Impedancia: ¿cómo la calculamos y por qué es importante?

Impedancia: ¿cómo la calculamos y por qué es importante?

Nadie puede imaginarse funcionar en el mundo actual sin acceso a la electricidad, y cuando se habla del tema del flujo de corriente, inmediatamente vienen a la mente conceptos como corriente, voltaje y resistencia eléctrica (resistencia): aquí es donde comienza la ley de Ohm. Aventura con electricidad. En este artículo, nos centraremos en la impedancia, que es crucial en los circuitos de AC.

• Definición de impedancia
• Diferencias entre impedancia y resistencia
• Elementos reactivos e impedancia
• Cálculo de impedancia equivalente
• Donde calculamos la impedancia

¿Qué es la impedancia?

La definición del libro dice que "la impedancia es una cantidad que caracteriza la relación entre corriente y voltaje en circuitos de corriente alterna (alternancia sinusoidal)". Sin embargo, tal definición no describe directamente la relación antes mencionada. Para comprender qué es la impedancia en la práctica, conviene familiarizarse con el concepto de cambio de fase.

La corriente alterna se caracteriza por una forma de onda sinusoidal y cambia su dirección en un orden estrictamente definido (con una frecuencia constante). En un circuito eléctrico sin capacitancia ni inductancia, las formas de onda de voltaje y corriente deben coincidir. Sin embargo, si en él aparecen bobinas o condensadores, se produce el desfase de los mencionados anteriormente. El cambio de fase es un valor expresado como un ángulo que describe el retraso entre dos ondas de igual frecuencia. En otras palabras, los valores máximos de corriente y voltaje se desplazan en el tiempo. Cuando la corriente supera el voltaje, ciertamente se debe al proceso de carga del condensador. Sin embargo, si este voltaje está por delante de la corriente, entonces hablamos del fenómeno de la autoinducción. La teoría dice que en el caso de un condensador ideal y una bobina ideal, el valor del desfase entre corriente y voltaje es exactamente 90°. El signo positivo o negativo está determinado por la prioridad de la corriente o el voltaje entre sí.

¿Por qué es importante esta introducción para comprender la impedancia? Bueno, el cambio de fase, junto con la impedancia, es el parámetro básico que determina la naturaleza de la corriente alterna. Además, uno de los componentes de la impedancia es responsable de su formación. Por tanto, vale la pena echar un vistazo a la relación matemática que describe la cantidad en cuestión:

La relación se compone de las siguientes cantidades físicas:Valor de corriente instantánea:

Valor instantáneo de la tensión de corriente:

donde:

I_o, U_o – valor máximo de tensión y corriente;

φ₁, φ₂ – cambio de fase;

ω=2πf – frecuencia circular [].

Calcularemos el ángulo de cambio de fase utilizando la siguiente relación:

La impedancia es una cantidad compleja. Este hecho nos dice que incluye la parte real, que es la resistencia eléctrica directamente relacionada con la fase de la corriente y el voltaje que fluyen, así como la reactancia, que es la componente imaginaria de la impedancia. Es este componente el responsable del cambio de fase de 90° de la corriente con respecto al voltaje, así como de la aparición de potencia reactiva.

donde:

Z – impedancia, que es un valor que depende de la frecuencia circular;

R – resistencia eléctrica, es decir, resistencia [Ω];

X – resistencia pasiva, es decir, reactancia [Ω].

La cuestión se complementa con el módulo de impedancia, que comúnmente se denomina obstrucción. Lo calcularemos mediante la siguiente fórmula matemática:

¿Cuál es la diferencia entre impedancia y resistencia?

Como regla general, en un circuito que contiene los tres componentes, es decir, resistencia, elemento capacitivo y elemento inductivo, se supone que la impedancia es la resistencia actual. La resistencia Desempeña el papel del componente activo en la impedancia, siendo una medida de la resistencia a los electrones que fluyen a través del conductor. Asociamos el concepto de resistencia a los circuitos de corriente continua, mientras que para los circuitos de corriente alterna también hay que tener en cuenta la influencia de la inductancia y la capacitancia. Para ilustrar mejor la diferencia entre resistencia e impedancia, vale la pena tener en cuenta que cualquier resistencia ideal tendrá alta resistencia pero baja reactancia. Sin embargo, si hablamos de un condensador o elemento inductivo ideal, contendrán reactancia, pero no resistencia eléctrica. La impedancia, por otro lado, caracteriza todas estas propiedades de un circuito eléctrico.

Impedancia de elementos reactivos

Haciendo referencia a la información proporcionada anteriormente, para un circuito que contiene solo resistencia ideal, la parte imaginaria toma el valor cero, mientras que la parte real de la impedancia es exactamente el valor de la resistencia, por lo tanto:

Para una bobina de inducción, la impedancia adquiere un valor completamente imaginario (por supuesto, estamos hablando de una bobina ideal):

Luego hablamos de la naturaleza inductiva y del cambio de fase φ = 90°.

En el caso de un condensador ideal, el carácter capacitivo se conserva naturalmente, donde el ángulo de cambio de fase será exactamente el mismo que para la bobina, pero con un signo cambiado: φ=-90°. En este punto, se puede responder claramente a una pregunta frecuente: ¿puede el valor de impedancia ser negativo? Bueno, tal vez entonces también se le llame capacitancia, es decir, resistencia capacitiva activa. La impedancia de un condensador se describe mediante la siguiente relación:

Principios para calcular la impedancia equivalente

La impedancia equivalente de un circuito eléctrico se calcula según principios similares a los de la resistencia. Cabe señalar que el tipo de conexión en el sistema es importante.

1. Conexión paralela

Para que sea conveniente calcular la impedancia equivalente para una conexión en paralelo, es bueno utilizar el valor de admitancia, que es el recíproco de la impedancia. Entonces, ¿cómo se puede interpretar como una fórmula? Es la conductividad eléctrica total en circuitos de AC.

La unidad de admisión es Siemens [s].

Al igual que la impedancia, la admitancia consta de una parte real y una imaginaria. En este caso serán: conductancia (G) y susceptancia (B).

Exactamente de la misma forma que en el caso de la impedancia, también calcularemos el módulo de admitancia, es decir:

Teniendo conocimientos básicos sobre admitancia, podemos concluir que para una conexión paralela de tres impedancias con valores , el valor de impedancia equivalente será:

El recíproco de la impedancia de un circuito eléctrico es, por tanto, la suma geométrica de los recíprocos de todas las impedancias componentes.

2. Conexión en serie

De manera análoga a una conexión en serie de resistencias, la impedancia equivalente para una conexión en serie es igual a la suma de las impedancias de los componentes. Sin embargo, como en la conexión en paralelo, conviene recordar que esta suma es geométrica, no escalar.

Para una conexión en serie de tres impedancias con valores, el valor de impedancia equivalente será:

Valor de impedancia en la vida cotidiana

Toda la teoría anterior es importante porque el valor de impedancia en los circuitos eléctricos es uno de los valores básicos que se deben medir antes de iniciar el circuito. El mejor ejemplo aquí es la instalación eléctrica en una casa unifamiliar. Solo la disposición de cables eléctricos en todas las habitaciones es sólo una parte del trabajo total del instalador. Antes de aceptar una instalación de este tipo, es necesario garantizar la seguridad operativa. Para ello, se mide la impedancia del bucle de cortocircuito, lo que responderá a la pregunta de si la protección contra sobrecorriente cortará el suministro de energía durante un cortocircuito de la instalación en un momento que sea seguro para su uso. Un electricista calificado basándose en la resistencia sumada de los cables, así como la impedancia de los devanados del transformador podrá determinar el valor de la corriente de cortocircuito esperada. Sólo con mediciones fiables y fusibles correctamente seleccionados la instalación no se incendiará en caso de cortocircuito eléctrico, y el disyuntor de sobretensión romperá el circuito en un tiempo suficientemente corto cuando la corriente de cortocircuito represente una amenaza para la vida humana.

Los estrictos requisitos de construcción obligan a los electricistas a realizar mediciones apropiadas de la impedancia del bucle de cortocircuito y a crear documentos apropiados que confirmen que se llevaron a cabo de acuerdo con las normas necesarias. Este es un requisito necesario para la aceptación final del edificio y su entrega al inversor. Lo más importante en todo esto es la seguridad.