Los elementos de los circuitos del mundo real

Los elementos de los circuitos discutidos en el artículo anterior son elementos ideales. Los del mundo real se acercan a los modelos matemáticos ideales, pero inevitablemente serán imperfectos. Ser un buen ingeniero significa estar consciente de las limitaciones de los componentes reales en comparación con sus abstracciones ideales.

Una simple variación de los ideales es que los dispositivos físicos como resistores, inductores y capacitores $(\text{R, L, C})$‍ tienen un cierto nivel de tolerancia alrededor del valor ideal (mientras más estrecha sea la tolerancia, más dinero pagas). Los componentes reales nunca tienen exactamente sus valores especificados.

Los elementos reales de los circuitos se desvían de las ecuaciones ideales cuando el voltaje o la corriente se llevan a un extremo. La abstracción matemática de la recta de un resistor no tiende a $\mathrm{\infty }$‍ para el voltaje o a $\mathrm{\infty }$‍ para la corriente en los resistores reales. El modelo se rompe en cierto punto y el componente podría destruirse. Los modelos abstractos para todos los componentes y las fuentes ideales tienen en el mundo real un rango limitado.

Un componente real no es solo ese componente. Vamos a usar un resistor como ejemplo: ya que los cables están conectados a los extremos del resistor generan un campo magnético alrededor, inevitablemente mostrará algunas propiedades inductivas. Además, los resistores están hechos de materiales conductores, y por lo general están ubicados cerca de otros conductores. Juntos, estos conductores actúan como las placas de un capacitor, así que los resistores también muestran algunas propiedades capacitivas.

Estos efectos parásitos pueden ser relevantes para frecuencias altas o cuando el voltaje o la corriente cambia bruscamente. Si estos efectos parásitos importan, puedes modelar un componente como una combinación de elementos ideales, como se muestra aquí para una resistor:

Las propiedades de los componentes del mundo real son sensibles a su entorno. La mayoría de los componentes muestran un cierto grado de sensibilidad a la temperatura; los parámetros se desvían hacia valores altos o bajos dependiendo de qué tan caliente o frío esté el componente. Si tu circuito tiene que funcionar en un rango amplio de temperatura, vas a querer conocer cómo es el comportamiento de los componentes que uses en función de la temperatura.

Nota: en los temas de ingeniería eléctrica que se cubren en Khan Academy, no te vas a tener que preocupar por los efectos parásitos. Se mencionan aquí para que sepas que existen. Cuando simulas circuitos electrónicos, no necesitas complicar las cosas al modelar los posibles efectos parásitos, a menos que tengas (o aprendas de) una razón para pensar que son importantes.

Al hacer resistores reales, el objetivo es crear un componente que se acerque tanto como sea posible al comportamiento de la ecuación del resistor ideal, la ley de Ohm, $v=i\text{R}$‍.

El valor de la resistencia de un resistor depende de dos cosas:

El material (de qué está hecho) afecta qué tan difícil es para los electrones fluir a través de él. Puedes pensarlo como qué tan seguido chocan los electrones con los átomos en el material a medida que tratan de pasar. Esta propiedad del material se llama resistividad. Puede que también hayas oído el término conductividad, que es simplemente el inverso de la resistividad.

Después de seleccionar un material con una cierta resistividad, el valor de la resistencia de un resistor está determinado por su forma. Un resistor más largo tiene un valor más alto que uno más corto porque los electrones sufren más choques a medida que pasan por los átomos en el material. Un resistor con una sección transversal mayor tiene un valor menor que aquel con una sección transversal más pequeña, porque los electrones tienen un número mayor de caminos disponibles a seguir.

Un resistor real deja de funcionar (se rompe y queda destruido) si la potencia disipada a través de él es mayor que la que pueden soportar los materiales de los cuales está hecho. Los resistores vienen con una potencial nominal que no debe excederse. Si tratas de disipar $1$‍ watt en un resistor de $1/8$‍ watt, puedes terminar con un pedazo quemado de algo que ya no es un resistor.

Ejemplo de un resistor axial convencional:

Las bandas de color indican el valor y la tolerancia de la resistencia. Los colores de las bandas en esta resistencia son anaranjado, anaranjado, café y dorado. A partir de la tabla de códigos de color, las primeras dos bandas corresponden a los dígitos del valor, $33$‍. La tercera banda es el multiplicador, café representa $\times {10}^1$‍. La cuarta (y última) banda indica la tolerancia, dorado es $\pm 5\mathrm{\%}$‍. El valor de la resistencia es $330\mathrm{\Omega }\pm 5\mathrm{\%}$‍.

Este es un resistor de precisión con 5 bandas de color:

Lee las bandas de izquierda a derecha: rojo, rojo, azul, café, café $=22611$‍. Las primeras tres bandas $(226)$‍ son el valor. La cuarta banda es el multiplicador $(\times {10}^1)$‍. La quinta (y última) banda indica la tolerancia, café es $1\mathrm{\%}$‍. El valor de la resistencia es $2260\mathrm{\Omega }\pm 1\mathrm{\%}$‍.

Este es un resistor de montaje de superficie:

El valor de la resistencia está codificado en el código de $3$‍ dígitos: $102$‍, lo que significa $10\times {10}^2=1000\mathrm{\Omega }$‍. La especificación del tamaño de esta resistencia resulta ser "0603 Métrica", lo que indica que tiene un tamaño de $0.6\text{mm}\times 0.3\text{mm}$‍.

Ejemplo de un resistor en un circuito integrado:

El diseñador selecciona una de las capas del circuito integrado con alta resistividad y crea (dibuja) un patrón que serpentea para lograr la resistencia deseada.

Cuando se hacen capacitores reales, el objetivo es crear un componente que se acerque tanto como sea posible al comportamiento de la ecuación del capacitor ideal, $i=\text{C}\text{d}v/\text{d}t.$‍

Un capacitor se construye de dos superficies conductoras colocadas una cerca de la otra. Entre las placas puede haber aire, o cualquier otro tipo de material aislante. El valor de la capacitancia depende de un cierto número de factores como el área de las placas, la distancia entre las placas (el grosor del aislante) y de las propiedades físicas del material aislante.

Puedes aprender más acerca de los capacitores, así como por qué y cómo funcionan en la sección de capacitores y capacitancia de física de Khan Academy.

Capacitores reales:

Los capacitores cilíndricos (negro, azul oscuro, o plateado, arriba a la izquierda) están hechos de dos placas de lámina de metal enrolladas para maximizar el área de las placas y lograr valores de capacitancia grandes en un paquete compacto.

Los condensadores en forma de círculo (azul agua y anaranjado, abajo) son simplemente dos discos de metal uno frente al otro, separados por un aislante.

Los capacitores ajustables (blanco, a la derecha) tienen aire como aislante. Un juego de placas gira para superponer más o menos área al conjunto estacionario de placas. Los capacitores de aire variable se usan para sintonizar radios, por ejemplo.

La desviación más probable de la ecuación del capacitor ideal ocurre si el voltaje a través del capacitor se vuelve tan grande que el aislante entre las placas deja de funcionar. Cuando esto pasa, una chispa puede quemar el aislante y pasar de una placa a otra. Deja de haber capacitor. Los capacitores reales tienen un voltaje nominal que no debe excederse.

Como un capacitor tiene cables de conexión, inevitablemente tiene pequeñas resistencias e inductancias parásitas. La inductancia parásita puede ser importante si se espera que el capacitor proporcione ráfagas repentinas de corriente, como cuando está conectado al pin de alimentación de un chip digital. Proporcionarle un aumento repentino de corriente al chip digital significa que la inductancia de las conexiones del capacitor debe ser muy pequeña.

El material que separa las placas del capacitor se supone que es aislante (permite cero corriente). Pero no todos los aislantes son perfectos, así que se pueden filtrar pequeñas corrientes. Estas corrientes llamadas de fuga parecen fluir a través del capacitor, incluso si el voltaje no está cambiando (cuando $\text{d}v/\text{d}t=0)$‍. Los caminos para las corrientes de fuga también ocurren si el circuito no está limpio, y las corrientes fluyen alrededor del capacitor, a lo largo de la superficie del componente.

Aquí se muestra un capacitor de montaje de superficie:

Las corrientes de fuga pueden fluir entre las terminales de metal a través de la suciedad dejada por el proceso de soldadura si no se limpia la placa de circuito.

Un capacitor de montaje de superficie se construye de muchas capas de placas conductoras de electrodos intercaladas con capas aislantes de cerámica.

Cuando se crea un inductor, el objetivo es acercarse tanto como sea posible a la ecuación del inductor ideal, $v=\text{L}\text{d}i/\text{d}t.$‍

Un análisis completo de cómo funciona realmente un inductor es un tema avanzado y más allá del alcance de este artículo. Para obtener más información sobre inductores y campos magnéticos, consulta la sección campos magnéticos de Física de Khan Academy.

Cualquier conductor que lleve una corriente genera un campo magnético en la región circundante, como se representa con las líneas rojas en estas imágenes. El campo magnético alrededor de un alambre enrollado en forma de bobina se concentra en el interior de esta.

Una buena forma de pensar acerca de la inductancia es compararla con la masa en un sistema mecánico. La energía magnética se almacena en un inductor de la misma manera que la energía cinética se almacena en una masa en movimiento. Piensa en un volante giratorio (una rueda con un borde pesado). No puedes detener un volante giratorio en un instante. Un inductor es similar. La corriente en un inductor no se detiene instantáneamente, al igual que el volante. La energía del campo magnético sigue empujándolo.

Hacer inductores: para lograr niveles más altos de inductancia ($L$‍ mayor), los inductores se hacen al enrollar alambre en una bobina. El campo magnético se puede intensificar todavía más al colocar un material magnético adecuado dentro de la bobina. Este es un inductor con forma toroidal enrollado alrededor de un núcleo de hierro y cerámica llamado ferrita (no puedes ver el núcleo de ferrita que tiene forma de dona, está cubierto de alambre de cobre).

El núcleo de ferrita concentra e intensifica el campo magnético, el cual aumenta el valor de la inductancia, $\text{L}$‍.

Los inductores reales difieren de la ecuación ideal en algunas formas importantes. Como los inductores están hechos de cables largos, a menudo tienen una resistencia parásita significativa.

La otra característica ineludible de los inductores es que ocupan mucho espacio. El campo magnético existe en el volumen de espacio alrededor y dentro del inductor, y la bobina de alambre debe ser lo suficientemente grande como para rodear una gran cantidad de campo magnético si se quiere lograr una inductancia significativa. Es por eso que resulta raro ver un inductor diseñado en un circuito integrado.

Terminamos con esta asombrosa imagen de un inductor con núcleo de aire. Esta gran bobina de cobre (un inductor) era parte de una estación de telégrafo inalámbrico construida en Nueva Jersey, EUA en 1912. Podía enviar un mensaje 4000 millas (6400 km), por todo el Océano Atlántico hasta Alemania. ¡Guau! No hace falta decirlo, la mayoría de los inductores son mucho más pequeños.