¿Por qué "necesitamos" resistencias (entiendo para qué sirven, pero no por qué...)?

Question

Siempre he tenido conocimientos básicos de electrónica. Ahora estoy empezando a aprender un poco más, utilizando un Arduino como plataforma de pruebas, y tengo una pregunta acerca de las resistencias que parece que no puedo resolver a través de la investigación.

¿Por qué las utilizamos? Entiendo que limitan la corriente. (En el caso de un LED, demasiada corriente lo calentaría y lo quemaría.) ¿Pero cómo se mide/calcula/elige? No estoy preguntando específicamente sobre un caso de uso de un LED, o cómo utilizar un LED. Intento comprender "por qué" se necesitan las resistencias a nivel físico.

1. ¿Qué ocurre con el resto de la corriente no utilizada (debido a la resistencia)?
2. ¿Consume entonces el LED TODA la corriente disponible en el circuito? Si no es así, ¿a dónde va el resto? (¿Se recicla de nuevo en la fuente de alimentación?)
3. ¿Por qué un LED "pierde tensión" en una determinada cantidad? ¿Y qué ocurre con el resto de los componentes en serie, cae la tensión para cada componente, hasta que no queda nada? Esto tendría sentido, pero un LED no tiene resistencia interna (así se explica), entonces ¿por qué baja la tensión?
4. Hace poco vi un vídeo en el que el tipo que explicaba las resistencias dibujaba un esquema que mostraba una resistencia de 12 V LED --- 0 V (¿Eliges tu resistencia hasta el punto de "consumir toda la corriente/tensión" antes de que llegue al final del circuito? Vídeo en YouTube
5. ¿Por qué una batería entra en cortocircuito si conectas los bornes directamente, pero si añades una bombilla (resistencia), no?
6. He hecho horas y horas de investigación, y entiendo lo que hace una resistencia, pero no entiendo por qué es necesario (para no cortocircuito una batería? ... ¿Significa esto que "come" toda la energía antes de que regrese al ánodo?)
7. ¿Por qué funcionan diferentes bombillas con la misma batería (diferente resistencia, pero sin cortocircuito)?

Sé que estas preguntas son amplias y No busco específicamente respuestas a cada una de ellas por separado. Menciono estas múltiples preguntas anteriores para demostrar que no domino el concepto de por qué un circuito necesita resistencia . Esta sería la pregunta a responder.

Answer 1

Hasta ahora, las respuestas se han centrado en los ejemplos concretos de la pregunta, cuyo alcance es bastante limitado. Creo que el verdadero malentendido proviene de una mayor familiaridad con la lógica digital que con los circuitos analógicos tradicionales (lo que lleva a estos ejemplos limitados).

Simplificando, un circuito digital (como una MPU) puede construirse sólo con elementos de conmutación "duros" on/off. Los circuitos integrados se construyen así para mejorar el consumo de energía.

Las resistencias son importantes cuando un circuito se vuelve analógico (o real como algunos podrían expresarlo). Si el tamaño de la señal es importante, lo más probable es que haya resistencias implicadas.

• Un circuito op-amp clásico (a menos que la ganancia sea -1) se basa en la relación de resistencias.
• Los convertidores A/D y D/A probablemente utilicen resistencias.
• El control de estado por defecto (pull-up / pull-down) utiliza resistencias.
• Los circuitos de temporización sencillos utilizan una red R-C. Podrías ver esto en un circuito de retardo de reinicio.
• La carga de la batería y la regulación de la tensión y la corriente utilizan resistencias, como se indica en la pregunta, en varios tipos de funciones de realimentación y estabilización.

Los aspectos analógicos de muchos circuitos modernos están ocultos o contenidos en módulos preempaquetados. La aparición del diseño digital ha reducido las posibilidades de comprender los conceptos analógicos sencillos.

Answer 2

TL;DR para el caso específico de un LED (como se ha preguntado):

Cualquier carga conectada a una fuente de tensión constante de CC (por ejemplo, una batería) que no sea una resistencia de algún tipo, o bien no puede extraer energía de la batería, o bien es un cortocircuito.

Algunas cargas eléctricas se comportan inherentemente como resistencias (y SON resistencias, sólo que no se parecen al componente electrónico), por ejemplo, las bombillas, los calefactores y los hornos. Si se diseñan correctamente, autorregulan su consumo si se alimentan de una fuente de alimentación. tensión constante (batería, red eléctrica, la mayoría de las fuentes de alimentación).

Algunos (como los motores o los transformadores), aunque no son resistencias, se comportan como tales cuando se conectan a una tensión constante. CA fuente.

Otras cargas (como LED, tubos fluorescentes desnudos) no se comportan como resistencias y no son capaces de regular su propio consumo de energía cuando se alimenta de fuentes de tensión constante . La fuente de alimentación ideal para estas cargas es una fuente de corriente constante y los componentes adicionales necesarios a su alrededor están ahí para hacer que su suministro de voltaje constante se comporte suficientemente como un suministro de corriente constante.

Answer 3

Espero que las respuestas ya publicadas aclaren las cosas, pero si no se me ha pasado, hay una pregunta que no se ha tratado: "¿Por qué una batería entra en un cortocircuito muerto si conectas los terminales directamente, pero si añades una bombilla (resistencia), no?".

En realidad, cuando está fría (es decir, sin encender), una lámpara incandescente muy casi es un cortocircuito; su resistencia es muy baja, pero generalmente tendrá mucha más que los cables conectados a él. Así que podemos aproximar la situación como una resistencia de muy bajo valor en un circuito que, de otro modo, no tendría resistencia. Por eso, cuando la pila se conecta por primera vez, toda su diferencia de potencial (tensión) cae a través de la pequeña resistencia de la lámpara, lo que genera una corriente elevada (ley de Ohm en acción). Cuando tenemos un voltaje estable con una corriente alta a través de un componente, éste va a consumir mucha energía. potencia (P = IV), por lo que se calentará (aparte, la batería experimenta la misma diferencia de potencial y exactamente la misma corriente, por lo que también se calienta, pero es un objeto grande y pesado, mientras que la lámpara es una diminuta astilla enrollada de alambre de tungsteno, por lo que esta última se calienta mucho, mucho más).

El problema de la lámpara es que su resistencia depende de la temperatura. Normalmente no es un fenómeno que se manifieste mucho porque los rangos de temperatura con los que solemos tratar son pequeños, pero el filamento de una lámpara puede llegar a superar los 3000K y, en el caso del tungsteno, la resistencia aumenta con la temperatura. Así que una vez que la temperatura del filamento se estabiliza después de conectar la batería, al igual que su brillo y su resistencia, actúa como una resistencia bastante fuerte. De hecho, puede medirlo usted mismo: utilizando el ajuste de resistencia de un multímetro digital, mida la resistencia a través de los terminales de la lámpara (el multímetro digital utiliza un voltaje muy bajo para esto y ni siquiera se acercará a encender la lámpara) y luego utilice el multímetro digital para medir tanto el voltaje a través y luego la corriente a través de la lámpara cuando está conectada a una batería. A continuación, utilice la ley de Ohm con esos dos números (V/I=R) y obtendrá un número de resistencia mucho mayor que cuando la lámpara no estaba encendida. De hecho, la resistencia de la lámpara apagada es tan baja que la calidad del contacto entre las sondas de tu multímetro digital y los terminales de la lámpara será importante y podrías tener problemas para obtener una lectura estable.

Como alguien más dijo, un cortocircuito en un pequeño batería no funde inmediatamente el cable con el que lo haces porque la batería tiene una resistencia interna efectiva bastante pequeña. Puedes medirla tomando lecturas de V e I primero con una pequeña resistencia (digamos, 25 ohmios para una pila de 9 V) y luego la lectura de V sin carga en la pila. Observará que el voltaje que mide con la resistencia presente es ligeramente inferior al voltaje casi en circuito abierto que lee el DMM por sí mismo; esa diferencia de voltaje dividida por la corriente que lee con la resistencia conectada es la resistencia interna efectiva de la batería.

Answer 4

En primer lugar, a veces es necesario proteger los elementos de corrientes elevadas. Por ejemplo, si conectas un diodo a una pila de 9 voltios, la corriente lo destruirá si está conectado de la forma correcta (A en +, C en -). Para evitarlo, conectamos una resistencia de 600 ohmios para que tome parte de la tensión en sus extremos, de modo que la tensión más pequeña (+- 3,3 voltios para un LED) aparecerá en los extremos del LED.

En segundo lugar, no siempre podemos elegir la fuente de alimentación. Usted puede decir "bueno, hay convertidores IC y transformadores" Sí, pero eso simplemente no es práctico, ya que cuestan más y son más difíciles de operar (por no hablar de la diferencia entre los transformadores ideales y reales y su peso). También tenemos resistencias dinámicas (resistencias que cambian su resistencia - lo siento si este no es el término, soy ruso y sólo 1er año de secundaria en electrónica) que son mucho más prácticas, ya que no se puede cambiar el número de rollos de alambre en un transformador.

A juzgar por la naturaleza de esta pregunta, supongo que te estás iniciando en la electrónica, por lo que no necesitas preocuparte mucho sobre qué hace qué. Apréndete las paredes, sobre todo las de Kirchoffs, y entenderás cómo funciona la corriente y cómo funciona el voltaje. El resto vendrá solo. Otras cosas en las que deberías centrarte es en entender los elementos. Las paredes son lo primero, los elementos lo segundo... Cuando aprendas la teoría podrás trabajar con LSIC's y ensuciarte las manos. O puedes empezar a trabajar con un Arduino o algo así. Yo tengo el OSOYO y es increible. (este post no lleva la marca arduino)

RECUERDA TAMBIÉN ESTO:

La corriente es igual a la tensión sobre la resistencia.

Answer 5

Puede ser útil conocer las unidades y las clasificaciones:

• mAh - miliamperio-hora. Medida de la carga eléctrica. Por sí sola, no dice mucho. Como valor nominal de una batería, cobra sentido en combinación con la tensión nominal de la batería como medida de la energía que ésta puede almacenar. Un miliamperio-hora es la cantidad de carga representada por una corriente de un miliamperio que fluye durante una hora.
• A - Amperio (o Amperio). Medida de la corriente eléctrica: velocidad de flujo de la carga.
• V - tensión. Es una medida de potencial. De nuevo, por sí sola no es una especificación completa para una batería, pero es importante. Una batería ideal mantendrá un voltaje especificado y suministrará tanta o tan poca corriente a un circuito como sea necesaria para mantener ese voltaje en sus terminales. Una batería real tendrá resistencia interna, por lo que tendrá un voltaje de "circuito abierto" (sin carga); el voltaje caerá a medida que aumente la carga (tiene que suministrar más corriente a un circuito). La relación entre el estado de carga y la tensión en circuito abierto depende del diseño y la composición química de la batería. La corriente de "cortocircuito" es la cantidad de corriente que suministra una pila cuando sólo está limitada por su resistencia interna.
• W - Watt. Es una medida de potencia (tasa de energía suministrada durante un cierto periodo de tiempo). Los vatios pueden medir la potencia mecánica o eléctrica; en cualquier caso, es la velocidad a la que se realiza el trabajo. En términos eléctricos, la potencia es el producto de la tensión y la corriente (voltios x amperios).
• kWh - kilovatio-hora. Es una medida de energía. Un kilovatio-hora representa mil vatios de potencia suministrada durante una hora, o 1 vatio de potencia suministrada durante mil horas, 10 vatios durante 100 horas, etc. (vatios x horas).
• Ohm - resistencia. Una resistencia ideal presenta una relación proporcional entre la corriente que la atraviesa y la tensión aplicada a sus terminales: si se duplica la tensión, se duplica la corriente (o viceversa). Esta relación puede actuar de dos maneras: si aplicas una tensión determinada a una resistencia, ésta pasará una cantidad definida de corriente; si haces pasar una cantidad determinada de corriente a través de una resistencia, se producirá una caída de tensión definida. En cualquier caso, el valor de la resistencia establece una relación fija entre la tensión en sus terminales y la corriente que la atraviesa. Cuando analices un circuito, puedes utilizarlo para resolver cualquiera de los tres valores (corriente, tensión, resistencia) si conoces los otros dos. Ohmios = Voltios/Amperios, o Amperios = Voltios/Ohmios, o Voltios = Amperios x Ohmios. Las resistencias reales tienen un valor adicional: la potencia, que es la cantidad de energía que la resistencia puede disipar sin destruirse. Si aplica un voltio a través de una resistencia de 1 ohmio, fluirá 1 amperio de corriente a través de ella y disipará 1 vatio de potencia en forma de calor; si duplica el voltaje, duplica la corriente, pero ahora esta resistencia de 1 ohmio disipará 2 V x 2 A = 4 W de potencia en forma de calor. Si no está preparada para ello, o si el diseño físico no permite eliminar este calor, se sobrecalentará, se quemará y podría provocar un incendio.

Cuando analice circuitos, tendrá "conocidos" e "incógnitos". Por ejemplo, puedes conocer el voltaje de una batería y la resistencia de la carga que alimenta. A partir de ahí, puedes calcular la corriente que consumirá el circuito. En un circuito complejo, puede haber numerosos valores de resistencia y dispositivos como LED o transistores con determinadas propiedades:

• Los diodos tienen tensiones de paso características, es decir, mantienen aproximadamente la misma tensión en un amplio rango de corrientes. Un diodo real tendrá una curva no lineal característica que relaciona la corriente de avance con la tensión de avance; en su rango de funcionamiento normal, la curva tiene una pendiente tan poco pronunciada que, para la mayoría de los propósitos, se considera plana (tensión constante). Para entender por qué ocurre esto, hay que leer sobre diodos semiconductores
• Los transistores de unión tienen una tensión característica de base-emisor: al igual que la tensión directa de un diodo, la tensión de base-emisor también es casi constante en un amplio intervalo de corriente; también tiene una curva no lineal que relaciona la tensión y la corriente, y se parece mucho a la de un diodo. De nuevo, para entender estas propiedades, hay que leer sobre transistores .

Puedes utilizar estas propiedades para trabajar a través de un circuito y calcular corrientes a través de caminos donde conoces voltajes, voltajes en nodos donde conoces corrientes a través de ciertos caminos y resistencias equivalentes donde tienes resistencias conectadas entre sí. Esto es importante porque las corrientes y los voltajes determinan el consumo de energía (o disipación), lo que indica si un circuito funcionará, qué valores nominales de los componentes deben seleccionarse y cuánta energía debe suministrarse.

Ahora... ¿por qué necesitamos una resistencia en serie con nuestro LED?

Digamos que tenemos una fuente de alimentación de 5V y un LED para el que las especificaciones son 3.2V y 20mA, esto significa que el LED funcionará a un voltaje delantero de 3.2V, y debe ser conducido con cerca de 20mA de corriente; menos y no emitirá tanta luz como la especificada, más y será más brillante, funcionará más caliente, y podría tener una vida más corta.

Si conectamos el LED sin resistencia, la fuente de alimentación intentará conducir tanta corriente como pueda para mantener los 5V. El LED pasará una enorme cantidad de corriente antes de que la tensión en sus terminales llegue a 5V. Con toda probabilidad, la fuente de alimentación alcanzará su límite de corriente y dejará que la tensión caiga, pero en ese momento pasará demasiada corriente por el LED, que emitirá un destello brillante y se convertirá en una nube de humo.

Así que... queremos limitar la corriente del LED a unos 20mA mientras que la tensión en la fuente de alimentación sigue siendo de 5V y la tensión a través del LED es de 3,2V. Necesitamos una resistencia en serie que pase unos 20mA (0.02A) de corriente a 1.8V (1.8 + 3.2 = 5). Por tanto, calculamos 1,8V/,02A = 90 Ohm. Para ello podríamos elegir una resistencia estándar de 82 Ohmios. 1,8V/82 Ohmios = 21,9mA. Un poco por encima de las especificaciones, pero un margen del 10% no debería ser un problema. Hay que tener en cuenta que no se puede suponer que los dispositivos reales tengan propiedades definidas con precisión; la resistencia puede ser un poco más o un poco menos de lo especificado y el LED puede funcionar a un voltaje un poco más alto o un poco más bajo de lo especificado. Diseñamos para un caso nominal sabiendo que el rendimiento real de nuestro circuito puede ser un poco diferente.

Entonces... ¿qué hemos hecho aquí? Hemos utilizado una resistencia para ajustar lo que está pasando en nuestro circuito para que podamos utilizar la fuente de alimentación que tenemos disponible y operar el LED dentro de sus especificaciones.

¿Qué más podemos hacer con una resistencia?

Las resistencias se suelen utilizar para ajustar tensiones o limitar flujos de corriente. Por ejemplo: tienes una fuente de alimentación de 5 V y necesitas una referencia de 3 V. Selecciona dos resistencias de nuestra caja de piezas: una de 330 Ohm y otra de 220 Ohm, y conéctalas en serie: la 220 entre el cable de 5V y nuestra salida de referencia, y la 330 entre la salida de referencia y 0V. Habrá una corriente constante a través de estas resistencias de 5V/550 Ohm = ~10mA, pero veremos un voltaje de 3V en nuestro terminal de referencia. Este tipo de cosas se utiliza con frecuencia para diseñar circuitos como amplificadores donde necesitamos establecer un voltaje específico, fracción de algún otro voltaje, y así sucesivamente.

Podemos utilizar resistencias para definir constantes de tiempo. Si conectamos una resistencia y un condensador en serie, la corriente fluirá inicialmente hacia el condensador; esta corriente inicial vendrá determinada por la tensión del circuito y el valor de la resistencia. Pero, el condensador se cargará; mientras se carga, creará un voltaje a través de sus terminales; esto reducirá el voltaje a través de los terminales del resistor, reduciendo la corriente a través de él. Esto reducirá la velocidad a la que se carga el condensador, reduciendo la velocidad a la que aumenta su tensión, y así sucesivamente. Finalmente, el condensador alcanzará el voltaje del circuito, el voltaje a través y la corriente a través de la resistencia serán cero. Los valores de resistencia y capacidad determinarán el tiempo que tarda el condensador en cargarse hasta una cierta fracción de la tensión del circuito; la cantidad conocida como constante de tiempo es el tiempo necesario para que la tensión del condensador se cargue hasta aproximadamente el 63% de la tensión del circuito. Se utiliza para diseñar circuitos como osciladores y filtros.