Circuitos Electricos Cc

CIRCUITOS ELÉCTRICOS CORRIENTE CONTINUA En la actualidad, gracias al avanzado estado de la tecnología, disponemos de un gran número de máquinas que nos facilitan los trabajos y mejoran nuestra calidad de vida. Basta pensar en ascensores, automóviles, trenes, electrodomésticos, computadores, etc., para darnos cuenta de esta realidad. Todas estas máquinas y sistemas, para funcionar, necesitan energía que, por lo general, se producirá en un lugar alejado del de consumo. La transmisión de energía eléctrica desde un lugar a otro se realiza mediante una serie de elementos que forman un circuito eléctrico. 1. CIRCUITOS ELÉCTRICOS. GENERALIDADES. Los circuitos eléctricos deben entenderse siempre como cerrados; es decir, los electrones, como partículas portadoras e carga eléctrica, deben recorrer un camino de ida desde el generador (o centro de producción de corriente) hasta el receptor (o centro de consumo); y otro de retorno, desde éste a aquél. Entre todos los componentes de un circuito eléctrico, los generadores se encargan de transformar la energía de entrada al circuito para poner en movimiento las cargas eléctricas, por lo que se consideran elementos activos del circuito. Los demás componentes del circuito son elementos pasivos: receptores, elementos de control y protección. En este tema, se estudiarán detenidamente las características de los componentes de un circuito eléctrico básico. 2. GENERADORES ELÉCTRICOS. Por generador se entiende la máquina capaz de transformar una energía en energía eléctrica, es por tanto, el elemento activo del circuito. Dependiendo de cómo generen la energía eléctrica se dividen en: o Estáticos:  Pilas.  Baterías.  Células fotovoltaicas. o Dinámicos:  Dinamos. Vamos a describir cada uno de los generadores a continuación. 2.1. PILAS Y BATERÍAS Generan corriente continua, y su fundamento consiste en la reacción química que tiene lugar en su interior. Esta reacción química por medio del electrolito, desprende electrones de la placa positiva que caminan hacia la placa negativa. De esta forma, se establece un flujo de electrones que da como resultado una corriente eléctrica. 1

El comportamiento de una batería es el mismo que el de una pila, con la diferencia de que ésta permite, una vez agotada, ser recargada de nuevo. El material con que se fabrican las placas de una batería es, generalmente, peróxido de plomo para las placas positivas y plomo para las placas negativas. Estas placas, entrelazadas y separadas por un aislante, se introducen en la caja de la batería y se sumergen en un electrolito compuesto a base de ácido sulfúrico. CARACTERÍSTICAS Las características más importantes de las pilas y baterías son: Resistencia interna: Las pilas internamente transportan electrones desde el polo positivo hasta el negativo (a través del electrolito), gracias a su energía interna. Este electrolito ofrece, una resistencia al paso de la corriente, que se denomina resistencia interna (r). Este valor es constante para cada pila o batería. Capacidad: Es la cantidad de electricidad que puede suministrar la pila o la batería en una descarga completa. Se mide en amperios hora (Ah) o miliamperios hora (mAh). La capacidad depende de las dimensiones y materiales con los que esté fabricada. Fuerza electromotriz (e): Es el voltaje que hay entre sus bornes cuando está en circuito abierto. Cuando el circuito al que está conectada está cerrado, la tensión en los bornes (V) disminuye y es igual a: V = e - (r · I), donde I = e / (R + r). 2.2. CÉLULA FOTOELÉCTRICA La célula fotoeléctrica constituye un elemento de generación de corriente continua muy utilizado en aquellos sitios donde no existen líneas eléctricas. La célula está formada por silicio cristalino con un alto grado de pureza. Cuando recibe el impacto de un rayo de luz (fotón), los electrones de sus últimas capas se ponen en movimiento y, como consecuencia, originan una corriente eléctrica. Esta técnica está en constante investigación para conseguir abaratar la tecnología de fabricación de las células, a la vez que el voltaje que se consigue es más grande. Hoy en día una célula de 10 cm de diámetro alcanza un voltio en corriente continua. La agrupación de varias células forma un panel fotovoltaico. Suelen estar acopladas en serie, para obtener la suma de sus voltajes. 2.3. GENERADORES DE C.C. ELECTROMAGNÉTICOS. DINAMOS. Los dos principios fundamentales de todo generador dinámico son: Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve de tal forma que corta líneas de flujo magnético, se genera en él una fuerza electromotriz (f.e.m.). Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro de un campo magnético, se produce una fuerza mecánica que tiende a mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.

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El generador de corriente continua más conocido recibe el nombre de dinamo. Estos generadores son máquinas eléctricas rotativas que transforman la energía mecánica de rotación de un eje en energía eléctrica, siendo la corriente obtenida continua. Se basan en el fenómeno conocido como inducción electromagnética, que consiste en la aparición de una corriente (inducida) en un conductor que se mueve en el interior de un campo magnético cortando líneas de fuerza. 2.4. ACOPLAMIENTOS A veces suele ocurrir que en un mismo circuito hay acoplado más de generador. El resultado final dependerá de la forma del acoplamiento. En un circuito eléctrico sencillo, los generadores se pueden acoplar de tres formas: En serie: El polo positivo de un generador se conecta con el negativo del siguiente. La fuerza electromotriz de la agrupación de generadores es la suma de las fuerzas electromotrices de cada uno. Si alguno está al revés, se resta. V = V1 + V2 + V3 En paralelo: Todos los positivos se unen entre sí, por un lado, y todos los negativos se unen, también por el otro. Solamente se pueden acoplar generadores que produzcan la misma fem. el voltaje del conjunto es igual al voltaje de uno de ellos. V = V1 = V2 = V3 Mixto: La fuerza electromotriz de cada una de las series debe ser igual al resto. Su valor será igual al que proporcione una cualquiera de las series. 2.5. GENERADORES DE CORRIENTE Además de los generadores de tensión, existen también generadores de corriente. Suministran corriente eléctrica de una determinada intensidad. 3. RESISTENCIAS ELÉCTRICAS. En los circuitos eléctricos se utilizan conductores de baja resistencia para evitar el efecto Joule. Pero, en ocasiones, es necesario aumentar la dificultad al paso de la corriente en alguna rama del circuito o crear resistencias adicionales para proteger un receptor de sobrecargas. Para ello, se intercalan en el circuito componentes denominados genéricamente resistencias. Según el tipo de dificultad que oponen al paso de la corriente, las resistencias se clasifican en tres tipos: fijas, variables y dependientes. 3.1. RESISTENCIAS FIJAS Las resistencias fijas tienen un valor constante, dentro de unos márgenes de tolerancia. Tanto su valor como la tolerancia se indican mediante un código de colores impreso sobre la cápsula de protección. Según su forma de construcción, distinguimos las siguientes: Aglomeradas: Están constituidas por una mezcla de grafito, resina y talco en proporciones adecuadas. A la mezcla se le da forma cilíndrica y en sus extremos 3

se colocan unos casquillos a los que van soldados los terminales. El conjunto se recubre de una capa plastificada de protección. Suelen ser resistencias de valores altos y térmicamente inestables; es decir, si se calientan demasiado puede cambiar el valor de su resistencia de forma permanente. De película de carbón: Se construyen a partir de un pequeño cilindro cerámico aislante que se recubre de una película de carbón. Sobre esta película se practican unos surcos de forma helicoidal, con lo que se consigue una pista de longitud y anchura determinadas para conseguir el valor de resistencia deseado. El conjunto también va recubierto de una película protectora. Son las más empleadas en la actualidad debido a su gran estabilidad térmica. De película metálica: Se fabrican del mismo modo que las de película de carbón, sólo que ésta se sustituye por una aleación a base de cromo. De gran estabilidad térmica, se emplean cuando se necesita una gran seguridad de funcionamiento. Bobinadas: Sobre un soporte aislante, habitualmente de porcelana, se enrolla un hilo conductor de una aleación de alta resistividad, como el nicrom o el constantán. El conjunto se recubre de una capa de esmalte. Se utilizan en circuitos de gran potencia. 3.2. RESISTENCIAS VARIABLES. Las resistencias variables se caracterizan porque en ellas se puede regular su valor óhmico dentro de los márgenes previstos. Se las denomina también potenciómetros o reostatos y pueden ser de película de carbón o bobinadas: De película de carbón: La película de carbón se deposita en un soporte circular sobre el que se desliza un cursor. Al variar la posición del cursor, se modifica el valor de la resistencia. Bobinadas: Se arrolla el hilo conductor alrededor de un soporte cerámico y se vitrifica el conjunto, excepto la zona por donde se desliza el cursor. Cuando éste se mueve, intercepta más o menos espiras y se modifica así el valor de la resistencia. 3.3. RESISTENCIAS DEPENDIENTES. Las resistencias dependientes están constituidas por materiales semiconductores cuyo valor óhmico varía en función de diferentes características. Según éstas, se distinguen las siguientes: Dependientes de la luz: Conocidas como LDR. Su resistencia aumenta en la oscuridad y disminuye al incidir sobre ellas la luz. Dependientes de la temperatura: Pueden ser de dos tipos: NTC y PTC. En las NTC, la resistencia disminuye al aumentar la temperatura. En las PTC, la resistencia aumenta al ascender la temperatura. Dependientes de la tensión: Se conocen bajo las siglas VDR. Su resistencia disminuye al aumentar la tensión a la que están sometidas. 4

3.4. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS CONEXIÓN EN SERIE V

Dos o más resistencias están conectadas en serie cuando el final de cada una de ellas va unido al principio del siguiente. Las características fundamentales son:

R1

R2

R3

I V1

V2

V3

La intensidad de corriente (I) es la misma en todas las resistencias. La diferencia de potencial entre los extremos (V) es la suma de las tensiones parciales de cada uno de los elementos: V = V1 + V2 + V3 Si aplicamos la ley de Ohm, tendremos: V = V1 + V2 + V3 = I·R1 + I·R2 + I·R3 = I · (R1 + R2 + R3) En consecuencia, la resistencia equivalente (R eq) de un conjunto de resistencias conectadas en serie es igual a la suma de las resistencias individuales: Req = R1 + R2 + R3 CONEXIÓN EN PARALELO Dos o más resistencias de un circuito están conectadas en paralelo cuando todos sus orígenes se conectan a un mismo punto y todos sus finales a otro.

R1 I1

I

I2

I3

Las características de las magnitudes fundamentales de este tipo de circuitos son las siguientes:

R2 R3

V

La intensidad de corriente (I) que recorre el circuito es la suma de las intensidades parciales de cada una de las resistencias: I = I1 + I2 + I3 La diferencia de potencial entre los extremos (V) es la misma entre los extremos de cada resistencia. Si aplicamos la ley de Ohm, tendremos: I = I1 + I2 + I3= (V/R1) + (V/R2)+ (V/R3)= V · [(1/R1) + (1/R2) + (1/R3)] En consecuencia, la inversa de la resistencia equivalente (Req) es igual a la suma de las resistencias individuales: 1/Req = (1/R1) + (1/R2) + (1/R3) CONEXIÓN MIXTA Este tipo de circuitos está constituido por resistencias conectadas entre sí de diferentes formas, en serie y en paralelo. El análisis de un circuito mixto requiere distinguir las partes conectadas en serie y las conectadas en paralelo. En cada caso, deberán aplicarse las características descritas en los apartados anteriores.

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4. CONDENSADOR ELÉCTRICO Por condensador se entiende un dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica en superficies relativamente pequeñas. Consta de dos placas metálicas, o armaduras, separadas por una sustancia no conductora (dieléctrico). Una de las armaduras se conecta a uno de los bornes de un generador (armadura inductora), y la otra (armadura inducida) a masa. Conviene saber que un condensador, estudiado globalmente, es un elemento eléctricamente neutro. Quiere esto decir que las dos armaduras poseen el mismo valor de carga: una de ellas positiva, y la otra negativa. Se llama carga de un condensador a la que existe en cualquiera de sus armaduras. La carga almacenada en un condensador es directamente proporcional al valor de la tensión que existe entre sus armaduras, cumpliéndose: Q=C·V Donde C representa la llamada capacidad del condensador, cuyo valor se expresa en faradios (F). Un condensador tiene la capacidad de 1 faradio cuando, al someter sus armaduras a la tensión de 1 voltio, en cada una de ellas se almacena una carga de 1 culombio. 4.1. TIPOS DE CONDENSADORES Condensador de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utiliza en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas. Condensador de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos. Condensador electrolítico. El dieléctrico es una disolución electrolítica que ocupa una cuba electrolítica. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante muy fina sobre la cuba, que actúa como una armadura y el electrolito como la otra. Consigue capacidades muy elevadas, pero tienen una polaridad determinada, por lo que no son adecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo una corriente en el electrolito que aumenta la temperatura, pudiendo hacer arder o estallar el condensador. Existen de varios tipos: de aluminio, de aluminio seco y de tantalio. Condensador de poliéster. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos.

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Condensador styroflex. Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por responder bien en altas frecuencias y ser uno de los primeros tipos de condensador de plástico. Condensador cerámico. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas. Condensador variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que gira el eje. Condensador de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta. 4.2. ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES

Al igual que las resistencias, los condensadores pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie: 1/Ceq = (1/C1) + (1/C2) + (1/C3) Y para la asociación en paralelo: Ceq = C1 + C2 + C3

4.3. EFECTO DEL CONDENSADOR EN CORRIENTE CONTINUA. Cuando un condensador se carga conectándolo a un generador, o una vez cargado se descarga a través de una resistencia, se modifica la tensión en sus armaduras; lo que conlleva a una recepción o a una cesión de carga. Ahora bien, si la tensión entre armaduras es constante no se producirá carga o descarga alguna, es decir, no habrá paso de corriente. Entonces: En los circuitos de corriente continua, al existir una tensión constante en las armaduras del condensador, no habrá paso de corriente y, por lo tanto, el condensador actúa como un elemento de resistencia infinita (circuito abierto). 5. BOBINA ELÉCTRICA. Una bobina o solenoide consiste en un conductor arrollado en espiral sobre un núcleo neutro (no conductor), frecuentemente de material magnético.

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Es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. La bobina o inductor al ser recorrido por una corriente eléctrica provoca una fuerza electromotriz opuesta a la que ha generado esa corriente, llamada fuerza contraelectromotriz, y cuyo valor se define: f.c.e.m. (e) = - L · I donde, L es la inductancia, e es la fuerza contraelectromotriz e I la intensidad de corriente que circula. La inductancia o coeficiente autoinductor (L) se mide en Henrios (H). La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede demostrar que la energía, E, almacenada por una bobina con inductancia L, que es recorrida por una corriente de intensidad I, viene dada por:

E = ½ L · I2 5.1. ASOCIACIÓN DE BOBINAS

Al igual que las resistencias, las bobinas pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, y siempre que no exista acoplamiento magnético, la inductancia equivalente que resulta ser para la asociación en serie: Leq = L1 + L2 + L3 Y para la asociación en paralelo: 1/Leq = (1/L1) + (1/L2) + (1/L3) 5.3. EFECTO DE LA BOBINA EN CORRIENTE CONTINUA. Al permanecer constante la tensión en los extremos de la bobina (que actúa como un conductor de resistencia nula) no tienen lugar en ella fenómenos de autoinducción y, en consecuencia, se comporta como un cortocircuito. 6. LEYES DE KIRCHHOFF. Para resolver circuitos complicados, en los que resulta imposible la aplicación de la Ley de Ohm, se recurre a dos leyes deducidas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, que simplifican enormemente el cálculo. Ante todo conviene establecer las siguientes definiciones: Red: Es un conjunto de conductores, resistencias y generadores, unidos entre sí de forma arbitraria, de manera que por ellos circulan corrientes de distintas intensidades. Nudo: Es un punto de la red donde concurren más de dos conductores. Un nudo no tiene por qué ser necesariamente un punto geométrico. Más

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bien podríamos decir que es aquella porción de la red cuyos puntos tienen el mismo potencial. Rama: Es la parte de la red comprendida entre dos nudos consecutivos y recorrida por la misma intensidad de corriente. Malla: Es todo circuito conductor cerrado que se obtiene partiendo de un nudo y volviendo a él, sin pasar dos veces por una misma rama. La primera ley de Kirchhoff se aplica a los nudos y la segunda a las mallas; de esta forma se obtiene un sistema de tantas ecuaciones independientes como número de ramas compongan la red, cuya resolución, si conocemos las fuerzas electromotrices (tensiones generadas) y las resistencias, nos da las intensidades de corriente en las distintas ramas. 6.1. PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF La suma algebraica de las intensidades de corriente que concurren en un nudo es igual a cero: Σ Ii = 0 Esta ley surge como consecuencia de que en los nudos no puede haber acumulación de cargas eléctricas. Por lo tanto, la suma de las intensidades de corriente que llegan a un nudo ha de ser igual a la suma de las que salen; y si consideramos unas como positivas y otras como negativas se obtiene la expresión anterior, que no es otra cosa que el principio de conservación de la carga eléctrica. 6.2. SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF La suma algebraica de las tensiones en los elementos pasivos de una malla es igual a la suma algebraica de las fuerzas electromotrices que en ella se encuentran. Dicho de otro modo: En todo circuito cerrado, la suma algebraica de las fuerzas electromotrices (tensiones que producen los generadores) es igual a la suma algebraica de las caídas de tensión (debido a los receptores existentes). Es decir: Σe=ΣR·I 6.3. APLICACIÓN DE LAS LEYES DE KIRCHHOFF Previo a la resolución de cualquier ejercicio siempre es necesario definir, de manera arbitraria, dos sentidos: Sentido de la intensidad de la corriente (I). Se elige al azar. Si al final el valor de alguna intensidad sale negativo, quiere decir que tiene sentido contrario. Una vez elegido el sentido de la corriente, se escribe al lado de cada receptor su polaridad, mediante un signo más por donde entra la intensidad y un signo menos por donde sale. Sentido del recorrido. Se elegirá en sentido horario o antihorario. No tiene por qué coincidir con el sentido de la corriente. Diremos que un generador tiene una fem positiva si el sentido elegido va del borne negativo al positivo. Se considerará caída de tensión positiva cuando recorramos el receptor del polo positivo al polo negativo.

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Para aplicar correctamente las leyes de Kirchhoff en la resolución de circuitos de corriente continua, debemos seguir los siguientes pasos: Si en una red existen n nudos, se aplica la primera ley de Kirchhoff a n-1 nudos cualesquiera, pues si la aplicamos al nudo enésimo la ecuación obtenida no es independiente. Se pueden considerar como positivas las intensidades de corriente que llegan al nudo, y negativas las que salen; aunque también se puede seguir el criterio contrario sin que el resultado se vea afectado, pues ello no equivale sino a un cambio de signo en la ecuación correspondiente. Se aplica la segunda ley de Kirchhoff a todas las mallas independientes de la red. El número de mallas independientes es igual al número de ramas menos el de nudos disminuido en una unidad, o sea: M = R – (n-1). En la práctica, las mallas independientes a las que se aplica la segunda ley de Kirchhoff se determinan descomponiendo la red en las mallas más sencillas posibles, como las piezas de un rompecabezas.

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