CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Transcripción

1 CIRCUITOS ELÉCTRICOS 1.- CONCEPTOS FUNDAMENTALES La CORRIENTE ELÉCTRICA consiste en el flujo o movimiento de electrones a través de un conductor. Existen dos tipos de corriente eléctrica: - CORRIENTE CONTINUA (DC) : los electrones se desplazan todos en el mismo sentido. Es la suministrada por las pilas y baterías. - CORRIENTE ALTERNA (AC) : los electrones cambian periódicamente de sentido con el tiempo, de forma que realizan un movimiento de vaivén. Es la más ampliamente utilizada y la suministrada por la red eléctrica (con una frecuencia de 50 Hz). Un CIRCUITO ELÉCTRICO consiste en un conjunto de elementos, conectados entre sí, por los que circula una corriente eléctrica. Para que circule la corriente el circuito debe estar cerrado. Los elementos principales de un circuito eléctrico son los siguientes: a) GENERADORES: son dispositivos que crean una tensión eléctrica para que se produzca la corriente eléctrica. Los generadores pueden ser de dos tipos: - Generadores DC: generan una corriente continua (pilas, baterías, dinamos...) - Generadores AC: generan una corriente alterna (alternadores) b) CONDUCTORES: son los elementos que transmiten la corriente eléctrica; suelen ser cables metálicos (de aluminio o cobre), a través de los cuales circulan los electrones y se suelen encontrar recubiertos de un material aislante (PE, PVC...). c) RECEPTORES: son los elementos que utilizan la energía eléctrica y la transforman en otro tipo de energía. Existen muchos tipos de receptores, por ejemplo: - motores: energía mecánica de rotación - lámparas: energía luminosa - resistencia: energía calorífica d) ELEMENTOS DE CONTROL: son dispositivos que permiten controlar el paso de la corriente eléctrica y manejar así el circuito a voluntad (interruptores, pulsadores, relés...) e) ELEMENTOS DE PROTECCIÓN: son aquellos dispositivos que protegen el circuito de posibles sobrecargas que se puedan producir de forma imprevista y evitan así posibles daños en el circuito (fusibles, magnetotérmicos, diferenciales...) 1/12

2 2.- MAGNITUDES ELÉCTRICAS El comportamiento de un circuito eléctrico se puede caracterizar mediante tres magnitudes básicas: intensidad de corriente, voltaje y resistencia eléctrica. - INTENSIDAD DE CORRIENTE (I): es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor en un cierto tiempo y representa la cantidad de corriente eléctrica que atraviesa el circuito. Se mide en AMPERIOS (A) - VOLTAJE (V): También se le denomina TENSIÓN o DIFERENCIA DE POTENCIAL. Representa la causa que impulsa a los electrones a circular por un conductor y mantener una corriente eléctrica. Se mide en VOLTIOS (V). Para entender mejor el funcionamiento de los circuitos eléctricos podemos compararlos con un circuito hidráulico, compuesto por dos depósitos con distinto nivel de líquido, conectados mediante un tubo, tal y como se muestra en la figura: Debido a la diferencia de alturas del líquido se va a producir una corriente desde el depósito de mayor nivel al otro. La diferencia de altura, que da lugar a una diferencia de presión, es la causa del movimiento del líquido. Algo semejante ocurre en un circuito eléctrico: para que la corriente circule por él es necesario una diferencia de potencial o voltaje entre sus extremos que tire de los electrones. Este voltaje aparece porque hay una diferencia de cargas entre los polos del generador. En uno de los polos (el negativo) habrá más carga de este signo que en el otro polo (el positivo). Si se cierra el circuito poniendo en contacto lo dos polos, las cargas se pondrán en movimiento, dando lugar a una corriente eléctrica, en la que las cargas siempre se mueven del polo negativo al positivo. Dependiendo de si la polaridad cambia con el tiempo o no, tenemos dos posibilidades: Corriente continua: La polaridad no cambia. Por lo tanto los electrones siempre se mueven en el mismo sentido. El símbolo del generador de corriente continua es representado a la derecha. La línea vertical larga corresponde al polo positivo y la corta al negativo. Es la que proporcionan las pilas. Corriente alterna: La polaridad cambia de forma periódica (en Europa, 50 veces por segundo). En este caso, los electrones realizan un movimiento oscilatorio. Es el tipo de corriente que se genera en las centrales eléctricas. El símbolo del generador de alterna es el de la imagen de la derecha. 2/12

3 - RESISTENCIA (R): Es la dificultad que opone un conductor al paso de la corriente eléctrica. Se mide en OHMIOS ( ). temperatura. La resistencia depende de la longitud y sección del conductor y de la naturaleza del mismo. Además, la resistencia de los conductores metálicos aumenta con la LEY DE OHM Existe una relación entre la intensidad, el voltaje y la resistencia de un circuito eléctrico, de forma que si se varía alguna de estas magnitudes las otras también se van a ver modificadas. Esta relación viene dada por la ley enunciada por George Ohm en 1826: La intensidad de corriente que circula por una resistencia es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional al valor de dicha resistencia: I V = R La ley de Ohm pone de manifiesto cómo afecta a las demás el cambio en cada una de las magnitudes: a) Cuanto mayor sea el voltaje que se conecta al circuito, mayor será el empuje que proporciona a los electrones y en consecuencia la intensidad de corriente tendrá un valor más alto (por ello el voltaje aparece en el numerador de la ecuación) b) Si lo que aumenta es la resistencia, habrá una mayor oposición al paso de la corriente y por tanto la intensidad será menor (por ello la resistencia aparece dividiendo en la ecuación) Aplicando la ley de Ohm, dadas dos magnitudes podremos calcular la tercera: - si conocemos la intensidad y el voltaje, queda definido el valor de R: V R = I - si conocemos la intensidad y la resistencia, queda definido el valor de V: V = R I - si conocemos el voltaje y al resistencia, queda definido el valor de I: V I = R 3.- ANÁLISIS DE CIRCUITOS Según la forma de conectar los elementos de un circuito entre sí, existen los siguientes tipos de circuitos: 3/12

4 a) CIRCUITO SERIE: Los elementos del circuito se conectan uno a continuación de otro, de forma que la salida de cada elemento se encuentra a continuación de la entrada del siguiente. En los circuitos en serie existe un único camino por donde puede circular la corriente eléctrica. R = R 1 + R 2 + R 3 I = I 1 = I 2 = I 3 V = V 1 + V 2 + V 3 b) CIRCUITO PARALELO: los elementos del circuito se disponen de manera que todas las entradas están conectadas a un punto común y las salidas a otro punto común. En los circuitos en paralelo existen varios caminos por los que puede circular la corriente eléctrica = + + R R I =I 1 + I 2 + I R 2 R 3 V = V 1 = V 2 = V 3 Mientras que al colocar elementos en serie la resistencia total aumenta, en los circuitos en paralelo la resistencia total disminuye. c) CIRCUITO MIXTO: son aquellos circuitos en los que existen a la vez elementos conectados en serie y en paralelo. En este caso se opera por separado con los elementos en serie y en paralelo según corresponda en función de la forma del circuito. 4/12

5 4.- INSTRUMENTOS DE MEDIDA ELÉCTRICA - AMPERÍMETRO: Sirve para medir la intensidad de corriente eléctrica que circula por un circuito. Se conecta en serie. - VOLTÍMETRO: Sirve para medir el voltaje entre dos puntos de un circuito. Se conecta en paralelo entre los terminales cuya tensión se quiere medir. - ÓHMETRO: Sirve para medir la resistencia. Se conecta entre los terminales del elemento cuya resistencia se quiera medir, desconectado del circuito. - POLÍMETRO: Es un instrumento que permite medir intensidad, voltaje y resistencia. Presenta varias escalas y basta con seleccionar la adecuada para realizar la medida deseada. Según el tipo de medida que se quiera realizar, el polímetro se conecta en serie (para medir I), en paralelo (para medir V) o de forma aislada del circuito para medir resistencias. 5.- TIPOS DE RESISTENCIAS Las resistencias son dispositivos que presentan una oposición al paso de la corriente eléctrica. a) RESISTENCIAS FIJAS: Son resistencias que tienen siempre el mismo valor (medido en ohmios). Suelen emplearse para limitar la corriente que circula por un circuito. Existen varios tipos, entre las que destacan: - resistencias de hilo bobinado: consisten en una cierta longitud de hilo conductor arrollado en forma de bobina. La resistencia depende de la longitud del hilo, su sección y el material en que esté construido. 5/12

6 - resistencias de carbón: están formadas por un cilindro cerámico cubierto por una película protectora de pintura. El valor de la resistencia viene dado mediante un código de colores. CÓDIGO DE COLORES DE LAS RESISTENCIAS Las resistencias fijas presentan cuatro bandas de colores: - Las tres primeras indican el valor de la resistencia en ohmios - La cuarta banda indica lo exacto que es el valor de la resistencia respecto a su valor teórico; la diferencia entre el valor teórico y el real se denomina TOLERANCIA. Para poder leer el valor de las resistencias se procede de la siguiente forma: se sitúa la resistencia de forma que las tres bandas más juntas queden hacia la izquierda, y la tolerancia a la derecha a continuación se leen las bandas de colores de izquierda a derecha la primera banda indica la segunda cifra la tercera banda indica el número de ceros que hay que agregar a las dos cifras anteriores El código de colores es el siguiente: 1ª franja 2ª franja 3ª franja NEGRO MARRÓN ROJO NARANJA AMARILLO VERDE AZUL VIOLETA GRIS BLANCO Y la banda de tolerancia responde al siguiente código: MARRÓN ORO PLATA NINGUNO ± 1 % ± 5 % ±10 % ±20 % 6/12

7 b) RESISTENCIAS VARIABLES: Son resistencias cuyo valor puede variar debido a diferentes factores. Existen varios tipos, peo en este curso sólo veremos uno de ellos. POTENCIÓMETROS: Son resistencias variables que se accionan manualmente. Su valor varía cuando se gira un eje o contacto móvil, que añade más o menos material a la resistencia. El valor máximo de la resistencia viene indicado en el potenciómetro, de forma que su valor puede variar desde 0 hasta el valor marcado. 6.- DISPOSITIVOS DE CONTROL ELÉCTRICO Los elementos de control eléctrico permiten controlar el paso de la corriente eléctrica a través de un circuito eléctrico y manejarlo a voluntad. De esta manera se puede controlar a través de ellos el funcionamiento de los receptores conectados en el circuito. Los dispositivos de control eléctrico más importantes son los siguientes: a) INTERRUPTOR: Es un dispositivo que permite abrir o cerrar un circuito eléctrico de forma permanente: - cuando el interruptor se encuentra abierto, la resistencia eléctrica que presenta es infinita y no permite el paso de la corriente eléctrica; - cuando el interruptor está cerrado, la resistencia eléctrica que presenta es cero, y deja pasar la corriente eléctrica, sin modificarla. En general, un interruptor capaz de controlar el funcionamiento de todo un circuito eléctrico se denomina interruptor general. Los interruptores están constituidos por una pieza metálica que al ser accionada (por presión o deslizamiento) comunica entre sí dos contactos metálicos (conectados a su vez al circuito). Habitualmente los interruptores se recubren con un material aislante de manera que no se tenga acceso a los elementos conductores mientras se actúa sobre ellos. Existen varios tipos de interruptores entre los que destacan los siguientes: - Interruptor unipolar de una dirección: cierra un par de contactos en una sola posición - Interruptor bipolar de una dirección: cierra a la vez dos pares de contactos en una sola posición 7/12

8 - Interruptor unipolar de dos direcciones (Conmutador Unipolar): puede cerrar un par de contactos en dos posiciones diferentes - Interruptor bipolar de dos direcciones (Conmutador Bipolar): puede cerrar a la vez dos pares de contactos en dos posiciones diferentes. Los conmutadores sirven para desviar la corriente eléctrica por alguna de sus posibles salidas. b) PULSADOR: Es semejante a un interruptor, pero a diferencia de éste sólo actúa momentáneamente, mientras se mantiene pulsado (como ocurre por ejemplo cuando pulsamos el timbre de nuestra casa) Al igual que los interruptores, los pulsadores están constituidos por una lámina metálica que comunica dos contactos; disponen además de un muelle que permite a la lámina volver a su posición inicial tras soltar el pulsador. Según la forma de actuar, los pulsadores pueden ser de dos tipos: - Pulsadores normalmente abiertos (NA): al ser accionados se cierra el circuito (y se abre cuando se dejan de accionar) - Pulsadores normalmente cerrados (NC): al ser accionados se abre el circuito (y se cierra cuando se dejan de accionar). Se usan en muchos casos como finales de carrera, permitiendo la parada automática de un sistema mecánico (la puerta de un garaje, por ejemplo). 8/12

9 7.- EJEMPLOS DE CIRCUITOS DE CONTROL Circuito de conmutación simple: Permite controlar el funcionamiento de dos receptores de forma alternativa: - cuando el conmutador está en la posición 1-2 se enciende la lámpara L2 - cuando el conmutador está en la posición 1-3 se enciende la lámpara L Control de un receptor desde dos puntos: Mediante dos conmutadores se puede controlar el apagado y encendido de la lámpara desde dos puntos diferentes:: a) en la situación de partida la lámpara estará encendida. b) Al accionar el conmutador A (o el B) la lámpara se apaga. c) Si a continuación se acciona el conmutador B (o el A ) la lámpara volverá a encenderse. 9/12

10 7.3.- Circuito inversor del giro de un motor eléctrico Si un interruptor de dos polos y dos direcciones (conmutador bipolar) se conecta a un motor tal y como muestra la figura siguiente, se puede cambiar el sentido de la corriente eléctrica que pasa por el motor con sólo accionar el interruptor: a) Cuando el conmutador está en la posición superior la corriente circula por el motor de derecha a izquierda y el motor girará en el sentido indicado. b) Cuando el conmutador está en la posición inferior la corriente circula por el motor de derecha a izquierda (al contrario que en el caso anterior) y en consecuencia el motor girará en sentido contrario al de antes Circuito con parada automática Si el circuito anterior se diseña con pulsadores normalmente cerrados en lugar de interruptores tenemos un circuito útil para controlar aperturas y cierres automáticos. Supongamos que el circuito de la figura controla la apertura y cierre de la puerta de un garaje. En la posición en la que está dibujado el conmutador, el motor girará en un sentido (por ejemplo, apertura del garaje). Cuando la puerta se abra totalmente, ella misma abrirá el pulsador P1, con lo que abriremos el circuito y la puerta se parará. Cuando se cambie la posición del conmutador, el motor invertirá el sentido del giro, con lo que se iniciará el cierre de 10/12

11 la puerta, cerrando a su vez P1, que permitirá que la puerta vuelva a abrirse cuando sea necesario. Cuando la puerta se haya cerrado totalmente, abrirá el pulsador P2, con lo que abrirá el circuito de cierre y la puerta volverá a pararse automáticamente. 8.- COMPONENTES ELECTRÓNICOS SENCILLOS: DIODOS LED Uno de los dispositivos electrónicos más sencillos y de mayor aplicación es el diodo LED (light emitting diode, o diodo emisor de luz), capaz de emitir luz con un consumo energético muy bajo. Tienen un encapsulado de diferentes colores. El diodo permite el paso de la corriente eléctrica por su interior en un solo sentido, desde el ánodo hacia el cátodo, y no deja que circule corriente en sentido contrario. El diodo LED sólo lucirá si se conecta de forma adecuada; hay dos casos: a) POLARIZACIÓN DIRECTA: Se conecta el polo positivo de la pila con el terminal positivo del diodo (ánodo) y el polo negativo de la pila con el terminal negativo del diodo (cátodo), tal y como se muestra en la figura: En este caso el diodo conduce y deja pasar la corriente eléctrica, luciendo. Es importante poner en serie una resistencia. En caso contrario, la intensidad que circulará por el diodo será tan alta que lo quemaría. b) POLARIZACIÓN INVERSA: Se conecta el polo positivo de la pila con el terminal negativo del diodo (cátodo) y el polo negativo de la pila con el terminal positivo del diodo (ánodo). En este caso el diodo no conduce y no deja pasar la corriente eléctrica. Por tanto, no lucirá. En un diodo LED, es fácil identificar cuál es el contacto positivo y cuál el negativo. 11/12

12 SÍMBOLOS ELÉCTRICOS generador DC pila batería generador AC interruptor interruptor pulsador pulsador abierto cerrado abierto cerrado lámpara motor resistencia resistencia variable Conmutador timbre altavoz fusible amperímetro voltímetro óhmetro 12/12