Electrónica Básica
Objetivo terminal: El participante recordara los conceptos, leyes, principios de funcionamiento de los dispositivos generales, los diferentes sistemas y sus diferencias, que componen la electrónica de nuestros tiempos. Objetivos específicos: El participante recordara puntos relevantes de la historia de la electrónica en nuestro entorno contemporáneo El participante diferenciara los tipos de componentes electrónicos El participante reconocerá las leyes de Ohm, Kirchhoff, El participante comprenderá los conceptos de: Potencial eléctrico Corriente eléctrica Resistencia Capacitancia Inductancia Reactancia Impedancia Admitancia El participante recordara los principios de: El diodo El transistor El participante diferenciara: Sistemas cableados Combinacionales Secuénciales Memorias Convertidores Sistemas programados Microprocesadores Microcontroladores El participante conocerá las ventajas / desventajas de: Conversión análoga-digital Conversión digital-análoga
2
Indice Conceptos generales………………………………………………………………. 4 Componente electrónico………………………………………………………….. 8 Ley de Ohm ……………………………………………………………………….. 11 Leyes de Kirchhoff…………………………………………………………………14 Diferencia de potencial ……………………………………………………………15 Corriente eléctrica ………………………………………………………………...17 Resistencia eléctrica ……………………………………………………………….20 Condensador eléctrico ….…………………………………………………………29 Inductancia ………………………………………………………………………...36 Impedancia ………………………………………………………………………...38 Reactancia ………………………………………………………………………….42 Admitancia ………………………………………………………………………....43 Diodo ………………………………………………………………………………..45 Transistor …………………………………………………………………………...52 Electrónica digital …………………………………………………………………..56
3
Electrónica La electrónica es una ciencia aplicada que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente, desde las válvulas termoiónicas hasta los semiconductores. El diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forma, parte de los campos de la Ingeniería electrónica, electromecánica y en el diseño de software en su control la Ingeniería informática. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la Física y química relativamente. La electrónica se originó en 1906 con la invención del tríodo por parte de Lee De Forest, que permitió el desarrollo de la radio, la telefonía de larga distancia y las películas sonoras. En 1947 con la invención del transistor se inició la electrónica de estado sólido, basada en semiconductores, que desplazaría completamente a la válvula termoiónica o válvula de vacío. En 1958 se desarrolló el primer circuito integrado, que integraba seis transistores en un único chip. En 1970 se desarrolló el primer microprocesador, Intel 4004. 40 04. En la actualidad los campos de desarrollo de la electrónica son tan vastos que se ha dividido en varias ciencias especializadas. La mayor división consiste en distinguir la electrónica analógica de la electrónica digital. La electrónica en si es la rama de la actualidad y de la civilización moderna de nuestro futuro. La sustitución de las lámparas de descarga por los transistores supuso un paso de gigante llamado miniaturización La electrónica moderna nace con el transistor, en los años 50
Dispositivos electrónicos actuales La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, la distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica. Estos dos usos implican la creación o la detección de campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. Mientras que se ha trabajado con la energía eléctrica durante algún tiempo para transmitir datos sobre telégrafos y teléfonos, no se puede decir que el desarrollo de la electrónica comenzará realmente hasta la llegada de la radio.
Sistemas electrónicos Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en dividirlos en las siguientes partes: 1. Entradas o Inputs – Sensores (o transductores) electrónicos o mecánicos que toman las señales (en forma de temperatura, presión, etc.) del mundo físico y las convierten en señales de corriente o voltaje. Ejemplo: El termopar, la foto resistencia para medir la intensidad de la luz, etc. 2. Circuitos Circuitos de procesam procesamiento iento de señales señales – Consist Consisten en en piezas electr electrónicas ónicas conectada conectadass juntas para manipular, interpretar y transformar las señales de voltaje y corriente provenientes de los transductores. 3. Salidas o Outputs – Actuadores u otros dispositivos (también transductores) que convierten las señales de corriente o voltaje en señales físicamente útiles. Por ejemplo: un display que nos registre la temperatura, un foco o sistema de luces que se encienda automáticamente cuando este obscureciendo. 4
Básicamente son tres etapas: • • •
La primera (transductor). la segunda (circuito procesador) la tercera (circuito actuador).
Como ejemplo supongamos un televisor. Su entrada es una señal de difusión recibida por una antena o por un cable. Los circuitos de procesado de señales del interior del televisor extraen la información sobre el brillo, el color y el sonido de esta señal. Los dispositivos de salida son un tubo de rayos catódicos que convierte co nvierte las señales electrónicas en imágenes visibles en una un a pantalla y unos altavoces. Otro ejemplo puede p uede ser el de un circuito que monitoree la temperatura de un proceso, el transductor puede ser un termocouple, el circuito de procesamiento se encarga de convertir la señal de entrada en un nivel de voltaje (comparador de voltaje o de ventana) en un nivel apropiado y mandar la información decodificándola a un display donde nos de la temperatura real y si esta excede un limite preprogramado activar un sistema de alarma (circuito actuador) para tomar las medida pertinentes.
Equipos de medida • • • • • • • •
• • •
Amperímetro o galvanómetro: miden la corriente eléctrica. Óhmetro o puente de Wheatstone: miden la resistencia eléctrica. Voltímetro: mide el voltaje. Multímetro: miden las tres magnitudes citadas arriba. Osciloscopio: miden el cambio de la corriente y el voltaje con el tiempo. Analizador lógico: prueba circuitos digitales. Analizador de espectro: mide la energía espectral de las señales. Analizador vectorial de señales: como el analizador espectral pero con más funciones de demodulación digital. Electrómetro: mide la carga eléctrica. Contador de frecuencia: mide la frecuencia. Reflectómetro de dominio de tiempo (TDR): prueba la integridad de cables largos.
Circuitos analógicos 5
Muchas de las aplicaciones electrónicas analógicas, como los receptores de radio, se fabrican como un conjunto de unos cuantos circuitos más simples: • • • • • • • • • • •
Multiplicador analógico Amplificador electrónico Filtro analógico Oscilador electrónico Lazo de seguimiento de fase Mezclador electrónico Conversor de potencia Fuente de alimentación Adaptador de impedancia Amplificador operacional Comparador
Circuitos digitales Los ordenadores, los relojes electrónicos y los controladores lógicos programables (usados para controlar procesos industriales) se fabrican con circuitos digitales. Los procesadores de señales digitales son otro ejemplo. Bloques: • • • • • •
Puerta lógica Biestable Contador Registro Multiplexor Disparador Schmitt
Dispositivos integrados: • • • •
Microprocesador Microcontrolador DSP FPGA
Familias Lógicas: • • • • •
RTL DTL TTL CMOS ECL
Circuitos de señal mixta Los circuitos de señal mixta, también conocidos como circuitos híbridos, son en la actualidad muy comunes. Estos circuitos contienen componentes analógicos y digitales. Los convertidores analógico-digital y los convertidores digital-analógico son los principales ejemplos. Otros son las puertas de transmisión y los buffers.
Electrónica de Potencia La electrónica de potencia consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de maquinas eléctricas, etc. En estos equipos se pueden presentar tensiones y/o corrientes elevadas, lo que implica ciertos riesgos para las personas que trabajan con ellos. Este área de la electrónica suele ir mano con mano con disciplinas como el diseño térmico y la Compatibilidad electromagnética. 6
Convertidores DC/AC
Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos. En electricidad y electrónica los tipos más habituales de conversión son: * DC a DC. * AC a DC (en fuentes de alimentación). o Rectificadores o Fuentes de alimentación conmutadas * DC a AC (inversores). * AC a AC o Transformadores/auto transformadores * Convertidores de tensión a corriente y viceversa.
Componente electrónico
Componentes electrónicos Se denomina componente electrónico a aquel dispositivo que forma parte de un circuito electrónico. Se suele encapsular, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, y terminar en dos o más terminales o patillas metálicas. Se diseñan para ser conectados entre ellos, normalmente mediante soldadura, a un circuito impreso, para formar el mencionado circuito. Hay que diferenciar entre componentes y elementos. Los componentes son dispositivos físicos, mientras que los elementos son modelos o abstracciones idealizadas que constituyen la base para el estudio teórico de los mencionados componentes. Así, los componentes aparecen en un listado de dispositivos que forman un circuito, mientras que los elementos aparecen en los desarrollos matemáticos de la teoría de circuitos.
Clasificación de los componentes De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. 7
Seguidamente se detallan las comúnmente más aceptadas. 1. Según su estructura física Discretos : Son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de los resistores, condensadores, diodos, transistores, etc. Integrados : Forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lógica, que pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados. •
•
2. Según el material base de fabricación Semiconductores (ver listado). No semiconductores . • •
3. Según su funcionamiento Activos : Proporcionan excitación eléctrica, ganancia o control (ver listado). Pasivos : Son los encargados de la conexión entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel (ver listado). 4. Según el tipo energía Electromagnéticos : Aquellos que aprovechan las propiedades electromagnéticas de los materiales (fundamentalmente transformadores e inductores). Electroacústicos : Transforman la energía acústica en eléctrica y viceversa (micrófonos, altavoces, bocinas, auriculares, etc.). Optoelectrónicos : Transforman la energía luminosa en eléctrica y viceversa (diodos LED, células fotoeléctricas, etc.). •
•
•
•
•
Componentes semiconductores
También denominados como componentes de estado sólido, son los componentes "estrella" en casi todos los circuitos electrónicos. Se obtienen a partir de materiales semiconductores, especialmente del silicio aunque para determinadas aplicaciones aún se usa germanio. Componentes activos
Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo. Fundamentalmente son los generadores eléctricos y ciertos componentes semiconductores. Estos últimos, en general, tienen un comportamiento no lineal, esto es, la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada no es lineal. Los componentes activos semiconductores derivan del diodo de Fleming y del triodo de Lee de Forest. En una primera generación aparecieron las válvulas que permitieron el desarrollo de aparatos electrónicos como la radio o la televisión. Posteriormente, en una segunda generación, aparecerían los semiconductores que más tarde darían paso a los circuitos integrados (tercera generación) cuya máxima expresión se encuentra en los circuitos programables (microprocesador y microcontrolador) que pueden ser considerados como componentes, aunque en realidad sean circuitos que llevan integrados millones de componentes. 8
En la actualidad existe un número elevado de componentes activos, siendo usual, que un sistema electrónico se diseñe a partir de uno o varios componentes activos cuyas características lo condicionará. Esto no sucede con los componentes pasivos. En la siguiente tabla se muestran los principales componentes activos junto a su función más común dentro de un circuito. Componente
Función más común
Amplificador operacional Biestable PLD Diac Diodo Diodo Zener FPGA Memoria Microprocesador Microcontrolador Pila Tiristor Puerta lógica Transistor Triac
Amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación. Control de sistemas secuenciales. Control de sistemas digitales. Control de potencia. Rectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión. Regulación de tensiones. Control de sistemas digitales. Almacenamiento digital de datos. Control de sistemas digitales. Control de sistemas digitales. Generación de energía eléctrica. Control de potencia. Control de sistemas combinacionales. Amplificación, conmutación. Control de potencia.
Componentes pasivos
Existe una amplia variedad de este tipo de componentes, tanto en forma como en funcionalidad y en características. En la siguiente tabla se indican los principales componentes pasivos junto a su función más común dentro de un circuito. Componente
Función más común
Altavoz Cable Condensador Conmutador Fusible Inductor Interruptor Potenciómetro Relé Resistor Transductor Transformador Varistor Visualizador
Reproducción de sonido. Conducción de la electricidad. Almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancias. Reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más. Protección contra sobre-intensidades. Adaptación de impedancias. Apertura o cierre de circuitos manualmente. Variación la corriente eléctrica o la tensión. Apertura o cierre de circuitos mediante señales de control. División de intensidad o tensión, limitación de intensidad. Transformación de una magnitud física en una eléctrica (ver enlace). Elevar o disminuir tensiones, intensidades, e impedancia aparente Protección contra sobre-tensiones. Muestra de datos o imágenes.
Componentes optoelectrónicos
Componentes optoeletrónicos, son aquellos que transforman la energía luminosa en energía eléctrica, denominados fotosensibles, o la energía eléctrica en luminosa, denominados electroluminiscentes. 9
Ley de Ohm
"La intensidad de la corriente es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia en todos circuitos o elementos eléctricos"
Circuito mostrando la Ley de Ohm: Una fuente eléctrica con una diferencia de potencial V , produce una corriente eléctrica I cuando pasa a través de la resistencia R La ley de Ohm, es una propiedad específica de ciertos materiales. La relación
es un enunciado de la ley de Ohm. Un conductor cumple con la ley de Ohm sólo si su curva V - I es lineal; esto es si R es independiente de V y de I . La relación
sigue siendo la definición general de la resistencia de un conductor, independientemente de si éste cumple o no con la ley de Ohm. La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un dispositivo es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo, según expresa la fórmula siguiente:
En donde, empleando unidades del Sistema internacional: I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial en voltios (V) R = Resistencia en ohmios (Ω).
10
Enunciado En un conductor recorrido por una corriente eléctrica, el cociente entre la diferencia de potencial aplicada a los extremos del conductor y la intensidad de la corriente que por él circula, es una cantidad constante, que depende del conductor, denominada resistencia . La ley enunciada verifica la relación entre voltaje y corriente en un resistor.
Deducción La relación que relaciona la Densidad de corriente con la Conductividad para un Campo eléctrico dado, es la fundamental de la conducción eléctrica pero es más cómodo trabajar con tensiones e intensidades que con densidades y campos eléctricos por lo que si consideramos un conductor de longitud L y sección constante A por el que circula una corriente de intensidad I y sea V a y V b los potenciales en sus extremos y si la conductividad σ es independiente de la densidad de corriente , tendremos un enlace iónico en condiciones normales, que:
Al factor se le denomina conductancia del hilo conductor. La inversa de la conductancia es la resistencia. Es decir,
Como la inversa de la conductibilidad (o conductividad) es la resistividad tendremos que:
por lo que la resistencia será:
Por lo que ahora podemos poner la intensidad en función de R, quedando:
Si a V a – V b (la diferencia de potencial), le llamamos V tendremos que
Símil hidráulico En hidráulica se verifica una ley similar a la Ley de Ohm, que puede facilitar su comprensión. Si tenemos un fluido dentro de un tubo, la diferencia de presiones entre sus extremos equivale a la 11
diferencia de potencial o tensión, el caudal a través del conducto, equivale a la intensidad de la corriente eléctrica y la suma de obstáculos que impiden la corriente del fluido, equivale a la resistencia eléctrica.
Leyes de Kirchhoff Las leyes (o Lemas) de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845, mientras aún era estudiante. Son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para obtener los valores de intensidad de corriente y potencial en cada punto de un circuito eléctrico. Surgen de la aplicación de la ley de conservación de la energía. En circuitos complejos, así como en aproximaciones de circuitos dinámicos, se pueden aplicar utilizando un algoritmo sistemático, sencillamente programable en sistemas de cálculo informatizado mediante matrices. Las leyes establecidas son: 1. Ley de nodos: "La suma de las corrientes que llegan a un nodo (o unión) es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo". Si se le asigna signos (+ y -) a las corriente del circuito (positivo las corrientes que entran y negativo las corrientes que salen), entonces, "La sumatoria de las corrientes que convergen en un nodo es igual a cero (0)". Expresada matemáticamente: Σ I = 0. 2. Ley de mallas: "La suma algebraica de las caídas y elevaciones de voltaje es igual a la suma de las caídas de potencial a lo largo de ella". Esta es una expansión de la Ley de Ohm. Si se toma en consideración que cualquier elemento resistivo posee una caída (perdida) de tensión, entonces podemos decir que "La sumatoria de las tensiones en un lazo cerrado es igual a cero (0)". Expresada matematicamente: Σ V o Σ I*R = 0.
Diferencia de potencial Voltio El voltio o volt es la unidad derivada del SI para el potencial eléctrico, fuerza electromotriz y el voltaje. Recibe su nombre en honor de Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la pila voltaica, la primera batería química. Es representado simbólicamente por V. El voltio se define como la diferencia de potencial a lo largo de un conductor cuando una corriente con una intensidad de un amperio utiliza un vatio de potencia. El voltio también puede ser definido como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que hay que realizar un trabajo de 1 julio para trasladar del uno al otro la carga de 1 culombio: 12
1 V = 1 W·A-1 = 1 J·C-1 = 1 m2·kg·s-3·A-1. El instrumento de medición para medir voltaje es el voltímetro.
Campo eléctrico El campo eléctrico es una propiedad del espacio que rodea a una carga eléctrica y conforma un espacio vectorial de tal manera que todo punto perteneciente a dicha región, se caracteriza por un vector llamado intensidad de campo eléctrico.
Potencial eléctrico El potencial eléctrico (V ) en un punto es el trabajo que debe realizar la fuerza eléctrica (ley de Coulomb) para mover una carga unitaria q (energía o trabajo por unidad de carga) desde ese punto hasta el infinito, donde el potencial es cero. Dicho de otra forma es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria "q" desde el infinito hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por:
Considérese una carga de prueba positiva en presencia de un campo eléctrico y que se traslada desde el punto A al punto B conservándose siempre en equilibrio. Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga, la diferencia de potencial eléctrico se define como:
El trabajo W AB puede ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el potencial eléctrico en B será respectivamente mayor, menor o igual que el potencial eléctrico en A. La unidad mks de la diferencia de potencial que se deduce de la ecuación anterior es Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad, el voltio, esto es: 1 voltio = 1 Joule/Coulomb . La diferencia de potencial entre dos puntos (1 y 2) de un campo eléctrico es igual al trabajo que realiza dicha unidad de carga positiva para transportarla desde el punto 1 al punto 2. Es independiente del camino recorrido por la carga (campo conservativo) y depende exclusivamente del potencial de los puntos 1 y 2 en el campo; se expresa por la fórmula: Donde: V1 - V2 es la diferencia de voltaje, E es la Intensidad de campo en newton/coulomb, r es la distancia en metros entre los puntos 1 y 2,
Igual que el potencial, en el Sistema Internacional de Unidades la diferencia de potencial se mide en voltios.
13
Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de corriente eléctrica. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico (Ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.
Figura 7: Polaridad de una diferencia de potencial.
La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito, también suele designarse como caída de tensión. Cuando por dichos puntos puede circular una corriente eléctrica, la polaridad de la caída de tensión viene determinada por la dirección convencional de la misma, esto es, del punto de mayor potencial al de menor. Por lo tanto, si por la resistencia R de la figura 7 circula una corriente de intensidad I, desde el punto A hacia el B, se producirá una caída de tensión en la misma con la polaridad indicada y se dice que el punto A es más positivo que el B. Que dos puntos tengan igual potencial eléctrico no significa que tengan igual carga.
Corriente eléctrica Amperio El amperio o ampere es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de Unidades y fue nombrado en honor de AndréMarie Ampère. Equivale a una intensidad de corriente tal que, al circular por dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y separados entre sí, en el vacío, una distancia de un metro, produce una fuerza entre los conductores de 2 x 10-7 newtons por cada metro de conductor. Se representa con el símbolo A. A la carga que transporta una corriente de un amperio en un segundo se le llama Culombio. Según la ley de Ohm, un amperio equivale a una diferencia de potencial de un voltio dividido entre una resistencia de un Ohmio. Haciendo referencia a la potencia, la intensidad equivale a la raíz cuadrada de la potencia dividida por la resistencia. En un circuito que contenga varios generadores y receptores, la intensidad es igual a: 14
Donde: Σε es la sumatoria de las fuerzas electromotrices del circuito, Σε' es la suma de todas la fuerzas contraelectromotrices, ΣR es la resistencia equivalente del circuito, Σr es la suma de las resistencias internas de los generadores y Σr' es la sumatoria de las resistencias internas de los receptores.
Corriente eléctrica La corriente eléctrica es el flujo de portadores de carga eléctrica, normalmente a través de un cable metálico o cualquier otro conductor eléctrico, debido a la diferencia de potencial creada por un generador de corriente. La ecuación que la describe en electromagnetismo, en donde conducción y es el vector normal a la superficie, es:
es la densidad de corriente de
Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo, posteriormente se observó, gracias al efecto Hall que en los metales los portadores de carga son negativos, estos son los electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica es el amperio, representado con el símbolo A. El aparato utilizado para medir corrientes eléctricas pequeñas es el galvanómetro. Cuando la intensidad a medir supera el límite que los galvanómetros, que por sus características, aceptan, se utiliza el Amperímetro.
Tipos de Corriente Eléctrica La corriente eléctrica puede ser Corriente Continua o Corriente Alterna. Corriente Continua
La corriente continua implica un flujo de carga que fluye siempre en una sola dirección. Una batería produce corriente continua en un circuito porque sus bornes tienen siempre el mismo signo de carga. Los electrones se mueven siempre en el circuito en la misma dirección: del borne negativo que los repele al borne positivo que los atrae. Al desplazarse en este sentido los 15
electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo. Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas, aunque éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido de la corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y contrario al flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo. La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta (de signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se representa como una línea recta de valor V. Ej: Corriente de +1v En la corriente alterna (CA o AC), los electrones no se desplazan de un polo a otro, sino que a partir de su posición fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otro de su centro, dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada (número de oscilaciones por segundo). Por tanto, la corriente así generada (contraria al flujo de electrones) no es un flujo en un sentido constante, sino que va cambiando de sentido y por tanto de signo continuamente, con tanta rapidez como la frecuencia de oscilación de los electrones. En la gráfica V-t, la corriente alterna se representa como una curva u onda, que puede ser de diferentes formas (cuadrada, sinusoidal, triangular) pero siempre caracterizada por su amplitud (tensión de cresta positiva a cresta negativa de onda), frecuencia (número de oscilaciones de la onda en un segundo) y período (tiempo que tarda en dar una oscilación). Ej: Corriente de 2Vpp (pico a pico) de amplitud, frecuencia 476'2 Hz (oscil/seg) También se pueden emplear corrientes combinación de ambas, donde la componente continua eleva o desciende la señal alterna de nivel.
Corriente de desplazamiento El físico escocés James Clerk Maxwell se dio cuenta que era necesario agregar un término a la ley de Ampère para hacerla consistente:
, al que llamó corriente de desplazamiento . La razón de la denominación es que este término describe las corrientes eléctricas debidas a los desplazamientos, pequeños pero cruciales, de los "centros de gravedad" de las cargas gatito atómicas y moleculares, es decir, las originadas por la polarización eléctrica de la materia. Sin este término las ecuaciones de Maxwell no podrían explicar las ondas electromagnéticas. La corriente de desplazamiento restituye la conservación de la corriente en los circuitos que contienen condensadores.
Resistencia eléctrica 16
Imagen de un grupo resistores sobre papel milimetrado. El resistor es un elemento destinado a introducir una determinada resistencia eléctrica en un circuito. Figura 1.
Se denomina resistencia eléctrica , R, de una sustancia, a la oposición que encuentra la corriente eléctrica durante su recorrido. Ohmio: u ohm es la unidad
de resistencia eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades. Se representa con la letra griega Ω (Omega). Su nombre se deriva del apellido del físico alemán Georg Simon Ohm autor de la Ley de Ohm. Se define un ohm a la resistencia eléctrica que presenta una columna de mercurio de 106,3 cm de altura y 1 mm² de sección transversal a una temperatura de 0 ºC. Según la Ley de Ohm, un ohm es la resistencia eléctrica que presenta un conductor al paso de una corriente eléctrica de un amperio, cuando la diferencia de potencial entre sus extremos es de un voltio. Se mide con el Óhmetro. También se define como la propiedad de un objeto o sustancia de transformar energía eléctrica en otro tipo de energía de forma irreversible, generalmente calor. Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia. Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nula.
Código de colores Las resistencias de potencia pequeña, van rotuladas con un código de franjas de colores. Para caracterizar una resistencia hacen falta tres valores: Resistencia eléctrica Disipación máxima Precisión. Otros datos se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas Se leen de izquierda a derecha. 17
La última raya indica la tolerancia. De las restantes, la última es el multiplicador y las otras las cifras.
Comportamientos ideal y real
Figura 2.
Circuito con resistencia. 18
Una resistencia ideal es un elemento pasivo que disipa energía en forma de calor según la Ley de Joule. También establece una relación de proporcionalidad entre la intensidad de corriente que la atraviesa y la tensión medible entre sus extremos, relación conocida como Ley de Ohm:
Donde i(t) la Corriente eléctrica que atraviesa la resistencia de valor R y u(t) es la diferencia de potencial que se origina. En general, una resistencia real podrá tener diferente comportamiento en función del tipo de corriente que circule por ella. Comportamiento en corriente continua
Una resistencia real en corriente continua (CC) se comporta prácticamente de la misma forma que si fuera ideal, esto es, transformando la energía eléctrica en calor. Su ecuación pasa a ser:
Que es la conocida ley de Ohm para CC. Comportamiento en corriente alterna
Como se ha comentado, una resistencia real muestra un comportamiento diferente del que se observaría en una resistencia ideal si la intensidad que la atraviesa no es continua. En el caso de que la señal aplicada sea senoidal, corriente alterna (CA), a bajas frecuencias se observa que una resistencia real se comportará de forma muy similar a como lo haría en CC, siendo despreciables las diferencias. En altas frecuencias el comportamiento es diferente, aumentando en la medida en la que aumenta la frecuencia aplicada, lo que se explica fundamentalmente por los efectos inductivos que producen los materiales que conforman la resistencia real. Por ejemplo, en una resistencia de carbón los efectos inductivos sólo provienen de los propios terminales de conexión del dispositivo mientras que en una resistencia de tipo bobinado estos efectos se incrementan por el devanado de hilo resistivo alrededor del soporte cerámico, además de aparecer una cierta componente capacitiva si la frecuencia es especialmente elevada. En estos casos, para analizar los circuitos, la resistencia real se sustituye por una asociación serie formada por una resistencia ideal y por una bobina también ideal, aunque a veces también se les puede añadir un pequeño condensador ideal en paralelo con dicha asociación serie. En los conductores, además, aparecen otros efectos entre los que cabe destacar el efecto pelicular.
Asociación de resistencias Las formas más comunes de conectar resistencias entre sí son las asociaciones serie, paralelo y mixta. A estas formas hay que añadir las asociaciones en estrella y en triángulo y la asociación puente. Seguidamente se comentan las características de cada una de ellas comenzando con el concepto de resistencia equivalente. Resistencia equivalente
19
Asociaciones generales de resistencias: a) Serie b) Paralelo. c) Resistencia equivalente Figura 3.
Se denomina resistencia equivalente, R AB, de una asociación respecto de dos puntos A y B, a aquella que conectada la misma diferencia de potencial, UAB, demanda la misma intensidad, I (ver figura 4). Esto significa que ante las mismas condiciones, la asociación y su resistencia equivalente disipan la misma potencia.
Asociación serie
Dos o más resistencias se encuentran conectadas en serie cuando al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, todas ellas son recorridas por la misma corriente. Para determinar la resistencia equivalente de una asociación serie imaginaremos que ambas, figuras 3a) y 3c), están conectadas a la misma diferencia de potencial, UAB. Si aplicamos la segunda ley de Kirchhoff a la asociación en serie tendremos:
Aplicando la ley de ohm:
En la resistencia equivalente: Finalmente, igualando ambas ecuaciones:
Y eliminando la intensidad:
Por lo tanto la resistencia equivalente a n resistencias montadas en serie es igual a la suma de dichas resistencias. Asociación paralelo
20
Dos o más resistencias se encuentran en paralelo cuando tienen dos terminales comunes de modo que al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, UAB, todas la resistencias tienen la misma caída de tensión, UAB. Para determinar la resistencia equivalente de una asociación en paralelo imaginaremos que ambas, figuras 3b) y 3c), están conectadas a la misma diferencia de potencial mencionada, UAB, lo que originará una misma demanda de intensidad, I. Esta intensidad se repartirá en la asociación por cada una de sus resistencias de acuerdo con la primera ley de Kirchhoff: Aplicando la ley de ohm:
En la resistencia equivalente se cumple:
Igualando ambas ecuaciones y eliminando la tensión UAB:
De donde:
Por lo que la resistencia equivalente de una asociación en paralelo es igual a la inversa de la suma de las inversas de cada una de las resistencias. Existen dos casos particulares que suelen darse en una asociación en paralelo: 1. Dos resistencias: En este caso se puede comprobar que la resistencia equivalente es igual al producto dividido por la suma de sus valores, esto es:
2. k resistencias iguales : Su equivalente resulta ser:
21
Asociación mixta
Asociaciones mixtas de cuatro resistencias: a) Serie de paralelos, b) Paralelo de series y c) Ejemplo de una de las otras posibles conexiones. Figura 4.
En una asociación mixta podemos encontrarnos conjuntos de resistencias en serie con conjuntos de resistencias en paralelo. En la figura 4 pueden observarse tres ejemplos de asociaciones mixtas con cuatro resistencias. A veces una asociación mixta es necesaria ponerla en modo texto. Para ello se utilizan los símbolos "+" y "//" para designar las asociaciones serie y paralelo respectivamente. Así con (R1 + R2) se indica que R1 y R2 están en serie mientras que con (R1//R2) que están en paralelo. De acuerdo con ello, las asociaciones de la figura 5 se pondrían del siguiente modo: a) (R1//R2)+(R3//R4) b) (R1+R3)//(R2+R4) c) ((R1+R2)//R3)+R4 Para determinar la resistencia equivalente de una asociación mixta se van simplificando las resistencias que están en serie y las que están en paralelo de modo que el conjunto vaya resultando cada vez más sencillo, hasta terminar con un conjunto en serie o en paralelo. Como ejemplo se determinarán las resistencias equivalentes de cada una de las asociaciones de la figura 4: a) b) R1//R2 = R 1//2 R1+R3 = R 1+3 R3//R4 = R 3//4 R2+R4 = R 2+4 R AB = R 1//2 + R 3//4 R AB = (R 1+3 · R 2+4)/(R 1+3 + R 2+4) c) R1+R2 = R 1+2 R 1+2//R3 = R 1+2//3 R AB = R 1+2//3 + R4 Asociaciones estrella y triángulo
22
Figura 5.
Asociaciones: a) En estrella y b) En triángulo.
En la figura 5a) y b) pueden observarse respectivamente las asociaciones estrella y triángulo, también llamadas T y π respectivamente. Este tipo de asociaciones son comunes en las cargas trifásicas. Asociación puente
Figura 6.
Asociación puente.
Si en una asociación paralelo de series como la mostrada en la figura 4b se conecta una resistencia que una las dos ramas en paralelo, se obtiene una asociación puente como la mostrada en la figura 6. La determinación de la resistencia equivalente de este tipo de asociación tiene sólo interés pedagógico. Para ello se sustituye una de las configuraciones en triangulo de la asociación, la R1-R2-R5 o la R3-R4-R5 por su equivalente en estrella, transformándose el conjunto en una asociación mixta de cálculo sencillo. Otro método consiste en aplicar una fem (E) a la asociación y obtener su resistencia equivalente como relación de dicha fem y la corriente total demandada (E/I). El interés de este tipo de asociación está cuando por la resistencia central no circula corriente, pues permite calcular los valores de una de las resistencias (R1, R2, R3 o R4) en función de las otras tres. En ello se basan los puentes de Wheatstone y de hilo para la medida de resistencias con precisión. También se define como la propiedad de un objeto o sustancia. Resistencia de un conductor
El conductor es el encargado de unir eléctricamente cada uno de los componentes de un circuito. Dado que tiene resistencia óhmica, puede ser considerado como otro componente más con características similares a las de la resistencia eléctrica. 23
De este modo, la resistencia de un conductor eléctrico es la medida de la oposición que presenta al movimiento de los electrones en su seno, o sea la oposición que presenta al paso de la corriente eléctrica. Generalmente su valor es muy pequeño y por ello se suele despreciar, esto es, se considera que su resistencia es nula (conductor ideal), pero habrá casos particulares en los que se deberá tener en cuenta su resistencia (conductor real). La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo ( ), de su sección ( ), del tipo de material y de la temperatura. Si consideramos la temperatura constante (20 ºC), la resistencia viene dada por la siguiente expresión: en la que es la resistividad (una característica propia de cada material). Influencia de la temperatura
La variación de la temperatura produce una variación en la resistencia. En la mayoría de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros elementos, como el carbono o el germanio la resistencia disminuye. Como ya se comentó, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de superconductores. Experimentalmente se comprueba que para temperaturas no muy elevadas, la resistencia a un determinado valor de t ( ), viene dada por la expresión:
donde: • • •
= Resistencia de referencia a 20°C. = Coeficiente Olveriano de temperatura. = Diferencia de temperatura respecto a los 20°C (t-20).
Condensador eléctrico
Fig. 8: Diversos tipos de condensadores.
En electricidad y electrónica, un condensador o capacitor es un dispositivo formado por dos conductores o armaduras, generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que 24
actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, éstas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio. La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- F = 10-9 o pico- F = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos. El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente:
en donde: C: Capacidad Q: Carga eléctrica V: Diferencia de potencial En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material dieléctrico es sumamente variable. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la electrolisis.
Energía almacenada
El condensador almacena energía eléctrica en forma de campo eléctrico cuando aumenta la diferencia de potencial en sus terminales, devolviéndola cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede obtener que la energía, , almacenada por un condensador con capacidad C, que es conectado a una diferencia de potencial V, viene dada por:
25
