Manual de Electricidad Básica

EElleeccttrriicciiddaadd BBáássiiccaa Manual del participante

Electricidad Básica Página 2 de 105 Junio - 2010

INTRODUCCIÓN Los automóviles de hoy día dependen más en tecnología eléctrica y electrónica para manejar los sistemas que controlan el tren de potencia, el compartimiento de pasajero, y los dispositivos de seguridad. Debido a esto, es muy importante que los técnicos automotrices tengan una buena comprensión de cómo la electricidad trabaja, en teoría y el uso práctico. El Departamento de Capacitación de Servicio de MMC Automotriz, S.A. entiende el desafío diario al cual se enfrentan los técnicos al diagnosticar un vehículo con problemas eléctricos o electrónicos. También entendemos el conocimiento especializado requerido para aislar, localizar averías y para reparar con eficacia los problemas eléctricos que pueden ocurrir en un vehículo. En consideración a esto, hemos desarrollado el tema que tiene por nombre Electricidad y Electrónica Automotriz, como parte de nuestro programa de capacitación. Este curso se ha diseñado para ser instruido en dos segmentos; primero un repaso de principios eléctricos básicos (tales como tipos de circuitos, ley de Ohm, y lectura esquemática de diagramas; en segundo lugar (y el más importante), aprendiendo a cómo aplicar la teoría para diagnosticar el circuito real en el vehículo. A través de las hojas de trabajo cuidadosamente preparadas, los estudiantes aprenderán cómo identificar puntos en el circuito, conducir medidas, y determinar cómo los valores del voltaje, corriente o resistencia contribuyen para la determinación de reparación necesaria. Este curso ha sido diseñado para ser dictado principalmente en un ambiente de taller con el motivo de demostrar la parte práctica en el vehículo del contenido del curso. Es nuestra esperanza que el uso de esta técnica de adiestramiento optimizará la experiencia de aprendizaje individual y los técnicos relacionarán el conocimiento ganado directamente con las reparaciones del vehículo en el taller.

MMC Automotriz espera que la información recibida durante este curso mejore los conocimientos de los técnicos en la electricidad y electrónica. También animamos a que los procedimientos demostrados se conviertan en parte de cada rutina de diagnóstico regular de los técnicos y que sean aplicados siempre que sea posible ayudar a asegurar a que los clientes reciban el mejor servicio posible.


Contenido 1. Electricidad General . . . . . . . . . . . . . 4

1.1. Fundamentos 1.2. Ocurrencia de la Electricidad

2. Corriente, Voltaje y Resistencia . . . 10 2.1. Corriente 2.2. Diferencia de Potencia vs. Corriente 2.3. Voltaje 2.4. Diferencia de Potencia vs. Voltaje 2.5. Resistencia 2.6. Conductor, Aislador y Resistor 2.7. Relación entre Corriente, Voltaje y

Resistencia 2.8. Corriente Directa, Circuitos en Serie y en

Paralelo 3. Ley de Ohm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.1. Determinando Corriente 3.2. Determinando Resistencia 3.3. Determinando Voltaje 3.4. Caída de Voltaje

4. Ley de Kirchoff . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1. Ley de Corriente de Kirchoff 4.2. Ley de Voltaje de Kirchoff

5. Potencia Eléctrica y Watt . . . . . . . . 35 5.1. Potencia Eléctrica 5.2. Cantidad de Potencia Eléctrica

6. Resumen del Básico Eléctrico . . . . 36 6.1. Entiendo fácilmente la fórmula eléctrica 6.2. Métodos de diagnóstico en un circuito 6.3. Verificación de condición de tierra en un

circuito paralelo 7. Multímetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

7.1. Midiendo con metro análogo 7.2. Metro de Voltaje 7.3. Metro de Resistencia 7.4. Metro Digital

8. Fuerza Magnética . . . . . . . . . . . . . . 54 8.1. Ocurrencia de la Fuerza Magnética 8.2. Magnetismo y Fuerza Magnética 8.3. Inducción Electromagnética 8.4. Solenoide 8.5. Electro-magnetos 8.6. Relé 8.7. Transformadores

9. Condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . 70 9.1. Capacitancia y el Capacitor 9.2. Calculando Capacitancia 9.3. Tipos de Condensadores 9.4. Respuesta Transiente del Condensador 9.5. Constante de Tiempo RC 9.6. Condesandores en Serie y en Paralelo

10. Generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

10.1. Inducción Magnética 10.2. Construcción de un Generador 10.3. Tipos de Generadores 10.4. Regulación de Voltaje y Corriente 10.5. Corriente Alternante 10.6. El Alternador

11. Motor DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 11.1. Principios de Operación del Motor 11.2. Fuerza Electro-motiva Contraria 11.3. Motores DC 11.4. Tipos de Motores 11.5. Motor de Encendido


1. Electricidad General 1.1 Fundamentos

Todo en el universo se compone de materia.

La materia se puede definir como cualquier cosa que ocupe el espacio o tenga masa. La materia se puede encontrar en la forma de sólidos, de líquidos, y de gases. Sin embargo, estos estados están sujetos a temperatura. Por ejemplo, el agua se encuentra generalmente en forma líquida, pero con sólo cambiar la temperatura se puede llevar de su estado sólido a líquido o vapor. La materia puede ser también descrita por el color, el gusto, y aridez, pero éstas son solamente características observables. Estas pueden no identificar verdaderamente una sustancia. Para identificar verdaderamente una sustancia, la sustancia se debe analizar en sus partes más pequeñas. La sustancia se debe describir en término de su estructura atómica. Entonces pueden ser definidas sus características y comportamientos. Una sustancia se ha llevado a su forma más pura cuando al romperla aún más se cambian sus características atómicas. Esta forma se llama un elemento. Hoy día existen sobre 100 elementos. La mayoría de estos elementos ocurren naturalmente en nuestro universo. Algunos de los elementos no ocurren naturalmente, sino se han creado en laboratorios. Algunos ejemplos comunes de elementos naturales son hierro, cobre, oro, aluminio, carbón, y oxígeno. Si dos o más de estos elementos se mezclan, se crea un compuesto. Un compuesto se puede reducir a sus elementos individuales. Un elemento se puede reducir a su estructura atómica

Sustancia Elemento Átomo

Figura 1-1


Material Molécula Átomo Núcleo Neutrones

Protones

Electrones

1.2 Causa de la Electricidad 1.1.1 ¿Qué es electricidad? Primero, debemos entender sobre la estructura del material antes de entender electricidad. La estructura del material se compone como sigue.

Característica de la molécula y del átomo • Molécula: Materia que puede ser dividida

en partes más pequeñas sin alterar su naturaleza original.

• Átomo: Es la parte más pequeña de una molécula simple.

El conjunto de átomos forman una molécula y éstas forman un elemento. En la figura 1-3 se muestra un átomo y sus partes, Electrones, Protones, Neutrones y Núcleo.

Material Molécula Átomo

Figura 1-2

Neutron

Electrones Núcleo

Orbita

Electrones

Protones+

++

Figura 1-3


Protones: situados en el núcleo de un átomo, son las partículas cargadas positivamente (+). Neutrones: también localizados en el núcleo, no tienen ninguna carga eléctrica y son eléctricamente neutrales. Electrones: son las partículas que mueven en órbita alrededor del núcleo y tienen carga eléctrica negativa (-). Los electrones se mueven o fluyen de átomo a átomo, ya que es posible que un átomo gane o pierda electrones en ciertas circunstancias. Los electrones que se han movido de un átomo se llaman los electrones libres. La pérdida de un electrón significa el átomo tiene un protón adicional que da lugar a una carga más positiva que negativa. Los átomos positivamente cargados atraen electrones libres para sustituir los que fueron perdidos. Si un átomo gana un electrón adicional, tendrá una carga más negativa. El átomo rechazará otras partículas negativamente cargadas y dará fácilmente este electrón adicional si es atraído por un átomo positivamente cargado. Para entender esto mejor, piense en una línea de coches en una carretera. Cuando un coche se mueve, queda un espacio disponible. Cuando este espacio esta disponible, otro coche, esperando, la ve y se atrae a ella y la completa. Este movimiento o flujo de electrones libres a partir de un átomo a otro se conoce como corriente eléctrica o electricidad. 1.2.2 Ionización El número de electrones y de protones que hacen un átomo en particular es generalmente igual en número. Este número igual crea un efecto que cancela entre la carga negativa y positiva. La estructura atómica

de cada elemento se puede describir teniendo un número fijo de electrones en órbita. Generalmente, un átomo permanece en su estado normal a menos que se añada energía por una fuerza exterior tal como calor, fricción, o bombardeo por otros electrones. Cuando la

energía se agrega a un átomo, el átomo se excita. Si la fuerza exterior es de suficiente magnitud, los electrones en las órbitas externas de los átomos se pueden salir. Cuán firmes están estos electrones externos al átomo depende del elemento y el número de electrones que se mueven en la órbita exterior (ver Figura 1-4). Si los electrones salen de la órbita externa, el átomo se vuelve fuera de balance eléctricamente.

8 Protons (+) 8 Neutrons

Nucleus

Shells

8 Electrons (-)

Oxygen Atom

K L (K, L, M, N….)

Figura 1-4: Ionización de Átomo


Cuando el electrón deja la órbita exterior, el átomo se ioniza. Un átomo que pierde un electrón de su órbita externa tiene más protones. El átomo se convierte en un ión positivo y exhibe características de cargas positivas. Cuando un átomo gana un electrón adicional, se convierte en un ión negativo. Los iones negativos exhiben características de cargas negativas.

1.2.3 Campo Electrostático El campo o la fuerza que rodea un cuerpo cargado se llama el campo electrostático o campo dieléctrico. El campo puede exhibir una carga positiva o negativa dependiendo de un aumento o de una pérdida de electrones. Dos masas cargadas se demuestran en la figura 1-6. Las líneas representan los campos electrostáticos de la polaridad opuesta y la fuerza de atracción que existe entre las masas. En la figura 1-7, dos masas cargadas se demuestran con polaridades semejantes. Una fuerza de repulsión existe entre las masas cargadas debido a los campos electrostáticos. El campo es más fuerte mientras más cerca del cuerpo cargado. La fuerza del campo disminuye inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

Eléctricamente Neutral Ión Positivo Ión Negativo

Figura 1-5 Ión de Átomo

- +FFiigguurraa 11--66

- -FFiigguurraa 11--77


Cuando dos campos electrostáticos se ensamblan juntos, los electrones fluyen de la masa con un exceso de electrones a la masa que tiene una necesidad de electrones. La figura 1-8 ilustra este principio. Exceso de los electrones fluyen del cuerpo que se carga negativamente al cuerpo positivamente cargado que tiene deficiencia del electrón. Esta transferencia de electrones puede ser lograda tocando los dos cuerpos juntos o conectándolos con un material que apoye el flujo de electrones entre los dos cuerpos. Este material que conecta se conoce como conductor porque conduce electricidad.

1.2.4 El movimiento del Electrón El flujo real de la corriente a través del circuito se basa en los principios que usted acaba de aprender. Como se indicó anteriormente, los átomos normales tienen un número igual de protones y electrones. Esto hace el átomo neutro eléctricamente. Sin embargo, es posible que un átomo gane o pierda electrones. Si el átomo normal pierde un electrón, significa que el átomo tiene un protón adicional. Puesto que hay cargas más positivas que negativas, el átomo tiene una carga positiva. En caso de que un átomo gane un electrón adicional, el átomo tendrá una carga negativa.

Los electrones en orbitales exteriores se sostienen a veces muy libremente al núcleo como un planeta distante puede estar del sol. Pueden ocurrir colisiones, que dan lugar a algunos electrones que son sacados de su trayectoria normal y mandilando a través del enrejado material. Éstos se llaman los electrones libres (Figura 1-9). Algunos átomos ganan o pierden electrones más fácilmente que otros. Estos son los conductores. Átomos de cobre, por ejemplo, dan para electrones muy fácilmente. Los átomos en materiales tales como plástico o caucho no dan electrones del todo, los que los hace aisladores excelentes.

Paso del Conductor

Figura 1-8: cuando dos cuerpos cargados están conectados por un conductor, exceso de electrones atravesará el conductor desde la masa con exceso de electrones a la masa que tiene una deficiencia de electrones

+ ++--

- -

----

-- Figura 1-9 Electrón Libre


Material Molécula Núcleo

Preguntas: 1. Complete los espacios en blanco:

2. Todos los átomos se componen de tres partículas. ¿Cuáles son? 3. ¿Cuáles partículas en los átomos promueven la corriente eléctrica? 4. Si comparamos un conductor fino con uno grueso, ¿Cuál es el mejor conductor? 5. Seleccione la respuesta incorrecta: a. La corriente en la electricidad comienza por el movimiento libre de electrones b. Si la transferencia de electrones libres es mucha, la transferencia de corriente es mucha (alta corriente) c. Si se logran electrones libres, ocurre electricidad. d. El átomo tiene la naturaleza del material


2. Corriente, Voltaje, Resistencia 2.1 Corriente • Puesto que los electrones libres son todos

cargados negativamente, todos se rechazarán uno al otro. Si hay un exceso de electrones en un área y una escasez en otra, los electrones fluirán hacia la escasez. Cuando sucede este movimiento, se crea un flujo de corriente de electrones. La corriente continúa hasta que los electrones se han separado uniformemente.

• La corriente se puede describir como la

razón del flujo de electrones. Esto se pude comparar con la medida de flujo de agua a través de una tubería. Mientras más grande la tubería más agua podrá transportar. Esto significa que el flujo de corriente será mayor si el número de electrones moviéndose es mayor.

En la figura 2-1 se muestran dos tanques de agua (electrones) conectados por una tubería (conductor). Como hay una diferencia de nivel de agua entre los tanques, ésta fluirá del mayor nivel al menor hasta que se igualen. De esta manera fluye la corriente de un potencial mayor a uno menor. Al ocurrir este flujo de agua (electrones) se mueve la turbina (se enciende la lámpara). Cuando se igualan los niveles (potenciales) la turbina deja de moverse (se apaga la lámpara).

Representación de la corriente: La medida de corriente es el amperio y se representa por la letra I. El amperio describe la razón del flujo de electrones más allá de cualquier punto dado en el un circuito. Unidad actual: A (Amperio) Un amperio es una unidad de la medida del índice de flujo del electrón o corriente en un conductor eléctrico. Un amperio de la corriente representa un culombio de la carga eléctrica (6.24 x 10 18

portadores de carga) que pasa por un punto en específico en un segundo. Los físicos consideran la corriente fluir de puntos relativamente positivos a los puntos relativamente negativos; esto se llama corriente convencional o corriente de Franklin. El amperio se nombra por Andre Marie Ampere, físico francés (1775-1836).

Tanque Agua A (Terminal Positivo)

Tanque Agua (Terminal Negativo)

Flujo de Corriente

Diferencia del Nivel de Agua (Diferencia Potencial)

Turbina Rota

Lámpara ON

Tanque A Tanque B

Mismo nivel agua

No diferencia Potencial

No Flujo de corriente

Turbina no rota

Lámpara OFF

Figura 2-1


2.2 Potencial y Diferencia Potencial vs. Corriente Hablemos más en detalle sobre la corriente utilizando como ejemplo el agua. Cuando una batería está conectada a una lámpara, ésta se enciende. El medio actual del flujo de corriente es por la diferencia en potencial entre + y -. Este es porque la corriente pasa a través de la lámpara, lo que significa que el flujo de electrones es de “-“a “+” al encender la lámpara. Entonces cómo y por qué la corriente fluye. Utilicemos el ejemplo de la turbina entre los tanques de agua (figura 2-2) para explicar este fenómeno. Si no hay flujo de corriente la lámpara no se enciende y si no hay flujo del agua, la turbina de agua no da vuelta tampoco. Entonces, ¿cuándo el agua fluirá en el ejemplo demostrado abajo? Cuando el tanque de agua A y B está en el mismo nivel la turbina no da vuelta. Cuando hay diferencia del nivel del agua entre los dos tanques, ocurre flujo del agua del tanque en un nivel más alto al tanque de un nivel inferior, puesto que el agua debe fluir de nivel alto a nivel bajo por naturaleza. Como resultado, la turbina da vuelta. Lo mismo sucede con la electricidad. Cuando no hay diferencia de potencial la corriente no fluirá. Si hay diferencia potencial, la corriente fluye de un potencial más alto al más bajo. Como resultado. La corriente es energía eléctrica. Si la transferencia de electrones libres es mucha, esto significa que la energía eléctrica es por lo tanto alta generando mucho calor.

Cuando conectamos a través de un alambre entre cuerpo cargado “+” y el cuerpo cargado “-“, los electrones se mueven. En este momento, se genera calor por la transferencia de electrones. Resumen para la corriente: • El fluir de la corriente es transferencia de

electrones. • Si la transferencia del electrón es mucha,

significa que pasa mucha corriente. • Aunque hay diferencia potencial, la

corriente sólo pasará al ser conectada del potencial mayor al potencial menor.

• Si la transferencia de electrones libres es mucha, se genera calor, por esto se puede quemar el cable debido a la alta generación de calor.

• La cantidad de corriente puede explicarse por la cantidad de agua que pasa por una tubería.

Corriente de agua

Tanque Agua A Tanque Agua B

Alto nivel de agua

Bajo nivel de agua

Diferencia Nivel de agua (Diferencia en Potencial)

Turbina

Turbina se mueve

Flujo de agua No hay corriente de agua

Tanque Agua A Tanque Agua B

No hay diferencia en el nivel de agua (Potencial igual)

Turbina

Turbina no se mueve

No hay flujo de agua

Figura 2-2


2.3 Voltaje Si dos cuerpos cargados son conectados por un cable y hay un diferencial de potencial, la corriente fluye. • Se sabe que esta diferencia eléctrica es

potencial eléctrico. • Porque hay diferencia potencial eléctrica,

ocurre la fuerza electromotriz. Voltio (v) es la unidad eléctrica usada para expresar la cantidad de presión eléctrica presente, o la cantidad de fuerza eléctrica producida por la acción química dentro de la batería. Símbolo: E Unidad de Voltaje V 1 voltio: Es cuando la carga eléctrica de 1 culombio se mueve a través del cuerpo cargado y ejerce un trabajo de 1 julio, debido a la diferencia de potencial entre dos puntos. E = W (julio)/voltio de Q (culombios) W: Energía eléctrica Q: Cantidad de carga eléctrica 2.4 Potencial y Diferencia Potencial vs. Voltaje Voltaje se puede expresar por diferencia potencial y potencial. La figura 2-3 explica cómo éstos se relacionan el uno al otro, refiriendo al tanque de agua. Cuando los dos

tanques de agua son conectados por la tubería, el agua fluirá del tanque de un nivel del agua más alto al tanque del nivel inferior. El nivel del agua se ha medido referente a la tierra. Semejantemente, el potencial se mide relacionado a cierto nivel estándar, que se llama tierra, y el potencial de la tierra se toma como 0 (v). Usualmente se toma físicamente la tierra como potencial 0, pero en el caso del automóvil utilizamos el terminal de la batería como la tierra. El nivel del agua del tanque más bajo se toma como la referencia (nivel del agua). En caso de la batería, la medida de 12 voltios es el diferencial de potencial entre los dos terminales. Si la válvula mostrada en la figura 2-3 se abre, ocurrirá el flujo de agua debido a la diferencia de niveles de agua entre el tanque A y B. Pero si no hay diferencia en niveles, el agua no fluirá aun cuando se abra la válvula. Es decir, si la diferencia en la presión es igual, la corriente se mantiene estancada. Por lo tanto, debido a que no hay flujo de corriente, no trabaja el actuador y no hay generación de calor. Si la diferencia en presión entre los tanques A y B es mayor a la que pueda soportar la tubería, ésta explotaría. Semejante al cable, si el flujo de electrones es tan alto, la cablería se calienta y quema.

Diferencia nivel de agua (Diferencia Potencial)

Corriente Agua (Corriente Eléctrica)

Nivel Agua “0” (Tierra)

Tanque Agua B (Terminal Negativo)

Nivel de Agua “12”(Potencial)

Tanque Agua A (Terminal Positivo)

Figura 2-3


En la batería de un vehículo el terminal positivo (+) significa 12 voltios y el terminal negativo (-) 0 voltios. Así la diferencia del potencial eléctrico es 12 en batería del vehículo de pasajeros. Si en la figura 2-4, el interruptor se cierra, la lámpara se enciende debido al flujo de electrones. El voltaje en cada posición de la figura 2-4 es diferente respecto a la posición de ON y OFF del interruptor.

Voltaje en cada posición Debido a que la resistencia es infinita el voltaje entre E y F es 12 voltios antes de cerrar el interruptor, al cerrar el interruptor la resistencia se convierte en 0 ohms y el voltaje cambia a 0 voltios. También al cerrar el interruptor el flujo de corriente comienza en este punto el voltaje entre D y A se convierten en 0 voltios porque la resistencia es 0. Además, mientras fluye la corriente, el voltaje entre C y D es 12 voltios; sin embargo, al abrir el interruptor se convierte en 0 voltio. Es

importante que mientras fluya la corriente, voltaje entre B y C es de 12 voltios, y el voltaje entre D y A se convierten 0 voltios.

+(Positivo)

12 Volt Batería

A B

C D

E F

-(Negativo)

Interruptor

Lámpara


Utilizando el diagrama abajo llene los blancos: Condición 1: Antes de colocar el interruptor en ON (Lámpara OFF) 1. Medida de voltaje entre la posición “C40-1” y “Battery earth” 2. Medida de voltaje entre la posición “C40-2” y “G9” 3. Medida de voltaje entre la posición “R25” y “R26” Condición 2: Después de colocar el interruptor en ON (Lámpara ON) 1. Medida de voltaje entre la posición “Battery positive” y “R25” 2. Medida de voltaje entre la posición “R-25” y “Battery earth” 3. Medida de voltaje entre la posición “R26” y “Battery earth”

FUSIBLE F8 5A

C22 4

BATTERY COMPARTMENT FUSE BOX # 1

0.5R/L

0.5R/L

0.5R/L

0.5 B

ROOM LAMP SWITCH

C40-1

C40-2

CR02

R25

R26

ROOM LAMP

G09

12 Volt Batería

Tierra de Batería

Battery +

Battery -


2.5 Resistencia Luego de conocer cómo ocurre el flujo de electrones, la corriente, y cuál es la fuerza (presión) que la mueve, voltaje, sólo nos falta un efecto más, la resistencia. Definición: resistencia de un conductor al paso de una corriente constante de un ampere que produce, entre sus extremos, un voltaje de 1 voltio.

Así pues, la resistencia eléctrica en un material se cambia según las siguientes variables: - Tipo de material - Área seccional del

alambre - Longitud del alambre - Temperatura Como todos los materiales tienen diversas clases de estructura de átomos, el ambiente para que los electrones libres se muevan en el material varía de material en material. Por esto aun cuando se tenga la misma cantidad de electrones, la cantidad de electrones que puedan pasar a través de un espacio recogido por unidad de tiempo se puede cambiar. Cuando el grueso es grande en el mismo material, el camino por donde los electrones pueden moverse se hace mayor. Además, si la distancia de la transferencia del electrón es larga, conlleva mayor tiempo para el movimiento del electrón. Por lo tanto, la cantidad de electrón que se mueva por unidad de tiempo puede ser disminuido. Esto significa que hay muchas resistencias eléctricas. Ahora, la fórmula que expresa la resistencia eléctrica es como sigue:

R = ℓ × L ÷ S

R: Resistencia del material

ℓ: variable dependiente tipo de material (Ω m) L: Longitud del alambre (m) S: Área seccional También la resistencia de un material depende de la temperatura, si la temperatura aumenta, la resistencia aumenta. Expresión de la resistencia: R Unidad de la resistencia: Ω (ohm) Símbolo de resistencia: 1 ohm: Valor de resistencia cuando se suple 1 voltio a un conductor y fluye 1 ampere de corriente.

2.6 Conductor, aislador y resistor Si la corriente eléctrica fluye fácilmente a través de un material, se le conoce a éste como conductor. Los metales tales como cobre, plata, oro, aluminio, y acero se utilizan como cables en automóviles porque son buenos conductores. El cobre es el más utilizado debido a su durabilidad y costo. Lo contrario de un conductor es un aislador. Los aisladores no permiten el paso de la corriente. El cristal, el plástico, el caucho, y la cerámica son buenos aislantes. La capa plástica en el exterior de un alambre es un ejemplo de un aislador. Cuando un electrón libre se mueve en el interior del conductor, algunos electrones chocan con los átomos y parte de la energía cinética se emite en luz o calor. Este calor generado se le conoce como el calor de Joule. El calor generado Joule, es proporcional al cuadrado de la corriente y al tamaño de la resistencia.

1 volt

1 Ampere

1 volt

1 Ampere

1 Ω


Calor del Joule = I2 X R Utensilios que utilizan calor de Joule: • estufa eléctrica • Plancha eléctrica • Lámparas • etc.

2.7 Relación entre corriente, voltaje, resistencia La corriente, el voltaje y la resistencia determinan cómo la electricidad se comportará en un circuito. Estas tres características están estrechamente relacionadas. Cuando una cambia, causa inmediatamente que una o las otras dos cambien también. La relación entre la corriente, el voltaje, y la resistencia pueden ser expresadas en fórmulas matemáticas. Estas fórmulas son parte de un sistema de reglas llamadas Ley de Ohm. Estas reglas se pueden utilizar para explicar o predecir el comportamiento de la electricidad en todos los tipos de circuitos. • Corriente: Una medida de la

cantidad de flujo del electrón. Como una tubería de agua, mientras más grande es la tubería mayor es la capacidad de llevar flujo. Medido en Amperes (A).

• Voltaje: Una medida del potencial de una fuente de proveer la fuerza electromotriz (EMF), o presión eléctrica. Medido en voltios (v).

• Resistencia: Una medida de la oposición al flujo de corriente actual en un circuito. Medido en ohmios (Ω).

Expliquemos esta relación, bajo tres condiciones diferentes. Utilizando como ejemplo agua fluyendo a través de una tubería impulsada por una bomba moviendo un actuador. Condiciones Originales: • La bomba funciona, y circula el agua circula

a favor del reloj. • La presión de la operación de la bomba es

12kg/cm2. • En este momento, el actuador se mueve

100%. Condición 1: Cuando no hay resistencia en circuito, • Presión en cada punto.

o P1, P2 = Pactuador = 12kg/cm2. o Pa, Pb = 0kg/cm2. o (P1, P2) – (Pa, Pb) = 12

• Presión (Voltaje) o Entre la bomba y el actuador: 12kg/cm2 o Entre el actuador y la bomba: 0kg/cm2

• Cantidad de Agua (Corriente) o Aun cuando la presión es diferente, la

cantidad de flujo de agua es uniforme cualquier punto.

• Resistencia al flujo = 0 (Resistencia Ω)

P

P1 P2 Pa Pb

Bomba

Actuador

P actuador


Condición 2: Cuando hay resistencia entre P1 y P2 en circuito • Presión en cada punto

o P1 = 12kg/cm2. o P2 = P1- R1.

R1 (cantidad de presión del agua que es bloqueada)

o R1 = Pbomba (o P1) - Pactuador o P2 = Pactuador (Presión aplicada al

actuador) o Pactuador = P2 - Pa o Pa = Pb = 0kg/cm2. –

• Presión o Entre la bomba y el actuador:

12kg/cm2 (presión de la bomba) - R1 o Entre P1 y P2: La presión baja por la

cantidad que ha sido bloqueada por R1.

o Entre el actuador y la bomba: 0kg/cm2

Como resultado, la presión es diminuida por la cantidad de agua que ha sido bloqueada por la resistencia. • Cantidad

o La cantidad de agua disminuye tanto como R1 interrumpa.

Condición 3: Cuando hay resistencia entre Pa y Pb en el circuito • Presión en cada posición.

o P1 = 12kg/cm2. o P1 = bomba = P2 =

12kg/cm2 o R2 (cantidad de presión de

agua que es bloqueada) R2 = Pa - Pb

o Pactuador = (Pbomba o P1 o P2) – Pa

o

o La presión aplicada a Pactuador disminuye por la cantidad que se bloquee por R2

o Pa = R2- Pb o Pb =0kg/cm2 –

• Presión o Entre la bomba y el actuador: 12kg/cm2

(presión de la bomba) o Entre el actuador y la bomba: La caída

en presión es equivalente a la cantidad bloqueada por la resistencia.

o Entre Pb y la bomba: 0kg/cm2. • Cantidad de Agua:

o La cantidad de agua disminuirá por lo que R2 bloquea.

R1

P

P1 P2 Pa Pb

Actuador

P actuador

R2

P

P1 P2 Pa Pb

Actuador

P actuador

Pump


Resumen de corriente, Voltaje y Resistencia

• Voltaje

o Si hay potencial eléctrico, ocurre la transferencia del electrón.

o Por lo que comienza a fluir corriente o Si el voltaje es alto, aumenta la

transferencia de electrones o Por lo que el flujo aumenta

• Corriente

o Es la cantidad de transferencia de electrones libres.

o La corriente opera los actuadores eléctricos

o Si el voltaje es alto, el flujo de corriente es alto. Pero, puede ocurrir sobrecalentamiento si el flujo de la corriente se excede.

o La resistencia disturba el fluir de la corriente. Así, si la resistencia es alta, el fluir de la corriente se disminuye.

o Si la corriente pasa excesivamente, hay un aumento en calor.

o Un campo magnético ocurre alrededor del cableado cuando la corriente pasa.

• Resistencia

o La resistencia disturba el fluir de electrones libres. Por lo que disturba el fluir de la corriente.

o Si hay mucha resistencia, el actuador no trabaja en un 00%. Debido a que no hay un 100% flujo de corriente

o Tipos de problemas eléctricos causados por resistencia:

• Son la resistencia del conectador, desconexión del contacto del conectador, tierra pobre.


2.8 Circuitos de Corriente Directa en Serie y Paralelo Básicamente un automóvil utiliza una fuente eléctrica D.C. (corriente directa), pero el circuito eléctrico consiste de varias configuraciones de circuitos como en serie, paralelo, y serie/paralelo. Por lo tanto, la configuración mayor de circuitos en un

automóvil es el circuito de serie/paralelo. 2.8.1 Configuración de Circuito en Series Un circuito se compone de una fuente de energía, la protección del circuito, una carga, una de control, y una trayectoria. Cuando un conductor conecta todos estos componentes de punta a punta, el resultado se conoce como un circuito en serie.

Cuando las baterías están conectadas en la serie (punta a punta), el voltaje total de la salida es igual a la suma de todos los voltajes

individuales de cada batería. Aunque esta disposición proporciona un voltaje más alto de la salida, su capacidad combinada de proveer la corriente es igual que la de una célula.

Otros ejemplos de conexión en series se muestran arriba, figura 2-6:

R1 R2

I1 I2

E

I 12 Volt E

R1 R2

I1 I2 I 12 Volt

Lamp1 Lamp2

Figura 2-6


Al conectar las resistencias en series, la resistencia total del circuito es determinado por la siguiente fórmula:

Rtotal = R1 + R2

Por esto en un circuito en series la resistencia total aumenta, pero el flujo de corriente disminuye.

• Para calcular la resistencia total de un

circuito en serie sume todas las resistencias en serie. o Resistencia total = suma de todas las

resistencias del circuito (R1 + R2 + … + R9)

Para los circuitos en series hay características comunes:

Sólo hay una trayectoria para la corriente. La misma cantidad de corriente atraviesa

cada componente. El abrir el circuito en cualquier punto

previene flujo de corriente. En la conexión de resistencias en serie, la

resistencia total aumenta con la adición de más resistencia en serie.

Si la resistencia total aumenta, el flujo de la corriente disminuye.

El flujo de corriente siempre es igual en cualquier parte del circuito.

Circuito en Series Circuito de Lámparas en Serie

Figura 2-7: Circuitos en Series


Calculando la Resistencia Total del Circuito: 1. Utilizando el diagrama adjunto determine

la resistencia total (equivalente): Rtotal = 2. Calcule el valor de la resistencia variable: Rx-y = Ry-z = Rx-z =

12 Volt

R1=1Ω R2=2Ω R3=Ω

X

12Volt Rv y

z


2.8 Circuito en Paralelo En un circuito paralelo hay más de una trayectoria para que la corriente fluya. Cada trayectoria actual se llama una rama. Las ramas están conectadas con un terminal positivo común y negativo común; por lo tanto, el voltaje aplicado a cada rama es igual. Cuando las baterías del mismo voltaje están conectadas en paralelo, el voltaje total de la salida es igual que el de una sola batería. Sin embargo, puesto que la corriente fluye de todas las baterías simultáneamente, este arreglo proveerá una corriente más grande. El sistema de iluminación en un “cluster” del instrumento es un buen ejemplo de un circuito paralelo. Si una lámpara quema o es removida las otras siguen trabajando.

Para calcular la resistencia total de un circuito en paralelo utilizamos la siguiente fórmula: Esta fórmula es para dos resistencias.

Características comunes en circuitos en paralelo:

La corriente total en el circuito igual a la suma de las corrientes de la rama. Por lo que la cantidad de corriente depende del valor de la resistencia de la rama.

Un abierto en una rama afecta solamente la carga en esa rama. Otras ramas continúan funcionando normalmente.

Circuito en Paralelo Circuito de Baterías en Paralelo

2121

21)21(

1

21

11

1RR

XRR

XRRRR

RR

Rtotal+

=+

=+

=


Calculando la Resistencia Total del Circuito: 1. Determina el valor de la resistencia total del circuito adjunto: Rtotal = R1 = 4Ω R2 = 6Ω

2. Determine el valor de la resistencia equivalente: Requivalente = R1 = 10Ω R2 = 5 Ω R3 = Ω

R

R

R

R2 R1


2.8.3 Circuitos Serie-Paralelo Un circuito series-paralelo combina circuitos en serie y circuitos en paralelo, junto con sus respectivas características. El primer paso en analizar un circuito series-paralelo es romper el circuito en su forma más simple. Entonces analizar de acuerdo a las características particulares que aplican al circuito simple.

El circuito de la figura B es el equivalente al circuito de la figura A, veamos cómo se determina. 1. Identificamos los tipos de circuitos: a. Desde el punto a hasta el punto b tenemos un circuito en paralelo con dos resistencias (R1 y R2). b. Desde el punto a hasta el c un circuito en serie (R1 y R2 en paralelo) y R3. 2. Luego buscamos la resistencia equivalente para el circuito en paralelo. 3. Con esto obtenemos el circuito de la figura B.

E E1

E2

R1 R2

I1 I2

I

R3

a

b

c

I

E1

E2

E

a

b

c

R1,2(R1+R2)

R3

Figura A Figura B

212112

RRXRRR+

=


Calculando la Resistencia Equivalente en el Circuito Serie-Paralelo: 1. Dibuje el circuito equivalente y determine el valor de la resistencia equivalente: Req =

2. Dibuje el circuito equivalente y determine el valor de la resistencia equivalente: Req =

I

L1 = 2Ω

L2 = 3 Ω

L3 = 4 Ω

a b

E

S

c


3. Ley de Ohm Cualquier circuito eléctrico que esté en funcionamiento debe tener tres factores, voltaje, corriente, y resistencia. Su relación se puede describir por la declaración de Ley de Ohm: "La cantidad de corriente que fluirá en cualquier circuito es directamente proporcional al voltaje e inverso proporcional a la resistencia." Es decir si el voltaje sube, la corriente sube, pero si la resistencia sube la corriente baja.

La ley del Ohm es la base para el diagnóstico de problemas eléctricos. Tomado como declaración, la ley del ohmio expresa las características que gobiernan los comportamientos eléctricos en un circuito. Sin embargo, la ley del ohmio se puede también expresar como ecuación matemática. Utilizando esta ecuación, se puede calcular un valor al conocer los otros dos: • Determinar cuánta corriente, si se saben

el voltaje y la resistencia. • Determinar cuánto voltaje, si se saben la

corriente y la resistencia. • Determinar cuánta resistencia, si se saben

el voltaje y la corriente. Cuando usted sabe dos valores, usted puede utilizar la ecuación de la ley del ohmio para calcular el tercer valor. Como discutido anteriormente se utilizan letras del alfabeto para representar la corriente (I), el voltaje (E), y la resistencia (R).

E

I R

Figura 3-1 Fórmula Ohm

E = I X R E: Voltaje I: Corriente R: Resistencia


Círculo de la Ley de Ohm Una herramienta práctica para recordar la ley de Ohm es el círculo de la ley de Ohm. Si usted coloca su dedo sobre la letra del valor desconocido, obtendrá la fórmula necesaria. Para calcular Corriente (I): Coloque su dedo sobre I

Para calcular Resistencia (R): Coloque su dedo sobre R

Para calcular Voltaje (E): Coloque su dedo sobre E:

Solamente es necesario recordar que la E siempre está en la parte superior. El orden de las otras letras no hace diferencia.

REI =

IER =

IXRE =

R I

E

R I

E

R I

E


3.1 Determinando Corriente El circuito mostrado muestra el voltaje y la resistencia. Para determinar la corriente sólo tenemos que sustituir los valores conocidos en la fórmula de Ohms. De acuerdo a la Ley de Ohms, al incrementar el voltaje, la corriente sube. Probemos esto utilizando el mismo circuito de arriba, sólo dupliquemos el voltaje. Nota que al duplicar el voltaje la corriente se duplica, esto es así porque la corriente es directamente proporcional al voltaje, según la Ley de Ohms. La Ley de Ohms también indica que la corriente es INVERSAMENTE PROPORCIONAL a la resistencia. Así que veamos, utilizando el mismo circuito, solamente que duplicaremos la resistencia.

AmperesI

I

REI

66

12

=

=

=

AmperesI

I

REI

4624

=

=

=

AmperesI

I

REI

11212

=

=

=

R I

E


3.2 Determinando Resistencia Utilizando el triángulo de Ohms, coloque su dedo sobre R y verá que la fórmula es: Así que para resolver por la resistencia, sólo tenemos que aplicar los valores conocidos (voltaje y corriente). Veamos un ejemplo: 3.3 Determinando Voltaje La fórmula para determinar voltaje es la más fácil de las tres. Veamos el siguiente ejemplo, utilizando el circuito mostrado.

IER =

E = 12 volt R = ?Ω

I = 3A A

B

Ω=

=

==

=

43

12312

R

R

ampIvoltE

IER

E = ? volt R = 3Ω

I = 4A A

B

IXRE =

voltEXE

RAI

IXRE

1234

34

==

Ω===


3.4 Caída de Voltaje El voltaje removido del circuito por la carga (bombilla, motor, tamaño incorrecto del alambre, etc.) se conoce como la caída de voltaje. El voltaje total removido debe ser igual al voltaje aplicado. La cantidad de esta pérdida puede ser calculada usando la fórmula que estudiamos: En términos prácticos, si usted tiene un circuito simple que consiste de una fuente (la batería) y una carga (una lámpara), la caída de voltaje a través de la lámpara es determinada por la cantidad de corriente multiplicado por la resistencia de la lámpara. Pregunta: Estime el valor de las resistencias R1 y R2 y el voltaje V1 en el circuito abajo: 1. R1 (Resistencia de lámpara) = Ω 2. R2 (Resistencia) = Ω 3. V2 (voltaje) = volt 3.4 Caída de Voltaje Si la corriente fluye a la carga (resistencia) del circuito, el voltaje cae tanto como sea la fuerza electromotriz impresionada sobre la carga (resistencia). En otras palabras, el voltaje agotado es igual al voltaje impresionado en la resistencia. Cuando el interruptor se coloque en "ON" en el circuito de la figura 3-7, se aplican 2 voltios a la lámpara. En este momento la caída de voltaje es el voltaje impresionado en ambos lados de la lámpara entre "+" y "-". Ésta es caída de voltaje. Voltaje impresionado = caída de voltaje del actuador

Figura 3-7

IXRE =

V2 = ¿?

R1 = ¿?

Lamp

12 Volt

I = 4A

V1 = 10

V1 V2

Voltaje V1: Interruptor OFF = 12 volt Interruptor ON = 0 volt

Voltaje V2: Interruptor ON = 12 volt Si es menor de 12 volt, hay una resistencia en alguna parte del circuito


3.5 Caída de voltaje en un circuito equivalente • Interruptor OFF V3 = 12 voltios • Interruptor ON V3 = 0 voltios Comienza a fluir la corriente a través de R1 y R2. • Si el voltaje de V1 = 8 voltios, la caída de

voltaje en R1 es de 8 voltios. • La caída en voltaje de R2 será de 12 - 8 =

4 voltios, porque el voltaje de la batería es 12Voltios.

• La caída de voltaje de R1 y caída de

voltaje de R2 son inversamente proporcional.

• Si caída de voltaje de R1 sube, la caída

de voltaje de R2 se reduce relativamente. • La suma de las caídas de voltaje de R1 y

de R2 es igual al voltaje aplicado de batería.

• Cuando la corriente pasa, si no existe

resistencia, el voltaje es 0 voltios.

V4 12volt

12 VOLT

G11 V1

8volt V2

4volt

R1 R2

V3 SW ON : 0volt SW Off : 12 Volt

I SW

G2

+


4. Ley de Kirchoff Los circuitos eléctricos se dividen en circuitos en serie, circuitos en paralelo y circuitos en serie/paralelo, según como se conecten. En un circuito, la suma de las corrientes de entrada es igual a la suma de las corrientes de salida. También, el voltaje de impresión y la suma de las caídas de voltaje son iguales, ésta es la Ley de Kirchoff. Hay dos leyes en la ley de Kirchoff. 4.1 Ley de corriente de Kirchoff (Primera Ley de Kirchoff) La suma de las corrientes de entrada es igual a la suma de las corrientes de salida. Corriente entrada - Corriente salida = 0 Abajo se muestra este flujo de corriente. Fórmula: I1 + I4 = I2 + I3 + I5

I1 = Entrada

I5 = Salida I2 = Salida

I3 = Salida I4 = Entrada


Ley de corriente de Kirchoff en un circuito: 4.2 Ley de Voltaje de Kirchoff (Segunda Ley de Kirchoff) La fuente de voltaje de un circuito en serie es igual a la suma total de cada caída de voltaje individual. Voltaje fuente - suma caída de voltaje = 0 1. En el circuito abajo, cuando el flujo de corriente comienza, ocurre una caída de voltaje en las resistencias R1 y R2. 2. Esta caída de voltaje es proporcional al valor de la resistencia. 3. La suma de cada caída de voltaje que ocurre en cada resistencia es igual al voltaje aplicado. 4. Ejemplo de Ley de Voltaje de Kirchoff • Dado R1 = 2Ω y R2 = 1Ω • Voltaje de fuente = 12 voltios • Corriente total = 4 amperes • Cuál es la caída de voltaje de R2

R1 R2

I1 I2

E

I I

I1

I2

I3

I4

Circuito en Serie I = I1 = I2 I = Corriente Total, I1 = Consumo de corriente de R1 I2 = Consumo de corriente de R2

Circuito en Paralelo I = I1 + I2 + I3 = I4 I, I4 = Corriente total en el circuito I1 = Consumo de corriente lámpara 1 I2 = Consumo de corriente lámpara 2 I3 = Consumo de corriente lámpara 3

I

R1 R2

I1 I2

E1 E2

E1 = R1 X I E2 = R2 X I E =E1 + E2 (Ley de Voltaje de Kirchoff E = (R1 X I) + (R2 X I) E = (R1 + R2) I

12481221

8421144122

=+=+=

======

EEEvoltiosXXIREvoltiosXXIRE


Resumen de Ley de Kirchoff: • Si hay potencial eléctrico en un circuito,

hay flujo de corriente y esta energía de electricidad es transformada en energía de máquina o la energía de la luz.

• La suma de las corrientes de entrada es

igual a la suma de las corrientes que salen.

• La suma de las caídas de voltaje en un

circuito en series debe ser igual al voltaje de la fuente.


5. Potencia Eléctrica y Vatio 5.1 Potencia Eléctrica Potencia no importa sea eléctrica o mecánica es la razón a la que se ejerce trabajo. Si se utiliza una fuerza mecánica para levantar o mover un peso, se ejerce trabajo. Pero el hacer fuerza sin causar movimiento, como la fuerza que ejerce un resorte comprimido entre dos objetos fijos, esto no constituye trabajo. Anteriormente demostramos que voltaje es la fuerza eléctrica, y que el voltaje fuerza a la corriente a fluir en un circuito cerrado. Pero cuando hay voltaje entre dos puntos, pero no hay flujo de corriente, no se ejerce trabajo. Esto es similar al resorte bajo tensión que no produce movimiento. Cuando el voltaje causa el movimiento de electrones, se ejerce trabajo. Esta razón instantánea a la que se ejerce trabajo se conoce como la razón de potencia eléctrica, y se mide en watt. Expresión de la potencia eléctrica: P Unidad de la energía eléctrica: W (vatio) Fórmula para el cálculo de potencia eléctrica: Ejemplo: La corriente que el motor de la bomba de combustible consume es 3A. ¿Cuánto es la potencia eléctrica? P = I V P = 3A X 12Volt P = 36 Watt

EPI

IPE

RE

REEXP

ampXIvoltEwattP

=

=

==

=2

)()()(


Pregunta Un motor de arranque, es clasificado en 1.2kw, si funciona con una batería 12-voltios. ¿Cuánta corriente es necesaria para el uso del mismo? 6. Resumen para Electricidad Básica P: Potencia Eléctrica (Watt) E: Voltaje (Volt) R: Resistencia (Ω) I: Corriente (Amp)

ampIEPI

wkwPEXIP

10012200,1

200,12.1

=

==

===

E I

I2 R

E2 / R P I

R E

E / R

P / E

√P / E

I R

√ P R

P / IP / I2

E2 / P

E / I


6.2 Método de Diagnóstico en un Circuito Utilicemos el ejemplo de un motor eléctrico que no funciona correctamente. Veamos el siguiente circuito: Procedimiento: 1. Mida el voltaje de batería 2. Mida voltaje entre el punto B y C

a. Este voltaje debe ser el de batería, si el voltaje es menor, continúe con los siguientes pasos.

b. Si el voltaje es 12 voltios el motor está defectuoso.

3. Mida el voltaje entre A y B a. Si el voltaje es mayor de 0, hay

una resistencia entre los puntos A y B.

4. Mida el voltaje entre C y E a. Si el voltaje es mayor de 0, hay

una resistencia entre C y E. En un automóvil no podremos encontrar la medida de 0 voltios por la resistencia existente en los cables y por la conexión a tierra. Por esto, debemos aceptar como voltaje normal menos de 1 voltio.

MA

B C

D

E E


6.3 Verificando la Condición de la Tierra en un Circuito en Paralelo: • La corriente I4 varía según el interruptor

aplicado dentro del circuito. • El voltaje "V" será diferente según la

condición de la conexión a tierra. • Si está normal, el voltaje "V" se convierte

en 0 voltios. • Si el voltaje es mayor que 0 voltios, las

lámparas no funcionarán 100%, ya que el voltaje aplicado será menor.

• Lo importante es que el voltaje "V" será

diferente, según la corriente I4. Esto es porque el voltaje y la corriente son proporcionales.

• Por lo tanto, es importante que el circuito

tenga la conexión a tierra correcta.

I

I1

I2

I3 I4

Switch1

Switch2

Switch3

V


Diagnóstico de Circuito en Series: 1. Condición de Interruptor OFF

a. V1 = 0 voltios b. V2 = 12 voltios c. Un circuito en series abierto

producirá una lectura del voltaje de fuente en el interruptor (V2).

2. Condición de Interruptor ON

a. V1 = Caída en voltaje según R1 b. V2 = o voltios c. Cuando se completa el circuito en

serie habrá una caída de voltaje en cada carga del circuito.

Diagnóstico Circuitos en Paralelo: 1. Midiendo Resistencia

a. Un ohmnímetro puede proveer una referencia rápida sobre la condición del circuito.

b. Una lectura infinita indica un abierto, y una lectura de 0 resistencia indica un corto circuito.

c. Precaución: Para medir resistencia el interruptor debe estar en la posición de abierto, no debe fluir corriente.

2. Midiendo Corriente

a. Un amperímetro puede ser conectado a través del interruptor abierto y medir la carga completa de corriente del circuito.

b. El utilizar la localización del interruptor es ideal para medir la corriente total del circuito.

SW R2 R1

12 VOLT

G11

I

G2

V1 V2

I

G1

12 VOLT R2 SW

G2

+ R1


Diagnóstico de un Circuito Serie-Paralelo: 1. Medida de voltaje en circuito de serie-

paralelo Una rama del paralelo del circuito serie paralelo puede llevar a una lectura incorrecta cuando se mide por continuidad. Siempre debes conocer el valor esperado. 2. Midiendo corriente en un circuito serie-

paralelo: a. Cuando mida corriente en un

circuito serie/paralelo, cada resistencia conectada en paralelo debe tener una punta desconectada del circuito.

3. Midiendo resistencia en un circuito

serie/paralelo: a. Importante, el circuito debe estar

abierto para medir resistencia

R3

Switch

G11

I

Open R2

R1


7. Multímetro 7.1 Puntos para Medir • Corriente DC (DAC) • Corriente AC (ACA) • Voltaje DC (DCV) • Voltaje AC (ACV) • Ohm (Resistencia) 7.1.1 Principio de Operación Multímetro Análogo El metro análogo es uno del tipo de movimiento de aguja para medir voltaje y corriente. Este tipo de movimiento se conoce como D'Arsonval, o imán estacionario, o galvanómetro de bobina móvil. El movimiento consiste en un imán permanente y una bobina que rota en el campo magnético. Se coloca una aguja de indicación a la bobina que rota (Figura 7-1). Cuando la corriente pasa a través de la bobina móvil, se produce un campo magnético. Este campo reacciona con el campo inmóvil y causa la rotación de la aguja. Esta fuerza de la desviación es proporcional a la fuerza de fluidez que lleva la corriente a través de la bobina que rota. Cuando la corriente deja de fluir, la bobina móvil se vuelve a su posición de ajuste por el resorte.

N S

Bobina de cable fino

Cable Negativo Cable Positivo

Aguja de Indicación Resorte

Escala

Campo Sur Campo Norte

Figura 7-1


7.1.2 Un amperímetro mide corriente eléctrica en un circuito Un amperímetro medirá generalmente en amperios, milli amperios, o microamperios, dependiendo de la escala o del diseño del instrumento. El movimiento de la bobina del metro de un amperímetro se embobina con muchas vueltas de alambre fino. Si una corriente grande se permite atravesar esta bobina, el amperímetro se quemará rápidamente. Para medir una corriente más grande, una desviación, o trayectoria alterna, es prevista para la corriente. La mayoría de la corriente atraviesa la desviación, dejando solamente a bastante corriente para trabajar con seguridad la bobina del movimiento del metro. La desviación es un resistor de precisión conectado en paralelo con la bobina del metro. El uso de desviaciones se ilustra en el cuadro 7-2 Rango de Corriente: 0 ~ 1 mA (Figura 7-2) Primero calculemos el voltaje requerido para la deflexión total en el punto de ajuste más bajo, el cual es 0 ~ 1mA. V = I(Corriente de escala completa) X R(Resistencia de la bobina del metro) V = 1ma X 100Ω V = 0.1 voltios El metro leerá de 0 ~ 1mA sin desviación, para que la escala flexione completa se requieren 0.1 voltios. Rango 0 ~ 10mA (Figura 7-3) Para convertir este mismo metro para leer de 0 ~ 10mA, una desviación debe ser conectada que llevará 9/10 partes de la corriente. Así, 9mA de la corriente viajarán a través de la desviación, nivelando 1miliamperio para funcionar el metro. En el paso anterior se cálculo que 0.1 voltio era requerido para que la escala flexione completa.

Se debe conectar la desviación en paralelo con la bobina, para aplicar que aplique los 0.1 voltios. Puesto que 0.1 voltio se debe aplicar a través de la desviación, y la desviación debe obtener 9/10 partes de la corriente, usted puede aplicar la ley del Ohms para calcular la resistencia de la desviación. R = V/I R = 0.1 / 0.009 R = 11.1Ω El metro requerirá una desviación con un valor de la resistencia de 11.1Ω para las escalas del 0 ~ 10mA.

Rango: 0~1mA Resistencia de Bobina 100Ω

M

Figura 7-2. Meter 0 ~1mA

R : 11.1Ω Rs=11.1Ω

M

R=100 Ω

10 mA 1 mA

9 mA

Figura 7-3. Metro 0 ~10mA


Rango 0 ~ 50mA (figura 7-4) Para convertir este metro a escala de 0 ~ 50mA, se debe colocar una desviación que lleve 49/50 de la corriente o 49mA. El cálculo es el mismo que para el Rango de 0 ~ 10mA. R = 0.1 / 0.049 = 2.04Ω Rango 0 ~ 100mA Para convertir el metro a 0 ~ 100mA, una desviación que lleve 99/100 de la corriente o 99mA debe ser instalado. R = 0.1 / 0.099 =1.01Ω Según se muestra en la figura 7-6, el aparato debe ser cambiado al rango predeterminado. Para esto la escala correcta debe ser escogida para el rango seleccionado.

M

R : 2.04Ω Rs=11.1Ω

R=100 Ω

1 mA

49 mA

50 mA

Figura 7-4 Metro 0 ~ 50mA

R : 1.01Ω Rs=11.1Ω

R=100 Ω

100 mA 1 mA

99 mA

Figura 7-5 Meter 0 ~100mA

M

M

R=100 Ω

R=11.1 Ω

0~1

0~10

0~50 0~100

R=1.04 Ω

R=1.01 Ω

Figura 7-6 Metro de Corriente Análogo


7.1.3 Precauciones al medir corriente utilizando un metro análogo Hay dos cosas importantes para recordar para la seguridad del Multímetro. 1. Un amperímetro debe ser siempre

conectado en serie con el circuito o la fuente de potencia. Nunca conecte un amperímetro en paralelo con la fuente de potencia o circuito. Esto dañaría el metro.

2. Lo segundo es si el valor de la corriente

hacer medida es desconocida, se debe comenzar por la escala mayor. Así protege el metro de no exceder el límite de corriente.

7.2 Voltímetro El mismo movimiento básico del metro que se utiliza en un amperímetro es también utilizado para medir voltaje. A saber que el voltaje de impresión a través de la bobina nunca excede 0.1volt, según lo computado, para la desviación a gama completa. Para arreglar el metro para medir voltajes más altos, resistencia de multiplicadoras se colocan en serie con la bobina de movimiento del metro utilizando un interruptor selector. Los voltímetros siempre se conectan en paralelo contra el aparato el cual se quiere medir.

Amperímetro MM

Figura 7-7: Manera incorrecta de conectar un amperímetro

Ammeter MM

Figura 7-8: Manera correcta de conectar el amperímetro

Figura 7-9 Circuito de Voltímetro Análogo

M

R=100 Ω

R=9.9 kΩ

0~1

0~10

0~50 0~100

R=99.9 kΩ

R=499.9 kΩ

0~500

R=900 Ω


7.2.1 Precaución, al medir voltaje utilizando un Multímetro análogo Un voltímetro siempre se conecta en paralelo o a través del circuito. Para medir un voltaje, el circuito no tiene que estar abierto. Como con el amperímetro, al medir voltaje desconocido, comience a medir colocando el metro en la gama más alta. Bajando de gama apropiada para evitar dañar el metro además, estar seguro que los terminales están conectados con la polaridad correcta. El terminal negro negativo y el terminal rojo es positivo. 7.3 Ohmnímetro El metro utilizado para medir el valor de una resistencia desconocida se llama ohmnímetro. El mismo movimiento del metro que fue utilizado en el voltímetro y el amperímetro puede ser utilizado para el ohmnímetro. Una fuente del voltaje y un resistor variable se agregan al circuito del ohmiómetro. En la figura 7-11, se muestra el circuito de un tipo de ohmiómetro en series. Para fuentes de potencia se utilizan 3 y 9 voltios. Con la batería dentro del metro.

Voltímetro

Amperímetro MM

V

Figura 7-10 Voltímetro conectado en paralelo

0 4

8 12

∞

3 volt Battery

Black lead wire Red lead wire Resistor

Resistance scale

Zero Adjuster


7.3.1 Características de un Multímetro Análogo en el Modo de Medir Resistencia • Cuando se mide voltaje o corriente, la

energía se provee de afuera, y se mide según el fluir de la corriente al milímetro.

• Cuando se mide resistencia el voltaje del

ohmiómetro es provisto por la batería interna. De acuerdo al fluir de la corriente, es que ocurre el movimiento de la aguja de indicador.

Al medir resistencia el voltaje aplicado es importante y este varía entre 3 y 12 voltios, de acuerdo a la posición del interruptor de resistencia. Gama de 1, 10, 1k: voltaje de salida 3 volt Gama de 10k: 12 volt (3volt + 9volt) También, como la salida de voltaje del terminal rojo es “+” y del terminal negro es “-“, podemos verificar diodos y condensadores utilizando el mismo método, como se muestra en la siguiente figura.

025

Polaridad:-

Polaridad:+

Figura 7 – 12: Verificando un condensador.

Polaridad: -

Polaridad: +

Figura 7 – 13: Verificando un diodo


Al medir resistencia debe multiplicar el valor obtenido por la escala a la cual esta midiendo. 7.3.2 Precaución al Medir Resistencia utilizando un Metro análogo Antes de conectar un ohmiómetro con cualquier circuito eléctrico para leer un valor desconocido, debe estar seguro que el circuito no está energizado. Un circuito energizado dañará el metro y puede causarle daño a usted. La energía eléctrica en un circuito no es necesaria funcionar la bobina de movimiento al igual que al usar un voltímetro o un amperímetro. Las baterías dentro del metro proporcionan la fuente de la energía para el ohmiómetro. Conectar el ohmiómetro con un circuito energizado aplicará el voltaje del circuito directamente a la bobina y a la batería, lo cual dañaría el metro y podría causarle danos a usted.

Resistencia

Terminal negro

Terminal rojo

Ajuste de cero

×10K ×1k ×10 ×1 Ohmnímetro

Batería 3volt

Interruptor de modo

Figura 7-14 Circuito de Ohmnímetro Análogo


Resumen para del Multímetro Análogo

Al medir voltaje, debe conectar en paralelo.

Al medir corriente, debe conectar en serie.

Si no sabe la gama del voltaje que desea

medir, debe seleccionar en la gama mas alta y comenzar a bajar.

Especialmente, cuando mida corriente,

selecciona la posición de medida de acuerdo a la corriente hacer medida

Si no se puede medir la corriente,

verifique el fusible en el interior del Multímetro.

Cuando hay un interruptor selectivo en el

modo de resistencia, sale voltaje a través de los terminales de prueba. o cuando el modo seleccionado es en el

rango de X1, X10, X1k el voltaje salida es 3volt.

o cuando el modo seleccionado es en el rango de 10k, el voltaje de salida es 9volt.

o En este momento, hay una salida de voltaje del terminal "-", y del terminal "+".

o Se debe tener precaución

especialmente, al medir la resistencia de los cables de entrada/salida y tierra de la ECM debido al voltaje aplicado por el Multímetro.

o Antes de medir resistencia, lleve le metro a cero.


7.4 Multímetros Digitales Este tipo de metro se refiere a menudo como multímetro porque puede ser utilizado como un voltímetro, un amperímetro, y ohmiómetro todo en uno. 7.4.1 Uso del Metro Digital El Metro Digital es una herramienta versátil, sin embargo, se debe utilizar correctamente para asegurar medidas exactas y evitar daño al metro o al circuito que es probado. Debe conectar los terminales correctamente en el metro de acuerdo a lo que se quiere medir. Debe fijar metro digital en la función y gama apropiada. Tenga cuidado al conectar su metro a un circuito, evitando un choque eléctrico o dañar el circuito que es probado. 7.4.2 Rango y Función del Metro Digital El metro digital tiene un interruptor que permita el seleccionar la función y el rango a utilizar para una medida eléctrica. La función de la prueba usualmente se abrevia o representa por símbolos. Los símbolos demostrados en la pantalla usualemte son comunes, sin embargo, su metro puede utilizar símbolos levemente diferentes.


7.4.3 Voltímetro Digital Rango y Funciones El voltaje disponible es la medida de voltaje en cualquier punto en un circuito comparado a de tierra o al terminal negativo de la batería. Para medir el voltaje disponible, debe conectar los terminales en la posición correcta, y colocar el interruptor selector en el modo de voltio de la DC. Toque la extremidad del terminal negro al terminal negativo de la batería, luego toque con el terminal rojo el punto donde desea medir el voltaje. 7.4.4 Como leer voltaje en la pantalla del voltímetro digital En aplicaciones de automóviles generalmente tenemos lecturas de voltaje en el rango de voltios y milli voltios. Milli se abrevia con la letra "m " 1 voltio = 1,000 milivoltios = 1,000 mV 1 milivoltio = 1 mV = 0.001 voltios La lectura presentada en la pantalla puede ser leída de dos maneras. En voltios se lee como 0.325 voltio y en milivoltios se lee como 352 milivoltios.


7.4.5 Midiendo Flujo de Corriente con un Metro Digital Para medir el flujo de corriente actual en el circuito, debe conectar el metro digital serie con el circuito. Recomendamos comenzar con el rango más alto para reducir la posibilidad de dañar el metro. Para los circuitos más altos del actual que la gama más alta del metro, deberá utilizar una abrazadera (“clamp”). Si la lectura está por debajo de la gama actual, apague el circuito, mueva el terminal rojo al rango de corriente mas bajo, luego encienda el circuito y anote la lectura en el indicador digital. Para lecturas por debajo de la gama disponible necesitara otro rango para una lectura más exacta. 7.4.6 Como leer corriente en la Pantalla de un Metro Digital En las aplicaciones de automóviles, generalmente la lectura del amperaje se lee como amperio y milli amperio. Un milli amperio es un milésimo de un amperio. Milli se abrevia generalmente como "m” 1 amperio = 1,000 miliamperios = 1,000 mA 1 miliamperio = 1 mA = 0.001 amperio La lectura mostrada en la pantalla se puede leer adentro dos maneras. En amperios se lee como 0.280 amperio y en miliamperios se lee como 280 miliamperios.


7.4.7 Midiendo Resistencia con el Metro Digital Cada componente eléctrico tiene cierta resistencia que oponga flujo actual en un circuito. Para medir la resistencia de un componente o de una porción de un circuito, aislar la porción del circuito que es probado de cualquier otro componente conectado en un paralelo. Desconecte la energía del circuito y descargue cualquier condensador en el circuito. Conecte los terminales de prueba a cada extremo de la porción del circuito hacer probado y observar la lectura en el indicador digital. El Metro Digital muestra lecturas de resistencia en los rangos de megaohmios, kilohmios y ohmios. El Mega se abrevia como "M" y kilo se abrevia como "k.” 1 megaohmio = 1,000,000 ohmios = 1,000 MΩ 1 kilohmio = 1,000 ohmios = 1,000 kΩ La lectura mostrada en la pantalla puede ser leída de dos maneras: en ohmios se lee como 2,200 ohmios y kilohmios se lee como 2.2 kilohmios.


7.4.8 Precaución al Medir Resistencia Utilizando un Multi-Metro Digital Al utilizar un Multi-metro digital, debe tener precaución que luego de medir resistencia no conecte para medir voltaje o corriente. Esto es un error común al utilizar el Multi-metro digital. Por esto esta acción dañará el metro. Resumen del Metro Digital • Al medir voltaje, debera conectar en

paralelo. • Al medir corriente, debe conectar en

series. • Aun cuando no se conozca el valor ha ser

medido, no es necesario el establecer el rango.

• Precaución, al medir corriente, debe colocar los terminales en el rango más alto y luego bajar de rango.

• Al seleccionar el modo de resistencia, habrá una salida de voltaje por los terminales. o Voltaje de Salida: 0.25 voltios


8. Fuerza Magnética 8.1 Causa de la Fuerza Magnética Los navegadores chinos antiguos descubrieron que un pedazo pequeño de la piedra impar, atado a un cordón, se tornaría siempre en una dirección hacia el norte. Estas piedras pequeñas eran mineral de hierro. Los Griegos las llamaron magnetita porque los encontraron cerca de Magnesia en Asia Menor. Desde entonces los marinos utilizaban estas piedras para la navegación de sus naves, las piedras se conocían como "piedras guías". Éstas fueron las primeras formas de imanes naturales. Hoy día, un imán se puede definir como un material o sustancia que tengan la energía de atraer el hierro, el acero, y los materiales magnéticos. 8.2 Magnetismo y Fuerzas Magnéticas La fuerza de atracción mayor se encuentra en las puntas de un imán. Estas concentraciones de la fuerza magnética se llaman los polos magnéticos. Cada imán tiene un Polo Norte y un Polo Sur. También fue descubierto que muchas líneas invisibles de la fuerza magnética existen entre los polos. Cada línea de la fuerza era una línea independiente. Ningunas de las líneas se cruzan o tocan una frontera. Note el patrón de las líneas que existen entre los polos. Estas líneas de limaduras reflejan las líneas de la fuerza. Observe la concentración de líneas en cada extremo del imán, o sus polos. Las líneas de la fuerza se concentran más en los polos. Cada línea magnética de fuerza viaja desde el Polo Norte al Polo Sur a través de espacio. La línea vuelve al Polo Norte a través del imán mismo. Estos lazos cerrados del campo magnético se pueden describir como circuitos magnéticos. Compare el circuito magnético al circuito eléctrico. La fuerza magnética se puede comparar al voltaje, y las líneas magnéticas de fuerza se pueden comparar con la corriente. Cuando el Polo Norte de un imán está cerca del Polo Sur, una fuerza atractiva atrae los dos imanes juntos. Si se da vuelta los imanes dado que los dos polos Norte o los dos polos

Sur están cerca uno del otro, ocurre una fuerza repulsiva entre los dos imanes


Figura 8-2 – La tierra es un gran imán, rodeado por un campo magnético

Figura 8-3 – Moléculas arriba si arreglar, abajo arregladas

Figura 8-4 – Un magneto grande puede ser llevado a pequeños magnetos

Figura 8-5 – Magnetizando un clavo

Investigación científica adicional demostró que la tierra actúa como un imán enorme. Los polos magnéticos de la tierra están cerca de los polos geográficos del norte y del sur. Ver figura 8-2. Usted puede observar ese norte magnético y el polo geográfico del norte no coinciden. Un compás no apuntaría en la dirección necesariamente del norte verdadero. Este ángulo entre el norte verdadero y el norte magnético se llama el ángulo de la declinación o declinación o del ángulo de variación. Hay, sin embargo, una línea alrededor de la tierra donde este ángulo de la declinación es cero. Al estar parado en esta línea, su compás señalaría al norte verdadero así como el norte magnético. En el resto de las localizaciones en la superficie de la tierra, la lectura del compás se debe corregir para encontrar el norte verdadero. ¿Qué hace una sustancia magnetizarse? Las moléculas adentro de una barra del hierro actúan como imanes minúsculos. Si estos imanes minúsculos están en un orden aleatorio, figura 8-3 (superior), la barra no actúa como imán. Sin embargo, cuando se arreglan estos imanes minúsculos de modo que sus polos del norte y del sur estén en línea, el hierro se magnetiza, figura 8-3 (inferior). Esto puede ser demostrado rompiendo un pedazo de hierro magnetizado en varios pedazos. Cada uno de los pedazos quebrados actúa como imán separado. La figura 8-4 muestra un imán quebrado. Cuando se desmagnetiza el hierro, estas moléculas se colocan en posiciones aleatorias. Esta acción molecular se demuestra mejor cuando se hace un imán. Por ejemplo, tomar una barra de hierro desmagnetizada. Frotarla varias veces en la misma dirección contra un imán permanente. Haga la prueba de llevar la barra cerca de algunas limaduras del hierro, y vera que la barra ahora está magnetizada. Frotando la barra del hierro con el imán alinea las moléculas y hace el hierro magnetizarse.


Figura 8-6: El Calor desmagnetizara un magneto

AB Φ=

Los imanes permanentes son hechos poniendo el material que se magnetizará en un campo magnético fuerte. El calor destruirá un imán. La energía térmica causa un aumento en actividad y expansión de moléculas. Esto permite que las moléculas vuelvan a sus posiciones al azar desmagnetizando el pedazo de hierro. 8.2.1 Flujo Magnético Las muchas líneas invisibles que rodean la fuerza magnética de un imán se conocen como el flujo magnético. Si un imán es fuerte, estas líneas del flujo serán más densas. Así pues, la densidad del flujo del campo, o el número de líneas por pulgada cuadrada o por centímetro cuadrado puede determinar la fuerza de un campo magnético. Densidad magnética = flujo magnéticos /área donde B es igual a la densidad del flujo, la letra Ø (letra griega phi) igual a el número de líneas, y A igual a el área seccionada transversalmente. El área seccionada transversalmente se puede medir en centímetros cuadrados. Si el área seccionada transversalmente se mide en centímetro cuadrado, entonces la densidad del flujo se da en el GAUSS. Un GAUSS es el número de líneas por centímetro cuadrado. El flujo, B, se da generalmente en Weber por metro cuadrado.


Figura 8-7: Los compases se alinean mostrando al patrón circular del campo magnético alrededor de un conductor con corriente.

Figura 8-8: Demostración de la regla de la mano derecha para conductores

Figura 8-9: Esta convención es utilizada para demostrar el enlace entre el flujo de corriente y el campo magnético. El punto representa la cabeza una flecha apuntando hacia ti. La cruz representa la cola de flecha alejándose de ti.

8.3 Inducción Electromagnética Durante los siglos décimo octavos y diecinueveavo, hubo mucha investigación dirigida hacia descubrir la relación entre la electricidad y el magnetismo. Un físico danés, Hans Chrisitan Oersted, descubrió que un campo magnético existe alrededor de un conductor que lleva corriente eléctrica. Usted puede realizar un experimento que demuestre el campo magnético alrededor del conductor que lleva corriente. Pase un conductor con corriente a través de una hoja de cartulina. Coloque pequeños compases cerca del conductor. Los compases señalarán en la dirección de las líneas de fuerzas magnéticas figura 8-7. Al invertir la corriente también invertirá la dirección de los compases por 180 grados. Esto demuestra que la dirección del campo magnético depende de la dirección de la corriente. Alrededor de un conductor que lleva corriente existe un campo magnético. En la teoría convencional de la dirección de corriente, la corriente se dice viajar de positivo a negativo. Usando la mano derecha como demostrado en la figura 8-8, con el pulgar señalando en la dirección de la corriente, los dedos indican la dirección del campo magnético. En la figura 8-9, el punto en el centro del conductor a la izquierda se demuestra como la punta de una flecha. Esto demuestra que la corriente está fluyendo hacia usted. Las flechas circulares demuestran la dirección del campo magnético. Este principio es muy importante cuando los alambres eléctricos llevan corrientes alternas. Esto es porque la colocación de alambres, o del vestido del plomo, tiene una influencia en los funcionamientos de un circuito. Los conductores se agrupan en pares siempre que sea posible eliminar los efectos térmicos e interferencia de radio causados por el campo magnético creado por el flujo actual.


Current in

Current outS

N

Figura 8-10: Un cable embobinado a una bobina es un solenoide y tiene polaridad indicada por la dirección de flujo de corriente.

Figura 8-11: Campo magnético alrededor de una bobina

8.4 Solenoide Cuando un conductor es embobinado en la forma de una bobina, o solenoide, las líneas de fuerzas magnéticas estarán dentro de la bobina y serán concentradas, creando un campo magnético fuerte. Un solenoide aparecerá como un campo magnético con un Polo Norte en un extremo, y Polo Sur en el extremo opuesto. Este solenoide se demuestra en la figura 8-10.


Figura 8-12: Regla de la mano derecha para una bobina.

Figura 8-13: Una bobina con una coraza de hierro es descrita como un electroimán.

La polaridad (dirección) de estas líneas de fuerza magnéticas puede ser establecida usando la regla de la mano derecha con los dedos que señalan en la dirección de la corriente en la bobina. El pulgar entonces señala al Polo Norte, figura 8-12. La fuerza del campo magnético de un solenoide depende del número de vueltas del alambre en la bobina y el tamaño de la corriente en los amperios que atraviesan la bobina. El producto de los amperios y de las vueltas se llama los ampere-turns (At o NI) de una bobina. Ésta es la unidad de medida de la fuerza del campo. Si, por ejemplo, si se necesita una bobina de 500 ampere-turns, cualquier combinación de vueltas y amperios que sumen a 500 trabajan. Ejemplos: 10 amperios por 50 vueltas = 500At 5 amperios por 100 vueltas = 500At 8.5 Electroimán En el solenoide, el aire es el conductor del campo magnético. Otras sustancias conducen líneas de fuerzas magnéticas mejor que el aire. Estos materiales se describen como teniendo mayor permeabilidad. Para demostrar esto, si se inserta una base de hierro suave en la bobina del solenoide, figura 8-13. La fuerza del campo magnético aumenta grandemente. Hay dos razones para este aumento. Primero, las líneas magnéticas se han concentrado en el área seccionada transversalmente más pequeña de la base. En segundo lugar, el hierro proporciona una trayectoria mucho mejor (mayor permeabilidad) para las líneas magnéticas. Este dispositivo (solenoide con una base de hierro) se conoce como electroimán.


Figura 8-14: Símbolo de un Relé

M

12V BATT

+- M

12V BATT

+-12V BATT

+-

Figura 8-15: Conexión simple de un circuito por relé

Las reglas usadas para la polaridad de un electroimán son iguales que para el solenoide. Cuando se energiza un electroimán es un imán de gran magnitud. Cuando se desconecta la energía eléctrica el electroimán pierde la mayoría de su magnetismo, pero no todo. Si el imán desconectado se trae cerca de alguna limadura del hierro, las limaduras serán atraídas a la base porque la base de hierro ha conservado una cantidad pequeña de su magnetismo. Este magnetismo se llama magnetismo residual. Si sigue habiendo un poco de magnetismo la base sería considerada, como tener retentividad baja. Esta es la capacidad de un material de conservar magnetismo después de que se haya quitado el campo que lo magnetizaba. Si una base conserva mucho de magnetismo, se dice para tener alta retentividad. Una base de hierro suave demuestra retentividad baja. Una base de acero tiene alta retentividad. 8.6 Relé El relé es un dispositivo usado para controlar un flujo grande de la corriente por medio de una corriente baja. Un relé es un interruptor magnético. Cuando se magnetiza la bobina de un relé, su fuerza magnética atrae el brazo de palanca, llamado la armadura, hacia la bobina. Los puntos de contacto en la armadura se abrirán o se cerrarán dependiendo de su posición normal de descanso. La frase en la posición de descanso se refiere a la posición normal de los contactos antes de que se energice el solenoide. Si la posición de descanso de los contactos está tocando normalmente, la corriente grande fluirá hasta que se activa el relé. Al activar el relé se abre el circuito. Si embargo la posición de descanso de los contactos está normalmente abierto, entonces el activar el relé cerrará el circuito. La corriente entonces fluirá hasta que el relé sea apagado. Vea el diagrama esquemático en la figura 8-15. En este circuito un motor está conectado con una fuente de energía de batería. Este es un ejemplo de un circuito de cómo controlar una corriente alta por medio de una corriente baja. Las dos diversas corrientes son

controladas mecánicamente por el relé. No se consideran conectadas eléctricamente


Las ventajas de este dispositivo están claras. • Desde un punto de vista de seguridad, el

operador toca solamente un circuito inofensivo, de baja tensión, pero controla quizás vario cientos voltios por medio del relé.

• Máquinas actuales de alta corriente pueden ser controladas desde una posición remota sin ninguna necesidad de llevar alambres pesados al interruptor que controla.

• La acción de la conmutación por medio de los relés puede ser muy rápida.

Algunos de las aplicaciones de los relé incluyen: cargas grandes de la iluminación, corrientes pesadas en automóviles (tales como lámparas frontales), y el control de motores eléctricos. Los relés se utilizan para controlar el comienzo y detenido del sistema eléctrico. Al elegir un relé para un propósito especial, hay varias cosas que se deben considerar. Tres consideraciones importantes son el número de contactos y la cantidad de corriente que el relé debe llevar, y su posición des-energizada. Los relés bien diseñados tienen puntos hechos de la plata, de aleaciones de tungsteno o de otras aleaciones. Un relé incluso puede ser normalmente cerrado (cerrado en la posición des-energizada) y normalmente abierto(abierto en la posición des-energizada). Normalmente se abrevian como NO (“Normally open”) y NC (“Normally Closed”). El número de contactos y su posición des-energizada se debe especificar. La bobina es la especificación más vital. La bobina elegida debe producir campos magnéticos bastante grandes en su voltaje clasificado para asegurar el contacto positivo del interruptor siempre. Sin embargo, algunos relé son tan sensitivos que requieren solamente un amperio o menos de un mili para energizarse, así que se debe tener precaución.


Figura 8-16: Transformador típico

Secundaria Primaria

Figura 8-17: Un transformador simple es construido de láminas de hierro blando y dos bobinas

8.7 Transformadores Un transformador es un dispositivo usado para transferir energía de un circuito a otro por medio de inducción electromagnética. Un transformador consiste de dos o más bobinas alrededor de una base de hierro laminada común. Los transformadores son dispositivos simples, rugosos, y eficientes La construcción de un transformador simple se demuestra en la figura 8-17, junto con su símbolo esquemático. La primera bobina, que es la bobina de entrada, se llama el primario. Esta bobina recibe la energía de la fuente. La segunda bobina, que es la bobina de salida, se llama secundaria. La carga es atada a la bobina de la salida. La energía en la secundaria es el resultado del campo magnético que cambia generado por las bobinas primarias. En un transformador el campo magnético del primario corta a través de las bobinas del secundario. Un corte del campo magnético cambiante a través de un conductor induce un voltaje. Por lo tanto, el voltaje cambiante del primario induce un voltaje en el secundario. Por esto, el transformador es un dispositivo que debe trabajar en una corriente alterna o corriente directa que pulsante. El campo primario debe ser un campo magnético móvil para que ocurra la transferencia de energía.


PrimaryCoil A

SecondaryCoil B

PrimaryCoil A

SecondaryCoil B

Figura 8-18: Ejemplo de Inducción mutua

8.7.1 Inducción La capacidad de producir energía eléctrica en un conductor sin tener un contacto físico con el conductor se refiere como inducción. Un voltaje se puede inducir en un conductor usando un campo magnético y movimiento. En el capítulo 10, los generadores, usted aprenderá que cuando se pasa una bobina a través de un campo magnético, se induce voltaje a la bobina. Usted también aprenderá también que pasar un campo magnético pasado por una bobina tendrá el mismo resultado. Básicamente, si hay un campo magnético, una bobina y un movimiento, se produce un campo electromagnético (emf). Vea la figura 8-18. Cuando la bobina A es energizada por una fuente del voltaje AC, una corriente se establece en la bobina. La corriente alterna que atraviesa la bobina A produce un campo magnético se levanta y se cae a la misma frecuencia que la fuente de voltaje AC. Si la frecuencia de la fuente del voltaje AC es igual a 60 hertzios, el campo magnético se levanta y se cae120 veces por segundo. Un transformador aplica el mismo principio de generación del emf, la diferencia es que no hay movimiento físico en el transformador. En su lugar, el campo magnético que se levanta y cae proporcionalmente a el movimiento necesario. Embobinado A produce un levantamiento y derrumbamiento de el campo magnético el cual cortas a través de los conductores en la bobina B. La bobina B tienen un voltaje inducido por la acción eléctrica de la bobina A. Este es el principio detrás de todos los transformadores; este principio se llama inducción mutua.


Primary connects to the source.

Secondary connects to

the loadLoad

Primary connects to the source.

Secondary connects to

the loadLoad

Figura 8-20: Es importante recordar que el primario de una bobina se conecta a la fuente y el secundario a la carga.

Otros fenómenos eléctricos ocurren en el mismo tiempo, este fenómeno se llaman autoinducción. La autoinducción ocurre cuando el campo magnético que rodea un conductor corta a través de los conductores a la izquierda o derecha de él. En la figura 8-19, usted puede ver que cuando se energiza una bobina produce un campo magnético. Cada bobina produce un campo magnético separado. Estos campos separados se combinan para formar un campo magnético total. Esta acción induce un emf en la dirección opuesta a la fuerza que genera el campo magnético. La autoinducción ocurrirá cualquier momento un conductor este adherido a un lazo y pasa por una corriente AC. 8.7.2 Principio de la Razón de Vueltas Uno de los mayores usos de los transformadores es aumentar o disminuir un voltaje. Aumentando o disminuyendo el numero de vueltas en la bobina secundaria causa esto. La cantidad de voltaje que es aumentado o disminuido es basado en la razón entre el numero de vueltas de la bobina primaria vs. La bobina secundaria. Según indicado anteriormente la bobina primaria es la bobina más cercana a la fuente, la bobina primaria induce un emf en la bobina secundaria. La bobina secundaria está conectada con la carga. Véase figura 8-20. Veamos las fórmulas para determinar la razón de vueltas del transformador, el voltaje esperado, la corriente y la energía. La razón entre el número de vueltas de el primario y secundario se llama la razón de vuelta. La razón de vuelta es simplemente el número de vueltas en el primario dividido por el número de vueltas en el secundario. Escrito como fórmula: Donde N es igual a el número de vueltas en el (p) primario o el (s) secundario.

PrimaryCoil PrimaryCoil

Figura 8-19: Campo magnético aumentando y colapsando alrededor de una bobina primaria es un ejemplo de autoinducción.

NsNpRt =


Usando el transformador en la figura 8-21, la razón de vuelta se puede calcular como: Esto indica que hay 1,000 vueltas del conductor en el primario del transformador y el secundario tiene 100 vueltas de cable. La razón es de 10 a 1. La razón de voltaje es la división entre el voltaje del primario y el voltaje del secundario. Está en la misma proporción que la Razón de Vuelta: La razón de corriente es la división entre las corrientes del primario y del secundario. Está es proporcionalmente inversa a la Razón de Vuelta: Combinar las tres razones: En la figura 8-21, hay diez vueltas en la bobina primaria para cada una vuelta en la bobina secundaria. Con una razón de 10 a 1, el voltaje en el lado secundario será diez veces más bajo que el voltaje primario. Si el

lado primario del transformador está conectado con una fuente 120volt, habrá 12 voltios presentes en el secundario. Examinando las razones, usted puede ver que la razón de corriente es lo contrario a la razón del voltaje. Si la razón del voltaje es 10 a 1, la razón de corriente será 1 a 10. El valor de corriente del primario se basa en la corriente en el secundario. La carga que se conecte en el secundario determina la corriente en el secundario. El valor de corriente en el primario, mostrado en la figura 8-21 será 1/10mo del flujo actual en el secundario.

110

==NsNpRt

3 amps

Current is step up.

30 amp load

A1,000 turns 100 turns

Voltage is step down.

1,000 turns 100 turns

120 V 12 V

10 to 1 ratio

3 amps

Current is step up.

30 amp load

A1,000 turns 100 turns

Voltage is step down.

1,000 turns 100 turns

120 V 12 V

10 to 1 ratio

Figura 8-21: La razón de vueltas explica la relación entre los valores de voltaje y corriente de la primaria y secundaria.

NsNp

EsEpVr ==

NsNp

IpIsAr ==

IpIs

NsNp

EsEp

==


Figura 8-22: Un transformador “step down” o “step up” es determinado por el numero de vueltas en el primario y el secundario.

Figura 8-23: La razón de vueltas ayuda a determinar el voltaje de salida

Los transformadores se pueden utilizar para subir o bajar voltajes y estos se conocen como “step up transformers” o “step down transformers”. Véase la figura 8-22. “Step up transformers” tienen más vueltas en el secundario que el primario. Por lo que se aumenta el voltaje. “Step down transformers” tiene menos vueltas en el secundario que el primario. Por lo que se disminuye el voltaje. Ejemplo: Un transformador tiene 200 vueltas en el primario y 1,000 vueltas en el secundario. Si al voltaje aplicado es de 117V, ¿Cual es el voltaje del secundario? Esto es un ejemplo de un “Step up Transformer” Ejemplo: Si cambiamos el secundario a 10 vueltas. ¿Cual seria el voltaje de salida? Esto es un ejemplo de un “step down transformer”

VEs

Es

NpNsEpEs

NsNp

EsEpVr

585

)200000,1(117

)(

=

=

=

==

VEs

Es

NpNsEpEs

NsNp

EsEpVr

85.5

)20010(117

)(

=

=

=

==


Pp = 9 X 100 = 900W

100 V

9 amps

Es=300V

Primary Secondary

3 amps

Pp = 3 X 300 = 900W

100 ohm

Figura 8-24: Relación entre voltaje, amperaje y potencia en la primaria y secundaria de un transformador.

8.7.3 Potencia de Transformador Para calcular la potencia en el secundario de un transformador debe considerarse la eficiencia del transformador. Sin embargo, por ahora consideremos el transformador ideal que trabaja 100 por ciento de eficiencia. Si hacemos esta asunción, la potencia en el lado primario debe ser igual a la potencia en el lado secundario. En forma de fórmula: Pp = Ps El grado de potencia para un transformador se expresa generalmente como el VA (voltio-amperios) o KVA (kilovoltio-amperios). La potencia usada en el circuito secundario se debe proveer por el primario. Si se asume que el transformador es 100 por ciento eficiente, la energía en el secundario, Is X Es, debe ser igual a la potencia en el primario, Ip x Ep. Ejemplo: Un “step up transformer” produce 300 voltios en el secundario cuando se aplican 100volts AC al primario. Una carga de 100ohmio se aplica al secundario. ¿Cuál es la potencia en el primario? Utilizando la Ley de Ohm: Por lo que una corriente de 3 amperios fluye. La potencia utilizada en el secundario puede ser calculada utilizando: Como el primario debe suplir la potencia: El principio clave de la acción de un transformador es que a medida que el voltaje del secundario aumenta, la corriente disminuye en el secundario.

AREsIs 3

100300

===

VAPsXPs

IsXEsPs

9003003

===

AEpPpIpy

VAIpXEpIsXEs

9100900

900

===

==


8.7.4 Bobina de Ignición de Automóvil La bobina de la ignición produce una chispa de alto voltaje en un sistema eléctrico del automóvil. Utiliza una razón de vueltas alta para desarrollar 30,000 voltios o más a través del espacio libre de la bujía. Usted puede preguntarse cómo el principio del transformador se aplica a un circuito DC. Un coche utiliza una fuente de potencia DC de 12 voltios, la batería. Vea la figura 8-25 para seguir el circuito de ignición. La batería de 12 voltios está conectada en serie con el interruptor de la ignición. El circuito conecta con la bobina de la ignición y entonces al distribuidor. El distribuidor gira, haciendo el abrir y cerrar del circuito. Esta acción produce pulsos del flujo eléctrico al circuito de la bobina, enciendo y apagando la bobina. Los pulsos producen un levantamiento y caída del campo magnético que cae a través del embobinado en la bobina, y así, produce la acción del transformador. Los 12 voltios en el lado primario del transformador producen sobre 30,000 voltios en el lado secundario del transformador. La energía eléctrica atraviesa el cable del la bujía a la bujía, la bujía tiene un espacio abierto intencionalmente. Este espacio abierto es cruzado fácilmente por los 30,000 voltios a través de un arco, terminando el circuito a la tierra del chasis. Este arco a través del espacio abierto de la bujía enciende los vapores de la gasolina lo que causa una explosión. Esta explosión fuerza al pistón a moverse, y así, el motor funciona.

Ignition switch

Battery 12V

Ignition coil

Distributor

Spark plug

ECM

Ignition switch

Battery 12V

Ignition coil

Distributor

Spark plug

ECM

Figura 8-25: Bobina de Ignición


Resumen: 1. Cada magnético tiene un Polo Norte y un

Polo Sur. 2. Los imanes temporeros pierden sus

propiedades rápidamente. Los imanes permanentes guardan sus características magnéticas por un período del tiempo largo.

3. Las líneas invisibles alrededor de un imán se llaman las líneas de flujo magnéticos.

4. Los electroimanes se crean cuando la corriente atraviesa un embobinado de alambre.

5. El relé es un interruptor electromagnético. 6. El lado de la admisión de un

transformador se llama el primario y el lado de la carga se llama el secundario.

7. La operación del transformador es un uso de la inducción.


9 Condensador 9.1 Capacitáncia y el Condensador La Capacitáncia es una característica que se opone cualquier cambio en voltaje. Un condensador es un dispositivo capaz de almacenar energía eléctrica. Un condensador acepta o vuelve esta carga para mantener un voltaje constante. Los símbolos esquemáticos se utilizan para representar un condensador se demuestran en la figura 9-1. El condensador se compone de dos placas de material conductor, separadas por un aislamiento. Este aislamiento se llama un dieléctrico, figura 9-2. En la figura las placas están conectadas con una fuente del voltaje de DC. El circuito parece ser un circuito abierto porque las placas no se entran en contacto. Sin embargo, el metro en el circuito demostrará un cierto flujo de corriente por un momento después de que el interruptor sea cerrado. En la figura 9-3, como el interruptor es cerrado, los electrones del terminal negativo de la fuente fluyen a una placa del condensador. Estos electrones repelan los electrones de la segunda placa (cargas iguales se repelan), por lo que entonces se llevan al terminal positivo de la fuente. El condensador ahora se carga al mismo potencial que la fuente y está oponiendo el voltaje de la fuente. Si el condensador se mueve del circuito, seguirá cargado. La energía se almacena dentro del campo eléctrico del condensador. Una vez que el condensador se cargue completamente, la corriente deja de fluir en el circuito. Es importante recordar que en el circuito en la figura 9-3, ningunos electrones atravesaron el condensador. Esto es porque un condensador bloquea la corriente directa. Sin embargo, una placa se cargó negativamente y la otra cargó positivamente. Un campo eléctrico fuerte existe entre ellos.

Figura 9-1: Símbolo esquemático de un condensador

Conductive plates

Dielectric

Conductive plates

Dielectric

MM

Figura 9-2: Forma básica de un condensador

+-

+-

+-

+-

Figura 9-3: El condensador se carga al potencial de la fuente de voltaje


El aislamiento o los materiales dieléctricos varía en su capacidad de apoyar el campo eléctrico. Esta capacidad se conoce como la constante dieléctrica del material. Las constantes de varios materiales se demuestran en la tabla 9-1. Estos números se basan en la comparación con la constante dieléctrica del aire seco. La constante para el aire seco se ha asignado como 1. El dieléctrico usado para los condensadores puede soportar solamente ciertos voltajes. Si se excede este voltaje, el dieléctrico se romperá y resultara en la formación de arcos. Este voltaje máximo se conoce como el voltaje de trabajo (WV). Exceder el voltaje de trabajo puede causar un cortocircuito y puede arruinar otras piezas del circuito conectadas con el dieléctrico. El aumento de indicaciones de voltaje requiere de materiales especiales y dieléctricos más gruesos. Cuando se substituye un condensador, se debe comprobar su valor de Capacitáncia y voltaje DC de trabajo. Cuando un condensador se utiliza en un circuito de la AC, el voltaje de trabajo debe exceder por seguridad el voltaje AC pico. Por ejemplo, un voltaje efectivo AC de 120volt tiene un voltaje máximo de 120V X 1.414 = 169.7 voltios. Cualquier condensador usado debe poder manejar 169.7 voltios.

Tabla 9-1: Constantes de Dieléctricos. Mientras mayor el valor mejor para soportar campos eléctricos.


9.2 Calculando Capacitáncia La Capacitáncia es determinada por el número de los electrones que se pueden almacenar en el condensador por cada voltio del voltaje aplicado. La unidad de la Capacitáncia es el faradio (f). Un faradio representa una carga de un culombio que levante el potencial 1-voltio. La ecuación es la siguiente. Donde está la Capacitáncia C en faradios, Q es la carga en culombios, y E es el voltaje en voltios. La carga Q almacenada en un condensador es dada por: Donde está la corriente I en amperios y t el tiempo en segundos. La fuerza del campo eléctrico, La razón entre la densidad eléctrica del flujo, D, a la fuerza del campo eléctrico, E, se llama la constante dieléctrica absoluta, ε, de un dieléctrico. La constante dieléctrica de espacio libre es una constante, dada por ε0 = 8.85 x 10 -12 F/m. La constante dieléctrica relativa εr = densidad del flujo del campo en el dieléctrico / densidad del flujo del campo en vacío. Constante dieléctrica absoluta, ε = ε0 εr

Los condensadores usados en trabajos electrónicos tienen capacidades medidas en los microfaradios (1/1,000,000F) y los faradios de Pico (1/1,000,000 de 1/1,000,000 F). El microfaradio se escribe comúnmente como μF o se escribe a veces como mfd. Mientras que el Pico se escribe como . El faradio nano no es una medida común de la Capacitáncia. La Capacitáncia se determina como: • El material usado como dieléctrico (cuanto

más grande es la constante dieléctrica, mayor es la Capacitáncia.)

• El área de las placas (cuanto más grande es el área de la placa, mayor es la Capacitáncia.)

• La distancia entre las placas (cuanto más pequeña es la distancia, mayor es la Capacitáncia.)

Estos factores se relacionan en la fórmula matemática: Donde C es la Capacitáncia en faradios, A iguala al área de un lado de una placa, d igual a la distancia entre las placas (o grueso dieléctrico), y n igual al número de placas. Esta fórmula ilustra dos hechos: 1. La capacidad aumenta mientras que el área

de las placas aumenta, o mientras que la constante dieléctrica aumenta.

2. La capacidad disminuye a medida que aumente la distancia entre las placa

EQC =

IXtQ =

dVE =

ED

=ε

rED εε 0=

dnAC r

)1(0

−= εε


9.3 Tipos de Condensadores Los condensadores se hacen en centenares de tamaños y de tipos. Los condensadores de papel fijo se hacen de capas de papel de estaño. El dieléctrico se hace de papel encerado. Los alambres que extienden de los extremos conectan con las placas de la hoja. El ensamble es enrollado en un cilindro y se sellan firmemente con compuestos especiales. Algunos condensadores se incluyen en el plástico para dar rigidez. Estos condensadores pueden soportar calor, la humedad, y golpes. Los condensadores llenados aceite rectangular se sellan herméticamente en latas de metal. Se llenan de aceite y tienen resistencia de aislamiento muy alta. Este tipo de condensador se utiliza en las fuentes de alimentación de los radiotransmisores y del otro equipo electrónico. Condensadores del tipo de lata de electrolítico utilizan diversos métodos de construcción de la placa. La figura 9.4 demuestra los condensadores “single-ended.” Algunos condensadores tienen placas de aluminio y un electrolito mojado o seco de bórax o carbonato. Un voltaje de DC se aplica durante la fabricación. La acción electrolítica crea una capa delgada de óxido de aluminio que se deposita en la placa positiva. Esta capa aísla la placa del electrolito. La placa negativa está conectada con el electrolito. El electrolito y las placas positivas forman el condensador. Estos condensadores son útiles cuando una cantidad grande de capacidad se necesita en un espacio pequeño. La construcción del condensador electrolítico tubular es similar al tipo de la lata. La ventaja principal de estos condensadores tubulares es su tamaño más pequeño. Tienen una caja del metal incluida en un tubo aislador. También se hacen con dos, tres, o cuatro unidades en un cilindro. Un condensador pequeño es utilizado popularmente radio y TV es el condensador de cerámica. El condensador de cerámica se hace de un dieléctrico de cerámica especial. Las placas de plata del condensador son fijas

en el dieléctrico. El componente entero se trata con un aislamiento especial que puede soportar calor y la humedad.

Figura 9-4: Condensadores del Tipo de Lata de Electrolito

Figura 9-5: Condensador típico de cerámica


Los condensadores mica son condensadores pequeños. Son hechos apilando las placas del papel de estaño junto con las hojas finas de la mica como el dieléctrico. El ensamble es moldeado en un casco plástico.

Figura 9-6: Condensador Mica


9.4 Respuesta Transitoria del Condensador Recordar que la respuesta de la corriente y del voltaje en un circuito inmediatamente después de un cambio en voltaje aplicado está llamada la respuesta transitoria. Refiérase a la figura 9-7. Un condensador y un resistor están conectados en serie a través de una fuente de voltaje. Un circuito que contiene resistencia y Capacitáncia se llama un circuito de RC. Cuando el interruptor está cerrado en este circuito de RC, la corriente máxima fluirá. La corriente disminuye gradualmente hasta que el condensador ha alcanzado su carga completa. El condensador cargará al nivel del voltaje aplicado. Inicialmente, el voltaje a través del condensador es cero. Cuando el interruptor es cerrado, el voltaje a través del condensador aumenta gradualmente hasta el valor del voltaje de la fuente. Esta carga del condensador se demuestra en la figura 9-8. La corriente en el circuito RC también se demuestra en esta figura. Note que al cerrar el interruptor, la corriente se levanta a un máximo casi inmediatamente. La corriente cae a medida que el condensador se carga. Cuando el condensador alcanza la carga completa, la corriente es cero. Cuando se abre el interruptor, el condensador sigue cargado. Teóricamente, seguiría siendo carga indefinidamente, pero hay siempre una cierta salida a través del dieléctrico. Después de un cierto período del tiempo, el condensador se descargará.

Switch

R

C

BatterySwitch

R

C

Battery

Figura 9-7: Circuito RC en serie

E

I

Figura 9-8: Corriente y voltaje en un circuito RC en series


En la figura 9-9, la combinación en serie del condensador cargado y resistor es circulada brevemente proporcionando una trayectoria de descarga. Porque no hay voltaje de oposición, la corriente derivada se levantará al máximo inmediatamente y caerá gradualmente a cero. El gráfico combinado de la carga y de la descarga del condensador se demuestra en la figura 9-10. El voltaje aparece a través del resistor y del condensador en este circuito. El voltaje a través de R es un resultado de la corriente, E = IR. Así, el voltaje máximo aparece a través de R cuando está fluyendo la corriente máxima. Esta condición existe inmediatamente después que el interruptor está cerrado en la figura 9-7 y después de que el interruptor de la descarga está cerrado en la figura 9-9. En ambos casos, el voltaje a través de R decae a medida que el condensador se acerca a la carga o a la descarga completa. El gráfico de voltaje a través de R se dibuja en el cuadro 9-11.

Switch 1

R

CSwitch 2

Battery

ISwitch 1

R

CSwitch 2

Battery

I

Figura 9-9: Un corto circuito ocurre en el circuito RC cuando el interruptor 2 es cerrado

Time

E

I

E

Charge Steadystate

Discharge

I

Figura 9-10: Esta grafica combinada muestra el aumento y caída de la corriente y voltaje en el circuito en serie RC.


Time

ER

Charge Steadystate

Discharge

ER = IR

ER

Figura 9-11: Esta grafica demuestra la caída en voltaje a través de R a medida que se carga y descarga el condensador.

9.5 Constante de Tiempo RC Durante la carga y la descarga del circuito mostrado arriba, ocurre un período de tiempo. Este tiempo se indica a lo largo de la base, o del eje-x, de los gráficos en la figura 9-10 y 9-11. La cantidad de tiempo necesario para que el condensador se cargue o de descargue 63.2 por ciento se conoce como la constante de tiempo del circuito. La fórmula para determinar la constante de tiempo en el circuito RC es: Donde τ es la constante de tiempo en segundos, R es la resistencia en ohmios, y C es la Capacitáncia en faradios. Para la carga o la descarga completa, se requieren cinco períodos constantes del tiempo. Si se asume que un voltaje de la fuente igual a 100 voltios, la tabla 9-2 demuestra la constante de tiempo, el porcentaje, y el voltaje.

RXC=τ

Tabla 9-2: Una fuente de 100 voltios creara una constante de tiempo, por-ciento y voltaje.


9.6 Condensadores en Series y Paralelo Cuando dos condensadores están conectados en serie, figura 9-12, el total de Capacitáncia es: Cuando dos o mas condensadores están conectados en series, figura 9-13, el total de Capacitáncia es: Cuando los condensadores están conectados en paralelo, figura 9-14, el total de Capacitáncia es igual a la suma de las capacitancías individuales.

21

21

CCXCCCt +

=

Nt CCCCC1...1111

321

++++=

Nt CCCCC ++++= ...321

C1 C2C1 C2

Figura 9-12: Dos condensadores en series

C1 C2 C3C1 C2 C3

Figura 9-13: Dos o mas condensadores en series

C1 C2 C3C1 C2 C3

Figura 9-14: Condensadores en paralelo


Resumen: 1. Capacitáncia es la propiedad de un

circuito que se opone a cualquier cambio en voltaje.

2. Un condensador es un aparato que temporeramente almacena carga eléctrica. Esta hecho de dos placas de material conductivo separadas por un aislador, llamada dieléctrico.

3. Capacitáncia se mide en faradios. 4. Factores que afectan la capacitáncia: a. Distancia entre placas b. Área de placa c. Material dieléctrico 5. La constante de tiempo RC puede ser

calculada utilizando la formula: 6. La formula para condensadores en series

es: 7. La formula para condensadores en

paralelo es:

RXC=τ

Nt CCCCC1...1111

321

++++=

Nt CCCCC ++++= ...321


Figura 10-2: Inducción Magnética. El pasar un conductor a través de un campo magnético desplaza electrones en un conductor. Los electrones se mueven a través del conductor.

10. Generadores 10.1 Inducción Magnética Cuando un conductor se mueve a través de un campo magnético, se produce fuerza electromotriz (emf) en el conductor. Si el conductor forma parte de un circuito cerrado entonces el emf producido causa un flujo de corriente eléctrica al alrededor del circuito. Por lo tanto un emf (y así la corriente) es “inducido” en el conductor como resultado de su movimiento a través del campo magnético. Este efecto se conoce como inducción electromagnética. Un método alterno a la ley de Lentz para determinar direcciones relativas es dado por la regla de la mano derecha de Fleming (a menudo llamada regla del generador), que indica: Extienda el pulgar, primer dedo y el segundo dedo de la mano derecha tales que estén todos perpendicularmente el uno al otro, según lo demostrado en la figura 10-1. Si el primer dedo apunta en la dirección del campo magnético, el pulgar señala en la dirección del movimiento del conductor relativo al campo magnético, y el segundo dedo señalará en la dirección del emf inducido. Se requieren tres cosa para inducir un voltaje: • Un campo magnético • Un conductor • Movimiento relativo entre el campo y el

conductor.

Campo Magnético

EMF Inducido

Figura 10-1: Regla de la Mano Derecha

• Primer Dedo: Campo • Pulgar: Movimiento • Segundo Dedo: EMF

Movimiento


La figura 10-3 demuestra la acción de una bobina dando vueltas en un campo magnético. En la posición A, la parte superior de la bobina se mueva paralela al campo magnético. No se produce ningún voltaje. En la posición B, ambos lados de la bobina están cortando el campo perpendicularmente. El voltaje más alto se produce a este ángulo recto. La posición C es como la posición A, el voltaje cae a cero. En la posición D, la bobina está cortando otra vez el campo perpendicularmente, donde se produce el voltaje más alto. Sin embargo, en la posición D el voltaje está en la dirección opuesta de la curva de B. La curva mostrada en la figura 10-3 muestra la honda de voltaje producido por una revolución de la bobina. La figura 10-4 muestra conductores sencillos que pasan a través de un campo magnético. En la parte superior el conductor es empujado hacia abajo a través del campo magnético. En la parte inferior, el conductor forma un campo magnético alrededor del conductor. El campo alrededor del conductor opone, y es rechazado por, el campo fijo. Este fenómeno se conoce como la ley de Lenz. La polaridad de una fuerza electromagnética inducida es tal que produce una corriente. El campo magnético de esta corriente siempre se opone al cambio en el campo magnético existente. Más simplemente, la ley de Lenz dice: el campo existente opone al campo inducido alrededor del conductor. Por lo tanto, para producir electricidad, se necesita aplicar una forma de fuerza mecánica para superar esta oposición y para dar vuelta a las bobinas.

Figura 10-3: Curva del voltaje inducido durante una revolución de un bobina.

Angulo de rotación

EMF

Líneas de fuerza magnética

Figura 10-4: La dirección de la corriente a través del conductor es determinada por la dirección en que el conductor corta a través del campo magnético.


La fuerza del voltaje inducido en una bobina que rota depende de: • El número de líneas de fuerza magnéticas

cortadas por la bobina. • La velocidad a la cual el conductor se

mueve a través del campo. Cuando un solo conductor corta a través de 100,000,000 (108) líneas magnéticas en un segundo, un voltio de presión eléctrica es producido. Este voltaje se puede aumentar enrollando la armadura con mayor cantidad de alambre, aumentando su velocidad de rotación, o ambos. Esto se puede expresar por la ecuación matemática: El voltaje inducido = (líneas de flujo magnético X revoluciones por segundo) / el número de las líneas del flujo por voltio. Donde E iguala el voltaje inducido, el Φ igual a las líneas del flujo magnético, y N igual a revoluciones por segundo. Por ejemplo, si un campo magnético fijo consiste en 106 líneas de flujo magnético y un solo conductor corta a través del campo 50 veces por segundo, el voltaje inducido sería igual a: Medio voltio es producido por este generador. 10.2 Construcción de un Generador Un generador es un dispositivo que cambia energía mecánica en energía eléctrica. Usted vio este cambio en la figura 10-3. La revolución de la bobina (energía mecánica) fue cambiada a la corriente inducida (energía eléctrica). Esta acción es un ejemplo de un generador muy simple. Un campo magnético mas fuerte se puede crear para este generador mejorado substituyendo los imanes permanentes por electroimanes. Las bobinas de campo se pueden colocar sobre los pedazos

del polo que se sujetan al caso de acero o del marco del generador. La bobina que gira, o la armadura, se suspende en el caso que se reclina sobre los cojinetes apropiados. Una bobina es substituida por bobinas de de muchos alambres alrededor de la armadura. La armadura que rota está conectada con el circuito exterior. Las escobillas del generador se construyen principalmente de carbón simple, suave. La diferencia principal entre un generador de ac y el generador dc es el uso de “slip rings” en el generador de ac y el uso de un conmutador (“split ring”) en el generador de la dc. Ambos anillos “slip” y “split” proporcionan las conexiones actuales eléctricas de la armadura al circuito de la carga del generador. Dos anillos “slip” se utilizan en los generadores de ac. Los anillos “slip” proporcionan medios mecánicos de mantener la conexión entre el circuito de la armadura y el circuito exterior. Véase la figura 10-5. En el generador ac, los “slip rings” están en contacto constante con las escobillas. Puesto que una corriente alterna se produce en el circuito de la armadura, el circuito exterior es también ac. Ambos generadores ac y dc producen una corriente ac en las bobinas de la armadura.

( )810

XNE φ=

( ) VXXE 5.0105010

5010 28

6

=== −

Figura 10-5: Generador ac simple. Una vuelta de cable o armadura lleva la corriente inducida. Los electrones fluyen a través de una escobilla, al circuito y de regreso a través de otra escobilla.


Cuando se desea corriente de en el circuito exterior, un sistema de segmentos del conmutador y un sistema de escobillas es utilizado. Un conmutador, o el “split ring”, es un dispositivo que reversa las conexiones eléctricas y se utilizan en los generadores dc. Véase la figura 10-6. La conexión mecánica entre el circuito exterior y la armadura cambia constantemente debido a las conexiones de las escobillas y del conmutador. La acción del conmutador y de los cepillos mantiene un flujo constante en una dirección hacia el circuito exterior. Estudie la figura 10-7 de cerca para ver cómo la dirección de la corriente se mantiene en el circuito exterior o en la carga. Los dibujos demuestran la acción del conmutador y de las escobillas. La polaridad de las escobillas es constante. La polaridad de los “split ring” en el generador ac, figura 10-5, cambia como la dirección de la corriente cambia con cada media revolución. En el generador dc, la corriente alterna en la armadura se cambia a una corriente directa de pulsación. Note que la corriente en el circuito exterior del generador de dc fluye siempre en una dirección. La salida del generador se demuestra en la figura 10-8. El voltaje sube y baja a partir de la cero a un máximo a cero, pero siempre en la misma dirección.

Figura 10-6: Generador dc simple

Figura 10-7: El conmutador cambia la corriente alternante a una corriente directa pulsante en el circuito exterior.

Figura 10-8: Salida de generador en voltios


Refiérase a la figura 10-7. La escobilla A está en contacto con la sección A del conmutador, y la escobilla B está en contacto con el conmutador B. La primera honda de corriente inducida fluye a través de la armadura a la escobilla B, alrededor del circuito externo y de regreso a la escobilla A, completando el circuito. Cuando la armadura gira una mitad vuelta, la corriente inducida invertirá su dirección. Sin embargo, las secciones del conmutador también han dado vuelta con la armadura. El flujo de corriente inducido del conmutador A esta ahora en contacto con la escobilla B. Esta corriente atraviesa el circuito externo a traves de la escobilla A al conmutador B, terminando el circuito. La corriente atraviesa el circuito externo en la misma dirección ambas veces. El conmutador ha actuado como un interruptor. Invirtió las conexiones a la bobina que rotaba, cuando la dirección de la corriente inducida fue invertida. La corriente en el circuito exterior corriente directa pulsante. La salida de este generador no es una corriente directa suave. La debilidad de la corriente directa que pulsa se puede mejorar de dos maneras. El número de bobinas que rotan en la armadura puede ser aumentado y se pueden suplir secciones del conmutador para cada sistema de bobinas. Para ayudarle a entender cómo las bobinas se agregan a la armadura, vea la figura 10-9. Cada bobina tiene su propia corriente inducida. Cuando la corriente comienza a bajar en una bobina, esta es substituida por la corriente inducida de la bobina siguiente. La corriente es creada mientras las bobinas cortan a través del campo magnético. En la figura 10-10 se muestra un gráfico de la salida del generador de la figura 10-9. Sigue siendo una corriente directa que pulsa. Sin embargo, los pulsos se generan el doble. La salida del generador de dos bobinas es mucho más suave. Aumentando el número de bobinas, la salida se duplicará casi tan pura como la corriente directa con solamente una variación leve de la ondulación.

Figura 10-9: Generador simple con dos bobinas rotadas una de otra en ángulos rectos en un campo magnético.

Figura 10-10: Honda de salida del generador mostrado en la figura 10-9.


10.3 Tipos de Generadores Hay un número de diversos tipos de generadores. Varios de estos tipos de generadores serán discutidos brevemente. Estudie sus semejanzas así como sus diferencias. Los generadores se pueden distinguir por su método de excitación. Los generadores auto-excitados se pueden separar en más categorías como, desviación, series, y compuesto. Una característica que separa los generadores es el método de la excitación, el método que se utiliza para encender el generador. Algunos generadores requieren una fuente de energía separada durante el encendido del generador. Éstos se llaman los generadores de campo externamente excitados. Otros generadores utilizan los el magnetismo adicional en lugar de una fuente de energía externa. Éstos son generadores auto-excitados. 10.3.1 Generadores de Campo Externamente Excitados La salida del generador es determinada por la fuerza del campo magnético y la velocidad de la rotación. La fuerza del campo se mide en ampere-turns. Así pues, un aumento en corriente en el campo de las bobinas aumentará el tiempo la velocidad de rotación. Por lo tanto, la mayoría de los dispositivos de regulación de la salida varían la corriente en el campo. Los campos de las bobinas se pueden conectar a una fuente de voltaje dc separada, o independiente, figura 10-11. Éste es el generador de campo externamente excitado. Con la constante de la velocidad, la salida puede ser variada controlando el voltaje de excitación de la fuente dc. Esto se logra colocando una resistencia en serie con los campos de las bobinas y la fuente de voltaje.

Figura 10-11: Generador de campo externamente excitado.


10.3.2 Generador Auto-Excitado Un generador auto-excitado no utiliza una fuente de voltaje separada para excitar el campo de bobina del generador. El generador auto-excitado produce un pequeño voltaje cuando las bobinas de la armadura cortan a través de un campo magnético débil. Este campo magnético débil es causado por el magnetismo dejado sobre el terminal de los polos o en el corazón del campo de la bobina después que el voltaje y la corriente han dejado de fluir. El magnetismo restante en un imán después de que se haya quitado la fuerza que magnetizaba se le conoce como magnetismo residual. Observe el diagrama del generador “shunt” mostrado en la figura 10-12. Un campo magnético residual causara que un pequeño voltaje sea producido a medida que como los conductores de la armadura rotan más allá de los polos del campo. El pequeño voltaje producido, causará un aumento en la corriente a través de los postes del campo. Un aumento en magnetismo en el campo del polo causará un aumento posterior en voltaje de la salida. La relación entre la corriente producida por la armadura y el aumento directo de la cantidad de magnetismo en el campo de los polos es cómo el generador auto-excitado funciona. El magnetismo producido por el voltaje de la armadura aumentará hasta que los capos de los polos alcanzan la saturación, punto donde los polos no pueden contener líneas de fuerza magnética adicionales. Generador “shunt” El generador “shunt” deriva su nombre de la manera en que las bobinas del campo de los polos están conectadas en paralelo con la armadura, figura 10-12. Otra manera de decir paralelo es el termino “shunt”. Los campos de las bobinas consisten en muchas vueltas de alambres pequeños. Estos generadores utilizan solamente una pequeña parte del producto actual generado el campo magnético de las bobinas de los polos. La corriente total generada deben, por supuesto, ser la suma de la excitación del campo actual y de la corriente enviada a la carga. Así, la corriente de salida puede ser vista como

variando según la carga aplicada. El flujo del campo no varía en gran parte. Por lo tanto, el voltaje terminal se mantiene constante bajo diferentes condiciones de carga. Este tipo de generador se considera una máquina de voltaje constante. Todas las máquinas se diseñan para hacer cierta cantidad de trabajo. Si se son sobrecargadas se acortan su vida. Como con cualquier máquina, la vida de un generador se puede acortar por una condición de sobrecarga. Cuando está sobrecargado, el voltaje terminal del generador “shunt” cae rápidamente. La corriente excesiva causa las bobinas de la armadura calentarse. El calor puede hacer el generador fallar destruyendo la capa fina de aislamiento que cubre los alambres de la armadura.

Figura 10-12: Generador “shunt”


Generador en Serie El generador en serie es así nombrado porque los campos de bobinas son conectados en serie con la armadura y la carga. Tal generador se muestra en la figura 10-13. Una bobina en serie por sí misma proporcionará un voltaje que fluctúa a la carga del generador. A medida que la corriente aumenta o disminuye a través de la carga, el voltaje en los terminales de salida del generador aumentará o disminuirá grandemente. Debido a la amplia diferencia en voltaje de la salida, no es un generador muy práctico a utilizar si la carga varía. Generador Compuesto El generador compuesto utiliza ambas bobinas en serie y “shunt” en el campo. Las bobinas en serie son a menudo algunas vueltas de alambre grande. El tamaño del alambre de las bobinas en serie es generalmente del mismo tamaño que los conductores de la armadura. Estas bobinas deben llevar la misma cantidad de corriente que la armadura puesto que están en serie uno con la otra. Las bobinas en serie se montan en los mismos polos que las bobinas “shunt”. Ambas bobinas agregan a la fuerza del campo de los polos del generador. Si ambas actúan en la misma dirección o polaridad, un aumento en carga causa un aumento de la corriente en las bobinas en serie. Este aumento en corriente aumentaría el campo magnético y el voltaje terminal de la salida. El campo se le conoce como aditivo. El campo resultante sería la suma de ambas bobinas. Sin embargo, la corriente con la bobina en serie puede producir una saturación magnética de la base. Esta saturación da lugar a una disminución del voltaje mientras que la carga aumenta.

Figura 10-13: Generador embobinado en serie


La manera en que el voltaje terminal se comporta depende del grado de composición. Un generador compuesto, que mantiene el mismo voltaje en las condiciones sin carga o a carga plena, se dice ser un generador plano-compuesto. Un generador compuesto excedente, entonces, aumentará el voltaje de la salida a carga plena. Un generador compuesto inferior tendrá un voltaje disminuido a carga plena. Una carga variable se puede poner en paralelo a la bobina en serie para ajustar el grado de composición. La figura 10-14 demuestra los diagramas esquemáticos de los generadores “shunt”, serie y compuesto.

Embobinado “shunt”

Embobinado serie

Embobinado compuesto

Salida

Salida

Salida

Campo “shunt”

Campo serie

Campo serie

Campo “shunt”

Figura 10-14: Comparación de los tres diagramas de cableados de generadores “shunt, serie y compuesto


10.4 Regulación de Voltaje y Corriente La regulación de una fuente de energía, sea un generador o una fuente de alimentación, se puede definir como el porcentaje de la caída de voltaje entre sin carga y con carga completa. Matemáticamente, puede ser expresada: Para explicar este fórmula, asumir que el voltaje de un generador sin carga 100 voltios. Bajo carga completa el voltaje cae a 97 voltios. Al completar la ecuación: En la mayoría de las aplicaciones, la salida de voltaje del generador debe mantenerse en un valor fijo bajo condiciones de carga que varían. El voltaje de la salida del generador depende de la fuerza del campo. La fuerza del campo depende de la corriente del campo. La corriente, según la ley del ohmio, varía inversamente proporcional con la resistencia. Por lo tanto, un dispositivo que variaría la resistencia en el circuito de campo también variaría la salida del voltaje del generador. Este regulador se demuestra en la figura 10-15. Este fue utilizado a menudo en los automóviles. La salida del generador en el terminal G se conecta a la batería y a la bobina de un relé magnético. El voltaje produjo por el generador causa el flujo de una corriente hacia la bobina del relé. Si el voltaje excede valor establecido, la corriente proporciona bastante magnetismo para abrir los contactos del relé. Note que el campo del generador está puesto a tierra a través de estos contactos. Cuando se abren, la corriente de campo debe pasar a través de la resistencia R a tierra. Esta resistencia reduce la corriente, que reduce la fuerza del campo y reduce el voltaje terminal. Cuando es el voltaje terminal se reduce, el

contacto del relé se permitiendo el campo de corriente máxima. El voltaje terminal aumenta. En operación, estos puntos de contacto vibran. Ellos alternado cortan la resistencia dentro y fuera del circuito de campo y mantienen una salida constante del voltaje del generador. Los relés mecánico-magnéticos han servido a este propósito por muchos años. Hoy en día, sin embargo, los dispositivos electrónicos se están utilizando en los automóviles.

( ) ( )

( )Regulacion%100

completacarga

completacargacargaNo =−

−

−− XE

EE

)(%1.3100973

9797100 aproximadoX

VV

VVV

==−

Figura 10-15: Circuito para el regulador de voltaje.


10.5 Corriente Alterna La corriente directa fluye en solamente una dirección. La corriente alterna cambia su dirección del flujo ocasionalmente en el circuito. En la dc, el voltaje de la fuente no cambia su polaridad. En la ac, el voltaje de la fuente cambia su polaridad entre el positivo y l el negativo. La figura 10-16 demuestra la magnitud y la polaridad de un voltaje ac. Comenzando en cero, el voltaje se llega al máximo en la dirección positiva. Entonces baja de nuevo a cero. Después se llega al máximo con la polaridad opuesta y vuelve a cero. La onda de corriente también se traza en el gráfico. Este muestra el flujo de la corriente y la dirección del flujo. Sobre la línea cero, la corriente está fluyendo en una dirección. Bajo la línea cero, la corriente está fluyendo en la dirección opuesta. El gráfico en la figura 10-16 representa la corriente y el voltaje instantáneos en cualquier punto en el ciclo. ¿Pero que es un ciclo? Un ciclo es una secuencia o una cadena de los acontecimientos que ocurren en un período del tiempo. Un ciclo en corriente alterna se puede describir como sistema completo de los valores positivos y negativos de la corriente alterna. La corriente alterna en su hogar cambia la dirección 120 veces por segundo. Tiene una frecuencia de 60 ciclos por segundo (60 CPS). La frecuencia, medida en ciclos por segundo o hertz (Hz), es el número de los ciclos completos que ocurren por segundo. Si 60 ciclos ocurren en un segundo, entonces el período para un ciclo es 1/60 de un segundo, o 0.0166 segundo. Éste es el período del ciclo, refiérase otra vez a la figura 10-16. La subida máxima de la onda demuestra la amplitud de la onda, lo cual representa el punto mas alto del voltaje y la corriente. Hemos aprendido que la corriente inducida en un alambre que rota en un campo magnético fluye primero en una dirección y luego en otra dirección. Esto fue definido como corriente alterna. Dos puntos a recordar son:

• La frecuencia de los ciclos aumenta a

medida que la velocidad de rotación aumenta.

• La amplitud del voltaje inducido depende de

la fuerza del campo magnético.

Figura 10-16: Grafica de Corriente y Voltaje de corriente alterna


10.6 Alternador El alternador se utiliza en el sistema de carga de todos los vehículos. La figura 10-18 muestra el interior de la unidad, incluyendo un regulador de voltaje incorporado a la salida de control. La salida es rectificada de corriente alterna a corriente directa para cargar la batería y otros dispositivos eléctricos en el vehículo. El alternador tiene algunas ventajas sobre el generador dc. Estas ventajas incluyen una salida más alta a velocidades más bajas. 10.6.1 Componentes El alternador es del tipo de escobillas en el cual la corriente fluye de las escobillas a través del “split ring” a la bobina de campo en el rotor. Rotor (Campo de Bobina): genera el campo magnético. Cuando el rotor es conducido por la rotación de la polea, la corriente fluye a través de las escobillas, a través del “split ring”, a la bobina de campo. Las lengüetas de del rotor entonces se convierten en polos magnéticos.

Figura 10-18: Generado ac (alternador) típico es mostrado en su vista externa y de corte.

Figura 10-19: Rotor típico


Estator: genera la fuerza electromotriz. Junto con la coraza del rotor, la coraza del estator forma la trayectoria del flujo magnético. Las líneas de flujo magnético en coraza del estator son afectadas por el paso del campo de la coraza del rotor y la electricidad generada. Rectificador: rectifica la fuerza electromotriz generada. El rectificador consiste principalmente de 3 tríos de diodos, 6 diodos y 2 disipadores de calor. Este rectifica la salida ac del estator a potencia dc. Cada disipador de calor tiene los polos con los signos de más (+) o el de menos (-) unidos a los 3 diodos, realizando la rectificación de la onda completa para la corriente alterna trifásica.

Figura 10-20: Estator típico

Figura 10-21: Típico rectificador


Resumen 1. Para producir una corriente inducida con

magnetismo, deben existir tres factores: a. Debe haber un campo magnético. b. Debe haber un conductor (o

bobina) en un circuito cerrado. c. Debe haber un movimiento

relativo entre el campo y el conductor.

2. Un generador es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica.

3. La ley de Lenz indica que el campo electromagnético (emf) inducido en un conductor moviéndose perpendicularmente a un campo magnético tiene a oponerse a ese movimiento.

4. La corriente directa (dc) fluye en una sola dirección a través de un conductor. La corriente alterna (ac) fluye en más de una dirección a través de un conductor.

5. Los generadores de corriente directa tienen conmutadores mientras que los alternadores de corriente alterna tienen “split rings”.

6. Los tipos del generador incluyen “shunt”, serie, y el compuesto. Pueden ser excitados externamente o auto-excitados.

7. La regulación de una fuente de energía, si es un generador o una fuente de alimentación, se puede definir como el porcentaje de la caída de voltaje, entre sin carga o a carga completa.

8. Un ciclo es un conjunto completo de los valores positivos y negativos para la corriente alterna.

9. Frecuencia es el número de ciclos que ocurren cada segundo. Se mide en hertz.

10. El generador trifásico consiste en un campo magnético que rota dentro de tres sistemas de bobinas.

11. Los generadores fallan generalmente debido a desgaste excesivo de las escobillas, desgaste excesivo del cojinete, o sobrecarga eléctrica.


11. Motor DC Uno de los progresos más importantes del campo de la electricidad es el motor eléctrico. El motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica de rotación. Los motores se utilizan para los utilidades tales como refrigeración y aire acondicionado, mezcladores de alimento, aspiradoras, amoladoras, bombas, sierras de banco, tornos, varia máquinas de madera y de metal, así como centenares de otras máquinas útiles.


11.1 Principios de Operación del Motor El motor dc es simplemente un uso de los principios magnéticos. La rotación del motor depende de la interacción de campos magnéticos. La construcción de un motor simple dc es muy similar a un generador dc. De hecho, un generador y el motor dc son a menudo permutables en uso. En estos casos, se refieren como máquinas dc. Como por los generadores, para hacer el motor mas fuerte, los magnetos de campos permanentes son remplazados por electroimanes llamados bobinas de campo. La bobina de campo se pone sobre un pedazo suave de polo de hierro. Consiste en muchas vueltas del alambre de cobre cubierto de esmalte. Como el generador, las bobinas de campo pueden tener una fuente independiente de voltaje conectada a ellas. O las bobinas de campo pueden ser conectadas en serie o paralelo con las bobinas de la armadura a una sola fuente de voltaje, vea la figura 11-1.

Figura 11-1: Dibujos y esquemáticos de conexiones de bobinas de campo. A – Motor de bobina “shunt” conectada en paralelo. B – Motor de bobina en serie. C – Motor de campo excitado externamente.


La fuerza de rotación viene de la interacción entre el campo magnético encontrado alrededor de un conductor que lleva corriente y un campo magnético fijo. Un conductor que lleva una corriente tiene un campo magnético alrededor de él. La dirección del campo depende de la dirección de la corriente. Cuando este conductor se coloca en un campo magnético fijo, la interacción entre los dos campos crea movimiento. Vea las figuras 11-2 a 11-6. Las bobinas de la armadura en los motores están conectadas con las secciones del conmutador. La teoría de operación es similar. Un motor práctico tiene varias armadura de bobinas en ranuras separadas alrededor de la coraza. Cada bobina tiene una sección del conmutador. El aumento del número de polos da mayor energía al motor.

Figura 11-2: Un campo magnético fijo existe entre los polos de un magneto permanente. Las flechas indican la dirección del campo.

Figura 11-3: Una corriente llevada por un conductor tiene un campo magnético; la dirección depende de la dirección de la corriente.

Figura 11-4: El campo alrededor del conductor fluye con el campo permanente por encima del conductor pero se opone al campo permanente bajo el conductor. El conductor se moverá hacia el campo débil.

Figura 11-5: La corriente es cambiada de dirección en el conductor, causando que se cambie el campo. Ahora el campo es reforzado en la parte inferior del conductor y debilitado en la parte superior del conductor. El conductor se moverá hacia arriba.

Figura 11-6: El conductor simple es reemplazado por un grupo de conductores embobinados en los espacios de la coraza de una armadura. Vea como la interacción de los dos campos producirá rotación. La bobina A se mueve hacia arriba y la bobina B se mueve hacia abajo. La rotación es a favor del reloj.


La dirección de la fuerza ejercida en un conductor puede ser predeterminada usando la regla izquierda de Fleming (a menudo llamada la regla del motor), la cual indica: “Dejemos que el dedo pulgar, primer dedo y el segundo dedo de la regla izquierda se extienda tales que estén todos perpendicularmente el uno al otro, según lo demostrado en la figura 11-7. Si el primer dedo señala en la dirección del campo magnético, el segundo dedo señala en la dirección de la corriente, entonces el pulgar señalará en la dirección de movimiento del conductor.” Un motor del cuatro-polos se muestra en la figura 11-8. La corriente se divide en cuatro partes. La corriente fluyendo en las bobinas bajo cada polo produce una rotación. Esto entonces aumenta la energía que da vuelta, o el par, del motor

Campo magnético

MovimientoCorriente

Primer Dedo – Campo Segundo dedo – Corriente Pulgar - Movimiento

Figura 11-7: Regla de la mano izquierda

Figura 11-8: El añadir bobinas en la armadura y bobinas de campo aumentan el par del motor.


11.2 Fuerza Electromotriz Contraria Cuando un conductor corta a través un campo magnético, el voltaje se induce en el conductor móvil. Y mientras que un motor se hace para convertir energía eléctrica en energía mecánica, cuando la armadura comienza a rotar, el motor también se convierte en un generador. La fuerza eléctrica generada que opone el emf aplicado se llama fuerza electromotriz contraria. La fuerza electromotriz contraria se escribe a menudo como emf contrario o cemf. Es un resultado de la acción de generador del motor. Si el motor fuera conectado a una fuente de rotación y rotado en la misma dirección que el motor dc, produciría un voltaje con polaridad opuesta. Véase la figura 11-9.

Note la polaridad de la salida del generador con una rotación a favor de las manecillas del reloj.

El motor requiere de una polaridad opuesta para una rotación a favor de las manecillas del reloj.

Figura 11-19: El generador y el motor rotan a favor del reloj. El generador dc desarrolla un polaridad opuesta a la del motor para la misma rotación a favor del reloj. Esto es la base del emf contrario.


La magnitud del emf contrario aumenta con el aumento de la velocidad de rotación y la fuerza de campo. Por lo tanto: Donde K es igual a una constante. Esta constante variará en diversos motores. Es afectada por cosas tales como el número de bobinas. El voltaje eficaz real cuando está aplicado a las bobinas de la armadura debe igualar: El flujo de corriente en las bobinas de la armadura en cualquier instante dado se puede calcular utilizando la ley de Ohm cuando la resistencia óhmica de bobinas se conoce: Es importante observar que, a medida que la rotación de la armadura del motor disminuye, menos emf contrario es generado. Como resultado de menos emf contrario producido, habrá un aumento en la corriente a través del circuito de la armadura. La corriente continuará aumentando hasta que el motor pare de rotar como lo hace cuando está sobrecargado físicamente. Cuando el motor se detiene, solamente la resistencia de la armadura limita la corriente máxima a través del circuito de la armadura. Esta condición da lugar a valores de corrientes extremadamente altos. Un motor de la dc se debe proteger apropiadamente contra condiciones de sobrecarga.

KXCampodeFuerzaXVelocidademfCounter =

armaduracontrariofuente EEE =−

armadura

armaduraarmadura R

EI =


11.3. Motores DC Los diversos tipos de motores dc tiene nombres comunes a los generadores dc, tales como “shunt”, series, y compuesto. La construcción de los motores es similar a las piezas del generador. 11.3.1 Motor dc “shunt” En el motor “shunt”, la desviación de las bobinas es a través, o en paralelo a, la armadura, figura 11-10. El motor de la desviación comúnmente se llama un motor de velocidad constante. Se utiliza en herramientas y otras máquinas que requieren velocidad relativamente constante bajo cargas variables. En el motor de la desviación, el campo y la armadura están conectados a través de la línea de energía. Bajo condiciones sin carga, el emf contrario es casi igual a la línea voltaje. Fluye una corriente muy pequeña en la armadura, y se desarrolla un pequeño par. Cuando se aplica una carga y la armadura disminuye su velocidad, el emf contrario también disminuye. El emf contrario disminuido aumenta la corriente y el par en la armadura. Cuando el par iguala la carga, el motor permanece a la velocidad constante, tabla 11-1. La corriente total usada por este motor es la suma de las corrientes de los campos y de la armadura. La energía de entrada se puede calcular usando la ley del vatio: Note, sin embargo, que la potencia de salida será algo diferente porque el motor no es cien por ciento eficiente.

TotalCorrienteXaplicadoVoltajePotencia =

Figura 11-10: Esquemático de un motor de desviación.

Tabla 11-1: Condiciones de carga de un motor de desviación


11.3.2 Motor DC en Series En el motor embobinado en serie, las bobinas están conectados en la serie con las bobinas de la armadura, figura 11-11. Toda la línea de corriente debe atravesar las bobinas del campo y de la armadura. Bajo condiciones de cargas, el emf contrario opone la línea voltaje y guarda la corriente en un nivel seguro. Si la carga fuera quitada repentinamente, la armadura aceleraría y desarrollaría un emf contrario más alto. Este emf contrario más alto reduciría la corriente que atraviesa el campo y reduciría la fuerza del campo. Lo que resultaría en que el motor aumente la velocidad porque: Esta acción sobre sí mismo y, eventualmente, el motor alcanzaría una velocidad donde la armadura volaría aparte debido a fuerza centrífuga. Por esto, un motor en serie nunca se utiliza sin una carga. Además, el motor en serie se debe conectarse directamente con una máquina o a través de los engranajes. No es seguro utilizar una impulsión de correa con un motor en serie a una máquina. Si la correa se rompiera o se desliza, el motor se descontrolaría y se destruiría probablemente. Una ventaja dominante del motor en serie es su capacidad de desarrollar un alto par bajo carga. Bajo condiciones de carga, la velocidad de la armadura es baja, y el cemf es bajo. Esta condición da lugar a una corriente alta en la armadura y aumento en par. Los motores en serie tienen bobinas fuertes en la armadura para llevar estas altas corrientes. Mientras que el motor aumenta de velocidad, el cemf se acumula, la línea corriente disminuye, y el par disminuye. Los motores en serie se utilizan en los trenes eléctricos y grúas, así como el otro equipo de tracción.

KXcampodeFuerza

contrarioemfVelocidad =

Figura 11-11: Esquemático de un motor en series


11.3.3 Motor DC Compuesto El motor compuesto tiene la bobina en serie y un embobinado de desviación. Este motor combina las ventajas de cada uno de los otros tipos de motores. Las bobinas en serie también llevan la corriente de la armadura. La bobina consiste en un número de vueltas fuertes de alambre. El embobinado de desviación consiste en muchas vueltas de un alambre más fino. Ambas bobinas son embobinadas en los mismos polos del campo. Hay dos métodos usados para conectar estas bobinas. Si el campo magnético en la bobina en serie refuerza el campo magnético de la bobina de desviación, el motor se dice para ser un motor compuesto acumulativo. Si las dos bobinas están conectadas para oponerse una de otra magnéticamente, el motor es un motor compuesto diferencial. Hay estudios detallados de motores compuestos más allá del alcance de este texto. Sin embargo, las características de los diversos tipos se deben observar. El motor compuesto acumulativo desarrolla una alto par de arranque. Se utiliza donde se aplican cargas pesadas y se puede tolerar una cierta variación de velocidades. La carga puede ser removida con seguridad en este motor. La mayoría de los motores compuestos dc encontrados serán del tipo acumulativo. El motor compuesto diferencial se comporta mas como el motor de desviación. El par de arranque es bajo, y tiene buena regulación de la velocidad si las cargas no varían grandemente. Por lo tanto, este motor no se acepta extensamente.

Figura 11-12: Esquemático de un motor compuesto


11.4 Tipos de Motores El Motor Universal Las leyes del magnetismo fueron utilizadas para explicar la operación del motor dc. Pero, ¿trabajara un motor dc con corriente alterna? La respuesta es sí, a un grado limitado. Los motores que funcionan en corriente alterna o corriente directa se conocen como motores universales. En una corriente alterna, los polos de los campos de ambas campo y armadura se invierten periódicamente. Sin embargo, puesto que dos polos norte se rechazan, al igual que dos que polos sur, la acción de motor continúa dc aun cuando se aplica la corriente alterna. Para mejores resultados, un motor en serie se debe utilizar. Cuando el motor de desviación está conectado con corriente alterna, la inductancia de las bobinas causa un desplazamiento de. Esto deteriora la acción de motor. Cuando se utiliza un motor del tipo universal motor en la industria se prefiere el motor en serie. Estos motores no se utilizan para cargas fuertes debido a la gran cantidad de chispas en las escobillas. Los motores comerciales de estos tipos se utilizan para ventiladores pequeños, los taladros, y las amoladoras. Motores De Imán Permanente Motores de imán permanente dc son utilizados extensamente en industria de hoy. Tienen un rango de caballaje entre 1/50hp a 5hp. Estos motores son de un diseño simple y requieren solamente voltaje al circuito de la armadura. El motor de imán permanente dc utiliza los imanes permanentes para los polos del campo en lugar de bobinas eléctricas.


11.5 Motor de Arranque El motor de arranque es un motor del tipo de reducción con un engranaje de reducción incorporado. Su motor ha sido degradado con una capacidad de velocidad más alta. Interruptor Magnético La sección del interruptor magnético coloca el piñón de acoplamiento con el engranaje de aro y alimenta corriente de carga al motor, al engranaje de reducción y transmite par al piñón. Embrague de Sobre marcha El embrague de sobre marcha es del tipo de rodillo. Cada rodillo se fija en el surco acuñado proporcionado por las guías externas e internas (piñón) y es presionado por un resorte. El rodillo es presionado contra el lado más estrecho del piñón por su acción de cuña. Por otra parte, no se transmite ningún par del piñón a medida que el rodillo se mueve al lado más ancho liberando la acción de cuña.

Figura 11-13: Motor de arranque típico

Figura 11-14: Sección de piñón de reducción


Resumen: 1. Un motor es un dispositivo para convertir

energía eléctrica en energía mecánica. 2. Polos semejantes se rechazan, polos

semejantes se rechazan. 3. La rotación del motor produce potencia de

rotación o torsión que se conoce como par. 4. El por ciento de regulación de velocidad

puede ser calculado por:

5. Los motores de desviación tienen sus

bobinas conectadas en paralelo con la armadura. Son motores estables bajo cargas que varían.

6. El motor en serie tiene las bobinas conectados en serie con la armadura. Desarrollan un alto par bajo carga.

7. Los motores compuestos tienen sus bobinas conectados en serie y paralelo con la armadura. Hay dos tipos de motor compuesto: el motor compuesto acumulativo y el motor compuesto diferencial.

%100arg

argargsinRe% XcompletaacconVelocidad

completaacconVelocidadacVelocidadVelocidaddegulacion −=

Manual de Electricidad Básica

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