Circuitos Eléctricos · Tema 29

Constante de tiempo τ

El reloj de todo cambio: cuánto tarda en cargarse, en apagarse y en estabilizarse, con una sola letra griega.

01 · Punto de partida

Nada cambia de golpe (salvo el corto)

Conectás un capacitor descargado y la corriente arranca alta y decae; conectás un inductor y la corriente arranca en cero y crece. ¿Rápido o lento? La respuesta es un número con unidad de segundos: τ. En 1τ el cambio va al 63 %; en 5τ está terminado a efectos prácticos.

Este tema define τ para RC y RL, enseña a estimarlo de cabeza y deja la curva completa para los Temas 30–32.

  • ¿Cuánto vale τ en RC y en RL?
  • ¿Qué significa el 63 %?
  • ¿Por qué 5τ es “listo”?
  • ¿Más R siempre es más lento?

02 · Definición

Dos fórmulas, una idea

RC

R × C

Ohm × faradio = segundos. R grande o C grande = carga lenta. 1k × 100 µF = 0,1 s.

RL

L / R

Henrio / ohmio = segundos. L grande o R chica = arranque lento. 10 mH / 1k = 10 µs.

5τ

Listo práctico

Tras 5τ queda < 1 % por cambiar: a efectos de medición y diseño, terminado.

Progreso del cambio por múltiplos de τ.
TiempoCompletadoFalta
1τ63,2 %36,8 %
2τ86,5 %13,5 %
3τ95,0 %5,0 %
5τ99,3 %0,7 %

El 63 % viene de 1 − 1/e (e ≈ 2,718, la base natural): la naturaleza carga así, ni lineal ni escalón. No hace falta cálculo diferencial para usarlo: la tabla manda.

03 · Intuición

Qué acelera y qué frena cada τ

RC lento: R o C grandes
Más resistencia = menos corriente de carga; más capacidad = más carga que mover. 10k × 1000 µF = 10 s (eterno para un LED).
RC rápido: R o C chicos
1k × 100 nF = 0,1 ms: el de desacople junto a chips (carga antes de que el micro pestañee).
RL lento: L grande o R chica
Más inercia o menos “freno” eléctrico: tarda en arrancar. Ojo: al revés que RC con R.
RL rápido: L chica o R grande
10 mH / 10 kΩ = 1 µs: el transitorio ni se ve. R grande apura al inductor y frena al capacitor.

04 · Órdenes de magnitud

τ típicos de tu mundo

Del microsegundo al segundo.
Circuitoτ5τ (listo)Lectura
10k × 100 nF (desacople)1 ms5 msInstantáneo a ojo
1k × 100 µF (filtro LED)0,1 s0,5 sParpadeo visible
10k × 1000 µF (reserva)10 s50 sLento a propósito
10 mH / 1k (bobina)10 µs50 µsSolo se ve con osciloscopio

05 · τ en código

Calculadora y tabla de progreso

Función τ para ambas familias más la tabla 1τ–5τ:

Python en tu navegador. Calculá tus τ y ejecutá la tabla de progreso.

import math

def tau_rc(r_ohm, c_uF):
    return r_ohm * c_uF * 1e-6


def tau_rl(l_mH, r_ohm):
    return (l_mH / 1000) / r_ohm


def tabla(tau, nombre="circuito"):
    print(f"{nombre}: tau={tau*1000:.1f} ms, listo en {5*tau*1000:.0f} ms")
    for n in [1, 2, 3, 5]:
        print(f"  {n}tau: {100*(1-math.exp(-n)):.1f}%")


tabla(tau_rc(1000, 100), "1k+100uF")
tabla(tau_rl(10, 1000), "10mH/1k")

Probá tabla(tau_rc(10000, 1000)): ¿en cuánto está “listo”? ¿Te sirve para un LED?

Diseño inverso: R o C para un τ

Pedir un ritmo y despejar el componente:

def r_para_tau(tau_s, c_uF):
    r = tau_s / (c_uF * 1e-6)
    print(f"Para tau={tau_s} s con {c_uF} uF: R={r:.0f} ohm")
    return r


def l_para_tau(tau_s, r_ohm):
    l_mH = tau_s * r_ohm * 1000
    print(f"Para tau={tau_s} s con {r_ohm} ohm: L={l_mH:.0f} mH")
    return l_mH


r_para_tau(1.0, 100)   # parpadeo de 1 s con 100 uF
l_para_tau(0.001, 10)  # 1 ms con 10 ohm

06 · Analogía programador

Timeout y half-life

  1. 1
    5τ = timeout.

    Tras 5τ se declara terminado, como un timeout bien puesto: lo que falte es ruido.

  2. 2
    τ = half-life generalizada.

    Cada τ reduce lo pendiente a ~37 %: decaimiento exponencial como cache con TTL.

  3. 3
    Diseñar τ = setear SLA.

    Elegir R y C para el ritmo pedido es fijar el SLA del transitorio: ni instantáneo ni eterno.

07 · Exploración

Laboratorio: τ a pedido

Elegí familia y mové valores: el laboratorio calcula τ, el “listo” (5τ), el progreso y qué tan visible es el transitorio.

LABORATORIO 29

τ_RC y τ_RL

τ → 5τ listo

τ100 ms
Listo (5τ)0,5 s
En 1τ63 %
VisibilidadParpadeo visible

RC 1k × 100 µF: τ 100 ms, listo en 0,5 s.

Preguntas para explorar

  1. ¿Qué R da τ = 1 s con 100 µF? ¿Y con 1000 µF?
  2. En RL con L fija, ¿subir R acelera o frena? Verificalo moviendo.
  3. ¿Qué τ elegirías para un LED que parpadee ~2 veces por segundo?
Ver respuestas sugeridas
  1. 10 kΩ (1/100 µF) y 1 kΩ (1/1000 µF): mismo τ, distintas corrientes. El ritmo no fija el consumo.
  2. Acelera (τ = L/R baja). Al revés que RC: comprobarlo moviendo vale más que memorizarlo.
  3. Período 0,5 s ≈ 5τ → τ ≈ 0,1 s (ej. 1k × 100 µF): el transitorio marca el ritmo visible.

08 · Comprensión

Confusiones frecuentes

«τ es el tiempo total»

τ es el 63 %; el total práctico es 5τ. Diseñar con τ como “listo” deja el circuito al 63 %: a medio cargar.

«Más R siempre es más lento»

Solo en RC. En RL más R es más rápido (L/R). La dirección depende de la fórmula, no de la intuición.

«τ depende de la fuente»

No: τ lo fijan R, C, L. La fuente fija hasta dónde llega (amplitud), no a qué ritmo. Ritmo y destino son independientes.

«63 % es un número mágico»

Es 1 − 1/e de la exponencial natural: aparece en decaimientos de todo tipo (física, finanzas, cachés). Mágico no, universal.

09 · Práctica guiada

Ejercicios de τ

Ejercicio 1: tres τ habituales

Calculá τ y 5τ de: 10k × 100 nF; 1k × 1000 µF; 10 mH / 100 Ω. Clasificá cada uno (instantáneo / visible / lento).

Ver solución razonada

1 ms / 5 ms (instantáneo); 1 s / 5 s (lento); 0,1 ms / 0,5 ms (solo instrumento). Mismo método, tres mundos.

Ejercicio 2: diseñar el ritmo

Querés 5τ = 2 s con C = 470 µF. ¿R? Verificá con r_para_tau() y elegí E12.

Ver solución

τ = 0,4 s → R = 0,4/470 µF ≈ 851 Ω → 820 Ω (τ real 0,385 s, 5τ ≈ 1,9 s: aprobado).

Ejercicio 3: RL al revés

L = 100 mH con R = 50 Ω y con R = 500 Ω. ¿τ en cada caso? ¿Cuál establece primero? Explicá por qué no es intuitivo.

Ver solución

2 ms vs 0,2 ms: con 500 Ω establece 10× más rápido. No intuitivo porque en RC más R frena; en RL la R “apaga” la inercia más rápido.

10 · Síntesis

Ideas para recordar

  • τ_RC = R×C; τ_RL = L/R; siempre en segundos.
  • 1τ = 63 %, 5τ = 99,3 % ≈ listo.
  • R frena en RC y apura en RL: verificar dirección con la fórmula.
  • τ fija el ritmo, la fuente fija el destino.
  • tau_*() + tabla() + inversas en cada diseño temporal.

El reloj ya es tuyo. Ahora, su primera aplicación completa: en el próximo tema, RC que carga y descarga.