Antes de comenzar vamos a indicar una seria de definiciones que tenemos que tener en cuenta a la hora de analizar el problema:
Se llama resistencia eléctrica a la oposición o dificultad que encuentra una corriente al recorrer un circuito eléctrico cerrado, y que permite frenar o atenuar el libre flujo de electrones.
La unidad de resistencia es el ohmio (W o Ω): y ohmio es la resistencia que ofrece un conductor cuando por él circula un amperio (intensidad) y entre sus extremos hay una diferencia de potencial (tensión) de un voltio.
La resistencia eléctrica de un conductor depende de la naturaleza del material, de su longitud y de su sección, además de la temperatura. La resistencia que ofrece un material específico, con largo y grosor definidos, se aplica a fórmula:
Donde, L es la longitud del cable en metros, S la sección o grosor del cable en mm2 y ρ constante de resistividad del material que está fabricado el cable.
Con esto deducimos que: El valor de una resistencia es directamente proporcional al largo del conductor e inversamente proporcional a la sección del mismo.
A mayor longitud, mayor resistencia.
A menor longitud, menor resistencia.
A mayor sección, menos resistencia.
A menor sección, mayor resistencia.
La Ley de Ohm establece que la intensidad de la corriente eléctrica (I) que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada (V) e inversamente proporcional a la resistencia del mismo (R).
Dicho de otra forma, la diferencia de potencial (V) que aparece entre los extremos de un conductor determinado es proporcional a la intensidad de la corriente (I) que circula por el citado conductor.
Cuando se trata de corriente continua (CC o DC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Por esta razón la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión.
Donde I es el valor instantáneo de la intensidad de corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios).
En una instalación de baja tensión, en corriente continua, (12V DC) y que mantenga la potencia consumida similar a trabajar con 220V nos obliga a aumentar notablemente la corriente que transita para compensar la falta de tensión. Como explicación a lo anterior nos ayudamos de la Ley de Ohm y de la potencia consumida:
Como hemos comentado antes, todos los cables eléctricos tienen una resistencia a la circulación de corriente (indicada en ohmios por metro) que depende del diámetro, de la longitud y del material con que están fabricados (generalmente cobre). Esta resistencia, a elevadas corrientes, crea algunos inconvenientes como por ejemplo, la pérdida de tensión y como consecuencia pérdida de potencia, (que se disipa en forma de calor a lo largo de los cables). Podemos dividir nuestro análisis en tres partes:
Cuando tenemos una tensión baja, para conseguir mantener la potencia es necesario un aumento de corriente, como vemos en la fórmula de la potencia:
Manteniendo la potencia (P) constante y bajando la tensión (V), la intensidad de corriente (I) aumenta (estamos dividiendo cada vez por un número mas pequeño)
Ejemplo práctico: Tenemos una bombillas de 60W que alimentamos a 220V y a 12V, vamos a ver que intensidad de corriente necesitamos en ambos casos
Comparando ambos casos observamos ver que para mantener la potencia de 60W con una tensión de 12V es necesaria una corriente eléctrica (I) 18,33 veces superior que si trabajamos a una tensión de 220V.
¿Esto en que nos afecta?
Hemos visto que a menor tensión es necesario una mayor corriente eléctrica y para soportar esta corriente, mucho mayor, es necesario trabajar con cables de mayor sección (cables mas gruesos). Los cables mas finos tienes mayor resistencia al flujo de corriente y gran parte de la potencia entregada por la fuente de alimentación se perdería en evitar esta resistencia aumentando el riesgo de calentamiento del cable. Por la ley de Ohm sabemos que si tengo una tensión constante (V) y aumenta la intensidad de corriente (I) la resistencia (R) tiene que ser menor, y para que la resistencia sea menor o baje es necesario que la sección del cable sea mayor.
El problema de la caída de tensión en un cable eléctrico, la diferencia de potencial de un circuito eléctrico, según la ley Ohm (V = I * R) es directamente proporcional a la intensidad de corriente y a la resistencia del cable. Si tomamos el ejemplo anterior podemos ver de una forma muy clara, tenemos:
La resistencia en este caso es, aplicando la fórmula de la resistencia eléctrica tenemos:
R = 0,0172 * 50/1 = 0,86 Ohm
Con lo cual, aplicando la ley de Ohm al cable de cobre, V = I * R
V = 0,86 * 5 = 4,3 voltios, que consume el propio cable de cobre
Vemos que de los 12V iniciales que tenemos, 4,3 voltios los consume el cable, nos quedan 7,7 voltios, la diferencia es enorme, perder 4,3 voltios frente a 12 es un 35,8% de pérdidas.
En el caso de trabajar a 220V, como el cable es el mismo tendremos las mismas pérdidas, los 4,3 voltios, y frente a los 220V apenas es significativo, solo perdemos 1,95%.
¿Cómo solucionamos el problema de la caída de tensión?
Ejemplo: si en lugar de tener un cable de 1mm2 instalo un cable de 2,5mm2 la caída de tensión sería de 1,72 voltios.
Trabajar con instalaciones de 12V puede ser peligroso. Las corrientes que transitan pueden ser muy elevadas y existe el serio riesgo de incendio si las cosas no se hacen bien. Las instalaciones deben ser hechas con cuidado y atención, usando cables gruesos y bien aislados a través de canaletas y cajas de distribución. Las conexiones deben ser robustas usando bornes y conectores de buena calidad. Y fundamentalmente, pongan siempre fusibles de protección.
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Muy buena y totalmente "entendible" para cualquiera la explicación dada. ¡Realmente didáctica...! ¡Felicitaciones...! Ahora bien, es la primera vez que "posteo" algo como ésto. Estoy trabajando en un proyecto que ya está en marcha y en trámite de patente. Logré que las luminarias LED rindan mucho más con una configuración termo electrica auto equilibrada de alto rendimiento. Logré que las luminarias rindan lo mismo a 12 V que a 220 V con fuente integrada. Actualmente, y para dar muestra cabal de lo que expongo, mi casa esta totalmente iluminada por energía solar y baterías a 12 Vcc; compartiendo parte del circuito de la red domiciliaria de 220 V, agregando solo un cable de 1.5 mm de sección para alimentación de la red principal; llegando en algunos casos, por ejemplo mi dormitorio, a un conductor de 0.6 mm en una luminaria equivalente de una lámpara LED de 12 o mas vatios, cuando éstas consumen solo 2 W. Y para cerrar les comento que para iluminar toda mi casa de manera ininterrumpida por energía solar solo utilicé un panel de 50 W; un regulador; dos baterías de 7.5 A, y un sistema de conmutación auxiliar a la red domiciliaria ante fallas. Todo esto se logró gracias a mucho trabajo de manera incansable. Por ahora es lo que puedo decir. Gracias y saludos a todos los que como yo, trabajamos por un mundo mejor.