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 los conductores establecidos por la IEC 60.228, publicados a 20 °C. La resistencia del cobre aumenta con la temperatura, por lo que la calculadora ajusta cada valor en mm² a la misma referencia de 75 °C antes de compararlo con los valores AWG. El ajuste utiliza el coeficiente de temperatura de la resistencia del cobre, aproximadamente 0,00393 por °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: a pies para los calibres AWG y a metros para los calibres en mm², independientemente de la unidad introducida. La conversión utiliza el pie internacional definido: 1 pie (0,3 m) = 0,3048 metros exactamente.

Ejemplo resuelto

Circuito derivado residencial

Un circuito de 120 V recorre 100 pies de cable de 12 AWG (1,93 ohmios por 1000 pies) con una corriente de 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 directriz de 3 % habitualmente utilizada para circuitos derivados. Cambiar a 10 AWG reduce la caída a 3,63 V (3,02 %), todavía ligeramente por encima de 3 %. Cambiar a 8 AWG la reduce a 2,292 V (1,91 %), dentro del límite con un margen suficiente.

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: 7,491 V (15,61 % de la alimentación)
• Pérdida de potencia: 149,83 W
• Tensión suministrada: 40,51 V

Una caída de este tamaño desperdicia en forma de calor una parte considerable de la salida del sistema y deja al inversor o al banco de baterías con una tensión insuficiente. Pasar a un cable de 16 mm² reduce la caída a 2,797 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: 7,856 V (3,27 % de la alimentación)
• Pérdida de potencia: 314,24 W
• Tensión suministrada: 232,14 V

Esto supera solo ligeramente la directriz de 3 %. Cambiar a 4 AWG reduce la caída a 4,928 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

American Wire Gauge se remonta a 1857 y utiliza una escala logarítmica invertida: los números más pequeños indican cables más gruesos. Una reducción de tres números de calibre aproximadamente duplica el área de la sección transversal. Es el sistema 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 tensión que se produce cuando la corriente atraviesa la resistencia de un cable, de forma similar a cómo disminuye la presión del agua a lo largo de una manguera de jardín. Parte de la tensión de alimentación nunca llega a la carga.

¿Qué porcentaje de caída de tensión es aceptable? La directriz del NEC citada habitualmente 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 equipos electrónicos pueden funcionar de forma deficiente.

¿Cómo se puede reducir la caída de tensión? Se puede utilizar un cable más grueso, acortar el tramo de cable, reducir la corriente de carga o, cuando sea práctico, aumentar la tensión de alimentación. El cable más grueso es la solución más habitual.

¿Por qué la fórmula multiplica por 2? La corriente circula hacia la carga por un conductor y regresa por un segundo conductor. Ambos conductores aportan resistencia, por lo que se cuentan los dos.

¿La caída de tensión desperdicia energía? Sí. La misma resistencia que causa la caída también convierte 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.

¿En qué temperatura se basan los valores de resistencia? 75 °C (167 °F), la especificación estándar para tipos comunes de cables de instalaciones eléctricas, 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 de 20 °C publicadas en la IEC 60.228.

¿Funciona esta calculadora para sistemas trifásicos? No. Está diseñada para circuitos monofásicos de dos conductores. La caída de tensión trifásica requiere una fórmula independiente que incluya un factor de √3.

Referencias

1. National Fire Protection Association, NFPA 70: National Electrical Code, edición 2023 — artículo 210,19(A) (caída de tensión en circuitos derivados), capítulo 9, tabla 8 (resistencia de los conductores), tabla 9 (impedancia de CA).
2. Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, IEEE Std 141-1993 (Libro Rojo), Práctica recomendada para la distribución de energía eléctrica en plantas industriales.
3. Comisión Electrotécnica Internacional, IEC 60.228: Conductores de cables aislados.