Trabajo Circuitos

Regional Distrito Capital Sistema de Gestión de la Calidad

ELECTRICIDAD (INFORME CIRCUITOS TEORIA)

Versión 1

Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información Programa de Teleinformática Bogotá, Agosto de 2008

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Control del Documento Autores

Nombre Karen Lizeth Rincon Bastidas

Revisión JHON PEREZ

Cargo

Instructor

Dependencia Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información Centro Gestión de Mercados, Logística y Tecnologías de la Información

Firma

Fecha Septiembre de 2008

Septiembre de 2008

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Módulo 1: INTRODUCCIÓN Y REPASO 1.1.1 Sistema internacional de unidades (S.I) Nombre adoptado por la XI Conferencia General de Pesas y Medidas (celebrada en París en 1960) para un sistema universal, unificado y coherente de unidades de medida, basado en el sistema mks (metrokilogramo-segundo). Este sistema se conoce como SI (iniciales de Sistema Internacional).

Magnitud

Nombre de la unidad

Símbolo

Longitud Masa Tiempo Corriente Eléctrica Temperatura Cantidad de Sustancia Intensidad luminosa

Metro Kilogramo Segundo Amperio Kelvin Mol Candela

m Kg S A K Mol cd

Tabla 1. Unidades básicas del SI.

El Sistema Internacional de unidades emplea unidades básicas como el metro, el kilogramo o el segundo. A dichas unidades se les pueden añadir prefijos correspondientes a la multiplicación o división por potencias de 10, lo que evita el uso de excesivas cifras decimales.

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Dimensión

Gigante

Pequeño

Prefijo

Símbolo

Equivalencia

Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hecto Deca deci centi mili micro nano pico femto Ato

E P T G M K H D d c m µ n p f a

1.000.000.000.000.000.000 1.000.000.000.000.000 1.000.000.000.000 1.000.000.000 1.000.000 1000 100 10 0.1 0.01 0.001 0.000001 0.000000001 0.000000000001 0.000000000000001 0.000000000000000001

Tabla 2. Prefijos decimales. 1.1.2 Conceptos básicos. 1.1.2.1 Voltaje (símbolo V): Unidad de diferencia de potencial (V). El potencial se refiere a la posibilidad de realizar un trabajo, cualquier carga eléctrica tiene potencial para hacer trabajo al mover otra carga, ya sea por atracción o repulsión. Existen dos clases de voltajes: Voltaje directo (DC) el cual lo podemos encontrar en las baterías o pilas normales y alcalinas.

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Símbolo para fuente de voltaje directo.

Por otra parte el Voltaje alterno (AC), lo podemos encontrar en los tomacorrientes de tres tomas de pared, en una casa o edificio.

Símbolo para fuente de voltaje alterno. La unidad de medición del voltaje alterno o voltaje directo es el Voltio (V), en honor del científico italiano Alessandro Volta (1745 – 1827). 1.1.2.2 Corriente (símbolo I): Se define como el desplazamiento de electrones sobre un material conductor (o alambre de cobre). Que fluye a través de un circuito cerrado, su unidad de medición es el Amperio (A) en honor del científico francés André Marie Ampere (1775 – 1836).

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Un circuito es una trayectoria cerrada o camino cerrado entre la fuente de voltaje y la resistencia que permite el movimiento de cargas eléctricas, es decir, de la corriente. Se debe de tener presente que en un circuito abierto no fluye corriente. Existen dos clases de corrientes: Corriente directa el cual es generado por los voltajes directos.

Corriente directa que fluye por el circuito cerrado.

Por otra parte la Corriente alterna es generada por los voltajes alternos.

Corriente alterna que fluye por el circuito cerrado.

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1.1.2.3 Resistencia (símbolo R): Es la oposición de un material o sustancia química al flujo de electrones en un material conductor o alambre de cobre. La resistencia se mide en la unidad de Ohmios (Ω) en honor del científico alemán Georg Simon Ohm (1787 – 1854) .

Símbolo para la resistencia, con algunos ejemplos de sus valores. Internacionalmente se ha adoptado un sistema de colores para la identificación de estos elementos de forma fácil y precisa, estos colores son colocados sobre la resistencia en cuatro franjas que forman un sistema de identificación ordenado por (1ª cifra, 2ª cifra, Multiplicador decimal, Tolerancias). Por ejemplo se tiene una resistencia con los colores (Rojo, Naranja, Rojo, Dorado), la cual con el código de colores se puede interpretar como (2, 3, X100, 5 %) es decir, 23 X 100 @ mas o menos el 5% de error, lo cual es en conclusión 2300 Ω teóricos, con un margen de que entrega el fabricante desde 2185 Ω hasta 2415 Ω ( el error es de + ó - 115 Ω o sea el 5 % de 2300 Ω).

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Distribución del código de colores en una resistencia.

Color

Cifra

Multiplicador

Tolerancia (%)

Negro Café Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco Dorado Plata Sin color

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 10 100 1000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000 100.000.000 1.000.000.000 0.1 0.01

20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 5 10 20

Tabla 3. Código de colores para resistores.

1.1.2.4 Conductancia (símbolo G): Es una medida de la facilidad para conducir corriente y es igual al reciproco de la resistencia ,o sea es una medida que expresa lo opuesto a la resistencia. Su unidad de medición es el Siemens (S).

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Símbolo para conductancia, con algunos valores característicos.

1.1.2.5 Potencia (símbolo P): Es la rapidez para realizar un trabajo, el trabajo es igual a la fuerza aplicada para mover un objeto multiplicada por la distancia a la que el objeto se desplaza en la dirección de la fuerza. La potencia mide la rapidez con que se realiza ese trabajo. En términos matemáticos, la potencia es igual al trabajo realizado dividido entre el intervalo de tiempo a lo largo del cual se efectúa dicho trabajo. El concepto de potencia no se aplica exclusivamente a situaciones en las que se desplazan objetos mecánicamente. También resulta útil, por ejemplo, en electricidad. Imaginemos un circuito eléctrico con una resistencia. Hay que realizar una determinada cantidad de trabajo para mover las cargas eléctricas a través de la resistencia. Para moverlas más rápidamente en otras palabras, para aumentar la corriente que fluye por la resistencia se necesita más potencia. Existe en la electricidad la llamada potencia real, la cual es una clase de potencia que se caracteriza por la disipación de calor en la resistencia de un circuito. Esta clase de disipación térmica se mide en la unidad de vatios (W).

1.1.2.6 Ecuaciones generales de potencia y Ley de Ohm. Las siguientes ecuaciones matemáticas proporcionan un camino para determinar la variable que se desea encontrar partiendo de otras variables ya conocidas. Por ejemplo se puede hallar el voltaje conociendo previamente la corriente y la resistencia del circuito. V = I × R (Voltaje = Corriente x Resistencia)

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 I=

V R

 R=

V I

(Corriente = Voltaje / Resistencia)

(Resistencia = Voltaje / Corriente)

 P = V ×I

(Potencia = Voltaje x Corriente)

2  P = I ×R

(Potencia = Corriente x Corriente x Resistencia)

V2 (Potencia = Voltaje x Voltaje / Resistencia) R 1  G = (Conductancia = 1 / Resistencia) R

 P=

1.1.3 Circuitos resistivos 1.1.3.1 Circuito serie: Es una trayectoria de elementos (resistencias) que se caracteriza porque están unidos uno a continuación del otro. La corriente en este circuito es la misma para todos los elementos. La resistencia equivalente para este circuito abierto de resistencias en serie es el siguiente: RT = 1KΩ + 2 KΩ + 3 KΩ + 4 KΩ + 5 KΩ RT = 15 KΩ

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Circuito serie de resistencias. 1.1.3.2 Circuito Paralelo: En este caso las resistencias se encuentran una en frente de la otra. Lo cual la corriente que pasa por cada resistencia puede ser diferente. La resistencia equivalente para este circuito abierto de resistencias en paralelo es el siguiente: 1 1 1 1 1 1 = + + + + RT 1KΩ 2 KΩ 3 KΩ 4 KΩ 5 KΩ 1 2.283 × 10 −3 = RT 1Ω RT = 437.95 Ω

Circuito paralelo de resistencias.

1.1.3.3 Circuito serie - paralelo: Es una combinación de un circuito serie con un circuito paralelo. La resistencia equivalente para este circuito se puede buscar fácilmente reduciendo el tamaño del circuito o el numero de resistores de derecha a izquierda, por ejemplo:

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Circuito original serie - paralelo

Se suman todas las resistencias serie de la parte derecha del circuito.

Se realiza la suma de resistencias en paralelo de la parte derecha del circuito.

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Lo que finalmente se suman las resistencias en serie quedando solo una al final.

1.1.4 Leyes de Gustav Robert Kirchhoff (1824 – 1887) 1.1.4.1 Ley de la corriente de Kirchhoff: La suma algebraica de las corrientes que entran y salen de un nodo es igual a cero. Es decir, la suma de las corrientes que se dirigen hacia cualquier punto de un circuito, es igual a la suma algebraica de las corrientes que se alejan de este punto. Por ejemplo si la corriente A es igual a 2 Amperios y la corriente B es igual a 5 amperios, la corriente total seria de 7 Amperios.

Las corrientes A y B que entran al nodo se suman en una Corriente Total.

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1.1.4.2 Ley de voltaje de Kirchhoff: La suma algebraica de los voltajes alrededor de cualquier trayectoria cerrada es cero. Es decir, la suma de los voltajes en cada resistencia del circuito es igual al voltaje de la fuente. Esto se puede apreciar en el siguiente circuito: Voltaje de la Fuente = A la suma de los todos los voltajes de las Resistencias Voltaje de la fuente = VR1 + VR2 + VR3 + VR 4 + VR5 Voltaje de la fuente = 0.56 V + 2.22V + 4.44 V + 2.22V + 0.56 V Voltaje de la fuente = 10 V

La suma de los voltajes de todas las resistencias es igual al voltaje de la fuente.

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1.1.5 Análisis de circuitos resistivos 1.1.5.1 Circuito resistivo serie: Se tiene un circuito serie conformado por dos resistencias de 250 ohmios y de 200 ohmios, con una fuente de alimentación directa de 10 voltios. Se pide hallar la corriente del circuito.

Circuito serie del ejercicio.

Como primer paso se realiza la sumatoria de las resistencias en serie así:  RT = 250 Ω + 200 Ω  RT = 450 KΩ Lo cual da como resultado el siguiente circuito:

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I1

Circuito simplificado del ejercicio.

10 V

 I1 = 450 Ω

(Corriente = Voltaje / Resistencia)

 I 1 = 0.022 A (Corriente = Voltaje / Resistencia)  P1 = V × I 1

(Potencia = Voltaje x Corriente)

 P 1 = 10 V × 0.022 A (Potencia = Voltaje x Corriente)  P 1 = 0.22 W (Potencia = Voltaje x Corriente)

1.1.5.2 Circuito resistivo paralelo: Se tiene un circuito paralelo conformado por dos resistencias de 250 ohmios y de 200 ohmios, con una fuente de alimentación directa de 10 voltios. Se pide hallar la corriente en cada resistencia.

IT

I1

Circuito paralelo del ejercicio.

I2

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En el circuito anterior se puede observar que los voltajes en cada resistencia son iguales al voltaje de la fuente, pero la corriente que pasa por cada resistencia en este caso no es la misma. Como se sabe el voltaje en cada resistencia (10 voltios) y el valor de la resistencia (250 ohmios y 200 ohmios), se pueden realizar los cálculos de las siguiente forma: 10 V

 I1 = 250 Ω

(Corriente = Voltaje / Resistencia)

 I 1 = 0.04 A

(Corriente = Voltaje / Resistencia)

 P1 = V × I 1

(Potencia = Voltaje x Corriente)

 P 1 = 10 V × 0.04 A  P 1 = 0. 4 W

(Potencia = Voltaje x Corriente)

(Potencia = Voltaje x Corriente)

De la misma forma se calcula la corriente para la resistencia de 200 ohmios 10 V

 I 2 = 200 Ω

(Corriente = Voltaje / Resistencia)

 I 2 = 0.05 A

(Corriente = Voltaje / Resistencia)

 P2 = V ×I 2

(Potencia = Voltaje x Corriente)

 P 1 = 10 V × 0.05 A  P 1 = 0. 5 W

(Potencia = Voltaje x Corriente)

(Potencia = Voltaje x Corriente)

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Obtenidos los resultados, finalmente se suman las corrientes y las potencias totales del circuito:

 I T = I 1 + I2

(Corriente Total = Corriente 1 + Corriente 2)

 I T = 0.04 A + 0.05 A

(Corriente Total = Corriente 1 + Corriente 2)

 I T = 0.09 A

(Corriente Total = Corriente 1 + Corriente 2)

 P T = P 1+ P 2

(Potencia Total = Potencia 1 + Potencia 2)

 P T = 0. 4 W + 0 . 5 W

(Potencia Total = Potencia 1 + Potencia 2)

 P T = 0.9 W

(Potencia Total = Potencia 1 + Potencia 2)

1.1.5.3 Divisor de voltaje: Es una herramienta matemática que sirve para encontrar el voltaje en cada resistencia de un circuito serie, sin la necesidad de hallar o conocer previamente el valor numérico de la corriente.

 V 1= V×

R1 R 1+R 2

 V 2 = V×

R2 R 1+R 2

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V1

V

Esquema de distribución de voltajes.

 V 1= 5 V×

330 Ω 330 Ω + 500 Ω

 V 1 = 1.98 V

 V 2 = 5 V×

500 Ω 330 Ω + 500 Ω

 V 2 = 3.01 V

1.1.7 Circuitos inductivos

V2

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1.1.7.1 Circuito inductivo serie: Es una trayectoria de elementos (bobinas) que se caracterizan porque están unidas una a continuación de la otra. La corriente en este circuito es la misma para todos los elementos. La inductancia equivalente para este circuito de bobinas en serie es el siguiente:  LT = 10 mH + 5 mH + 20 mH + 100 mH + 50 mH  LT = 185 mH

Circuito serie de bobinas. 5.1.7.2 Circuito inductivo paralelo: En este caso las bobinas se encuentran una en frente de la otra. Lo cual la corriente que pasa por cada bobina puede ser diferente. La inductancia equivalente para este circuito de bobinas en paralelo es el siguiente: 1 1 1 1 1 = + + + LT 20 mH 2 0 mH 200 mH 200 mH 1 110 = LT 1 H LT = 9.09 mH

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Circuito paralelo de bobinas. 1.1.7.3 Circuito serie - paralelo: Es una combinación de un circuito serie con un circuito paralelo. La inductancia equivalente para este circuito se puede buscar fácilmente reduciendo el tamaño del circuito o el numero de bobinas de derecha a izquierda, por ejemplo:

Circuito original serie – paralelo

Se suman todas las inductancias serie de la parte derecha del circuito.

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Se realiza la suma de inductancias en paralelo de la parte derecha del circuito.

Lo que finalmente se suman las inductancias en serie quedando solo una al final.

1.1.8 Herramientas de medición. 5.1.8.1 El multímetro digital: Los multímetros digitales también reciben el nombre de multiprobadores y se emplean básicamente para medir voltaje (V), corriente (I), o Resistencia (R). La indicación numérica en una pantalla de cristal liquido es una de las mayores ventajas de estos instrumentos pues para el usuario es mas confiable la información que estos derivan en el momento de realizar una comprobación de valores reales lo que limita el error humano. Una descripción de este elemento de medición es el siguiente:

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Posee una escala para la medición de voltaje directo (DC) aproximadamente desde los 200 mV hasta los 1000 V, y siempre se debe de realizar la medición en forma paralela al objeto, por ejemplo, la punta positiva del multímetro debe de tocar la polaridad positiva de una batería o pila, de la misma forma la punta negativa del multímetro debe de tocar la polaridad negativa de la batería.

Forma correcta de Medir de voltaje directo. Posee una escala para la medición de voltaje alterno (AC) aproximadamente desde los 200 mV hasta los 750 V, y siempre se debe de realizar la medición en forma paralela al objeto, por ejemplo, la punta positiva del multímetro puede tocar la línea o fase de un tomacorriente, y en el otro extremo de la misma forma la punta negativa del multímetro puede tocar el neutro de un tomacorriente.

Forma correcta de Medir de voltaje Alterno.

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Posee una escala para la medición de corriente directa aproximadamente desde los 200 µA hasta los 10A, y siempre se debe de realizar la medición en forma serial al objeto, es decir, el multímetro debe hacer parte del circuito de corriente directa a medir, lo cual se procede a desconectar una parte del circuito introduciendo el elemento de medición de corriente directa, por ejemplo, la punta positiva del multímetro debe de tocar un extremo del circuito abierto, de la misma forma la punta negativa debe de tocar el otro extremo del circuito abierto.

Forma correcta de Medir de corriente directa. Posee una escala para la medición de corriente alterna aproximadamente desde los 100 µA hasta los 10A, y siempre se debe de realizar la medición en forma serial al objeto, es decir, el multímetro debe hacer parte del circuito de corriente alterna a medir, lo cual se procede a desconectar una parte del circuito introduciendo el elemento de medición de corriente directa, por ejemplo, la punta positiva del multímetro debe de tocar un extremo del circuito abierto, de la misma forma la punta negativa debe de tocar el otro extremo del circuito abierto.

Forma correcta de Medir de corriente alterna.

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Posee una escala para la medición de Resistencia aproximadamente desde los 200 Ω hasta los 2000 MΩ. y siempre se debe de realizar la medición en forma paralela al objeto, además de tener en cuenta que nunca se realiza dicha medición con la resistencia integrada al circuito, se debe de realizar en ausencia de voltajes y corrientes.

Forma correcta de Medir resistencia.

1.1.8.2 El osciloscopio: Es un instrumento de medición electrónico capaz de registrar cambios de voltaje producidos en circuitos eléctricos y electrónicos y los muestra en forma gráfica en la pantalla de un tubo de rayos catódicos. Se utiliza básicamente para medir cambios de amplitud de onda, de tiempo y de frecuencia de oscilación. Para las mediciones de amplitud se utiliza la escala vertical donde esta se puede calibrar mediante una perilla que opera desde 5mV por división hasta los 5V por división grafica o cuadricula de la pantalla de este aparato. Para las mediciones de tiempo se utiliza la escala horizontal donde esta se puede calibrar mediante una perilla que opera desde nano segundos por división hasta segundos por división grafica o cuadricula de la pantalla de este aparato. Para las mediciones de frecuencia basta con solo realizar el reciproco del tiempo medido, lo cual quedara en un resultado en las unidades de Hertz (Hz).

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