Uno de los conceptos fundamentales de la ingeniería electrónica es el voltaje eléctrico. Antes de abordar temas más complejos, primero debes entender este tema. Es por eso que explicamos en este artículo todo lo que necesitas saber sobre el voltaje.
Voltaje explicado de forma sencilla
El voltaje eléctrico V es el causante de la corriente eléctrica I. En otras palabras, el voltaje es el conductor o impulsor de la corriente.
El voltaje eléctrico siempre se genera cuando las cargas se separan, es decir, todas las cargas negativas de un lado y todas las cargas positivas del otro. Si se conectan estos dos lados con un material conductor, la corriente fluye.
Definición
El voltaje eléctrico V es la diferencia de potencial entre dos puntos del campo eléctrico. Es la fuerza que impulsa el movimiento de las cargas.
Comprendiendo el concepto
El potencial de un campo eléctrico es la energía de un cuerpo cargado, independiente de su carga. Para clarificarlo, se puede utilizar la siguiente comparación:
Una buena analogía que te ayudará a comprender mejor el voltaje y el potencial eléctrico es el ciclo del agua.
En este circuito se tienen dos tanques a diferentes alturas, conectados por una tubería. En esta tubería el agua puede fluir desde el tanque superior al inferior. El agua es entonces bombeada de nuevo al tanque superior por medio de una bomba, como se puede ver en la imagen de arriba.
Ahora es fácil comparar la bomba con una fuente de energía eléctrica. Además, el flujo de agua es comparable al flujo de la electricidad.
La bomba transporta el agua del tanque inferior al superior. Desde allí fluye independientemente de vuelta al tanque inferior. Así que en este ejemplo, la bomba es el motor del flujo. Cuanto mayor es la diferencia de altitud, más fuerza tiene el flujo.
El factor decisivo aquí es la energía potencial de la zona superior. Puedes comparar la diferencia de energía entre ambos estanques con la diferencia de potencial eléctrico.
En pocas palabras, una mayor diferencia de altitud corresponde a un mayor voltaje eléctrico.
Fórmulas
La fórmula para el voltaje eléctrico V es:
El voltaje eléctrico V es, por consiguiente, igual a la resistencia eléctrica R por la corriente I. Esta relación se llama la ley de Ohm. Por lo tanto, a un voltaje eléctrico constante, cuanto mayor sea la resistencia, menor será la corriente.
Otra fórmula para calcular el voltaje eléctrico es:
Así que el voltaje V es igual a la potencia eléctrica P dividida por la corriente I.
Unidad del voltaje eléctrico
La unidad de voltaje eléctrico es un voltio, abreviado V.
En la electrónica, pueden producirse voltajes de:
- Microvoltios (μV) y milivoltios (mV)
hasta:
- Kilovoltios (kV) y Megavatios (MV)
Puedes convertir los valores unitarios de la siguiente manera:
Voltaje eléctrico en el circuito
Para las fuentes de voltaje, normalmente verá uno de los siguientes símbolos en el circuito.
Una fuente de voltaje siempre tiene dos conexiones/polos. Un polo positivo y otro negativo. El propio voltaje está marcado con una flecha de voltaje. Esto siempre se indica del positivo al negativo para las fuentes.
El voltaje eléctrico que cae a través de una resistencia también puede ser marcado con una flecha de voltaje. Esta apunta a la dirección de la corriente.
A menudo escucharás el término «voltaje de circuito abierto» o «tensión de la fuente«. Este es el voltaje de salida que es entregado por una fuente descargada, es decir, una fuente a la que no está conectado nada. Si el circuito se cierra con una carga, sólo se puede medir el voltaje terminal en los polos de la fuente.
Voltajes eléctricos en serie y en paralelo
Para la conexión en serie y en paralelo ya tenemos un artículo en el que discutimos el tema con más detalle. Así que aquí sólo trataremos ciertos aspectos básicos.
Con la conexión en serie, los componentes se conectan en una sola cadena.
El voltaje eléctrico de la fuente ha sido dividido sobre las resistencias. Este comportamiento se describe en la segunda ley de Kirchhoff. En este caso, se aplica lo siguiente:
Es decir, el voltaje de la fuente es igual a la suma de los voltajes eléctricos de las resistencias individuales. El voltaje de la fuente se distribuye de forma diferente en las diferentes resistencias. Si quieres calcular el voltaje de las resistencias, puedes usar la fórmula del divisor de voltaje.
Con la conexión en paralelo, los componentes se encuentran dispuestos en paralelo en el circuito. Puedes ver esto en el siguiente circuito.
Aquí puedes determinar los voltajes de las resistencias mucho más fácil, porque con la conexión paralela el voltaje eléctrico a través de las resistencias es igual que el voltaje de la fuente.
También se explica esto con las leyes de Kirchhoff. Por ejemplo, si construyes una ecuación de malla, obtienes:
Voltaje directo y alterno (DC y AC)
Voltaje directo
El voltaje directo indica que la magnitud y la dirección del voltaje eléctrico se mantiene constante durante un período de tiempo. Por consiguiente, la corriente también fluye en la misma dirección. Las baterías son un ejemplo clásico de una fuente de voltaje DC, ya que suministran 3.6V durante un largo período de tiempo. La abreviatura de voltaje directo, suele indicarse como «DC» (Direct Current).
Voltaje alterno
Con el voltaje alterno, la magnitud y la dirección del voltaje cambia constantemente. Y según la ley de Ohm, entonces la corriente también debe cambiar constantemente, de ahí la abreviatura «AC» (Alternating Current). Esto significa, por ejemplo, que el voltaje cambia de +180V a -180V y viceversa.
El valor promedio del voltaje AC es siempre 0V y la forma suele ser una onda sinusoidal (pero no necesariamente).
Un término importante en relación con el voltaje alterno es el valor de voltaje efectivo (Voltaje RMS). Puedes conseguirlo fácilmente con la siguiente fórmula:
Por ejemplo, para Vmax = 180V se obtiene un valor efectivo de Veff = 127V. Este voltaje eléctrico corresponde al voltaje alterno que viene de nuestros enchufes. La siguiente imagen muestra el trayecto en el tiempo del voltaje alterno.
Medición del voltaje
Los voltímetros o multímetros, siempre se conectan en paralelo al dispositivo de consumo al que se va a medir la tensión eléctrica.
En el artículo ¿Cómo medir el voltaje con el multímetro digital? les mostramos más a detalle el procedimiento de medición de voltaje con el DMM.
- Primero tienes que establecer el tipo de voltaje eléctrico (DC para voltaje directo o AC para voltaje alterno).
- Con DC tienes que prestar atención a la polaridad correcta, es decir, conectar el polo positivo con el polo positivo.
- En el siguiente paso tienes que seleccionar el rango de medición correcto. Si no puedes estimar cuán grande es la lectura, establece el mayor rango posible y trabaja desde allí hasta que encuentres el que encaje.
- Finalmente, todo lo que tienes que hacer es leer el voltaje eléctrico.
Ejemplos
Para algunas aplicaciones puede consultar el voltaje eléctrico correspondiente en la siguiente tabla.
| Dispositivo | Voltaje |
|---|---|
| Voltaje de una sonda Hall | Tiene un rango de mV |
| Voltaje de los LEDs | De 1.2V a 2.5V |
| Voltaje del cargador USB | 5V |
| Voltaje de la batería del coche | 12.4V – 12.8V |
| Tensión de la toma (valor efectivo) | 127V |
| Líneas de alto voltaje | 60kV – 1MV |
Con los sensores, como el sensor Hall, sólo se generan voltajes eléctricos en el rango de los milivoltios.
También se puede ver que hay voltajes hasta el rango de los Megavatios en las líneas de alto voltaje. Estos grandes voltajes eléctricos se utilizan para reducir las pérdidas en las líneas largas.
Decisivo para el consumidor es la potencia P, que se puede calcular para el voltaje de DC con:
Esto significa que la corriente eléctrica I es tan importante para el consumidor como el voltaje eléctrico. De acuerdo con la ley de Ohm, la relación corriente-tensión
En el caso del voltaje alterno, el cálculo de la potencia es un poco más complicado.
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