Cableado sin límites

La ley de Ohm es la más importante de un circuito eléctrico. Es la base de casi todos los cálculos eléctricos. Permite calcular la corriente que atraviesa un cable (o un fusible) a diferentes tensiones. Es fundamental saber cuánta corriente circula por un cable para poder elegir el cable correcto para cada sistema. En primer lugar, se necesitan ciertos conocimientos básicos sobre la electricidad.

¿Qué es la electricidad?

La electricidad es el movimiento de electrones en un material, llamado conductor. Este movimiento genera una corriente eléctrica. Esta corriente se mide en “amperios” y su símbolo es la letra A.

La fuerza necesaria para que los electrones fluyan se llama tensión (o potencial). Se mide en “voltios” y su símbolo en la letra V (en Europa también se denomina U).

Cuando la corriente eléctrica pasa a través de un material encuentra cierta resistencia. Esta resistencia se mide en ohmios, que se representan con la letra griega Ω.

Relación entre tensión, corriente y resistencia:

Ley de Ohm:

Se puede decir que la resistencia de un conductor determina la cantidad de corriente que atraviesa un material a una tensión concreta. Esto puede expresarse con una fórmula conocida como la Ley de Ohm:

La Ley de Ohm describe la relación entre resistencia, corriente y tensión. Pero hay otra unidad eléctrica que puede obtenerse a partir de la ley de Ohm: la potencia.

La potencia expresa la cantidad de trabajo que una corriente eléctrica puede realizar. Se mide en vatios y su símbolo es P. Se puede calcular con la siguiente fórmula:

También pueden obtenerse otras fórmulas a partir de la ley de Ohm. Todas las fórmulas posibles figuran en la imagen siguiente. Recuerde que a nivel mundial se usan dos símbolos para representar la tensión. U o V.  

Algunas de estas fórmulas son muy útiles para calcular la corriente de un cable. La siguiente fórmula se usa con frecuencia:

Con ella se puede calcular cuánta corriente pasa por un cable si se conocen la tensión y la potencia.

Ejemplo de aplicación:

Algunos materiales conducen la electricidad mejor que otros. Los materiales con baja resistencia conducen bien la electricidad, y los que tienen una resistencia elevada no la conducen o lo hacen de forma deficiente.

Los metales tienen baja resistencia, por lo que conducen bien la electricidad. Estos materiales se denominan conductores. Por esta razón se usan como núcleo de los cables eléctricos.  

El plástico y la cerámica presentan una resistencia muy alta, no conducen la electricidad en absoluto. Se les llama aislantes. Por esto es por lo que se usan materiales no conductores, como plástico o goma, en el exterior de los cables. El contacto con el cable no provoca una descarga eléctrica porque la electricidad no puede trasladarse a través de estos materiales. Los aislantes también se usan para evitar cortocircuitos si dos cables llegaran a tocarse.

A: En un conductor, los electrones se pueden mover.

B: En un aislante, los electrones no se pueden mover o lo hacen muy despacio.

Cada material tiene su propia resistencia específica. Se mide en ohmios-metro y se representa con la letra griega ρ (rho).

La conductividad de un material es inversamente proporcional a su resistencia. Se representa con su fórmula: σ = 1/ρ. Se mide en Siemens por metro (S/m) y su símbolo es σ (sigma).

La siguiente tabla muestra distintos materiales conductores, su conductividad eléctrica y su resistencia específica. Se puede ver que el cobre conduce la electricidad bien y tiene baja resistencia. Se puede ver que el cobre es un conductor excelente con baja resistencia, por lo que se usa habitualmente en cables eléctricos. Por el contrario, el titanio tiene poca conductividad eléctrica y una mayor resistencia específica, lo que hace que sea menos adecuado como conductor eléctrico.

Hay otros dos factores que determinan la resistencia del cable. Se trata de la longitud y el grosor del conductor (el cable):

Estos factores se relacionan del siguiente modo:

La resistencia de una determinada longitud de cable puede calcularse con la siguiente fórmula:

Al igual que en la fórmula anterior, hay tres factores que determinan la resistencia del cable. A saber:

Es importante conocer la resistencia de un cable porque cuando una corriente pasa por él, su resistencia causa dos efectos:

Si la corriente aumenta, estos efectos se agravan. Una corriente mayor aumentará la caída de tensión y el cable se calentará más.

Ejemplo de cálculo de la resistencia de un cable:

Pregunta:

Siendo:                                                                          

Respuesta:

Efecto de la longitud del cable:

Usemos el ejemplo anterior para calcular la resistencia de un cable de 5 metros. El resultado es que la resistencia es de 5,3 mΩ. Al usar un cable más largo, la resistencia aumenta.  

Efecto del grosor del cable:

Usemos el ejemplo anterior para calcular la resistencia de un cable de 2,5 mm² de sección. El resultado es que la resistencia es de 10,2 mΩ. Al usar un cable más fino, la resistencia aumenta.

Conclusión:

Tanto el grosor como la longitud del cable tienen un efecto considerable en la resistencia del cable.

Los aislantes eléctricos se usan para evitar el flujo de corriente eléctrica desde una parte de un circuito eléctrico a otra y para proteger a las personas y a los equipos de las descargas eléctricas.

Como muestra la tabla del capítulo anterior, los materiales que no conducen bien la electricidad se denominan aislantes.

Algunos ejemplos de aislantes eléctricos son la goma, el plástico, el cristal, la cerámica y el aire. Estos materiales se usan en distintas aplicaciones eléctricas, como aislamiento para cables y equipos eléctricos y como recubrimiento de componentes eléctricos.

Los aislantes eléctricos son fundamentales para garantizar el funcionamiento seguro y eficiente de los sistemas eléctricos y evitar los riesgos de la electricidad.

Como regla general, cuanto mayor sea la tensión, más grueso o mejor debe ser el aislante. Por esto es por lo que, por ejemplo, los cables que entran y salen de un conjunto solar de alta tensión son especiales.

Los cables y las herramientas eléctricas con aislamiento tienen una tensión máxima nominal específica. Asegúrese de que esta tensión nominal es adecuada para su aplicación.

La resistencia de una instalación eléctrica no viene solo determinada por la resistencia del cable, la resistencia de las conexiones eléctricas también contribuye a la resistencia total.

Creación de la resistencia de la conexión:

Siempre que se hace una conexión entre un cable y un aparato o entre un cable y un conector aumenta la resistencia del circuito. El grado de resistencia depende de la calidad de la conexión y del tamaño de la zona de conexión.

Cómo limitar la resistencia de la conexión:

Tenga en cuenta que la resistencia también generará calor:

Una conexión inadecuada con una alta resistencia generará demasiado calor. La relación entre potencia, corriente y resistencia se expresa con la fórmula P = I²R. En CC de extra baja tensión, incluso una pequeña cantidad de resistencia puede ocasionar temperaturas peligrosas que dañen el equipo y los cables y lleguen hasta a causar un incendio en casos graves.

Como se describe en el capítulo anterior, es importante hacer conexiones eléctricas bien apretadas, ya que las conexiones sueltas crearán resistencia y calor y posiblemente corrosión debido a un arco eléctrico. No obstante, tenga cuidado de no apretar demasiado estas conexiones, ya que se puede dañar la sujeción del conector.

Las sujeciones, los tornillos y los pernos de las conexiones eléctricas están fabricadas a menudo con latón estañado. Con frecuencia se asume erróneamente que estas sujeciones están hechas de acero inoxidable y se aprietan demasiado y terminan por dañarse.

Utilice siempre una llave dinamométrica (o un destornillador dinamométrico) que le permita saber si está apretando el perno o el tornillo correctamente.

Tenga en cuenta que nuestros productos tienen pernos de conexión métricos. Las roscas usadas habitualmente son M4, M5, M6, M8 y M10. Los valores de torsión recomendados en nuestra documentación están expresados en N.m (Newton.metro).

Cómo usar correctamente una llave dinamométrica

Para usar una llave dinamométrica siga los siguientes pasos:

Una tensión baja resulta en una corriente elevada:

Como ya se ha explicado, la corriente que pasa por un circuito eléctrico para una carga fija es diferente para distintas tensiones del circuito. Cuanto mayor sea la tensión, menor será la corriente.

A continuación se muestra un resumen de la cantidad de corriente que pasa por tres circuitos diferentes en los que la carga es la misma, pero la tensión de la batería es diferente:

La resistencia del cable genera una caída de tensión a lo largo del mismo:

Además, como ya hemos visto, un cable tiene una resistencia determinada. El cable forma parte del circuito eléctrico y puede considerarse como una resistencia.

Cuando la corriente pasa por una resistencia, esta se calienta. Lo mismo sucede en un cable: cuando la corriente pasa por el cable, este se calienta y se pierde energía en forma de calor. Estas pérdidas reciben el nombre de pérdidas del cable. La potencia perdida se puede calcular con la siguiente fórmula:

Otra consecuencia de las pérdidas del cable es que se generará una caída de tensión a lo largo del cable. La caída de tensión se puede calcular con la siguiente fórmula:

Las leyes 1ª y 2ª de Kirchhoff:

Para poder calcular el efecto de una caída de la tensión del cable, será necesario conocer otras dos leyes eléctricas: las leyes 1ª y 2ª de Kirchhoff:

Ley de la corriente de Kirchhoff (1ª ley):

La corriente que llega a un nudo debe ser igual a la corriente que sale de él.

Un ejemplo de esto es un circuito en paralelo. La tensión de cada resistencia es la misma mientras que la suma de las corrientes que atraviesan cada resistencia es igual a la corriente global.

Ley de la tensión de Kirchhoff (2ª ley):

La suma de todas las tensiones de una malla cerrada de un circuito debe ser igual a cero.

Aquí ocurre justo lo contrario. En un circuito en serie, la corriente que atraviesa cada resistencia es la misma, mientras que la suma de las tensiones de cada resistencia es igual a la tensión global.

Ejemplo de cálculo de la caída de tensión:

Ahora vamos a usar en ejemplo práctico en el que un inversor está conectado a una batería de 12 V para calcular las pérdidas del cable. En el circuito de la derecha, tenemos un inversor de 2400 W conectado a una batería de 12 V con dos cables de 1,5 m de longitud y 16 mm² de sección.

Como habíamos calculado antes, cada cable tiene una resistencia de 1,6 mΩ. Con este dato, podemos calcular la caída de tensión a lo largo de un cable:

La potencia del inversor es constante en este circuito. De modo que cuando cae la tensión en el inversor, la corriente aumenta. Recordemos que I = P/V.

Ahora la batería suministrará más corriente para compensar las pérdidas. Esto significa, en el ejemplo anterior, que la corriente aumentará hasta 210 A.

Esto hace que el sistema sea ineficiente porque se ha perdido el 5 % (0,64/12) de la energía total. Esta energía perdida se ha transformado en calor.

Cómo reducir la caída de tensión:

Es importante mantener la caída de tensión lo más baja posible. La forma obvia de reducirla es aumentar el grosor del cable o acortarlo tanto como sea posible. Pero hay otra cosa que se puede hacer: aumentar la tensión del circuito eléctrico. La caída de tensión del cable varía según la tensión de la batería (sistema). En general, cuanto mayor sea la tensión del circuito, menor será la caída de tensión.  

Ejemplo:

Si miramos la misma carga de 2400 W, pero ahora la tensión del sistema es de 24 V o 48 V:  

Hay otros factores, además de la resistencia del cable, que crean resistencia:

Es importante entender que la resistencia no solo se produce en el propio cable. Cualquier otro elemento que la corriente tenga que atravesar en su camino creará una resistencia adicional.

Estos son algunos elementos que pueden contribuir a la resistencia total:

Y preste especial atención a:

Se añadirá resistencia al circuito eléctrico cada vez que se establezca una conexión, o si se coloca algo en el trayecto desde la batería hasta el inversor.

Estos son algunos elementos que pueden contribuir a la resistencia total:

Ahora ya sabemos lo que es necesario hacer para mantener en un nivel bajo la resistencia de un circuito para evitar las caídas de tensión. Pero ¿qué efectos tiene una caída de tensión fuerte en un sistema?

Estos son los efectos negativos de una caída de tensión elevada:

Para evitar las caídas de tensión:

Es conveniente medir la caída de tensión del sistema una vez que se ha terminado una instalación eléctrica con baterías. Recuerde que las caídas de tensión se suelen producir en situaciones de corriente alta. La caída de tensión es mayor cuando la corriente aumenta. Esto ocurre cuando un inversor tiene conectada una carga máxima o cuando el cargador de la batería está cargando a plena corriente.

Cómo medir la caída de tensión en un sistema con un inversor, por ejemplo:

Cómo medir la caída de tensión cuando la batería está muy lejos o en otra sala o recinto:

Una de las consecuencias negativas de una caída de tensión fuerte en un sistema es la ondulación.

La ondulación se produce en sistemas con un inversor:

La ondulación aparece en sistemas en los que la fuente de alimentación es una batería (CC) y la carga es un dispositivo CA. Este es el caso de los sistemas que tienen un inversor. El inversor se conecta a las baterías pero alimenta una carga CA.

Cómo medir la ondulación:

Al medir la ondulación, recuerde que esta solo se produce cuando el sistema tiene carga completa. Solo se puede detectar la ondulación cuando el inversor está alimentando una carga completa o cuando hay un cargador cargando con una corriente alta. Lo mismo sucede a la hora de medir la caída de tensión.

La ondulación puede medirse de estas dos formas:

Consecuencias negativas de la ondulación:

Puede haber una pequeña cantidad de ondulación sin un efecto medible. Pero la ondulación excesiva puede tener un impacto negativo.

Consecuencias negativas de la ondulación excesiva:

Para arreglar una ondulación elevada en un sistema será necesario hacer lo siguiente: