FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD

POR:MIGUEL A. LOPEZ R/EDUARDO ACOSTA

INTRODUCCIÓN

Constitución de la Materia

La materia es cualquier cosa que tenga peso y ocupe un lugar en el espacio y también puede ser considerada como una forma de energía. Se puede encontrar en tres formas: sólido, líquído y gaseoso.

La materia se compone de elementos, los cuales son sustancias que no pueden ser modificadas, sino por medios químicos solamente. Los elementos se combinan para producir compuestos.

Una molécula es la parte más pequeña en que se puede dividir un compuesto, sin partirlo en sus elementos.

Un átomo es la partícula más pequeña en que se puede dividir un elemento, está formado por protones, neutrones y electrones.

El núcleo se compone de protones y neutrones.

El neutrón es la partícula neutra dentro del núcleo y el protón es la carga positiva.

El electrón es la pequeñisíma partícula con carga negativa, que prácticamente carece de peso y gira en órbita alrededor del núcleo.

Los electrones libres son aquellos que han abandonado la órbita de un átomo y se mueven libremente por un material.

El exceso ó falta de electrones determina que en un material pueda haber una transferencia ó toma de electrones

A continuación detallamos lo anterior, para iniciar nuestra discusión de la teoría eléctrica:

Primero debemos entender un poco acerca de la naturaleza básica de la electricidad. Los átomos son los bloques del edificio que crean toda la materia. Es la estructura de los átomos lo que permite que la electricidad funcione.

Los protones y neutrones se unen para formar el núcleo del átomo. Los electrones orbitan alrededor de los protones y neutrones en capas. Es la atracción mutua entre los electrones cargados negativamente y los protones cargados positivamente lo que tiende a mantener a los electrones en órbita alrededor del núcleo, incluso aunque ellos están moviéndose a un régimen de velocidad muy alta. Esta fuerza es similar a la fuerza gravitatoria que mantiene a los planetas en órbita alrededor del sol. Cuando el número de electrones corresponde con el número de protones, se dice que el átomo está en un estado “balanceado” y eléctricamente “neutro”. Por ejemplo, el átomo de helio de la figura # 01 tiene 2 protones en su núcleo y 2 electrones en órbita.

Los átomos están compuestos de tres partículas básicas: protones, neutrones, y electrones. Las variaciones en las propiedades de la materia se deben a la diferencia en el número de protones, neutrones, y electrones en los átomos dentro de cada tipo de materia.

Los electrones tienen una carga o polaridad negativa así que los identificaremos con un signo menos. Los protones tienen una carga o polaridad positiva así que los identificaremos con un signo más. Los neutrones no tienen carga eléctrica.

FIG. 01

Los electrones en las capas más externas son atraídos más débilmente por los protones en su núcleo. Esto se debe a la distancia relativa entre los electrones y el núcleo.

Para poner esta distancia en una escala que podamos entender, si el núcleo del cobre fuese agrandado hasta que fuera del tamaño de un balón de baloncesto, los electrones en órbita estarían aproximadamente 64 millas alejados del núcleo.

Ya que el cobre es un metal, sus átomos están relativamente muy juntos. La proximidad entre átomos asiste en el intercambio de electrones de un átomo a otro. Esto puede verse en el ejemplo de la figura # 02 mostrado aquí: la fuerza de atracción de los protones en los átomos que están muy juntos puede más fácilmente jalar los electrones de los átomos vecinos. Los átomos que ceden fácilmente electrones son conocidos como conductores. Otro ejemplo más lo vemos en la fig # 04.

FIG. # 02

Las substancias cuyos átomos no ceden fácilmente electrones se llaman aisladores. Estos tipos de materiales se usan para impedir el flujo de electricidad tal como con el recubrimiento en un cable eléctrico. Ejemplos de buenos aisladores incluyen: plástico, hule, vidrio.

Los materiales cuyos átomos no son ni muy buenos o malos al ceder electrones se llaman semiconductores. Los semiconductores son importantes en la electrónica porque ellos se usan para hacer transistores y circuitos integrados. Un ejemplo de este tipo de material es el silicio.

Figura # 03 Figura # 04

CARGAS OPUESTAS SE ATRAERÁN Y CARGAS IGUALES SE REPELEN

Como lo determinamos anteriormente concluimos que un exceso de electrones crea una carga negativa y la ausencia de electrones crea una carga positiva, de aquí que CARGAS OPUESTAS SE ATRAERÁN Y CARGAS IGUALES SE REPELEN.

F F

q2

Esferas con carga eléctrica

q

GRAFICO 21

LEY DE COULOMB

LEY DE COULOMB

La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb, quien fue el primero en describir en 1785 las características de las fuerzas entre cargas eléctricas.

La ley puede expresarse como:

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Es decir, en un sentido práctico, que aquellas cargas eléctricas con diferente polaridad se atraen y con la misma polaridad se repelen.Coulomb desarrolló la balanza de torsión con la que determinó las propiedades de la fuerza electrostática.

La reacción química en la batería causa un número excesivo de electrones en la terminal negativa de la batería y una deficiencia de electrones en la terminal positiva. Esto permite que la batería almacene energía eléctrica para uso futuro. Fig # 05 . Los electrones son atraídos hacia la carga positiva fuerte en la terminal positiva. Al mismo tiempo, los electrones son repelidos por la carga negativa fuerte en la terminal negativa.

La pérdida de un electrón por un átomo lo hace un ion positivo, por lo tanto atraerá un electrón de un átomo vecino, para volverse nuevamente balanceado

Figs. # 05

Conforme el átomo más cercano a la terminal positiva pierde un electrón se carga positivamente ya que ahora tiene un protón más que electrones. Por lo tanto, este átomo atrae al electrón de su átomo vecino y jala al electrón exterior de ese átomo. Esto balancea al primer átomo pero causa que el siguiente átomo atraiga un electrón de su vecino. Este movimiento de electrones continúa con los electrones fluyendo desde la terminal negativa, a través de los átomos y a la terminal positiva. Este flujo de electrones es llamado flujo de corriente electrónica. Ver fig. # 06

Fig. # 06

EL CONCEPTO DE CORRIENTE ELÉCTRICA.

La corriente eléctrica se define como el movimiento de cargas eléctricas (Coulombs) a través de un medio cualquiera que lo permita (que sirva como conductor), específicamente el movimiento de electrones, que tienen carga negativa. Es el efecto que producen los electrones al trasladarse de un punto a otro. Fig # 07

Fig. # 07

Cuando los científicos descubrieron el electrón, apareció el científico COULOMB y él logró realizar una medida de los electrones que fuera significativa y se pudiera medir, a esta cantidad de electrones le llamó por su apellido COULOMB y equivale a 6.28 billones de billones de

electrones (6.28x1018 ).

Después, otro científico de apellido AMPERE estableció que si esa cantidad de electrones llamada COULOMB pasara por un conductor en un segundo se llamaría AMPERE, por lo tanto:

1Amper = 1 COULOMB / 1 Segundo

La corriente es la medida de electrones que pasan por un punto en el circuito. Deben fluir muchos electrones para realizar cualquier trabajo.

Nota: en un conductor la intensidad de corriente es la cantidad de electrones que pasa por un segundo, (los electrones se van transfiriendo de un átomo a otro). Fig # 07.

La electricidad es un fluido porque pasa a través de un conductor y como tal se comporta como los demás fluidos, para entender los conceptos de medición la compararemos con el fluido más conocido que es el agua, en el agua el conductor pudiera ser la tubería, la cantidad de agua que pasa pudiera ser la CORRIENTE o Intensidad de corriente, una llave de paso o algo que impide el paso del agua, eléctricamente pudiera ser la RESISTENCIA, la presión de agua en la tubería es equivalente al VOLTAJE y el consumo de agua, pudiera ser equivalente a la POTENCIA.

Término Abreviación Unidad Símbolo Hta. de Medición

Corriente I Ampere A Amperímetro

Voltaje E Voltio V Voltímetro

Resistencia R Ohm Ω Ohmetro

El movimiento de electrones por un conductor eléctrico es llamado corriente eléctrica.

La corriente se mide en amperes y el instrumento para medirla es el amperímetro, el cual debe ser conectado en serie con la línea, de manera que toda la corriente pase por él y cuando son valores de corriente relativamente altos debe ser empleado el amperímetro de gancho.

La electricidad se puede producir de varias maneras:

Frotamiento, luz, calor, acción química, presión y magnetismo. A continuación se ilustra:

Los materiales piezoeléctricos son aquellos que liberan electrones cuando se les aplica una fuerza. Su nombre se deriva del término griego Piezo, que significa “presión”.

El “efecto fotoeléctrico” consiste en la liberación de electrones de un material cuando la luz incide sobre éste. El potasio, el sodio, el cesio, el selenio, el sulfuro de plomo, el germanio, el silicio y el cadmio, presentan tal característica.

A aquellos dispositivos formados por la unión de dos metales distintos en un extremo y separados en el otro y que presentan el efecto de termoelectricidad, se les denomina “termopar”

Fig. # 07 Fig. # 08

Los electrones pueden moverse de varias formas, que determinan el tipo de corriente eléctrica que crean, que se describen a continuación.

Corriente contínua ( CC ) : Los electrones se mueven en un mismo sentido y a una velocidad constante. Fig # 08

Corriente alterna ( AC ) : Los electrones se mueven primero en un sentido y luego en el sentido contrario. Velocidad y sentidos cambiantes. Fig # 07

TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA.1mA = 0.001A

1A = 1,000mA (miliampere)

1µA = 0.000001A

1A = 1;000,000µA (microampere)

1µA = 0.001mA

1mA = 1,000µA

EL CONCEPTO DE VOLTAJELos términos tensión, diferencia de potencial, fuerza electromotriz (FEM) y voltaje se refieren a la presión eléctrica del circuito.

La unidad para el voltaje es el volt y el instrumento para medirlo es el voltímetro. Simbolo E ó V.

El voltímetro es siempre conectado en paralelo a la carga y es un dispositivo de alta resistencia (impedancia). Ver fig # 5 pag # 14.

Como hemos dicho, para que se establezca una corriente eléctrica debe existir algo que impulse a los electrones para que se muevan. Por ejemplo, colocando iones negativos de un lado de un conductor e iones negativos del otro, se establecerá una corriente eléctrica que será más grande cuanto mayor sea la "diferencia de cargas entre los iones".

Se dice que para que exista un flujo de electrones debemos aplicar "energia al conductor". Cuando la energía proviene de una fuerza del tipo eléctrico, se denomina "fuerza electromotriz" porque permite el desplazamiento de electrones al desprenderse de los átomos.Consideremos a una tensión o diferencia de potencial como un "desnivel" que debe existir entre 2 puntos de un conductor para que se produzca un movimiento de electrones y entonces, una corriente eléctrica. Fig # 02

1 volt = 1,000 milivolt

1V = 1,000mV

1 volt = 1;000,000 microvolt

1V =1;000,000µV

1 volt = 0.001 kilovolt

1V = 0.001kV

1 Kilovolt = 1,000 volts

VOLTAJE DIRECTO: éste tipo se encuentra mas comúnmente en pilas, baterías o acumuladores, la particularidad que tiene es una polaridad definida: línea positiva y línea negativa. Se puede encontrar diferentes medidas de voltajes desde milivolts hasta miles de volts en voltaje directo.

VOLTAJE ALTERNO: es el tipo de voltaje que está cambiando su polaridad constantemente (60 ciclos en un segundo) (60 hz. ). En la alimentación alterna Monofásica los voltajes más comunes son de 127 V. y 220 V. aunque puede haber más medidas de voltajes. 1 hertz = cant. ciclos en un seg

VOLTAJE ALTERNO.

Es una fuente de voltaje que aplica una fuerza sobre los electrones para que se muevan a distinta velocidad y en distinta dirección a lo largo del cable eléctrico que los transporta y a lo largo de la fuente que los impulsa.

Durante un tiempo los electrones se mueven en una dirección y luego en dirección contraria.

GRAFICA 1 Voltaje Continuo

Voltaje

Tiempo

GRÁFICA 3. VOLTAJE ALTERNO

Una fuente de este tipo es el toma eléctrico de su casa, de su oficina, cuyo voltaje proviene de una fuente eléctrica como un generador de energía Diesel o hidráulico o térmico de las grandes centrales de

generación en Colombia.

BombilloFuente de Voltaje

-

- +

-

Corriente Electrica

En medio Periodo (T)

-

+

Corriente Electrica En el otro medio

Periodo

Fuente de Voltaje

Bombillo

Cuando el voltaje es positivo, los electrones van en una dirección y cuando es negativo los electrones se mueven en dirección contraria. Es decir, en el voltaje alterno la fuerza aplicada a los electrones cambia de dirección.

El CONCEPTO DE PERIODO Y FRECUENCIA.

Este concepto se aplica sólo a señales periódicas, es decir, aquellas

que siempre repiten los mismos valores en un período de tiempo. En

la gráfica siguiente, se pueden apreciar dos señales periódicas .

Periodoen Seg=T F= 1 T

t(seg)

V(t)

1 = 1Hzseg

GRAFICA 25

t(seg)

V(t)

T F= 1 TT

La Ley de Faraday: Nos dice que: “Si un conductor eléctrico está influido por un campo magnético que varía en magnitud con el tiempo en cada punto del conductor, en éste se inducirá un voltaje entre –hacia-

sus extremos”. Esto es, cuando se presenta un movimiento relativo entre un conductor eléctrico y un campo magnético tendremos una diferencia de potencial ó voltaje. La electricidad producida es en realidad un voltaje ó tensión denominada “tensión inducida ó fem inducida.”

La tensión inducida hará que se produzca un flujo de corriente si los extremos del conductor están conectados formando un circuito cerrado. La FEM depende de varios factores:

-Velocidad de movimiento transversal entre conductor y campo magnético.

-Intensidad del campo magnético.

-Número de vueltas del conductor eléctrico.

-Inversión del sentido de movimiento del conductor, ya que se altera la polaridad e invierte el flujo de corriente.

-La polaridad de la FEM inducida tendrá un sentido tal que el flujo de corriente formará un campo magnético que reacciona con el de un imán y se opone al movimiento de una bobina.

CONCEPTO DE LA RESISTENCIA.La resistencia es básicamente la oposición al paso de electrones en un conductor eléctrico, así como la fricción se opone al movimiento mecánico.La unidad en que se mide es el ohm y su simbolo: R.El instrumento para medirla es el ohmetro.Los factores que afectan la resistencia de un conductor son:-Tipo de material.-Sección transversal.-Longitud.-Temperatura.Cuando se requiera realizar alguna medición con el ohmetro se deberá revisar:

-Aislar el circuito ó elemento a medir.

-Desconectar la fuente de alimentación.

-Medir sólo la resistencia del componente.

- Verificar la calibración del ohmetro.

Los prefijos más usados son:

Kilo = 1000 = 1x103 y Mega = 1,000,000 = 1x106

Los materiales que tienen poca resistencia al flujo de corriente se denominan conductores, como el cobre y aluminio.

Los materiales que oponen gran resistencia al flujo de corriente se denominan aisladores, como el vidrio, caucho y el aire.

El resistor es un elemento que tiene una resistencia que puede variar entre unos pocos ohmios y millones de ohms.

Si se abre su resistencia se vuelve infinita y si se pone en corto su resistencia se hace cero.

Existen resistencias fijas y también resistencias variables, a estas últimas también se les llama potenciómetros ó “pot”.

TIPOS DE RESISTENCIAS

Fijos.

1. Aglomeradas. 2. De película de carbón.

-Se enrolla una tira de carbón sobre un soporte cilíndrico

3. De película metálica.

El proceso de fabricación es el mismo que el anterior pero la tira es una película metálica. Los metales más utilizados son Cromo, Molibdeno, Wólfram y Titanio. Son resistencias muy estables y fiables.

4. Bobinadas.

Tienen enrolladas sobre un cilindro cerámico, un hilo o cinta de una determinada resistividad. Se utilizan las aleaciones de Ni-Cr-Al y para una mayor precisión las de Ni-Cr.

CÓDIGO DE COLORES P/ RESISTENCIAS:

Negro 0 Dorado 5% / 0.1

Café 1 Plateado 10% / 0.01

Rojo 2 S / C 20%

Naranja 3

Amarillo 4

Verde 5

Azul 6

Violeta 7

Gris 8

Blanco 9

Disipan grandes potencias. Los modelos más importantes son : Cementados, vitrificados y esmaltados.

Variables

Componentes pasivos de tres terminales, que permiten manipular la señal que hay en un circuito (volumen de un equipo de música). Normalmente el terminal central corresponde al cursor o parte móvil del componente y entre los extremos se encuentra la resistencia.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES

A- Resistencia nominal.

Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación.

B-Tolerancia.

Diferencia entre las desviaciones superior e inferior . Se da en tanto por ciento. Nos da una idea de la precisión del componente. Cuando el valor de la tolerancia es grande podemos decir que la resistencia es poco precisa, sin embargo cuando dicho valor es bajo la resistencia es más precisa.

C- Potencia nominal.

Potencia que el elemento puede disipar de manera continua sin sufrir deterioro. Los valores normalizados más utilizados son : 1/8, ¼, ½, 1, 2.....

Veremos ahora cómo leer los valores de acuerdo con los códigos de colores en las resistencias electrónicas. Las resistencias vienen marcadas con cuatro líneas de diferentes colores como se muestra en la siguiente figura:

La primera línea nos indica el primer número del valor de la resistencia.

La segunda línea nos indica el segundo número del valor de la resistencia.

La tercera línea nos indica la cantidad de ceros que se le agregaran a los dos primeros números.

La cuarta línea nos indica la tolerancia real del valor de la resistencia y los colores pueden ser únicamente oro o plata y corresponden al 5 % y 10 % respectivamente ó sin color 20%.

VALORES:

Negro----------- 0 Café -------------1 Rojo -------------2 Naranja ---------3 Amarillo --------4

Verde ------------5 Azul -------------6 Violeta ----------7 Gris --------------8 Blanco -----------9

Ejemplo del dibujo:

1ª línea color azul = 6, 2ª línea color rojo = 2

3ª línea color amarillo = 4, 4ª línea color oro = 5%

Valor de la resistencia =

6, 2, 0000 = 620, 000 ohms = 620 k

Valor de los prefijos más utilizados:

Kilo = k= 1,000 Mili = m = 0.0001

Mega =M = 100,000 Micro = =0.000,000,1

Giga = G = 1,000,000,000

CONCEPTO DEL CAPACITOR

La tentativa de almacenar electricidad en algún tipo de dispositivo es muy antigua. Se tiene constancia de que en 1745, simultáneamente, en la Catedral de Camin (Alemania) y en la Universidad de Leyden (Holanda), dos investigadores desarrollaron dispositivos cuya finalidad era almacenar electricidad o, como se decía entonces, "condensar" electricidad. La botella de Leyden, como se ve en la figura 1, fue el primer "condensador“ y dio origen, por su principio de funcionamiento, a los modernos capacitores (o "condensadores" como todavía los denominan algunos) utilizados en aparatos electrónicos. La estructura de los componentes modernos es muy diferente de la que tenían los primeros, de 250 años atrás, pero el principio de funcionamiento es el mismo.

Un capacitor básico de placas paralelas se ve en la figura 18. Consiste de dos placas de material conductor separadas por material aislante denominado dieléctrico. El símbolo usado para representar este tipo de capacitor recuerda mucho su disposición real y se muestra en la misma figura. Hay capacitores con disposiciones diferentes, pero como la estructura básica se mantiene (un aislante entre dos conductores) el símbolo se mantiene por lo general con pocas modificaciones.

La unidad de capacidad es el Farad

Tres son los submúltiplos del Farad que más se usan:

- Microfarad (µF) que es la millonésima parte de 1 Farad o 0,000001 Farad que representado en forma exponencial es 10-6 Farad.

- Nanofarad (nF) que es la billonésima parte del 1 Farad o 0,000000001 Farad y 10-9 Farad en forma exponencial.

- El picofarad (pF) que es la trillonésima parte de 1 Farad o 0,000000000001 Farad o 10-12 Farad.

- 1 nanofarad equivale a 1.000 picofarad (1nf = 1.000pF)

1 microfarad equivale a 1.000 nanofarad (1µF = 1.000nF)

- 1 microfarad equivale a 1.000.000 picofarad (1µF = 1.000.000pF)

- Cuando conectamos la estructura indicada a una fuente, como se ve en la figura 5, las cargas fluyen hacia las placas de manera que una se vuelva positiva y otra negativa.

Aun después de desconectar la batería, como se mantienen las cargas, por efecto de la atracción mutua, en las armaduras el capacitor, se dice que éste está "cargado".

Para “descargar” un capacitor basta interconectar las armaduras mediante un alambre. Las cargas negativas (electrones) de la armadura negativa pueden fluir a la positiva neutralizando así sus cargas. La energía que puede almacenar un capacitor no es grande y entonces su utilidad como fuente de energía es muy restringida, pero este componente tiene otras propiedades que son de gran utilidad en electrónica.

Decimos que dos o más capacitores están asociados en paralelo cuando sus armaduras están conectadas de la manera siguiente: las armaduras positivas están conectadas entre sí para formar la armadura positiva equivalente al capacitor; las armaduras negativas están conectadas entre sí y forman la armadura negativa equivalente al capacitor, según muestra la figura 9. Vea el lector que en esas condiciones los capacitores quedan sometidos todos a la misma tensión (V) cuando se cargan. Las cargas dependen de las capacidades. La capacidad equivalente en estaasociación está dada por la suma de las capacidades asociadas.

C = C1 + C2 + C3 + ... + Cn (7)

En la asociación en serie de capacitores, éstos se conectan como se muestra en la figura 10. La armadura positiva del primero pasa a ser la armadura positiva del equivalente; la negativa del primero se une a la positiva del segundo; la negativa del segundo da la positiva del tercero y así sucesivamente hasta que la negativa del último queda como la armadura negativa del capacitor equivalente.

1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... + 1/Cn

LEY DE OHM

El enunciado de La Ley de Ohm dice que:

“La corriente eléctrica es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia”. Ésta Ley nos permite observar una relación matemática entre el voltaje (V), corriente (A ó I)y resistencia (R).

V

A R

V=A x R

A= V / R

R=V / A

Mediante la Ley de Ohm podemos encontrar un valor desconocido en un circuito eléctrico si se conocen las otras dos variables:

En la sig figura, una corriente de 1 amperio pasa por una resistencia de 10 ohms. Para encontrar el voltaje aplicado (Va) use la sig fórmula: V=I x R .

Va= I x R Va= 1A x 10 ohms Va = 10 Vcc

R

A

+

-10

OHMS

Va = ? I = 1 A

En la sig figura, Va = 20 Vcc con una resistencia de 10 ohms. Para encontrar la corriente (I) ¿cuál es la fórmula a implementar?: .

I = A

R

A

+

-10

OHMS

Va =20 vcc I = ? A

En la sig figura, Va = 5 Vcc con una corriente de 5 amperes. Para encontrar la resistencia (R) ¿cuál es la fórmula a implementar?

R = ohms

R

A

+

- ?

OHMS

Va =5 vcc I = 5 A

CONCEPTO ARMÓNICO

Cualquier señal periódica, seno o no, puede ser representada como una sumatoria de señales senos puras de diferente frecuencia (Hz) y magnitud. A cada una de estas señales seno, se les llama ARMÓNICOS. Esta forma de representar una señal periódica utiliza la serie de Fourier. Si tomamos una señal seno pura, que es periódica, y la representamos en serie de Fourier, el resultado es la misma señal seno pura, es decir, no tiene contenidos de armónicos.

RESUMIENDO:

CUALQUIER SEÑAL PERIÓDICA QUE NO SEA SENO PURA TIENE

ARMÓNICOS

GRAFICA 7

V(+)

Tiempo

SEÑAL SINSAMBIOS

Cuando la señal senoidal es pura se dice que NO tiene armónicos.

SEÑAL SIN ARMÓNICOS

GRAFICA 7

V(+)

SEÑAL CONSAMBIOS

SEÑAL CON ARMÓNICOS

Cuando la señal senoidal está distorsionada, se dice que tiene armónicos.

EL CONCEPTO DE POTENCIA.

La potencia es la cantidad de energía que se entrega en la unidad de tiempo . Sus unidades son de Energía ( Joules ) sobre

tiempo (seg)= Joules / seg.=watts

.111

Wvatios

J

POTENCIA EN CORRIENTE CONTINUA

Potencia : Velocidad a la cual se entrega ó consume la energía en un circuito eléctrico ó aparato eléctrico.

La unidad de potencia eléctrica es el vatio (WATT).

La potencia eléctrica consumida es igual al voltaje multiplicado por la corriente. Simbolo W ó P

W

V A

W=V x A

V= W / A

A= W / V

746 W es igual a 1 hp (potencia mecánica)

En el sig circuito, ¿cuál es la POTENCIA consumida y de que valor es la resistencia del circuito?.

P = W R= ohms

R

A

+

- ?

OHMS

Va =20 vcc I = 2 A

CIRCUITO SERIE Y PARALELO

Los circuitos serie tienen un solo camino para el flujo de corriente y puede tener más de un resistor. Sus características son:

-La corriente es la misma en cualquier parte del circuito.

-La resistencia total es igual a la suma de las resistencias individuales.

-La suma de las caidas de voltaje es igual al voltaje total.

R

R

+

-R2= 20

OHMS

R3 = 50 ohms

R

R

R1= 10 OHMS

Los circuitos PARALELO tienen más de un camino para el flujo de corriente. Sus características son:

-La resistencia total será menor que la resistencia más pequeña del circuito y se puede calcular de la sig forma:R

RT= _________1_________

1/R1 +1/R2+1/R3+1/Rn...

-El voltaje en cada resistencia es igual al voltaje total.

-La corriente total es igual a la suma de las corrientes de cada una de las ramas.

-La potencia total es igual a la suma de las corrientes de cada una de las ramas.

R+

-R1= 20

OHMS

R2= 50 OHMS

R3= 100 OHMS

Los circuitos SERIE - PARALELO son una combinación de las características de los dos anteriores:

R+

-R1= 20

OHMS

R2= 50 OHMS

R3= 100 OHMS

R4= 20 OHMS

EL CONCEPTO DE FACTOR DE POTENCIA.

Cuando un generador eléctrico está alimentando una carga eléctrica como por ejemplo una resistencia eléctrica (carga resistiva) y con un instrumento adecuado como el osciloscopio, miramos el valor del voltaje (Voltios, V) y de la corriente eléctrica (Amperios , A) instante a instante y hacemos una gráfica en función del tiempo, obtenemos las siguientes curvas.

GRAFICA 8

V,I

Tiempo

Nota: El valor maximo de corriente y de voltaje se dan en el mismo instante(t1,t2,t3,t4)

t2t1 t3

t4

CARGA RESISTIVA

Voltaje (rojo)

Corriente (azul oscuro)

Se observa que los valores máximos de las dos señales (V, I) ocurren en el mismo instante. Cuando esto ocurre, se dice que las señales están en fase. Es decir, no tienen desfase, o que el desfase es cero segundos.Si a este mismo generador se le conecta un motor eléctrico de inducción ( carga inductiva) los que normalmente se usan y realizamos el mismo procedimiento que en caso anterior, obtendremos unas señales como se muestran en la Gráfica 9.

GRAFICA 9

V(t)I(t)

Tiempo(seg)

AT: Valor maximo de corriente y de voltaje, se dan en instantes distintos

t2t1 t3

t4

CARGA INDUCTIVA

Voltaje (rojo)

Corriente (azul oscuro)

LOS VALORES MÁXIMOS DE CORRIENTE Y VOLTAJE SE DAN EN INSTANTES DISTINTOS

Se observa que los valores máximos de la señal de voltaje y de corriente se dan en instantes

distintos. En este caso se dice que las señales están desfasadas y este desfase se

puede expresar en unidades de tiempo como el segundo (s) o el milisegundo (ms). Este desfase aparece en la gráfica 9. Y se puede observar que el valor máximo de corriente se da un después que el valor máximo de voltaje se da.

Por esto, se dice que la corriente está atrasada respecto al voltaje. Esta es una

carga inductiva

t

t

Si se conectan inductores en serie la inductancia aumenta y si se conectan en

paralelo disminuye.

Ejemplos de aplicaciones de un inductor:

Relevadores, motores de inducción, solenoides.

Ahora, si a ese mismo generador le conectamos una carga que es una mezcla de las dos anteriores más un banco de capacitores

(condensadores eléctricos) y graficamos el comportamiento de las señales de voltaje y corriente podríamos obtener la gráfica 10.

GRAFICA 10

V(t)I(t)

Tiempo(seg)

AT: Valor maximo de corriente y de voltaje, se dan en instantes distintos

CARGA CAPACITIVA

Voltaje (rojo)

Corriente (azul oscuro)

También hay un desfase entre las señales de voltaje y corriente con la característica que primero se da el valor máximo de corriente y luego se da el valor máximo de voltaje. Se dice que la corriente está adelantada al voltaje. Esta es una carga capacitiva.Este desfase que se puede medir en ms, y también se acostumbra medirlo en grados eléctricos. Si conectamos capacitores en paralelo aumenta la capacitancia y si se conectan en serie disminuye.

Se debe procurar que el factor de potencia que vea la Red Pública sea lo más cercano a uno (1) posible. En México se exige que el factor de potencia de cualquier instalación sea 0.8 ó superior. Esto es debido a que si una carga consume una determinada potencia (digamos 100 KW) a un factor de potencia muy bajo (digamos fp= 0.7), va a tomar mucha más corriente eléctrica (Amperios) que si lo hace con un factor de potencia más alto (digamos fp = 0.95). En sintesís podemos decir:

Un inductor es una bobina que se opone a los cambios en la corriente. Su unidad es henrio ó henry (h), su reactancia está dada así XL =2 π f l.

Un capacitor es un elemento capaz de almacenar energía eléctrica y bloquear la c.d. Su unidad es el faradio ó farad (f), su reactancia está dada XC =1/2 π f c

CÁLCULO DE POTENCIA ELÉCTRICA.Circuitos monofásicos.

G 120Vac= V Z

COS / = 0.8

CARGA ELECTRICA

P= V.I COS /

Generador Monofasico

Contra Fase de un Generador Trifacsico

I= corriente eléctrica en Amperio = 10A

GRAFICA 11

CIRCUITO MONOFÁSICO

La fórmula para calcular esto es : P = V x I x fp, donde V es el voltaje en

voltios, I la corriente en Amperios y fp es el factor de potencia. El resultado se

obtiene en vatios (W).1W = 1V x 1A.

En el circuito de la gráfica 11, el generador le está entregando a la carga una potencia

P de:P = 120 V x 10 A x 0.8 = 960 vatios =

960W.

CIRCUITOS TRIFÁSICOS.Por definición, se dice que se tiene un sistema

trifásico de potencia si se tienen tres líneas vivas (líneas que no están aterrizadas) entre las

cuales se presenta un desfase de 120 grados eléctricos y el valor del votaje medido entre

cualquier par de líneas es igual. Se dice entonces que se tiene un sistema trifásico a 220

V ó a 440 V . Ver gráfica 12 .

GRAFICA 12

Voltajes

Tiempo(t)

A B C A

AT: Valor maximo de corriente y de voltaje, se dan en instantes distintos

A= Fase A (amarillo oscuro)B= Fase B (azul)C= Fase C (rojo) 120°= 5.55ms

120° 120°120°

En la gráfica 13 , se ve el esquema de un circuito trifásico típico formado por un generador trifásico y una carga trifásica que puede ser un motor eléctrico de una

bomba de agua, por ejemplo.

(AMARILLO OSCURO) FASE A (R)100A

FASE B (S)100A

(AZUL)

220Vac

100A

Z

Z

Fp= 0.75

220Vac

TIERRA (VERDE)

220Vac

(NEUTRO)

(ROJO) Fase C (T)Z

Carga Trifacica

GRAFICA 13

GeneradorTrfasico

El valor de la potencia suministrada por el generador a la carga ( o consumida por la

carga ) es : ó P=1.73xVxIxFP donde V es el voltaje

entre líneas e I es la corriente en amperios por cada línea. Esta fórmula aplica cuando la carga trifásica es equilibrada, es decir , cuando la corriente (Amperios) por cada

línea es igual, al igual que el factor de potencia.

La representación de los voltajes de línea y de los voltajes de fase, se puede apreciar en

la gráfica 14.

3P cos..IV

(AMARILLO OSCURO) FASE A (R)(L1)A

(L2)B(AZUL)

V-linea

V-linea

N

V-fase

(ROJO) (L3)c

Ca

rga

Tri

faci

ca

GRAFICA 14

V fase= Entre AyN Entre PyN Entre CyN

V linea= Entre AyB Entre ByC Entre AyC

V-fase

V-linea

V-linea

V-fase

P = 1.732 x 220 V x 100 A x 0.75 = 28578 W = 28.6 KW. = 28.6 kilovatios.

CARGA TRIFÁSICA

EL TRIÁNGULO DE POTENCIAS.Cuando se manejan circuitos eléctricos, se

habla de tres potencias

COS = F fp

Potencia activa ( P ) : Es la potencia que puede ser transformada en otro tipo de energía (luz , sonido, calor, movimiento, etc ). Se representa con P. Se mide en vatios ó watts ( W ). P=1.73xVxIxPFPotencia aparente (S): La que resulta de multiplicar S = V x I en circuitos monofásicos,y V . I en circuitos trifásicos. Se mide en VA (voltamperios).Potencia Reactiva (Q) : Son las pérdidas que se presentan en los circuitos eléctricos.Se mide en KVAR´S.

3S

22´ kwkvareactivosskva

fpkwkva /

La potencia es la capacidad que tienen los aparatos eléctricos de suministrar o consumir energía eléctrica lo que faltaba por definir es que existen tres tipos de potencia eléctrica las cuales son: POTENCIA REAL, POTENCIA REACTIVA Y POTENCIA APARENTE.

a) POTENCIA REAL (P). La potencia real es la que más conocemos, su medida son los KILOWATTS ( KW ) y es la que consumen los aparatos que son puramente resistivos, tales como planchas, hornos eléctricos, calefactores; resistencias, etc.

b) POTENCIA REACTIVA (Q). La potencia reactiva es la que se consume en la generación de campos magnéticos mediante bobinas de alambre magneto, y la que se consume en el efecto capacitivo en los conductores (cuando se quedan cargados) y/o de propios capacitores, su medida son en KVARS ( kilo volts-ampers reactivos)

c) POTENCIA APARENTE (S).

Esta potencia es la suma vectorial de la potencia reactiva con la potencia real que consumen los aparatos eléctricos, su medida son los KVA (kilo volts- amper).

Para entender mejor esto veremos el siguiente ejemplo práctico. :

Supongamos que tenemos un bote en un río que se jala mediante dos cuerdas A y B, como se observa cada cuerda está en sentidos diferentes una por cada extremo del río, el bote se moverá en sentido de la flecha R que es la resultante de las dos fuerzas o de las dos cuerdas, que es la suma vectorial y no se moverá en el sentido de las cuerdas que lo jalan.

En la electricidad, las potencias REAL (P) y REACTIVA (Q) van en sentido diferente. La fuerza A sería la POTENCIA REACTIVA y la fuerza B sería la POTENCIA REAL, la resultante sería LA POTENCIA APARENTE (S). La suma de estos vectores se puede calcular con el teorema de pitágoras del triángulo rectángulo. Y el seno del ángulo (a) que existe entre estas dos potencias (real y reactiva) se denomina FACTOR DE POTENCIA (F.P.)

Entre mayor sea el ángulo va tendiendo a ser pura potencia real que viene siendo la potencia efectiva.

Ejemplos:

En este ejemplo la potencia real es mayor que la reactiva y el ángulo. También mayor sería aproximadamente de 85º y el factor de S P potencia sería: el seno de 85º = 0.99

En este ejemplo la potencia reactiva es mayor y el ángulo es menor aproximadamente de 15° por lo tanto el factor de S potencia será = seno de 15º = 0.25

Como nos damos cuenta, entre más se acerca el factor de potencia a la unidad, tenemos que casi no existe potencia reactiva. Una manera de corregir el factor de potencia cuando se tiene muy bajo es conectando un banco de capacitores. Los capacitores son también de potencia reactiva pero contraria a las inductancias o bobinas, de esta manera se reduce el ángulo creado por la potencia inductiva.

En esta figura se ve cómo se reduce la potencia aparente cuando se corrige el factor de potencia mediante un banco de capacitores.

Simplificando, algunas personas comparan las potencias con un vaso lleno de cerveza, todo el volumen que se ocupa en el vaso sería la potencia aparente, la espuma sería la potencia reactiva y lo que es el líquido sería la potencia real, que cuando pedimos un vaso de cerveza lleno lo que en realidad tomamos no es el vaso lleno porque hay un volumen que ocupa la espuma .

El TRANSFORMADOR ELÉCTRICO.

El transformador eléctrico es un equipo que está diseñado para ser un elemento de paso de la

energía, que viaja desde su entrada (primario) hacia su salida (secundario) sin consumir energía

(transformador ideal), cambiando el nivel de voltaje en este proceso. Los transformadores

reales sí consumen un poco de energía, pero es despreciable. El transformador que vamos a tratar

en esta charla es el transformador ideal: La potencia que recibe en su devanado primario es igual a la potencia que entrega en su devanado

secundario (gráfica 15).

TRANSFORMADOR ELÉCTRICO

TRANSFORMADOR ELECTRICOPotencia

Voltaje Primario= Vp

Entrada= PE Potencia de Salida = Ps

Voltaje Secundario= Vs

GRAFICA 15

PE = PS

En la gráfica 16 aparece el dibujo de un transformador monofásico indicando sus partes.

Ip

Vp=

Bobinado primarioNp= espiras primarias

Is

Vs=

Bobinado primarioNs= espiras secundarias

Flujo magnetico Ip= amperios primariosIs= amperios secundariosVp= voltaje primarioVs= voltaje secundario

núcleos laminado especial

flujo magnetico

GRAFICA 16

Vp1

H2

H1

Ip Np Ns Is

GRAFICO 18

Trafo. monofásico

H1 X1

Trafo. Trofásico

H2

X1

Vs

X2

X2

H1 X1

H2 X2

H1 X1

H2 X2

U

V

W

TRANSFORMADOR MONOFASICO

TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

a) PRINCIPIOS DE OPERACIÓN.

Otra propiedad que tiene la electricidad es: cuando en un conductor se hacer circular un voltaje se crea también un flujo magnético que gira a través del conductor.

Estas líneas son muy débiles, pero cuando el conductor se enrolla en un metal como el hierro todas las líneas de flujo magnético se concentran en el hierro y se multiplica su fuerza y su valor.

Cuando este metal ferromagneto se cierra, comienzan a circular por él las líneas de campomagnético.

Cuando en el otro extremo enrollamos otro conductor, las líneas de campo magnético que circulan por el hierro inducirán en éste un voltaje determinado dependiendo del número de vueltas que se enrede, si se enreda el mismo número de vueltas que el que se está alimentando eléctricamente, el voltaje de salida es igual, si se enreda el doble de

vueltas el voltaje de salida será el doble del voltaje de alimentación y si se enreda la mitad de vueltas el voltaje será la mitad del voltaje de alimentación.

Al devanado de alimentación le llamamos primario y al devanado de salida le llamamos secundario. La potencia de los transformadores se mide en KVA (kilo volt-amper)

CONCEPTO DEL DIODO SEMICONDUCTOR

Un semiconductor es un material (generalmente silicio o germanio) cuyas características de condución eléctrica han sido modificadas. Para esto, como sabemos, ha sido combinado, sin formar un compuesto químico, con otros elementos. A este proceso de combinación se le llama dopado. Por medio de éste, se consiguen básicamente dos tipos de materiales: tipo N, en los que se registra un exceso relativo de electrones dentro del material, y tipo P,en los que se presenta un déficit deelectrones (figura 1). Los dispositivos electrónicos se forman con diferentes combinaciones de materiales tipo P y N, y las características eléctricasde cada uno de ellos están determinadas por la intensidad del dopado de las secciones de los semiconductores.

Los diodos realizan una gran variedad de funciones; entre ellas, la rectificación de señales de corriente alterna en fuentes de poder y en radios de AM, reguladores de voltaje, formadores de onda, duplicadores de voltaje, selectores de frecuencia, detectores de FM, disparadores, indicadores luminosos, detectores de haz, generadores láser, etc. Las aplicaciones de los diodos son muchas y muy variadas; de ahí la importancia de conocerlos más a fondo. Los diodos semiconductores son dispositivos conformados por dos secciones de material semiconductor, una tipo P y la otra tipo N.

CONCEPTO DEL RECTIFICADOR TIPO PUENTE

El voltaje alterno se puede convertir en directo mediante un rectificador tipo puente; que es un juego de diodos acomodados de tal manera que se obtiene de la salida corriente directa (un polo positivo y un polo negativo).

El diodo funciona como una válvula check, sólo permite el paso en un solo sentido, como ya sabemos es cuando se polariza el anodo positivo y el catodo negativo, por lo tanto cuando se polariza inversamente no permite circulación de corriente por el diodo.

(+)ANODO (-)CATODO