ELECTRONICA BASICA. Los principales componentes utilizados en electrónica y sus principales aplicaciones, sobre todo en circuitos. Por ser un curso básico no entraremos en detalles demasiados complicados, solamente en el funcionamiento, forma de conexión y sus usos, suficiente en la mayoría de los casos. De todas formas al final de cada componente te encontrarás un enlace para ampliar conocimientos si quieres saber más sobre ese componente electrónico.
LAS RESISTENCIAS FIJAS
Resistencias fijas: Siempre tienen el mismo valor. Su valor o unidad es el ohmio (Ω) y su valor teórico viene determinado por un código de colores.
La ley de ohm
Vamos a explicar como se calculan los circuitos eléctricos más sencillos, los de un receptor, que suele ser una lámpara o bombilla, pero podría ser una resistencia cualquiera. Para estos circuitos solo es necesario aplicar la ley de ohm.
Ley de Ohm V = I x R, la tensión es igual a la intensidad por la resistencia.
Esta fórmula despejando nos puede servir para calcular la intensidad o la resistencia, solo tendremos que despejar de la fórmula anterior lo que nos pidan. Las fórmulas despejando serían:
Intensidad: I = V / R
Resistencia: R = V / I
En todos los problemas las unidades de la tensión se ponen en voltios (V), la de la intensidad en Amperios (A) y la de la resistencia en Ohmios (Ω).
Nos podemos valer del siguiente triángulo, llamado triángulo de la ley de ohm, para recordar las fórmulas:
Triángulo de la ley de ohm
Como la V está arriba en el triángulo, su fórmula sería I por R. Como la I esta abajo, su fórmula sería la V (está arriba) dividido entre la R (está abajo). ¿Cómo sería la R?. Pues fácil la V (esta arriba) dividido entre la I (está abajo).
Mi recomendación es solo aprenderse la fórmula V = I x R y si nos piden cualquiera de las otras dos magnitudes despejarlas. Pero bueno… ahí te dejamos el triángulo por si te resulta más fácil.
Más adelante, según avancemos en los ejercicios veremos mucho mejor como se aplica esta fórmula.
Primero veamos el esquema del circuito a calcular y los datos de un circuito de una lámpara:
Datos Del circuito Total:
It= Intensidad total que recorre el circuito
Vt= Tensión total del circuito (pila)
Rt= Resistencia total a recorrer el circuito
Datos Del receptor o la lámpara
Il= Intensidad que recorre la lámpara
Vt= Tensión de la lámpara
Rt= Resistencia de la lámpara
Cuando tengamos calculado todos estos datos el problema está resuelto. Lógicamente alguno de estos datos nos los dará como veremos en los ejemplos de más abajo.
Si nos fijamos en el circuito resulta que en este caso la Intensidad que recorre la lámpara, es la misma que la del circuito, la tensión de la pila es a la que tendrá la lámpara, y la resistencia que ofrece al paso de la corriente todo el circuito, será la de la lámpara, ya qué es el único receptor en todo el circuito (pensando que los cables no tienen resistencia).
Por la tanto en los circuitos de un receptor o lámpara:
Vt=Vl It=Il Rt=Rl, la tensión total es igual a la de la lámpara, la resistencia total es igual a la de la lámpara y la resistencia total es igual a la de la lámpara.
Para calcular solo es necesario aplicar la ley de Ohm. Vamos a recordarla.
Ley de Ohm V = I x R , tensión es igual a la intensidad por la resistencia.
Esta fórmula despejando nos puede servir para calcular la intensidad o la resistencia, depende lo que nos pidan. Las fórmulas despejando serían:
I = V / R
R = V / I
En todos los problemas las unidades de la tensión se ponen en voltios (V), la de la intensidad en Amperios (A) y la de la resistencia en Ohmios (Ω). Si nos diesen en otra unidad distinta, cualquiera de las 3 magnitudes, lo primero es convertirlas a estas dichas.
Por ejemplo si no dan 1000mA (miliamperios) pues la pasaríamos a amperios que serían 1A antes de poner la cantidad en las fórmulas. Puedes saber más sobre magnitudes y unidades eléctricas en este enlace
Magnitudes Eléctricas
Un estudio sencillo de las principales magnitudes eléctricas: Carga, d.d.p., Tensión, Intensidad, Resistencia, Potencia y Energía.
Mediante la presentación de abajo puedes pinchar en cada magnitud para conocerla. Una vez leído todo te recomendamos que hagas los Ejercicios sobre las magnitudes eléctricas.
CARGA ELÉCTRICA y CORRIENTE
La carga eléctrica es la cantidad de electricidad almacenada en un cuerpo. Los átomos de un cuerpo son eléctricamente neutros, en su estado natural, tienen el mismo número de protones con carga + que electrones con carga -, es decir la carga negativa de sus electrones se anula con la carga positiva de sus protones. Los neutrones no tienen carga eléctrica, solo masa… Saber más sobre el átomo.
Esquema elemental de un átomo
Podemos cargar un cuerpo positivamente (potencial positivo) si le robamos electrones a sus átomos y podemos cargarlo negativamente (potencial negativo) si le añadimos electrones. Como vez en la electricidad solo intervienen los electrones.
Cuerpo en estado natural ==> Sin Carga Eléctrica.
Cuerpo con electrones añadidos ==> Carga negativa.
Cuerpo que le quitamos electrones ==> Carga Positiva.
Si tenemos un cuerpo con potencial negativo y otro con potencial positivo, entre estos dos cuerpos tenemos una diferencia de potencial (d.d.p.).
Los átomos de los cuerpos (materiales) tienden a estar en estado neutro, es decir a no tener carga eléctrica. Si por algún motivo no lo están, siempre van intentar estarlo. Por ejemplo, un átomo de un material que no esté en estado neutro robará o cederá electrones al átomo más cercano a él.
Si conectamos dos cuerpos, uno con carga positiva y otro con carga negativa con un conductor (elemento por el que pueden pasar los electrones fácilmente) los electrones sobrantes del cuerpo con potencial negativo pasarán por el conductor al cuerpo con potencial positivo, para que los dos cuerpos tiendan a su estado natural, es decir neutro.
Acabamos de generar corriente eléctrica, ya que este movimiento de electrones es lo que se conoce como corriente eléctrica.
Lógicamente la corriente cesará cuando todos los electrones de la parte negativa pasen a la parte positiva, o si existe un corte en el conductor.
Si queremos mantener la d.d.p. y la corriente eléctrica entre los dos puntos, necesitamos una máquina que sea capaz de robar los e- cuando lleguen a la parte positiva y los devuelva a la parte negativa.
Las máquinas que son capaces de mantener una d.d.p entre dos puntos con el paso del tiempo se llaman generadores eléctricos.
¿Qué necesitamos para generar una corriente eléctrica?
Tener una d.d.p. entre dos puntos y conectarlos por medio de un conductor. Esto lo consiguen los generadores eléctricos como las pilas, las dinamos o los alternadores.
La diferencia de carga entre los dos cuerpos será la causante de que tengamos más a menos corriente eléctrica por el conductor. Esta carga de un cuerpo se mide en culombios (C).
A más d.d.p. ==> mayor corriente eléctrica.
Realmente el sentido de la corriente eléctrica es siempre del polo – al polo +, pero convencionalmente, para resolver ejercicios de electricidad, se considera al revés.
Este criterio se debe a razones históricas ya que en la época en que trató de explicarse cómo fluía la corriente eléctrica por los materiales, la comunidad científica desconocía la existencia de los electrones y decidió ese sentido, aunque podría haber acordando lo contrario. No obstante en la práctica, ese error no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere.
Para no liarnos podemos decir que la corriente de electrones es de – a + y la eléctrica es de + a -. Si quieres saber más sobre la carga eléctrica vete a este enlace: Cargas Eléctricas.
TENSIÓN O VOLTAJE
La Tensión es la diferencia de potencial entre dos puntos. En física se llama d.d.p. (diferencia de potencial) y en tecnología o electricidad, Tensión o Voltaje. Como ya debemos saber por el estudio de la carga eléctrica la tensión es la causa que hace que se genere corriente por un circuito.
En un enchufe hay tensión (diferencia de potencial entre sus dos puntos) pero OJO no hay corriente. Solo cuando conectemos el circuito al enchufe empezará a circular corriente (electrones) por el circuito y eso es gracias hay que hay tensión.
Entre los dos polos de una pila hay tensión y al conectar la bombilla pasa corriente de un extremo a otro y la bombilla luce. Si hay mayor tensión entre dos polos, habrá mayor cantidad de electrones y con más velocidad pasaran de un polo al otro.
La tensión se mide en Voltios. Cuando la tensión es de 0V (cero voltios, no hay diferencia de potencial entre un polo y el otro) ya no hay posibilidad de corriente y si fuera una pila diremos que la pila se ha agotado. El aparato de medida de la tensión es el voltímetro.
Pero ¿Quien hace que se mantenga una tensión entre dos puntos? Pues los Generadores, que son los aparatos que mantienen la d.d.p. o tensión entre dos puntos para que al conectar el circuito se genere corriente. la tensión se mide en Voltios (V). Estos generadores pueden ser dinamos, alternadores, pilas, baterías y acumuladores.
INTENSIDAD DE CORRIENTE
Es la cantidad de electrones que pasan por un punto en un segundo. Imaginemos que pudiésemos contar los electrones que pasan por un punto de un circuito eléctrico en un segundo. Pues eso sería la Intensidad. Se mide en Amperios (A). Por ejemplo una corriente de 1 A (amperio) equivale a 6,25 trillones de electrones que han pasado en un segundo. ¿Muchos verdad?. La intensidad se mide con el amperímetro.
RESISTENCIA ELÉCTRICA
Los electrones, cuando en su movimiento se encuentran con un receptor (por ejemplo una lámpara), no lo tienen fácil para pasar por el receptor, porque les ofrecen una resistencia. Por el conductor van muy a gusto porque no les ofrece casi resistencia a moverse por el, pero pasar a través de los receptores es más difícil para ellos porque tienen resistencia.
Se llama resistencia a la dificultad que se ofrece al paso de la corriente.
Todos los elementos de un circuito tienen resistencia, excepto los conductores que se considera cero en muchos caso. Se mide en Ohmios (Ω). La resistencia se representa con la letra R.
Un óhmetro u ohmímetro es un instrumento para medir la resistencia eléctrica, pero en muchas ocasiones podemos utilizar el polímetro, aparato que mide tensiones, intensidades y resistencias.
Podemos medir la resistencia de un receptor o la resistencia entre dos puntos de una instalación.
Hay unos componentes eléctricos-electrónicos llamados resistencias que son componentes que se ponen en los circuitos precisamente para eso, para ofrecer más resistencia al paso de la corriente por donde están colocados en los circuitos. Si estos componentes tienen una resistencia que se pude variar de valor se llaman potenciómetros o resistores.
Para saber más sobre las resistencias te recomendamos este enlace Resistencia Eléctrica.
La potencia eléctrica la podemos definir como la cantidad de…….
¿Por qué? Pues porque depende del tipo de receptor que estemos hablando. Por ejemplo de una Lámpara o Bombilla sería la cantidad de luz que emite, en un timbre la cantidad de sonido, en un radiador la cantidad de calor. Se mide en vatios (w) y se representa con la letra P.
Una lámpara de 80w dará el doble de luz que una de 40w.
Por cierto, su fórmula es P=V x I (tensión en voltios, por Intensidad en Amperios).
La potencia eléctrica podríamos decir que es «La Cantidad de……».
La cantidad de…, dependerá del aparato eléctrico (receptor) al que no estemos refiriendo cuando hablamos de su potencia. No es lo mismo la potencia de una lámpara que la potencia de un motor. La fórmula para calcularla será la misma pero el concepto no.
Por ejemplo cuando hablamos de la potencia eléctrica de una lámpara o bombilla, nos referimos a la cantidad de luz que emite, si hablamos de la potencia eléctrica de un radiador eléctrico hablamos de su capacidad para dar calor, si es la potencia eléctrica de un motor será la capacidad de movimiento y fuerza del motor, etc.
Lógicamente una lámpara con más potencia, dará más luz, un radiador con más potencia, dará más calor y un motor con más potencia, tendrá más fuerza.
Se mide en vatios (w) aunque es muy común verla en Kilovatios (Kw). 1.000w es 1Kw de potencia. Para pasar de w a kw solo tendremos que dividir entre 1.000.
En la figura anterior la lámpara de 100w luce más que la de 60w porque tiene más potencia.
La fórmula de la potencia, en corriente continua, es P = V x I, potencia es igual a tensión a la que se conecta el receptor, por la intensidad que atraviesa el receptor. Por lo tanto la potencia depende de la tensión y de la intensidad.
En la mayoría de los aparatos eléctricos puedes ver su potencia en la placa de características que viene por la parte de atrás y pegada. A veces solo viene la tensión a la que se debe conectar y la intensidad que circula por el receptor, en este caso es fácil calcularla, solo tienes que multiplicar la V x I como ya explicamos.
Una potencia de la que se habla mucho es de la potencia contratada en las viviendas. Esta potencia es la máxima que podemos usar a la vez en nuestras casas, es decir si yo tengo contratado 3.330w de potencia en mi casa, quiere decir que puedo conectar aparatos a la vez cuya suma de sus potencias no exceda de estos 3.330w o la contratada. En caso de que fuera mayor la empresa suministradora nos cortaría la corriente mediante un ICP. Ojo conectados todos al mismo tiempo, no todos los que hay en mi casa.
¿Ha quedado claro el concepto de potencia? Espero que sí. Pasemos ahora a la teoría.
Teóricamente definiciones de potencia podrían ser:
«La relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo»
«Energía absorbida o entregada por un receptor en un tiempo determinado»
«La capacidad que tiene un receptor eléctrico para transformar la energía en un tiempo determinado».
Como ves en esta definición habla de transformar la energía, pero esta transformación puede ser energía eléctrica en luminosa, en mecánica, en calorífica, etc., depende del receptor. No te olvides que un receptor eléctrico transforma la energía eléctrica en otro tipo de energía.
Además aunque en la definición entra la palabra «tiempo», no te fíes, un receptor tendrá siempre la misma potencia, independientemente del tiempo, lo que cambiará con el tiempo será la energía que consuma.
Lógicamente la energía consumida dependerá del tiempo conectado y también de la potencia del receptor que conectemos. Su fórmula es muy sencilla E = P x t, potencia por tiempo conectado. ¡¡¡Pero la potencia es siempre la misma!!!
Vamos a ver como se calcula la potencia en corriente continua (c.c) y en corriente alterna (c.a). Si no tienes claro la diferencia entre un tipo de corriente y otra sería recomendable, no obligatorio, que antes pases por este enlace: corriente continua y alterna.
La corriente continua es la que tienen las pilas, las baterías y las dinamos. Todo lo que se conecte a estos generadores serán receptores de corriente continua.
Ya hemos dicho que para calcular la potencia en c.c. (corriente continua) se hace mediante la fórmula:
P = V x I = Tensión x Intensidad.
Cuando la tensión se pone en Voltios (V) y la Intensidad en Amperios (A), la potencia nos dará en vatios (w).
Como ves es muy sencillo
Veamos un ejemplo.
Calcula la potencia de un timbre que trabaja a una tensión de 12V y por el que circula una intensidad de 2mA.
Lo primero poner la V en voltios (ya esta) y la I en amperios (convertimos) 2mA (miliamperios) son 2/1000 Amperios, es decir 0,002ª
Ahora solo queda aplicarla fórmula P = 12V x 0,002A = 0,06w. Resuelto.
Hagamos otro. Una bombilla que conectamos a 220V tiene una intensidad de 0,45A. ¿Qué potencia eléctrica tiene?
P = 220V x 0,45A = 100w. Resuelto.
Si quieres aprender a resolver circuitos en c.a te recomendamos este enlace: Circuitos de Corriente Alterna, aquí solo hablaremos de potencias.
La corriente alterna es la que se genera en las centrales eléctricas, por eso todos los receptores que se conecten a los enchufes de las viviendas son de corriente alterna (c.a).
Aquí la potencia es un poco más compleja, ya que no solo hay una potencia, sino que hay 3 diferentes.
Potencia Activa = Pa = V x I x coseno ρ se mide en w (vatios)
Potencia Reactiva = Q = V x I seno φ; se mide en VAR (voltio amperios reactivos)
Potencia Aparente = S = V x I se mide en voltio amperios (VA)
Aquí puedes ver el triangulo de potencias para su cálculo y deducir sus fórmulas:
La potencia activa es la única de las 3 potencia que se transforma en energía útil, es decir es la potencia útil del receptor.
La potencia reactiva es una potencia perdida. Esta potencia es una potencia consumida por las bobinas y por los condensadores.
Tenemos 2 potencias reactivas, Ql (potencia reactiva inductiva) que será la potencia reactiva consumida por las bobinas para crear campos magnéticos y Qc (potencia reactiva capacitiva) potencia reactiva consumida por los condensadores para crear campos eléctricos. La suma vectorial de ambas será la potencia reactiva total como luego veremos en los ejemplos. Las dos son potencias perdidas, no sin realmente útiles.
La potencia aparente es la suma vectorial de las otras dos, es la potencia util más la potencia perdida.
Empecemos por la más importante, generalmente la que se conoce como potencia, la potencia activa, y dependiendo del tipo de receptor.
Potencia Activa
Esta potencia es la que se transforma en energía en los receptores, la que disipan por la parte de resistencia que tienen, la única que se transforma en energía útil. Solo esta potencia eléctrica se transforma en trabajo por el receptor. Esta es la que realmente nos da el dato de qué potente es el receptor y es la que viene expresada en las características de todos los receptores. Es por lo tanto la más importante. Se mide en vatios (w) igual que en c.c…
Como las señales eléctricas en c.a. son una onda sinodal, que varían con el tiempo, la fórmula de la potencia depende de la gráfica de la tensión y la intensidad, de cuanto se retrasa una de la otra, por eso se debe utilizar el ángulo a través de coseno del ángulo ρ (fi), ángulo de retraso de la onda de la tensión con respecto a la onda de la intensidad. Fíjate como son estos desfases en 3 circuitos puros, uno resistivo puro (resistencia pura), uno inductivo puro (bobina pura) y uno capacitivo puro (condensador puro):
La potencia activa se calcula con la siguiente fórmula:
Potencia Activa = V x I x coseno ρ
El coseno ρ también se conoce como «Factor de Potencia», es el ángulo de desfase entre la V y la I. Fíjate en los ángulos de desfases de la figura anterior. Según esto, tenemos para cada tipo de circuito:
Resistivo puro: La V y la I están en fase. ángulo de desfase 0º; coseno 0º = 1. El factor de potencia en receptores de resistencias puras es 1. Se llaman circuitos R.
Inductivo puro: La V está adelantada 90º respecto a la I. ángulo de desfase 90º, coseno 90º = 0; el factor de potencia es 0. Se llaman circuitos L.
Capacitivo puro: La V está atrasada 90º respecto a la I. ángulo de desfase -90º, coseno -90º = 0; el factor de potencia 0. Se llaman circuitos C.
Factor de potencia en Resistencias = 1, es decir siempre tendrá el valor 1 y la fórmula quedará igual que los receptores en c.c.. (al ángulo para que el coseno ρ se igual a 1 es el ángulo de 0º). Esto paso por que la Tensión y la Intensidad siempre están en fase, no se desfasan ningún ángulo (0º).
Por ejemplo una bombilla o un radiador eléctrico (resistencia eléctrica) serán receptores cuya potencia será la misma en c.c. que en c.a. por ser puramente resistivos, y por que su factor de potencia es 1.
Receptores que no solo son resistivos, el factor de potencia tomará otro valor.
La mayoría de los receptores tienen una parte resistiva y otra inductiva o capacitiva (incluso las 3), por eso el desfase entre la tensión y la intensidad estará en valores entre 0 y 1 (mayor que 0 y menor que 1). Los circuitos reales suelen ser circuitos RLC (con lo 3 componentes) o RL o RC.
Esto por ejemplo ocurre con los motores, transformadores de voltaje y la mayoría de los dispositivos o aparatos que trabajan con algún tipo de enrollado o bobina, el valor del factor de potencia se muestra siempre con una fracción decimal menor que “1” (como por ejemplo 0,8), que es la forma de indicar cuál es el retraso o desfase de la V con respecto a la I.
Veamos un ejemplo:
Calcula la potencia que desarrolla un motor eléctrico monofásico, cuyo consumo de corriente es de 10.4 ampere (A), posee un Factor de Potencia o Cos = 0.96 y está conectado a una red eléctrica de corriente alterna también monofásica, de 220 volt (V).
P=V x I x Cosφ = 220 x 10.4 x 0,96 = 2.196, 48 w o lo que es lo mismo 2,19648Kw.
Potencia Activa en Circuitos Inductivos y Capacitivos Puros (LC)
Los circuitos resistivos puros se llaman R, los inductivos puros L y los capacitivos puros C, por eso estos circuitos se llaman circuitos RLC (los 3 componentes), circuitos RC (resistivo y capacitivo) o circuitos RL (resistivos e inductivos).
Por la gráfica anterior, los circuitos L y C puros sabemos que su factor de potencia es 0, por lo tanto su potencia activa será 0, no tienen. Lógico se existiera la bobina o condensador puro no tendrían nada resistivo y la potencia activa es la debida a la resistencia. OJO esto solo es teoría en la práctica no existen los circuitos puros de este tipo.
En la teoría, solo en teoría, podríamos analizar un circuito que fuera inductivo puro, es decir una bobina pura, o un circuito capacitivo puro, un condensador puro. Los factores de potencia serían o, no tendrán potencia activa.
Factor de potencia receptor inductivo puro : coseno 90º = 0
Factor de potencia receptor capacitivo puro: coseno -90º = 0; ya que coseno (x) = coseno (-x)
Potencia Activa Circuito Inductivo y Capacitivo Puro = 0.
Decimos que solo en teoría porque en realidad una bobina no solo es una bobina, es un conductor enrollado y por lo tanto, además de inductivo, tiene un componente resistivo (tienen una resistencia). Lo mismo pasa con los condensadores, por eso cuando trabajamos con un circuito que tiene un condensador o una bobina su factor de potencia nunca será 1.
Potencia Activa
Como conclusión diremos que un circuito que tenga componentes RLC (resistivo, inductivo y capacitivo) tiene un factor de potencia que será mayor de 0 y menor de 1. Para calcular su potencia activa será:
Pactiva = V x I x Cosφ = w (vatios).
Potencia Reactiva
Es la potencia que solo tienen los circuitos que tengan parte inductiva o capacitiva (LC) y no se transforma en energía, no produce trabajo útil, por eso podemos considerarla incluso una pérdida. Se representa por la letra Q y su fórmula es:
Q = V x I seno φ; se mide en VAR (voltio amperios reactivos)
Potencia Aparente
Es la suma vectorial de las potencias activa y reactiva. Se representa por la letra S y su fórmula es:
S = V x I se mide en voltio amperios (VA)
Recuerda siempre el llamado triángulo de potencias en c.a.
Como ves las potencias en c.a. se representan por vectores. Podríamos calcular una potencia teniendo las otras 2 simplemente aplicando Pitágoras en el triangulo. Por ejemplo:
P = S x cosen φ; o lo que es lo mismo P = V x I x cose φ. (recuerda S = V x I).
Q = S x seno φ; o lo que es lo mismo Q = V x I x seno φ.
Creo que con esto es suficiente para entender las potencias eléctricas.
Si queremos mejorar la potencia útil en un circuito, lo que debemos es disminuir la potencia reactiva. A la vista de lo explicado antes esto lo podemos conseguir aumentando la potencia reactiva capacitiva mediante condensadores en paralelo. Con esto conseguimos reducir el ángulo φ. Ya sabemos que al coseno φ se le llama factor de potencia, pues lo ideal es que el coseno φ = 1 ( φ = 0), ya que todo sería potencia útil.
Un coseno φ = 0,95 es más eficiente que un coseno φ = 0,85 en un circuito con receptores.
Poniendo en paralelo con el receptor un condensador o varios, dependen si es monofásico o trifásico, mejoramos el factor de potencia. Veamos cómo se conectaría:
Hay una cosa que tenemos que saber en corriente alterna. La Resistencia R en ohmios es a los circuitos resistivos, lo que sería la L Inductancia en los inductivos o lo que sería la C capacidad en los capacitivos. La L se mide en henrios H (normalmente mH mili henrios), la C se mide en Faradios (normalmente en microfaradios).
La Resistencia Total en este tipo de circuitos se llama Impedancia y se representa por Z. Es el conjunto de la Resistencia, la inductancia y la capacidad y se mide en ohmios. Pero para aprender este mejor visita:
Circuitos de Corriente Alterna.
En la parte de abajo de la página tienes un enlace a ejercicios resueltos en corriente alterna, para que una vez estudiados puedes ver como se resuelven este tipo de ejercicios.
Los receptores eléctricos, motores, lámparas, etc., cuando se conectan en un circuito de corriente alterna (c.a.), se pueden comportar de 3 formas diferentes.
Como Receptores Resistivos puros. Solo tienen resistencia pura. Se llaman receptores R o Resistivos.
Como Receptores Inductivos puros. Solo tienen un componente inductivo puro (bobina). Se llaman L o inductivos.
Como Receptores Capacitivos puros. Solo tienen un componente capacitivo (condensadores). Se llaman C o capacitivos.
En realidad no hay ningún receptor R, L o C puro, ya que por ejemplo la bobina, al ser un conductor tendrá una resistencia, y por lo tanto, también tendrá un componente resistivo, por lo que realmente será un receptor RL, aunque para su estudio lo consideramos un receptor ideal inductivo o L.
Un motor eléctrico tiene un bobinado con componente L, pero también esta bobina o bobinado, por ser un cable, tiene una parte resistiva, por lo tanto será un receptor RL. Incluso el motor también tiene una parte capacitiva, por lo que realmente será un receptor RLC.
Aunque no tengamos receptores puros R, L o C, para su estudio es mejor estudiar el receptor con sus componentes R, L o C puros por separado. Por ejemplo un ejercicio de una bobina conectada en c.a se resuelve calculando por un lado su parte resistiva pura (R) y por otro lado su parte inductiva pura (L) como si fueran 2 receptores puros, uno R y otro L diferentes, aunque realmente sea solo uno. En el caso de un motor sería como 3 receptores, aunque el motor solo sea uno.
Por este motivo es importante saber resolver los circuitos eléctricos en corriente alterna en función del tipo de receptor puro que tengamos por separado. Si tuviéramos receptores puros, tendríamos 3 tipos de circuitos, dependiendo el receptor.
Circuitos R, solo resistencia.
Circuitos L, solo bobina.
Circuito C, solo condensador.
Aunque como ya vimos los circuitos reales serian RL, RC o RLC.
Primero estudiaremos como serían estos 3 circuitos puros por separado y luego veremos cómo serían los circuitos RL, RC y RLC reales.
Consideraciones Previas
Antes de empezar a ver como son y cómo se resuelven los circuitos en corriente alterna, es necesario tener claro unos conceptos previos que aquí vamos a ver.
Si no estas familiarizado con la diferencia entre c.a. y c.c lo mejor es que antes veas este enlace: Corriente Continua y Alterna, en el que verás la diferencia entre una y otra. Además también puedes ver la generación de la corriente alterna mediante alternadores en: Generadores Eléctricos.
Imaginando que ya conoces la c.a., lo primero que hay que tener en cuenta es que en c.a. las ondas de las tensiones y las intensidades son ondas senoidales y están desfasadas, es decir cuando empieza la onda de la tensión, la onda de la intensidad empieza más tarde o mas temprano (excepto en los resistivos que están en fase, como luego veremos).
Si te fijas en la gráfica de arriba la onda de la tensión está adelantada 30º respecto a la onda de la intensidad (empieza antes la onda). Esto es lo que hace a los circuitos en alterna diferentes a los de corriente continua (c.c.).
Es por esto que las tensiones, intensidades, etc. deben de tratarse como vectores, en lugar de números enteros.
Este ángulo de desfase se llama ρ (fi) y el cose ρ se conoce como factor de potencia (mas adelante lo veremos).
Los valores instantáneos que desarrolla una función senoidal, como la de las ondas de corriente alterna, coinciden con los valores del cateto vertical del triángulo que describe un vector giratorio, que llamamos fasor, con lo que se deduce que una magnitud senoidal en un instante cualquiera se puede representar mediante un fasor equivalente. Fíjate en la siguiente imagen:
El valor en ese instante será un vector que tendrá un valor (módulo del vector) determinado por v = Vm x seno ρ; y cuyo ángulo será ρ.
Si la onda de la tensión y la intensidad en corriente alterna son senoidales podemos representarlas mediante su vector giratorio, llamado «fasor». Estos vectores nos permiten hacer los cálculos en los circuitos de corriente alterna, aunque en realidad son ondas senoidales.
Imagina que la tensión es una onda senoidal y la intensidad otra onda senoidal desfasada (retrasada) 30º respecto a la onda de la tensión (el ejemplo de más arriba).
Representamos las dos ondas con 2 fasores, el fasor de la tensión un instante determinado cuando la tensión está en el ángulo ρ = 0º (para t = 0), entonces el fasor de la intensidad en ese instante estará 30º retrasada.
Siempre tomamos un fasor en el ángulo 0º y los demás con su ángulo de desfase en ese momento.
Vamos a expresar la ecuación v = Vm x seno ρ; en lugar de ponerla con el ángulo ρ, en función de la velocidad angular w.
La velocidad angular, poniendo el ángulo recorrido (espacio) en radianes, será:
w = espacio/tiempo; cuando la onda ha recorrido una vuelta completa tendremos que el espacio recorrido será de 2∏ radianes, y el tiempo que ha tardada en dar una vuelta es lo que llamamos el periodo = T.; por lo que:
w = espacio/tiempo = 2∏ radianes/T; como el perido es la inversa de la frecuencia T = 1/f, tenemos que:
w = 2∏f. Unidad en radianes/segundo.
Si queremos saber el ángulo recorrido por la onda en función de w, será el espacio en la fórmula anterior, o lo que es lo mismo:
Espacio = ρ = tiempo x w = wt.
Según esto la fórmula del valor instantáneo de una onda senoidal será:
v = V x seno ρ = Vo x seno wt; donde Vo es el valor máximo, la mayoría de las veces se expresa con Vo en lugar de Vm.
Si otra onda, con igual valor máximo, está retrasada o adelantada un ángulo Φ, entonces la v será:
v = V x seno ρ + Φ = Vo x seno (wt + Φ)
En todos los circuito la tensión o intensidad en un punto determinado en el tiempo (tensión instantánea intensidad instantánea) es:
v = Vo x sen wt
i = Io x sen wt
Fíjate que aquí las tensiones y las intensidades en un tiempo determinado (en un instante concreto) se ponen en minúsculas. Siendo w la velocidad angular y Vo e Io la tensión máxima e Intensidad máxima (valores en la cresta de la onda); v e i son los valores instantáneas de la tensión y de la intensidad y t es el tiempo concreto en el que queremos medir el valor de la v o la i.
La velocidad angular, w, se calcula de la siguiente forma:
w = 2∏f (2 por pi por frecuencia de la onda); w se mide en radianes/segundo (ra/se);
w es la velocidad de la onda, pero como es senoidal, es velocidad angular. También se puede llamar frecuencia angular. Para saber más sobre la velocidad y frecuencia angular visita el siguiente enlace: Desplazamiento Angular.
Dado que el valor más representativo de una magnitud eléctrica senoidal es su valor eficaz (V), recordamos que V = Vmáx / √2. Como en la ecuación de una onda tenemos el valor máximo, si queremos calcular el valor eficaz sería:
Vmáx = Vo = Veficaz x √2
Recordamos también que es España y Europa la frecuencia de las ondas en c.a. es siempre fija y es de 50Hz (hertzios). Esto quiere decir que la onda de la tensión o de la intensidad recorren (dibujan) un ciclo de la onda completo 50 veces en un segundo.
Los valores eficaces de la tensión y de la intensidad son los más utilizados, y son los que se cogen como referencia normalmente. Son valores fijos que son una media de todos los valores que puede tener la onda. Por ejemplo, la tensión en las viviendas se dice que es de 220V, pero ya sabemos que esta tensión al ser alterna será variable con el tiempo y no fija, pero los 220V sería la tensión eficaz (media de todos los valores de las tensiones en la onda). Es absurdo utilizar valores instantáneos en la vida real, por eso los eficaces son los más importantes realmente. Los valores eficaces además de ser una media, eléctricamente se definen como:
Valor eficaz es el valor que debería tener en corriente continua para que produjera el mismo efecto sobre un receptor en corriente alterna.
Exactamente el valor eficaz de la intensidad es I = Io / √2 (en monofásica, en trifásica es dividido entre raíz de 3)
La tensión eficaz, según la ley de ohm, es V = I/Z; intensidad eficaz partido por la impedancia (luego hablaremos de ella)
Ahora que ya tenemos claro estos conceptos previos, comenzamos analizar los diferentes circuitos en corriente alterna.
Las potencias en alterna son 3 diferentes.
Potencia Activa Pa = V x I cose ρ; esta es la única que da trabajo útil, la realmente transformada. Se mide en Vatios (w). Es la tensión eficaz, por la intensidad eficaz, por el coseno del ángulo que forman.
Potencia Reactiva S = V x I seno ρ ; esta es como si fuera una potencia perdida, cuanto menor sea mejor. Se mide en voltio amperios reactivos (VAR)
Potencia Aparente Q = V x I; se mide en voltio amperios (VA).
En cuanto a las potencias en alterna no estudiaremos más ya que si quieres ampliar vete a este enlace: Potencia Eléctrica, donde se explican más detalladamente.
Impedancia en Corriente Alterna
La oposición a la corriente en corriente alterna se llama Impedancia. Por ejemplo en un circuito puramente resistivo la impedancia (Z) es su resistencia R, pero en un circuito inductivo puro (bobina) la oposición que ejerce la bobina a que pase la corriente por ella se llama reactancia inductiva (Xl) y en uno capacitivo (condensador) se llama reactancia capacitiva (Xc). Estos valores dependen de un coeficiente de autoinducción llamado L, en el caso de las bobinas y de la capacidad (C) en el caso de los condensadores:
R = resistencia en circuitos resistivos puros.
XL = L x w = reactancia inductiva. Se mide en ohmios. L se mide en Henrios y es el coeficiente de autoinducción de la bobina.
Xc = 1/(C x w) = reactancia capacitiva. Se mide en ohmios. C es la capacidad del condensador y se mide en Faradios.
w es la velocidad angular vista anteriormente.
Cuando tenemos un circuito mixto, RL, RC o RLC, la oposición al paso de la corriente vendrá determinada por la suma vectorial de estos 3 valores, y se le llama impedancia (Z). Luego veremos para cada caso su valor, pero de forma general, y según la ley de ohm:
Z = V / I = impedancia. Se mide en ohmios.
CIRCUITOS R
Solo están compuesto con elementos resistivos puros. En este caso la V y la I (tensión e intensidad) están en fase, o lo que es lo mismo, las ondas empiezan y acaban a la vez en el tiempo. Por estar en fase se tratan igual que en corriente continua. Esto en c.a. solo pasa en circuitos puramente resistivos (solo resistencias puras).
En receptores resistivos puros la impedancia es R. Luego veremos mejor que es realmente la impedancia. Si te fijas lo único que hacemos es aplicar la Ley de Ohm. V = I x R.
La potencia será P = V x I. (el cos 0º = 1), solo hay potencia activa y se llama igualmente P. Recuerda que en este caso el ángulo de desfase es 0 grados, ya que están en fase las dos ondas.
Las tensiones e intensidades instantáneas serán:
v = Vo x seno wt
i = Io x sen wt
CIRCUITOS L
Son los circuitos que solo tienen componente inductivo (bobinas puras). En este caso la V y la I están desfasadas 90º positivos. En estos circuitos en lugar de R tenemos Xl, impedancia inductiva. La Xl es algo así como la resistencia de la parte inductiva. Para calcularla es importante un valor llamado inductancia (L) que solo poseen las bobinas puras. L será la inductancia y se mide en henrios, al multiplicarla por w (frecuencia angular) nos dará la impedancia inductiva.
Si consideramos la XL como la resistencia (resistencia inductiva), aplicando la Ley de Ohm generalizada, los valores eficaces son:
I = V/wL e I V/Xl siendo Xl = w x L.El valor de la tensión en cualquier momento (instantánea) sería:
v = Vo x sen wt ; donde Vo es el valor máximo de la tensión, w frecuencia angular y t el tiempo.
Para la intensidad instantánea recuerda que la I está retrasada 90º respecto a la tensión. Si wt es el ángulo para la tensión, como la intensidad está retrasada 90º respecto a la tensión, tenemos que la intensidad instantánea será:
i = Io x seno (wt – 90º)
CIRCUITOS C
Este tipo de circuitos son los que solo tienen componentes capacitivos (condensadores puros). En este caso la V y la I están desfasadas 90º negativos (la V está retrasada en lugar de adelantada con respecto a la I). La Xc será la impedancia capacitiva, algo parecido a la resistencia de la parte capacitiva.
Los valores eficaces, considerando la resistencia Xc (resistencia capacitiva) y aplicando la ley de ohm generalizada son:
I = V/Xc e I = V/Xc; siendo Xc = 1/wC.
El valor de la tensión en cualquier momento sería:
v = Vo x sen wt; donde Vo es el valor inicial de la tensión, w frecuencia angular y t el tiempo.
Igualmente la intensidad:
i = Io x seno (wt + 90º), recuerda que la I está adelantada 90º.
Si quieres saber todo sobre los condensadores te recomendamos este enlace: Condensador.
Ahora que ya sabemos cómo se resuelven los circuitos de corriente alterna con receptores puros, veamos cómo se resuelven cuando son una mezcla de varios puros. En este caso tenemos varias posibilidades, RL, RC y RLC.
Recuerda los ángulos de desfase en cada caso:
CIRCUITO RL EN SERIE
Por ser un circuito en serie, la intensidades por los 2 receptores serán las mismas, y las tensiones serán la suma de las 2 tensiones, pero OJO, suma vectorial.
si consideramos que la intensidad está en ángulo 0, la tensión de la resistencia estará en fase, pero la de la bobina estará adelantada 90º respecto a la intensidad del circuito y por lo tanto 90º adelantada respecto a la tensión de la resistencia también.
Podriamos dibujar las 3 tensiones en lo que se llama el triángulo de tensiones:
De este triángulo podemos deducir muchas fórmulas, solo tenemos que aplicar trigonometría.
Si ahora dividimos todos los vectores del triángulo entre la intensidad, nos queda un triángulo semejante pero más pequeño, que será el llamado triángulo de impedancias.
Por trigonometría podemos deducir varias fórmulas de este triángulo, como puedes ver en la imagen.
¿Que pasaría si en el triángulo de tensiones multiplicamos todas las tensiones por la intensidad? Pues que tendríamos el llamado triángulo de potencias, un triángulo semejante al de tensiones pero con valores mayores de los vectores.
De este triángulo, igual que con los demás, podemos deducir varias fórmulas por trigonometría.
Veamos un ejercicio sencillo y muy típico de un motor de corriente alterna:
Veamos cómo sería si la impedancia la tratáramos como un número complejo. Como en el componente resistivo la i y la v están en fase, el ángulo de desfase depende de la cantidad de componente inductivo que tenga.
Z = R + Xlj , como Xl= w x L (frecuencia angular por inductancia) podemos decir también Z = R + (w x L) j
¿No sabes lo que es un número complejo? No te preocupes, es muy fácil aprender a trabajar con ellos, y para estos circuitos nos facilita mucho el trabajo.
Un número complejo (Z) en los circuitos eléctricos, lo utilizamos para representar con el llamado triángulo de impedancias:
Z = R + Xj; fíjate que a la parte X del número complejo (representada en el triángulo como un cateto) se le pone un j para representar el número complejo. Ya está, así de fácil es un número complejo, lo que realmente representa un número complejo es un triángulo (hipotenusa y sus dos catetos). Sigamos con nuestro circuito.
En los circuitos de corriente alterna el número complejo representa la impedancia del circuito (hipotenusa, Z), la resistencia de la parte resistiva pura (cateto R) y la diferencia (resta vectorial) entre la impedancia inductiva y la capacitiva (X = Xl – Xc), esta última con la letra j. A la X se le llama Reactancia.
En los circuitos RL no tenemos Xc, por lo que X sería igual a Xl, si tuviéramos Xc (parte capacitiva), X sería (Xl-Xc) una resta de los dos vectores, como en nuestro caso no tenemos Xc, entonces X = Xl.
Según este triángulo podemos convertir el número complejo en número natural con la siguiente fórmula (por Pitágoras):
Z2 = R2 + Xl2 Podríamos despejar Z para calcularla.
La intensidad sería I = V / Z, que en instantánea quedaría:
i = (Vo x seno wt) / (R + wLj) en complejo. Podemos convertirlo en eficaz sustituyendo la Z por la raíz
Cuadrada de (R + wL).
Los valores eficaces serían V = I /Z o I = V/Z.
CIRCUITO RC
Este es igual solo que ahora tenemos Xc en lugar de Xl. Recuerda que Xc = 1/wC. La intensidad será la misma en el circuito por estar los dos componentes en serie, pero la tensión será la suma. La diferencia con el anterior es que la tensión del condensador estará retrasada 90º con respecto a la intensidad, no adelantada como con la bobina. Tendremos los mismos triángulo, pero boca abajo.
Además, si trabajamos con números complejos tenemos: Xc = 1/(wCj) y por lo tanto Z = R + 1/(wCj) en número complejo. Pero si hacemos el triangulo de impedancias en este caso la Z en número natural sería:
Z2 = R2 + (1/(wC))2
Ves que es igual pero sustituyendo Xl por Xc que es 1/wC, en lugar de Xl que es wL.
Ahora vamos analizar los circuitos RLC que son los más interesantes:
CIRCUITOS RLC
Son los circuitos más reales. Fíjate que si te acostumbras hacer todo con los triángulos de impedancias, de tensiones y de potencias es mucho más fácil.
Ya vimos los circuitos en serie más característicos en corriente alterna y cada tipo de receptor, Resistivo (R), Inductivo (L) y Capacitivo (C). Si no lo viste, o no sabes resolver circuitos en serie de corriente alterna, te recomendamos que antes de seguir veas:
Es muy importante para poder entender los circuitos con receptores en paralelo y mixtos.
En las instalaciones eléctricas, tanto domésticas como industriales o comerciales, los distintos receptores se conectan todos a la misma tensión, o lo que es lo mismo en conexión paralelo.
Veamos las características de los circuitos y receptores conectados en paralelo.
Conexión Paralelo en Alterna
Podemos ver más abajo dos formas diferentes de representar circuitos en paralelo, como puedes ver a continuación. Los receptores 1, 2, 3… Pueden ser una resistencia pura (resistivo), una bobina pura (inductivo) o un condensador (capacitivo) o una mezcla de los 3 receptores.
– En los circuitos en paralelo las tensiónes de todos los receptores (o ramas) son la misma. Imaginemos que en cada rama tenemos solo un receptor, entonces:
– V1 = V2 = V3….
– La intensidad en paralelo es la suma de las intensidades en cada rama, pero OJO, al ser en corriente alterna, será la suma vectorial, ya que la intensidad que atraviesa una resistencia está en fase con la tensión, pero la intensidad que atraviesa una bobina está retrasada 90º y la que atraviesa un condensador adelantada 90º respecto a la tensión (como vimos en circuitos en serie).
Si ponemos todas las tensiones en ángulo 0º, ya que son las mismas en paralelo (VR = VL = VC = Vt = V) y ahora colocamos las intensidades, nos quedaría la intensidad de una resistencia en ángulo 0, la de la bobina retrasada 90º respecto a la intensidad de la resistencia y la intensidad del condensador adelantada 90º respecto a la de la resistencia. Si lo comparas con las tensiones en serie es justo al contrario.
It = I1 + I2 + I3….Pero OJO ¡¡¡SUMA VECTORIAL DE LAS INTENSIDADES!!!. El ángulo de desfase de cada intensidad respecto a la tensión, dependerá del tipo de receptor que sea, como ya vimos en serie.
– Los circuitos en paralelo tienen el triángulo de intensidades, los de serie el de tensiones.