1.1 Corriente Eléctrica Corriente Directa Corriente Alterna.

Transcripción

1 1.1 Corriente Eléctrica. Es el desplazamiento de electrones a través de un conductor metálico, el cual se debe la diferencia de potencial creada por un generador de corriente. Es la rapidez con la cual fluye la carga a través de esta superficie. El termino corriente eléctrica se utiliza para describir la rapidez de flujo de la carga por alguna región del espacio. La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad se refieren a las corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una lámpara suministra corriente al filamento de la bombilla (foco) cuando el interruptor se coloca en la posición de encendido. Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que exista algún agente que produzca una fuerza electromotriz, es decir una fuerza que produzca movimiento sobre las cargas. Ello se logra con cualquier dispositivo construido para ello, como una pila, un acumulador de auto, un generador de corriente, continua o alterna o cualquier otro aparato que establezca una diferencia de potencial en un medio material donde haya cargas susceptibles de moverse. La unidad de corriente en el SI es el ampere (A), donde: 1A=1C/s Es decir, 1A de corriente equivale a que 1 coulomb de carga que pase a través de la superficie en 1s. En la práctica, con frecuencia se utilizan unidades más pequeñas de corriente, tales como el miliampere (1mA=10-3 A) y el microampere (1µA=10-6 A). Cuando las cargas fluyen a través de la superficie pueden ser positivas, negativas o ambas. Por convención se escoge la dirección de la corriente como la dirección en la cual fluyen las cargas positivas. De acuerdo al generador que se utilice, la corriente eléctrica puede ser continua o alterna Corriente Directa. Es el flujo continuo de carga en una sola dirección. Las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección desde el punto de mayor potencial al de menor potencial. Se identifica con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad Corriente Alterna. Es el flujo de una carga que cambia continuamente tanto en magnitud como en dirección. La forma de onda de la corriente alterna más utilizada es la de una onda senoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. 1

2 La CA es utilizada para que la electricidad llegue a las casas y las industrias. Las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada o modulada sobre la señal de la CA. Conceptos Adicionales. * Voltaje. Es la diferencia que hay entre dos puntos en el potencial eléctrico, refiriéndonos a potencial eléctrico como el trabajo que se realiza para trasladar una carga positiva de un punto a otro. * Potencia. Es la cantidad de energía transformada en calor o en otro tipo de energía o la cantidad de trabajo realizado por una corriente eléctrica. Se mide en joules/segundo; en el Sistema Internacional, se denomina watt (vatio, w). Donde: P = Potencia eléctrica. I = Intensidad de la corriente. R= Resistencia. 1.2 Elementos de circuitos básicos. Un elemento es el bloque constitutivo básico de un circuito. Un circuito eléctrico es simplemente una interconexión de los elementos. El análisis de circuitos es el proceso de determinar las tensiones (o las corrientes) a través de los elementos del circuito. Hay dos tipos de elementos en los circuitos eléctricos: elementos pasivos y elementos activos. Símbolos más comunes de elementos de circuitos básicos: Pasivos Son los que almacenan, ceden o disipan la energía que reciben. Ejemplos de elementos pasivos con los resistores, los capacitores y los inductores. Dentro de los componentes más comunes, a continuación se describe su función: Altavoz.- Reproducción de sonido. Cable.- Conducción de la electricidad. 2

3 Condensador.- Almacenar energía, filtrado, adaptación impedancias. Conmutador.- Reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más. Fusible.- Protección contra sobre-intensidades. Inductor.- Adaptación de impedancias. Interruptor.- Apertura o cierre de circuitos manualmente. Potenciómetro.- Variación de la corriente eléctrica o la tensión. Relé.- Apertura o cierre de circuitos mediante señales de control. Resistor.- División de intensidad o tensión, limitación de intensidad. Transductor.- Transformación de una magnitud fisica en una eléctrica. Transformador.- Elevar o disminuir tensiones, intensidades, e impedancias. Varistor.- Protección contra y sobre-tensiones. Visualizador.- Muestra de datos e imágenes. Capacitor.- Se carga eléctricamente Activos. Un elemento activo es capaz de generar energía. Son los que transforman una energía cualquiera en energía eléctrica, mediante un proceso que puede ser reversible o no. Los elementos activos más comunes incluyen a los generadores, las baterías y los amplificadores operacionales. Los elementos activos más importantes son las fuentes de tensión o de corriente, que generalmente suministran potencia al circuito conectado a ellas. Amplificador operacional.- Amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación. Biestable.- Control de sistemas secuenciales. PLD.- Control de sistemas digitales. Diac.- Control de potencia. Diodo.- Rectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión. Diodo Zener.- Regulación de tensiones. FPGA.- Control de sistemas digitales. Memoria.- Almacenamiento digital de datos. Microprocesador.- Control de sistemas digitales. Microcontrolador.- Control de sistemas digitales. Pila.- Generación de energía eléctrica. Tiristor.- Control de potencia. Puerta lógica.- Control de sistemas combinacionales. Transistor.- Amplificación, conmutación. Triac.- Control de potencia Fuentes de Alimentación. Muchos equipos electrónicos requieren ser conectados, para poder realizar su función, a una fuente de tensión constante. Como la energía eléctrica suele distribuirse entre los usuarios en forma sinusoidal, hay que transformar esta forma de onda en otra de valor constante. El sistema electrónico que realiza esta función se denomina fuente de alimentación. Los circuitos que realizan esta función suelen basarse en los cuatro bloques que se indican en la figura. El primer bloque es un transformador que convierte la amplitud de la senoide al valor adecuado para poder obtener la tensión constante deseada a la salida de la fuente de alimentación. El segundo bloque rectifica la tensión alterna, es decir, su tensión de salida sólo presenta una polaridad, aunque su amplitud es variable. El tercer bloque filtra esta tensión unipolar, y proporciona una tensión aproximadamente 3

4 constante en su salida. Y el cuarto bloque estabiliza v o frente a cambios en la tensión alterna o en la carga. Esquema de una fuente de alimentación. Conceptos Adicionales. * Resistencia Eléctrica. Es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente eléctrica. También se define como la propiedad de un objeto o sustancia de transformar energía eléctrica en otro tipo de energía de forma irreversible, generalmente calor. Su valor viene dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Óhmetro. * Capacitores. Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios. Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cual podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como un cortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia. * Ley de Ohm. Ley formulada por George Simon Ohm en 1827, la cual se enuncia así: En un circuito de corriente continua (c-c) la corriente (I) es directamente proporcional al voltaje (V) e inversamente proporcional a la resistencia R. I = V / R En donde, empleando unidades del S.I.: I = Intensidad en amperios (A). V = Diferencia de potencial en voltios (V). R = Resistencia en ohmios (Ω). 4

5 1.3 Análisis de circuitos Los circuitos electrónicos se aplican en muchas áreas, como automatización, transmisión, computación e instrumentación. La variedad de dispositivos que usan circuitos electrónicos es enorme y sólo está limitada por la imaginación. Radio, televisión, computadoras y sistemas estereofónicos son apenas unos cuantos Técnicas de solución. La ley de Ohm no es suficiente en sí misma para analizar circuitos. Pero cuando se le une con las dos leyes de Kirchhoff, hay un conjunto suficiente y eficaz de herramientas para analizar gran variedad de circuitos eléctricos. El análisis nodal, el cual se basa en una aplicación sistemática de la ley de corriente de Kirchhoff (LCK), y el análisis de lazo o mallas, el cual se basa en una aplicación sistemática de la ley de tensión de Kirchhoff (LTK). Con estas dos técnicas, es posible analizar cualquier circuito lineal mediante la obtención de un conjunto de ecuaciones simultáneas que después sean resueltas para obtener los valores requeridos de corriente o tensión. Leyes de Kirchhoff. Las leyes de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchhoff en Son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para obtener los valores de intensidad de corriente y potencial en cada punto de un circuito eléctrico. Surgen de la aplicación de la ley de conservación de la energía. Se les conoce formalmente como la ley de la corriente de Kirchhoff (LCK) y la ley de tensión de Kirchhoff (LTK). Análisis por el Método de Nodos El análisis nodal brinda un procedimiento general para el análisis de circuitos con el uso de tensiones de nodo como variables de circuito. La elección de tensiones de nodo en vez de tensiones de elemento como las variables de circuito es conveniente y reduce el número de ecuaciones que deben resolverse de forma simultánea. Ley de los nodos o ley de corrientes de Kirchhoff. En todo nodo, donde la densidad de la carga no varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes. Por efecto de esta ley, las corrientes que entran a un nodo pueden considerarse positivas, mientras que las corrientes que salen del nodo llegan a considerarse negativas, o viceversa. En el análisis nodal interesa hallar las tensiones de nodo. Dado un circuito con n nodos son fuentes de tensión, el análisis nodal del circuito implica los tres pasos siguientes: 5

6 1. Seleccione un nodo como nodo de referencia. Asigne las tensiones V1, V2,, Vn-1, a los n-1 nodos restantes. Las tensiones se asignan respecto al nodo de referencia. 2. Aplique la LCK a cada uno de los n-1 nodos de referencia. Use la ley de Ohm para expresar las corrientes de rama, en términos de tensiones de nodo. 3. Resuelva las ecuaciones simultáneas resultantes para obtener las tensiones de nodo desconocidos. Análisis por el Método de Mallas. El análisis de lazo o mallas brinda otro procedimiento general para el análisis de circuitos, con el uso de corrientes de lazo como las variables de circuito. Emplear corrientes de lazo en vez de corrientes de elemento como variables de circuito es conveniente y reduce el número de ecuaciones que deben de resolverse de forma simultánea. Un lazo es una trayectoria cerrada que no pasa más de una vez por un nodo. Una malla es un lazo que no contiene ningún otro lazo dentro de él. Ley de las "mallas" o ley de tensiones de Kirchhoff. Este método se basa en la ley de tensiones de Kirchhoff. En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las subidas de tensión. En el análisis nodal se aplica la LCK para hallar las tensiones desconocidas en un circuito dado, mientras que en análisis de lazo se aplica la LTK para hallar las corrientes desconocidas. La corriente a través de una malla se conoce como corriente de malla. En el análisis de lazo de un circuito son n lazos se dan los tres siguientes pasos: 1. Asigne las corrientes de lazo i1, i2,, in a los n lazos. 2. Aplique las LTK a cada uno de los n lazos. Use la ley de Ohm para expresar las tensiones en términos de las corrientes de lazo. 3. Resuelva las n ecuaciones simultáneas resultantes para obtener las corrientes de lazo Transformadores. Un transformador es un dispositivo que cambia potencia eléctrica alterna de un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna a otro nivel de voltaje mediante la acción de un campo magnético. Consta de dos o más bobinas de alambre conductor enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético común. Estas bobinas no están (usualmente) conectadas en forma directa. La única conexión entre las bobinas es el flujo magnético común que se encuentra dentro del núcleo. Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energía eléctrica alterna y el segundo (y quizás el tercero) suministra energía eléctrica a las cargas. El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia se llama devanado primario o devanado de entrada, y el devanado que se conecta a la carga se llama devanado secundario o devanado de salida. Si hay un tercer devanado en el transformador, este se llama devanado terciario. 6

7 Si un transformador eleva el nivel de voltaje de un circuito, debe disminuir la corriente para mantener igual la potencia que sale de él. De esta manera, la potencia eléctrica alterna puede ser generada en determinado sitio, se eleva su voltaje para transmitirla a largas distancias con muy bajas pérdidas y luego se reduce para dejarlo nuevamente en el nivel de utilización final. El propósito principal de un transformador es convertir la potencia alterna de un nivel de voltaje en potencia alterna de la misma frecuencia pero en otro nivel de voltaje. Los transformadores también se utilizan para otros propósitos (por ejemplo, para mostrar voltajes, mostrar corrientes y transformar impedancias). Funcionamiento. Un transformador está constituido por dos arrollamientos de alambre independientes (bobinas), colocados alrededor de un núcleo de hierro cerrado, para que las líneas de campo magnético se dispersen lo menos posible. El arrollamiento que se conecta a la fuente de energía se denomina primario, y la tensión alterna creará un grupo magnético alterno tal que atravesará las espiras del receptor, denominado secundario, provocando en él una corriente alterna inducida. Es un fenómeno de inducción electromagnética, por lo que el valor de la fuerza electromotriz es igual al número de vuelta por la variación del flujo de inducción del campo magnético que lo atraviesa en una unidad de tiempo. Matemáticamente se expresa así: Donde: E = Fuerza electromotriz. N = número de espiras. Ф = variación del flujo de inducción del campo magnético. Ф = variación en el tiempo. 7

8 Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario. Tipos de Transformadores. Los transformadores de potencia se construyen de dos maneras. Un tipo de transformador consta de una pieza de acero rectangular, laminada, con los devanados enrollados sobre dos de los lados del rectángulo. Este tipo de construcción es conocido como transformador tipo núcleo. El otro consta de un núcleo laminado de tres columnas, cuyas bobinas están enrolladas en la columna central. Este tipo de construcción se conoce como transformador tipo acorazado. En todo caso, el núcleo se construye con delgadas láminas aisladas eléctricamente unas de otras para minimizar las corrientes parásitas. En un transformador, las bobinas del primario y del secundario están físicamente enrolladas una sobre la otra; la bobina de menor voltaje está situada en la parte interna (más cerca del núcleo). Esta disposición cumple dos objetivos: Simplifica el problema de aislamiento del devanado de alta tensión desde el núcleo. Resulta menor el flujo disperso que en caso de disponer los dos devanados en el núcleo, separados. Además de los varios tipos de transformadores de potencia, existen dos tipos de transformadores para propósitos especiales utilizados con maquinas eléctricas y sistemas de potencia. El primero de sus transformadores especiales es un dispositivo diseñado para mostrar un voltaje alto, y producir y un voltaje secundario bajo, directamente proporcional a aquél. Tal transformador se llama transformador de potencial. Un transformador de potencia también produce un voltaje secundario directamente proporcional a su voltaje primario. La diferencia entre un transformador de potencial y el transformador de potencia es que el primero está diseñado para manejar únicamente una corriente muy pequeña. El segundo es un dispositivo diseñado para proveer una corriente secundaria mucho menor pero directamente proporcional a su corriente primaria. Este dispositivo se denomina transformador de corriente. 8