Electricidad Básica

Guía Conceptual y Ejercicios

Preparada Por: José Rubio González

TEMA 1: Conductores y Aislantes

Elementos de un átomo: Toda la materia está formada por átomos. Los átomos tienen un núcleo con electrones en movimiento alrededor de ella. El núcleo está compuesto de protones y neutrones (no mostrado en la figura). Los electrones tienen una carga negativa (-). Los protones tienen una carga positiva (+). Los neutrones son neutros, no tienen carga eléctrica. En el estado normal de un átomo, el número de electrones es igual al número de protones y la carga negativa de los electrones es equilibrada por la carga positiva de los protones.

Los electrones libres: Los electrones se mueven alrededor del núcleo a diferentes distancias. Los más cercanos al núcleo, se encuentran más fuertemente ligados al átomo. Los electrones en la banda exterior (capa de valencia) pueden ser fácilmente forzados a salir del átomo, por la aplicación de una fuerza externa tal como un campo magnético, fricción o acción química. Los electrones forzados a salir de los átomos a veces se llaman electrones Libres. Un electrón libre deja un vacío (hueco) que puede ser llenado por un electrón forzado a salir de otro átomo.

Conductores: Una corriente eléctrica se produce cuando los electrones libres se mueven

de átomo a átomo en un material. Los Materiales o metales que permiten que muchos electrones se muevan libremente en su estructura atómica, se llaman conductores. Metales como el Cobre, plata, oro, aluminio, zinc, latón, hierro se consideran buenos conductores. De estos materiales, el cobre y el aluminio son los más comúnmente usados como conductores.

Materiales Aislantes: Los Materiales que permiten unos pocos electrones libres se llaman aislantes. Los materiales tales como plástico, caucho, vidrio, mica, y de cerámica son buenos aislantes.

Un cable eléctrico es un ejemplo de cómo los conductores y aisladores se utilizan en forma conjunta. Los electrones fluyen a lo largo del Conductor de Cobre o aluminio, para proporcionar energía a un dispositivo eléctrico, tal como una TV, radio, lámpara, o un motor. El material aislante alrededor externo del Conductor de Cobre se instala para mantener los electrones en la sección de conductor de cobre interno.

Materiales Semiconductores: Los semiconductores, tales como el silicio o el germanio, se utilizan para la fabricación de dispositivos que tienen ambas características, de los materiales conductores y aislantes. Muchos dispositivos semiconductores actúan como un conductor cuando una fuerza externa se aplica en una dirección y como un aislante cuando la fuerza externa se aplica en una dirección opuesta. Este principio es la base para los transistores, diodos y otros dispositivos de estado sólido electrónicos.

Caucho Aislante Conductor de Cobre

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1. Enumere las tres partículas básicas de un átomo e indique la carga de cada una (positivo, negativo o neutro).

2. Los materiales que permiten muchos electrones libres, para moverse libremente en su estructura atómica, son llamados ________.

3. ¿Cuál de los siguientes materiales son buenos conductores?

a. cobre e. aluminio

b. plástico. f. vidrio

c. plata g. hierro

d. caucho h. mica

4. Los materiales que permiten que sólo algunos pocos electrones libres se muevan entre sus átomos, se denominan ____________

TEMA 2: Corriente, Voltaje y Resistencia

Todos los materiales están compuestos de uno o más elementos. Un elemento es un material compuesto sólo por un tipo de átomos. Estos elementos se identifican por el número de protones y electrones en un átomo del elemento. Un átomo de hidrógeno, por ejemplo, tiene sólo un electrón y un protón. Un átomo de aluminio tiene 13 electrones y 13 protones. Un átomo con un número igual de electrones y protones es eléctricamente neutro (consulte una tabla períodica).

Las Cargas Eléctricas: Los electrones en la banda exterior de un átomo pueden ser fácilmente desplazados por la aplicación de fuerza externa. Cuando un electrón es forzado a salir de un átomo, este deja tras de sí, en su átomo original, más protones que electrones. Este átomo ahora tiene una carga eléctrica positiva adicional. Los átomos o moléculas de un material también pueden tener un exceso de electrones, cuando existe un exceso de carga eléctrica negativa en el átomo. Una carga positivo o negativo en el átomo, es causada por la ausencia o exceso de electrones. Ojo, que el número de

protones en el núcleo del átomo se mantiene constante, sólo varía la cantidad de electrones.

Atracción y Repulsión de las Cargas Eléctricas: Los átomos o cuerpos con cargas eléctricas opuestas se atraen y los con cargas iguales se repelen. Esto ocurre dado que los cuerpos cargados eléctricamente tienen un campo eléctrico invisible alrededor de ellos. Estas líneas de campo o fuerzas invisibles provocan atracción o repulsión. Cuando dos cuerpos están con cargas eléctricas iguales, sus campos eléctricos se repelen entre sí, separando los cuerpos uno con respecto al otro. En cambio, cuando dos cuerpos se encuentran cargados con cargas eléctricas diferentes, estos se unen, Sus campos eléctricos se atraen y por tanto se atraen los cuerpos, uno con respecto al otro.

La interacción de las cargas eléctricas es dependiente de la cantidad o intensidad de cada carga y la distancia entre ellas. Cuanto mayor es la cantidad de cada carga, más se atraen o se repelen entre sí. Sin embargo esta interacción es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas.

Corriente: El flujo de electrones libres, en un material, desde un átomo al siguiente átomo en la misma dirección se conoce como corriente y se designa por el símbolo “I” . La cantidad de corriente que fluye se determina por el número de electrones que pasan a través de una sección transversal de un conductor, en un segundo de unidad de Tiempo.

Se debe tener en consideración que los átomos son muy pequeños. Por lo que para cubrir o llenar un centímetro cúbico de un conductor de cobre necesitaremos aproximadamente

Repulsión

Carga Neutra Carga Negativa Carga Positiva

Atracción

10 exp 24 átomos. Esto significa que para representar un pequeño valor de corriente, expresado por medio de electrones, obtendríamos un número extremadamente grande.

Por esta razón, la corriente se mide en amperes . La letra “A” es el símbolo para representar a los amperes. La corriente de un (1) amper, significa que en un segundo aproximadamente 6,24 x 10 exp 18 electrones se mueven a través de la sección transversal de un conductor.

Debido a que en la práctica es común encontrar amplias variaciones en las magnitudes eléctricas, las unidades eléctricas suelen tener prefijos métricos de unidades que se expresan en potencias de diez. La siguiente tabla muestra cómo tres de estos prefijos se utilizan para representar valores grandes y pequeños de corriente:

Dirección o sentido del Flujo de Corriente: Algunos textos distinguen entre el flujo de los electrones y el flujo de la corriente. El enfoque convencional de flujo de corriente ignora el flujo de los electrones y sólo considera que la corriente fluye desde un punto de potencial de carga positiva a otro de carga negativa o desde ánodo a catado. Aquí utilizaré, el flujo de los electrones, para expresar el sentido de la corriente. Este concepto que establece que los electrones fluyen desde un punto de potencial de carga negativa a positiva, no es utilizado, pero ayuda a tener presente si los alumnos estudian y comprenden la convención tradicional.

El Voltaje: La fuerza requerida para hacer que el flujo de electricidad o corriente circule o fluya a través de un conductor se llama electromotriz (fem). La fem, es la diferencia de

potencial, de tensión o de voltaje, entre dos puntos de conexión. El voltaje se designa con la letra “E” o la letra “V”. La unidad de medida de tensión es el “Volts”.

Una tensión o nivel de voltaje puede ser generada de diversas maneras. Una batería utiliza un proceso electroquímico. Un alternador de auto y una planta de energía generadora utilizan un proceso de inducción magnética .

Todas las fuentes de voltaje, comparten la característica de un exceso de electrones en un terminal y una escasez en el otro terminal. Esto da como resultado una diferencia de potencial entre los dos terminales de conexión.

Para una fuente de corriente directa de voltaje continuo (DC), la polaridad de los terminales no cambia, por lo que la corriente resultante es un flujo constante en la misma dirección.

En cambio una fuente de corriente de voltaje alterno (AC). La polaridad de los terminales cambia en la generación, por lo que la corriente fluye en un sentido y otro según el voltaje AC sea positivo o negativo en cada ciclo o periodo de tiempo (50 o 60 herz).

La tabla siguiente muestra cómo determinados prefijos de unidades métricas son utilizados para representar los valores grandes y pequeños de voltaje:

La Resistencia: Un tercer factor que juega un papel importante en un circuito eléctrico es la resistencia. Todo material conductor en la naturaleza tiene implícito en su estructura atómica un cierto grado de resistencia que impide el flujo de corriente eléctrica hasta cierto punto. La cantidad de resistencia depende de la composición, longitud, sección transversal y la temperatura del material resistivo. Como regla general, la resistencia aumenta en un conductor con el aumento de la longitud o una disminución de sección transversal del conductor. La resistencia es designada por el símbolo “R”. El unidad de medida de la resistencia es el ohm (Ω)

Las Resistencias son dispositivos electrónicos fabricados para tener un grado específico de resistencia y se utilizan en un circuito para limitar el flujo de corriente y a para reducir el voltaje aplicado a otros componentes. Una resistencia por lo general se muestra simbólicamente en un esquema eléctrico de dos formas, una línea en zig-zag o un rectángulo vacío.

Además de las resistencias, todos los otros componentes electrónicos de un circuito y todos los conductores que conectan los componentes para formar un circuito, también tienen resistencia. La unidad básica de la resistencia es 1 ohm, sin embargo, la resistencia es a menudo expresado en múltiplos de las unidades más grandes mostrados en la siguiente tabla:

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1. Un material que tiene un exceso de electrones tiene una _________________ .

2. Un material que tiene una deficiencia de electrones tiene una ______________.

3. Al igual que las cargas eléctricas ___________ se __________ las cargas opuestas se ______________.

4. La ________ es la fuerza que, cuando se aplica a un conductor, existe el flujo de corriente.

5. El sentido de flujo de los electrones estándar es que se mueven de __________ a ____________.

6. Identificar la unidad básica de medida para cada uno de los elementos que se indican a continuación:

6.1.- Una Resistencia ________

6.2.- La Corriente ________

6.3.- La Tensión o el Voltaje ________

7.- Explique que es para usted una Resistencia, como se simboliza, como se mide, etc…

TEMA 3: Ley de Ohm´s

Circuito Eléctrico: Un circuito eléctrico simple, consta de una fuente de tensión, algunos tipos de carga, y los conductores para permitir que los electrones fluyan entre la fuente de tensión (voltaje) y la carga.

La ley de Ohm indica que la corriente varía directamente proporcional con el voltaje e inversamente proporcional con la resistencia.

Donde: La Corriente (I) es medida en amperes (A) El Voltaje (E) es medido en Volts La Resistencia (R) es medida en ohms (Ω)

Entonces la LEY DE OHM´s se expresa como:

Ejemplos de la ley de ohm´s:

Si tenemos un circuito similar, pero con una corriente de 200 mA y una resistencia de 10 Ω, tendremos:

E = I x R E = 0.2 A x 10 Ω = 2 V

TEMA 4: Circuitos de Corriente o Voltaje Continuo ( DC)

Circuitos En Serie: Un circuito en serie se forma cuando cualquier número de dispositivos electrónicos, están conectados de extremo a extremo de manera que sólo hay una trayectoria para la corriente.

El siguiente circuito eléctrico muestra cinco resistencias conectadas en serie. Existe un camino para el flujo de corriente desde el terminal negativo de la fuente de voltaje a través de los cinco resistencias y luego regresar a la terminal positiva de la misma fuente de voltaje:

La siguiente figura a continuación muestra en detalle como disponer instrumentos para medir voltaje:

Cada uno de ustedes debe recordar como medir Corrientes y sus formulas (será una pregunta de Prueba)

Circuito en Paralelo: Un circuito en paralelo se forma cuando dos o más dispositivos electrónicos están colocados en un circuito de lado a lado, de modo que la corriente puede fluir a través de más de una ruta, es decir se divide o fluye por más de un camino.

La siguiente figura muestra el circuito más sencillo de dos resistencias en paralelo. Hay dos caminos de flujo de corriente.

Una ruta de la corriente es desde el terminal negativo de la batería a través R1 regresando al terminal positiva de la fuente de voltaje. El segundo camino es desde el terminal negativo de la batería a través de R2, para luego volver al terminal positivo de la batería.

Recordar que estoy aplicando una convención de circulación de corriente no estándar, sólo para que ustedes refuercen sus conocimientos.

La resistencia total de un circuito en paralelo, con cualquier número de resistencias puede ser calculada usando la fórmula mostrada en la siguiente figura:

Ejemplo:

Otro Ejemplo:

Circuito Serie Paralelo: Son también conocidos como circuitos compuestos. Por lo menos tres componentes son necesarios para formar un circuito serie-paralelo. El siguiente ejemplo muestra la un circuito series paralelo simple. El circuito de la izquierda tiene dos resistencias en paralelo, en serie con una resistencia. El circuito de la derecha tiene dos resistencias en serie, en paralelo con otro resistencia.

Los circuitos series paralelos por lo general son más complejos que los dos anteriores mostrados, pero con lo enseñado en todos los párrafos anteriores estos siempre tienen solución, de otro modo será necesario apoyarnos en las leyes de kirchoff que veremos más adelante. Como ejemplo tenemos:

Del mismo modo, podemos considerar las corrientes:

Potencia en Circuitos de Corriente Continua (DC): De acuerdo a las leyes físicas, siempre que una fuerza de cualquier tipo genere un movimiento hace que obtengamos como resultado un trabajo. Si se ejerce una fuerza sin causar ningún movimiento, entonces no se realiza trabajo.

En un circuito eléctrico, el voltaje aplicado a un conductor causa el flujo de los electrones. Entonces, el voltaje representa es la fuerza y el flujo de electrones representa el movimiento. Luego, la potencia es la velocidad a la que se trabaja y es representada, en este apunte, por el símbolo (P). La unidad de medida de la potencia es el WATT, representado por el símbolo (W).

En una corriente “I” de un circuito cualquiera, un WATT es la velocidad a la que se realiza trabajo, cuando 1 Watt causa una corriente de 1 amper. Más adelante veremos también que hay otros tipos de energía que se aplican a circuitos de corriente alterna AC. Así tendremos las siguientes expresiones o formulas de Potencia.

Ejemplo:

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1.- La corriente total en un circuito que tiene un voltaje de 12 V y una resistencia de 24 Ω es ________ A.

2. La resistencia total de un circuito en serie con resistencias de los siguientes valores: R1 = 10 Ω, R2 = Ω 15, y R3 = 20 Ω es de _______ Ω.

3. El voltaje de un circuito en serie que tiene una corriente de 0,5 A y una resistencia de 60 Ω es de ________ V.

4. La resistencia total de un circuito en paralelo que tiene cuatro resistencias de 20 Ω es de ________ Ω.

5. En un circuito en paralelo con dos resistencias de igual valor y un flujo total de corriente de 12 A, la corriente a través de cada uno resistencia es de ________ A.

6. Para un circuito de corriente continua con un voltaje de 24 VDC y una corriente de 5 A, la potencia es ________ W.

7.- Dos resistencias de igual valor en Ω, se encuentran en un circuito con una fuente de voltaje DC de 24 V. Qué valor tendrá la corriente si cada resistencia tiene un valor de 100 Ω. Y cuál será su potencia.

TEMA 5: Magnetismo

Los principios de magnetismo son una parte integral e importante de la electricidad. De hecho, el magnetismo se puede utilizar para producir corriente eléctrica y viceversa.

Cuando pensamos en un imán permanente, a menudo nos imaginamos una herradura o un imán de barra o una aguja de una brújula, pero imanes permanentes vienen de muchas formas. Sin embargo, todos los imanes tienen dos características importantes. Atraen al hierro y, si son libres de moverse (como la aguja de una brújula), dado que un imán asume una orientación norte-sur.

Flujos de Líneas magnéticas: Cada imán tiene dos polos, un polo norte y otro polo sur. Líneas o fuerzas magnéticas invisibles de flujo dejan el polo norte y entran en el polo sur. Mientras que las líneas de flujo son invisibles, los efectos de los campos magnéticos son visibles, púes se manifiestan por medio de una fuerza electromagnética. Cuando una hoja de papel se coloca sobre un imán y colocamos limaduras de hierro dispersa libremente sobre ella, las limaduras se disponen a lo largo de las líneas invisibles del campo magnético.

La densidad de estas líneas de flujo magnético es mayor en el interior del imán y donde las líneas de flujo entran y salen del imán. Cuanto mayor sea la densidad de las líneas de flujo, mayor es el campo magnético.

Interacción entre dos materiales magnetizados (iman es): Cuando dos imanes se unen, el flujo magnético alrededor de los imanes provoca una forma de interacción. Cuando dos polos opuestos se unen los imanes se atraen entre si. Cuando dos polos iguales se juntan los imanes se repelen entre sí:

Electromagnetismo: Un campo electromagnético es un campo magnético generado por el flujo de corriente en un conductor. Toda corriente eléctrica genera un campo magnético y da lugar a una relación entre la dirección del flujo de corriente y la dirección del campo magnético.

La regla de la mano izquierda para materiales conductores sirve para visualizar esta relación. Si un material cualquiera conductor es portador de una corriente, se sujeta con la mano izquierda y con el pulgar apuntando en la dirección del flujo de los electrones, los dedos apuntan en la dirección de las líneas magnéticas entorno al material.

Ojo que si aplicamos el sentido de la corriente estándar, debemos aplicar la regla de la mano derecha, deben reforzar este concepto.

Circulación de la Corriente por una Bobina: Una bobina de alambre que lleva corriente, actúa como un imán. Bucles o vueltas Individuales de alambre, actúan como pequeños imanes. Los campos individuales se suman juntos o se refuerzan, para formar un solo gran imán. La fuerza del campo magnético, puede aumentar añadiendo más vueltas a la bobina. El aumento de la cantidad de corriente, o bobinado (mayor número de vueltas) en la bobina, alrededor de un material tal como hierro que conduce flujo magnético más fácilmente que el aire, aumenta el campo magnético.

La regla de la mano izquierda se aplica para las bobinas. Si los dedos de la mano izquierda, se envuelven alrededor de la bobina en la dirección del flojo de electrones, el dedo pulgar apunta hacia el polo norte del electroimán por lo que señalará el flujo o la dirección del campo magnético.

Nuevamente aplica que si se utiliza la circulación de corriente estándar, deberá aplicarse la regla de la mano derecha, (es decir depende del gusto del consumidor... chiste fome..).

Un electroimán está generalmente enrollado alrededor de un núcleo de hierro o algún otro material que fácilmente conduce líneas de fuerza magnéticas.

Una gran variedad de dispositivos eléctricos tales como motores, disyuntores, contactores magnéticos, relés y arrancadores de motor usan principios electromagnéticos, por lo que

este tema es relevante conceptualmente. En clases vimos el tema de los campos magnéticos de la tierra (tema interesante, dado por el equilibrio perfecto generado por la naturaleza).

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1. Las dos características de todos los imanes son: atraen si ________, y, si es libre de moverse, asumen aproximadamente una posición según ______________.

2. Las líneas de flujo dejan o salen siempre del polo ________ e ingresan al polo _________.

3. La regla de la mano izquierda para conductores afirma que, cuando la mano izquierda se coloca alrededor de un conductor, portador de corriente, con el pulgar apuntando en la dirección del flujo de la ________ , los dedos apuntan en la dirección del ____________.

4.- Explique la regla de la mano derecha…….

5.- Al circular una corriente por un material conductor este genera un _______________.

6.- La intensidad del campo magnético generado por la circulación de corriente por una bobina, dependerá de:

6.1.- ___________________________________, y

6.2.- _____________________________________

TEMA 6: Corriente o voltaje Alterna AC

El suministro de corriente para dispositivos eléctricos pueden provenir de una corriente directa o continua (DC) o una fuente de corriente alterna (AC).

En un circuito de corriente continua DC, los electrones fluyen continuamente en una dirección de la fuente de alimentación a través de un conductor, hacia una carga y, nuevamente a la fuente de alimentación. La polaridad del voltaje para la fuente de corriente continua se mantiene constante. Las fuentes de alimentación de DC son de baterías y/o generadores de corriente continua.

Por el contrario, un generador de AC hace que el flujo de electrones circule en una primera dirección y luego en otra dirección (+ y -). De hecho, un generador de AC invierte su polaridades en los terminales muchas veces por segundo, provocando que la corriente cambie de dirección por cada ciclo de inversión, dando lugar a los ciclos por segundo (herz) o la frecuencia en que la polaridad de la fuente de voltaje, se invierte entre positivo y negativo.

Corriente alterna Sinusoidal: La Tensión o voltaje alterno y la corriente varían continuamente en el tiempo entre valores positivos y negativos. El gráfico a continuación es una representación de corriente o voltaje AC, que es es una onda sinusoidal. Una onda sinusoidal puede representar corriente o voltaje. Hay dos ejes. El eje vertical representa la magnitud o amplitud de la corriente o el voltaje. El eje horizontal representa el tiempo. Resultando en una variación de ciclos por segundo, dando a lugar la frecuencia que se mide en herz.

Cuando la forma de onda está por encima del eje del tiempo, la corriente está fluyendo en una dirección. Esto se conoce como la dirección positiva. Cuándo la forma de onda está por debajo del eje del tiempo, la corriente está fluyendo en el dirección opuesta. Esto se conoce como la dirección negativa.

Una onda sinusoidal se mueve a través de una rotación completa de 360 grados, lo que se conoce como un ciclo de corriente alterna, el que se produce varias veces o ciclos en cada segundo.

Generador Básico de Corriente AC: Un generador básico consta de un campo magnético, una armadura, anillos colectores, escobillas y una carga resistiva. En un generador comercial, el campo magnético es creado por un electroimán, es decir campos magnéticos inducidos por bobinas, pero, para el generador simple mostrado más abajo se utilizan imanes permanentes.

Una armadura esta compuesta por hilos conductores enrollados en bucles o vueltas que gira a través del campo magnético. Por simplicidad, sólo se muestra en la figura un bucle o una sola vuelta.

Cuando el conductor se mueve a través del campo magnético, se induce una tensión en el conductor. Cuando la armadura gira a través del campo magnético, se genera una tensión en la armadura que hace que exista un flujo de corriente. Los anillos colectores se unen a la armadura y giran con ella. Las escobillas de carbón son montadas contra los anillos de deslizamiento para conducir la corriente de la armadura a una carga resistiva.

La armadura compuesta por una sola bobina, gira a través del campo magnético. En una primera posición esta a cero grados, los conductores de la armadura se están moviendo en forma perpendicular al campo magnético y no cortan las líneas de flujo magnético. Por lo tanto no hay voltaje inducido en la carga resistiva R1.

Operación del generador desde 0° a 90° grados: Al girar la bobina de inducción desde cero a 90 grados, los conductores de cortan las líneas de flujo magnético, construyendo una tensión máxima inducida en la dirección positiva, en la carga resistiva R1:

Operación del generador desde 90° a 180° Grados: La bobina de inducción continúa girando desde 90 a 180 grados, nuevamente corta líneas de flujo magnético, pero va

Campo Magnético

Armadura

Escobillas

Anillos Deslizantes

disminuyendo. La tensión inducida disminuye desde un valor máximo positivo a cero, en la carga resistiva R1:

Operación del generador desde 180° a 270° Grados: La armadura o bobina de inducción sigue girando de 180° grados a 270° grado s, los conductores cortan nuevamente las líneas de flujo magnético, pero en la dirección opuesta, y se induce tensión negativa, aumentando hasta un máximo de 270 grados, sobre la carga resistiva R1:

Operación del generador desde 270° a 360° Grados: Cuando la armadura sigue girando desde 270° a 360° grados, la tensión induci da disminuye desde un valor máximo negativo a cero. Esto completa un ciclo. La bobina inducida o armadura continúa girando a una velocidad constante haciendo que el ciclo se repita siempre.

Un Generador AC de 4 Polos: Como vimos anteriormente, un generador de AC produce un ciclo por revolución para cada par de polos. Un aumento en el número de polos, causa un incremento en el número de ciclos completados en una revolución. El generador de dos polos, completa un ciclo por cada revolución, y un generador de cuatro polos

completa dos ciclos por cada revolución. Aumentó al doble la cantidad o número de ciclos por cada revolución. Aumento la frecuencia.

Espero haber explicado en forma resumida y didáctica la situación. Siempre es bueno experimentar. Si aún no queda claro, utilizar un CD con imanes sobre su superficie y acercar un imán, experimentarán como se produce el movimiento. El CD debe estar montado sobre una base fija con un rodamiento. Notar que la tierra tiene sólo dos polos.

El Concepto de Frecuencia: El número de ciclos por segundo de voltaje inducido en la armadura es la frecuencia del generador. Si tenemos dos polos y la armadura del generador gira a una velocidad de 60 revoluciones por segundo, el voltaje generado tendrá una frecuencia de 60 ciclos por segundo. La unidad reconocida para la frecuencia es el “hertz”, abreviado Hz. 1 Hz es igual a 1 ciclo por segundo.

Las compañías eléctricas de generación distribuyen electricidad a muy bajo frecuencias. La frecuencia de la línea de alimentación estándar en los Estados Unidos y muchos otros países es de 60 Hz. 50 Hz es también una frecuencia de línea de alimentación común usado en todo el mundo, como en Chile. La figura siguiente muestra 15 ciclos en ¼ de segundo, que es equivalente a 60 Hz. El alumno deberá determinar la cantidad de ciclos por segundo para generar a 50 Hz.

Amplitud y otras características de una Corriente A C: Como se comento anteriormente, el voltaje y la corriente en un circuito de corriente alterna, suben y bajan o varían con el tiempo de acuerdo a un patrón conocido como una onda sinusoidal. Además de la frecuencia, que es la tasa de variación, una onda sinusoidal AC también tiene amplitud, que es el rango de variación del voltaje. Esta Amplitud de voltaje puede especificarse de tres formas: valor peak, valor peak To peak, y el valor efectivo o RMS.

El valor Peak de una onda senoidal, es el valor máximo para cada media onda senoidal. El valor Peak To Peak es el rango desde el Peak positivo al Peak negativo. Esto es el doble del valor Peak.

El valor efectivo o eficaz de la corriente alterna es también definido en términos de un efecto de calentamiento, equivalente al calentamiento producto de Corriente Continua DC. Los Instrumentos que son diseñados para medir el voltaje y la corriente AC, suelen mostrar el valor efectivo. El valor efectivo o eficaz de un voltaje alterno o de una corriente AC es aproximadamente igual a 0,707 veces el Valor Peak.

El valor eficaz o efectivo también se conoce como el valor RMS. Este nombre se deriva del concepto matemático “raíz cuadrada media” (√ 2 / 2 = 0,707), proceso que se utiliza para calcular el valor efectivo de una forma de onda senoidal.

El concepto de Valor Instantáneo de Voltaje o Corri ente AC: El valor instantáneo es el valor de la amplitud en cualquier punto en una onda sinusoidal. La forma de onda de voltaje, producida en un generador AC de dos polos, cuya armadura o bobina de inducido gira en 360 grados, se denomina “onda sinusoidal” porque el voltaje instantánea o actual esta relacionado con la función trigonométrica seno o coseno.

Como se muestra en la siguiente figura, el voltaje instantánea (e) y la corriente (i) en cualquier punto de la onda sinusoidal es igual al valor peak del seno del ángulo. El valor de seno(x), que se muestran en la figura se obtiene a partir de la función trigonométrica. Considera que cada punto tiene un valor instantáneo, pero esta figura sólo muestra el seno del ángulo a intervalos de 30 grados. El seno de un ángulo está representado simbólicamente como el sen(θ), donde la letra griega theta (θ) representa el ángulo.

El siguiente ejemplo muestra los valores instantáneos en 90, 150, y 240 grados para un peak de voltaje de 100 volt. Este se determina calculando el seno del valor del ángulo, para el voltaje instantáneo dado:

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1. Un __________ es la representación gráfica de valores de voltaje o corriente AC en el tiempo.

2. Un generador de AC, produce ciclos ____________ por cada revolución, para cada par de polos.

3. El voltaje instantánea a 240 grados, en un peak de tensión de 150 V, es ________ V.

4. La tensión eficaz o voltaje efectivo, de una onda sinusoidal con un peak de voltaje de 150 V es de __________ V.

TEMA 7: Inductancia y Capacitancia

La inductancia: Los circuitos estudiados hasta el momento han sido resistivos. La resistencia y el voltaje no son los únicos elementos electrónicos con las propiedades en un circuito de conducir el flujo de corriente. La inductancia es la propiedad de un circuito eléctrico de oponerse a cualquier cambio o variación en la corriente eléctrica.

La resistencia se opone al flujo de corriente, la inductancia se opone a los cambios en el flujo de la corriente. Inductancia se designa con la letra “L”. La unidad de medida de inductancia es el Henrio (h), sin embargo, porque el Henrio es una unidad relativamente grande, la inductancia es a menudo clasificada en milihenrios o microhenries.

El flujo de corriente produce un campo magnético en un conductor. La cantidad de corriente es la determina la fuerza del campo magnética. A medida que aumenta el flujo de corriente, aumenta la intensidad de campo magnético, y si el flujo de corriente disminuye, disminuye también la intensidad de campo.

Cualquier cambio en la corriente provoca un cambio en el campo magnético que rodea el conductor. La corriente es constante para una fuente de corriente continua DC regulada, excepto cuando el circuito está encendido y apagado, o cuando hay un cambio de carga.

Sin embargo, para la corriente alterna AC está cambiando constantemente, y es la inductancia la que continuamente se opone al cambio de ésta. Un cambio en el campo magnético que rodea el conductor induce un voltaje en el conductor. Este voltaje auto-inducido se opone al cambio en la corriente y es conocido como fem.

Todos los conductores y muchos otros dispositivos eléctricos tienen una significativa cantidad de inductancia intrincicamente en ellos, pero existen los inductores que son bobinas de alambre enrollado con un valor de inductancia específico. Para algunas aplicaciones, los inductores se enrollan alrededor de un núcleo de metal para concentrar aún más la inductancia. La inductancia de una bobina se determina por el número de vueltas en la bobina, el diámetro de la bobina, la longitud y el material del núcleo. Como se muestra en la siguiente figura, una inductancia o bobina es generalmente indicada simbólicamente en un circuito eléctrico como una línea curvada.

Así los inductores o bobinas son componentes electrónicos fabricados con una inductancia (L) medida en henrios específica:

Bobina Bobina con núcleo de Hierro

Ahora bien, todos los aparatos o equipos eléctricos tienen inductancia. Los productos que se muestran a continuación son ejemplos de productos que son inductivos por su construcción:

Bobinas en Circuito Serie: En el siguiente circuito, una fuente de CA suministra energía eléctrica a cuatro bobinas. La Inductancia total de las bobinas en serie es igual a la suma de las inductancias.

Bobinas en Circuito Paralelo: La inductancia total de bobinas en paralelo se calcula utilizando una fórmula similar a la de la fórmula para la resistencia en paralelo. El siguiente ejemplo muestra el cálculo para un circuito con tres bobinas en paralelo.

La Capacitancia y los Condensadores: La capacitancia es una medida de la capacidad de un circuito para almacenar una carga eléctrica. Un dispositivo fabricado para tener una

específica cantidad de capacitancia se llama un condensador. Un condensador se hace arriba de un par de placas conductoras separadas por una capa delgada de material aislante. Otro nombre para el material aislante es material dieléctrico. Un condensador es generalmente indicada simbólicamente en un dibujo eléctrica mediante una combinación de una línea recta con una línea curva o dos líneas rectas, como en las figuras a continuación.

Los condensadores son dispositivos electrónicos fabricados con una cierta cantidad específica de conductancia, medida en Faradios.

La corriente directa no puede fluir a través de un condensador a menos que este defectuoso.

Cuando se aplica un voltaje a las placas de un condensador, los electrones son forzados a permanecer en una sola placa y repelidos desde la otra. En este caso el condensador esta cargado. La corriente directa no puede fluir a través del material dieléctrico, ya que es un aislante, sin embargo, el campo eléctrico creado cuando el condensador está cargado se encuentra a través del dieléctrico. Los condensadores se clasifican por la cantidad de carga que pueden contener.

La capacitancia de un condensador depende de la zona entre las placas, de la distancia entre las placas, y el tipo de material dieléctrico utilizado. El símbolo para la capacitancia es “C” y la unidad de medida es el faradio (F). Sin embargo, debido a que el faradio es una unidad grande, los condensadores se especifican en microfaradios (µF) o picofaradios (pF).

Condensadores en Circuitos en Serie: La conexión de condensadores en serie reduce la capacitancia total del circuito. La fórmula para los condensadores en serie es similar a la fórmula para resistencias en paralelo. En el siguiente ejemplo, una fuente de CA suministra energía eléctrica a tres condensadores.

Circuitos de condensadores en Paralelo: La capacidad de los condensadores en circuitos en paralelo aumenta. En el ejemplo siguiente tenemos condensadores en paralelo, la capacidad total se determina sumando la capacidad individual de cada condensador.

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1.- Determine la inductancia total para este circuito:

2.- Determine la inductancia total para este circuito:

3.- Determine la capacidad total en este circuito:

4.- Determine la capacidad total en este circuito:

TEMA 8: Reactancia e Impedancia

En un circuito de corriente alterna AC, puramente resistivo, la resistencia es la única oposición al flujo de corriente. En un circuito de CA sólo con inductancias, capacitancias, o ambas inductancia y la capacitancia, pero sin la resistencia, la oposición al flujo de corriente se denomina reactancia , designada por el símbolo “X”. Oposición total al flujo de corriente en un circuito de CA, que contiene tanto reactancia y resistencia se llama impedancia , designado por el símbolo “Z”. Al igual que la resistencia, la reactancia y la impedancia se expresan en ohmios (Ω).

La Reactancia Inductiva: La Inductancia sólo afecta el flujo de corriente cuando la corriente está variando (AC). La Inductancia produce un voltaje autoinducida (fem) que se opone a los cambios o variaciones en la corriente. En un circuito de corriente alterna, La corriente está cambiando constantemente. Por lo tanto la inductancia provoca una oposición continua o permanente al flujo de la corriente que se denomina reactancia inductiva y se designa por el símbolo “XL”.

La reactancia inductiva es proporcional a la inductancia y la frecuencia aplicada. La fórmula para la reactancia inductiva se muestra a continuación.

Para un circuito cuya fuente de voltaje AC es de 60 Hz y que contiene una bobina de 10 mhenrios. La reactancia inductiva de la bobina es:

Para este ejemplo, la resistencia es cero, por lo que la impedancia es igual a la reactancia. Si la tensión es conocida, la ley de Ohm puede ser utilizada para calcular la corriente. Si, por ejemplo, el voltaje es de 10 V, la corriente se calcula como sigue:

Desfase entre la Corriente y el Voltaje en circuito s Inductivos: En un circuito de corriente alterna AC, puramente resistivo, la corriente y el voltaje se dice que están en fase, debido a que suben y bajan o varían al mismo tiempo (simultáneamente) como se muestra en el siguiente figura:

En un circuito de corriente alterna AC, puramente inductivo, la corriente y el voltaje están en desfase, porque el voltaje está retrasado en 90 grados respecto de la corriente como se muestra en la siguiente figura. Otra forma de decir lo mismo, es indicar que el voltaje esta desfasado en 90 grados respecto de la corriente:

En un circuito de corriente alterna AC, que incluye una resistencia y una inductancia o bobina (componente inductivo), El voltaje queda desfasado respecto de la corriente en más de 0 grados y menos de 90 grados. La cantidad exacta de retraso depende de las cantidades relativas de la resistencia y la reactancia inductiva. Mientras mayor la componente resistiva en un circuito, mayor será la tendencia a estar en fase entre el voltaje con respecto a la corriente. Ahora bien, mientras mayor la inductancia de la bobina o el circuito posea una mayor componente inductiva, mayor será el desfase entre el voltaje y la corriente y más próximo a 90 grados se encontrará. En el siguiente ejemplo, la resistencia y la reactancia inductiva son iguales por lo que el desfase entre el voltaje y la corriente es de 45 grados.

Cálculo de Impedancia en Circuitos Eléctricos Induc tivos: En el cálculo de la impedancia para un circuito con resistencia y reactancia inductiva, se usa la siguiente fórmula:

Por ejemplo, si la resistencia y la reactancia inductiva son cada 10 Ω (iguales), la impedancia se calcula de la siguiente manera:

Vectores: Una forma muy utilizada en electricidad, de representar en los circuitos de CA los valores reactivos es utilizando los diagramas de vectores, utilizados en la matemática compleja, por cuanto la reactancia es un número complejo con parte real (dada por la resistencia) y parte imaginaria “j” (dada por la reactancia). Así, un vector es una cantidad que tiene magnitud y dirección. Por ejemplo, el diagrama vectorial siguiente ilustra la relación entre la resistencia y la reactancia inductiva para un circuito que contiene 10 ohmios de cada uno. El ángulo entre la vectores, es el ángulo de fase representado por el símbolo θ. Cuando la reactancia inductiva es igual a la resistencia el ángulo resultante es de 45 grados. Este ángulo representa la cantidad de retraso del voltaje con respecto a la corriente, para este circuito.

La Reactancia capacitiva: En los Circuitos eléctricos con condensadores o componente capacitiva, también tienen reactancia. Esta es la que denominamos reactancia capacitiva y representamos por el símbolo “Xc”. Cuanto mayor sea el condensador, menor es la reactancia capacitiva. El flujo de corriente en un circuito capacitivo de CA es también dependiente de la frecuencia. La siguiente fórmula se utiliza para calcular la reactancia capacitiva:

La reactancia capacitiva de un circuito de 60 Hz con un condensador de 10 mF, se calcula como sigue:

Para este ejemplo, la resistencia es cero, de manera que la impedancia es igual a la reactancia. Si la tensión es conocida, la ley de Ohm puede ser utilizada para calcular la corriente. Por ejemplo, si el voltaje es de 10 VAC, la corriente se calcula como sigue:

Desfase entre la Corriente y el Voltaje en circuito s Capacitivos: La relación de fase entre la corriente y el voltaje en un circuito capacitivo es opuesta a la relación de fase en un circuito inductivo. En un circuito puramente capacitivo, la corriente se encuentra retrasada en 90 grados respecto del Voltaje.

En un circuito con resistencia y reactancia capacitiva, la corriente AC se encuentra retasada respecto al voltaje en más de 0 grados y menos que 90 grados. La cantidad exacta de retraso dependerá de la cantidades de la resistencia y de reactancia capacitiva. Si es la componente resistiva es mayor, mayor será la tendencia de la corriente y el voltaje a estar en fase. Ahora si la componente capacitiva es mayor, mayor será el desfase entre la corriente y el voltaje. En la siguiente figura, la resistencia y la reactancia capacitiva son iguales y por tanto el desfase entre la corriente y el voltaje es de 45 grados.

Cálculo de Impedancia en Circuitos Eléctricos Capac itivos: La siguiente fórmula se utiliza para calcular la impedancia en un circuito con resistencia y la reactancia capacitiva.

Por ejemplo, si la resistencia y la reactancia capacitiva son cada uno de 10 ohmios, la impedancia se calcula de la siguiente manera.

El vector siguiente ilustra la relación entre la resistencia y la reactancia capacitiva. El ángulo entre los vectores es representado por el símbolo θ. Cuando la reactancia capacitiva es igual a la resistencia, el ángulo resultante es de 45 grados.

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1. La ________ es la oposición al flujo de corriente AC, causada por la inductancia y capacitancia.

2. La ________ es la oposición total al flujo de corriente AC, causado por la resistencia, capacitancia, y/o de la inductancia.

3. Para un circuito de 50 Hz, con una bobina de 10 mH, la reactancia inductiva es ________ W.

4. En un circuito puramente inductivo:

a.- El voltaje y la Corriente están en fase

b. Desfase de la corriente y el voltaje de 90 grados

c. El voltaje se encuentra retrasado en 90 grados, respecto a la corriente.

5. En un circuito puramente capacitivo:

a.- La corriente y el voltaje están en fase

b. Desfase de la corriente y el voltaje de 90 grados

c. La corriente se encuentra retrasada en 90 grados respecto a la Corriente.

6. Para un circuito 50 Hz con un condensador de 10 mF, la reactancia capacitiva es ________ W.

7. Un circuito con 5 Ω de resistencia y 10 Ω de reactancia inductiva, tiene una impedancia de ________ Ω.

8. Un circuito con 5 Ω de resistencia y 4 Ω de reactancia capacitiva, tiene una impedancia de ________ Ω.

TEMA 9: Circuitos R-L-C en Serie y Paralelo:

Los Circuitos a menudo contienen resistencias, inductancias y capacitancias. En un circuito inductivo de CA, el voltaje esta retrasado en 90 grados respecto de la corriente. En un circuito capacitivo de CA, la corriente esta adelantada en 90 grados respecto del voltaje. Por lo tanto, cuando se representan estos circuitos en forma de vector, la componente inductiva y capacitiva están desfasadas en 180 grados. La reactancia neta se determina tomando la diferencia entre los dos cantidades.

En circuito de Corriente AC, éste es:

1.- Resistivo, si XL y Xc son iguales

2.- Inductivo, si XL es mayor que Xc.

3.- Capacitivo, si Xc es mayor que XL.

La siguiente fórmula se utiliza para calcular la impedancia (Z) total de un circuito que contiene resistencias, capacitancia e inductancia:

En el caso donde la reactancia inductiva es mayor que reactancia capacitiva, de la resta de (XL- XL) obtenemos un resultado positivo. El ángulo de fase es positivo y es un indicador de que en el circuito la impedancia neta es inductiva y que el voltaje se encuentra retrasado respecto de la corriente.

En el caso donde la reactancia capacitiva es mayor que la inductivo, la resta de (XL- Xc) en un número negativo. En este caso el ángulo de fase será negativo, lo cual es un indicador de que la impedancia neta es capacitiva y que la corriente se encuentra retrasada respecto del voltaje.

Circuito Serie R-L-C: En el siguiente ejemplo se muestra un cálculo de la impedancia total para un circuito serie R-L-C. Una vez que la impedancia total ha sido calculada, la corriente se calcula utilizando la ley de Ohm:

Debemos tener en cuenta que debido, a que tanto la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva son dependientes de la frecuencia, si la frecuencia cambia también cambiará la reactancia total. Para el ejemplo, si la frecuencia aumenta, la reactancia inductiva aumenta, pero disminuye la reactancia capacitiva, por lo que la reactancia total (en este caso aumentará).

Para el caso especial donde la frecuencia provoca que la reactancia inductiva y reactancia capacitiva sean iguales, Eliminándose el efecto de reactancia inductiva y capacitiva, en la impedancia total del circuito, permaneciendo sólo la parte resistiva pura. En este caso, la corriente es igual al voltaje dividido por la resistencia. Esto se conoce como un circuito resonante en serie.

Circuito paralelo R-L-C: Muchos de los circuitos contienen valores de resistencia, inductancia y capacidad en paralelo. Un método para determinar la impedancia total de un circuito en paralelo es comenzar por el cálculo de la corriente total.

En un circuito capacitivo de CA, la corriente se encuentra retrasada respecto del voltaje en 90 grados. En cambio, en un circuito inductivo de CA, voltaje el se encuentra retrasado respecto de la corriente en 90 grados. Cuando se representan en forma de vector, la corriente capacitiva y la corriente inductiva y se representan desfasadas en 180 grados de separación. La reactancia neta total se determina por medio de la diferencia entre ambas reactancias inductivas y capacitivas.

La corriente total del circuito se puede calcular como se muestra en el siguiente ejemplo. Una vez que la corriente total es conocida, la impedancia total se calcula usando la ley de Ohm.

Debido a que la reactancia inductiva y reactancia capacitiva son dependiente de la frecuencia, si la frecuencia de la fuente de voltaje cambia, las reactancias y corrientes correspondientes también cambiaran. Por ejemplo, si la frecuencia aumenta, la reactancia inductiva aumenta, y la corriente a través del inductor disminuye. Por otra parte, la reactancia capacitiva disminuye y la corriente a través del condensador aumenta.

Para el caso especial donde la frecuencia provoca que la reactancia inductiva y capacitiva se han iguales, las corrientes inductivas y capacitivas se cancelan, permaneciendo sólo la componente resistiva pura. En este caso, el inductor y el condensador forman un circuito resonante paralelo.

TEMA 10: Potencia y Factor de Potencia en un Circui to AC.

La potencia consumida por una resistencia se disipa en calor y no se devuelve a la fuente. Esto se conoce como la Potencia Verdadera, Real o Activa porque es la razón o velocidad a la que se usa o consume la energía.

La corriente en un circuito de AC se eleva a valores de peak y disminuye a cero muchas veces por segundo. La energía almacenada en el campo magnético de una bobina, o placas de un condensador, se devuelve a la fuente con los cambios entre positivo y negativo de la energía generada en la fuente, finalmente resultando un valor promedio igual a cero.

Aunque los componentes reactivos teóricamente no consumen energía, lo que hacen es aumentar la cantidad de energía que debe ser generada para hacer la misma cantidad de trabajo. La velocidad a la que esta energía debe ser generada se denomina potencia reactiva . Si el voltaje y la corriente están 90 grados desfasados, como sería el caso en un circuito puramente capacitivo o inductivo, el valor promedio de potencia activa es igual a cero.

La potencia en un circuito de CA es la suma vectorial de la potencia activa, real o verdadera y la potencia reactiva. Esto se llama potencia aparente . La potencia activa, verdadera o real es igual a la potencia aparente en un circuito puramente resistivo porque el voltaje y la corriente están en fase. El Voltaje y la corriente están también en fase en un circuito que contiene valores iguales de reactancia inductiva y la reactancia capacitiva. En la mayoría de los circuitos, sin embargo, es evidente que la alimentación está compuesta tanto de potencia activa, verdadera o real y potencia reactiva.

La fórmula para la potencia aparente se muestra a continuación. La unidad de medida para la potencia aparente es el volt-ampere (VA) o también se expresa en Kilo Volt Amper (KVA).

La potencia real se calcula a partir de otra de las funciones trigonométricas, el coseno del ángulo de fase (cos θ). La fórmula para la potencia aparente se muestra a continuación. La unidad de medida de la potencia aparente es el Watt (W).

En un circuito puramente resistivo, la corriente y el voltaje están en fase y hay un desplazamiento de cero grados en el ángulo entre la corriente y el voltaje. El coseno de cero es uno. Multiplicar por 1 no cambia el valor final. Por lo tanto, en un circuito puramente resistivo, el coseno del ángulo es ignorado.

En un circuito puramente reactiva, ya sea inductivo o capacitivo, el voltaje y la corriente están 90 grados desfasados. El coseno de 90 grados es cero. Multiplicando el valor por cero, el resultado es un cero. Por lo tanto, en un circuito no se consume energía de una forma puramente reactiva sino también resistiva.

Aunque los componentes reactivos no consumen energía, lo que hacen es aumentar la cantidad de energía que debe ser generado para hacer la misma cantidad de trabajo. La velocidad a la que esta energía debe ser generada se denomina potencia reactiva. La unidad para la potencia reactiva es el Volt Amper Reactivo (o VaR), que representa el volt-ampere reactiva.

Ejemplo para calcular la Potencia: El siguiente ejemplo muestra como calcular la potencia real y la potencia aparente, para el circuito mostrado.

Factor de Potencia: El factor de potencia es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente en un Circuito de CA. Como se indicó anteriormente, esta relación es también el coseno del ángulo de fase.

En un circuito puramente resistivo, la corriente y el voltaje están en fase. Esto significa que no hay ningún ángulo de desplazamiento entre la corriente y el voltaje. El coseno de un ángulo de cero grados es uno. Por lo tanto, el factor de potencia es uno. Esto significa que toda la energía suministrada por la fuente es consumida por el circuito y disipada en el, en forma de calor.

En un circuito puramente reactiva, el voltaje y la corriente están 90 grados desfasados. El coseno de un ángulo de 90 grados es cero. Por lo tanto, el factor de potencia es cero. Esto significa que toda la energía del circuito recibida desde la fuente es devuelta a la misma fuente.

Para el circuito en el siguiente ejemplo, el factor de potencia es 0,8. Esto significa que el circuito utiliza el 80 por ciento de la energía suministrada por la fuente y que el 20 por ciento se devuelve a la fuente.

Potencia Real

Potencia Aparente

Otra forma de expresar la potencia activa, real o verdadera es como la potencia aparente multiplicada por el factor de potencia. Esto también es igual a la corriente “I” multiplicada por el voltaje “E” y multiplicado por el factor de potencia o el coseno del ángulo de fase (θ) entre el Voltaje y la Corriente.

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1. Un circuito de AC es ________ si la reactancia inductiva y reactancia capacitiva son iguales.

2. Un circuito en serie de AC es ________ si hay más reactancia inductiva que reactancia capacitiva.

3. Un circuito serie de AC es ________ si hay más reactancia capacitiva que reactancia inductiva.

4. En una fuente de V 120, 60 Hz en serie con un circuito con una resistencia de 1000 W, una bobina de 10 mh, y un condensador de 4 mF, la impedancia es ________ Ω y la corriente es ________ A.

5. Para un circuito con una fuente de 120 VAC y una corriente de 10 A, la potencia aparente es __________ VA.

6. Para un circuito con una potencia aparente de 3000 VA y un factor de potencia de 0,8. La potencia real o verdadera es ________ W.

TEMA 11: El transformador

Los transformadores son dispositivos electromagnéticos que transfieren energía eléctrica desde un circuito a otro por inducción magnética. Un transformador monofásico tiene dos bobinas, una primaria y otra secundaria. La Inducción magnética es la transferencia de energía eléctrica desde un bobinado primaria a un bobinado secundaria a través campos magnéticos. Por ejemplo, en un transformador monofásico que alimenta un circuito eléctrico, tenemos el generador de CA que proporciona energía eléctrica a la bobina del primaria del transformador. El campo magnético producido en el devanado primario induce un voltaje en la bobina secundaria, que suministra energía a la carga.

Los transformadores se utilizan en la etapa de alta, media y baja tensión. Para comprender la necesidad de elevar o bajar el voltaje, se debe considerar como se genera y como se distribuye la energía eléctrica.

Los generadores usados por las compañías eléctricas suelen generar voltajes AC a 30 kV o menos. Si bien este es un voltaje relativamente alto en comparación con los voltajes utilizados por los clientes o consumidores de energía eléctrica, en la etapa de transmisión de los servicios públicos es más eficiente utilizar voltajes aún mayores, hasta 765 kV.

La energía eléctrica es recibida en transformadores de subestaciones a muchos kilómetros de distancia, desde donde se generó, se retiró y distribuye la energía localmente. Cuando se llega a la ubicación del cliente, es más bajo el nivel de voltaje necesario según el tipo de cliente.

Incluso dentro de las instalaciones del cliente, el voltaje necesario se baja aún más para satisfacer las necesidades de algunos equipos en las operaciones

Este proceso de aumentar o disminuir voltaje AC y generar las aislaciones galvánicas requeridas, a través de un sistema de distribución de energía, se realiza mediante transformadores. El tamaño y la clasificación de los transformadores varían, pero el funcionamiento básico de estos dispositivos es el mismo.

La inductancia entre dos bobinas depende del flujo magnético de vinculación. El máximo de acoplamiento se produce cuando todas las líneas del flujo magnético de la bobina primaria cortan la bobina del secundario. La cantidad de

acoplamiento que tiene lugar en este proceso se denomina coeficiente de acoplamiento . Para maximizar el coeficiente de acoplamiento, ambas bobinas son enrolladas (generalmente) sobre un núcleo de hierro que se utiliza para proporcionar una trayectoria para las líneas de flujo magnético.

Los siguientes comentarios respecto de transformadores aplican a los transformadores con núcleo de hierro.

Los transformadores tienen una relación directa entre el voltaje, la impedancia, y el número de vueltas en la bobina del primario y el secundaria. Esta relación se puede utilizar para encontrar ya sea el voltaje en el primaria o el secundario, conociendo como dato uno de ellos y el número de vueltas en cada bobina. Los siguientes comentarios se aplican a los transformadores:

Si la bobina primaria tiene menos vueltas que la bobina secundaria, el transformador es un transformador elevador.

Si la bobina primaria tiene más vueltas que la bobina secundaria, el transformador es un transformador reductor.

Cuando el número de vueltas en las bobinas del primario y el secundario de un transformador son iguales, el voltaje de entrada y la impedancia en el primario son iguales al voltaje de salida y la impedancia en el secundario.

Formulas aplicadas a los transformadores: Hay una serie de fórmulas útiles para el cálculo del voltaje y el número de vueltas del bobinado entre el primario y el secundario de un transformador. La siguiente nomenclatura de formulas se aplica al transformador:

ES = Voltaje en el secundario. EP = Voltaje en el primario. IS = Corriente en el secundario. IP = Corriente en el primario. NS = Cantidad de vueltas en la bobina del secundario. NP = Cantidad de vueltas en la bobina del primario.

Para encontrar el voltaje, aplica la siguiente formula:

Por ejemplo, si un transformador tiene un voltaje primario de 240 VAC, una corriente primaria de 5 A, y una corriente secundaria de 10 A, el voltaje del secundario se puede calcular como se muestra a continuación:

Para encontrar la corriente, aplica la siguiente formula:

Para encontrar la cantidad de vueltas de las bobinas, se aplican las siguientes formulas:

La potencia aparente nominal (Ratings) de un transf ormador: Los transformadores se clasifican por la cantidad de potencia aparente que pueden proporcionar. Dado que los valores de potencia aparente de un transformador suelen ser grandes, dada su componente reactiva importante, la capacidad de potencia aparente suministrada depende de la frecuencia de la fuente y se mide en kVA (kilovol-amper). La calificación kVA determina la corriente y el voltaje nominal que puede entregar un transformador a su carga en el secundario sin generar un sobrecalentamiento.

Para un transformador monofásico, la potencia aparente nominal es calculada multiplicando el voltaje del secundario por el máximo corriente de carga (corriente nominal). Esto significa que si un transformador tiene que proporcionar un voltaje secundario de 240 V con una corriente de carga máxima de 75 A, la potencia aparente nominal en kVA del transformador debe ser de al menos 18 kVA.

Las pérdidas en el Transformador: La mayor parte de la energía eléctrica suministrada al primario de un transformador se transfiere a la secundaria. Sin embargo, parte de la energía, se pierde en calor en el cableado de la bobina o el núcleo del transformador. Algunas pérdidas en el núcleo se pueden reducir mediante la construcción especial del núcleo del transformador, por medio del proceso de fabricación del núcleo, en base a secciones por medio de láminas de hierro.

Trifásico AC: Hasta ahora, hemos estado hablando solamente de una sola fase se alimentación de AC, es decir de sistemas monofásicos. Esta energía eléctrica es utilizada en los hogares, oficinas y muchos otros tipos de instalaciones de baja potencia.

Sin embargo, las empresas de generación y distribución de energía eléctrica utilizan los sistemas de potencia trifásica. Estos sistemas se utilizan en el área de consumo comercial y en las aplicaciones industriales que tienen mayores requerimientos de potencia.

Los sistemas de potencia trifásica, como se muestra en la siguiente figura, es un grupo de generación continuo de tres ciclos superpuestos de CA. Cada fuente de señal AC representa una fase y se encuentra desfasada en 120 grados de cada una de las otras dos fases.

Transformadores Trifásicos: Los transformadores trifásicos se utilizan cuando se requiere alimentación trifásica para las grandes cargas como motores industriales. Existen dos tipos de transformadores trifásicos, clasificados según el tipo de conexiones que se utilicen: Conexión delta y conexión en estrella.

Trasformadores de Conexión Delta: Los transformadores en conexión delta, están esquemáticamente dibujados en un circuito tipo triángulo. El voltaje a través de cada devanado del triángulo representa una fase del sistema trifásico delta. El voltaje es siempre el mismo entre cualquier par de alambres.

Una sola fase (como L1 a L2) puede ser utilizado para suministrar cargas monofásicas. Las tres fases en su conjunto son utilizadas para alimentar cargas trifásicas. El secundario de un transformador delta se muestra en el esquema a continuación.

Por simplicidad, el principal o primario no se muestra en este ejemplo. Los voltajes mostrados en la figura son ejemplos. Así como con un transformador monofásico, la tensión en el secundario depende tanto del voltaje en el primario y la relación de vueltas del bobinado.

Cuando la corriente es la misma en cada una de las tres bobinas, se dice que es un transformador de conexión delta balanceado. En cada fase, la corriente tiene dos caminos a seguir. Para el ejemplo, la corriente que fluye desde “L1” hasta el punto de conexión a la parte superior de la conexión delta, puede fluir hacia abajo a través de una bobina a “L2”, y hacia abajo a través de otra bobina a “L3”. Cuando la corriente está balanceada, la corriente en cada línea es igual a la raíz cuadrada de 3 veces la corriente en cada bobina.

Trasformadores de Conexión Estrella:

En la conexión en estrella existen tres bobinas que se conectan para formar una "Y". El transformador estrella en el secundaria tiene cuatro conductores, tres conductores de fase y un neutro. El voltaje a través de cualquier fase (línea-a-neutro) siempre debe ser inferior a la tensión de línea-a-línea. En el ejemplo a continuación, la tensión de línea-a-línea es la raíz cuadrada de 3 veces la tensión de línea-a-neutro. En este ejemplo, se muestra un transformador con una conexión estrella y en el secundaria el voltaje de la línea al neutro es de 277 volt AC y un voltaje de línea a línea de 480 volt AC.

Preguntas de respuestas rápidas, tipo prueba:

1. Si la bobina en el primario de un transformador tiene más vueltas que en el secundaria, es un transformador que _________.

2. Si la bobina en el primario de un transformador tiene menos vueltas que en el secundaria, es un transformador que _________.

3. El voltaje en el secundario de un transformador, de núcleo de hierro, con 240 VAC y 40 A en el primario, y de 20 A en el secundario, es de ________ VAC.

4. Un transformador monofásico con 480 VAC y una corriente de carga máxima de 20 A debe tener una potencia aparente nominal de al menos ________ KVA.

5. Un transformador trifásico, en estrella. Con un voltaje de 208 VAC de línea a línea, tendrá un voltaje de ________ VAC, Línea a Neutro.