Las resistencias son el componente electrónico más común. Son una pieza crítica en casi todos los circuitos y juegan un rol muy importante en nuestra ecuación preferida, la Ley de Ohm.
En este tutorial veremos:
- ¿Qué es una resistencia?
- Unidades de resistencia
- Simbología de las Resistencias
- Resistencias en serie y en paralelo
- Distintas variaciones de las resistencias
- Como decodificar el código de color
- Como decodificar las resistencias de montaje en superficie
- Ejemplos de aplicaciones de las resistencias.
Lecturas Sugeridas
Algunos de los conceptos en este tutorial se basan en conocimiento electrónico previo. Antes de empezar este tutorial, considere leer los siguientes primero:
- ¿Qué es la electricidad?
- ¿Qué es un Circuito?
- Prefijos Métricos
- Voltaje, Corriente, Resistencia y la Ley de Ohm
- Circuitos Serie y Paralelo
- Como usar un Multimetro– Específicamente la sección sobre medición de resistencia.
Resistencias Básicas
Las resistencias son componentes electrónicos que tienen una resistividad eléctrica específica que nunca cambia. La resistividad de la resistencia limita el flujo de electrones en un circuito.
Las resistencias son componentes pasivos, lo que significa que ellos solo consumen energía (y no la pueden generar). Las resistencias generalmente se agregan a los circuitos como complemento de los componentes activos tales como lo amplificadores operacionales, microcontroladores y otros circuitos integrados. Generalmente las resistencias se ocupan para limitar la corriente, dividir los voltajes, y como resistencias pull-up en las líneas de entrada y salida (I/O).
Unidades de Resistencias
La resistencia eléctrica se mide en ohm. El símbolo de ohm es la letra griega omega en mayúscula: Ω. La definición de 1 Ω es la resistencia entre dos puntos donde 1 volt (1V) de energía potencial aplicada pueda empujar 1 ampere (1A) de corriente.
Los valores más grandes o más pequeños se pueden usar con prefijos como kilo-, mega-, o giga-, por ejemplo, para que sean más fáciles de interpretar. Es muy común encontrar resistencias en el orden de los kilo ohm (kΩ) y mega ohm (MΩ). Es menos común ver resistencias en el orden de los mili ohm (mΩ). Por ejemplo, una resistencia de 4,700 Ω es equivalente a una resistencia de 4.7 kΩ. Una resistencia de 5,600,000Ω se pude escribir como 5,600kΩ o más comúnmente como 5,6MΩ.
Símbolo Esquemático
Todas las resistencias tienen dos terminales, una conexión en cada punta de la resistencia. Cuando se modela en un esquemático, una resistencia va a aparecer como uno de estos dos símbolos:
Los terminales de las resistencias son cada una de las líneas que se extienden del zigzag (o el rectángulo). Eso es lo que conecta la resistencia con el resto del circuito.
Los símbolos de resistencia generalmente llevan un valor de resistencia y un nombre. El valor mostrado en ohm es obviamente crítico tanto para la evaluación como para la construcción del circuito. El nombre de la resistencia generalmente es R seguido por un número. Cada resistencia en un circuito debería tener un nombre/numero único. Por ejemplo, abajo hay algunas resistencias necesarias para hacer funcionar el circuito de un timer 555:
En este circuito, las resistencias juegan un rol clave en configurar la frecuencia de la salida del timer 555. La resistencia (R3) limita la cantidad de corriente que pasa a traves del LED.
Tipos de Resistencias
Las resistencias vienen en tamaños y formatos diferentes. Dependiendo del tamaño, pueden ser de agujeros pasantes (through hole) o de montaje en superficie. Dependiendo del formato, pueden ser estándar, fijas, un paquete de resistencias, o resistencias variables.
Resistencias superficiales y de agujero pasante
Las resistencias vienen en uno de los dos tipos de terminaciones: agujeros pasantes o montaje en superficie. Estas resistencias generalmente se abrevian como PHT (Agujeros pasantes; en inglés: Plated Through-Hole) o SMD/SMT (montaje en superficie).
Las resistencias de agujero pasante vienen con patas largas y flexibles las cuales se pueden introducir en un protoboard o se pueden soldar a mano en una placa. Estas resistencias son más útiles cuando se está ocupando un protoboard, cuando se está trabajando en un prototupo o en cualquier caso en que no se quieran soldar pequeñas resistencias de 0.6mm como las de montaje en superficie. Las patas largas generalmente se deben acortar para poder utilizarlas, estas resistencias ocupan mucho más espacio que las de montaje en superficie.
La más común de las resistencia de agujeros pasantes viene en un paquete axial. El tamaño de una resistencia axial es relativo a su potencia. Una resistencia común de 1/2 W mide alrededor de 9.2mm, mientras una resistencia de 1/4W mide alrededor de 6.3mm.
Las resistencias de montaje en superficie generalmente son pequeños rectángulos negros, con bordes plateados conductivos. Estas resistencias están hechas para montarlas en PCBs donde son soldadas en pistas de acoplamiento. Debido a que las resistencias son tan pequeñas, generalmente son posicionadas por un robot (pick and place), luego pasan por un horno donde se derrite la soldadura y ahí quedan fijas al PCB.
Las resistencias de montaje en superficie vienen en tamaños estándar; generalmente 0805 (0.8mm de largo por 0.5mm de ancho), 0603, o 0402. Son ideales para fabricar placas de circuitos en forma masiva, o en diseños donde el espacio es reducido. Sin embargo, requieren de un pulso firme y preciso para soldarlas a mano.
Composición de una resistencia
Las resistencias se pueden construir en una variedad de materiales. Las resistencias más comunes y modernas son fabricadas en una película de carbón, metal, o de óxido de metal. En estas resistencias, una pequeña película de material conductivo (pero resistente) se envuelve en forma de espiral alrededor de un material aislante, para luego ser recubierto por otro material aislante. La mayoría de las resistencias estándar vienen con una película de carbón o de metal.
Otras resistencias de agujeros pasantes suelen ser envueltas en una película de metal muy delgada. Estas resistencias generalmente son más costosas y más sofisticadas ya que son escogidas por sus características únicas como rango de potencia alto o una gran tolerancia al calor.
Las resistencias superficiales vienen usualmente en 2 formatos thick film (película gruesa) o thin film (película delgada). La película gruesa es más económica pero es menos precisa que la delgada. En los dos tipos de resistencia, una pequeña película de una aleación metálica es puesta entre una base cerámica y una cobertura de vidrio/epóxido, y luego es conectado a los bordes conductivos.
Paquetes de Resistencia Especiales
Hay una gran variedad de otras resistencias de propósitos especiales. Las resistencias pueden venir en paquetes pre conectados de cinco o más resistencias. Las resistencias en estos conjuntos pueden tener un pin común o estar puestas como divisor de voltaje.
Las resistencias no tienen que ser estáticas. Las resistencias variables conocidas como reóstato, son resistencias que se pueden ajustar dentro de un rango específico de valores. Parecido al reóstato es el potenciómetro. Los potenciómetros conectan internamente dos resistencias en serie, y ajustan un mando central entre ellas creando un divisor de voltaje ajustable. Estas resistencias variables generalmente se ocupan como metodo de entrada; por ejemplo en perillas de volumen.
Decodificar las marcas de las resistencias
Aunque no muestren su valor directamente, la mayoría de las resistencias están marcadas para mostrar cuál es el valor de su resistencia. Las resistencias de agujeros pasantes usan un sistema de codificación de color para mostrar cuál es su valor, mientras que las resistencias de montaje en superficie tienen su propio sistema de identificación.
Decodificar las bandas de color
Las resistencias de agujero pasante generalmente usan el sistema de franjas de color para identificar su valor. La mayoría de estas resistencias tienen cuatro franjas de color alrededor de la resistencia.
Las primeras dos bandas indican los dos dígitos más significativos del valor de la resistencia. La tercera banda es el valor de peso, que multiplica los otros dos dígitos por una potencia de 10.
La banda final indica la tolerancia de la resistencia. La tolerancia explica cuanto mayor o menor puede ser la resistencia según su valor nominal. Ninguna resistencia está fabricada a la perfección, y los distintos procesos de fabricación van a resultar en mejores o peores tolerancias. Por ejemplo, una resistencia de 1kΩ con una tolerancia de 5% puede en realidad tener un valor entre 0.95kΩ y 1.05kΩ.
¿Cómo se sabe cuál es la primera banda y cuál es la última? La última banda, que es de tolerancia, a menudo está claramente separada de las otras bandas, y generalmente es plateada o dorada.
Abajo hay una tabla de los colores indicando que valor, multiplicador, y tolerancia representan.
Aquí hay un ejemplo de una resistencia de 4.7kΩ con cuatro bandas de color:
Cuando se decodifican las bandas de color de las resistencias, es bueno consultar una tabla como la que está arriba. La resistencia de 4.7kΩ tiene bandas de color amarillo y violeta al comienzo. Estas tienen los valores 4 y 7 (47). La tercera banda de la resistencia de 4.7kΩ es roja, la cual indica que el 47 debe ser multiplicado por 102 (o 100). ¡47 por 100 es 4,700!
Decodificar Resistencias de Montaje en Superficie
Las resistencias de montaje en superficie como las 0603 o las 0805, tienen su propia forma de mostrar su valor. Hay algunos métodos comunes para marcas estas resistencias. Generalmente tienen tres o cuatro caracteres, ya sean números o letras, impresas en la parte superior de la carcasa.
Si los tres caracteres que ves son todos números, probablemente está viendo una resistencia con marcas E24. Estas marcas comparten similitudes con el sistema de color que se usa en las resistencias de agujeros pasantes. Los primeros dos números representan los dígitos más significativos del valor, el número final representa la magnitud.
En el ejemplo superior, las resistencias son marcadas 104, 105, 205, 751, y 754. La resistencia marcada con 104 debería ser de 100kΩ (10×104),105 sería 1MΩ (10×105), y 205 es de 2MΩ (20×105). 751 es de 750Ω (75×101), y 754 es de 750kΩ (75×104).
Otro sistema de codificación común es el E96, y es el más críptico de todos. Las resistencias E96 son marcadas con 3 caracteres, primero dos números y al final una letra. Los dos números indican los primeros tres dígitos del valor, al corresponderlo a uno de los números no tan obvios de la tabla a continuación.
La letra al final corresponde a un multiplicador, que se puede ver abajo.
Entonces una resistencia 01C es de 10kΩ (100×100), 01B es de 1kΩ (100×10), y 01D es de 100kΩ. Esas son simples, las que vienen a continuación no son tan fáciles. 85A según la tabla anterior es 750Ω (750×1) y 30C es en realidad 20kΩ.
Valor de Potencia
El valor de potencia de una resistencia es uno de los valores más ocultos. Sin embargo, puede ser importante, y es un tema que saldrá a relucir cuando compres una resistencia.
La potencia es la relación en la cual la energía es transformada a otra cosa. Se calcula multiplicando el voltaje entre dos puntos por la corriente que fluye a través de ellos, y es medida en watts(W). Las ampolletas por ejemplo convierten la energía en luz. Pero una resistencia solo puede transformar energía eléctrica en calor. El calor no es un buen elemento para la electrónica, mucho calor se podría convertir en humo, chispas, y fuego.
Cada resistencia tiene un valor de potencia máximo. Esto es para evitar que se sobre caliente. Es importante asegurarse que la potencia en la resistencia sea menor que el valor máximo de potencia a disipar en el circuito. El valor de potencia de una resistencia se mide en Watts, y generalmente esta entre ⅛W (0.125W) y 1W. Las resistencias con valores de potencia sobre 1W generalmente se denominan resistencias de potencia, y son usadas por su habilidad de disipar la potencia en calor.
Encontrar el Valor de Potencia de una Resistencia
El valor de potencia puede ser deducido al observar su tamaño. Las resistencias estándar de agujeros pasantes generalmente vienen con valores de potencia de ¼W o ½W. Las resistencias de potencia de uso especial pueden mostrar su valor de potencia en la resistencia.
Estas resistencias de potencia pueden aguantar más potencia antes de que estallen. Desde la esquina derecha superior hasta la esquina izquierda inferior, hay ejemplos de resistencias de 25W, 5W y 3Ws, con valores de 2Ω, 3Ω, 0.1Ω y 22kΩ. Las resistencias de potencias más pequeñas frecuentemente se ocupan para medir corriente.
El valor de potencia de las resistencias de montaje en superficie generalmente puede ser determinado por su tamaño también. Tanto las resistencias 0402 y 0603 generalmente son de 1/16W, y las 0805 soportan 1/10W.
Medir Potencia en una Resistencia
La potencia generalmente es calculada multiplicando el voltaje y la corriente (P=VI). Pero al aplicar la Ley de Ohm, también podemos usar el valor de la resistencia para calcular potencia. Si conocemos la corriente que atraviesa una resistencia, entonces podemos calcular la potencia de la siguiente manera:
O, si sabemos el voltaje en una resistencia, podemos calcular la potencia así:
Resistencias en Serie y en Paralelo
Las resistencias se utilizan muy a menudo en la electrónica, generalmente en un circuito serie o paralelo. Cuando las resistencias se combinan en serie o un paralelo, crean una resistencia total o resistencia equivalente, la cual se puede calcular usando la ley de ohm. Saber cómo se combinan los valores de resistencia resulta útil si necesita crear un valor específico de resistencia
Resistencias en Serie
Cuando son conectadas en serie, los valores de resistencias simplemente se suman
N resistencias en serie. El valor total de resistencia es la suma de todas las resistencias.
Entonces, por ejemplo, se necesita tener una resistencia de 12.33kΩ, puede buscar resistencias más comunes como las de 12kΩ y 330Ω, y las conecta en serie.
Resistencias en Paralelo
Encontrar la resistencia equivalente en paralelo no es tan fácil. La resistencia total de N resistencias en paralelo es el inverso de la suma de todas las resistencias inversas. La siguiente ecuación puede ser más fácil de entender que la última oración.
(El inverso de la resistencia se llama conductancia, entonces, dicho de otra forma: la conductancia de las resistencias en paralelo es la suma de cada una de sus conductancias).
Como un caso especial de esta ecuación, si tiene solo dos resistencias en paralelo, su resistencia total puede ser calculada con esta ecuación más simple:
Como un caso aún más especial de esta ecuación, si tiene dos resistencias en paralelo de igual valor la resistencia total va a ser la mitad de su valor. Por ejemplo, si tiene dos resistencias de 10kΩ en paralelo, su resistencia total será de 5kΩ.
Una manera abreviada para decir que dos resistencias están en paralelo es usar el operador de paralelo: ||. Por ejemplo, si R1 está en paralelo con R2, la ecuación conceptual puede ser escrita como R1||R2. ¡Mucho más ordenado, y oculta las fracciones horrendas.
Redes de Resistencias
A los profesores de electrónica les encanta que sus estudiantes encuentren las resistencias totales de redes de resistencias complejas.
Una simple pregunta de redes de resistencias puede ser algo como: ¿Cuál es la resistencia entre los terminales A y B en este circuito?
Para resolver tal problema, empieza por el final del circuito y comienza a simplificarlo hacia los dos terminales A y B. En este caso, R7, R8 y R9 están todas en serie por lo que se pueden sumar. Esas tres resistencias están en paralelo con R6, así que, las cuatro resistencias se pueden convertir en una resistencia de R6||(R7+R8+R9). Ahora nuestro circuito se vera de la siguiente manera:
Ahora, las cuatro resistencias del lado derecho se pueden simplificar aún más. R4, R5 y nuestra conglomeración de R6 – R9 están todas en serie y se pueden sumar. Luego esas resistencias están en paralelo con R3. Ahora nuestro circuito se ve de la siguiente manera:
Al final solo quedan tres resistencias en serie entre los terminales A y B. ¡Súmalos! Entonces la resistencia total de ese circuito es: R1+R2+R3||(R4+R5+R6||(R7+R8+R9)).
Aplicaciones de Ejemplo
Las resistencias existen en prácticamente todos los circuitos electrónicos. Aquí hay unos ejemplos de circuitos que dependen en gran medida de las resistencias.
Limitar la Corriente de un LED
Las resistencias son claves en asegurarse que los LED no estallen cuando se les aplica potencia. Al conectar una resistencia en serie con un LED, la corriente que fluye a través de los dos componentes se puede limitar a un valor seguro.
Para elegir una resistencia que limita la corriente, busca dos valores característicos del LED: caída de tensión típica, y la corriente máxima. La caída de tensión típica es el voltaje requerido para encender un LED, y varia (generalmente entre 1.7V a 3.4V) dependiendo del color del LED. La corriente máxima generalmente es de 20mA para los LED básicos; La corriente continua a través de los LED debería ser igual o menor a la corriente máxima.
Una vez que tengas esos dos valores, puede elegir una resistencia para limitar la corriente con esta ecuación:
VS es el voltaje de la fuente – generalmente una batería o una fuente de voltaje. VF e IF Son la Caída de tensión típica y la corriente deseada que fluye a través del LED.
Por ejemplo, asuma que tiene una batería de 9V para energizar un LED. Si su LED es rojo, puede tener un voltaje típico de 1.8V. Si quiere limitar la corriente a 10mA, use una resistencia en serie de 720Ω.
Divisores de Voltaje
Un divisor de voltaje es un circuito de resistencia que convierte una resistencia grande en una más pequeña. Utilizando solo dos resistencias en serie, se puede crear un voltaje de salida que es solo una fracción del voltaje de entrada.
Aquí hay un circuito de divisor de voltaje:
Las dos resistencias, R1 y R2, son conectadas en serie y una fuente de voltaje (Vin) es conectada a través de ellas. El voltaje de Vout a GND se puede calcular como:
Por ejemplo, si R1 fuese de 1.7kΩ y R2 fuese de 3.3kΩ, un voltaje de entrada de 5V se puede convertir en 3.3V en el terminal Vout .
Los divisores de voltaje son muy prácticos para los sensores de lectura resistiva como las fotoceldas, los sensores Flex, y las resistencias sensibles a la fuerza. Una mitad del divisor de voltaje consta del sensor, y la otra parte es una resistencia estática. El voltaje de salida entre los dos componentes es conectado al convertidor análogo-digital de un microcontrolador para leer el valor del sensor.
Resistencias Pull-up
Una resistencia pull-up se ocupa cuando se tiene que forzar la entrada de un microcontrolador a un estado conocido. Una punta de la resistencia se conecta al pin del microcontrolador, y la otra se conecta a un voltaje alto (generalmente 5V o 3.3V).
Sin una resistencia pull-up, las entradas del microcontrolador pueden quedar “flotando”. No hay una garantía que un pin flotando no pueda estar en alto (5V) o bajo (0V).
Las resistencias pull-up son generalmente utilizadas en conjunto con un botón o un interruptor. La resistencia pull-up puede influir la entrada cuando el interruptor está abierto. Y va a proteger el circuito de un cortocircuito cuando el interruptor este cerrado.
En el circuito de arriba, cuando el interruptor esté abierto, el pin de entrada del microcontrolador está conectado a la resistencia que está conectada a 5V. Cuando se cierra el interruptor, el pin de entrada es conectado directamente a GND.
El valor de una resistencia pull-up, en la mayoría de los casos, no necesita ser algún valor especifico, pero si debería ser suficientemente alto para que no se pierda mucha potencia. Si 5V son aplicados a través de la resistencia, valores cercanos a los 10kΩ funcionan bien.