es la cantidad de energía consumida durante un periodo de tiempo. La fórmula, por tanto, es simple: E=P/t Donde la “E” es la energía en julios, la “P” la potencia en vatios y la “t” el tiempo en segundos. Energía térmica y sus problemas en circuitos La energía que se desprende cuando se consume mayor potencia es mayor. Por el llamado efecto Joule, cuando transcurre una corriente eléctrica por un conductor se genera una energía térmica. Esta energía térmica es calor, que se irradia y puede ocasionar daños en un circuito eléctrico o electrónico. Por ello todos deben estar pensados para ello y tener las protecciones adecuadas. A mayor demanda de potencia, mayor corriente y por tanto mayor calor. Y siempre hay que tenerlo en cuenta, porque el efecto Joule siempre está presente, generando mayor o menos cantidad de energía térmica, pero ahí está. Como sabemos, la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma, y de normal nadie pretende que su circuito la genere en forma de calor, a menos que diseñes una estufa o similares. Todo genera calor y puede incluso quemarte los componentes. Un diodo LED, que convierte la electricidad en luz, ¡genera calor! Un altavoz que convierte la energía eléctrica en energía de ondas acústicas ¡genera calor! ¡Un motor eléctrico, que convierte la energía eléctrica en energía mecánica, genera calor! ¿Por qué usar resistencias en tus circuitos? Tal y como su nombre indica, las resistencias producen resistencia al paso de la corriente. Esto es bueno para que precisamente ellas que resisten bien, consuman ese “exceso de corriente” que podría dañar tu circuito. La mayoría de las veces, las resistencias se usan para limitar la intensidad de la corriente que fluye. ¡El papel de la resistencia es solo tomar energía y convertirla en calor! Selección de una resistencia con la potencia permitida adecuada Si sabemos qué potencia se generará en un elemento dado (por ejemplo, una resistencia), entonces debemos pensar en usar un elemento con una potencia máxima permisible más alta. Su carcasa se adaptará para disipar mayores cantidades de energía térmica. Por ejemplo, si se van a emitir 0,825 W en la resistencia (ejemplo anterior), entonces, en teoría, puede usar una resistencia de 1 W. Sin embargo, es mejor usar una resistencia con una potencia de, por ejemplo, 2W o 3W. ¡Tal cambio nos protege contra la quema del sistema durante una sobrecarga temporal! ¡Nota para principiantes! El parámetro "potencia de la resistencia" define la potencia máxima permitida que no dañará el elemento. Si la resistencia ha sido marcada por el fabricante como 5W, NO SIGNIFICA que siempre deba trabajar a tal potencia. Estos son solo los parámetros operativos máximos permitidos, que muchos principiantes olvidan. Elección entre los tamaños de resistencias La potencia caracteriza a muchos componentes electrónicos; las resistencias son un buen ejemplo. Al elegir una resistencia, la mayoría de las veces prestamos atención a su resistencia y tolerancia. Sin embargo, no se debe olvidar el tercer parámetro, es decir, la potencia de la resistencia. Hay 10 resistencias a continuación. Cada uno de ellos da una resistencia igual a 1kΩ (por supuesto con el error permitido dentro de su tolerancia). Sin embargo, definitivamente difieren en tamaño. Las resistencias más grandes y más pequeñas (que parecen miguitas) son especialmente interesantes: Las resistencias más pequeñas son elementos en carcasas adaptadas para montaje en superficie (SMD). Cuanta más potencia tenga una resistencia determinada, más grande será. Su forma también cambia a partir de cierto nivel. Estos cambios también van acompañados de un aumento significativo en el precio. Ejemplo: selección de una resistencia (resistencia y potencia) para diodos Un ejemplo donde es necesario usar una resistencia para que limite la corriente es la alimentación de diodos emisores de luz (LED). Al principio, vale la pena recordar que la resistencia debe acompañar siempre al LED. Ya sea que se vaya a conectar a una batería/Arduino/ Raspberry Pi u otra fuente, la resistencia es necesaria. ¡Porque el diodo tendrá una corriente controlada por los componentes! Supongamos que queremos hacer iluminación LED sobre el teclado, alimentada directamente desde la toma USB. Los LED deben ser blancos. La intensidad de su iluminación debe ser lo más alta posible, pero sin riesgo de sobrecalentamiento. Usaremos tres diodos, que se sabe que tienen una corriente directa máxima de 20 mA, y tenemos resistencias de la serie E24 con una tolerancia del 5%. El puerto USB proporciona voltaje en el rango de 4.4V - 5.25V. Un diodo tiene un voltaje directo de 3 V a 3,6 V. Por tanto, es imposible conectar los diodos en serie porque la tensión de alimentación es demasiado baja. Cada uno de ellos necesitará una resistencia dedicada. Elegimos resistencias de modo que en un caso extremadamente desfavorable (el voltaje de suministro más alto y el voltaje directo más bajo), fluyan aproximadamente 20 mA a través del diodo. De esta forma, nunca superaremos este límite. R min = (U su_max - U LED_min ) / I max R min = (5,25 V - 3 V) / 0,02 A = 112,5 Ω Una resistencia con tal valor no se puede encontrar en el mercado. La primera resistencia que me viene a la mente es de 120 Ω, porque es ligeramente superior a la calculada, por lo que la corriente será menor. Podríamos quedarnos con esa, pero vamos a calcular un poco más en profundidad. La tolerancia es del 5%, es decir, la resistencia oscila entre 114 Ω y 126 Ω. La corriente que fluye a través de los diodos será ligeramente menor que el máximo de 20 mA, pero la diferencia de brillo será casi imperceptible. Se emitirá algo de energía en la resistencia limitadora de corriente. No tiene que preocuparse por eso para sistemas tan pequeños, pero en sistemas más grandes se vuelve importante. Estimemos por el ejercicio en sí. La potencia emitida en la resistencia es mayor cuando se deposita el mayor voltaje posible en sus terminales o cuando fluye la mayor corriente a través de él. En este caso, será más fácil definir el voltaje: U R_max = U su_max - U LED_min U R_máx = 5,25 V - 3 V = 2,25 V Puede calcular la potencia emitida en la resistencia usando la fórmula sacada de la ley de Ohm: ¿Qué patrón debo usar? Aquí buscamos la máxima potencia y conocemos el voltaje. Entonces, la forma más fácil es usar la última versión del patrón. Calculamos la potencia usando el voltaje máximo que se coloca en la resistencia (al cuadrado) y su resistencia. P máx = U R_max 2 / R P máx = (2,25 V) 2 / 120Ω = 42,1 mW = 0,042 W Como puedes ver, en esta aplicación típica, resistencias pequeñas con una potencia permisible de 0.125W, es decir, 1/8W, lo manejarán sin ningún problema. ¿Está mal tener una temperatura de elemento más alta? Algunos ingenieros electrónicos más novatos creen que, si algo comienza a calentarse en el sistema, significa que está defectuoso y debe apagarse. Esto es un buen reflejo y lo más habitual, pero a veces conduce a falsas alarmas y un sistema que funciona correctamente se considera defectuoso. La disipación de energía de aproximadamente una docena de milivatios o menos a menudo no se siente en absoluto como un aumento de temperatura. La carcasa de cada elemento refleja tan bien la energía al medio ambiente que la temperatura del elemento apenas aumentará. El problema se agrava cuando la temperatura se eleva lo suficiente como para correr el riesgo de sufrir una quemadura. Se supone que unos 55°C son suficientes para esto. Si existe el riesgo de que nuestro componente (estabilizador, resistor, transistor, etc.) obtenga una temperatura aún más alta, entonces debe enfriarlo. La temperatura crítica para los sistemas de silicio es de aproximadamente 120-150 °C. Superarlo puede destruir irreversiblemente la estructura. Refrigeración de componentes electrónicos Ya hemos dicho que este calor puede dañar los componentes y se deben usar componentes para evitar daños, como las resistencias. Estos componentes no solo deben ser los adecuados, con un formato y carcasa adecuados. Pero además de seleccionar un elemento en una carcasa adecuada, vale la pena cuidar su enfriamiento adicional. Por supuesto, en el caso de la mayoría de los proyectos como hobbie, no será necesario, pero vale la pena tener varias opciones y saber las recomendaciones para proyectos más profesionales. En el caso de las resistencias, y sobre todo de alta potencia, será mejor no colocarlas pegadas sobre la placa. Lo mejor es dejar las patas un poco más levantadas para que el calor se disipe mejor, y no se transmita a la placa. Por otra parte, para los circuitos integrados, existen componentes especialmente diseñados para transmitir el calor fuera llamados disipadores. Estos elementos son de materiales que irradian fácilmente el calor, que son buenos conductores térmicos, como el aluminio o el cobre. Los hay de muchos tamaños, e incluso con la posibilidad de refrigeración con ventilación. En función de la potencia que consuma el chip, generará una energía térmica que se debe disipar, por lo que se deberá tener en cuenta cuando se piense el proyecto. Kit Ventilador Disipador Pasta Térmica para Célula Peltier Cerámica TEC1-12706 - Referencia M0060 Potencia en corriente alterna Hasta ahora nos hemos centrado en la corriente continua ya que hablamos mayoritariamente de circuitos de electrónica. Pero en circuitos eléctricos se suele trabajar en corriente alterna, donde la potencia se presenta de varios tipos: activa, reactiva y aparente. ¿Te suenan estos términos? Potencia Activa: es la potencia que llamaríamos ‘útil’, la que hace un trabajo real, como por ejemplo creando calor, operando una carga, la luz de una lámpara, etc. La unidad de medida es el propio vatio. Potencia Reactiva: es la potencia que consume todo dispositivo que tenga una bobina y se alimente de corriente alterna, ya sean motores, transformadores u otros dispositivos. Es la potencia en la cual la corriente, está fuera de fase con respecto al voltaje y el producto de los voltios por los amperios no hace un trabajo real. Un ejemplo puede ser la corriente que se carga en un condensador o la que crea un campo magnético alrededor de una bobina. La unidad de medida de la potencia reactiva es el VAR y su múltiplo es el kVAR (kilovolt-amper-reactivo). Potencia Aparente: es la combinación matemática de las dos. El valor que representa la potencia aparente o potencia total (S) de un circuito eléctrico con carga reactiva se obtiene (de acuerdo con el teorema de Pitágoras para un triángulo rectángulo) hallando la raíz cuadrada del resultado de sumar, algebraicamente, los valores de la potencia reactiva (Q) y la activa (P), elevados ambos valores al cuadrado. El valor de la potencia aparente se mide en kVA (kilovoltios aparentes). Por lo tanto, para la potencia real consumida es esa potencia aparente, es la que nos cobran en la factura de la luz, y la que realmente está consumiendo nuestro electrodoméstico, circuito o aparato cuando están conectadas a la red eléctrica o cualquier red alterna. Es por ello por lo que se debe bajar ese consumo de potencia reactiva, ya que la activa es la que por necesidad vamos a gastar, pero la reactiva es indirecta. Existen también mecanismos para ello, como filtros y demás. Para entender mejor esta idea, porque puede ser un poco jaleo, es mejor explicarlo con algo más cotidiano, como una jarra de cerveza. Aunque la espuma siempre va a estar presente, y es incluso buena una cantidad, esta debe ser razonable. Conclusión En el blog hemos tratado la información básica relacionada con la potencia y los diferentes términos, y la selección de los componentes electrónicos correctos para que se trabaje bien con la potencia requerida. Vale la pena recordar que calentar un elemento no siempre es malo, pero es necesario controlar la potencia que se emite. Estos aspectos se vuelven muy importantes a la hora de construir dispositivos más complejos, por lo que vale la pena conocer las fórmulas básicas y aplicarlas en la práctica desde el inicio del aprendizaje de la electrónica.