074 – Lectura de una resistencia

Un resistor es el componente más numeroso en la electrónica: un teléfono móvil contiene varios cientos de ellos, y cada uno tiene que tener el valor correcto. El valor no se imprime como un número, porque las piezas son demasiado pequeñas y baratas para eso. Se imprime como un anillo de bandas de colores, un código introducido en la década de 1920 que todavía se usa hoy en día en los resistores de inserción, es legible desde cualquier ángulo, resiste el calor y los disolventes, y no necesita lupa. Saber leerlo es la primera habilidad práctica de un banco de pruebas de electrónica, y saber comprobarlo con un medidor es la segunda.

La cantidad que codifican las bandas está definida por la ley de Ohm, R = V / I: una resistencia de un ohmio deja pasar un amperio cuando se aplica un voltio a través de ella. En una resistencia de cuatro bandas, las dos primeras bandas dan las dos cifras significativas de ese número, la tercera da la potencia de diez por la que hay que multiplicarlas, y la cuarta indica la tolerancia: la promesa del fabricante sobre cuánto puede desviarse la pieza real de su valor nominal. Esa cuarta banda es la interesante, porque es una admisión: las resistencias se fabrican en masa a partir de una película resistiva cuyo grosor no se puede controlar perfectamente, por lo que una pieza no se vende como un valor, sino como un rango.

En este laboratorio tienes cuatro resistencias con valores desconocidos y una tabla de códigos de colores en la mesa. Decodificarás cada una a partir de sus bandas, calcularás la resistencia mínima y máxima que permite su tolerancia, luego la medirás con un óhmetro y decidirás si el componente cumple con su especificación. La comparación entre los dos números —el que declara el fabricante y el que reporta el medidor— es de lo que realmente trata el laboratorio, y introduce el hábito de preguntar no solo cuál es un valor, sino qué tan bien se conoce.

Objetivos Educativos

Lectura del código de colores de cuatro bandas

• Decodifica cualquier resistencia de cuatro bandas en un valor nominal y una tolerancia, incluidos los multiplicadores de oro y plata que dan valores inferiores a diez ohmios.
• Indique de qué extremo de la resistencia debe realizar la lectura y explique cómo la banda de tolerancia lo identifica.

Tolerancia y el rango de valores aceptables

• Calcule la resistencia mínima y máxima permitida por una tolerancia establecida, y decida a partir de una medición si una pieza está dentro de las especificaciones.
• Expresa la diferencia entre un valor medido y uno nominal como un error porcentual y compárala con la tolerancia en lugar de con cero.

Usando un óhmetro

• Conecte un ohmetro a un componente correctamente, seleccione un rango adecuado y lea la pantalla con la resolución que realmente ofrece.
• Una medición de resistencia debe realizarse en un componente que esté fuera del circuito y sin energía porque la corriente eléctrica activa y los voltajes externos pueden dañar el multímetro y generar lecturas falsas o incorrectas. Además, la presencia de otros componentes en el circuito paralelo alterará el camino de la corriente, lo que provocará que el multímetro mida la resistencia equivalente de toda la red y no la del componente individual.

Reconociendo los límites del instrumento

• Estime la resistencia de los cables de prueba y diga para cuál de las cuatro resistencias importa.
• Las resistencias muy bajas requieren una medición de cuatro hilos porque el método de dos hilos incluye la resistencia de los propios cables de prueba y de los contactos en la lectura final. Cuando se miden fracciones de ohmio, esta resistencia parásita suele ser comparable o incluso mayor que la resistencia del componente que se está probando, lo que hace que la lectura de dos hilos sea completamente poco fiable.

Valores preferidos y selección de componentes

• Explique por qué las resistencias se fabrican en una serie geométrica de valores preferidos en lugar de en números redondos, y ubique un valor dado en dicha serie.
• Elija una tolerancia apropiada para una tarea y diga qué se gana y qué cuesta.

Protocolo

1. En este laboratorio, debes identificar la resistencia de 4 resistencias.
2. Para hacer esto, tienes el póster sobre tu mesa a tu disposición.
3. Una resistencia está compuesta por 4 bandas de colores. Juntas, estas 4 bandas describen la resistencia del objeto.
4. Las dos primeras bandas forman un número entre 10 y 99.
5. La tercera banda da la potencia de 10 aplicada al primer número.
6. Finalmente, la cuarta banda indica la tolerancia. Es el error en porcentaje de la resistencia dada.

Ahora intente identificar las 4 resistencias.

Resultados esperados

Las cuatro resistencias y sus bandas. Los colores que aparecen a continuación son los representados en las cuatro resistencias del laboratorio, de modo que un profesor puede comprobar la lectura de un estudiante sin cargar la simulación.

Cómo leer el código. Cada color representa un dígito: negro 0, marrón 1, rojo 2, naranja 3, amarillo 4, verde 5, azul 6, violeta 7, gris 8 y blanco 9. Las dos primeras bandas se leen directamente como un número de dos dígitos. La tercera banda es un multiplicador —la misma escala de colores, pero como potencia de diez— con dos colores adicionales para las fracciones: el dorado significa ×0,1 y el plateado ×0,01. La cuarta banda indica la tolerancia, y el marrón significa que el valor real se encuentra dentro de un margen de 1 % respecto al valor nominal.

Tomando la resistencia 4 como ejemplo práctico: verde y naranja dan los dígitos 5 y 3, por lo que el número de dos dígitos es 53; la tercera banda dorada multiplica por 0,1, dando 53 × 0,1 = 5,3 Ω; y la cuarta banda marrón garantiza que el valor real se encuentra entre 5,25 y 5,35 Ω.

Una nota sobre los dos valores más pequeños. Las resistencias 1 y 4, de 0,15 Ω y 5,3 Ω, están al nivel o por debajo de la resolución de un multímetro escolar ordinario, cuyos cables de prueba por sí solos aportan alrededor de 0,2 Ω. Medirlas con precisión requiere una técnica de cuatro hilos o un miliohmímetro dedicado. Esa limitación se explica en el cartel del laboratorio y vale la pena destacarla con una clase de los cursos superiores: el código de colores indica lo que el fabricante pretendía, mientras que la medición indica lo que su instrumento puede resolver, y ambas no son la misma cuestión.

Los cuatro resistores de la mesa tienen los valores siguientes. Estas cuatro respuestas son los valores de registro para este laboratorio; los colores de las bandas al lado de ellos son la única combinación de cuatro bandas que produce cada valor, dadas dos cifras significativas y una banda de tolerancia dorada, por lo que se reconstruyen a partir de las respuestas en lugar de leerse de las piezas. Confírmelos con el montaje antes de calificar a un estudiante sobre los colores mismos.

Cómo funciona el código

Cada color lleva consigo un dígito, un multiplicador y, en el caso de los colores metálicos, una tolerancia. La columna del multiplicador es simplemente diez elevado al dígito, razón por la cual el dorado y el plateado —los dos colores sin dígito— son los que se utilizan para multiplicadores inferiores a uno.

Calculado para la resistencia 2, marrón-gris-marrón-dorado: las dos primeras bandas dan los dígitos 1 y 8, por lo que las cifras significativas son 18; la tercera banda, marrón, multiplica por 10¹; y «gold» establece la tolerancia en 5 %.

R = 18 × 10¹ = 180 Ω ± 5 %

El periodo de aceptación se rige a partir de R_mín = R(1 − t) y R_máximo = R(1 + t):

R_mín = 180 × (1 − 0.05) = 171 Ω R_máximo = 180 × (1 + 0,05) = 189 Ω

A continuación, la medición se evalúa en función de ese margen, en lugar de compararla con 180 Ω. El ejemplo práctico que aparece en la tabla de resultados al pie de esta página lo ilustra claramente: un componente de 470 Ω que da una lectura de 455 Ω se desvía del valor nominal en (455 − 470) / 470 = −3,2 %, lo que puede parecer un error, pero se encuentra holgadamente dentro de una banda de ±5 %, por lo que el componente es válido. Una resistencia que diera exactamente su valor nominal sería un resultado sorprendente, no el esperado.

Por qué estos valores y no números redondos: valores preferidos

Las resistencias no se fabrican en números redondos. Se fabrican en series geométricas llamadas series E, elegidas de modo que las bandas de tolerancia de los valores vecinos se junten y se cubra cada resistencia posible sin solapamiento. La serie E12 avanza en un factor de 10^1/12 = 1,21, es decir, 21 % por paso, que es exactamente lo que necesitan las piezas de ±10 %; la serie E24 avanza en pasos de 10^1/24 = 1,10, o 10 % por paso, que es lo que necesitan las piezas de ±5 %. Por eso el catálogo incluye los valores 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82 y luego se repite una década más arriba, y por qué los valores 15, 18 y 22 aparecen todos entre las resistencias de este laboratorio, mientras que los de 20, 50 y 100 no.

La resistencia 4 es la excepción, y conviene decírselo a los alumnos. La serie E24 incluye los valores 51 y 56, pero no el 53, por lo que un componente de 5,3 Ω con tolerancias de ±5 % no es un componente que se pueda adquirir. Tres cifras significativas de ese tipo pertenecen a la serie E96, que es una familia de ±1 % y está marcada con cinco bandas, no cuatro. Considera la resistencia 4 como un ejercicio aritmético con el multiplicador de oro, más que como un componente real; 5,1 Ω o 5,6 Ω serían los valores más cercanos disponibles en el mercado.

Qué hace realmente el ohmímetro y cuándo deja de funcionar

Un ohmímetro no es un instrumento fundamentalmente diferente de un voltímetro. Hace pasar una pequeña corriente conocida a través del componente y mide la tensión que esto genera a través del mismo; a continuación, indica el cociente: R = V / I. De ello se derivan inmediatamente dos consecuencias. El componente debe estar fuera del circuito, ya que cualquier ruta en paralelo conduce parte de la corriente inyectada y el medidor indica la suma total en lugar de la parte correspondiente; y el circuito debe estar sin alimentación, ya que una tensión externa se suma a la propia del medidor y la lectura pierde sentido o el instrumento resulta dañado.

La segunda consecuencia es que se mide todo lo que hay entre las dos puntas de prueba, incluidos los propios cables de prueba. Un par de cables de multímetro ordinarios con pinzas de cocodrilo aporta alrededor de 0,2 Ω, y eso es una adición fija, no un porcentaje:

Esto no es un defecto de técnica, sino un límite del método de dos hilos, y la respuesta profesional a esto es la conexión de cuatro hilos o Kelvin: un par de cables transporta la corriente, un segundo par detecta el voltaje en el cuerpo del componente, y la resistencia de los cables de corriente desaparece por completo del cálculo. Los miliohmetros y los instrumentos de banco de laboratorio funcionan todos de esta manera. Por debajo de aproximadamente 1 Ω, una lectura de dos hilos debe considerarse como un límite superior en lugar de una medición, y el procedimiento honesto con un medidor ordinario es poner las puntas en cortocircuito, anotar la lectura y restarla, lo que recupera la resistencia 4 pero no la resistencia 1.

La resolución sigue la misma lógica. Un multímetro de 3½ dígitos ofrece 1999 cuentas, por lo que, en su rango de 200 Ω, el paso más pequeño que puede mostrar es de 0,1 Ω. Para la resistencia de 180 Ω, eso supone 0,06 % —ochenta veces más preciso que la tolerancia que se está comprobando—, lo cual es un caso ideal. En el caso de la resistencia de 0,15 Ω, ese mismo paso equivale a dos tercios del valor total, por lo que, incluso con cables perfectos, el multímetro solo puede indicar “0,1” o “0,2”. Elegir el rango más bajo que no se desborde es el único hábito que mejora más la medición de la resistencia.

Un efecto real más, pequeño aquí pero que vale la pena mencionar: la resistencia depende de la temperatura. Una resistencia de película de carbono tiene un coeficiente de temperatura de aproximadamente 250 partes por millón por grado, por lo que calentar el componente de 180 Ω en 20 °C lo cambia en 180 × 250 × 10⁻⁶ × 20 = 0,9 Ω, o 0,5 %. Esto supone una décima parte de la banda de tolerancia y, por lo tanto, es imperceptible en este laboratorio; sin embargo, en un circuito de precisión construido con componentes de película metálica de ±1 % (50 ppm/°C), es el término dominante, y es la razón por la que una ficha técnica indica tanto la temperatura como el valor.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

Enfoque: leyendo el código y usando el medidor.

Actividades decodifique las cuatro resistencias de la tabla, registre las bandas y el valor nominal en una tabla, luego mida cada una con el óhmetro y registre la lectura al lado. Indique desde qué extremo de la resistencia leyó y cómo lo supo. Se espera a este nivel: la decodificación correcta de al menos tres de las cuatro, el uso correcto del óhmetro y la observación, en las propias palabras del estudiante, de que una resistencia tiene un rango de valores aceptables en lugar de un valor exacto.

Undécimo grado

Enfoque: tratamiento cuantitativo de la tolerancia y el error porcentual.

Actividades Calcula la resistencia mínima y máxima permitida para cada pieza a partir de R(1 ± t), indicando claramente la sustitución, y a continuación expresa cada medida como un error porcentual respecto al valor nominal y determina si la pieza cumple con las especificaciones. Explica por qué una pieza que se desvía 3 % del valor nominal se considera conforme, mientras que otra que se desvía 6 % no lo está, a pesar de que ambas están cerca del valor indicado. Localiza cada valor nominal en la serie E12 o E24 e identifica el que no aparece en ellas. Lo que se espera en este nivel: operaciones aritméticas correctas, una tabla de aceptación completada y una explicación por escrito de la diferencia entre un error y un fallo.

12.º curso / Nivel universitario

Enfoque: teoría de la medición, límites de los instrumentos y especificación.

Actividades Deducir la serie E a partir del requisito de que las bandas de tolerancia consecutivas coincidan, demostrando que una familia ±5 % requiere una relación de paso de aproximadamente 10.^1/24, y utilízalo para explicar por qué el 53 está ausente. Mide la resistencia de los cables poniendo las puntas en cortocircuito, luego cuantifica su efecto en cada una de las cuatro partes e identifica para cuál de ellas falla el método de dos hilos; describe la conexión de cuatro hilos que la elimina y explica por qué la resistencia de los cables de corriente se anula. Se espera a este nivel: un argumento escrito con suposiciones establecidas y una recomendación de qué resistencias de este conjunto son adecuadas para el ejercicio y cuáles deben ser reemplazadas.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Óhmetro (o un multímetro configurado en resistencia)
• Conectando cables
• Pinzas de cocodrilo
• Tabla de códigos de colores de resistencias: el póster en el banco

Productos

• Cuatro resistencias de cuatro bandas cuyo valor desconoce el alumno: 0,15 Ω, 180 Ω, 22 Ω y 5,3 Ω, todas con una banda de tolerancia dorada (±5 %)

Tabla de ejemplo de resultados