¿Porqué nos importa la potencia? La potencia es la medición de la transferencia de energía a través del tiempo, y la energía cuesta dinero. Las baterías no son gratis, y tampoco lo es lo que sale de los enchufes eléctricos. ¡Por lo tanto, la potencia mide que tan rápido gastas tu dinero!
También la energía es…energía. Viene en muchas formas, potencialmente dañinas, entre otras calor, radiación, sonido, nuclear, etc. Más potencia significa más energía. Por eso, es importante tener una idea de qué tipo de potencia se está manejando cuando se trabaja con electrónica. Afortunadamente, al ocupar Arduinos, encender LEDs, y hacer girar pequeños motores, y olvidarse de cuanta potencia se está ocupando solo resulta en una resistencia quemada o un circuito integrado derretido.
Contenido del Tutorial
- Definición de Potencia
- Ejemplos de transferencias de energía eléctrica
- Watts, La unidad SI de Potencia (SI= Sistema Internacional de unidades)
- Calculando potencia usando voltaje, corriente y resistencia.
- Valores máximos de potencia
Lecturas sugeridas
La potencia es uno de los conceptos fundamentales en la electrónica. Pero antes de aprender sobre potencia, pueden existir otros tutoriales que deberías leer primero. Si no conoces algunos de los siguientes temas, deberías considerar revisarlos primero:
- ¿Qué es Electricidad?
- ¿Que es un circuito?
- Voltaje, Corriente, Resistencia y la Ley de Ohm
- ¿Como usar un Multímetro?
¿Qué es la potencia eléctrica?
En términos generales de la física, la potencia se define como la razón en la cual la energía es transferida (o transformada).
Entonces, ¿qué es la energía y como se transfiere? Es difícil decirlo de manera simple, pero la energía es básicamente la habilidad de mover otra cosa. Hay muchas formas de energía: mecánica, eléctrica, química, electromagnética, térmica y muchas otras.
La energía nunca puede ser creada o destruida, solo transferida de una forma a otra. Lo que estamos haciendo en la electrónica es convertir distintos tipos de energía desde y ha energía eléctrica. Encender los LEDs convierte energía eléctrica en energía electromagnética. Motores giratorios convierten energía eléctrica en energía mecánica. Los buzzers generan energía en forma de ruido. Al energizar un circuito con una batería alcalina de 9v se convierte la energía química en energía eléctrica. Todas estas son formas de transferencia de Energía.
La energía eléctrica en particular, comienza como energía eléctrica potencial, a lo que nosotros le denominamos voltaje. Cuando los electrones fluyen a través de esa energía potencial, esta se convierte en energía eléctrica. En los circuitos más útiles, esa energía eléctrica se transforma en algún otro tipo de energía. La potencia eléctrica se mide al combinar cuanta cantidad de energía se transfiere, y a qué velocidad ocurre esa transferencia.
Productores y Consumidores
Cada componente en un circuito consume o produce energía eléctrica. Un consumidor transforma energía eléctrica en otra forma. Por ejemplo cuando un LED se enciende, la energía eléctrica es transformada en energía electromagnética. En este caso, la ampolleta consume potencia. La potencia eléctrica es producida cuando le energía es transferida aeléctrica desde otra forma. Una batería que provee potencia a un circuito es un ejemplo de un productor de potencia.
WATT
La energía es medida en joules (J). Dado que la energía es una medida de la energía a través de una cantidad fija de tiempo , podemos medirla en julios por segundo. La unidad SI para joules por segundo es el watt que se abrevia como W.
Es muy común ver “watts” antecedido por uno de los prefijos SI estándares: microwatt (µW), miliwatt (mW), kilowatt (kW), megawatt (MW), y gigawatt (GW), son todos comunes dependiendo de la situacion
Los microcontroladores, como los Arduino generalmente operan en los rangos de µW o mW. Los Notebooks y los computadores de escritorio operan en el rango estándar de potencia de watt. El consumo de energía de una casa generalmente está en el rango de los kilowatt. Los grandes estadios pueden operar en la escala de los megawatt. Y los gigawatt entran a jugar en estaciones de potencia de gran escala.
Calculando Potencia
La potencia eléctrica es la velocidad en que se transfiere energía. Se mide en términos de joules por segundo(J/s)- un watt (w). Dado los pocos términos de electricidad básica que conocemos, ¿cómo podríamos calcular la potencia en un circuito? Bueno, tenemos una medida muy estándar que involucra energía potencial- los voltios (V) que se definen en términos de joules por unidad de carga (o coulomb) (J/C). La corriente, otro de nuestros términos preferidos de la electricidad, mide el flujo de la carga a traves del tiempo en términos de ampere (A)- o coulombs por segundo (C/s). Unan los dos y se obtiene la potencia!
Para calcular la potencia de cualquier componente en un circuito, multiplica el voltaje por la corriente que circula a través de él.
Por ejemplo, en la siguiente imagen hay un circuito simple (pero no muy funcional): Una batería de 9V conectada con una resistencia de 10Ω.
¿Cómo calculamos la potencia a través de la resistencia? Primero debemos encontrar la corriente que circula a través del circuito. ¡Eso es simple con la Ley de Ohm!
Bueno, 900mA (0.9A) que circulan por el resistor, y 9V a través del. ¿Cuál es la potencia que se aplica a la resistencia entonces?
Una resistencia transforma energía eléctrica en calor. Entonces, este circuito transforma 8.1 joule de energía eléctrica en calor cada segundo.
Calcular Potencia en Circuitos Resistivos.
Cuando se trata de calcular potencia en un circuito netamente resistivo, solo se requiere conocer dos de tres valores (voltaje, corriente y/o resistencia).
Al aplicar la Ley de Ohm (V=IR o I=V/R) en nuestra ecuación de potencia tradicional podemos crear dos ecuaciones nuevas. La primera solamente en términos del voltaje:
Entonces, en nuestro ejemplo anterior, 9V2/10Ω (V2/R) es 8.1W, y nunca tuvimos que calcular la corriente que corre a través de la resistencia.
Una segunda ecuación de potencia se puede formar únicamente en términos de corriente y resistencia:
¿Por qué nos importa la potencia de una resistencia o en cualquier otro componente? Acuérdense que la potencia es la transferencia de energía de un tipo al otro. Cuando la energía eléctrica corriendo de la fuente de potencia llega a la resistencia, la energía se transforma en calor. Posiblemente más calor de lo que la resistencia pueda aguantar. Lo cual nos lleva a verificar … los valores máximos de potencia que soporta la resistencia.
Valores Máximos de Potencia.
Todos los componentes eléctricos transfieren energía de un tipo a otro. Algunas transferencias de energía son deseadas: LEDs emitiendo luz, motores girando, baterías cargando. Otras transferencias de energía son indeseadas, pero también inevitables. Estas transferencias de energía indeseadas son pérdidas de potencia, que generalmente aparecen en términos de calor.
Aun cuando la transferencia de energía es el objetivo principal de un componente, existen perdidas a otros tipos de energías. Los LED y motores, por ejemplo, igual producirán calor como un subproducto a sus transferencias de energía.
La mayoría de los componentes tienen un valor máximo de potencia que pueden disipar, y es importante mantenerlos funcionando por debajo de ese valor. Esto te ayudara a evitar daños en tu circuito.
Potencias Nominales de Resistencias.
Las resistencias son unos de los culpables por las pérdidas de potencia. Cuando uno aplica voltaje en una resistencia, también induce un flujo de corriente a través de ella. Más voltaje significa más corriente que a su vez significa más potencia.
Recuerda nuestro primer ejemplo de calculo de potencia, donde vimos que si aplicábamos 9V a una resistencia de 10 Ω, esa resistencia disiparía 8.1W. 8.1 son muchos watt para la mayoría de las resistencias. La mayoría de las resistencias aguantan desde 1/8W (0.125W) hasta 1/2W (0.5W). Si aplicas 8W a una resistencia estándar de 1/2W, mantén listo un extintor.
Hay resistencias construidas para aguantar grandes potencias. Estas son llamadas específicamente resistencias de potencia.
Si alguna vez debes escoger una resistencia, ten en mente su valor nominal de potencia. Y, a no ser que tu objetivo sea calentar algo (los elementos calentadores son básicamente resistencias de alta potencia), trata de minimizar la perdida de potencia en las resistencias de tu circuito.
Por ejemplo, las potencias nominales de las resistencias pueden entrar en juego cuando se trata de decidir un valor para una resistencia que limita la corriente en un LED. Digamos por ejemplo, que quiere encender un LED súper brillante de 10mm al brillo máximo usando una batería de 9V.
Ese LED tiene una corriente máxima de 80mA, y un voltaje de alrededor de 2.2V. Entonces, para hacer llegar 80mA al LED necesitaran una resistencia de 85 Ω.
Se aplican 6.8V en la resistencia, y 80mA lo atraviesan lo cual significa 0.544W (6.8V*0.08A) de potencia se pierde en él. ¡Una resistencia de medio watt no va a aguantar muy bien! Probablemente no se derretirá pero se pondrá muy caliente. Asegúrate y ocupa una resistencia de 1W (o ahorra potencia y ocupa una fuente de poder dedicada para LED).
Las resistencias no son los únicos componentes donde los valores máximos de potencia deben ser considerados. Cualquier componente con propiedades resistivas va a producir pérdidas térmicas de potencia. Trabajando con componentes que están comúnmente sometidos a altas potencias como son: reguladores de voltaje, diodos, amplificadores, y fuentes de poder de motores, por ejemplo, significa poner más atención a las pérdidas de potencia y el estrés térmico.