Calculadora de Caída de Voltaje de Cable | Herramienta de Dimensionamiento de Cables AWG y mm²

Una calculadora de caída de tensión en cables determina cuánta tensión se pierde cuando la corriente eléctrica circula por un tramo de cable. Utiliza la resistencia del cable, su longitud y la corriente para calcular la caída de tensión, la potencia desperdiciada en forma de calor y la tensión que realmente llega a la carga.

Todo cable tiene cierta resistencia. Cuando la corriente atraviesa esa resistencia, parte de la tensión de alimentación se consume antes de llegar al dispositivo situado en el extremo. Un cable corto y grueso pierde muy poca tensión. Un cable largo y delgado puede perder tanta que los motores se sobrecalienten, las luces se atenúen o las baterías no se carguen por completo.

Cómo calcular la caída de tensión

La calculadora necesita seis datos: la longitud del cable, la unidad de longitud (pies o metros), el calibre del cable, el sistema de calibre (AWG o mm²), la corriente de carga en amperios y la tensión de alimentación en voltios. Después devuelve la caída de tensión, el porcentaje de caída, la potencia perdida en forma de calor y la tensión suministrada.

La fórmula

Para un circuito estándar de dos conductores (un cable de ida hasta la carga y otro de vuelta), la caída de tensión es:

$V_{drop} = 2 \times I \times \frac{R}{1000} \times L$

• $I$ = corriente de carga, en amperios
• $R$ = resistencia del cable por 1000 pies (AWG) o por 1000 metros (mm²), por lo que se divide entre 1000 para obtener la resistencia por pie o por metro
• $L$ = longitud del cable en un solo sentido, en pies (AWG) o metros (mm²)
• El factor 2 tiene en cuenta ambos conductores, ya que la corriente debe circular de ida y vuelta

La potencia perdida en forma de calor en el cable se calcula mediante:

$P_{loss} = I^2 \times R_{total}$

donde $R_{total}$ es la resistencia combinada de ambos conductores ($R_{total} = 2 \times \frac{R}{1000} \times L$, usando unidades coherentes).

La tensión que llega a la carga es:

$V_{delivered} = V_{supply} - V_{drop}$

Y la caída como proporción de la alimentación es:

$\%_{drop} = \frac{V_{drop}}{V_{supply}} \times 100$

Valores de resistencia de los cables

Los calibres American Wire Gauge (AWG) utilizan valores de resistencia del capítulo 9 del NEC, tabla 8, expresados en ohmios por 1000 pies a 75 °C, la temperatura de funcionamiento estándar para los tipos comunes de cables de instalaciones eléctricas.

Los calibres métricos (mm²) parten de los límites de resistencia de conductores de la norma IEC 60228, que se publican a 20 °C. La resistencia del cobre aumenta con la temperatura, por lo que la calculadora ajusta cada valor en mm² a la misma base de 75 °C antes de compararlo con las cifras AWG. El ajuste usa el coeficiente de temperatura de la resistencia del cobre, 0,00393 por °C a 20 °C:

$R_{75°C} = R_{20°C} \times [1 + 0.00393 \times (75 - 20)]$

Esto aumenta cada valor de la IEC por un factor aproximado de 1,216. Por ejemplo, un cable de 6 mm² está especificado en 3,08 ohmios por 1000 metros a 20 °C, lo que se convierte en aproximadamente 3,75 ohmios por 1000 metros a 75 °C. Usar el valor sin corregir de 20 °C subestimaría la caída de tensión real aproximadamente un 18 %.

La longitud se convierte automáticamente: pies para los calibres AWG y metros para los tamaños en mm², sea cual sea la unidad introducida.

Ejemplos resueltos

Circuito derivado residencial

Un circuito de 120 V tiene un tendido de 100 pies de cable 12 AWG (1,93 ohmios por cada 1000 pies a 75 °C) que transporta 15 A.

• Caída de tensión: 5,79 V (4,82 % de la alimentación)
• Pérdida de potencia: 86,85 W
• Tensión suministrada: 114,21 V

Esto supera la pauta de 3 % que se usa habitualmente para circuitos derivados. Cambiar a 10 AWG reduce la caída a 3,63 V (3,02 %), todavía algo por encima de 3 %. Cambiar a 8 AWG la deja en 2,29 V (1,91 %), con margen dentro del límite.

Circuito solar de corriente continua

Un sistema de corriente continua de 48 V recorre 50 metros de cable de 6 mm² (3,08 ohmios por 1000 metros a 20 °C, aproximadamente 3,75 ohmios por 1000 metros una vez corregido a 75 °C) con una corriente de 20 A.

• Caída de tensión: 7,49 V (15,61 % de la alimentación)
• Pérdida de potencia: 149,83 W
• Tensión suministrada: 40,51 V

Una caída tan grande desperdicia como calor una parte considerable de la energía del sistema y deja al inversor o al banco de baterías sin tensión suficiente. Pasar a un cable de 16 mm² reduce la caída a unos 2,80 V (5,83 %) y la pérdida a unos 56 W.

Circuito industrial de 240 V

Un circuito de 240 V recorre 200 pies de cable de 6 AWG (0,491 ohmios por 1000 pies) con una corriente de 40 A.

• Caída de tensión: 7,86 V (3,27 % de la alimentación)
• Pérdida de potencia: 314,24 W
• Tensión suministrada: 232,14 V

Esto supera solo ligeramente la pauta de 3 %. Pasar a 4 AWG reduce la caída a 4,93 V (2,05 %).

Efecto del tamaño del cable en la potencia desperdiciada

El tamaño del cable afecta directamente a la pérdida de calor, ya que la potencia perdida aumenta con el cuadrado de la corriente, pero solo linealmente con la resistencia. En un tramo de 50 pies a 20 A, un cable de 10 AWG (1,21 ohmios por 1000 pies) pierde aproximadamente 48,4 W en forma de calor, mientras que un cable de 6 AWG (0,491 ohmios por 1000 pies) pierde unos 19,6 W con la misma corriente. El cable más grueso ahorra cerca de 29 W que de otro modo se desperdiciarían en lugar de entregarse.

Límites recomendados de caída de tensión

El NEC (National Electrical Code, la norma de instalaciones eléctricas utilizada en todo Estados Unidos) ofrece, como nota informativa y no como regla estricta, los siguientes límites citados habitualmente:

• 3 % para un circuito derivado por sí solo
• 5 % para un alimentador y un circuito derivado combinados

Superar estos límites no infringe automáticamente la ley, pero puede provocar que las luces se atenúen, que los motores funcionen a una temperatura elevada y que los equipos electrónicos se comporten de forma irregular. IEEE Std 141 ofrece directrices similares para sistemas eléctricos industriales y comerciales.

AWG frente a mm²

El calibre American Wire Gauge (AWG) data de 1857 y usa una escala logarítmica inversa: los números más pequeños indican un cable más grueso. Una disminución de tres números de calibre duplica aproximadamente el área de la sección transversal. Es el estándar en Norteamérica.

El sistema mm² indica directamente el área de la sección transversal del cobre en milímetros cuadrados, por lo que un cable de 2,5 mm² tiene 2,5 milímetros cuadrados de cobre. Se utiliza en la mayor parte del resto del mundo.

Limitaciones

La calculadora solo contempla circuitos de corriente continua de dos conductores o circuitos de corriente alterna monofásicos. No se aplica a:

• Circuitos trifásicos, que utilizan una fórmula diferente con un factor de √3 y, por lo general, presentan una caída porcentual menor que los circuitos monofásicos que transportan la misma potencia.
• Conductores grandes de corriente alterna, por encima de aproximadamente 1/0 AWG, donde la reactancia inductiva se suma a la resistencia pura. El capítulo 9 del NEC, tabla 9, enumera los valores de impedancia para ese caso.
• El llenado de la canalización y una temperatura ambiente superior a 75 °C, factores que aumentan la resistencia real del cable por encima de los valores de las tablas estándar utilizadas aquí.

Si la caída de tensión calculada es igual o superior a la tensión de alimentación, el circuito no puede suministrar la corriente indicada; la calculadora lo señala en lugar de mostrar una tensión suministrada negativa.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la caída de tensión? La caída de tensión es la pérdida de voltaje que ocurre cuando la corriente atraviesa la resistencia de un cable, de forma parecida a como baja la presión del agua a lo largo de una manguera de jardín larga. Parte de la tensión de alimentación nunca llega a la carga.

¿Qué porcentaje de caída de tensión es aceptable? La pauta del NEC que se cita con más frecuencia es 3 % para un circuito derivado y 5 % para un alimentador y un circuito derivado combinados. Por encima de esos valores, los motores, las luces y los aparatos electrónicos pueden funcionar mal.

¿Cómo se puede reducir la caída de tensión? Se puede usar un cable más grueso, acortar el recorrido del cable, reducir la corriente de la carga o, cuando es posible, aumentar la tensión de alimentación. Lo más habitual es usar un cable más grueso.

¿Por qué la fórmula multiplica por 2? La corriente va hasta la carga por un conductor y vuelve por otro. Ambos conductores añaden resistencia, así que se cuentan los dos.

¿La caída de tensión desperdicia energía? Sí. La misma resistencia que causa la caída convierte también parte de la corriente en calor, según $P = I^2 \times R$. Ese calor es energía que se paga pero que nunca llega a la carga.

¿A qué temperatura corresponden los valores de resistencia? A 75 °C (167°F), la temperatura nominal estándar de los tipos comunes de cable para edificios, como THHN y THWN. Los valores AWG proceden directamente de la Tabla 8 del NEC a esa temperatura. Los valores en mm² se convierten a partir de las cifras a 20 °C publicadas en la norma IEC 60228.

¿Esta calculadora sirve para corriente trifásica? No. Está pensada para circuitos monofásicos de dos conductores. La caída de tensión trifásica requiere otra fórmula, que incluye un factor √3.

Referencias

1. Oficina Nacional de Normas (hoy NIST). Copper Wire Tables, Handbook 100 (1966). NBS Handbook 100 (PDF): coeficiente de temperatura del cobre estándar, 0,00393 a 20 °C; tabla 6, resistencia del cobre 12 AWG, 1,93 ohmios por cada 1.000 pies a 75 °C; cada tres números de calibre, la sección transversal se duplica o se reduce a la mitad.