ESOL IWE MDULO 1 CESOL TEMA 1.3PRINCIPIOS BSICOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTROTECNIA En la elaboracin de este texto han colaborado: D. Charles Vega Schmidt D. Juan Vicente Rosell Gonzlez. Departamento Tecnolgico de CESOL D. Ignacio Lpez Palomo. Departamento Tecnolgico de CESOL Este texto es propiedad integrar de la Asociacin Espaola deSoldadura y Tecnologas de Unin, en adelante CESOL. Queda terminantemente prohibida cualquier reproduccin del mismo sin autorizacin expresa por parte de CESOL. ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWERevisin 3Diciembre 2012 Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia III NDICE 1. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTROTECNIA (CONCEPTO DE CORRIENTE, TENSIN Y RESISTENCIA) .................................................................................................... 1 1.1. Corriente elctrica. .................................................................................................................. 1 1.2. Tensin elctrica. .................................................................................................................... 1 1.3. Resistencia elctrica. .............................................................................................................. 2 2. LEY DE OHM ............................................................................................................................. 2 3. CIRCUITOS EN SERIE ............................................................................................................. 3 4. CIRCUITOS EN PARALELO ..................................................................................................... 3 5. CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA. POLARIDAD ........................................ 4 5.1. Corriente Continua (CC) ......................................................................................................... 4 5.2. Corriente Alterna (CA) ............................................................................................................ 5 6. CAPACIDAD ELCTRICA. PRINCIPIO DEL CONDENSADOR. .............................................. 6 7. INDUCTANCIA. BOBINAS ........................................................................................................ 7 8. EL MAGNETISMO EN EL SOLDEO.......................................................................................... 8 9. EL TRANSFORMADOR Y EL PUENTE RECTIFICADOR. ....................................................... 9 9.1. Transformador elctrico. ......................................................................................................... 9 9.2. Puente rectificador. ............................................................................................................... 10 9.2.1. Rectificador de media onda. .............................................................................................. 11 9.2.2. Rectificador de onda completa. ......................................................................................... 12 9.2.3. Rectificacin de la onda trifsica. ...................................................................................... 12 10. TIRISTORES Y TRANSISTORES ......................................................................................... 13 10.1. Tiristores. ............................................................................................................................ 13 10.2. Transistores ........................................................................................................................ 14 11. RIESGOS ............................................................................................................................... 15 11.1. Efectos dainos de la corriente elctrica ............................................................................ 15 ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Revisin 3Diciembre 2012Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWE Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y ElectrotecniaIV 11.2. Ambientes de alto riesgo de electrocucin ......................................................................... 16 12. PREVENCIN DE RIESGOS ............................................................................................... 17 12.1. Responsabilidades del personal ........................................................................................ 17 12.2. Instalacin de lnea a tierra ................................................................................................ 17 12.3. Proteccincontrapeligros de la corriente elctrica en fuentes de energa ..................... 18 12.4. Tensin en vaco ................................................................................................................ 18 13. BIBLIOGRAFA. ..................................................................................................................... 20 ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWERevisin 3Diciembre 2012 Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia 1 1. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTROTECNIA (CONCEPTO DE CORRIENTE, TENSIN Y RESISTENCIA)Los principales conceptos asociados a la electricidad son: Corriente elctrica (I). Tensin elctrica (U). Resistencia elctrica (R). 1.1. Corriente elctrica. Lacorrienteelctrica(I)esunflujoelctricodeunadeterminadacantidaddeelectronesque circulanporunconductorenunaunidaddetiempo.LaunidaddecorrienteeselamperioA que es equivalente al flujo de la carga elctrica de un Coulomb en un segundo. Elmovimientodelascargaselctricas,respondealaaccindeuncampoelctrico, constituyendo una "corriente elctrica". Podemos decir quela corriente elctricaindica el nmero de electrones que circulan a travs de un conductor por unidad de tiempo. 1.2. Tensin elctrica. Latensinelctrica,tambindenominadadiferenciadepotencial(U),indicalacantidadde energa o trabajo requeridos para que una carga se pueda desplazar de un punto a otro dentro de un campo elctrico. Diferencia de potencial Siunacargaelctricaqestdentrodeuncampoelctricodeintensidad E.Elcampo electrostticoejercesobreellaunafuerzaqx E.Esdecir,lacargaelctricatieneunaenerga potencial por estar situada en el campo.Lavariacindeenergapotencialdedichacargaalllevarladesdeunpuntoinicialihastaotro final f de dicho campo elctrico es, precisamente, el trabajo mecnico necesario para trasladarla desde i hasta f en contra de las fuerzas del citado campo. Uesladiferenciadepotencialentredospuntosconsiderados,porlotanto,seraincorrecto hablar del potencial en un punto sin hacer referencia a otro punto. As por ejemplo, se dice que elpuntofestaunpotencialmselevadoqueelisiparallevarunacargaelctricapositiva desde i hasta f hay que realizar un trabajo en contra de las fuerzas del campo. ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Revisin 3Diciembre 2012Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWE Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia2 La unidad empleada para la tensin elctrica es el voltio V, por lo quecomnmentesehabla de voltaje. 1.3. Resistencia elctrica. Eslaoposicinalpasodeloselectronesenunconductoroelementodeuncircuitoelctrico. Estadependedelaresistividadespecficadelmaterial,delalongitudydelaseccindel conductorodelelementoresistivodelcircuito,launidadderesistenciaelctricaeselOhmio . Lapropiedaddelosconductoresqueafectaasuresistenciadebidoalmaterialdequeest fabricados, es la resistividad especfica, que se expresa en ohmios x mm2 / metro. De manera que: Donde: = Resistividad especfica del material ( x mm2/m). L= Longitud del conductor (m). S= Seccin del conductor (mm2) 2. LEY DE OHM Larelacinentrelaintensidaddecorriente,latensinylaresistenciaseexpresaenlaleyde Ohm.Ley de Ohm Ladiferenciadepotencialentrelosextremosdeunconductorelctrico,esdirectamente proporcionalalaintensidadquecirculaporl,siendolaconstantedeproporcionalidadla resistencia del propio conductor. U = R x I U = Diferencia de potencial, medida en voltios V. I = Intensidad de corriente, medida en amperios A. R = Resistencia del conductor, medida en ohmios . LaleydeOhmesunodelosprincipiosmsimportantesdeloscircuitoselctricos,siendoel fundamentoquedeterminalascaractersticasdelarcoelctrico,lasdimensionesdelos ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWERevisin 3Diciembre 2012 Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia 3 conductores, en el circuito de alimentacin de la red, y en el circuito de los cables de soldar. De la expresin 1 se tiene: R = U / I De esto se entiende que la resistencia es directamente proporcional a la tensin e inversamente proporcional a la intensidad de corriente. Cuando el conductor es de mayor longitud o de menor dimetro, la resistencia al flujo de los electrones es mayor. Si por el contrario, el conductor fuese de menor longitud y de mayor dimetro, la resistencia al flujo de los electrones sera menor. 3. CIRCUITOS EN SERIE Siseconectanvarioscomponenteselctricos,talescomoresistencias,demaneraqueformen unacadenacontinua,sedicequeloscomponentesconstituyenun"circuitoserie"siendola corriente que circule por todos ellos la misma. Consideremos el circuitode la figura 1, formado por una batera y tres resistencias. Figura 1. Circuito en serie LacorrientedeintensidadIoriginaunadiferenciadepotencialentrelosterminalesdecada resistor, viniendo dada aqulla por la ley de Ohm, esto es: U1 = I . R1; U2 = I . R2 y U3 = I . R3 Esevidentequelasumadeestastensionesesigualalafuerzaelectromotrizdelabatera,es decir: U = U1 + U2 + U3=I (R1 + R2 + R3)=I . Req donde Req es la "resistencia equivalente" del conjunto=R1 + R2 + R3 4. CIRCUITOS EN PARALELO Otra manera de conectar componentes elctricos, tales como resistencias, es la representada en lafigura2,yaque,enestecaso,ladiferenciadepotencialentrelosextremos decadaresistor del circuito es la misma siendo, prcticamente constante (U = U1 = U2 = U3) si es que la cada de tensin entre los puntos de conexin de los resistores es cero; a esta forma de conexin se le da el nombre de "circuito en paralelo". ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Revisin 3Diciembre 2012Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWE Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia4 Figura 2. Circuito en paralelo En este caso, las intensidades de las corrientes que circulan por cada resistor estn dadas por la ley de Ohm en la forma: i1 = V/R1; i1 = V/R2 y i3 = V/R3 De manera que la suma de las intensidades es igual a la intensidad de la corriente que suministra el generador, es decir: I = i1 + i2 + i3=V (1/R1 + 1/R2 + 1/R3)=V (1/Req) donde Req es la "resistencia equivalente" del conjunto. 5. CORRIENTECONTINUAYCORRIENTEALTERNA. POLARIDAD La corriente elctrica puede ser corriente continua o corriente alterna en funcin del sentido del flujo de los electrones, es decir, de la polaridad. 5.1. Corriente Continua (CC) Lacorrientecontinua,CC,esaquellaquemantienelamismapolaridadalolargodeltiempo, esto es, mantiene el mismo sentido de movimiento de las cargas elctricas. Un caso particular de corriente continua es la corriente continua uniforme que es constante en eltiempo,siendolatensinylaintensidadinvariablesmientraselgeneradordecorriente continuaestoperativo.Sepuederepresentarcomounalnearectaeneltranscursodel tiempo. As, en un conductor elctrico, los electrones fluyen en una sola direccin en todo el circuito, tal como se ilustra en el siguiente diagrama: ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWERevisin 3Diciembre 2012 Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia 5 Figura 3. Representacin grfica corriente continua Enlacorrientecontinuaesnecesariotenerpresentelapolaridad,cuyosefectosson importantesenelfuncionamientodealgunoscircuitoselectrnicos,ytambinenel comportamiento del arco elctrico. 5.2. Corriente Alterna (CA) Las tensiones e intensidades de las corrientes que circulan por los circuitos de corriente variable no son estacionarias sino que cambian con el tiempo. Lamssencilladelascorrientesvariablesconeltiempo,cambiaperidicamentesusentidoy recibeelnombredecorrientealterna(CA).Lamayoradelosconceptosdesarrollados anteriormente para las corrientes continuas puede trasladarse a los circuitos de CA. Sepuederepresentarcomounaondavariablequecambiadesentidoenespacioscortosde tiempo. Figura 4. Representacin grfica corriente alterna ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Revisin 3Diciembre 2012Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWE Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia6 6. CAPACIDADELCTRICA.PRINCIPIODEL CONDENSADOR. Uncondensadorelctricoesuncomponenteelctricopasivocapazdealmacenarenerga elctrica. Uncondensadorsimpleestconstituidopordoschapasodiscosparalelosseparadosporuna distancia determinada. Cuando ambas superficies estn cargadas con electrones e iones, siendo unadecargapositivayla otradecarganegativa,lascargaspermanecenalmacenadashastael momento en queel condensador seaconectado a un circuito en serie,demodo quelas cargas negativas se trasladarn mediante un conductor hacia la otra superficie hasta equilibrar el nivel de las cargas. Delaspropiedadesdelcondensadorlamsimportanteeslacapacitanciaocapacidad,de almacenarcarga,elctrica.EstacapacitanciasemideenFaradios(F)yrelacionalacarga acumulada (Q) con la diferencia de potencial (U) entre los dos terminales cuando est cargado. A continuacin se describe el funcionamiento de un condensador simple: Inicialmenteelcondensadorestadescargado. Para poder comenzar la descarga es necesario cerrarelcircuitoqueconectaelcondensador con la batera. Unavezcargadoelcondensadorsepuede abrirelinterruptordelcircuitodecarga.Sia continuacin cerramos el circuito que conecta elcondensadorcargadoconunabombilla, este se descargar y la bombilla se iluminara. Figura 5. Funcionamiento de un condensador elctrico C (F)= Q (coulomb) / U (V) ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWERevisin 3Diciembre 2012 Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia 7 Unavezsehadescargadocompletamenteel condensador,labombillaseapagaral haberseconsumidotodalaenergaelctrica almacenada por el condensador Figura 5. Funcionamiento de un condensador elctrico (Continuacin) Enlafigura6seobservacomovaranlaintensidadylatensindurantelacargadeun condensador: Figura 6. Variacin de la Tensin y la Intensidad en un Condensador durante su Carga 7. INDUCTANCIA. BOBINAS Se conoce como inductancia a la oposicin de un cambio de corriente a travs de una bobina.Unabobinaconectadaauncircuitodecorrientecontinuaproduceuncampomagntico.Al desconectarel circuito,estecampo magntico o cargainductivasetransforma nuevamenteen energa elctrica que ser liberada de la bobina. Enelinstantedelacargainductivaenlabobina,lacorrienteylatensintienenun comportamientoopuestoaldelcondensador,porquelaintensidadtieneunretrasocon respecto a la tensin. Figura 7. Variacin de la tensin y la intensidad en una bobina durante su carga. ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Revisin 3Diciembre 2012Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWE Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia8 8. EL MAGNETISMO EN EL SOLDEO Elfenmenodeelectromagnetismosepresentaenunconductorcuandoatravsdelcircula una corriente continua o alterna. Cuandoatravsdeunconductorsimplesehacepasarunacorrienteelctrica,segenerarun campomagnticocircularalrededordelconductor.Ladireccindelaslneasdecampo depender de la direccin del flujo de corriente, segn la regla de la mano derecha. Figura 8. Campo magntico generado en un conductor simple. Siloquetenemosesunabobinaatravsdelacualsehacepasarunacorrienteelctrica,se generar un campo magntico longitudinal, resultante de la suma de los campos magnticos de cada espira. Figura 9. Campo magntico longitudinal. Resultante de la sumatoriade los campos magnticos de cada espira. Un electroimn es una bobina de alambre con un ncleo de acero.Elelcampomagnticodeunelectroimnesmsintensoqueeldeunabobinasimple.Este principiomagnticoeselqueseutilizaensolenoides,vlvulasmagnticas,motores, transformadores y muchos otros dispositivos de uso industrial. ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWERevisin 3Diciembre 2012 Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia 9 Figura 10. Electroimn. 9. EL TRANSFORMADOR Y EL PUENTE RECTIFICADOR. 9.1. Transformador elctrico. El objeto del transformador en las fuentes de potencia de soldeo es el de tomar la corriente de laredelctrica,debajaintensidadyalto voltaje,y transformarlaenuna corrienteaptapara el soldeo, de alta intensidad y bajo voltaje. Untransformadorelctricoconstadedosbobinasdevanadassobreunniconcleodehierro, demaneraqueelflujomagnticovariablecreadoporlacorrientequecirculaporunabobina, induce una corriente en otra bobina conectada a otro circuito, cuando ambas bobinas estn en un solo ncleo. Figura 11. Transformador elctrico. Consideremos un transformador ideal, en el cual todo el flujo magntico creado por el primario atraviesaelsecundario.Supongamossteencircuitoabiertoyelprimarioconectadoaun generadordetensinsinusoidal.Laintensidaddelacorrientequecirculaporelprimarioest ASOCIACIN ESPAOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGAS DE UNIN - CESOL Revisin 3Diciembre 2012Curso de formacin de Ingenieros Internacionales de SoldaduraIWE Mdulo I. Tema 1.3 Principios Bsicos de Electricidad y Electrotecnia10 determinadaporelcoeficientedeautoinduccindelprimario.LatensinV1inducidaenel primario es proporcional al coeficiente de autoinduccin de ste, en virtud de la ley de FARADAY yelcoeficientedeautoinduccincitadoesproporcionalalnmerodeespirasdelprimario. Comotodoelflujoatraviesatambinelsecundario,latensinV2inducidaenstees proporcional al nmero de espiras del secundario, esto es: Existen dos tipos de transformadores en funcin de la relacin del nmero de espiras: Elevador: N1 >> N2. Reductor: N1