En este artículo técnico, me gustaría hablar de la ley de Ohm. ¿Por qué? Porque es útil en numerosas situaciones del día a día, sobre todo si eres un técnico de instrumentación. A menudo, se nos plantean preguntas cuya respuesta se puede extraer de la ley de Ohm.
¡Pero no te preocupes! Aunque se llame «ley de Ohm», no se trata de ningún tema legal aburrido… ;-) En primer lugar, me gustaría empezar a ver un poco su lado teórico y, después, poner varios ejemplos prácticos aplicados a la instrumentación para que te resulte más útil.
Vamos a echar un vistazo a esta ley:
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Comencemos con los datos obligatorios: En 1827, el físico alemán Georg Ohm publicó esta ley. Descubrió que cuando una corriente eléctrica circula a través de un conductor, dicha corriente es proporcional a la diferencia de potencial entre los extremos del conductor e inversamente proporcional a la
resistencia del mismo. La ley de Ohm es la relación entre la corriente, la resistencia y el voltaje, y se representa a menudo como un triángulo.
Mediante este triángulo se puede calcular cada componente y se obtienen estas tres fórmulas:
R = U / I
I = U / R
U = I × R
Donde:
R = Resistencia (Ohmios)
U = Voltaje (V)
I = Corriente (A)
La «E» también se usa a veces para representar el Voltaje. Ten en cuenta que la corriente en mA se tiene que convertir en Amperios para realizar los cálculos.
Además, para que las fórmulas sean sencillas y fáciles de leer, en algún momento no he usado correctamente las matemáticas respecto a los números y a las cifras significativas. Al fin y al cabo, este artículo va dirigido sobre todo a técnicos, no a matemáticos…
Echemos un vistazo al circuito más simple que se puede hacer:
En el ejemplo de arriba, tenemos una alimentación de 24 VCC y le hemos conectado una resistencia de 1200 Ω. Hay una corriente de 20 mA (0,02 A) en el circuito.
Si queremos saber qué corriente pasa a través del circuito, podemos calcularla fácilmente con la ley de Ohm:
I = U / R = 24 V / 1200 Ω = 0.02 A (= 20 mA)
Si sabemos que el voltaje es 24 V y queremos una corriente de 20 mA, podemos calcular qué resistencia se necesita:
R = U / I = 24 V / 0.02A = 1200 Ω
O, si tenemos una resistencia de 1200 Ω y queremos una corriente de 20 mA, podemos ver qué voltaje hay que aplicar:
U = I * R = 1200 Ω * 0.02 A = 24 V
Por consiguiente, si tenemos un lazo alimentado a 24 V y queremos una corriente de 4 mA, necesitamos añadir una resistencia mayor:
R= U / I = 24 V / 0.004 A = 6000 Ω
Por tanto, tenemos que añadir una resistencia de 6000 Ω
(6 kΩ) para obtener una corriente de 4 mA.
– Impedancia de 250 ohmios (uso de comunicador HART)
Tenemos un circuito normal en el que el transmisor está alimentado con una fuente de alimentación de 24 V y una resistencia en serie de 250 Ω para poder usar la comunicación HART:
Como la corriente pasa a través de la resistencia de 250 Ω, hay una caída de tensión en la misma, por lo que se pierde algo de voltaje. ¿Cuál es el voltaje que llega al transmisor cuando circula una corriente de 20 mA? Cuando la corriente es de 20 mA, podemos calcular que en la resistencia de 250 Ω hay una caída de tensión de:
U = I * R = 0.02A * 250 Ω = 5 V
Esto significa que hay una caída de tensión de 5 voltios en la resistencia de 250 ohmios, así que quedan 19 voltios para el transmisor, lo que es más que suficiente para que este funcione. En el caso que la alimentación del lazo fuese menor (unos 17 voltios), quedarían solo 12 voltios para el transmisor, lo que estaría en el límite para que pudiese funcionar.
– Medir la corriente de un transmisor con una resistencia en serie
Si no quieres abrir el lazo o abrir la tapa del transmisor para medir la corriente, puedes instalar una resistencia de gran exactitud en serie con el transmisor y, después, medir la caída de tensión en dicha resistencia para calcular la corriente.
La caída de tensión en la resistencia depende de su valor y de la corriente que pasa a través de ella. Por ejemplo, si instalas una resistencia de 100 ohmios en serie con el transmisor, la caída de tensión en ella será de:
a 4 mA => 0.004 A * 100 Ω = 0.4 V
a 20 mA => 0.02 A * 100 Ω = 2.0 V
Por supuesto, la resistencia ha de ser de gran exactitud y muy estable, cualquier error en el valor de la resistencia podría ocasionar un error similar en el cálculo de la corriente. Cuanto mayor sea la resistencia, mayor será el voltaje obtenido. No hay que olvidar que, si la resistencia es muy grande, se perderá voltaje en dicha resistencia.
– Impedancia midiendo mA en los terminales de test con diodo del transmisor
Este tema lo traté en un artículo anterior. En aquel ejemplo, también era necesario saber sobre la ley de Ohm para entenderlo. Puedes encontrar esa entrada de blog en el siguiente enlace: Medición de corriente utilizando la conexión de test de un transmisor… ¡No cometas ese error!
– Alimentación en un circuito de alta impedancia
Pongamos que tienes un circuito en el que el instrumento tiene una alta impedancia. Por ejemplo, un convertidor I/P antiguo con una impedancia de 800 ohmios. Necesitas generar una señal de 4 a 20 mA para controlar el convertidor. ¿Cuánto voltaje de alimentación necesitarás para hacerlo? Bueno, para generar una corriente de 20 mA en ese circuito de 800 ohmios necesitarás:
U = I * R = 0.02 A * 800 Ω = 16 Volts
Por tanto, necesitarás un lazo de corriente con un voltaje de, al menos, 16 voltios.
– Impedancia demasiado alta en la línea de alimentación
Si hay una impedancia muy alta en la línea de alimentación, es posible que el lazo tenga un nivel de tensión que esté cerca de ser demasiado bajo para el transmisor. Puede ser que el transmisor funcione perfectamente con una señal más baja de mA, pero cuando necesite proporcionar una corriente alta
(por ejemplo más de 18 mA), se producirá una fuerte caída de tensión y el transmisor se apagará solo. Esto ocurre porque la caída de tensión provocada por la impedancia de la línea se incrementa a la vez que aumenta la corriente. Es posible que con una corriente pequeña el voltaje sea aceptable y el transmisor reciba suficiente voltaje, pero con una corriente
más alta, habrá una caída de tensión mayor, el transmisor no recibirá suficiente voltaje y se apagará.
Cuando el transmisor se apaga, la corriente disminuye y el voltaje vuelve a aumentar otra vez, haciendo que el transmisor empiece a funcionar de nuevo con normalidad. Este tipo de errores intermitentes son muy difíciles de encontrar.
– Medida de mA y voltaje
Es aconsejable recordar que, en la práctica, la impedancia interna del equipo de medida de mA no es de cero ohmios, sino que tiene una determinada impedancia interna (unos pocos ohmios o decenas de ellos). Por tanto, en la práctica, habrá una caída de tensión en el equipo de medida de mA.
Además, un equipo de medida de voltaje no tiene una impedancia infinita, pero sí una determinada impedancia interna (megaohmios). Estas impedancias pueden causar efectos no deseados al realizar la medición. El equipo de medida de voltaje pondrá cierta carga en el circuito medido y en algunos circuitos o aplicaciones sensibles puede ser un problema. Esto es crucial cuando se mide un bajo voltaje (decenas o cientos de milivoltios) en un circuito de alta impedancia y necesitas una exactitud elevada (± microvoltios). Si el equipo de medida de voltaje tiene una impedancia demasiado pequeña, el voltaje medido caerá en cuanto se conecte este y no se obtendrán resultados fiables.
La ley de Ohm es muy sencilla y fácil de entender. Tiene múltiples aplicaciones si trabajas con circuitos eléctricos. También puede ser muy útil en el mundo de la instrumentación, en el que se trabaja con lazos de tensión, señales de corriente e impedancias. Espero que este artículo te haya resultado interesante y que te haya proporcionado trucos o consejos aplicables en tu trabajo.
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Publicación original: Ohm’s law – what it is and what an instrument tech should know about it
Publicado en: Diciembre 2017