Definiciones

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CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTROTECNIA ELECTROTECNIA Como su nombre lo indica, la electrotecnia estudia las aplicaciones técnicas de la electricidad con fines industriales, científicos, así como las leyes de los fenómenos eléctricos. La electrotecnia comprende tres grandes campos del conocimiento y la experiencia: • • •

Los conceptos y leyes científicas que explican los fenómenos físicos que tienen lugar en los dispositivos eléctricos. Los elementos con los que se componen circuitos y aparatos eléctricos y su disposición y conexiones más usadas. Las técnicas de análisis, cálculo y predicción del comportamiento de circuitos y dispositivos eléctricos.

ELECTRICIDAD Es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de carga eléctrica: carga positiva y carga negativa. Una carga positiva se forma cuando se pierden electrones y una carga negativa se forma cuando se ganan electrones. Desde la antigüedad hasta nuestros días, la electricidad ha sido un tema de estudio y de desarrollo humano. Se puede decir que la primera persona que habló de electricidad fue el filósofo griego Tales de Mileto en el año 600 antes de Cristo. Él observó que frotando una varilla de ámbar con una piel o lana, se podía crear pequeñas cargas que atraían pequeños objetos y que si la frotaba mucho tiempo podía causar la aparición de una chispa. Mucho tiempo después, por la época de 1747, Benjamin Franklin, científico e inventor estadounidense, se dedicó principalmente al estudio de los fenómenos eléctricos. Enunció el Principio de la conservación de la electricidad. En 1752 lleva a cabo en Filadelfia su famoso experimento con la cometa. Ató una cometa con esqueleto de metal a un hilo de seda, en cuyo extremo llevaba una llave también metálica. Haciéndola volar un día de tormenta, confirmó que la llave se cargaba de electricidad, demostrando así que las nubes están cargadas de electricidad y los rayos son descargas eléctricas. Gracias a este experimento creó su más famoso invento, el pararrayos. Años después, aparece el físico y militar francés, Charles Augustin de Coulomb. Se recuerda por haber descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas, la cual es conocida como la Ley de Coulomb. En 1777, inventó una balanza de torsión para medir la fuerza de repulsión y atracción eléctrica. En 1790, Alessandro Volta, físico y pionero de la electricidad, descubrió que las reacciones químicas podían generar cargas positivas y negativas. Además, cuando un conductor une estas cargas, la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) impulsa una corriente eléctrica a través del conductor. Un año después, Volta realiza su primer invento. Con dos discos metálicos separados por un conductor húmedo, pero unidos

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con un circuito exterior logra, por primera vez, producir corriente eléctrica continua. A Volta le debemos el desarrollo de la batería eléctrica. En 1878, Thomas Alva Edison construyó la primera lámpara incandescente con filamentos de bambú carbonizado. Su primera bombilla iluminó durante 48 horas interrumpidas. Sin darse cuenta, estableció los fundamentos de la válvula de la radio y la electrónica gracias al descubrimiento del efecto Edison. En 1873, el físico británico James Clerk Maxwell publicó su obra Tratado sobre electricidad y magnetismo, en donde, por primera vez, reúne en cuatro ecuaciones la descripción de la naturaleza de los campos electromagnéticos. Heinrich Hertz extendió esta teoría y demostró que la electricidad puede transmitirse en forma de ondas electromagnéticas, como la luz. Estas investigaciones posibilitaron la invención del telégrafo sin cables y la radio.

MATERIALES En electricidad y electrónica se utilizan tres tipos de materiales que se deben tener muy en cuenta. Estos son: Aisladores: Es un material o sustancia que ofrece una gran resistencia al paso de la corriente eléctrica. Ejemplo de materiales aisladores son: Vidrio y blindaje de los cables. Conductores: Es una sustancia o material que ofrece, una resistencia mucho menor al paso de la corriente eléctrica y que se utiliza para proporcionar una trayectoria a una corriente. Ejemplos de materiales conductores son: Plata, Cobre, Oro, Aluminio. Semi-conductores: Los semiconductores son materiales o sustancias cuya conductancia eléctrica puede ser controlada de forma permanente o dinámica variando su estado desde conductor a aislante. Ejemplos de materiales semiconductores son: Diamante, Silicio y Germanio.

MAGNITUDES ELÉCTRICAS CORRIENTE ELÉCTRICA: La corriente eléctrica es un flujo de electrones móviles a través de un conductor. Estos electrones móviles se encuentran ubicados en las órbitas mas alejadas del núcleo de los átomos. Los electrones al desplazarse y producir una corriente, no se mueven siempre en la misma dirección y por esta razón existen dos tipos de corriente: •

Corriente Directa: Se presenta cuando el flujo de electrones se da siempre en la misma dirección. Los términos mas utilizados para denotar la corriente continua o directa son: C.D, D.C, C.C. De las fuentes de corriente directa más utilizadas, tenemos las siguientes: Generadores de corriente directa o dinamos Baterías o acumuladores Pilas voltaicas o pilas secas. Tiene muchos usos: se utiliza generalmente en alumbrados portátiles (linternas), alumbrados de emergencia en fábricas y almacenes, plantas telefónicas, vehículos automotores, celulares, etc.

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•

Corriente Alterna: Se presenta cuando un flujo de electrones varía periódicamente de dirección. Una de las características más importantes de la corriente alterna es la frecuencia. La frecuencia representa el número de veces que la corriente cambia de dirección en un segundo. La corriente alterna se nombra con las siguientes abreviaturas: A.C, C.A. La corriente alterna es la más utilizada en el momento; la corriente eléctrica que venden las empresas de energía, o electrificadoras, y que llega a nuestros hogares, es una corriente alterna de 60 C / seg (ciclos por segundo) ó 60 Hertz.

La unidad de medida de la corriente eléctrica es EL AMPERIO (A). Se le dio este nombre en honor de André-Marie Ampére.

VOLTAJE: La tensión o diferencia de potencial (también llamada «voltaje») es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito cerrado. Es el desnivel eléctrico que existe entre dos puntos determinados de un circuito. La tensión eléctrica de un enchufe de una vivienda suele ser igual a 120V o 220 V. La unidad de medida de esta magnitud eléctrica es EL VOLTIO (V), el cual se define como la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente de un amperio utiliza un vatio de potencia. El voltio recibe su nombre en honor de Alessandro Volta, quien inventó la pila voltaica, la primera batería química.

POTENCIA: Es la rapidez con la cual se gasta la energía. En un circuito eléctrico la potencia viene relacionada con la tensión y la corriente. La unidad de medida utilizada y designada por el Sistema Internacional de Unidades, es EL VATIO O WATT (W) que equivale a la potencia producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente eléctrica de 1 amperio (1 VA). La potencia eléctrica de los aparatos eléctricos se expresa en vatios, si son de poca potencia, pero si son de mediana o gran potencia se expresa en kilovatios (kW) que equivale a 1000 vatios. Un kW equivale a 1,35984 CV (caballos de vapor). COMPONENTES PASIVOS Podemos definir los componentes pasivos como aquellos que no producen amplificación y que sirven para controlarla electricidad colaborando al mejor funcionamiento de los elementos activos (los cuales son llamados genéricamente semiconductores). Los componentes pasivos están formados por elementos de diversas clases que tendremos que considerar independientemente, ya que son diferentes sus objetivos y construcción, de modo que vamos a dividirlos en tres grandes grupos: 1· Resistencias (R) 2· Condensadores (C) 3· Bobinas o Inductores (L)

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RESISTENCIAS (R) Las resistencias, son los elementos que más abundan en los circuitos electrónicos. Es un componente que opone cierta dificultad al paso de la corriente eléctrica, es decir, ofrece resistencia a dejarse atravesar por la corriente eléctrica. Clases de Resistencias: Resistencias Aglomeradas: Se componen de una masa homogénea de grafito mezclado con un elemento aglutinante, fuertemente prensado en forma cilíndrica y encapsulada en un manguito de material aislante como el plástico.

Resistencias de Capa o Película: El elemento resistivo es una finísima capa de carbón sobre un cuerpo aislante, de forma también cilíndrica. El cuerpo central es, en algunos casos, un minúsculo tubo de cristal con los terminales de conexión conectados a cada extremo.

Resistencias Bobinadas: Se emplea un hilo conductor que posee una resistencia específica especialmente alta. El hilo conductor se arrolla encima de un cuerpo, generalmente un tubo de cerámica. En cuanto a los extremos del hilo, se fijan generalmente con abrazaderas que a su vez pueden servir como conexiones para el montaje.

Valor óhmico y tolerancia de las resistencias: Lo que más nos interesa de las resistencias es su valor óhmico, es decir, la oposición que ofrece el paso de la corriente eléctrica. Este valor no tiene ninguna relación con el tamaño, sino que los materiales constituyentes de la resistencia. En cuanto al valor óhmico hay que tener en cuenta que éste queda afectado por el calor, el calor se produce siempre que la corriente eléctrica pasa a través de una resistencia, y este aumento de la temperatura modifica el valor de las resistencias. El valor asignado a una resistencia es siempre aproximado, y de ahí que deba contarse siempre con una tolerancia, de modo que el valor nominal puede variar dentro de ciertos límites.

Interpretación del Código de Colores en las Resistencias: Las resistencias llevan grabadas sobre su cuerpo unas bandas de color que nos permiten identificar el valor

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óhmico que éstas poseen. Esto es cierto para resistencias de potencia pequeña (menor de 2 W.), ya que las de potencia mayor generalmente llevan su valor impreso con números sobre su cuerpo.

El número que corresponde al 1º color indica la primera cifra, el 2º color la seguna cifra y el 3º color indica el número de ceros que siguen a la cifra obtenida, con lo que se tiene el valor efectivo de la resistencia. El cuarto anillo, o su ausencia, indica la tolerancia. COLORES Banda 1 Banda 2

Banda Multiplicador Tolerancia 3

Plata

x 0.01

10%

Oro

x 0.1

5%

Negro

0

0

0

x1

Marrón

1

1

1

x 10

1%

Rojo

2

2

2

x 100

2%

Naranja

3

3

3

x 1000

Amarillo

4

4

4

x 10000

Verde

5

5

5

x 100000

Azul

6

6

6

x 1000000

Violeta

7

7

7

Gris

8

8

8

Blanco

9

9

9

--Ninguno-

-

-

-

0.5%

20%

LOS CONDENSADORES O CAPACITORES (C) El condensador es uno de los componentes más utilizados en los circuitos eléctricos y electrónicos. Es un componente pasivo que presenta la cualidad de almacenar energía eléctrica. Está formado por dos láminas de material conductor (metal) que se encuentran separadas por un material dieléctrico (material aislante). En un condensador simple, cualquiera que sea su aspecto exterior, dispondrá de dos terminales, los cuales a su vez están conectados a las dos láminas conductoras.

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Esquema de un Condensador La propiedad por la cual un condensador puede almacenar energía se denomina capacidad. La capacidad es proporcional a la superficie de las placas, o sea, que un condensador con la superficie de sus placas muy pequeña tendrá una capacidad pequeña, mientras que un condensador con una superficie de sus placas grande tendrá una capacidad grande y por tanto, podrá alojar en ellas mas cantidad de energía. La unidad de capacidad es el faradio (F), pero como esta unidad es demasiado grande, ya que un condensador de un faradio ocuparía un volumen extremadamente grande (como un edificio), y por eso no se fabrican, se toman como unidades el microfaradio, el nanofaradio, y el picofaradio. Los valores de cada uno se especifican a continuación: 1pF = 1 picofaradio = 10-12 faradios 1nF = 1 nanofaradio = 10-9 faradios 1µF = 1 microfaradio = 10-6 faradios

Características Principales de los Condensadores Los condensadores tienen unas características o especificaciones importantes que se deben tener en cuenta al momento de manipularlos. Estas son: •

•

•

•

Capacidad: Se mide en Faradios (F), aunque esta unidad resulta tan grande que se suelen utilizar varios de los submúltiplos, tales como microfaradios (µF=10-6 F ), nanofaradios (nF=10-9 F) y picofaradios (pF=10-12 F). Voltaje de trabajo: Es la máxima tensión que puede aguantar un condensador, que depende del tipo y grosos del dieléctrico con que esté fabricado. Si se supera dicha tensión, el condensador puede perforarse (quedar cortocircuitado) y/o explotar. En este sentido hay que tener cuidado al elegir un condensador, de forma que nunca trabaje a una tensión superior a la máxima. Tolerancia: Igual que en las resistencias, se refiere al error máximo que puede existir entre la capacidad real del condensador y la capacidad indicada sobre su cuerpo. Polaridad: Los condensadores electrolíticos y en general los de capacidad superior a 1 µF tienen polaridad, eso es, que se les debe aplicar la tensión prestando atención a sus terminales positivo y negativo. Al contrario que los inferiores a 1µF, a los que se puede aplicar tensión en cualquier sentido, los que tienen polaridad pueden explotar en caso de ser ésta la incorrecta.

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Tipos de Condensadores

Electrolíticos. Tienen el dieléctrico formado por papel impregnado en electrólito. Siempre tienen polaridad, y una capacidad superior a 1 µF. Arriba observamos claramente que el condensador nº 1 es de 2200 µF, con una tensión máxima de trabajo de 25v. (Inscripción: 2200 µ / 25 V). Electrolíticos de tántalo o de gota. Emplean como dieléctrico una finísima película de óxido de tantalio amorfo, que con un menor espesor tiene un poder aislante mucho mayor. Tienen polaridad y una capacidad superior a 1 µF. Su forma de gota les da muchas veces ese nombre. (Condensador nº 2) De poliester metalizado MKT. Suelen tener capacidades inferiores a 1 µF y tensiones de trabajo a partir de 63v. Más abajo vemos su estructura: dos láminas de policarbonato recubierto por un depósito metálico que se bobinan juntas. (condensador nº3) Poliéster. Son similares a los anteriores, aunque con un proceso de fabricación algo diferente. En ocasiones este tipo de condensadores se presentan en forma plana y llevan sus datos impresos en forma de bandas de color, recibiendo comúnmente el nombre de condensadores "de bandera". Su capacidad suele ser como máximo de 470 nF. (Condensador nº4) De poliéster tubular. Similares a los anteriores, pero enrollados de forma normal, sin aplastar. (Condensador nº5) Cerámico "de lenteja" o "de disco". Son los cerámicos más corrientes. Sus valores de capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF. En ocasiones llevan sus datos impresos en forma de bandas de color. (Condensador nº6) Cerámico "de tubo". Sus valores de capacidad son del orden de los picofaradios y generalmente ya no se usan, debido a la gran deriva térmica que tienen (variación de la capacidad con las variaciones de temperatura). (Condensador nº7) Identificación del Valor de los Condensadores Por código de colores: Hemos visto que algunos tipos de condensadores llevan sus datos impresos codificados con unas bandas de color. Esta forma de codificación es muy similar a la empleada en las resistencias, en este caso sabiendo que el valor queda expresado en picofaradios (pF). Las bandas de color son como se observa en esta figura:

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COLORES

Banda 1

Banda 2

Multiplicador

Negro

--

0

x1

Marrón

1

1

x 10

100 V.

Rojo

2

2

x 100

250 V.

Naranja

3

3

x 1000

Amarillo

4

4

x 104 5

Verde

5

5

x 10

Azul

6

6

x 106

Violeta

7

7

Gris

8

8

Blanco

9

9

Tensión

400 V. 630 V.

COLORES Tolerancia (C > 10 pF) Tolerancia (C < 10 pF) Negro

+/- 20%

+/- 1 pF

Blanco

+/- 10%

+/- 1 pF

Verde

+/- 5%

+/- 0.5 pF

Rojo

+/- 2%

+/- 0.25 pF

Marrón

+/- 1%

+/- 0.1 pF

Codificación mediante letras: Este es otro sistema de inscripción del valor de los condensadores sobre su cuerpo. En lugar de pintar unas bandas de color se recurre también a la escritura de diferentes códigos mediante letras impresas. A veces aparece impresa en los condensadores la letra "K" a continuación de las letras; en este caso no se traduce por "kilo", o sea, 1000 sino que significa cerámico si se halla en un condensador de tubo o disco. Si el componente es un condensador de dieléctrico plástico (en forma de paralelepípedo), "K" significa tolerancia del 10% sobre el valor de la capacidad, en tanto que "M" corresponde a tolerancia del 20% y "J", tolerancia del 5%. LETRA

Tolerancia

"M"

+/- 20%

"K"

+/- 10%

"J"

+/- 5%

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Ejemplo: un condensador marcado con 0,047 J 630 tiene un valor de 47000 pF = 47 nF, tolerancia del 5% sobre dicho valor y tensión máxima de trabajo de 630 v. También se podría haber marcado de las siguientes maneras: 4,7n J 630, o 4n7 J 630. Código 101 de los Condensadores: Por último, vamos a mencionar el código 101 utilizado en los condensadores cerámicos como alternativa al código de colores. De acuerdo con este sistema se imprimen 3 cifras, dos de ellas son las significativas y la última de ellas indica el número de ceros que se deben añadir a las precedentes. El resultado debe expresarse siempre en picofaradios pF. Así, 561 significa 560 pF, 564 significa 560000 pF = 560 nF, 403 significa 40000 pF = 40 nF.

INDUCTORES O BOBINAS Al igual que el capacitor, un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que almacena energía. Su funcionamiento se basa en un concepto muy importante llamado Inductancia. La Inductancia es la propiedad que tiene una bobina de oponerse a cualquier cambio en la corriente que lo atraviesa. Cuando una corriente atraviesa un conductor, se crea un campo magnético. Este campo magnético permite que se almacene la energía. La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se mide en Henrios (H), pudiendo encontrarse valores de mili-Henrios (mH). El valor depende de: •

El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, mayor valor de Henrios)

•

El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, mayor valor en Henrios)

•

La longitud del cable de que está hecha la bobina

•

El tipo de material de que está hecho el núcleo, si lo tiene.

Las bobinas se representan de la siguiente manera:

L1

Qué aplicaciones tiene una bobina?

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Una de las aplicaciones más comunes de las bobinas y que forma parte de nuestra vida diaria es la bobina que se encuentra en nuestros autos y forma parte del sistema de ignición. En los sistemas de iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro. En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continúa en la salida. Tipos de Bobinas Existen diferentes tipos de bobinas, desde las alambradas, las impresas para micro circuitos, y las que tienen codificación con código de colores: veamos en la figura siguiente diferentes tipos de bobinas.