Circuito elctrico

Un circuito o red elctrica es un conjunto de elementos combinados de tal forma que existe la posibilidad de que se origine una corriente elctrica. Existen unos elementos denominados activos o tambin fuentes o generadores que suministran energa elctrica y otros elementos denominados pasivos, que disipan o almacenan este tipo de energa. Podemos simbolizar un circuito elctrico por el bloque de la Figura , que est sometido a unos estmulos de entrada denominados excitaciones, debidas a la accin de las fuentes, originando unas respuestas en el circuito, que son las tensiones y corrientes que aparecen en la red.

Variables que intervienen en el estudio de los circuitos elctricos.

Las principales variables que intervienen en el estudio de los circuitos elctricos son: corriente, tensin y potencia.

Corriente elctrica

El origen de todos los fenmenos elctricos es la existencia de la carga elctrica q(t) y el movimiento de la misma. La unidad de carga en el sistema SI es el culombio, y se representa por la letra C. Las cargas elctricas pueden ser positivas y negativas. Se demuestra experimentalmente que la carga elctrica solamente existe en mltiplos enteros positivos o negativos del valor de la carga del electrn qe%.1,602 10.19 C; esto implica que la carga est cuantiada.

La corriente elctrica es el movimiento de las cargas elctricas a lo largo de caminos especficos y se representa por la letra i o I segn que la magnitud dependa o no del tiempo. La corriente elctrica representa la variacin de la carga q(t) con respecto al tiempo que se produce en la seccin transversal de un conductor, es decir:

=[A]

Potencial elctrico. Tensin. Diferencia de potencial

El potencial elctrico v en un punto de una red es la energa potencial por unidad de carga, de una carga colocada en ese punto. El potencial elctrico en un circuito es anlogo al potencial gravitatorio.

Como en el caso del campo gravitatorio, el nivel cero del potencial elctrico es arbitrario; solamente tienen significado fsico las diferencias de la energa potencial. Es por ello que se define la diferencia de potencial (d.d.p.) o tensin entre dos puntos A y B de un circuito, como el trabajo realizado para mover la carga unidad entre esos puntos. Si se denomina dw el trabajo (en julios, J) para mover un diferencial de carga dq entre dos puntos A y B, cuyos potenciales elctricos son vA y vB respectivamente y se designa uAB a la tensin o diferencia de potencial entre esos dos puntos, que puede escribirse en general como u(t), el valor de esta tensin es:

[V]

Tanto el potencial elctrico v(t) como la tensin u(t) se miden en voltios (V) y se representan en el primer caso por las letras v o V, segn que sus magnitudes dependan o no del tiempo, y en el segundo por las letras u o U respectivamente

Una carga dq que se mueve desde un potencial vA hasta un potencial vB, desarrolla un trabajo que segn

La potencia elctrica se mide en vatios (W). Como quiera que la potencia elctrica depende de dos variables: tensin y corriente, habr que tener en cuenta los sentidos de referencia de ambas magnitudes para obtener el sentido de la potencia.

p (t)=u(t)i(t)

Elementos activos ideales. Fuentes o generadores

Los elementos activos se denominan tambin fuentes o generadores y son los encargados de suministrar energa elctrica al circuito. Los dos modelos bsicos empleados en el estudio de los circuitos elctricos son: generadores de tensin y generadores de corriente. Cada uno de los tipos anteriores se puede subdividir en fuentes independientes o dependientes y tambin en generadores ideales o reales. En este epgrafe solamente se van a comentar los generadores ideales tanto independientes como dependientes.

Una fuente independiente ideal es un elemento activo que suministra una tensin o corriente especificada y que es totalmente independiente de los dems elementos del circuito

Una fuente dependiente ideal (o controlada) es un elemento activo en el que la magnitud de la fuente se controla por medio de otra tensin o corriente son:

1. Fuente de tensin controlada por tensin (FTCT).2. Fuente de tensin controlada por corriente (FTCC).3. Fuente de corriente controlada por tensin (FCCT).4. Fuente de corriente controlada por corriente (FCCC).

Elementos pasivos

Son aquellos componentes de los circuitos que disipan o almacenan energa elctrica y constituyen por ello los receptores o cargas de una red. Estos elementos son modelos matemticos lineales e ideales de los elementos fsicos del circuito que individualmente pueden presentar las siguientes propiedades:

a) disipacin de energa elctrica (R: resistencia); b) almacenamiento de energa en campos magnticos (L: coeficiente de autoinduccin); c) almacenamiento de energa en campos elctricos (C: capacidad). Las tres propiedades pueden darse en mayor o menor grado en el comportamiento de un componente de un circuito real, por ello las caractersticas de los componentes prcticos pueden sintetizarse por medio de una adecuada combinacin de R, L y C.

RESISTORES.

En este apartado del tema se estudiarn los distintos tipos de resistores existentes: Resistores fijos. Resistores variables.Resistores dependientes (LDR y termistores).

RESISTORES FIJOS.

Un resistor fijo es un componente electrnico que proporciona un determinado valor de resistencia al paso de la corriente elctrica.

Smbolo

Como el resistor presenta una resistencia conocida, permite controlar el paso de corriente elctrica:

Aplicaciones:

Los resistores fijos se emplean en circuitos electrnicos para:Proporcionar una resistencia conocida al paso de la corriente.Limitar el valor de la corriente (proteccin de componentes frente grandes corrientes) Controlar o fijar tensiones (polarizar circuitos)

Conceptos bsicos de resistores: Resistencia nominal (Rn): es el valor de resistencia esperado del resistor a temperatura ambiente(25C). Este valor suele venir marcado en el cuerpo del componente mediante un cdigo de colores. Resistencia real: Es el verdadero valor resistivo que presenta el resistor una vez montado en elcircuito, y la forma de averiguarlo es midiendo. Tolerancia: mxima variacin del valor real respecto el nominal. Depende de la tcnica de fabricacin,material, etc., y es indicado por el fabricante en el cuerpo del componente junto con el valor nominal.Cdigo de colores:La mayora de resistores fijos indican su valor resistivo nominal y su tolerancia mediante un sistema de barras de colores en su superficie.Normalmente el cdigo de colores de un resistor est compuesto de 3 bandas: Banda 1: primera cifra de la resistencia. Banda 2: segunda cifra de la resistencia. Banda 3: valor multiplicador. Banda 4: Tolerancia (sin color: 20%)La banda de tolerancia se identifica porque suele estar algo ms separada del resto de bandas.

RESISTORES VARIABLES.Los resistores variables son resistores cuyo valor de resistencia se puede variar desplazando un cursor o girando un eje. De esta manera se modifica la resistencia que ofrece el resistor variable desde 0 _ hasta el valor mximo indicado en el cuerpo del resistor.

Aplicaciones:Los resistores variables se emplean como reguladores de intensidad, en aplicaciones de control de nivel de luminosidad, de sonido, etc.

RESISTORES DEPENDIENTES DE LA TEMPERATURA.

Los resistores dependientes de la temperatura o TERMISTORES son resistores cuya resistencia depende de la Temperatura a la que se encuentren.Hay dos tipos de termistores: NTC y PTC:

En los NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo) disminuye la resistencia al aumentar la temperatura.

En los PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo) aumenta la resistencia al aumentar la temperatura.

Resistores ntc resistores ptcAplicaciones:Los termistores ms habituales son los NTC, y se utilizan como sensores de Temperatura en termostatos, termmetros, circuitos de proteccin de aparatos elctricos frente la temperatura, sistemas domsticos, detectores de incendios, etc.

CONDENSADORES.

Un condensador es un dispositivo electrnico pasivo, compuesto por dos placas metlicas (conductoras) separadas por un material aislante (dielctrico).

Esquema de un condensador smbolo

Aplicaciones:

Son componentes capaces de almacenar carga elctrica, por lo que se comportan como almacenes de energa elctrica.

El proceso de carga y descarga de energa de los condensadores los hace muy tiles como almacenes temporales de carga, en aplicaciones como temporizadores y retardadores (aunque tambin se utilizan como bateras, filtros, circuitos de comunicaciones, etc.).

Terminales radiales miniatura terminales axiales capsula plana montaje superficial terminales roscadas

Conduccin radial pelcula lamina pelcula de polister metalizada pelcula de polister pelcula de propilopenopolister

Capacidad del condensador.

La capacidad de un condensador es su parmetro ms importante. Indica la cantidad de carga que un condensador puede almacenar en funcin de la tensin aplicada:

Su unidad es el Faradio (F). Se trata de una unidad bastante grande, por lo que los condensadores ms habituales presentan capacidades de milifaradios (mF), microfaradios (F) o picofaradios (pF).

Ejemplo: un condensador de 30 F es capaz de almacenar 15 veces ms carga elctrica (energa elctrica) que un condensador de 2 F.

INDUCTORES

En la seccin anterior aprendimos que el envi de una corriente a travs de una bobina de alambre, con o sin ncleo, establece un campo magntico por y alrededor de la unidad.

Este componente, de construccin un tanto simple se llama inductor (tambin se le conoce como bobina).

Su nivel de inductancia determina la fuerza del campo magntico alrededor de la bobina debido a una corriente aplicada. Cuanto ms alto sea el nivel de inductancia, ms grande ser la fuerza del campo magntico.

los inductores estn diseados para establecer un campo magntico que enlaza la unidad, mientras que los capacitores estn diseados para establecer un fuerte campo elctrico entre las placas

El nivel de inductancia tiene sensibilidades de construccin similares en que depende del rea interna de la bobina, de la longitud de la unidad y de la permeabilidad del material de ncleo.

Tambin es sensible al nmero de vueltas de alambre en la bobina, como lo dicta la siguiente ecuacin y se define:

Tipos de inductores

Los inductores, como los capacitores y los resistores, pueden clasificarse bajo los encabezados generales de fijos o variables.

Fijos Los inductores de tipo fijo vienen en todas las formas y tamaos. Sin embargo, por lo general, el tipo de construccin, el ncleo utilizado y la capacidad de corriente, determinan el tamao de un inductor

En cada caso, la inductancia se cambia girando la ranura en el extremo del ncleo para meterla o sacarla de la unidad. Cuanto ms adentro esta del ncleo, ms material ferromagntico forma parte del circuito magntico, y ms grandes son la fuerza del campo magntico y el nivel de inductancia.

MATERIALES SEMICONDUCTORES.

Hasta ahora, se han estudiado los componentes electrnicos pasivos (resistores, condensadores y rels), que son aquellos componentes que no modifican ni amplifican la seal elctrica. Los componentes pasivos se fabrican a partir de materiales conductores (como la bobina del rel y las placas de los condensadores) o aislantes (como los resistores o el dielctrico de los condensadores).

Sin embargo, tambin existen los componentes electrnicos activos (diodos y transistores), los cuales son capaces de modificar o amplificar la seal elctrica.Los componentes activos no se construyen con materiales conductores o aislantes, sino con unos materiales llamados SEMICONDUCTORES.

QU SON LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES?

Recordemos: Material conductor: material que permite el paso de la corriente elctrica a su travs. Tiene una muy baja resistencia Material aislante: material que impide que la corriente elctrica los atraviese. Presentan una altsima resistencia.

Pues bien, un material semiconductor es un material aislante que puede comportarse como un conductor si se le suministra una pequea cantidad de energa (un pequeo voltaje).

En la actualidad, los semiconductores han cobrado una enorme importancia tecnolgica, ya que han permitido la revolucin de la electrnica, las telecomunicaciones, la informtica, etc.

La mayora de dispositivos electrnicos actuales incorporan componentes o chips fabricados con materiales semiconductores. Esto es as debido a las importantsimas ventajas que ofrecen (reducido tamao, pequeo consumo, bajo precio y gran potencia de trabajo).

Los elementos activos como el diodo y el transistor son dispositivos construidos con materiales semiconductores, y su funcionamiento se basar en el principio de funcionamiento de los semiconductores.

EL DIODO SEMICONDUCTOR.

El diodo semiconductor es un componente electrnico activo que slo permite que la corriente elctrica pase a travs de l en un solo sentido (el indicado por la flecha de su smbolo elctrico).Terminales de conexin:

Los diodos presentan dos terminales o patillas de conexin: nodo (A) y Ctodo (K):

Generalmente los diodos incorporan en su carcasa o patillas ciertos indicadores para poder identificar qu conector es el nodo (A) y qu conector es el ctodo (K). Habitualmente la patilla de conexin ms corta identifica al ctodo (K)

Existen dos tipos bsicos de diodos: diodos rectificadores y diodos LED.

Funcionamiento bsico del diodo rectificador: Polarizacin directa (nodo conectado al positivo de la alimentacin): el diodo se comporta como un conductor y deja pasar la corriente elctrica, oponiendo una resistencia casi nula. Polarizacin inversa (nodo conectado al negativo de la alimentacin): el diodo se comporta como un aislante e impide el paso de la corriente elctrica, presentando una resistencia enorme.

Funcionamiento bsico del diodo LED:

Polarizacin directa (nodo conectado al positivo de la alimentacin): el diodo LED deja pasar la corriente elctrica y se ilumina.

Polarizacin inversa (nodo conectado al negativo de la alimentacin): el LED acta como una barrera, no deja pasar la corriente elctrica, y no se ilumina.

Aplicaciones:

Los diodos son componentes utilizados principalmente en dos aplicaciones:

Diodo rectificador: utilizado en fuentes de alimentacin, cargadores, etc. para convertir corriente alterna (red de distribucin) en corriente continua (alimentacin). Tambin se usa en circuitos para controlar el sentido de circulacin de la corriente.

Diodo LED: indicadores luminosos (semforos, pantallas, electrodomsticos) y emisores / detectores (mandos a distancia, emisores lser, sensores infrarrojos, etc.).

EL TRANSISTOR.

Los transistores son dispositivos semiconductores que se utilizan como AMPLIFICADORES o INTERRUPTORES controlados por una pequea corriente (corriente de base).

Simbologa y terminales.

El transistor tiene 3 terminales de conexin: Base (B), Colector (C) y Emisor (E). Su smbolo elctrico normalizado es el que se indica a continuacin:

Funcionamiento bsico del transistor.

De forma simplificada, se puede decir que el transistor se comporta como un interruptor controlado por la corriente que le entra por el terminal de Base:

1)Si no llega corriente a la base, el transistor se comporta como un interruptor abierto: la resistencia entre colector y emisor es altsima (se comporta como aislante), la bombilla no recibir corriente y no se encender.

2) Si le llega una pequea corriente a la base (IBASE), el transistor reduce drsticamente su resistencia entre colector y emisor (se vuelve conductor).

3) Como la resistencia entre colector y emisor se reduce, el transistor se comporta como un interruptor cerrado: circular una corriente muy grande (ICOLECTOR) a la bombilla y se encender.

La corriente de Colector muy alta (mucho ms que la de Base), por lo que el transistor tambin funciona como un amplificador. Adems, el transistor permite controlar la magnitud de la gran corriente de Colector.Cmo?

Controlando el valor de la pequea corriente que llega a la Base, se puede controlar la resistencia entre Colector y Emisor, y por tanto el valor de la corriente de Colector.

Este funcionamiento tambin se puede entender mediante un smil hidrulico del transistor (el transistor se comportara como una vlvula):

1) Si no llega agua por el conducto de la Base, el conducto entre Colector y Emisor est cerrado (no puede circular agua entre colector y emisor).

2) Si llega una pequea corriente de agua al conducto de Base, esta corriente vence la resistencia del tapn y empieza a circular agua entre Colector y Emisor.Dependiendo de la cantidad de agua introducida a la Base, se puede controlar la apertura del canal

Colector a Emisor, y por tanto la cantidad de agua circulante entre Colector y Emisor.

3) Adems, la corriente de agua entre Colector y Emisor llega a hacerse mucho ms grande que la corriente de agua por la Base.

En resumen

Un transistor es un dispositivo semiconductor que funciona como un interruptor controlado por una pequea corriente de Base. Adems, al activarse produce una gran corriente en el Colector por lo que tambin funciona como amplificador.

Ganancia de corriente.

Como se ha comentado, cuando el transistor recibe por la Base una pequea corriente, permite la circulacin de una corriente altsima entre Colector y Emisor. Es decir, adems de funcionar como interruptor, funciona como amplificador de la corriente de la Base (recibe una pequea corriente de Base, y genera una grandsima corriente de Colector).

A la relacin entre la corriente de Base y la corriente de Colector se le llama GANANCIA ( hFE):

Aplicaciones.

El transistor resulta esencial en muchos circuitos electrnicos empleados para amplificar o controlar una seal elctrica.Una aplicacin tpica son los circuitos de automatismos: los sensores (LDR, NTC, etc.) normalmente general una seal elctrica muy dbil, que es insuficiente para activar un receptor (rel, motor, altavoz, bombilla, etc.). En estos casos la dbil seal del detector se usa como corriente de base del transistor, para que resulte amplificada en la corriente de colector, y pueda activar el receptor.

Ejemplo: activacin del motor de un ventilador en funcin de la temperatura ambiente (NTC).

Referencias

https://tecnosan4.wikispaces.com/file/view/Tema2.COMPONENTESELECTR%25C3%2593NICOS%2528ALUMNOS%2529.pdf

Jess fraile mora circuitos elctricos

Fundamentos De Circuitos Elctricos - 3edi Sadiku

Introduccion al Analisis de Circuitos 12va ed. - Robert L. Boylestad