Content PRESENTACIÓN PRESENTACIÓN Introducción Lección 1 - Materia y energía energía - La naturaleza de la electricidad Electricidad Electricida d estática Lo que que aprenderá Objetivoss Objetivo Términos Tér minos destacado Introducción Introd ucción 1.1 - La materia Propiedad: Prop iedad: 1.2 - Energía 1.2.1 1.2. 1 - Principio Principio de Conservación de la Energía 1.2.2 - Equivalencia Equivalencia Entre Materia y Energía 1.3 - La naturaleza de la la Electricidad 1.4 - Electrostá Electrostática tica 1.4.1 – Electrización 1.4.2 - Energía Eléctrica - la ley de Coulomb LEY DE COULOMB 1.4.3 - Cam Campo po Eléctrico 1.5 - La Electrostática en la Práctica 1.6 – Conductores Conexión a tierra 1.7 - Tensión y Corriente, Unidades 1.7.1 – Unidad de Tensión 1.7.2 - Unidad de corriente 1.7.3 - Unidad de Resistencia Términos en inglés Buscar temas Cuestionario Lección 2 - Electricidad - corriente y tensión - El circuito eléctrico Lo que aprenderá 2.1 - Generadores 2.1.1 - Tipos de Generadores
Content PRESENTACIÓN PRESENTACIÓN Introducción Lección 1 - Materia y energía energía - La naturaleza de la electricidad Electricidad Electricida d estática Lo que que aprenderá Objetivoss Objetivo Términos Tér minos destacado Introducción Introd ucción 1.1 - La materia Propiedad: Prop iedad: 1.2 - Energía 1.2.1 1.2. 1 - Principio Principio de Conservación de la Energía 1.2.2 - Equivalencia Equivalencia Entre Materia y Energía 1.3 - La naturaleza de la la Electricidad 1.4 - Electrostá Electrostática tica 1.4.1 – Electrización 1.4.2 - Energía Eléctrica - la ley de Coulomb LEY DE COULOMB 1.4.3 - Cam Campo po Eléctrico 1.5 - La Electrostática en la Práctica 1.6 – Conductores Conexión a tierra 1.7 - Tensión y Corriente, Unidades 1.7.1 – Unidad de Tensión 1.7.2 - Unidad de corriente 1.7.3 - Unidad de Resistencia Términos en inglés Buscar temas Cuestionario Lección 2 - Electricidad - corriente y tensión - El circuito eléctrico Lo que aprenderá 2.1 - Generadores 2.1.1 - Tipos de Generadores
Mecánicos Generadores químicos Generadores Térmicos Generadores fotoeléctricos Otros 2.2 - Receptores 2.3 - Conversión de Energía 2.4 - Los Conductores 2.5 - El circuito eléctrico 2.5.1 - Los interruptores y conmutadores 2.6 – Corriente Electrónica y Convencional 2.7 - Lámparas incandescentes 2.8 – Cortocircuito - fusibles e interruptores automáticos 2.9 - Los efectos de la Corriente Eléctrica • El efecto térmico t érmico • Efecto químico • Efecto fisiológico • Efecto Magn Magnético ético Términos en inglés Otros términos de esta lección: Buscar temas Cuestionario Lección 3 - La resistencia eléctrica - Resistores - Ley de Ohm – Ley de Joule 3.1 – Resistividad 3.2 - Resistores SMD Código Especial Fusistores 3.3 - Ley de Ohm Memorizar las tres fórmulas, ya que son muy importante. 3.3.1 - Curva característica de una lámpara 3.4 – Concepto del calor y la Temperatura a) Contacto b) La convección c) Radiación Los radiadores de calor Cero Absoluto
3.5 - Calentamiento Por Efecto Joule 3.6 - Asociación De Resistores 3.6.1 - Asociación Resistores En Serie Propiedades de la Asociación en serie: 3.6.2 - Asociación De Resistores En Paralelo Propiedades de la Asociación de Resistores en Paralelo 3.6.3 - Asociación De Resistores en Serie-Paralelo 3.7 - Potenciómetros e Trimpots 3.8 - Transductores y Sensores LDR NTC / PTC VDR Busca Bu sca sugerida Inglés Cuestionario Lección 4 - Tipos Generadores – Rendimiento y Ecuación del generador 4.1 - Pilas y Acumuladores ACUMULADORES Densidad de energía y autonomía Almacenam Alm acenamien iento to y descarga des carga Efecto Memori M emoria a Energía en cuantidad 4.2 - Dínamos y Alternadores 4.3 - Los generadores alternativos a) Solar b) Las pilas de combustible c) Atómicos 4.4 – Rendimiento de un generador – Ecuación del Generador Rendimiento de un generador Cortocircuito - Peligro de explosión 4.5- Circuitos complejos - Leyes de Kirchhoff Conexión en serie Conexión en paralelo La ley de Kirchhoff Inglés
Búsqueda sugerida: Cuestionario Lección 5 - Capacitores 5.1 - O que son los capacitores Electret 5.2 - Unidad de capacitancia 5.3 - Tipos de capacitor Súper e Híper capacitores Energí En ergía a almacen almacenada ada 5.4 - códigos de valores Capacitores Capaci tores SMD Códigos muy antiguos 5.5 - Asociación de capacitores 5.5.1-Capacitores en paralelo Capacitores en Serie 5.6 - Capacitores variables y ajustables Los capacitores de estado sólido 5.7 - Circuitos de tiempo RC 5.8 - Blindajes Electrostática Magnética 5.9 - La capacitancias capacitancias parásitos Capacitancia del cuerpo La Tierra es un capacitor Buscar temas: Inglés Otros Otr os térmi t érmin nos: CUESTIONARIO Lección 6 - MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO 6.1 – Imanes Permanentes Materiales Diamagnéticos, Paramagnéticos ferromagnéticos 6.2 – La inducción y la inductancia Bobinas o inductores 6.3 - Medida de la inductancia 6.4 - Asociación de inductores Asociación Serie de inductores
y
Asociación Paralelo de Inductores 6.5 - Circuitos LR 6.6 - Solenoides, relés y motores Solenoides Relés Motores Motores sin cepillos 6.7 - Sensores magnéticos Micrófonos 6.8 - Instrumentos El galvanómetro Multímetros digitales Voltímetros y amperímetros Amperímetros Medidores de tensión - Voltímetros Sugerencias Su gerencias para par a la in investigación vestigación Inglés: CUESTIONARIO Lección 7 - CORRIENTE ALTERNA 7.1 - Qué es corriente alterna 7.2 - Forma de onda, frecuencia, fase y valores Señal 7.3 - Altern Alternadores adores 7.4 - Energía bifásica fase y trifásica 7.5 - Capacitores e inductores en AC Impedancia Reactancia Inductiva Factor de potencia Energía Activa y potencia reactiva 7.6 - Transformadores Cálculos de Transformadores Tipos de transformador a) Transformadores para frecuencias bajas b) Transformadores para altas frecuencias Transformador de potencia 7.7 - Impedancia Inglés
búsqueda de temas: CUESTIONARIO Lección 8 - SONIDO Y ACÚSTICA 8.1- La Naturaleza Del Sonido 8.2 - Espectro Audible 8.3 - Características De Los Son Sonidos idos Altura de un sonido Volumen o Intensidad Timbre Longitud de onda 8.4 - Propiedades de los Sonidos Reflexión Difracción 8.5 - El Decibelio 8.6 – Resonancia 8.7 - Aplicaciones para los Ultrasonidos 8.8 - Efecto Doppler 8.9 - Sonido Estereofónico Además de la radio Temas de investigación: Inglés Otros Otr os térmi t érmin nos: CUESTIONARIO Lección 9 - OND ONDAS AS ELECTROMAGNÉTICAS 9.1 - Ondas Electromagnéticas Bandas de Radio 9.2 - Características de las ondas de radio Longitud de onda Amplitud Polarización 9.3 - Propiedades de las Ondas Electromagnéticas Velocidad y Propagación Reflexión Refracción Difracción 9.4 - Transmisores Modulación
a) Modulación de amplitud o AM b) Frecuencia modulada o FM c) Modulación de anchura de pulso, o PWM d) Modulaciones digitales 9.5 - Receptores 9.6 - Interferencia y Ruido 1. Ruidos 2. Uso de las ondas de radio 9.7 - Antenas a) Ganan Ganancia cia b) Directividad c) Polarización Temas para pesquisa: Términos en inglés Traducción: Vocabulario Otros términos en inglés: CUESTIONARIO
PRESENTACIÓN En 1972, ya con experiencia en la enseñanza de electrónica en cursos presenciales, fui contratado por una gran organización educativa por correo a renovar su curso práctico de electrónica. Terminado este trabajo, me fui a trabajar a la Editora Saber en 1976 cuando empecé a publicar en las páginas de la Revista Saber Electrónica (con ediciones posteriores en Argentina e México) el primer Curso de Electrónica en la instrucción programada, una novedad que atrajo la atención de miles de lectores que han tenido su formación inicial apoyada plenamente en las enseñanzas que entonces eran disponibles. El éxito de este curso ha hecho en varias ocasiones posteriores el curso para ser páginas de la misma revista y la revista electrónica total repetida y actualizada. Mientras tanto, hemos publicado la primera edición completa de este curso que fue nombrado el Curso Básico de Electrónica y alcanzó su quinta edición, y más tarde en 2009 se convirtió en material de cursos. Sin embargo, desde la primera edición y el primer curso de la revista, mucho ha cambiado y, aunque se hicieron varios cambios, ha llegado el momento de hacer algo nuevo adaptado a la nueva era de la electrónica, un formato más actual y el contenido ser más útil para todos los que deseen aprender los fundamentos de la electrónica. Así, el contenido del curso anterior se separó en dos, Curso de Electrónica - Electrónica Básica y Curso de Electrónica – Electrónica Analógica, (y en breve, curso práctico con experimentos) que se completan con la versión existente del Curso Electrónica Digital que deben ser renovados y más allá en el Curso Electrónica - Electrónica de Potencia e Instrumentación. Por lo tanto, en esta primera edición del Curso Básico Electrónica, un verdadero curso de los conceptos básicos electrónicos, nos acercamos a todo el conocimiento de estas cuestiones y la información más reciente sobre nuevas tecnologías, nuevos componentes y aplicaciones. Podemos decir que este libro, al igual que los otros, es una plataforma de arranque ideal para muchos cursos, cursos electivos se pueden considerar, el reciclaje de conocimientos para aquellos que desean tener en la electrónica una segunda actividad o los la necesitan para su trabajo en campo relacionado.
INTRODUCCIÓN Desde 1976, cuando se creó la primera versión de un curso de electrónica básica que podría servir como iniciación a aquellos que deseaban tener conocimiento de la electrónica, esta ciencia ha sido objeto de importantes transformaciones. De lo extremo de la válvula al transistor y cuando comenzó los primeros circuitos integrados electrónicos que se convirtió en la tecnología del alto grado de integración de los circuitos integrados, FPGAs, DSPs, microcontroladores y ensamble en superficie. Así que nuestro libro Curso Básico de Electrónica se puede considerar un curso de actualización para los propósitos algo diferentes de lo que se pretendía en el momento de su creación original. La electrónica de hoy en día no es realmente un final, donde una vez domesticado, que ya por sí solo permite a las personas para encontrar una actividad directa para darles ingresos o pueden aspirar a un puesto de trabajo. La electrónica de hoy en día es un medio para lograr la cualificación en otras áreas como las telecomunicaciones, la informática, la automatización, la robótica, la seguridad, la electrónica embarcada y más. Así que nuestro curso se orienta, precisamente, para el conocimiento que se necesita para la preparación para estas áreas y tiene un enfoque rápido y directo de los conceptos que, en principio, no requieren conocimientos previos de los que desean aprender. En la lección 1 se estudiará la naturaleza de la electricidad y también algunos fenómenos que se producen en el átomo que ahora, en la electrónica más avanzada, comenzamos a utilizar, lo que ocurrió hace muy pocos años . En la lección 2 tomaremos contacto con los conceptos de energía, más allá de las primeras magnitudes eléctricas importantes que son la corriente y la tensión. También tendremos el concepto de energía y aprender un circuito eléctrico simple. Vamos a ver que son los LED y lámparas y los efectos de la corriente eléctrica que pueden ser utilizados en la práctica. La tercera lección se abordará el concepto de resistividad y resistencia
eléctrica conociendo el resistor. Veremos lo que sucede cuando nos asociamos resistencias en serie y en paralelo y más analizamos su comportamiento eléctrico dictado por la ley de Ohm y la ley de Joule, también analizar diversos tipos de resistores especiales que van desde ollas y resistores de ajuste (trimpots y potenciómetros) a los LDRs, NTCs y otros. En la cuarta lección vamos a tratar con los generadores, que son las fuentes de energía de los circuitos electrónicos. Veremos los principales tipos de generadores, a partir de las pilas y acumuladores, a través de las dinamos y alternadores y dar con los generadores alternativos, muy importantes en nuestros días. Analizar matemáticamente el funcionamiento de los generadores con la ecuación del generador y las Leyes de Kirchoff. Vamos a terminar esta lección analizando el fusible y el circuito eléctrico simple La quinta lección de nuestro curso está dedicada a los capacitores. Vamos a estudiar este componente, desde su principio de funcionamiento, las unidades de medidas y códigos que se utilizan para sus especificaciones. También vamos a estudiar qué ocurre cuando conectamos capacitores en serie y en paralelo y el llamado circuito de tiempo RC. La sexta lección está dedicada al magnetismo y el electromagnetismo. Componentes que se basan en los campos magnéticos son muy importantes en la electrónica. Se llaman componentes inductivos y son representados por las bobinas e inductores. También veremos los otros componentes de esta familia, tales como solenoides, relés y motores, además de los que se utilizan como sensores. En la séptima lección nos ocuparemos de una forma muy importante de la corriente eléctrica llamada corriente alterna. Presente en la forma de alimentación o de señales, es esencial para el funcionamiento de muchos circuitos electrónicos. Vamos a ver lo que es corriente alterna, sus características y propiedades, y la forma en que se genera. Vamos a hablar del factor de potencia y la forma en que se comportan inductores y capacitores en su presencia. La calidad de la energía será un elemento importante de esta lección.
La octava lección del curso se ocupa del sonido, con el análisis de la naturaleza de este tipo de vibración, así como sus características y propiedades. Vamos a ver cómo podemos oír estas vibraciones, analizar su medida en decibelios y o que son los ultrasonidos. Se estudiará el Efeito Doppler. Terminamos este curso de electrónica básica con el análisis de las ondas electromagnéticas en la novena lección. Es fundamental para las telecomunicaciones, el conocimiento de la naturaleza, características y propiedades de estas ondas, lo que será el tema central de la lección. Vamos a ver lo que son las ondas de radio y como transmisores y receptores trabajan. También se abordará el concepto de interferencia y ruido. Por último, el contenido en estudio puede considerarse como los primeros pasos de una escalera que conduzcan a los interesados a un mundo de conocimientos capaz de significar su realización profesional y más que eso, la satisfacción personal de dominio de las tecnologías más importantes de nuestro tiempo.
Newton C. Braga - 2017
LECCIÓN 1 - MATERIA Y ENERGÍA - LA NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD - ELECTRICIDAD ESTÁTICA
Lo que aprenderá
En esta lección aprenderá lo que es la electricidad, cómo se puede generar y utilizar. También veremos cómo la electricidad puede llevar transportar la energía y que es la corriente eléctrica. Para esto también se entiende lo que la energía es y cómo se puede llevar a cabo lo que se llama el trabajo, concepto muy importante en la física y la ingeniería. También aprenderemos cómo la electricidad puede ser medida y el concepto de tierra. Los elementos que componen esta lección teórica son: 1. Materia - Los átomos y otras partículas 2. Energía - la equivalencia de la materia y la energía 3. La naturaleza de la electricidad 4. Electrostática - la ley de Coulomb 5. La electrostática en la práctica 6. Conductores 7. Corriente y tensión - Unidades
Objetivos
Después de estudiar esta lección usted tendrá una visión diferente de la intimidad de la materia y eventos eléctricos que se producen en el interior del átomo. Comprenderá mejor la diferencia entre la materia y la energía
y saber cómo la electricidad puede manifestarse en los cuerpos.
Términos destacado
Átomo Los electrones, protones y neutrones La carga eléctrica La ley de Coulomb Energía Masa Electrostática Electrificación Corriente eléctrica Tensión eléctrica
Introducción
Los fenómenos eléctricos se han observado desde los primeros días del hombre, cuando todavía vivían en cuevas que había dibujado su atención por los rayos. Tal vez en este momento que la primera vez que utiliza indirectamente electricidad, aprovechando el incendio que provocó una descarga de palos que ha estado usando para la iluminación, la calefacción y la cocción de los alimentos. En los miles de años siguientes, sin duda otras manifestaciones eléctricas
llamaron la atención del hombre. Él debe haber notado que las chispas producidas cuando una piel de animal frotar un día seco, para limpiarlo e incluso debe haber tenido miedo de tocar objetos cargado de electricidad, recibiendo una buena descarga Indirectamente algunos fenómenos eléctricos deben haber sido utilizado en las innovaciones tecnológicas de la época, pero sin sus usuarios saber exactamente lo que estaba pasando. Este es el caso de la batería Babilonia hace más de 4 000 años que fueron utilizados en las obras de galvanoplastia. Ciertamente su construcción implicó un ritual para que se alcancen los poderes "mágicos". El magnetismo fue descubierto en Magnesia a través de sus piedras-imán (magnetita), pero fue sólo después de un largo tiempo es que sus propiedades fueron explicados. La electricidad como ciencia comenzó en la era moderna, con su producción artificialmente y luego explicaciones que culminaron en el siglo pasado con el conocimiento de la estructura de la materia, compuesta de átomos, y luego avanzaron con las teorías como la relatividad, la teoría cuántica hasta llegar a nuestra día, con los avances que se ocupará de su debido tiempo. La unificación de la física y las nuevas teorías de supercuerdas y otros que comienzan a influir en los conceptos de muchos dispositivos electrónicos modernos debe ser parte de un curso moderno. De hecho, huimos un poco de muchos de los conceptos de cursos electrónicos "viejos y obsoletos", comenzando desde el mismo punto en que todo el mundo debería ir, pero va más allá de lo necesario realmente profesional a conocer hoy.
1.1 - La materia
Para entender la naturaleza de la electricidad, primero debemos entender
la naturaleza de la materia misma. Todos los cuerpos que nos rodean están hechos de pequeñas partículas llamadas átomos. Los átomos están hechos de partículas aún más pequeñas que se organizan de una manera claramente definida. Por lo general, representan el átomo, como se muestra en la Figura 1, en el que las partículas formadas son pequeñas esferas agrupadas en forma bien definida, como los primeros investigadores que pueden imaginar.
Figura 1 - Representación didáctica del átomo
Hoy sabemos que esta representación no corresponde a la realidad, ya que las partes constituyentes de los átomos en realidad no tienen lo que llamamos forma, como veremos más adelante, pero por motivos de estudio, esta representación se ha adoptado en las escuelas por su aspecto educativo. Adoptaremos esta representación para mayor comodidad.
Estas partículas, llamadas electrones, protones y neutrones tienen propiedades que llaman "eléctrica". Están equipadas con cargas eléctricas y, por convención, se dice que las cargas de los electrones son negativas (-), mientras que las cargas de los protones se dicen positivas (+). Los neutrones no tienen carga eléctrica.
Supercuerdas La teoría de las supercuerdas de la idea de que las partículas más pequeñas que componen el universo son entidades que tienen sólo una dimensión, la longitud y vibración de varias maneras posibles incluso en más de 4 dimensiones. A medida que la forma en que vibran y las dimensiones en las que lo hacen, dan lugar a una multitud de partículas elementales como los quarks, los hadrones, electrones, protones y muchas otras, formando lo que se llama el zoológico de partículas. Todavía hay mucho que hacer en la investigación en este campo intentando la unificación de la física cuántica con la teoría de la relatividad. De acuerdo con los físicos pueden predecir por sus fórmulas, el universo debe tener al menos 11 dimensiones para explicar los fenómenos observados con las partículas elementales.
Propiedad:
Una propiedad fundamental de las cargas eléctricas, y siempre hay que recordar, es que las cargas del mismo signo (positivos o ambos negativos) se repelen entre sí y las cargas de signos opuestos (positivo y negativo) se atraen. La Figura 2 muestra esto.
Figura 2 – Cargas de mismo signos, si repelen y cargas de signos opuestos se atraen.
La "cantidad" de la carga eléctrica que una partícula ha puede ser medida. Encontramos entonces que la carga del electrón es exactamente la misma en cantidad que la del protón, aunque son de polaridades opuestas y el electrón y el protón tienen diferentes masas. También se verifica que los electrones bajo ciertas condiciones, pueden ser retirados de los átomos en torno a los cuales giran y por lo tanto se mueven a través de los materiales, dando lugar a fenómenos especiales que son muy importantes para nuestros estudios y mismo de la existencia da ciencia electrónica, como veremos en los siguientes artículos. Del mismo modo, podemos añadir electrones a un átomo e dotarlas de propiedades especiales, igualmente importantes para nuestros estudios.
1.2 - Energía
Un concepto muy importante en el estudio de la física y por consiguiente de la electricidad, que es una de sus ramas, es la energía. Como se estudió en el artículo anterior, la materia está compuesta de átomos y que tiene la propiedad principal de ter masa y ocupar un lugar en el espacio. La masa de un objeto es lo que le da la propiedad que llamamos peso. El peso es la fuerza con que la tierra atrae a un objeto y que depende de su masa, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3 - La fuerza con la que un objeto es atraído a la tierra es su peso
La energía es otro concepto muy importante para la comprensión de los fenómenos eléctricos. No tenemos una definición de lo que es la energía, porque no se puede verla. Podemos decir que algo tiene energía cuando se tiene la capacidad de realizar un trabajo. La energía almacenada en combustibles puede hacer un trabajo, que es mover un vehículo. La energía almacenada se utiliza en alimentos para el funcionamiento de nuestro cuerpo. La energía liberada en las reacciones químicas dentro de una célula eléctrica se utiliza para encender una lámpara o conducir un pequeño motor. Vea la Figura 4 que, para mover un objeto desde un punto A hacia un punto B, corresponde a un trabajo, tenemos que gastar energía.
Figura 4 - El trabajo mide el gasto de energía para mover un cuerpo
La energía es una magnitud física y como tal se puede medir. Más tarde, cuando estudiamos la energía involucrada en procesos eléctricos, vamos a ver cómo se hace esto.
1.2.1 - Principio de Conservación de la Energía
Un principio muy importante, que a menudo se recordó a estudiar los fenómenos eléctricos, es la conservación de la energía. Este principio establece que la energía ni se crea ni se destruye, se conserva siempre. Por lo tanto, cuando una batería alimenta una lámpara, la luz producida tiene la misma cantidad de energía que la batería se necesita para producirla. Del mismo modo, si usted tiene un amplificador, la cantidad de sonido obtenido (energía) es la misma que la cantidad de electricidad que consume cuando está enchufado. En otras palabras, los procesos que estudio en electricidad, cantidad de esta energía es siempre la misma. Ella sólo tiene que ir de un tipo a otro, o sea, se convertirá. Véase la figura 5 un ejemplo, en el que la energía química liberada dentro de la célula se transforma en energía eléctrica que alimenta a continuación, una lámpara para convertirse en energía luminosa (luz) y calor (calentar la lámpara). Si medimos la cantidad de luz y el calor producido por la lámpara veremos qué es exactamente igual a la cantidad de energía liberada en el proceso químico dentro de la célula.
Figura 5 - Ejemplo de Conversión de Energía
"En la naturaleza nada se crea, nada se pierde, todo se transforma" Lavoisier (1743 - 1794)
Antoine Laurent Lavoisier (1743 - 1794)
Moto Perpetuo Este nombre se utiliza para describir el intento de muchos para construir un motor perpetuo, un motor que funciona sin energía. Por supuesto, nadie ha conseguido todavía, ya que va en contra de los principios de la física, específicamente de la conservación de la energía que vimos. La energía no puede ser creada, tiene que venir de alguna parte. Además de varias ideas que no funcionaron, que implican características mecánicas, como la figura A, hay ideas que implican la electricidad.
Figura A - El agua que llena el cubo hace peso y que va hacia abajo haciendo que el mecanismo gire indefinidamente. ¿Por qué no funciona? Una de ellas es para conectar un motor a una dínamo y luego alimentar el motor por la dínamo, como se muestra en la figura B.
¿Por qué no funciona? Simplemente porque el rendimiento del motor y dínamo no son 100%. La dinamo no convierte toda la energía mecánica que recibe en electricidad, así la que va al motor es un poco menos de lo que recibió en forma de energía mecánica. Del mismo modo, el motor no convierte el 100% de la energía eléctrica en mecánica, por lo que no se transfiere al dínamo toda la energía. La dinamo en este ciclo ya recibe cada vez menos y por lo tanto se genera menos energía, y en el
proceso la energía va cayendo hasta que todo para... A pesar de que el proceso tuvo un rendimiento del 100%, en el momento en que tomamos un poco de energía para hacer funcionar algo externo, la energía del sistema cae y por lo que la velocidad se reduce hasta detenerse...
1.2.2 - Equivalencia Entre Materia y Energía
El trabajo de Einstein demostró que la materia y la energía son equivalentes. Podemos transformar la energía en materia y la materia en energía. La famosa fórmula de Einstein nos dice que podemos obtener una gran cantidad de energía a partir de una pequeña cantidad de la materia. De todos modos, la materia puede ser considerada como "energía concentrada". E = mc2 Donde: E es la energía, m es la masa
C y el cuadrado de la velocidad de la luz o 300 000 000 000 x 300 000 000 000 metros por segundo (9 x 1022 m/s2) Ahora el cuadrado de la velocidad de la luz es un número extremadamente grande, lo que significa que una pequeña cantidad de materia multiplicada por este número se traduce en una gran cantidad de energía. La conversión de la materia en energía, que se utiliza en las plantas de energía nuclear, cuando un elemento se desintegre se convierte en parte
de su masa en energía, se hace en este principio.
1.3 - La naturaleza de la Electricidad
El funcionamiento de cualquier dispositivo, dispositivo o aparato eléctrico, depende del movimiento de un "fluido" a través de sus partes. Este "fluido" existe como una corriente de partículas y recibe el nombre de "corriente eléctrica". Cuando encendemos cualquier aparato o dispositivo más simple, como una lámpara, pequeñas entidades (que son tan pequeñas que no se pueden ver en cualquier forma) se mueven a través de los cables, que lleva la energía que es responsable de su funcionamiento. El primer concepto importante que entonces debemos tener es la corriente eléctrica. La corriente eléctrica que pasa a través de los cables, las pistas de las placas de circuito impreso de dispositivos electrónicos es un pequeño flujo de entidades o partículas que tienen algo en la naturaleza que habitualmente se denomina "carga eléctrica". Estas partículas se denominan electrones y son tan pequeñas que pueden pasar fácilmente a través de los átomos de ciertos materiales. Los electrones de hacen parte de los átomos y son, por convención, dotados de cargas negativas y están representados por el símbolo (-). A diferencia de los protones que componen los átomos, pero están conectados firmemente a sus núcleos, los electrones tienen una cierta movilidad en ciertos materiales, que nos permite utilizar para la transmisión de energía. El mismo nombre de la ciencia, "Electricidad y Electrónica" (que recuerda de electrones), ya sugiere que vamos a utilizar este tipo de partículas para lograr nuestros propósitos. Vea la Figura 6.
Figura 6 - Los electrones pueden moverse a través de ciertos medios
A pesar de que representamos a los electrones por pequeñas bolas han dejado claro que es sólo para facilitar la comprensión de lo explicado. De hecho, no podemos decir exactamente lo que estas partículas son, un concepto que quedará más claro en el curso de nuestro curso. Sustancias en la que los electrones pueden moverse fácilmente son los conductores. Los metales son buenos conductores, ya que en ellos los electrones pueden disfrutar de cierta libertad de movimiento, por lo tanto se utiliza para conducir la corriente eléctrica. Puesto que el vidrio, papel, mica y caucho son aislantes, es decir, sustancias que no permiten el movimiento de los electrones fácilmente. Sin embargo, podemos proporcionar estos cuerpos de cargas, por la eliminación de los electrones de sus átomos o la adición de ellos. En estos casos, las cargas se "paradas" en el cuerpo, o estáticas, dan lugar a una rama de la electricidad llamada electrostática.
Curiosamente, entre los conductores y los aislantes existen sustancias con propiedades intermedias, semiconductores, que son de enorme importancia para la electrónica
El hecho de que atribuimos al electrón una carga negativa es pura convención. No podemos verlo, simplemente tenemos que admitir que él tiene "algo" que le dota de ciertas propiedades que se aprovechan de los equipos eléctricos y electrónicos que usamos, y que estas propiedades son diferentes de otras partículas, como los protones.
1.4 - Electrostática
En los primeros días de la electricidad poco se sabía acerca de su naturaleza y comportamiento. Así que muchos de los estudios de los primeros tiempos se hacían con los cuerpos que acumulan cargas eléctricas, es decir, los cuerpos cargados. Como estas cargas no se movieron en los cuerpos, excepto en ciertos momentos en los que se descargaron o de la carga, la electrostática tuvo una gran importancia en aquellos días. Con el tiempo, los fenómenos relacionados con las cargas en movimiento (dinámica) se tornaran mucho más importantes y por lo tanto la mayoría de la atención pasó e estar centrado en la electrodinámica. Hoy en día electrostática tuvo nuevamente gran importancia, ya que hay muchos componentes, dispositivos y aplicaciones que se basan en sus fenómenos, o están muy influenciados por ellos. Muchos de los cursos electrónicos prácticamente omiten la electrostática en sus programas, lo que no sucede con los nuestros. Por lo tanto las siguientes líneas vamos a revisar algunos de sus fenómenos clave, puesto que ellos tienen una gran importancia práctica.
Para obtener más información sobre la electrostática, sugerimos consultar libros de física de la escuela secundaria. La omisión de los cursos técnicos se debe al hecho de que se considera que los
conocimientos básicos de electrostática ya vienen desde la enseñanza en nivel medio o incluso la escuela primaria.
1.4.1 – Electrización
La tendencia natural de los cuerpos es mantener un estado de neutralidad, es decir, un número igual de cargas positivas y negativas. Estas cargas son canceladas y, por tanto, ningún fenómeno eléctrico de naturaleza se puede manifestar. Esto significa que, en condiciones normales, los átomos de un cuerpo tienen el mismo número de protones (+) y electrones (-). La figura 7 representa un cuerpo neutro.
Figura 7 - cuerpo neutro - el mismo número de cargas positivas y negativas
En la práctica, sin embargo, no siempre los cuerpos son neutrales. Esto significa que los átomos de un cuerpo tanto pueden perder como ganar electrones, cuando están "cargados" o "electrizados".
Vea que se puede electrizar los cuerpos solo moviendo electrones debido a que tienen una cierta libertad. No se puede mover los protones. Por lo tanto, la ciencia se llama "electricidad", de electrón.
Cuando un cuerpo tiene un exceso de electrones (más electrones que protones), decimos que está electrizado negativamente o cargado negativamente. Cuando un cuerpo carece de electrones (electrones de menos de protones), decimos que está cargado positivamente. En la Figura 8 se muestran los dos casos.
Figura 8 – Cuerpos electrizados
Básicamente podemos quitar o poner los electrones en los cuerpos o los electrizar en tres formas o en tres procesos: a) Fricción: Cuando un exfoliamos un cuerpo en otro de manera que electrones de un pase a otro. Uno de ellos tiene falta de electrones (positivo) y lo otro exceso e electrones (negativo). Esto ocurre cuando un peine se frota en la ropa y se electrifica (+), para atraer pequeños trozos de papel. b) Contacto: cuando llegamos un cuerpo cargado en otra que no está cargado y con eso cede parte de su carga. c) Inducción: cuando la aproximación de un cuerpo cargado de otros neutros hace con que las cargas causas se muevan dentro de él, de modo que una parte se carga, y otra no.
La Figura 9 muestra los tres procesos.
Figura 9 - Los tres procesos de electrificación
El Electroscopio El instrumento utilizado para ver si un cuerpo está cargado de electricidad o no (tiene una carga estática) es el electroscopio. La más antigua y sencilla versión, todavía se utiliza en las escuelas, es el electroscopio hoja se muestra en la Figura A.
Figura A - Electroscopio hecho a mano - hojas de oro tiene una mayor flexibilidad que resulta en un electroscopio más sensible, pero en la práctica se puede utilizar el aluminio.
Está formado por un conductor de metal, donde hay una hoja de un metal muy maleable que se dobla fácilmente. El mejor para este propósito es oro, pero en las escuelas y montajes experimentales, se utiliza papel de aluminio muy delgado. Cuando un cuerpo cargado se acerca al electroscopio toca en su sensor, las palas llevan cargas con la misma polaridad y, por tanto manifiesta una repulsión. A continuación, "aben" lo que indica que el cuerpo está cargado, como se muestra en la figura B.
Figura B - Usando el electroscopio
Con la ayuda de la electrónica pueden ser montados electroscopios muy sensibles. En la web del autor de este libro, el lector encontrará proyectos prácticos.
1.4.2 - Energía Eléctrica - la ley de Coulomb
Se ha encontrado que los cuerpos cargados de la electricidad de la misma polaridad se repelen entre sí y provistos de cargas opuestas se atraen. Entre ellos se manifiesta una fuerza que depende de la cantidad de carga que tiene el cuerpo y la distancia entre ellos. La figura 10 muestra lo que sucede.
Figura 10 - fuerza entre cuerpos cargados
La fuerza de atracción o repulsión que se manifiesta entre cuerpos cargados se determinó por primera vez por Coulomb, lo que resulta en una de las leyes más importantes de la electricidad, la Ley de Coulomb.
Charles Agustín de Coulomb (1736 - 1806)
LEY DE COULOMB
Se observa que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas de dimensiones reducidas (dichas puntuales) depende tanto de los valores de estas cargas, como la distancia que las separa. Como se muestra en la Figura 10, donde d es la distancia entre estas cargas y es d y q1, q2 son los valores de las cargas medidos en culombios (C). La fuerza que se manifiesta entre ellas (llamado F) se puede calcular por la fórmula.
F = K0 [ (q1 x q2) / d2 ] (f1.1)
Dónde: Ko es una constante electrostática llamada constante del vacío Su valor es de 9 x 109 N. m2/C2 q1 y q2 son las cargas en Coulomb (C) d es la distancia entre las cargas en metros (m) F es la fuerza (de atracción o repulsión) en Newton (N) Tenga en cuenta que, de acuerdo con esta fórmula, la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, lo que significa que si se duplica la separación entre dos cargas, la fuerza entre ellas (atracción o repulsión) se reduce a la cuarta parte, como se muestra la figura 11.
Figura 11 – Con la duplicación de la distancia la fuerza se reduce a la cuarta parte de su valor
Hemos observado otras fuerzas que se manifiestan en la naturaleza se comportan de la misma manera. Este es el caso de la fuerza de la gravedad y de la fuerza magnética.
1.4.3 - Campo Eléctrico
Como hemos visto, una carga eléctrica produce alrededor de él una especie de perturbación o estado especial de espacio. Si ponemos en cualquier lugar donde se encuentre presente esta "alteración" una carga eléctrica, ella estará sujeta a una fuerza que tiende a moverla, como se muestra en la Figura 12.
Figura 12 – La carga es sometida a una fuerza eléctrica cuando se sumerge en un campo eléctrico
Para caracterizar este estado o situación dicen que alrededor de una carga o un cuerpo cargado existe un campo eléctrico. Este campo eléctrico se indica por la letra E se puede calcular en cualquier punto en el espacio alrededor de un punto de carga por la fórmula:
E = ko ( Q / d2) (f1.2)
Dónde: ko es el mismo bajo la fórmula anterior Q es la carga que produce el campo en Coulombs (C) d es la distancia entre las cargas en metros (m) E es la intensidad de campo en Newtons por Coulomb (N / C)
Los efectos de la carga en el espacio, que actúan una sobre la otra, son estudiados por una rama de la física denominada electrostática. Cuando las cargas, por el contrario, se mueven ocurre la producción de efectos que son utilizados en la electrónica, la rama de la física que los estudia los llamada electrodinámica. Tanto electrostática y electrodinámica se pueden estudiar con un poco más de profundidad a través de los libros de física de los cursos de nivel medio. Los campos eléctricos están representados por líneas imaginarias, las líneas llamadas líneas de fuerza, como se muestra en la Figura 13.
Figura 13 - El campo de una carga puntual y un dipolo (dos cargas de polaridad opuesta)
Las líneas de fuerza salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas. En los puntos del espacio donde las líneas están más cerca (más densas), el campo es más intenso, o las fuerzas de naturaleza eléctrica se manifiestan con mayor intensidad. Como hemos visto, "soltar" cargas eléctricas en un campo eléctrico ellas estarán sujetas a una fuerza que las hace moverse. El movimiento de las cargas es siempre a lo largo de las líneas de fuerza en una dirección que depende de su polaridad, como se muestra en la Figura 14.
Figura 12 - Las cargas se mueven a lo largo de las líneas de fuerza del campo eléctrico
1.5 - La Electrostática en la Práctica
Aunque muchos cursos de electricidad y la electrónica no se preocupan por la electrostática, que por lo general se contempló en la escuela secundaria en la electrónica de hoy en día, la importancia de los fenómenos eléctricos que implican cargas paradas está creciendo, por lo que es importante que verificamos donde está presente y cómo los fenómenos relacionados con ella se manifiestan. Los objetos que nos rodean pueden acumular electricidad, cargas tanto positivas como negativas, y estos cargas pueden ejercer influencias de todo tipo en las personas y en su propio equipo electrónico. Por ejemplo, el choque que tenemos a un picaporte o un coche es un
ejemplo de lo que ocurre. La figura 15 muestra lo que sucede.
Figura 15 - descarga de electricidad acumulada en el cuerpo
Por otra parte, las cargas ambientales segundo se verifica, pueden tener influencia en nuestro bienestar. Se observa que en un ambiente donde las cargas positivas en exceso acumuladas sobre una alfombra, por ejemplo, pueden causar procesos alérgicos en las personas con las tendencias o incluso dolores de cabeza. Las cargas acumuladas en un coche hacen lo mismo. Pero más allá de eso, hay una buena cantidad de aparatos eléctricos y electrónicos tienen su principio de funcionamiento en base a las cargas estáticas. Uno de ellos es el filtro electrostático contra la contaminación que se muestra en la Figura 16. Las cargas acumuladas en una pantalla de un generador de alta tensión atraen partículas de contaminación que luego son atrapados y luego caen en un recipiente.
Figura 16 - Un filtro electrostático
Muchos de los componentes, que se estudiarán más adelante en esta serie de libros, funcionan basados en los principios de la electrostática como tubos de rayos catódicos de viejos televisores y osciloscopios, el transistor de efecto de campo (FET), transductores y muchos otros.
El efecto de las puntas Se observa que si se carga un cuerpo, las cargas tienden a acumularse en las regiones de curvatura mayor, es decir, las puntas, como se muestra en la figura A.
(figura A) Si el cuerpo tiene una punta, la acumulación de las cargas es tan pronunciada que la fuerza de repulsión que se manifiesta en la proximidad de la carga alcanza un valor suficientemente alto para permitir que las cargas escapen. Este efecto es explotado en la práctica para ayudar a descargar los cuerpos que tienden a acumular cargas. Una pequeña punta en la estructura de un avión, un coche o un camión de combustible ayuda a descargar las cargas que se acumulan en estas estructuras.
ESD - Descargas electrostáticas (Electrostatic Discharge) ESD es el nombre dado al fenómeno de las descargas eléctricas que pueden ocurrir cuando los cuerpos cargados de electricidad encuentran un medio de descarga. ESD es un problema muy serio, ya que puede afectar a los equipos electrónicos sensibles y por lo tanto debe ser evitado. Lo que pasa es que cualquier cuerpo que está aislado del suelo
puede acumular electricidad por los procesos de electrificación que estudiamos. Las cargas acumuladas pueden llegar a decenas de miles de voltios. Una persona que camina sobre una alfombra aislante puede acumular en su cuerpo una carga de 10.000 volts. Si esa persona toca componentes electrónicos sensibles, o incluso a los terminales de equipos sensibles, puede haber un daño irreversible a estos componentes o equipos. Por lo tanto, precauciones especiales contra ESD son parte de todas las recomendaciones, tanto en lo manejo como instalación de componentes y equipos electrónicos. Conexión a tierra, malla de protección, el uso de materiales conductores de protección o antiestático son algunos ejemplos de la protección contra descargas electrostáticas.
Figura A - El uso de pulseras anti-estáticas conectadas a tierra
1.6 – Conductores
Como vimos al principio de esta lección, hay materiales llamados conductores en el que los electrones pueden moverse fácilmente. Estos materiales se pueden utilizar para transferir cargas desde un cuerpo a otro, cargando o transportando energía. Los materiales conductores tales como cobre, aluminio, plata y oro se utilizan para la fabricación de hilos conductores capaces de llevar cargas y por lo tanto la transferencia de energía de un lugar a otro por un flujo de electrones, llamada corriente eléctrica.
Corriente eléctrica
Definimos la corriente eléctrica como un movimiento ordenado de cargas eléctricas.
Sabemos que las cargas eléctricas de la misma polaridad o signo se repelen entre sí, mientras que las cargas de distinto signo se atraen. Por lo tanto, un flujo de electrones, o una corriente, sólo si pueden establecer puntos con polaridades opuestas, como se muestra en la Figura 17. En ella tiene una ilustración que muestra que si las cargas dejan un cuerpo negativo para ir a un cuerpo cargado positivamente a través de un conductor en el que tenemos la cancelación o la neutralización de estos cargos.
Figura 17 - Obtención de corrientes de dos maneras diferentes
Pero esta no es la única condición en la cual podemos obtener una corriente eléctrica. Como se muestra en la misma figura, podemos tener un cuerpo más negativo que tiene una mayor concentración de cargas que otros. Las cargas tienden a fluir de una a otra hasta que los dos cuerpos permanecen a la misma concentración de carga. También podemos obtener una corriente si tenemos un cuerpo neutro (que no tiene ninguna carga, es decir, los electrones están presentes en
el mismo número de protones, con el fin de cancelar sus efectos) y aprovechar este cuerpo, que está cargado positivamente o negativamente de modo que hay una diferencia en la condición eléctrica que provoca una corriente. Más formas de obtener las corrientes pueden ser citadas. Podemos tomar como ejemplo el caso en el que tenemos cuerpos que se cargan con cargas de la misma polaridad (positiva o negativa), pero con "concentraciones" diferentes, como se muestra en la Figura 18. En esta ilustración vemos las direcciones de las corrientes tomadas por las fuerzas que actúan sobre las cargas.
Figura 18 - El solo hecho de polaridades opuestas o diferentes niveles de cargas a las que se puede establecer una corriente
Si tenemos un cuerpo en el que las cargas son más "presionadas", o tiendo una fuerza de repulsión más fuerte que el otro, en el que son menos "apretadas" e interconectamos estos cuerpos por medio de un alambre de metal, el resultado será la acción de fuerzas que causan un flujo de carga o corriente. Esta corriente fluirá hasta que ambos cuerpos alcancen el equilibrio, es decir, a concentraciones de cargas iguales. Veja entonces que para producir una corriente eléctrica es necesario que los dispositivos tenga dos polos, como se muestra en la Figura 19. Uno, negativo, tendrá exceso de electrones o cargas negativas (un cuerpo con una falta de electrones predominantemente protones, que son positiva, y así se dirá "cargado" positivamente).
Figura 19 - Un generador puede producir una corriente eléctrica, ya que tiene un cubo con una falta de electrones (+) y uno corto (-)
El estado de la concentración de la carga manifiesta una fuerza de repulsión entre ellas, responsable por el movimiento de las cargas cuando están interconectados a un conductor. Este estado se llama "tensión" o "potencial eléctrico". Esto significa que una corriente sólo puede moverse entre dos cuerpos si están con diferentes tensiones, es decir, entre ellos hay una diferencia de potencial eléctrico (ddp abreviado).
Conexión a tierra
Como se ve, para haber una corriente entre dos cuerpos es necesario que uno de ellos tenga un exceso de electrones y lo otro falta o exista una concentración diferente de electrones entre ellos. En la práctica hay un cuerpo que tiene una cantidad ilimitada de electrones para dar y para recibir. Es la tierra. Por lo tanto, cualquier cuerpo cargado que está conectado a tierra, descarga, ya sea una carga positiva o negativa, como se muestra en la Figura 20.
Figura 20 - Independientemente de la polaridad mediante la conexión de un cuerpo cargado al suelo se descarga.
Curiosidad: En el siglo XVII, cuando los primeros fenómenos eléctricos no fueron bien explicados, se creía que la electricidad estática y corriente eléctrica causada por reacciones químicas o en contacto con metales y seres vivos eran diferentes. Por lo tanto, acuñó el término de galvanismo para explicar la electricidad animal, capaces de generar corriente con el fin de diferenciarla de la electrostática, para ellos, era otro tipo de electricidad.
1.7 - Tensión y Corriente, Unidades
En electricidad y electrónica, para comprender el funcionamiento de cualquiera de sus equipos es muy importante saber cómo medir los
fenómenos porque podemos hacer predicciones y cálculos de ella. Lo que podemos medir en física se llama "grandeza". Son magnitudes distancias, volúmenes, temperaturas, fuerzas, cargas eléctricas, etc. Para cada uno de ellos ocupa una unidad establecida por una convención que se tradujo en el Sistema Internacional de Unidades, SI o, para abreviar. Por lo tanto, de la misma manera que podemos medir la fuerza entre cargas o el campo, es importante para medir la cantidad de cargas que pasan por un hilo, o la intensidad de corriente eléctrica. La unidad utilizada se llama Ampere, que se abrevia como A. Por otro lado, la fuerza o presión que aparece a través de la carga debido a su concentración en el cuerpo se mide en volts (abreviado como V) dado el nombre de "tensión". Incluso podemos hablar de la tensión y la diferencia de potencial (abreviado ddp) cuando se refiere a la concentración de cargas en un cuerpo y la diferencia de concentración entre dos cuerpos que produce la acción que es responsable pelo estabelecimiento de una corriente entre ellos. Así hay que recordar que para que fluya una corriente entre dos puntos o cuerpos debe haber una diferencia de potencial entre ellos, como se muestra en la Figura 21.
Figura 21- movimiento de los electrones que forman una corriente
Como hemos visto, la tierra actúa como un depósito gigante de cargas y puede recibirlas o proporcionarlas en cualquier cantidad. Cuando conectamos un cuerpo cargado a la tierra inmediatamente se produce la descarga, independientemente de estar cargado positivamente o negativamente. Por definición, se dice que el potencial de tierra es 0 (cero) volts, o un potencial de referencia. El movimiento de la carga de un cuerpo a otro, o de un cuerpo a tierra (y viceversa) representa un gasto de energía. Por lo tanto, una corriente eléctrica siempre lleva energía. Un conductor eléctrico, no importa lo bueno, no es perfecto, lo que significa que para pasar, las cargas eléctricas tienen que hacer un esfuerzo. Este esfuerzo indica que la corriente eléctrica encuentra una cierta oposición o resistencia, y para ganarla, tiene que gastar energía. Nosotros decimos que el material del que se forma el conductor tiene una cierta resistencia eléctrica. La resistencia eléctrica se mide en ohms (Ω abreviado). La figura 22 muestra lo que sucede.
Figura 22 - Los electrones encuentran resistencia en el manejo de los materiales, gastar energía en forma de calor.
Resistencia eléctrica Llamamos resistencia eléctrica a la oposición que una corriente eléctrica encuentra su paso.
Cuanto mayor es la resistencia encontrada por la corriente eléctrica que pasa a través de un medio dado, menor es su intensidad. Hay, pues, una relación bien definida entre la intensidad de la corriente y la resistencia. Del mismo modo, cuanto mayor es la fuerza (tensión) que "empuja" cargas a través de un conductor, mayor es la intensidad de la corriente. La relación entre estas tres magnitudes eléctricas es muy importante en muchos cálculos que implican corrientes, tensiones y resistencias. Esta relación será estudiada en detalle en la lección 3.
Recuerde: Tensión - causa Corriente - efecto Resistencia - oposición que la corriente encuentra al pasar a través de un medio
Las tres cantidades que estudiamos, tensión, corriente y resistencia pueden medirse. Para ello tienen sus propias unidades adoptados internacionalmente por el SI (Sistema Internacional de Unidades). El lector debe tener mucho cuidado para saber cómo utilizar correctamente estas unidades.
1.7.1 – Unidad de Tensión
La tensión se mide en volts (V). Es común múltiplos y submúltiplos de esta unidad. Milivolt (mV) = 0,001 V = 10-3 V Microvolt (µV) = 0,000 001 = 10-6 V kilovolt (kV) = 1 000 V = 103 V Megavolt (MV) = 1 000 000 V = 106 V
1.7.2 - Unidad de corriente
La intensidad de la corriente está dada por la cantidad de carga que pasa a través de un punto de un conductor en cada segundo. La intensidad de la corriente se mide en amperes (A), sino también se utilizan sus múltiplos y submúltiplos. Los más importantes son: Nanoampere (nA) = 0,000 000 001 A = 10-9 A Microampere (µA) = 0,000 001 A = 10-6 A Miliampere (mA) = 0,001 A = 10-3 A Kiloampère (kA) = 1 000 A = 103 A
1.7.3 - Unidad de Resistencia
La resistencia eléctrica se mide en ohms (Ω). También utilizamos los
múltiplos y submúltiplos: Miliohms (mΩ) 10-3 = 0,001 Ω = Ω Kilohm (KΩ) = 1000 Ω 103 Ω = Megohm (MΩ) = un millón de Ω = 106 Ω
Prefijos En física y electrónica es común el uso de prefijos griegos para indicar múltiplos y submúltiplos de las unidades utilizadas con las diversas magnitudes. La siguiente es una tabla, es conveniente que el estudiante memorizar por lo menos los principales.
Fator 1018 1015 1012 109 106 103 102 10 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18
Prefijo exa peta tera giga mega kilo hecto deca deci centi mili micro nano pico femto atto
Símbolo E P T G M k h da d c m μ n p f a
Términos en inglés
En esta lección no teníamos muchas palabras que pueden traer problemas que se encuentran en los textos en Inglés, pero es interesante destacar algunos más importante. El punto culminante trata de voltage, término que se encuentra normalmente en textos técnicos para indicar tensión. En español durante mucho tiempo y en algunos lugares el término "tensión" fue utilizado, pero no se considera correcto. Otros términos relacionados con el significado son los siguientes: Charge = carga Current = Corriente Resistance = Resistencia Ohm’s Law = Ley de Ohm Conductor = conductor Isolator = aislante o aislantes Electric Field = campo eléctrico
Buscar temas
a) Las descargas eléctricas b) La electricidad estática c) Serie tribu eléctrica
d) Los conductores y aisladores e) Resistividad f) Choque eléctrico g) Las descargas electrostáticas (ESD)
Cuestionario
1. Dos cuerpos esféricos cargados a ser colocados uno junto al otro se repelen. Se puede afirmar que: a) Las dos esferas tienen cargas positivas b) Las dos esferas tienen cargas negativas c) Una esfera está cargada positivamente y la otra negativamente d) Las dos esferas tienen cargas de la misma polaridad
2. Si cerca de un cuerpo cargado colocamos una carga eléctrica desde luego: a) Será atraída por el cuerpo b) Será rechazada por el cuerpo c) La misma estará sujeta a una fuerza d) Se moverá
3. Los cuerpos hechos de materiales a través del cual se pueden mover cargas eléctricas son: a) Los aisladores b) Los conductores c) Que están conectados a la tierra d) Los cuerpos cargados
4. La corriente eléctrica y la tensión son, respectivamente: a) El efecto y la causa b) Causa y efecto c) Causa y fuerza de oposición d) Efecto y fuerza de oposición
5. Un nano ampere es equivalente a: a) 0,001 A b) 0,000 001 A c) 0,000 000 001 A d) 0,000 000 000 001 A
6. Dos amperes son equivalente a: a)200 mA b) 2 000 mA c) 2 000 000 mA d) 0,2 mA
LECCIÓN 2 - ELECTRICIDAD - CORRIENTE Y TENSIÓN EL CIRCUITO ELÉCTRICO
Lo que aprenderá
En esta lección vamos a ver cómo se puede generar electricidad y cómo podemos usarla en la práctica, para el funcionamiento de diferentes dispositivos y equipos. Veremos más adelante cómo la energía eléctrica puede transformarse en otras formas de energía que se utiliza en dispositivos tales como lámparas, elementos de calefacción, LEDs, motores, relés y muchos otros. Esta lección consistirá en lo siguiente:
2.1 - Generadores 2.2 - Receptores 2.3 - Conversión de energía eléctrica 2.4 - Los Conductores 2.5 - Circuito eléctrico 2.6 - Corriente convencional y la corriente electrónica 2.7 - Lámparas incandescentes 2.8 - El cortocircuito, fusibles e disyuntores 2.9 - Los efectos de la corriente eléctrica
2.1 - Generadores
Si se conecta un cuerpo cargado a otro, de manera que fluye una corriente, su duración es muy corta. Tan pronto como las cargas de un pasan para el otro que las tiene en falta, estableciendo así el equilibrio, la corriente cesa. ¿Qué debemos hacer si queremos una corriente que fluye por un tiempo más largo entre los dos extremos de un hilo que une a estos cuerpos? Como vimos en la lección anterior, una corriente no puede fluir de forma permanente entre dos cuerpos entre las cuales existe una diferencia de potencial, ya que hay un momento en el que se restablece el equilibrio y por lo tanto no hay más "fuerza" para empujarlos. Si queremos mantener el flujo de corriente, hay que restaurar las cargas en el cuerpo que as proporciona para que sean enviadas a lo que no las tiene. En resumen, hay que eliminar las cargas del cuerpo que obtiene para volver a fornecer a los que las proporciona. Este proceso implica un gasto energético debido a que estamos "entregando" energía al sistema que la proporcionará cuando la corriente circular. Para ello se utilizan los dispositivos especiales que se llaman "generadores" para "generar" energía. Estos generadores tienen dos puntos importantes, en los que están conectados los conductores, siendo llamados "polos". Un polo es negativo, que proporciona electrones para formar la corriente, como es en exceso, y el otro es positivo que recibe los electrones, como se muestra en la Figura 23.
Figura 23 - El funcionamiento del generador
De hecho, cuando decimos "generar" energía no significa que el generador crear esta energía de la nada. Esto no es posible, como ya hemos estudiado. Los generadores, como veremos más adelante, para generar electricidad hacen de otras formas de energía, que se transforman. Ya hemos estudiado en la lección anterior que no se puede crear energía de la nada.
Para que el generador realice su función, el a través del establecimiento en sus polos de una diferencia de potencial de una concentración de cargas capaz de causar el movimiento de la corriente cuando conectamos algún dispositivo de conducción, es necesario disponer de alguna forma de energía para la conversión. El tipo de energía que se utiliza por el generador para ser convertida en energía eléctrica, puede variar mucho. Uno de los tipos más comunes es lo que convierte la energía química (liberada de las reacciones químicas) en energía eléctrica. Las pilas y
baterías son los principales elementos de este grupo de generadores. Una pila común o célula crea entre sus polos una diferencia de potencial de 1,5 V, que dura tanto como lo tiempo en que las sustancias en su interior pueden reaccionar de acuerdo con la figura 24.
Figura 24 - Una célula común como un generador
Un paquete de pilas o células se llama una batería. En el caso de los automóviles, lo que tenemos es una asociación de acumuladores o varias células, que constituyan 12 voltios entre sus polos. La diferencia entre la batería y el acumulador es el hecho de que las baterías se pueden recargar. La reacción química que hace que el acumulador proporcione energía es reversible de modo que cuando un acumulador se descarga puede recargar mediante la circulación de una corriente a través de él, pero en la dirección opuesta a la normalidad. Esta corriente de alimentación “entrega” energía la batería,.
Baterías comunes no pueden ser cargadas, aunque hay células especiales llamadas "NiCad" (níquel-cadmio) y similares, o "recargable" que se puede recargar muchas veces, por un proceso especial, tales como las que se encuentran en los teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos, etc. También se les llama a menudo "pilas". También están los llamados "células de combustible" que tienen la conversión directa en electricidad la energía liberada en la reacción entre dos gases. Un tipo usado en naves espaciales está empleando hidrógeno y oxígeno que reaccionan para formar agua, con la liberación de energía eléctrica en electrodos especiales. Otro tipo importante de generador es la dinamo. Un ejemplo es la dinamo de la bicicleta, en el que la energía mecánica de movimiento de su rotor se convierte en energía eléctrica que alimenta una lámpara e incluso un cuerno. Véase la Figura 25 como la rueda de bicicleta impulsa la dinamo para transmisión de energía mecánica que se transforma en electricidad.
Figura 25 - El Dinamo de bicicletas
Tenga en cuenta que, en el interior de un generador, la manipulación de las cargas se realiza de una manera contraria al hilo a través del cual la corriente externa pasa, también llamado "receptor". Hay otros generadores importantes, tales como las células solares que convierten la luz en energía eléctrica; los termopares que convierten el calor en energía eléctrica; alternadores que convierten la energía mecánica en energía eléctrica, pero de una manera especial (que será estudiado en el futuro).
Energía limpia y Energía Renovable En nuestros días existe una creciente preocupación por el gasto de energía y los efectos que puede tener sobre el medio ambiente. Así que llamamos energía limpia es la que no produce contaminación como el caso de la electricidad. La energía renovable es la que, una vez desgastada puede ser recuperada. Por ejemplo, cuando quemamos el petróleo, la energía liberada no se puede recuperar inmediatamente. La naturaleza tardó millones de años para acumular la energía en el aceite que usamos ahora. Por otro lado, la energía eólica (de los vientos), además de ser una fuente limpia, no cambia el aire que mueve las paletas del generador es renovable.
En electrónica, también hay preocupación por el gasto de energía, por lo que no hay desperdicio. Esto se debe a que muchos dispositivos comunes no toman ventaja de toda la energía que reciben, perder gran parte en forma de calor, por ejemplo. El sello verde se adopta para indicar un dispositivo que tiene una buena eficiencia energética.
Eficiencia energética Este es el nombre que damos a la realización de un aparato en términos de consumo de energía. Por ejemplo, si su equipo de sonido consume una cierta cantidad de energía cuando se enciende (la forma de medir lo veremos en las lecciones futuras), pero sólo la mitad convierte en sonido, a continuación, su eficiencia es del 50%.
2.1.1 - Tipos de Generadores
Mecánicos
Generadores mecánicos convierten la energía mecánica en energía eléctrica, por ejemplo, movimientos o fuerzas de naturaleza mecánicas. Entonces tenemos en este grupo las dinamos y alternadores, como se muestra en la Figura 26.
Figura 26 - Una dinamo de bicicleta y un alternador en un coche
Las dinamos convierten la fuerza obtenida por el movimiento de un motor, una cascada, una hélice accionada por el viento o fuerza mecánica de un ciclista en electricidad. Los alternadores hacen lo mismo, pero proporcionan la electricidad de una manera diferente, que se estudiará a su debido tiempo, llamada corriente alterna.
Generadores químicos
Este tipo de generador convierte la energía liberada en una reacción química en energía eléctrica. Tenemos en este grupo como principales representantes las pilas, baterías y acumuladores.
Generadores Térmicos
Estos generadores se utilizan poco debido a que tienen un rendimiento muy bajo. Por lo tanto, la pequeña cantidad de energía térmica que convierten en electricidad sirve más para medición es do que para uso. El mejor ejemplo es el termopar.
Generadores fotoeléctricos
Estos generadores convierten la energía radiante (luz y otras radiaciones electromagnéticas de corto longitud de onda) disponibles en forma de ondas electromagnéticas en energía eléctrica. El tipo más común es la fotocélula. Estos generadores no tienen todavía un buen rendimiento, pero han comenzado a tener una utilidad práctica en muchos equipos de potencia.
Otros
Hay otros que son generadores de menor o mayor rango de uso, pero que ofrecen grandes posibilidades para el futuro. Muchos de ellos son en realidad los generadores que suministran energía a uno de los tipos anteriores que, a su vez, proporciona electricidad. Por ejemplo, los generadores atómicos que aprovechan la energía liberada en la desintegración de elementos radiactivos en realidad generan calor que a su vez calienta el agua y el agua mueve un generador mecánico, es decir, una dínamo o alternador.
2.2 - Receptores
Los receptores reciben electricidad a partir de una corriente y convierten esta energía en una o más formas de energía. Podemos citar como
ejemplo las lámparas que convierten la energía eléctrica en luz (y calor), los motores convierten la energía eléctrica en energía mecánica (movimiento o fuerza) y muchos otros. Receptores se aprovechan de los efectos de la corriente eléctrica y serán estudiados en esta lección.
2.3 - Conversión de Energía
Cuando conectamos hilo metálico a los polos de un generador y este hilo tiene una cierta resistencia eléctrica, para superar esta resistencia la energía suministrada por el generador se convierte en calor. Recordamos que ningún conductor es perfecto. Por lo tanto, por mejor que sea, las cargas en movimiento que forman la corriente siempre encuentran alguna dificultad para moverse. Esta dificultad u oposición se denomina "resistencia eléctrica", como se estudió en la lección anterior y ahora vamos a profundizar. Hay muchos dispositivos que se aprovechan del calor gastado por las cargas, para superar la resistencia, con el fin de funcionar. Se puede citar como ejemplo, los calentadores en general: consisten en hilos que no son buenos conductores, por ejemplo, alambre de nicromo, formados por una mezcla (aleación) de níquel con cromo. Cuando la corriente pasa a través de estos hilos, gran cantidad de calor puede ser producida y utilizada por diversos aparatos tales como se muestra en la Figura 27.
Figura 27 - Los dispositivos que se aprovechan del efecto térmico de la
corriente
Los calentadores de ambiente, duchas eléctricas, secadores de pelo, estufas eléctricas, encendedores de cigarrillos del coche, máquinas de sellado de plástico, moldeo por inyección de plástico y más, todos funcionan en este principio. Si el hilo es lo suficientemente delgado y presenta un punto de fusión muy alto, tal como tungsteno, podemos ponerlo en una ampolla de vidrio para evitar la acción del oxígeno del aire ambiente que se quemaría. El vidrio tendrá un vacío en su interior y luego se llena con un gas inerte para equilibrar la presión externa, que no hace que el bulbo frágil sujeto a
la implosión. Con esto vamos a tener una lámpara incandescente común o un dispositivo que puede convertir la energía eléctrica, no sólo calor, sino también la luz. Ver que la luz es una forma de radiación electromagnética, es decir, que consiste en ondas electromagnéticas de longitud muy corta (más adelante veremos lo que viene a ser la longitud de onda, por lo que no se molestan en entender el término por ahora, si usted no sabe lo que es). La lámpara que funciona con un filamento caliente se llama "lámpara incandescente", como se muestra en la Figura 28.
Figura 28 - Una lámpara incandescente común
Lámparas fluorescentes, electrónicas y LEDs
Actualmente. Podemos encontrar otros tipos de lámparas, tales como, por ejemplo, fluorescentes, en el que un gas es excitado por la corriente eléctrica, de tal manera que sea obligado a emitir luz. También tenemos lámparas electrónicas en el que un gas que contiene el bulbo es excitado por una corriente eléctrica de alta frecuencia generada por un circuito especial. Por último tenemos los LEDs que están reemplazando gradualmente a todos los demás tipos lámparas de iluminación, por sus características ventajosas. A lo largo del curso estudiaremos ellos.
2.4 - Los Conductores
Como no hay conductores perfectos, el flujo de corriente por cualquier hilo o dispositivo siempre genera calor. Este es un problema para los dispositivos electrónicos y eléctricos de diversos tipos, tales como computadoras, controles industriales, equipos de medida, telecomunicaciones, médica y, por supuesto, de la casa. La gran cantidad de cables y componentes por que pasa por la corriente en estos dispositivos genera calor. Este calor, a diferencia de los otros dispositivos no sirve para nada y debe ser eliminado. Si el calor generado no se elimina, los componentes sensibles sobrecalientan y pueden quemar. Así, en muchos equipos un punto crítico es la ventilación: es necesario para eliminar el calor generado en todos sus cables, hilos y componentes cuando está en funcionamiento. Y para ello, no tenemos muchas alternativas: el calor es una consecuencia inevitable del principio de funcionamiento de todos los dispositivos, no importa lo bueno, siempre tiene una cierta resistencia eléctrica.
La muerte térmica del Universo En las conversiones de energía la última es siempre el calor. El resultado del paso de la corriente, las piezas mecánicas de fricción, las reacciones químicas y otras formas siempre se pierde en calor. El calor, por otra parte, sólo puede ser utilizado para cualquier propósito, si la diferencia de temperatura entre dos puntos. Así, una curiosa exposición de los físicos es que la conversión de todas las formas de energía que resulta en la final de calor dará lugar a un momento en el que todos los puntos del universo estarán a la misma temperatura y pueden no tener más energía. Será la muerte térmica del universo.
2.5 - El circuito eléctrico
Para proveer de electricidad a cualquier dispositivo, de modo que pueda ser aprovechada, convirtiéndose en otra forma de energía, por ejemplo, luz, calor, movimiento, sonido, etc. no sólo se debe conectar un hilo que permite el transporte de cargas. Si sólo hay un hilo conectado las cargas alcanzan el dispositivo, pero no tienen más para donde ir, como se muestra en la Figura 29. Tenga en cuenta que las cargas no son la electricidad, que sólo transportan energía. Por lo tanto, tienen que entregar la energía al dispositivo alimentado y tienen que ir a alguna parte.
Figura 29 - Los electrones alcanzan la lámpara no tiene que ir después de
Si no tiene para donde ir, la corriente no pasa nada más e nada más sucede. Por esta razón, a continuación, al analizar los ejemplos que hemos dado, en los que se alimentan los calentadores, lámparas o LEDs, vemos que es necesario que las cargas eléctricas que componen la corriente deben realizar una ruta o camino cerrado. Dejando uno de los polos del generador, se pasan por todos los componentes donde entregan su energía, y luego vuelven al otro polo del mismo generador. A continuación, debería ser un camino o ruta completa (cerrado) de modo que una corriente puede fluir y proporcionar energía. El dispositivo proporciona la energía es el generador y los que reciben son los receptores. El camino total recorrido por la corriente, incluyendo los componentes, se
llama el circuito eléctrico, como se muestra en la Figura 30.
Figura 30 - Para circular la corriente necesita de una ruta de circuito cerrado.
En electrónica, es común para llamar lo recorrido total que una corriente debe hacer a través de un conjunto de componentes de "circuito eléctrico" o simplemente circuito. El circuito se forma entonces por el conjunto de componentes que deben realizar alguna función cuando recorrido por una corriente. Tenga en cuenta que si el circuito se interrumpe en cualquier punto, la corriente deja de circular por ella, y el dispositivo o aparato deja de funcionar.
La interrupción se puede realizar de forma voluntaria cuando queremos desconectar un dispositivo. Para este tenemos el uso de dispositivos llamados interruptores. Todos los componentes y otros dispositivos que se encuentran en los equipos electrónicos, lo que sea, desde una computadora hasta el control de potencia de una máquina industrial, son formados por circuitos eléctricos. Luego hay varias rutas para el que circule la corriente y sea producido el efecto deseado, o que les permite recibir energía para funcionar. De lo contrario, la corriente no podía moverse y que no iba a funcionar.
2.5.1 - Los interruptores y conmutadores
Para establecer o interrumpir la corriente en un circuito, a fin de lograr su control, utilizamos dispositivos llamados interruptores. Normalmente están formados por hojas o contactos que, mientras que se apoya permiten el paso de la corriente y estando separados, interrumpen el circuito. Los conmutadores, como se muestra en la Figura 31, deben estar conectados en serie con el dispositivo o circuito controlado.
Figura 31 - El interruptor está conectado en serie con la lámpara para controlar la corriente que pasa a través de él
El término "serie", como se usa en este documento, quedará más claro de la misma manera, cuando también pasarnos para el estudio de otras maneras de conectar dispositivos en un circuito. Tenemos varios tipos de interruptores que se muestran en la figura 32.
Estos interruptores son especificados por la corriente máxima que pueden controlar y la tensión máxima entre estos contactos cuando están abiertos.
Figura 32 - interruptores simples y múltiples (llaves) que se encuentran en los dispositivos electrónicos.
Son los interruptores que le permiten activar o desactivar la mayoría de los dispositivos electrónicos, como amplificadores, monitores de vídeo, televisores, equipos de prueba, control, etc. Interruptores instalados en algunos dispositivos permiten que se activen automáticamente por el movimiento de los motores, por ejemplo. También tenemos interruptores que pueden ser programados, es decir, conectar o desconectar una vez en la placa de dispositivos informáticos propios o controles para adaptarlos a ciertas funciones. Estos
interruptores miniatura se llaman "dip-switch". En la figura 33 tenemos ejemplos de estos interruptores montados en conjuntos.
Figura 33 - Ejemplos de interruptores DIP
Un circuito que está formado por un generador (una batería, por ejemplo), un interruptor y un receptor (un dispositivo de recepción de energía como una lámpara) se llama "circuito eléctrico simple." La Figura 34 es un ejemplo de circuito eléctrico simple.
Figura 34 - El circuito eléctrico sencillo
Antes o después Una pregunta común que estamos empezando a estudiar electrónica es si se debe conectar el interruptor antes o después del dispositivo alimentado (una lámpara, por ejemplo). No importa, ya que podemos detener la corriente en cualquier punto del circuito para apagarlo, como se muestra en la Figura A.
(Figura A)
2.6 – Corriente Electrónica y Convencional
Un hecho importante que el lector se habrá dado cuenta es de que en nuestro estudio los electrones fluyen siempre al polo negativo de un generador al polo positivo, es decir, la corriente fluye de negativo a positivo, como se muestra en la Figura 35.
Figura 35 - La corriente electrónica es el movimiento de los electrones
Esta es la corriente real o electrónica que sirve para explicar la mayor parte de los fenómenos relacionados con la operación de los circuitos y dispositivos eléctricos. Sin embargo, hay otra manera de analizar una corriente y que se utiliza a menudo en el manual, diagramas, y la literatura técnica. Dado que los valores positivos son mayores que los negativos, uno esperaría que el potencial más alto, es decir, los positivos sean los predominantes, y por lo tanto mucho más fácil de entender, se adoptar la corriente fluyendo de lo positivo para lo negativo, como se muestra en la figura 36.
Figura 36 - Los flujos de corriente convencionales de positivo a negativo es imaginario y representa el movimiento de cargas positivas.
Esto se hace realmente, no hay problema para entender el circuito de principio y los componentes de trabajo. La corriente que fluye de positivo a negativo se llama "convencional". El lector no debe estar tan preocupado si la corriente fluye en realidad de positivo a negativo o viceversa, porque se puede representar en ambos
sentidos. Sólo hay que tener cuidado de no mezclar los dos en el mismo esquema o explicación. Todo esto "confusión" se debe a que la electricidad depende del electrón y se acordó que estas partículas tienen cargas negativas. Si fuera diferente... Ah! Si los electrones fueron positivos...
Curiosidad - ¿Por qué los electrones son negativos? Cuando Benjamín Franklin tentó explicar el sentido del movimiento de las cargas eléctricas en su trabajo de investigación sobre los objetos electrificados, encontró que el movimiento de los electrones se produjo un trozo de lana a un trozo de cera electrificada cuando en realidad ocurrió lo contrario. Así que cometió un error cuanto al significado de la corriente al suponer que los electrones eran negativos y así fue...
Benjamin Franklin
Positrones Los físicos predicen la existencia de átomos de "adentro hacia afuera" en el que los protones serían negativos y los electrones serían positivos, que se llamaría positrones, ya que tienen cargas positivas. Por lo tanto, en un mundo en el que los átomos eran tales, la corriente realmente sería un flujo de cargas positivas, que fluye desde el polo positivo al negativo. Los átomos que tienen los antiprotones y electrones positivos o positrones (también llamados antielectrones) formarían lo que llamamos la antimateria... Isaac Asimov en su ficción e incluso en la película "I, Robot", imagina un
robot con un cerebro " positrónico”. Si va a ser posible algún día no lo sabe, pero es una idea muy interesante...
Isaac Asimov (1920 – 1992)
2.7 - Lámparas incandescentes
Las llamadas lámparas incandescentes se pueden encontrar en una amplia variedad de formas y tamaños, como se muestra en la Figura 37.
Figura 37 - lámparas incandescentes ordinarias
Estas lámparas están cayendo en desuso, por su bajo rendimiento, siendo reemplazadas por lámparas fluorescentes, las lámparas electrónicas y los LEDs en la mayoría de las aplicaciones. Estos tipos de lámparas serán estudiados en su momento en este curso. La característica principal de una lámpara es la tensión que hay alimentarla para que la corriente correcta circule por su filamento delgado de metal y, por lo tanto, podemos producir la intensidad de la luz prevista sin "quemar". Si conectamos una lámpara a un generador cuya tensión es inferior a la recomendada, no vamos a tener suficiente calefacción y la luz emitida es débil, o incluso no se producir. En este caso, no hay peligro de que el filamento de romper, "quemar" u otros daños.
Sin embargo, si conectamos una lámpara a una tensión mayor que la recomendada para el generador, el calentamiento del filamento será excesivo porque va a pasar corriente mayor que la esperada, su ruptura o quema ocurre, como se muestra en la Figura 38.
Figura 38 - El exceso de la quema de corriente de una lámpara
Esto es exactamente lo que sucede cuando, sin darse cuenta, se conecta una lámpara en una toma de 110 V donde el voltaje es de 220 V, o cuando encendemos una lámpara de 6 V en una batería de 12 V Curiosamente, la resistencia del filamento es responsable de determinar la "cantidad" de la corriente que pasa a través de una lámpara cuando conectamos a un generador. Así que, incluso si el generador puede proporcionar corrientes infinitamente superiores, tales como una toma de corriente que está conectado al generador gigantesco de una planta de energía, la
resistencia del dispositivo accionado sólo hace pasar la corriente que necesita.
Corriente y tensión - Confusión Muchos todavía confunden las dos cantidades. Es común que las personas que dicen que un dispositivo de este tipo se debe conectar en "corriente" de 110 V, cuando en realidad es justo decir, en tensión de 110 V. Profesionales de la electrónica deben ser conscientes de los errores como este que, en una entrevista o en una conversación común con un cliente aclarado, puede significar un total descrédito a su competencia...
2.8 – Cortocircuito - fusibles e interruptores automáticos
Si un cable eléctrico de muy baja resistencia está conectado entre los polos de un generador, por ejemplo, una toma de corriente, no hay prácticamente ningún límite a la corriente que pase a (tener en cuenta la energía eléctrica de nuestra casa viene de un "generador" ya que, de hecho, está conectado por cables a una grande usina). El resultado es que la corriente será tan intensa que puede calentar y quemar el cable con un efecto explosivo y entonces tenemos lo que llamamos "cortocircuito", como se muestra en la Figura 39.
Figura 39 - El cable de la quema de corriente en el camino de baja resistencia
Así para que no ocurra un cortocircuito debe haber ser siempre algo que limite la corriente al valor esperado, absorbiendo así, "poco a poco" la potencia suministrada por el generador y haciendo su conversión al calor, la luz u otra forma deseada de energía. Para proteger un circuito o equipo en caso de un cortocircuito se usan componentes denominados fusibles. Como se muestra en la figura 40 estos componentes consisten en un alambre fino que se rompe cuando la corriente alcanza una cierta intensidad, considerada peligroso para el circuito protegido.
Figura 40 - Estructura de un fusible
Tenga en cuenta que el fusible está conectado en el trayecto de la corriente, es decir, de modo que la corriente del circuito pase a través de él. Decimos que está conectado en serie con el circuito protegido. Una forma más avanzada para proteger el circuito se muestra en la figura 41. Se trata de un interruptor térmico o disyuntor que desconecta el circuito cuando la corriente alcanza un valor determinado. La ventaja del disyuntor es que se retira una vez la causa del cortocircuito simplemente se puede volver a alimentarla. En caso de que el fusible tenga que poner un nuevo.
Figura 41 - Un interruptor de circuito utilizado en la instalación eléctrica
¡Precaución! El fusible es un elemento protector. La corriente especificada se calculó de acuerdo con la aplicación. Por lo tanto, no utilice nunca un fusible en un circuito distinto del valor original. Además, nunca trate de quitar el fusible y hacer una conexión directa cuando se quemó. ¡Sin el fusible del circuito quedará sin protección y si se produce un cortocircuito las consecuencias serán graves!
2.9 - Los efectos de la Corriente Eléctrica
Cuando una corriente eléctrica fluye a través de ciertos medios podemos ver diferentes efectos. Muchos de estos efectos son indeseables en algunos casos, pero en otros son simplemente se aprovechan para una aplicación práctica. Los efectos de la corriente eléctrica son:
• El efecto térmico
De acuerdo con que estudiamos, para superar la oposición o resistencia que la corriente eléctrica encuentra para pasar a través de ciertos medios, hay un gasto de calor. Este es el efecto de calentamiento con la producción de calor a partir de la corriente, es decir, de la electricidad se explota en varios dispositivos de uso común como: Las duchas y grifos eléctricos
Los calentadores de ambiente Secador de pelo y la ropa Los invernaderos Sellado de maquinaria industrial y de inyección de plástico Hornos Eléctricos
Por supuesto, indirectamente se produce calor en cualquier lugar en que hay corriente, incluso si no se desea. Por esta razón, una buena parte de la energía que se pierde en muchas aplicaciones es, precisamente, para su transformación en calor. Reducir la resistencia es algo por qué luchar en muchas aplicaciones.
Superconductores La resistencia se manifiesta en todo cuerpo que conduce la electricidad. Incluso los mejores conductores como el oro o el platino tienen una resistencia. Se ha encontrado que el enfriamiento de un cuerpo disminuye su resistencia, hasta una temperatura muy baja cerca del cero absoluto, cuando la resistencia de un material desaparece. Entonces ello se convierte en un superconductor. Investigaciones con el fin de utilizar estos materiales en los que no hay resistencia y, por lo tanto, la disipación de calor cuando una corriente pasa se están haciendo en algunos casos con éxito.
• Efecto químico
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de ciertas soluciones químicas hay la aparición de reacciones en que las sustancias contenidas en estas soluciones cambian sus características, es decir, reaccionan para formar nuevas sustancias. Por lo tanto, hay reacciones químicas que son causadas por el paso de corrientes eléctricas que caracterizan lo que llamamos "efecto químico" de la corriente eléctrica. El ejemplo más conocido es la electrólisis del agua, es decir, una reacción que utiliza una corriente eléctrica para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno, como en la fórmula H20 en sus elementos de formación, el gas hidrógeno libre y gas de oxígeno libre. En la Figura 42 se muestra cómo se produce esta reacción.
Figura 42 - La electrólisis del agua
El ácido sulfúrico en el agua sólo a torna conductora, debido a que el agua pura casi no conduce la corriente. Sin embargo, en la reacción, el ácido no participa, con sólo la descomposición del agua en sus elementos formadores el hidrógeno y el oxígeno, que luego se recoge en tubos de ensayo. Otra reacción producida haciendo pasar una corriente ocurre en el proceso de galvanoplastia, como se muestra en la Figura 43.
Figura 43 - Los electrodos se llaman ánodo (+) y el cátodo (-)
Con la circulación de una corriente eléctrica a través de una solución especial de una sal de ciertos metales, estos se pueden depositar en un electrodo usando para eso la corriente eléctrica.
Si este electrodo es un objeto de metal, lo cubrimos con una fina capa de otro metal, por ejemplo, mediante el llamado "baño" de plata, oro, cromo u otros metales.
• Efecto fisiológico
Nuestro sistema nervioso funciona con impulsos eléctricos que se propagan a través de redes o nervios. Por lo que cualquier corriente externa que pasa por nuestro cuerpo puede interferir con nuestro sistema nervioso causando a nosotros desde la simple sensación de hormigueo a golpes o quemaduras. La muy baja intensidad de corriente aplicada de una manera controlada en la piel de una persona se puede utilizar con fines terapéuticos, por ejemplo, masaje. Corrientes más altas pueden utilizarse para reanimar a los pacientes que han sufrido ataques al corazón. Sin embargo, en general, las corrientes más intensas son peligrosas y deben evitarse ya que pueden causar daños o incluso la muerte. A medida que el choque es un peligro constante para los que trabajan con electricidad, más tarde, esa misma lección, vamos a hablar de ella de una manera más detallada.
La descarga eléctrica Nuestro cuerpo es un conductor eléctrico. Sin embargo, como nuestro sistema nervioso también opera con corrientes eléctricas, cualquier corriente de "fuera" es una fuerte interferencia que puede causar serios problemas a nuestro cuerpo. Dependiendo de la intensidad de la corriente que circula a través de nuestro cuerpo, pueden producirse varios efectos.
Si la corriente es muy débil, probablemente no sucederá nada, ya que el sistema nervioso no se estimula lo suficiente para decirnos algo, y las propias células de nuestro cuerpo van a sufrir ninguna influencia. Sin embargo, si la corriente es algo más fuerte, el sistema nervioso puede ahora ser estimulada y esto en términos de un sentimiento tipo, por ejemplo, un "hormigueo" sensación. Si la corriente es más fuerte aún, el estímulo ya da la sensación desagradable de choque e incluso dolor. Por último, una corriente muy fuerte, y puede paralizar a órganos importantes como el corazón, también puede dañar las células con la "quema" de ellas, ya que las corrientes intensas cuando se encuentran cierta resistencia a su paso, generan calor. La siguiente tabla muestra los diferentes rangos de corriente y los efectos que tienen sobre el cuerpo humano.
Efectos de la corriente en el cuerpo humano 100 uA a 1 mA - Umbral tacto 1 mA a 5 mA - hormigueo 5 mA a 10 mA - sensación desagradable 10 mA a 20 mA - pánico, sensación muy desagradable 20 mA a 30 mA - parálisis muscular 30 mA a 50 mA - respiración se ve afectada 50 mA a 100 mA - extrema dificultad en la respiración se produce fibrilación ventricular
100 mA a 200 mA - la muerte 200 mA - más allá de la muerte tiene signos de quemaduras graves Obs: 1 uA (microampères = 1 millonésima de ampère) 1 mA (miliampères = 1 milésima de ampère)
Una creencia que debe ser examinado con mucho cuidado, ya que muchas personas lo aceptan como definitiva, es que con el uso de zapatos de goma no se toma choque y, por tanto, puede moverse a voluntad en las instalaciones eléctricas. ¡Nada más equivocado!
Si la electricidad es tan peligrosa y si incluso usando zapatos de goma el choque todavía puede ocurrir, es importante analizar el asunto más profundamente. Como hemos visto, una corriente eléctrica sólo puede desplazarse entre dos puntos, es decir, tiene que haber un punto con potencial alto y un punto de retorno o menor potencial. La tierra es un punto de retorno, ya que las compañías de energía la utilizan para conectar el polo neutro. Esto significa que si la persona está aislado de la tierra (usando un zapato con suela de goma o de pie en una estera de goma o de otro material aislante), una primera trayectoria para la corriente se elimina, ver Figura A.
Esto significa que si una persona en esas circunstancias tocar en un punto de una instalación eléctrica que no es neutral y por lo tanto existe un alto potencial (110 V o 220 V), la corriente no tiene como moverse y no habrá ningún choque. Recuerde: se aísla del suelo y tocar un solo punto de una instalación eléctrica que no hay choque; Sin embargo, los zapatos de goma hecho de desgaste no entregan el riesgo de descarga eléctrica. Sin embargo, si la persona toca simultáneamente en otro punto que proporciona camino para la corriente creando circuito que se pone a tierra, se producirá el choque, independientemente de la persona tero no ter los zapatos con suela de goma, como se muestra en la figura B.
Es por esta razón que una norma de seguridad en el trabajo sobre la electricidad es siempre tocar solamente en un punto del circuito que se está trabajando, si hay un peligro de que esté conectado. ¡Nunca contenga dos cables, uno en cada mano! ¡Nunca apoyar una mano en lugar en contacto con la tierra mientras se trabaja con el otro!
• Efecto Magnético
Hay un efecto de la corriente que no depende de la existencia de la resistencia y que se produce siempre. El movimiento de las cargas eléctricas en cualquier condición es responsable de la aparición de un campo magnético, como se muestra en la Figura 44.
Figura 44- El campo magnético de una corriente eléctrica
Oersted fue quien descubrió el efecto magnético de la corriente eléctrica al señalar que una aguja imantada en las inmediaciones de un hilo cambió de posición al pasar una corriente a través de este hilo.
Los fuertes campos magnéticos son producidos por imanes permanentes que son materiales que tienen la propiedad de atraer objetos de ciertos tipos de metal. Tenga en cuenta que hay que distinguir "campo eléctrico" del "campo magnético" que son completamente diferentes cosas. Cuando frota un peine en un trozo de tela y que atrae a trozos de papel o el cabello, tenemos una demostración del campo eléctrico, o la electricidad estática.
En un imán que atrae a los metales ya se manifiesta un campo magnético producido por cargas en movimiento en el interior: Es una manifestación de la electricidad dinámica o la electrodinámica.
Un imán no puede atraer trozos de papel y un peine frotado no atrae piezas de metal. ¡Ambos tipos de campos tienen una naturaleza diferente!
Oersted, un investigador danés, fue el primero en observar que la corriente que pasa un alambre podría influir en una aguja magnética colocada en su vecindad. Posteriormente se descubrió que es posible reforzar este campo magnético, enrollando el alambre para formar una bobina o solenoide, como se muestra en la Figura 45.
Figura 45 - campo magnético de un solenoide cilíndrico o bobina. Las flechas blancas indican la dirección del flujo de corriente
Si este cable se enrolla alrededor de una pieza de metal ferroso tal como hierro o acero, con el flujo de corriente el magnetiza y puede comportarse como un verdadero imán, atrayendo piezas de metal. Si la corriente se interrumpe, deja de atraer los objetos. Si el cable se envuelve en una forma hueca, como se muestra en la Figura 46, tendremos un dispositivo llamado "solenoide".
Figura 46 - Pequeño solenoide fabricado comercial
Cuando atravesado por una corriente, el solenoide atrae objetos de metal para su interior. En muchos dispositivos eléctricos y electrónicos campos magnéticos creados por las bobinas e incluso por los imanes se utilizan intensivamente. Vamos a estudiar varios de estos dispositivos a lo largo de este curso.
Vamos a estudiar más sobre los campos magnéticos en la siguiente lección cuando lleguemos a los diversos dispositivos que utilizan el efecto magnético de la corriente, yendo inductores y solenoides hasta los transformadores y motores.
Términos en inglés
Los términos en inglés que corresponden a lo que estudiamos en esta lección merecen una atención especial. Hemos visto en la lección anterior utilizando Voltage para indicar la tensión ya que la palabra en Inglés tensión tiene otro significado. Por lo tanto, llamamos la atención sobre el término power para indicar energía generada e no Energy como sería de esperar. Por lo tanto, un generador en inglés se llama Power Supply (fuente de alimentación o de energía).
Otros términos de esta lección:
Short Circuit – Cortocircuito Shock – Choque Fuse – Fusible Circuit Breaker – disyuntor Incandescent lamp – Lámpara incandescente - bombilla
Shower – Ducha Switches – Interruptores On/off switches – Interruptores de encendido / apagado Electric circuit - Circuito eléctrico Energy saver – Ahorro de energía Power supply – Fuente de alimentación Clean energy – Energía limpia
Buscar temas
a) Las fuentes de energía renovables b) Riesgo de descargas eléctricas c) La seguridad cuando se trabaja con electricidad d) La historia de los electrones e) Galvanoplastia f) La energía limpia y energía renovable g) La experiencia de Oersted
Cuestionario
1. ¿En lo que convierte la electricidad que pasa a través de un cable que tiene un poco de resistencia? a) Calor b) Campo magnético c) Energía mecánica d) La energía potencial
2. ¿Las lámparas incandescentes convierten la energía eléctrica en qué tipo de energía? a) Calor b) Luz c) Campo magnético d) Energía química
1 ¿En una lámpara conectada en una pila, la corriente es más intensa antes o después (en el polo positivo o negativo)? a) En el lado del polo positivo b) En el lado del polo negativo c) igual en ambos lados
d) depende de la lámpara
2 ¿Cuál es el efecto de la corriente eléctrica que se manifiesta siempre? a) El efecto térmico b) efecto fisiológico c) Efecto químico d) Efecto Magnético
3 ¿Cómo se adjunta un fusible para proteger un circuito? a) Antes de que el interruptor b) Después del interruptor c) En serie con el circuito d) Dentro del dispositivo protegido
4 ¿Un solenoide, donde el campo magnético es más intenso? a) En el centro b) En los extremos c) En el interior d) Donde las líneas de fuerza del campo magnético están menos
concentrados
LECCIÓN 3 - LA RESISTENCIA ELÉCTRICA - RESISTORES - LEY DE OHM – LEY DE JOULE
Varios de los principales componentes electrónicos serán estudiados de esta lección. Los componentes que se centrarán se encuentran en todos los equipos electrónicos, tales como instrumentos de mediciones, transmisores, receptores, ordenadores, periféricos y circuitos electrónicos que se utilizan comúnmente como televisores, amplificadores, incluso los más complejos como maquinaria industrial. El conocimiento de sus funciones es esencial para el diseño, montaje, reparación y mantenimiento de cualquier dispositivo electrónico. 1. - La resistividad 2. - Resistores 3. - Ley de Ohm 4. - El calor y la temperatura 5. - Calentamiento por efecto Joule 6. - Asociación Resistencia 7. - Los potenciómetros y condensadores de ajuste 8. - Transductores y sensores resistivos - LDR, NTC, PTC, etc.
3.1 – Resistividad
Como hemos estudiado en la primera lección, no existe un material conductor perfecto. Esto significa que al forzar el paso a través de
cualquier medio, la corriente eléctrica encuentra una oposición llamada "resistencia eléctrica". Todos los materiales, no importa lo bueno, siempre tienen un cierto grado de dificultad para el paso de la corriente, es decir, para la movilidad de las cargas. Cuanto de "resistencia" la corriente encuentra para pasar a través del material depende de varios factores tales como las dimensiones del objeto a través de lo que pasa (por ejemplo, grosor y la longitud de un alambre) y el material de que se hace, si es o no un buen conductor de la electricidad. La calidad del material que nos dice si es o no es un buen conductor está asociada con una magnitud denominada "resistividad". Por tanto, cada material tiene una resistividad que es la "cantidad" de la resistencia que puede proporcionar la corriente cuando se utiliza. Véase, sin embargo, la facilidad de la corriente tiene que pasar a través del material depende no sólo de la naturaleza, sino también su forma. Por lo tanto, por un alambre más grueso pasa la corriente más fácilmente que por un más delgado. Esto nos lleva a la necesidad de formular una segunda magnitud eléctrica que es la "resistencia". La resistencia es el grado de dificultad que el cuerpo, en función del material y la forma ahora, presenta al paso de una corriente. Por lo tanto, hay que destacar que la plata tiene una resistividad menor que el cobre porque los alambres de plata son mejores conductores de la electricidad. Del mismo modo que decir que un hilo de 1 metro de longitud de plata 1 mm de diámetro tiene una resistencia más baja que las mismas dimensiones hechas de alambre de cobre, como se muestra en la Figura 47.
Figura 47 - R1 y R2 son las resistencias de los dos alambres
La resistividad se mide en ohms / m.cm2. A continuación se muestra una tabla con la resistividad de algunos materiales comunes:
Material
Resistividad (Ohm/m.cm2)
Aluminio
0,0292
Antimonio
0,417
Bismuto
1,17
Bronce
0,067
Cadmio
0,076
Chumbo
0,22
Cobre (duro)
0,0178
Cobre (puro)
0,0162
Constatan
0,5
Estaño
0,115
Ferro (puro)
0,096
Grafiti
13
Mercurio
0,96
Níquel
0,087
Oro
0,024
Plata
0,0158
Platina
0,106
Tungsteno
0,055
Zinc
0,056
Resistencia y resistividad No se debe confundir la resistencia con la resistividad. La resistividad es la calidad del material que nos dice si es un buen conductor o no. La resistencia es la oposición que el objeto, el componente o el conductor construidos con este material presenta a la corriente. La resistividad es independiente del formato de conductor. La resistencia depende de la forma y las dimensiones del conductor.
En los circuitos eléctricos y electrónicos puede tener la necesidad de introducir deliberadamente una resistencia en un punto, dificultando el flujo de corriente o bien para limitar su intensidad, ya sea por algún otro tipo de efecto. La reducción deliberada de las corrientes y tensiones en un circuito con el uso de componentes que ofrecen resistencia es muy común en la electrónica de todo tipo. Esto nos lleva a una categoría especial de componentes cuyo propósito es proporcionar una resistencia eléctrica: los resistores.
3.2 - Resistores
Para reducir de forma controlada, la intensidad de la corriente eléctrica, creando una oposición o resistencia, o dejar caer la tensión en un circuito
a un valor más conveniente para una aplicación dada, se utiliza componentes llamados resistores. Hubo un momento en que estos componentes se denominaran "resistencias", mezclándose con su función. Incluso hoy en día, algunos de formación profesional e incluso los que están conectados al área de ingeniería eléctrica llaman los resistores de "resistencias". Los resistores más comunes son la película o de carbono película o de metal que tienen la apariencia mostrada en la Figura 48.
Figura 48 – Resistores de carbono de baja disipación y resistores SMD (Los resistores SMD están con sus tallas extendidas)
En los diagramas, los resistores están representados por los símbolos que tienen dos reglas básicas, americanas y europeas, como se muestra en la Figura 49.
Figura 49 – Símbolos adoptados para representar un resistor en un diagrama
Las resistencias tienen tres especificaciones importantes: la resistencia, la tolerancia y la disipación. Hay otras especificaciones, sin embargo, que sólo se tienen en cuenta en aplicaciones muy especiales. La "cantidad" de resistencia que proporciona un resistor a la corriente eléctrica, es decir, su "resistencia" se mide en ohms (Ω) que puede variar entre 0,01 ohm y más de 22 millones de ohms. También usamos en las especificaciones de resistencia los múltiplos del ohm no caso el kilohm (kΩ) y megohm (MΩ). Así que en lugar de hablar que una resistencia tiene 4700 ohms podemos decir 4,7 k o simplemente 4k7, donde "k" está en lugar de la coma ( 1). Para una resistencia de 2 700 000 ohms simplemente hablamos 2,7 M o mismo 2M7.
¡Tenga en cuenta que la "k" se utiliza para miles es el minúsculo!
A medida que los resistores son componentes generalmente muy pequeños, sus valores no están marcados con números y letras, sino a través de un código especial que todos los practicantes electrónicos deben saber. En este código se utilizan bandas o anillos de colores como se explica en la siguiente tabla:
Cor
Valores Significativos (1a y Banda)
Negro
0
Multiplicador Tolerancia Coeficiente de temperatura (ppm/oC) (3a Banda) (4a 2a Banda)
1
-
-
Marrón 1
10
1%
100
Rojo
100
2%
50
1 000
-
15
2
Naranja 3
Amarillo 4
10 000
-
25
Verde
5
100 000
0,5%
-
Azul
6
1 000 000
0,25%
10
Violeta 7
10 000 000 0,1%
5
Gris
100 000
-
8
000 0,05%
Blanco 9
1 000 000 000
1
Dorado -
0.1
5%
-
Plata
0.01
10%
-
-
A partir de esta tabla, podemos determinar no sólo la resistencia de un resistor común como otras características importantes que serán estudiados en esta lección. El valor de la lectura (resistencia) se hace teniendo en cuenta las bandas de colores que se leen desde la punta hasta el centro, como se muestra en la Figura 50.
Figura 50 - ¿Cómo leer un resistor? Supongamos que estamos en posesión de un resistor cuyos colores en el orden de lectura, son: amarillo, violeta, rojo y oro (Figura 48). ¿Cuál es su valor (resistencia)? La primera y segunda pista u anillos proporciona las dos primeras cifras de la resistencia a las figuras, es decir: Amarillo = 4 Violeta = 7 Formado de esta manera, la decena 47. La tercera faja da el factor de multiplicación, o cuántos ceros se debe añadir al valor leído. En este caso tenemos: Rojo = 00 o x100 Entonces tenemos 47 seguido de 00 = 4700 ohms o 4k7. La cuarta pista nos dice cual es la tolerancia en el valor del componente cuando existe. Si no existe esta banda, tenemos un resistor de 20%, es decir, que puede ser la diferencia hasta el 20% entre el valor real de la resistencia que presenta y la cantidad que indican las bandas.
Esto significa en la práctica, cuando compramos un resistor de 1k x 10% de tolerancia, en realidad ello puede tener valores entre 900 ohms y 1100 ohms, sin que esto signifique que está en problemas. Vea que esta tolerancia es admitida en muchos proyectos en los que no es necesario una resistencia exacta en un punto del circuito. Por lo tanto, los resistores (como muchos otros componentes), siempre tienen una cierta tolerancia. En nuestro caso, la banda de oro dice que es una resistencia con tolerancia del 5%.
Para un resistor de 5 bandas, las tres primeras bandas proporcionan los primeros tres dígitos de la resistencia. La cuarta banda el factor de multiplicación y la quinta banda de tolerancia. Los resistores de 5 bandas son aquellos que tienen tolerancias estrechas, 1% o menos.
Todos profesionales de la electrónica deben recordar el código de colores, ya que también se utiliza en otros componentes. Por lo tanto, 1 = marrón también se puede utilizar en otros tipos de componentes para especificar este valor si la unidad correspondiente, o simplemente indican un número de tipo.
Serie E6 y E12. E24 de valores de los componentes La tolerancia de un resistor (y otros componentes, así) es importante, ya que elimina la necesidad de fabricar resistores, por ejemplo, de todos los valores posibles. De 1 a 10 M ohms, y
entonces tener 10 millones de valores diferentes de resistencias. Con la tolerancia, podemos hacer un valor de resistencia cubrir un cierto rango, como se muestra en la Figura A.
Por lo tanto un resistor de 10k cubre el rango de 9000 a 11.000 ohms. No necesitamos para la fabricación de resistores de 9500 ohms, porque el uso de un de 10 k, con su tolerancia va a funcionar. Por esta razón, los resistores (y otros componentes) siguen un patrón de valores que pueden cubrir todos los valores posibles. Así, con la tolerancia 20% necesitamos de sólo 6 valores, lo que conduce a la serie E6 y con 10% necesitamos de 12 puntos, lo que conduce a la serie E12 y E24 de 5%, como se muestra en la tabla.
Valor
E24
E12
E6
1,0
5%
10%
20%
1,1
5%
1,2
5%
1,3
5%
1,5
5%
1,6
5%
1,8
5%
2,0
5%
2,2
5%
2,4
5%
2,7
5%
3,0
5%
10%
10%
20%
10%
10%
10%
20%
3,3
5%
3,6
5%
3,9
5%
4,3
5%
4,7
5%
5,1
5%
5,6
5%
6,2
5%
6,8
5%
7,5
5%
10%
20%
10%
10%
20%
10%
10%
20%
8,2
5%
9,1
5%
10%
Por ejemplo, podemos encontrar una resistencia de 8,2 k ohms con 5% o 10% de tolerancia, pero no con 20% .Para una resistencia de 62 k ohms, sólo podemos encontrar este valor con una tolerancia del 5%.
Hay resistencias "alambre" que debido a que son más grandes, tienen marcadas la resistencia directamente con los números escritos y marcas. La figura 51 son ejemplos de resistencias de alambre o hilo.
Figura 51 - Resistores de alambre o hilo
También hay resistores de un tipo llamado SMD (Surface Mounting Devices) o de montaje de superficie que son muy pequeños y usan un
código diferente. Resistores SMD son componentes muy pequeños, por lo que es difícil, incluso utilizando el código de color. En la figura se dio a los diferentes tipos de resistores, que incluye el tipo de SMD para que el lector tenga una idea de sus dimensiones. En el código que tenemos 3 dígitos: los dos primeros dígitos forman los dos primeros dígitos de la resistencia y la tercera el número de ceros o factor de multiplicación. Por ejemplo, en la Figura 52, los valores son 10 seguidos de 3 ceros (000) o 10 000 ohms (10k).
Figura 52 - Resistores SMD de 10k ohms.
Hay otros componentes que son iguales en apariencia a los resistores SMD y utilizando el mismo código. Así, con la marcación103, puede ser un capacitor o un inductor con la misma marca, pero tienen diferentes unidades. Por lo tanto, la lectura de 103 ohms es válida si estamos seguros de que el componente en análisis es un resistor.
1 (*) La sustitución de la coma decimal (o punto decimal, como en las especificaciones en inglés, se utiliza el punto para separar las unidades de unidades fraccionarias) es común no sólo en el caso de las unidades de resistencia, sino también para otras unidades como volts, ampères, hertz, etc. ↑
SMD Código Especial
Hay otro tipo de código utilizado en los resistores SMD que figura a continuación, y que se aplica a las resistores con 1 y 2% de tolerancia. Código EIA-90: Esta codificación es un código de tres caracteres. Las dos primeras cifras dan los tres dígitos significativos de la resistencia como una tabla que deben ser consultada y es la siguiente. El tercer símbolo es una letra que indica el factor de multiplicación. Lo tercer símbolo es el factor de multiplicación y se dan en la siguiente tabla
códigovalor códigovalor código valor código valor código valor código valor 01
100
17
147
33
215
49
316
65
464
81
681
02
102
18
150
34
221
50
324
66
475
82
698
03
105
19
154
35
226
51
332
67
487
83
715
04
107
20
158
36
232
52
340
68
499
84
732
05
110
21
162
37
237
53
348
69
511
85
750
06
113
22
165
38
243
54
357
70
523
86
768
07
115
23
169
39
249
55
365
71
536
87
787
08
118
24
174
40
255
56
374
72
549
88
806
09
121
25
178
41
261
57
383
73
562
89
825
10
124
26
182
42
237
58
392
74
576
90
845
11
127
27
187
43
274
59
402
75
590
91
866
12
130
28
191
44
280
60
412
76
604
92
887
13
133
29
196
45
287
61
422
77
619
93
909
14
137
30
200
46
294
62
432
78
634
94
931
15
140
31
205
47
301
63
442
79
649
95
953
16
143
32
210
48
309
64
453
80
665
96
976
Letras para el factor de multiplicación: Letra
multiplicador
letra
multiplicador
F
100000
B
10
E
10000
A
1
D
1000
X or S
0.1
C
100
Y or R
0.01
Ejemplo: 22 A = 165 ohms 58C = 49 900 ohms (49,9 k)
43E = 2740000 (2,74 M). . 2%
5%
código valor
código valor código valor
código valor
01
100
13
330
25
100
37
330
02
110
14
360
26
110
38
360
03
120
15
390
27
120
39
390
04
130
16
430
28
130
40
430
05
150
17
470
29
150
41
470
06
160
18
510
30
160
42
510
07
180
19
560
31
180
43
560
08
200
20
620
32
200
44
620
09
220
21
680
33
220
45
680
10
240
22
750
34
240
46
750
11
270
23
820
35
270
47
820
12
300
24
910
36
300
48
910
Ejemplo: C31 = 18000 ohms 5% D18 = 510 000 ohms 2%.
Sugerencia Examinar una placa de cualquier dispositivo electrónico, por ejemplo, un viejo televisor u ordenador (será interesante para conseguir una placa usada o quemada en un depósito de chatarra). Busque los resistores que utiliza. Mira también leer sus valores para el código explicó. Será interesante que se familiarice con la presencia de estos componentes en los dispositivos electrónicos.
Hemos visto en lecciones anteriores que cuando una corriente eléctrica que pasa a través de un medio que le ofrece la oposición, ella convierte energía en forma de calor. En el caso del resistor, si el componente no es capaz de transferir este calor al medio ambiente, resulta sobrecalentarse y puede quemarse. La capacidad de un resistor tiene que transferir el calor al medio ambiente está directamente relacionada con su tamaño (superficie de contacto con el aire). Esta capacidad viene dada por la potencia (disipación) del resistor que se expresa en watts (W). Por lo tanto, los resistores más pequeños son de 1/8 o 1/4 W, mientras que los más altos pueden llegar a los 20 o más watts (algunos fabricantes especifican en potencias decimales a 0.125 W, 0.25 W, etc.). Grandes resistores de potencia son resistentes a las altas temperaturas y, en lugar de carbono o película de metal, se utilizan alambres de nicromo (una aleación de níquel con cromo). Estas resistencias son también llamadas resistencias de alambre.
Fusistores
Un tipo de protección interesante se encuentra en algunos aparatos de consumo como televisores, consiste en colocar un resistor de bajo valor (que no cambia mucho la corriente en el circuito) en serie con las principales líneas de alimentación. Cuando la corriente supera un cierto valor, esta resistencia se sobrecalienta y el calor generado por el terminal que se propaga fundiendo el material de soldadura que tiene un sistema de resorte, como se muestra en la Figura 53. Este componente se denomina fusistor (fusible + resistor).
Figura 53- Un fusistor tradicional
Otros Fusistores Hay resistores de bajas resistencias de alambre tal fin se colocan en caminos de alta corriente de un dispositivo. Por lo tanto, funcionan como un resistor fusible cuando aumenta la corriente y se calienta hasta el punto de la quema.
3.3 - Ley de Ohm
Estudiamos en la segunda lección de nuestro curso existe una clara relación entre la corriente en un resistor y la tensión que causa. La intensidad de corriente en un entorno particular depende no sólo de la resistencia del medio, sino también a causa de esta corriente, o de la tensión. Tensión, corriente y resistencia están relacionados de una manera muy bien definida por la Ley de Ohm. Esta ley establece que la intensidad de corriente en un entorno determinado que presente una resistencia es directamente proporcional a la tensión aplicada, como se sugiere en la Figura 54.
Figura 54 – Con la duplicación de la tensión, la corriente también se duplica
En otras palabras, la relación entre la tensión y la corriente en un ambiente dado que presenta una cierta resistencia es constante y tiene precisamente el valor de esta resistencia: Podemos indicar esto mediante una fórmula básica:
R = V/I (f3.1)
Dónde: R es la resistencia dada en ohms (Ω)
V es la tensión en volts (V) I es la corriente dada en amperes (A)
Esta fórmula puede hacer otras dos:
V = R x I (f3.2)
I = V/R (f3.3)
Vemos entonces usamos la primera (f3.1) para calcular la resistencia cuando conocemos la corriente y la tensión; utilizar la segunda (f3.2) para el cálculo de la tensión cuándo sabemos la resistencia y la corriente y utilizamos la tercera (F3.3) para calcular la corriente cuando sabemos la tensión y la resistencia. Los dispositivos tales como resistores, que siguen la ley de Ohm, es decir, cuando la resistencia es constante, se hace referencia como dipolos óhmicos. La palabra dipolo es utilizada para describir los componentes o circuitos que tienen dos polos.
Memorizar las tres fórmulas, ya que son muy importante.
Si ponemos en un gráfico los valores de las corrientes y tensiones correspondientes obtenidos de una resistencia, vemos que la "curva" resultante es una línea como se muestra en la Figura 55.
Figura 55 - Curva característica de una resistencia
Decimos que la "curva" es característico de una resistencia lineal.
Georg Simon Ohm (1789 – 1854)
El triángulo de la Ley de Ohm Poner las tres cantidades que entran en la ley de Ohm, tensión, corriente y resistencia, como se muestra en la Figura A, obtenemos un triángulo interesante que nos permite calcular el valor de las cantidades en un problema.
Sólo tiene que poner su dedo en la grandeza que se desea calcular y las otras dos estarán en la posición que se debe hacer el cálculo. Por ejemplo, si taparnos R, que sobre V y I, o simplemente dividiendo V (tensión) por I (corriente) para encontrar resistencia. Si taparnos V, R se encuentra al frente de la I, es decir, multiplicamos R por R para obtener V.
Los condu c onductor ctores es no lineales Los conductores que siguen la ley de Ohm se llaman lineales dando origen a las aplicaciones más comunes de los componentes electrónicos, el resistor. Sin embargo, hay materiales que no se comportan de una manera lineal cuando pasa una corriente. Estos materiales también son importantes, ya que dan lugar a componentes especiales, que también serán objeto de estudio.
3.3.1 - Curva característica de una lámpara
Como se estudió si en un conductor u otro dispositivo la corriente es directamente proporcional a la tensión aplicada, es decir, la corriente aumenta en proporción al aumento de la tensión ello es un dipolo que sigue la ley de Ohm. Por lo tanto, es un dipolo lineal (que tiene dos polos). Sin embargo, el filamento de una lámpara incandescente no se sigue esta característica. Lo que sucede es que cuando el filamento está frío (contratado) su resistencia es menor. De este modo, mediante la aplicación de una tensión, la corriente será intensa al principio, pero cuando se dilata, la corriente se reduce. Si hacemos un gráfico en el que se muestra la corriente en función de la tensión, no es recta, tal como una resistencia. Él aparecerá como se muestra en la Figura 56.
Figura 56 - La lámpara incandescente tiene una no lineal
Este hecho es muy importante en ciertas aplicaciones en las que debe ser anticipada mediante la conexión de una lámpara, la corriente inicial es mucho mayor que la corriente durante el funcionamiento normal, es decir, la corriente nominal.
Dipolos no lineales En nuestro trabajo nos encontraremos con muchos componentes electrónicos y dispositivos que no siguen la ley de Ohm. Estos dispositivos no presentan una característica lineal en el que la corriente es proporcional a la tensión, y se denominan dipolos no lineales. La palabra dipolo indica que tiene dos terminales o polos.
3.4 – Concepto del calor y la Temperatura
Los conceptos de calor y temperatura están confundidos por la forma en que usamos a diario. Por lo tanto, es común decir que hace calor, cuando en realidad, lo que sucede es que la temperatura es alta. Cuando jugamos en dos objetos percibimos fácilmente que sus temperaturas son diferentes. Estos objetos tienen diferentes temperaturas debido a que sus átomos se mueven en diferentes grados. La temperatura no es más que el grado de agitación de los átomos de un cuerpo. Cuando se encontró que un cuerpo está a una temperatura más alta que otra es porque sus átomos se mueven en diferentes grados, como se muestra en la Figura 57.
Figura 57 - Más agitación, una temperatura más alta
La agitación de los átomos es debido al hecho de que tienen energía cinética. La cantidad de energía almacenada por los átomos de un cuerpo nos permite asociar otra cantidad que es el calor. Esto significa que necesitamos entregar calor (energía) a un cuerpo para que sus átomos agiten más y, por lo tanto, su temperatura aumente. Tenga en cuenta que si entregamos la misma cantidad de energía a un pequeño cuerpo y un cuerpo grande, la energía se distribuye por las partículas y el más pequeño se calienta más que el más grande, como se muestra en la Figura 58.
Figura 58 - Los dos cuerpos del mismo material son homogéneos, y Q es la cantidad de calorías entregado
El lector debe entender por lo que el calor es energía que hace que la temperatura del cuerpo suba o baje. Cuando un cuerpo recibe el calor la temperatura sube. Cuando pierde su calor la temperatura baja. En electrónica, la transferencia de calor entre los cuerpos es muy importante, ya que hay casos en los que se aprovecharon del calor generado por la energía eléctrica, por ejemplo, en los sistemas de calefacción, como en el que necesitamos deshacerse de ese calor para que la temperatura un componente no aumente excesivamente y se queme. En la práctica, el calor puede ser transferido de un cuerpo a otro de tres maneras.
a) Contacto
Cuando dos cuerpos se ponen en contacto, el choque de partículas de una partícula con las otras transfiere la energía responsable de la agitación. Por lo tanto, si un cuerpo es a una temperatura más alta (mayor agitación y otro con una temperatura más baja (con agitación), shocks tienden a equilibrar con el tiempo de agitación y la temperatura de las dos balanza, como se muestra en la Figura 59.
Figura 59 - La transferencia de calor por contacto b) La convección
El contacto de un cuerpo caliente con el aire hace que la transferencia de la energía de sus partículas en forma de agitación a la misma. Por lo tanto, con un mayor grado de agitación (temperatura más alta), el aire se expande, se vuelve más ligero que tiende a subir. Se forma entonces una corriente de aire que "carga" el calor generado por el cuerpo, como se muestra en la Figura 60.
Figura 60 - corriente de convección de un radiador de calor de componentes componentes electró e lectróni nicos cos c) Radiación
La energía de agitación de partículas de un cuerpo puede ser radiada en forma de ondas electromagnéticas. Si es pequeño grado de agitación, se presenta en forma de infrarrojos, pero si la temperatura se eleva demasiado, se produce en forma de luz visible, que va desde el rojo, a través del blanco y de ir a la predominancia del azul. Esto es lo que sucede con una plancha caliente o el filamento de una lámpara.
Cuerpo Cuerpo negro Se ha encontrado que los cuerpos negros irradian calor mucho más eficiente que los otros colores. Cuando se estudia termología (parte física de estudiar calor) es común tomamos un cuerpo negro como cuerpo perfecto por ejemplo, en cuanto a la capacidad capacidad de absorber y radiar calor.
Los radiadores de calor
Al estudiar, todos los dispositivos electrónicos, que no tienen una resistencia cero, generan una cierta cantidad de calor cuando atravesados por una corriente eléctrica. A medida que el dispositivo de resistencia cero es ideal, no existe en la práctica, podemos decir que todos los dispositivos por donde pasa una corriente en un circuito real generan calor. Para los casos en los que el calor generado es mayor, necesita ser transferido al medio ambiente de manera que el componente no tiene su temperatura elevada por encima de los límites que tolera medios auxiliares deben ser utilizados. Así, además de características que le permiten difundir el calor por la placa de circuito impreso a través del material, ventilación forzada, el camino principal, es sin duda lo que hace uso de radiadores o disipadores de calor. Estos dispositivos están conectados a los componentes que generan calor por conducción y la transferencia de este calor a los elementos que deben pasar el calor al ambiente, como se muestra en la Figura 61.
Figura 61 - componente montado en el disipador de calor o radiador de calor
Esta transferencia se puede realizar de dos maneras básicamente: radiación y convección. Parte del calor se irradia en forma de ondas electromagnéticas, concentrándose principalmente en la gama de infrarrojos. Se inicia con las propiedades de los cuerpos negros, que son ideales para elegir los materiales que se pueden utilizar con eficacia de esta forma de deshacerse del calor generado por los componentes. La otra parte del calor generado se transfiere al aire en contacto con las aletas tienen radiadores que se calientan se vuelve más ligero y tienden a levantarse fuera del sitio, tomando el calor absorbido. En este caso, es muy importante que el disipador tenga una gran área de superficie de contacto con el aire y encuentre un camino libre para su movimiento. La Figura 62 muestra los dos modos que el calor es transferido al medio ambiente a través de los radiadores o disipadores de calor.
Figura 62 - La disipación de calor por convección y radiación. En el componente al disipador de calor se transfiere por contacto
Podríamos hablar en una tercera manera de transferir el calor generado por el acoplamiento del disipador sí mismo a una superficie sólida que podría absorber el calor, pero en este caso la superficie es que debe ser considerado como un disipador. En este caso vamos a tener el contacto como modo de transferencia de calor. También hay que recordar que la cantidad de aire en contacto con las aletas deben transferir el calor se puede aumentar considerablemente con el uso de ventilación forzada, como en el caso de la utilización de "fans" (sopladores o ventiladores), muy comunes dispositivos que requieren una alta tasa de transferencia de calor, como los microprocesadores.
Los radiadores negros son más eficientes que los de misma forma y la misma superficie, pero de un color diferente, ya que, como hemos visto la capacidad de radiación de calor del cuerpo negro es mayor.
Cero Absoluto
Hemos estudiado que la temperatura no es más que la medida del grado de agitación de partículas de un cuerpo. Si fijamos la temperatura ambiente, vemos que todos los cuerpos que nos rodean y que están en la misma temperatura tienen sus partículas se agitan de la misma forma. Supongamos ahora que peguemos cualquier objeto y enfriemos gradualmente. Encontramos entonces que sus partículas vibran cada vez menos intensa hasta que llega un momento en que paran. A continuación, se llega a la temperatura mínima posible, porque nadie no se mueve más lentamente de que el parado. Este paro o mínimo absoluto se produce a una temperatura -273º C, como se muestra en la Figura 63.
Figura 63 - El cero absoluto (°k) Temperatura
Una forma más precisa de medir la temperatura sería entonces colocar el grado cero en este punto. Esto se hace en grados Kelvin ( oK) o grado absoluto que se muestra en la Figura 63. Se inicia desde el punto en que tenemos la temperatura mínima posible y tenemos 273 °K correspondiente a 0 ° C. En muchas especificaciones electrónicas y cálculos se utiliza la temperatura en grados Kelvin (°K).
No Hay temperatura inferior a 0°K, ya que no hay movimiento más lento de lo parado.
3.5 - Calentamiento Por Efecto Joule
La cantidad de calor que se produce cuando una corriente pasa por una resistencia se calcula por la Ley de Joule. La ley establece que la cantidad de calor generado o potencia disipada (medida en watts) es proporcional al producto de la corriente por la tensión en el resistor de acuerdo con la fórmula:
P = V x I (f3.4)
Dónde: P es la potencia en watts (W)
V es la tensión en volts (V) I es la corriente en ampères (A)
Teniendo en cuenta, por la Ley de Ohm, que la corriente en un resistor es proporcional a la tensión en sus terminales o R = V / I, también podemos escribir en la ley de Joule: P = R x I2 (f3.5)P= V2/R (f3.6)
Ejemplo de cálculo: Calcular la potencia disipada por un resistor de 10 ohms cuando está conectado a un generador de 12 volts. Resolución: como hemos dada la tensión y resistencia, se utiliza la fórmula F3.6. P = (12 x 12)/10 = 144/10 = 14,4 watts
Siempre existen pérdidas en forma de calor Todos los conductores siempre tienen algo de resistencia y, por tanto, al pasar un flujo de corriente, se genera calor. Este calor es la pérdida de energía o la disipación de la energía en forma de calor. Un problema de la electrónica es qué hacer con este calor se disipe. En microcontroladores y microprocesadores, por ejemplo, que son millones de componentes, entre ellos las corrientes son muy pequeñas, pero se genera mucho calor, por lo que requiere grandes radiadores para los componentes de "deshacerse" de calor. Si este calor se "acumula" se eleva la
temperatura del componente al punto en el que se quema.
3.6 - Asociación De Resistores
Los resistores se pueden conectar en diferentes maneras para tener los efectos combinados. Un conjunto de resistores conectados según determinadas maneras se llama una "asociación de resistores". Para el profesional de la electrónica (y otras ciencias relacionadas con la electricidad) es muy importante saber predecir cuál será el efecto final, es decir, la resistencia presentada por un conjunto de resistores conectados de una manera determinada. Como verá el lector, esto también es cierto cuando asociamos otros tipos de componentes. Entonces tenemos los siguientes tipos de asociaciones de resistores:
3.6.1 - Asociación Resistores En Serie
Cuando conectamos resistores en serie, como se muestra en la Figura 64, la resistencia resultante es igual a la suma de las resistencias de los resistores asociados. Ver que conectar en "serie" es tener la misma corriente pasando a través de uno tras otro. En este ejemplo se toma la combinación de resistores de 10, 20 y 30 ohms resulta en una resistencia total de 60 ohms.
Figura 64 - Serie Asociación de resistencias
Podemos escribir la siguiente fórmula para calcular la resistencia equivalente a una combinación de resistores en serie: R = R1 + R2 + R3 +......+ Rn (f3.7)
Donde R es la resistencia equivalente (en ohms) R1, R2, R3,... Rn son las resistencias de las resistencias asociadas (en ohms)
Propiedades de la Asociación en serie:
Todos los resistores son atravesados por la misma intensidad de corriente
El resistor más grande disipa más calor La resistencia equivalente es mayor que la resistencia del mayor resistor asociado. El resistor más grande se somete a una tensión mayor
Tenga en cuenta que para esta última propiedad, se conectamos una combinación de resistores a una fuente de tensión, la tensión de esta fuente se dividirá proporcionalmente entre los resistores, como se puede en la Figura 65.
Figura 65 - El divisor de tensión resistivo
Esta propiedad es importante porque nos permite utilizar resistores conectados en serie como "divisores de tensión." Podemos obtener tensiones menores en un circuito solo eligiendo valores adecuados de los resistores que conectamos en serie.
La Figura 66 es un ejemplo en el que se obtiene una tensión de 8 V de una fuente de 12 V utilizando resistores.
Figura 66 - Obtención de 8 V de una fuente de 12 V
Por supuesto, el cálculo de un divisor puede ser mucho más complicado en la práctica que la división proporcional simple, porque hay que tener en cuenta la corriente que debe ser suministrada al circuito que será alimentado por el divisor.
3.6.2 - Asociación De Resistores En Paralelo
En una asociación en paralelo de resistores, los resistores están conectados como se muestra en la Figura 67, uno al lado del otro. La corriente se divide a través de los resistores.
Figura 67 – Asociación de resistores en paralelo
En una asociación en paralelo, la resistencia equivalente se da por la fórmula: 1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + 1/R3 + ........ + 1/Rn (f3.8)
Donde: R es la resistencia equivalente (en ohms) R1, R2, R3,... Rn son las resistencias asociadas (en ohms)
Podemos decir que "El inverso de la resistencia equivalente de una asociación de resistores en paralelo es igual a la suma de los inversos de las resistencias de los resistores asociados." Para el caso de la Figura 68, la resistencia de la asociación en paralelo de un resistor de 20 ohm con un de 30 ohm es de 12 ohmios.
Figura 68 - Ejemplo de cálculo
Caso especial: Cuando sólo hay dos resistores en paralelo, el cálculo de la resistencia equivalente se puede simplificar mediante la fórmula: R = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Basta entonces multiplicar una resistencia de uno por la resistencia del otro y dividir pela suma. Por ejemplo, 20 ohms y 30 ohms en paralelo resultado en: a) 20 x 30 = 600 b) 600/50 = 12 ohms (50 = 20 + 30)
Propiedades de la Asociación de Resistores en Paralelo
La corriente en cada resistor es inversamente proporcional a su valor. Lo de menos resistencia es atravesado por la mayor corriente. Todos los resistores reciben la misma tensión El menor resistor es atravesado por la corriente más grande y disipa la mayor potencia La resistencia equivalente es menor que la menor resistencia asociada
3.6.3 - Asociación De Resistores en Serie-Paralelo
Hay asociaciones más complejas de resistores que nos podemos encontrar algunos resistores conectados en serie y algunos en paralelo, de una manera que no nos permite clasificar el circuito en ninguno de los grupos. Por lo tanto, en la figura 69 tenemos una combinación de resistores en serie-paralelo.
Figura 69 - Una asociación serie-paralelo Para calcular la resistencia equivalente de procedimos por partes, calculando los grupos de resistencia que se pueden identificar como en paralelo o en serie, como se muestra en la Figura 70.
Figura 70 - Calculamos la resistencia equivalente de tres pasos: (A), (B) y (C)
Serie o en paralelo Una de las dificultades que los estudiantes y incluso profesionales es encontrar y analizar un circuito que tiene muchas resistencias y decir si están en serie o en paralelo.En muchos casos esto no es posible, ya que será en una asociación donde algunas resistencias están en serie entre sí y otra en paralelo con terceros. Por lo tanto, estas asociaciones inútil tratar de hacer eso. Existen procedimientos adecuados para la búsqueda de su resistencia equivalente.
3.7 - Potenciómetros e Trimpots
Hay aplicaciones en las que es necesario tener un componente que puede haber modificado su resistencia o ajustarse una vez instalado en un circuito. Estos componentes caen en el grupo de resistores variables y los dos tipos más comúnmente encontrados son los potenciómetros y los trimpots (trimmer potentiometers). Potenciómetros y trimpots son dispositivos que pueden utilizar para variar la resistencia presentada al flujo de una corriente eléctrica. En la figura 71 tenemos los aspectos más comunes que encontramos estos componentes, así como sus símbolos.
Figura 71 - Trimpots y potenciómetros - aspectos y símbolos
Están constituidos por un elemento de resistencia, que puede ser de carbono o alambre de nicromo, deslizando sobre él un puntero denominado cursor. De acuerdo con la posición de este cursor tenemos la resistencia presentada por el componente. Tenga en cuenta que, teniendo el potenciómetro o trimpot de ajuste de la Figura 72, a medida que el cursor se mueve de A hacia B, aumenta la resistencia entre A y X, y al mismo tiempo reduce la resistencia entre X y B.
Figura 72 - curva lineal de un potenciómetro Si la resistencia varía en proporción al movimiento del cursor, tenemos un potenciómetro lineal. Si el cambio sigue una ley logarítmica tenemos un potenciómetro logarítmico. Estas características pueden ser vistas por las curvas de los dos tipos de potenciómetros que se muestran en la Figura 73.
Figura 73 -Curvas - pote lineal y logarítmica
Tenga en cuenta que la resistencia total entre A y B es la resistencia nominal del componente, es decir, el valor máximo que podemos conseguir. En la práctica, podemos encontrar potenciómetros e trimpots de ajuste con valores en el rango de fracción ohms a millones de ohms. Si el mismo eje controla dos potenciómetros, diremos que se trata de un potenciómetro doble. Algunos potenciómetros incorporan un interruptor que está controlado por el mismo eje que con la radio y los amplificadores forman los controles de volumen. El mismo control puede aumentar y disminuir el volumen y todavía encender y apagar, como se muestra en la Figura 74.
Figura 74 – Potenciómetros con interruptores (conmutador)
Los potenciómetros se utilizan en diversas funciones, tales como, por ejemplo, controles de volumen, controles de tono, la sensibilidad, el brillo de una lámpara o una velocidad del motor, ya que permiten el ajuste en cualquier momento, las características deseadas. Ya los trimpots se utilizan cuando se desea un solo ajuste, es decir, solamente en un momento dado, con lo que el dispositivo a un comportamiento que debe ser definitivo (es evidente que el ajuste puede ser hecho de nuevo cuando sea necesario, pero por lo general el trimpot esté dentro dispositivo, que en este caso tiene que ser abierto). Figura 75 muestran trimpots de ajuste de precisión, el tipo de múltiples vueltas, ampliamente utilizado en los instrumentos, equipos y otros equipos sensibles.
Figura 75 - Trimpot de múltiples vueltas (multivueltas)
3.8 - Transductores y Sensores
Los circuitos electrónicos sólo pueden trabajar con señales eléctricas, es decir, las corrientes y tensiones. Así que si tenemos que medir las temperaturas, presiones y otras magnitudes físicas que no tienen nada que ver con la electricidad, tenemos que convertirlas. Del mismo modo, no vemos ni oímos la electricidad, lo que significa que hay aplicaciones que necesitan para convertir la energía eléctrica en otras formas de energía, tales como el sonido, la luz, etc. Dispositivos que convierten una forma de energía en otra se denominan "transductores". A medida que se utilizan para detectar ciertas cantidades, que son llamados también sensores. La figura 76 son ejemplos de estos componentes.
Figura 76 - transductores o sensores comunes
Un tipo importante es el transductor que convierte una cantidad física en una resistencia correspondiente. Decimos que es un transductor o sensor
resistivo, y hay varios de ellos que se utilizan en los equipos electrónicos. En la siguiente sección vamos a ver varios de estos transductores, que no son más de resistencias especiales cuya resistencia varía como una cantidad física dada.
Los transductores que convierten magnitudes eléctricas en variaciones de resistencia se llaman sensores resistivos.
LDR
Los LDRs o resistores dependientes de la luz (también foto-resistores) son componentes cuya resistencia depende de la cantidad de luz que incide sobre una superficie sensible que tienen. El componente tiene una resistencia muy alta en la oscuridad (de la orden de millones de ohms) y muy baja en la luz (del orden de decenas o cientos de ohms). Los LDRs se utilizan en sensores de luz. La Figura 77 muestra el símbolo adoptado para representar este componente y los aspectos más comunes.
Figura 77 - LDRs - símbolos y aspectos
NTC / PTC
Los resistores de coeficiente negativo de temperatura o termistores son componentes cuya resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Por otro lado, los resistores de coeficiente de temperatura positivo o PTC son componentes cuya resistencia aumenta al aumentar la temperatura. Ambos pueden ser utilizados como estabilizadores de circuitos sensibles a las variaciones de temperatura o como un sensor de temperatura. En la figura 78 podemos ver estos componentes, aspectos y curvas características.
Figura 78 - NTC y PTC - curvas y puntos
VDR
VDR o resistores dependientes de la tensión (voltaje dependent resistors) también denominados varistores, son resistores cuya resistencia depende de la tensión aplicada a sus terminales. Los VDR se utilizan básicamente como protectores contra sobretensiones y transitorios en los circuitos electrónicos, desviando pulsos de alta tensión que podrían dañar el equipo. En la figura 79 tenemos el símbolo y los aspectos de este componente.
Figura 79 - VDR o símbolos y aspectos
Además de estos transductores existen otros que serán estudiados en su momento por su importancia sólo en aplicaciones específicas.
Potenciómetros Digitales En muchos equipos de última generación, que hacen uso de la tecnología digital, los potenciómetros tradicionales están siendo reemplazados por el potenciómetro digital. Ellos no tienen partes móviles. La resistencia presentada entre dos terminales depende de los pines de control a través de programación digital aplicada. La ausencia de contacto eléctrico los hace virtualmente a prueba de fallos y desgaste. El control de estos potenciómetros puede s realizar mediante un teclado. Un ejemplo de esto es el sistema utilizado en los controles de volumen del equipo de sonido en que tenemos sólo dos botones: Aumenta / Disminuye.
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Curvas características Ley de Ohm Radiadores de calor La disipación Las resistencias eléctricas Tolerancia
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En esta lección tenemos algunos términos que aparecen bastante en la literatura técnica extranjera, la cual debe ser conocida por los profesionales de la electrónica. Destacamos algunos de ellos: Resistivity = Resistividad Resistance = Resistencia Ohm’s Law = Ley de Ohm Joule’s Law = Ley de Joule Series = Serie Parallel = Paralelo Dissipation = Disipación Multiturn = multivueltas
Cuestionario
1) La cantidad eléctrica que caracteriza la naturaleza de un material en cuanto a su capacidad para conducir la corriente eléctrica se denomina: a) Resistencia eléctrica b) Resistividad c) Tensión d) Conductividad eléctrica
2) "En un resistor la corriente es directamente proporcional a la tensión aplicada" ¿Esa frase establece que Ley? a) Ley de Joule b) Ley de Ohm c) La ley Oersted d) La ley de Coulomb
3) ¿Cuál es la corriente que fluye a través de un resistor de 12 ohms cuando está conectado a una batería de 6 V? a) 2 A
b) 0,5 A c) 72 A d) 3 A
4) ¿Qué potencia disipa un resistor de 10 ohms cuando atravesado por una corriente de 2 A? a) 10 W b) 20 W c) 40 W d) 5 W
5) Un resistor tiene las siguientes colores, en orden de lectura: marrón, negro, naranja. Su resistencia es: a) 10 ohms b) 1 000 ohms c) 10 000 ohms d) 100 000 ohms
6) ¿Cuál es la resistencia de la conexión en paralelo equivalente de un resistor de 20 ohms con un de 30 ohms?
a) 50 ohms b) 25 ohms c) 12 ohms d) 10 ohms
LECCIÓN 4 - TIPOS GENERADORES – RENDIMIENTO Y ECUACIÓN DEL GENERADOR
Todos los equipos eléctricos y electrónicos necesitan energía para funcionar. Como ya se ha estudiado de manera introductoria, la energía eléctrica se puede obtener a partir de otras formas de energía tales como, por ejemplo, baterías y dinamos. Sin embargo, el estudio de los generadores debe ser hecho de una forma un tanto más profunda, porque lo practicante de la electrónica tiene que realizar algunos cálculos importantes que se relacionan con su funcionamiento. En esta lección vamos a dedicar específicamente a nosotros mismos para este estudio. La lección 4 de nuestro curso se compone de los siguientes elementos:
4.1 - Pilas y Acumuladores 4.2 - dínamos y alternadores 4.3 - Los generadores alternativos 4.4 - La utilidad de un generador – Ecuación del Generador 4.5 - circuitos complejos - Leyes de Kirchhoff
4.1 - Pilas y Acumuladores
Una forma sencilla de obtener electricidad para alimentar varios tipos de circuitos eléctricos y electrónicos es de pilas y acumuladores. Como hemos estudiado, las pilas son generadores químicos de la
electricidad, es decir, convertir la energía química en energía eléctrica en un proceso irreversible, es decir, no se puede recargar. Los tipos más conocidos son pilas secas y alcalinas comunes y, aunque hay alguna otra gama más cara ya que se encuentran en el mercado para aplicaciones específicas. En la Figura 80 se ha adoptado para el símbolo representan una pila o "célula" y una batería simple, que es un conjunto de células.
Figura 80 - de la batería y la batería - símbolos
Cada pila común establece entre sus terminales una tensión en abierto de 1,5 V. Se dice que las pilas son generadores que tienen una f.e.m. (Fuerza electromotriz) de 1,5 V. Hay, sin embargo tipos donde la f.e.m. es de 1,2 V. La tensión abierta o f.e.m. se indica en el diagrama por la letra E. Acumuladores sobre el otro lado, se pueden cargar simplemente mediante la circulación de una corriente en la dirección opuesta a la convencional, como se muestra en la figura 81. Un resistor se utiliza para limitar la corriente de carga al valor deseado.
Figura 81 - batería de acumuladores
Los tipos más comunes son el plomo-ácido (utilizado en automóviles y motocicletas) y de níquel-cadmio, con sus variaciones, las cuales forman pilas e baterías de diversos dispositivos tales como teléfonos móviles, ordenadores portátiles, cámaras de vídeo. Las células de níquel-cadmio se pueden encontrar en formas y tamaños de las baterías convencionales similares, pueden ser utilizados en las mismas aplicaciones, con la ventaja de que pueden ser recargadas cientos de veces. Tenga en cuenta que, entendemos por "batería" al conjunto de pilas o acumuladores células conectadas entre sí con el fin de obtener un mayor voltaje. A "batería" común 9 V, por ejemplo, es, de hecho, formado por seis células de 1,5 V que están conectadas en serie, como se muestra en la Figura 82 (cada conjunto de tres placas es una batería, por lo tanto tenemos placas 27 una batería de este tipo.
Figura 82-6 células 1.5V forman una batería de 9 V
Una batería de automóvil se compone de seis células de 2,1 V que se traduce en una tensión del orden de 12,6 V, y en algunos casos más de 13 V. Baterías comunes se pueden encontrar en varios tamaños, con diferentes capacidades de corriente, es decir, tanto la corriente máxima que puede proporcionar como por el tiempo que duran.
Las células de 1,2 V, 1,5 V y 2,1 V La tensión que aparecerá en una célula de un acumulador o una batería depende de su construcción, es decir, el material que se utiliza en los electrodos y el electrolito. Para alcalinas normales y pilas secas de esta tensión es de 1,5 V, pero hemos visto que en otros casos puede ser diferente. En la práctica, cuando se utiliza una batería de 1,2 V (recargable, por ejemplo) en un aparato, la pequeña diferencia de voltaje no suele afectar a la operación, pero hay casos en los que afecta. Una batería de 9 V común, por ejemplo, está hecho con 6 pilas
recargables de 1,5 V y se hace lo mismo con la versión 6 celdas de 1,2 V, lo que resulta en sólo el 7,2 V. Esta tensión más baja puede afectar a la aparato. Por lo tanto, existen baterías recargables de "9 V" hachas con 7 células de 1,2 V resultando en 8,4 V, que está más cerca de 9 V y que no afecta el funcionamiento del aparato. Usted tiene que tener cuidado.
Las baterías utilizadas en los teléfonos móviles, cámaras digitales y muchos otros dispositivos modernos son recargables con una alta densidad de energía. La tensión típica es de 4,5 V. Esto significa que además de tener un formato especial de conformidad con el aparato en el que se utilizan, están formadas por un número de células de acuerdo con la tensión requerida por el aparato, sino que también puede almacenar una cantidad de energía mayor que la que se obtiene con otros tipos de células.
ACUMULADORES
La batería fue inventado por J. W. Ritter en Alemania en 1803. El tipo más utilizado actualmente es la batería de plomo-ácido que tiene la estructura básica mostrada en la Figura 83.
Figura 83 - Acumulador Cada célula contiene dos placas de plomo que están sumergidas en una solución de ácido sulfúrico. Cuando se descarga la célula, las dos placas son de plomo metálico. Sin embargo, cuando una corriente de carga es forzada a fluir desde la batería, se produce una transformación química de las placas y una tensión del orden de 1,6 V se manifiesta entre las mismas. La energía entonces se acumula y la célula se puede utilizar para entregar esta energía a un circuito externo. Ya que proporcionan la energía, las placas vuelven de nuevo al estado metálico inicial. Con la descarga completa es preciso hacer la corriente de carga circular durante un cierto tiempo para que la célula almacene más energía. El tipo más ampliamente utilizado corresponde a la batería de automóviles que en realidad se compone de 6 células de acumuladores conectados en serie, como se muestra en la Figura 84.
Figura 84 - batería de acumuladores para uso en vehículos automotores
Densidad de energía y autonomía
Las pilas y acumuladores sólo suministran energía a un circuito externo durante un tiempo determinado. Cuando las sustancias que intervienen en el proceso pierden su capacidad de reacción, la tensión inicialmente cae con la disminución de la corriente y luego se detiene por completo parando de proporcionar energía. La pila o batería se considerarán desgastados o descargados. En la figura 85 tenemos las curvas de descarga típicas de diferentes tipos de baterías, lo que indica que se comportan de manera diferente.
Figura 85 - curvas de descarga de algunas baterías
Mientras en que las baterías secas la tensión cae rápidamente con el tiempo de uso, las pilas alcalinas sólo al final de su vida útil tienen la tensión reducida, con una mayor estabilidad en el suministro de energía. La capacidad de de alimentación de una batería, pila o acumulador se mide en amperes x hora (Ah) o miliamperes x hora (mAh).
Por ejemplo, si una célula tiene una capacidad de suministro de energía de 500 mAh, esto significa que en la alimentación de un circuito que requiere 500mA, tendrá la autonomía para una duración de 1 hora. Para la alimentación de un circuito que requiere 100 mA, se puede alimentar durante 5 horas. En la práctica, es muy importante seleccionar baterías para aplicaciones que tienen capacidades de acuerdo con el consumo de circuito que va ser alimentado. Un reloj, por ejemplo, tiene una corriente de funcionamiento muy bajo del orden de unos pocos miliamperios o incluso microamperios. Para ellos una batería de baja capacidad, tal como una célula seca, sirve perfectamente. Para una cámara digital, un juguete que tiene un alto consumo, con cientos de miliamperios se necesita batería de mayor capacidad, por ejemplo, alcalina. Tenga en cuenta que los diferentes tipos de pilas y baterías tienen todos las mismas tensiones (f.e.m.) de 1,5 V o 1,2 V, pero cambios en su capacidad. Una batería AAA tiene una capacidad mucho menor que un tipo de pila D. Podemos alimentar a la perfección un dispositivo de baja potencia con cualquiera de las dos pilas, pero la mayor va a durar más tiempo. Formatos de baterías que se venden siguen las reglas de la Clasificación Industrial Americana (ANSI). Vea la tabla de abajo lo que significan las referencias como AA y AAA.
Designación
Calificación ANSI
Dimensiones (en mm) de diámetro x altura
Batería Micro
AAA
10,5 x 44,5
Batería Mini
AA
14,5 x 50,5
Batería Media
C
26,2 x 50
Batería Grande
D
34,2 x 61,5
batería de 9 V
1604D
26,5 x 17,5 x 48,5
La figura 86 muestra estas baterías.
Figura 86 - Baterías y pilas
Los fabricantes de dispositivos determinan el mejor tipo de pila o batería cuando a la fabricación para determinado tipo de aplicación. Es importante señalar eso para se tenga el mejor rendimiento.
Advertencia: No trate de adaptar los dispositivos para recibir diferentes células del original, para ganar espacio, por ejemplo. No utilice pilas tipo botón y pequeña, para alimentar un proyecto experimental de mayor consumo, lo que requeriría pilas AAA o AA, no sólo afecta a su rendimiento, además de alimentar por un tiempo mucho más corto del que se puede esperar.
Almacenamiento y descarga
Una pila o batería no descarga a menos que en el momento en que está suministrando energía. Cuando los terminales (polos) de la pila, batería o acumulador están separados no se está produciendo energía, la generación de energía eléctrica, la reacción química en el interior está paralizada. Sin embargo, las sustancias pierden su capacidad con el tiempo de almacenamiento y también bajo el efecto de las condiciones adversas o mal uso. Por lo general, una batería común se puede almacenar durante un máximo de 8 meses en condiciones ideales, es decir, en un lugar fresco sin recibir luz solar directa. Este tiempo varía según el tipo. Después de eso, ella ya tendrá 50% de comprometimiento de su capacidad para proporcionar energía. Es común que las personas compran en los quioscos y las panaderías, las baterías que se encuentran en sitios que reciban la luz directa del sol y son generalmente calientes. Estas personas se sorprenden cuando las baterías, incluso si son nuevos, trabajan por un corto tiempo o incluso ya viene descargadas.
Sustancias Tóxicas y eliminación Una mayor preocupación por el medio ambiente nos hace mirar con especial atención a la eliminación de las cosas que tienen sustancias tóxicas y este es el caso de las baterías.
Baterías ordinarias contenían el mercurio hasta recientemente, lo cual está prohibido para el caso de nuestro país. Por lo tanto, la fabricación nacional de baterías prohíbe la presencia de mercurio, lo que no ocurre con las baterías en el mercado paralelo, principalmente de origen chino, que deben ser evitadas. El mercurio envenena el medio ambiente. También es peligroso que se encuentra plomo en las baterías que no debe ser desechado directamente afectar el medio ambiente. El cadmio se encuentra en pilas y baterías recargables es otro metal peligroso para el medio ambiente. Eliminación de las baterías debe hacer correctamente y hay muchas tiendas, mercados y empresas que proporcionan recursos para la eliminación se hace consciente. No tire las pilas y baterías tóxicos en la basura. Concientice la gente del peligro que eso representa.
Utilice conscientemente - no deben ser depositados en la naturaleza- recicle
Formas de Descarte tipo de la batería
alcalina manganeso nacional (*)
forma de aplicaciones comunes eliminación
de Los residuos Las cámaras digitales, walkmans, domésticos(*) juguetes, aplicaciones con motores pequeños
zinc Los residuos Las radios portátiles, controles manganeso(seco) domésticos(*) remotos, relojes de pared, relojes y alarmas, linternas Tipo botón
alcalina Los residuos Calculadoras, relojes, juguetes sin domésticos motores
El litio tipo botón
Los residuos Agendas, cámaras, mandos domésticos distancia para coches y puertas
a
NiCad (Níquel ubicación Cadmio) adecuada
Teléfonos Inalámbricos
NiCad (celular)
Teléfonos, tabletas, iPads, iPods, MP3, MP4, etc.
(*) Sin mercurio
locales adecuados
Efecto Memoria
El efecto memoria, que puede aparecer en las baterías recargables de níquel-cadmio (móviles) inalámbricos, teléfonos celulares, cámaras y muchos otros dispositivos, ya sean de tipo antiguo, pero si las nuevas marcas poco recomendables, es bastante desagradable. Este efecto es el hecho de que la batería "recuerda" la carga adquirida en el último proceso de carga y no puede exceder de ella. Si la batería tal como es, se cargó con sólo una pequeña parte de su carga total, la carga después de que ya no puede adquirir la plena carga durante más tiempo que deje el cargador, como se muestra en la Figura 87.
Figura 87 - En la tercera recarga de la batería no alcanza su capacidad máxima.
Las baterías modernas, especialmente las utilizadas en los teléfonos móviles y cámaras digitales ya no tienen este efecto y se pueden cargar fácilmente al máximo en cualquier condición. También existen aquellas que pueden ser recuperados si, cuando presentan el efecto memoria, si se descargan por completo y después se somete a una carga completa.
La descarga completa se puede hacer mediante la vinculación a un determinado dispositivo de consumo, por ejemplo una lámpara incandescente común, como se muestra en la Figura 88.
Figura 88 - de descarga con la ayuda de una lámpara
Batería primaria y secundaria
Baterías primarias
Aquellos que ya contiene la energía desde el momento en que se fabrica y no se puede cargar más tarde. El proceso químico de producción de energía se produce a partir de una reacción irreversible.
Las baterías secundarias Aquellos que, cuando se hace, no tienen energía. Tienen que ser cargadas y el ciclo de carga y descarga se pueden repetir un gran número de veces. La reacción que se produce en estas células es reversible. Células secundarias se llaman también "acumuladores".
Energía en cuantidad
Todos los procesos químicos (reacciones) que liberan energía, en principio, se pueden utilizar para generar electricidad. Basta que iones se liberen en el proceso, es decir, los átomos y las moléculas dotadas de cargas de modo que su movimiento sea capaz de producir electricidad. De este modo, se abre el camino para muchas formas de energía alternativa que sean creadas a partir de procesos químicos. Podemos citar como ejemplo el caso de los investigadores británicos que utilizaron un robot alimentado con energía eléctrica obtenida por la descomposición de las babosas que el robot recoge en un jardín para cargar su propia batería. Un “robot babosas” o "Eater". Otro caso es el de un fermentador para preparar la cerveza que genera energía para cargar un teléfono celular mientras fermenta la cebada.
Recuerde: La energía no se crea, sino que se transforma. Tener un buen proceso químico que libera energía y a partir de ahí crear algún tipo generador alternativo.
4.2 - Dínamos y Alternadores
Cuando una bobina corta las líneas de fuerza del campo magnético de un imán se induce una corriente eléctrica. Este principio que se estudiará en detalle en la siguiente lección, puede ser utilizado para generar electricidad en dos tipos de dispositivos: dinamos y alternadores. Ambos son generadores que convierten la energía mecánica (utilizado para moverlos) en energía eléctrica. Mediante el análisis del principio de funcionamiento de la dinamo que será bastante sencillo de entender cómo funciona el alternador. Una dinamo está formada por una bobina que gira entre los polos de un imán permanente, como puede verse en la Figura 89.
Figura 89 - Funcionamiento de una dinamo
Cuando esta espira gira se induce una tensión que aparece en sus extremos. Como la polaridad muda cuando ella gira, pues en cada vuelta ella corta las líneas del campo en direcciones opuestas. Se coloca un conjunto de cepillos o conmutadores que "desinvierten" la tensión producida para que continúe siendo continúa. En el caso de que el alternador tenemos el mismo principio de funcionamiento, con la diferencia de que no existe un conjunto de conmutadores que "desinvierten" la corriente en cada turno. Así, en lugar de generar corrientes continuas, o siempre con la misma polaridad se produce una corriente que invierte los polos constantemente. Esta corriente, que será estudiado con más detalle en las próximas elecciones, se llama la corriente alternada (C.A).. Los dos tipos de corriente tienen los mismos efectos en un circuito, la entrega de la energía que se puede utilizar en cualquier forma. Los cambios sólo están en la forma en que se realizan.
4.3 - Los generadores alternativos
Todavía tenemos un número significativo de generadores de electricidad que, por su uso menos frecuente, o por limitaciones de rendimiento, se pueden considerar alternativos. Entre ellos incluyen:
a) Solar
Las fotocélulas o células solares son generadores que convierten la energía solar (luz) en electricidad. No debe confundirse con paneles
solares para calentar el agua, que no generan electricidad. En la Figura 90 se puede ver un conjunto de células solares que se utilizan para generar energía para cargar la batería de un teléfono móvil.
Figura 90 - Batería de la célula solar del cargador.
El alto costo de las células solares de silicio y sus bajos rendimientos hace que se utilizan solamente en lugares donde no hay otra alternativa para la producción de electricidad. Las células solares son más adecuadas para aplicaciones en las que se requiere una cantidad muy pequeña de energía para alimentar, por ejemplo, calculadoras, relojes, juguetes, o para cargar la batería en lugares donde otras formas de energía no están disponibles. (Hoy algunas tecnologías producen células de mayor rendimiento)
b) Las pilas de combustible
En la celda de combustible, dos sustancias (un combustible y un oxidante - por lo general el oxígeno) combinan en un electrodo especial poroso para formar una nueva sustancia con la liberación de la electricidad. Un tipo común de células que se puede ver en la Figura 91, combina el hidrógeno y el oxígeno para formar agua y producir energía eléctrica.
Figura 91 - Una célula de combustible
El rendimiento de este tipo de fuente de energía es relativamente alto y, por otra parte, tiene la ventaja de no se agotar y no ser contaminante. Sin embargo, dificultades técnicas todavía y cuestos limitan bastante su utilización. Ya anunciada tipos más pequeños que pueden utilizar los tubos de combustible pequeños (recarga), similares a los de los encendedores, que podrían ser utilizados para ordenadores portátiles, los teléfonos celulares y equipos similares.
c) Atómicos
La energía atómica, por el peligro es que tiene al salir de control sólo se utiliza en casos muy especiales, cuando otra forma de energía puede no llegar a satisfacer las necesidades. Un primer caso es el de las centrales nucleares, donde la electricidad se obtiene a partir de alternadores que se mueven por la presión de vapor que se forma cuando el agua entra en contacto con sustancias radiactivas que liberan grandes cantidades de calor, como se puede ver en la Figura 92.
Figura 92 - Funcionamiento de una central nuclear
La otra forma de obtener electricidad de la energía nuclear, pero no se utiliza mucho, se pone en contacto con un material fosforescente (debido a la radiactividad) una célula fotoeléctrica, como se muestra en la Figura 93.
Figura 93 - Una célula con material fosforescente
Sin embargo, el desarrollo de una tecnología que se aprovecha de una manera limpia la energía liberada en la fisión nuclear de materiales radiactivos todavía debe tomar un tiempo. La solución sería la fusión en frío, que es la unión de los núcleos de hidrógeno para producir helio.
La radiación y el medio ambiente Materiales radiactivos representan una gran amenaza para el medio ambiente debido a que su presencia no se percibe directamente, y su radiación es mortal. De hecho, no tenemos órganos sensoriales que detectan la presencia de radiación y que nos deja vulnerables a sus peligros. Un material radiactivo no sólo puede contaminar todo lo que entra en contacto, así como su radiación puede durar siglos, miles e incluso millones de años.
En el caso de las centrales nucleares la mayor amenaza es de las que trabajan calentando el agua que entra en contacto con materiales radiactivos por calentamiento y también convertirse en radioactiva. El
vapor de esta agua hace girar las turbinas, pero no puede ser liberado en el medio ambiente. Se enfría, volviendo al agua y se lleva de nuevo en contacto con el material radiactivo en un circuito cerrado. Sin embargo, si se encuentra con un "accidente" para liberar el vapor de agua, siendo radiactivo contaminará todo con ese contacto. Ver Chernobyl y Fukushima, por ejemplo.
4.4 – Rendimiento de un generador – Ecuación del Generador
Un generador ideal debe ser capaz de proporcionar siempre la misma tensión, independientemente de la cantidad de corriente a ser suministrada a un circuito para alimentación, por ejemplo una lámpara, como se puede ver en la Figura 94.
Figura 94 - Generador ideal
En la práctica, sin embargo, los generadores tienen una limitación en el fornecimiento de energía. Cuando conectamos un generador a un dispositivo de cualquier que consume energía (que llamamos receptor), la tensión en sus terminales cae a medida que aumenta el consumo, como se muestra en la Figura 95.
Figura 95 - generador real - la tensión disminuye con el aumento de la corriente
Esto es debido al hecho de que en el interior del generador se puede asociar una cierta resistencia (debido a sus propios elementos internos que lo componen) y que absorbe parte de la energía que produce. Por lo tanto, si se desea tener una verdadera representación de un generador en la alimentación de un circuito cualquier, por ejemplo, un resistor R, que incluya la resistencia interna (r), se debe hacer como se muestra en la Figura 96.
Figura 96 - Adición de la resistencia interna de un generador
Tenga en cuenta que el símbolo generador tiene una resistencia interna (r), pero esto no quiere decir que existe este componente en la forma real. Representa la resistencia de los elementos generadores internos. La electricidad generada por el generador a continuación, se divide entre la resistencia externa que es el circuito alimentado y su resistencia interna. Por lo tanto, aparece en la resistencia externa (carga) una tensión de V, a menos de E, que se puede calcular también. Si llamamos a la fuerza electromotriz E del generador, i la corriente que fluye a través del circuito, aplicando la Ley de Ohm, podemos escribir una ecuación que describe el comportamiento de lo circuito importante de la figura 96.
E = (R + r) x I (f4.1)
Donde: E = fuerza electromotriz en volts R = resistencia externa en ohms r = resistencia interna del generador en ohms I = corriente que circula en el circuito en amperes
Y para calcular el voltaje en la carga externa aplicamos la Ley de Ohm:
V = R x I (f4.4.1)
Ejemplo: Una pila de 1,5 V tiene una resistencia interna de 0,5 ohms. ¿Cuál es la corriente que proporciona a un resistor de 2,5 ohms? ¿Cuál es a tensión que aparece sobre el resistor?
Figura 97 - Calculamos I y V
En este problema:
E = 1,5 V r = 0,5 ohm R = 2,5 ohms I = debemos calcular V = debemos calcular
Aplicando la fórmula f4.1: 1,5 = (2,5 + 0,5) x I 1,5 = 3,0 x I
I = 1,5/3,0 I = 0,5 ampères
Para calcular V, aplicamos la Ley de Ohm: V=RxI V = 2,5 x 0,5 = 1,25 V
Tenga en cuenta que el resistor no "recibe" los 1,5 V de la batería, pero menos, sólo el 1,25 V.
Los convertidores AC-DC o eliminadores de batería Convertidores pequeños que son usados para alimentar por un enchufe los aparatos que utilizan baterías consisten en "generadores" en el que se ha de considerar el efecto de la resistencia interna. Por lo tanto, ya que tienen una alta resistencia interna (r) cuando conectamos un circuito externo para alimentar (carga) cae la tensión, cuanto mayor sea la corriente requerida. Por lo tanto, si medimos los la tensión de tales convertidores en "abierto", es decir, sin carga encontraron más que el voltaje para el cual está especificado. Por ejemplo, es común encontrar 7-8 V e incluso un poco más, en un eliminador de 6 V. Lo que medimos en este caso es la fuerza electromotriz (E) debido a que el instrumento que se utiliza tiene una resistencia es muy alta. Cuando conectamos algo en esto eliminador la tensión (V) llega cerca de la especificada 6 V. Hay eliminadores que son regulados o estabilizados. Tienen un circuito interno que mantiene la salida en 6 V (por ejemplo), independientemente de la corriente de carga.
Rendimiento de un generador
Como hemos visto, siempre una parte de la energía producida por un generador se convierte en calor en su resistencia interna. Por lo tanto, podemos definir el rendimiento de un generador como la fracción de la potencia total generada que llega al circuito alimentado. Esto se puede expresar por la fórmula:
η = V /E (f4.2)
Donde: η es el rendimiento V es la tensión en la carga (volts) E es la fuerza electromotriz del generador. (Volts)
También podemos expresar el rendimiento en porcentaje multiplicando el resultado calculado por la fórmula anterior por 100. Por supuesto, el rendimiento nunca será 100%, ya que esto sólo sería posible en un generador perfecto, en el que la resistencia interna es nula.
Ya que las baterías se calientan Usted puede haber notado que al retirar las baterías gastas de un dispositivo que requiere altas corrientes, que se calientan. Lo que sucede aquí es que al proporcionar energía al dispositivo con alimentación, parte de esta energía se disipa en forma de calor en la propia célula o resistencia interna de la batería. Por esta razón, se calienta. Lo mismo se nota cuando se cargan las pilas o baterías con corrientes más intensas (celulares, por ejemplo).
Cortocircuito - Peligro de explosión
Como estudiamos, el rendimiento de una batería depende de su resistencia interna y la resistencia del circuito siendo alimentado. Si la resistencia externa es cero vamos a tener la condición llamada cortocircuito hemos estudiado sólo en el caso de las pilas, la corriente estará limitada por la resistencia interna, como se muestra en la Figura 98.
Figura 98 - En el circuito de circuito R es cero
Una batería común con alta resistencia interna algo, el efecto de un cortocircuito es una calefacción y agotamiento rápido. Sin embargo, las baterías modernas de alta capacidad tienen muy baja resistencia interna. Esto significa que en condiciones de corto circuito, la corriente limitada por la resistencia será muy alta y una gran cantidad de calor generado. En este caso, el interior de la pila de sustancias puede hervir o se puede establecer suficientemente alta presión para explotar la pila. Por lo tanto, para estas baterías hay alertas para que nunca sean llevadas a una condición de corto como tocar los terminales en objetos de metal. Explosiones de baterías de teléfonos móviles y otros equipos se han reportado precisamente haber sido colocado inadvertidamente en condición de cortocircuito.
Tenga cuidado al manipular y baterías Nunca permita que las pilas y baterías de tocar objetos metálicos que puedan causar un cortocircuito entre los terminales. Por otra parte, causar su rápido agotamiento en algunos casos puede provocar su explosión.
4.5- Circuitos Circuitos complejos complejos - Leyes de Kirchhoff Kirchhoff
No sólo son los resistores que se pueden conectar en serie y en paralelo. Cuando formamos un circuito con diferentes tipos de componentes, por ejemplo, un generador que proporciona corriente, un LED y un resistor, que utilizan esta energía, tenemos la conexión de estos elementos en combinaciones que pueden ser en serie y en paralelo, como el lector puede ver en la figura 99.
Figura 99-resistencia y número de serie del LED ( 2)
Veamos a los ejemplos importantes donde se tiene donde esto puede ocurrir: Un generador, como un conjunto de baterías, una batería o incluso la
toma de energía de su casa, puede proporcionar suficiente energía para muchos dispositivos como lámparas, calentadores, etc. Por lo tanto, cuando la conexión a los dispositivos que los generadores deben convertir la energía, tiene una correcta distribución de las corrientes y voltajes, debe cumplir con ciertas reglas. Así que hay maneras de hacer la conexión de dispositivos para recibir energía de un generador. Del mismo modo, también hay maneras de conectar entre sí varios generadores para aumentar la capacidad de fornecimiento de energía. Tenemos dos formas básicas de hacer estos enlaces: en serie o en paralelo, como en el caso de resistencias.
2 El LED LED es un componente que aún tiene tiene que que estudiarse. estudiarse. Podemos decir decir que es un dispositivo dispositivo análogo a la lámpara: produce luz a partir de la electricidad, pero su principio de funcionamiento está todavía por verse. Guardar su símbolo y él está polarizada, es decir, tiene modo cierto para a conectarse. En el circuito de la figura 93, si se invierte, no enciende. ↑
Conexión en serie
Se dice que las lámparas u otros dispositivos están conectados en serie cuando la corriente pasa a través de ellos en la secuencia de uno en uno, como se muestra en la Figura 100.
Figura 100 - Lámparas y baterías na serie
Tenga en cuenta también que las lámparas están representadas por sus símbolos, así como las baterías. Hay que acostumbrarse a ellos, como en el caso del generador. Teniendo en cuenta que los electrones o cargas que salen de los polos de un generador necesariamente deben llegar a lo otro, en contra de lo que muchos podrían pensar, la corriente no "debilita" a medida que pasa desde X1 a X2 y así sucesivamente. La intensidad de corriente es la misma en todos los puntos en esta conexión. Esto significa que la cantidad de cargas que pasan por el punto A es el mismo que pasa en su totalidad. Sin embargo, ya que las cargas dejan su energía para cada lámpara, que se transforma en calor, reduce la "presión" que las empuja. Esto significa que a medida que avanzamos a través de esta secuencia de luces, la tensión disminuirá a medida que el lector puede ver en la Figura 98.
Figura 101 - A lo largo de del circuito la tensión se reduce
Cada lámpara entonces recibe sólo una parte de la tensión total del generador. Si las lámparas son iguales, la distribución de la tensión también se producirá de manera uniforme. De lo contrario, en la que tiene mayor resistencia debe haber mayor tensión entre sus terminales. Utilizamos este principio a las lámparas de árboles de Navidad. Conectando 10 lámparas iguales de 12 V en serie, se puede alimentar el conjunto en la rede de 127 V, como puede verse en la figura 102. Como las lámparas son las mismos, cada una recibe de 12,7 V que necesita y funcione a la perfección.
Figura 102 - bulbos del árbol de Navidad en serie
Cuando conectamos generadores en serie de manera que las tensiones se suman los polos del mismo nombre estarán en el mismo lado, a fin de obligar a la corriente en la misma dirección. Por lo tanto, hacemos una "cola" de los generadores con el polo positivo de cada uno a lo negativo de lo que está delante, como se muestra en la Figura 103.
Figura 103 – Conexión de generadores en serie
Si conectamos de esta manera 4 pilas de 1,5 V tendrán una "pila" de 6 voltios.
No aumentará la capacidad de la corriente en este caso. Si los generadores (baterías) pueden proporcionar por separado una corriente máxima de 1 ampère, esta también será la capacidad de la batería obtenida. En este punto es bueno hablar de la autonomía de una batería, pila o acumulador. Esta característica, como hemos visto se utiliza para obtener pilas de 9 V con el "amontonamiento" de células de 1,5 V.
Recuerde: Cuando decimos que una batería de 12 V tiene una capacidad de entrega de energía de 10 ampères x hora (abreviado a 10 Ah) eso significa que puede proporcionar a un circuito externo una corriente de 10 ampère durante 1 hora, 5 ampères durante 2 horas o 1 ampère durante 10 horas.
Conexión en paralelo
Para que cada lámpara o dispositivo reciba la misma tensión dele generador debemos hacer la conexión en paralelo, como se muestra en la Figura 104.
Figura 104 - lámparas conectadas en serie
Cada componente de la asociación debe tener un polo al positivo del generador y el otro va al negativo, de modo que todos están sujetos a la misma tensión. La corriente que circulará cada uno depende de su consumo de energía, es decir, su resistencia. Utilizamos este tipo de conexión en instalaciones domésticas o incluso una instalación coche y en muchos tipos de circuitos electrónicos. Todas las tomas de energía y todas las lámparas se conectan en paralelo. Por lo tanto, si la entrada del sistema se aplica 110 V, cada salida y cada lámpara tendrán una operación independiente, recibiendo su 110 V. Tenga en cuenta que, en esta lección, los dispositivos alimentados se especifican para operar con una tensión igual al generador y no menos.
La ley de Kirchhoff
El cálculo de las corrientes y tensiones en un circuito formado por resistores y generadores asociados de forma compleja se puede hacer sobre la base de las leyes de Kirchhoff. Las dos leyes, que pueden ser estudiados con mayor profundidad en los cursos de física de la escuela secundaria, secundaria, dicen:
Primera Ley (LCK): (Ley de los nodos La suma de las corrientes que llegan a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del mismo nodo. Si representamos las corrientes que llegan en valores positivos y dejando
para las que salen los valores negativos decimos que la suma de todas las corrientes en un nodo debe ser cero. Podemos escribir la siguiente fórmula para expresarlo:
I1 + I2 + I3 + ....... + In = 0 (f.4.3)
Dónde: I1, I2, I3 son las corrientes... en el nodo (en ampères)
Vea la Figura 105 una representación de esa ley.
Figura 105 - Primera Ley de Kirchhoff
En este circuito I1 + I2 - I3 - En = 0 I1 y I2 entran en el circuito y son positivas. I3 y In están representados por valores negativos.
Segunda Ley (LVK): (ley de los lazos) Cuando se desplaza en un bucle cerrado (circuito cerrado) la suma de todas las fuerzas electromotrices y contra electromotriz y los productos R x I es cero. Podemos escribir la siguiente fórmula para expresarlo:
E1 + E2 + E3 + .... + En = R1.i1 + R2.i2 + R3.i3 + ..........+ Rn.in (f.4.4)
Donde: E1, E2,... In son las fuerzas electromotrices en volts R1, R2, R3,... Rn son las resistencias en el circuito en ohms i, i1, i2, i3 ... que es la corriente en ampères.
La Figura 106 ilustra esta ley.
Figura 106 - Segunda Ley de Kirchhoff
En este ejemplo tenemos:
E1 – E2 = R1 x i + R2 x i + R3 x i
Tenga en cuenta que la dirección de la corriente de E1 se opone a de E2, así adoptando un sentido horario, E2 aparece negativo (menos). Los lectores que deseen mejorar el conocimiento de las leyes de Kirchhoff pueden encontrar más detalles, incluyendo problemas en libros de física de la escuela secundaria.
Gustav Robert Kirchhoff (Königsberg, 12 de marzo de 1824 — Berlin, 17 de octobre de 1887)
Matemáticas El dominio de las matemáticas es importante para trabajar con la electrónica, pero no del todo necesario. Es necesario, sin embargo, tener el conocimiento básico de las simples operaciones tales como cuatro operaciones, el trabajo con fracciones y raíces y tener algún conocimiento de la trigonometría. Este curso tiene un contenido conceptual de trabajando con pocas matemáticas, pero los que quieren ir más allá deben considerar la necesidad de pensar adelante. Un curso de matemáticas básicas o las matemáticas para la electrónica va a ser muy importante.
Inglés
En esta lección tenemos algunos términos que deben ser centrados más la atención cuando se encuentran en la documentación en inglés. Hemos señalado que la fuente de alimentación Inglés es power supply y un generator es una fuente de energía (fuente de energía) .Las baterías se denominan célls y batteries. Veamos algunos de estos términos: Cell - pila o célula de energía (una batería) Battery - Batería Acumulator - Acumulador Rechargeable cell - Batería recargable Dynamo - Dynamo Alternator - Alternador Kirchhoff's Laws - La ley de Kirchhoff Series - Serie Parallel - Paralelo
Búsqueda sugerida:
a) Las reacciones químicas b) Las fuentes alternativas c) Las células solares d) Las plantas de energía nuclear e) Fukushima
f) Baterías g) Alessandro Volta h) Acumulador de plomo ácido i) Reacciones iónicas ) La ley de Kirchhoff
Cuestionario
1. Son generadores químicos de la electricidad: a) Baterías b) Los alternadores c) La célula solar d) Las centrales nucleares
2. ¿Las células solares convierten qué tipo de energía en energía eléctrica? a) Calor
b) Luz c) Viento d) Energía mecánica
3. De acuerdo con la primera ley de Kirchhoff, la suma de las corrientes en un nodo particular de un circuito siempre es: a) Positiva b) Negativa c) Zero d) Nada de lo que podemos decir
4. ¿En una instalación eléctrica doméstica, las tomas de corriente están todos conectados de qué modo? a) Serie b) paralelo c) Algunos en serie y otras en paralelo d) depende de la tensión
5. ¿De qué modo están conectados para formar los circuitos que deben proteger?
a) Serie b) paralelo c) depende del circuito d) depende de la tensión
6. ¿Una batería de 10 Ah puede alimentar un circuito que requiere 2 A por cuánto tiempo? a) 10 horas b) 20 horas c) 5 horas d) 2 horas
LECCIÓN 5 - CAPACITORES Uno de los componentes más importantes será estudiado en esta lección. Estudiaremos diferentes tipos de capacitores, que después de los resistores son los más comunes de todos los componentes. Analizaremos sus propiedades y también una especie de circuito importante que combina un capacitor con un resistor. En esta lección, el lector tendrá los siguientes elementos:
1. ¿Qué son los capacitores? 2. Las unidades de capacitancia 3. Tipos de capacitores 4. Códigos de valores 5. Asociación de capacitores 6. Los capacitores especiales 7. Circuitos de tiempo RC 8. Blindajes 9. Capacitancias parásitas
5.1 - O que son los capacitores
Los capacitores (que también se llaman erróneamente condensadores
por ex profesionales) son componentes electrónicos formados por conjuntos de placas de metal entre las que hay un material aislante que define su tipo. Así, si el material aislante es mica tendrá un capacitor de mica, si un tipo de plástico llamado poliéster tendrá un capacitor de poliéster. Si la cerámica, tener un condensador cerámico y así sucesivamente. Hay muchos materiales que pueden ser usados para producir condensadores. Dos placas, que tienen un material aislante entre ellos (llamados genéricamente dieléctrico), presentan la propiedad de almacenar cargas eléctricas y, por tanto, también la electricidad. En la figura 107 podemos observar un capacitor, donde el dieléctrico es una placa de vidrio y las placas denominadas armaduras, son placas metálicas planas. Decimos que se trata de un "capacitor plano" En esta misma figura tenemos el símbolo adoptado para representar un capacitor.
Figura 107 - Un condensador de vidrio
Cuando conectamos una placa en la otra, para proporcionar un camino para que las cargas se neutralicen, a través de un alambre, se descarga
el capacitor. En la figura 108 se observa el proceso de descarga de un capacitor.
Figura 108 - descarga de un condensador
Tenga en cuenta que las cargas se almacenan en el capacitor por una atracción electrostática que se produce a través de su dieléctrico. Por lo tanto, entre las placas de un capacitor se manifiesta una tensión eléctrica, y entre ellos hay un campo eléctrico uniforme en el caso del capacitor plano. También es importante tener en cuenta que en un capacitor cargado las armaduras siempre tienen la misma cantidad de cargas (positivas y negativas). La capacidad de almacenamiento de un capacitor define lo que llamamos "capacitancia" de un capacitor que depende de tres factores: el tamaño de la armadura, de material dieléctrico y el espesor del dieléctrico.
La capacidad de almacenamiento o la capacitancia del capacitor será mayor cuanto mayor sea la armadura, más fino es el dieléctrico y más alta es la constante dieléctrica del material como dieléctrico.
Condensador El "nombre" de condensador surgió de sus inventores, creadores de la botella de Leyden, que creyeron que la electricidad podía ser "condensada" y almacenada. Hasta hoy en algunos medios técnicos, sobre todo entre los más antiguos los eléctricos y de electricidad relacionada con automóviles, se utiliza el nombre "condensador" para el componente.
Descarga de una botella de Leyden. Una chispa se produce en el proceso.
Electret
Existe una clase de material que se comporta como un capacitor natural, sin necesidad de armaduras. En este material eléctrico se forman dipolos que se orientan de tal manera que un lado de este material acumula cargas positivas y del otro lado cargas negativas. Podemos decir que es un "capacitor natural", como se muestra en la figura 109.
Figura 109 – Cargas en las caras de un micrófono de electret
Como veremos más adelante en este curso el electret sirve para la fabricación de componentes electrónicos importantes.
5.2 - Unidad de capacitancia
La capacidad de un capacitor para almacenar cargas, mejor llamada capacitancia, es medida en farads (F), pero como es una unidad muy grande, es común utilizar sus submúltiplos. Tenemos entonces el microfarad (μF) que equivale a una millonésima parte de lo farad o 0,000 001F y en los capacitores muy antiguos encontrado es abreviado como mfd o MFD. Un submúltiplo más pequeño es el nanofarad, que equivale a 0.000 000 001 F o la milésima parte del
microfarad y se abrevia por nF.
Atención: Debemos ser muy cuidadosos de no confundir el mfd de un capacitor que significa el viejo MFD con mF de un capacitor moderno que es 1 milésimo de farad o milifarad. Aunque raramente se utiliza este submúltiplo del farad, debemos estar atentos.
Por último tenemos el picofarad (pF) que es la milésima parte de la nano farad o 0.000 0000 000 001 F. En capacitores muy viejos pueden encontrar el picofarad expresado como mmfd o micro-micro-F e incluso uμF.
Confusión: La manera de que los valores de ciertos componentes están marcados es la causa de gran confusión en el medio. Así, no pocas veces los aparatos dejan de funcionar porque un montador o un reparador confundieran un capacitor de un valor a otro, haciendo el intercambio. El profesional debe ser muy consciente de eso y, sobre todo aquellos que están aprendiendo.
Es común el uso de potencias de 10 para expresar números con muchos ceros. Así que hemos demostrado en la tabla que dio la lección sobre resistores. Ver entonces que 1 nF es equivalente a 1 000 pF y que 1 uF
equivale a 1 000 nF o 1 000 000 pF.
5.3 - Tipos de capacitor
Existen muchos tipos de capacitores, utilizados en diversas aplicaciones de las electrónicas, como el lector puede ver en la figura 110.
Figura 110- tipos, símbolos y aspectos.
Los capacitores tubulares, que están formados por hojas de conductores en bobinas y dieléctricos, se utilizan en circuitos de frecuencia media y
baja mientras que aquellos con armadura y dieléctricos planos se utilizan en circuitos de alta frecuencia. Por qué se verá en lecciones futuras. Tenga en cuenta que los nombres dados a los capacitores dependen sólo del material que se utiliza como un dieléctrico o eventualmente la tecnología empleada como ocurre en el caso de los llamados electrolíticos. Los capacitores electrolíticos de aluminio o simplemente se la estructura básica se muestra en la figura 111.
Figura 111 – Un capacitor electrolítico de aluminio
Una de sus armaduras es de aluminio que, en contacto con una sustancia químicamente activa, si la capa de óxido formando un aislante muy fino sea el dieléctrico. De esta manera, como la capacitancia es tanto mayor como más fino sea, se puede obtener capacitancias muy grandes con un componente relativamente pequeño.
Cabe señalar que los capacitores electrolíticos son componentes polarizados, es decir, la armadura positiva debe ser siempre la misma. Si hay una inversión, cargando la armadura positiva con cargas negativas, el dieléctrico será destruido y con eso el capacitor. Observando un capacitor de este tipo vemos que hay una identificación directa de polaridad (positiva o negativa) o alguna forma de hacer esta identificación). En la familia de los capacitores electrolíticos encontramos un tipo especial que emplea una sustancia que permite capacitancias aún mayores que los obtenidos por el óxido de aluminio. Este es el óxido de tantalio, que conduce a capacitores de tantalio, que se muestra en la figura 112.
Figura 112- En la izquierda los tipos comunes y a la derecha los tipos SMD
Estos capacitores pueden encontrarse en el rango de 0.1 μF a 100 000 uF o más.
El mismo, solo diferentes: Aunque todos los capacitores tienen el mismo principio de operación, la forma en que están construidos y el material utilizado en el dieléctrico faz con que tiene diferentes comportamientos en los circuitos. Por lo tanto, es importante que siempre se utilizar en un proyecto, una reparación o en otro caso, un capacitor del mismo tipo que el original o apropiado para la aplicación. Un capacitor de poliéster, por ejemplo, no debe utilizarse en circuitos de alta frecuencia.
Súper e Híper capacitores
La unidad usada para medir la capacitancia de un capacitor, farad (F) es muy grande, así que los capacitores encontrados aplicaciones prácticas siempre tienen capacitancias de fracciones de farads (uF, nF y pF). Segundo se puede calcular, un capacitor que utilice tecnologías comunes para tener una capacitancia de 1 faradio debe ser del tamaño de la tierra. Sin embargo, la tecnología de fabricación de capacitores con dieléctricos cada vez más finos permiten la fabricación de pequeños capacitores con capacitancias gigantescas: se llaman supercapacitores e hipercapacitores, como se muestra en la figura 113.
Figura 113 – un supercapacitor de 900 F.
La carga de tales capacitores representa una cantidad de energía tan grande que se puede utilizar como una fuente de energía, en cambio de pilas en algunas aplicaciones.
Energía almacenada
Cargas almacenadas en un capacitor representan energía. Por lo tanto, un capacitor almacena energía eléctrica. Esta energía no está exactamente en las cargas, pero en el campo eléctrico que se manifiesta entre las armaduras. Si obtenemos un capacitor cargado y conectamos a través los terminales de los conductores (armaduras) se produce con una corriente de muy corta duración y una chispa que muestra la participación en el proceso de una cierta cantidad de energía, como se muestra en la figura 114.
Figura 114-carga y descarga de un condensador
Sin embargo, la cantidad de energía que un capacitor común puede almacenar es muy pequeña. Incluso un capacitor de 1 000 uF conectado a una pequeña lámpara o LED no los mantendrá encendidos durante más de unos segundos. La energía almacenada en un capacitor se mide en Joules (J). Podemos calcular esta energía a través de la fórmula:
E = ½ x C x V2
Donde: E es la energía almacenada en Joules (J) C es que la capacitancia en farads (F) V es el voltaje en volts (V)
Vemos que la energía es proporcional al cuadrado de la tensión, por lo que si dobla la tensión, la capacidad de almacenamiento de un capacitor se cuadruplicó. En la práctica una de las aplicaciones para los capacitores de alto valor (electrolíticos) es precisamente como un reservorio de energía. Compensan las variaciones en el consumo en un circuito cuando el circuito requiere más corriente descargando-se y para formar una reserva cuando el consumo es menor. Se estudiarán en el curso de electrónica analógica (Segundo volumen de esta serie)
Choques y retención de carga Los capacitores pueden conservar su carga durante un tiempo. Este tiempo depende de la calidad del dieléctrico. Si el dieléctrico tiene fugas (baja resistencia) cargas se pueden neutralizar a través de él y el capacitor descarga rápidamente. El ambiente húmedo favorece también la descarga.
Sin embargo, un capacitor que se carga con alta tensión puede mantener esta carga por horas o incluso días. Así, en los circuitos de alta tensión es importante cuidado no tocar el nos capacitores, incluso con la unidad apagada, ya que puede causar choques. Se indican los procedimientos para la descarga antes de trabajar en el aparato.
5.4 - códigos de valores
Algunos tipos de capacitores son muy pequeños, haciendo difícil marcar sus valores y otras características importantes de forma directa, tales como la tensión de trabajo y la tolerancia. La tensión de trabajo nos dice qué es la tensión máxima que puede ter un condensador cargado sin que una chispa se produzca entre las armaduras, rompiendo el dieléctrico y con eso arruinarlo. Esta tensión puede variar desde unos pocos volts a miles de volts, dependiendo del tipo. La tolerancia nos dice cuál es la diferencia que encontramos entre el valor real del capacitor y el valor marcado, sin que la diferencia indique que tiene problemas. Así, para algunos tipos de capacitores hay también códigos especiales para especificar valores.
Serie de valores De la misma forma que estudiamos en el caso de resistores, dependiendo de la tolerancia los capacitores se fabrican con valores estándar para las tablas indicadas como E6 y E12. Para los tipos comunes, como los electrolíticos la serie más frecuentemente utilizada es la E6. Por lo tanto, no encontramos más capacitores de 50 uF (como antes), sino más bien de 47 uF que es el valor determinado por la serie.
Capacitores de disco de cerámica, como puede verse en la figura 115, por ejemplo, tienen dos tipos de códigos de especificación que no se deben confundir.
Figura 115- dos tipos de códigos de los condensadores de cerámica
Para los valores pequeños, tenemos la especificación directa en picofarads (pF) donde hay una letra final mayúscula indicando su tolerancia, es decir, la variación que puede haber entre el valor real y el valor indicado. Estas letras, con sus significados son:
F = 1% J = 5%
M = 20% H = 2,5% K = 10%
Nota que la "K" se escribe con mayúscula, en este caso, y no se debe confundir con la "k" minúscula que indica kilo o x1000. Por lo tanto, 47J es decir 47 pF con tolerancia del 5% y 47 k significa ¡47 000 pF no 47 pF! Para valores superiores a 100 pF, el más común es el código de 3 dígitos, como el lector ve en la figura 115. En este código, multiplicamos los dos primeros dígitos por el factor dado por el tercero. Por ejemplo, si tenemos un capacitor marcado 104: tenemos que agregar 4 ceros al 10 para conseguir 10 0000 pF o 10 por 10 000 = 100 000 pF lo que es lo mismo. Haciendo la conversión a nF tenemos 100 nF o 0,1 uF . Así, 104 es lo mismo que 100 nF o 0,1 uF. Para los capacitores de cerámica también hay la marcación directa, como se muestra en la figura 116, en el que los valores se dan en el Microfarads (μF).
Figura 116 – marcación directa de valores – 0,1 uF o 100 nF y 470 nF o 0,47 uF
Para obtener el equivalente en nanofarads basta simplemente multiplicar por 1000: así 0.1 μF es igual a 100 nF. Para los pequeños capacitores SMD, el código es el mismo que el utilizado en el caso de resistores: 3 dígitos. En la figura tenemos 117 ejemplos de estos capacitores.
Figura 117 capacitores SMD
En algunos casos, el lector puede confundirse si se añade un código de la tolerancia a este marcado. Por ejemplo, un capacitor marcado 223J es un capacitor de 22 nF (22 + 000 pF) con +-5% de tolerancia. La tabla con
las tolerancias se expone a continuación.
Tabla: Letra Tolerancia B
+/- 0.10%
C
+/- 0.25%
D
+/- 0.5%
E
+/- 0.5%
F
+/- 1%
G
+/- 2%
H
+/- 3%
J
+/- 5%
K
+/- 10%
M
+/- 20%
N
+/- 0.05%
P
+100%, - 0%
Z
+80%, -20%
Un código que causa confusión es el formato de número-letra, como Z5U. Un capacitor marcado 103 Z5U es un capacitor de 10 000 pF o 10 nF indicado para las temperaturas en el rango de-10 °C + 85 °C a y una tolerancia de + 22% a -56%. La tabla siguiente muestra cómo leer este código adicional.
Código dieléctrico Primer Límite Segundo Límite Tercero Variación símbolo inferior de símbolo superior de símbolo máxima de la temperatura temperatura (letra) capacitancia (letra) (número) en la faja de temperatura Z
+10º C
2
+45º C
A
+1.0%
Y
-30º C
4
+65º C
B
+/- 1.5%
X
-55º C
5
+85º C
C
+/- 2.2%
6
+105º C
D
+/- 3.3%
7
+125º C
E
+/- 4.7%
F
+/- 7.5%
P
+/- 10.0%
R
+/- 15.0%
S
+/- 22.0%
T
+22%, -33%
U
+22%, -56%
V
+22%, -82%
Capacitores antiguos que todavía puede encontrarse en equipos más antiguos, utilizan un código de bandas de colores. Para estos capacitores de lectura se hace como en el caso de los resistores, siendo la cuarta banda la tensión de funcionamiento y la última banda la tolerancia: marrón significa 1%, rojo 2%, negro 20% y blanco el 10%. Hay otras normas que pueden eventualmente ser utilizadas en el marcado de los capacitores El primero es el estándar de EIA que se identifica fácilmente por que comienza con la letra R. a continuación se da un ejemplo:
R DM 15 F 271 (R) J 5 O (C)
Este código significa lo siguiente: R indica que es el código EIA DM indica un envoltorio dipped case, CM indica un tamaño de carcasa moldeada 15 Tamaño del envoltorio F Característica como tabla dada a seguir El R es un punto decimal cuando se utiliza (no siempre) los dos primeros dígitos - 271R los dos primeros dígitos de la mantisa de la capacitancia y la tercera el multiplicador. El capacitor es de 270pF.
J Es la tolerancia, según la tabla que tenemos. En el caso de J significa 5%. 5 La tensión de cientos de volts (EIA sólo) en el caso 500V O Es la faja de temperaturas de la tabla ya dada C Dice como son los terminales. Tipo cremalleras en este caso. Una S indica que son directos
El siguiente es un ejemplo del código militar: CM 15 B D 152 K N 3
CM
DM es una envoltura dipped y CM seria moldado
15
Es el código de tamaños moldeado
B
Se trata de la desviación de la capacitancia con la temperatura
D
Tensión segundo código dado más adelante en la tabla
152
Indica que la capacitancia es 1 500pF
K
Tolerancia: 10%, como tabla
N
Faja de temperatura conforme tabla
3
Grado de la vibración 3 -20 g 10 a 2.000 Hz durante 12 horas (1 es 10 g 10 55 Hz por 4.5 horas) Tabla de Características
EIA o MIL Código de Máximo desvío de capacitancia Característica
Coeficiente para la pista de temperaturas máxima
B
No especificado
No especificado
C
+/-(0.5% + 0.1pF)
+/- 200 ppm/ƒC
D
+/-(0.3% + 0.1pF)
+/- 100 ppm/ƒC
E
+/-(0.1% + 0.1pF)
-20 to +100 ppm/ ƒC
F
+/-(0.05% + 0.1pF)
0 to +70 ppm/ƒC
Faja de Temperaturas
M
-55 to 70 ƒC
N
-55 to 85 ƒC
O
-55 to 125 ƒC
P
-55 to 150 ƒC
Código Militar de Tensiones (V)
A
100
B
250
C
300
D
500
E
600
F
1 000
G
1 200
H
1 500
J
2 000
K
2 500
L
3 000
M
4 000
N
5 000
P
6 000
Q
8 000
R
10 000
S
12 000
T
15 000
U
20 000
V
25 000
W
30 000
X
35 000
Sin embargo, tenemos un problema interesante a tener en cuenta: un
resistor y un capacitor SMD tienen exactamente el mismo aspecto y usan el mismo tipo de código. Sólo podemos saber si tenemos un capacitor o un resistor consultando el dispositivo donde están o su con su medida, o incluso si se nos dicen de que componente trata.
Capacitores SMD
El código básico de capacitores SMD (para montaje en superficie) son generalmente formados por dos letras en un solo dígito. La primera letra es el fabricante y la segunda letra representa la mantisa del valor de capacitancia. El tercer símbolo, que es el dígito multiplicador es el exponente o picofarads (pF). Por ejemplo, KJ2 es un capacitor de un fabricante desconocido "K", que es 2,2 (J) x 100 = 220 pF. La siguiente tabla muestra la relación mantisas de los valores comunes:
Letra
Mantisa
Letra Mantisa
Letra
Mantisa
Letra Mantisa
A
1.0
J
2.2
S
4.7
a
2.5
B
1.1
K
2.4
T
5.1
b
3.5
C
1.2
L
2.7
U
5.6
d
4.0
D
1.3
M
3.0
V
6.2
e
4.5
E
1.5
N
3.3
W
6.8
f
5.0
F
1.6
P
3.6
X
7.5
m
6.0
G
1.8
Q
3.9
Y
8.2
n
7.0
H
2.0
R
4.3
Z
9.1
t
8.0
y
9.0
Capacitores electrolíticos SMD también tienen unos valores de código de marcado especial que se indican a continuación: Estos capacitores, a pesar de su pequeño tamaño, a través del código han marcado tanto la capacitancia como la tensión de funcionamiento. Como ejemplo podemos tener 22 6V que consta de un capacitor de 22 uF x 6 V. Sin embargo, también puede ser utilizado un código formado por una letra y 3 dígitos. La letra indica la tensión e de funcionamiento y los tres dígitos consisten en el valor, con los dos primeros dígitos, el valor y la tercera el multiplicador. El valor obtenido es dado en pF. La pista indica el terminal positivo. La siguiente tabla da los valores de tensión para la letra:
Letra
Tensión
E
2.5
G
4
J
6.3
A
10
C
16
D
20
E
25
V
35
H
50
Ejemplo: C225 significa un capacitor de 2,2 uF x 16 V ya que: 225 = 22 x 2.2 x 10 6 105 pF =2.2 uF
Aspecto Tenemos un interesante problema a considerar: un resistor y un capacitor SMD tiene exactamente el mismo aspecto y usan el mismo tipo de código. Sólo podemos saber si tenemos un
capacitor o un resistor consultando el dispositivo donde están o su diagrama o incluso si se nos informa de que componente se trata.
Códigos muy antiguos
En dispositivos muy viejos, que utilizan capacitores de mica y de cerámica, se pueden encontrar las marcas que utilizan códigos de color en forma de puntos pintados en el cuerpo del componente. Figura 118 muestra uno de estos capacitores.
Figura 118: en este tipo de condensador, los valores son en pF
La flecha indica la dirección de la lectura y la secuencia de los colores de los puntos se realiza como se muestra en la figura. Otro tipo de capacitor raro es el pin-up que tiene la codificación se muestra en la figura 119.
Figura 119- capacitor pin-up
En la figura 120 también tenemos otro tipo de capacitor de poliéster que se puede encontrar en aparatos viejos con su código. Estos son los capacitores llamados a "Cebra" en Brasil;
Figura 120 - capacitores de poliéster y su código.
5.5 - Asociación de capacitores
De la misma manera como en el caso de resistores, podemos conectar los capacitores en muchas maneras para combinar los efectos. Veamos lo que ocurre en dos casos importantes. 5.5.1-Capacitores en paralelo
En la figura 121 tenemos la forma de asociar capacitores en paralelo. Tenga en cuenta la similitud con la asociación de resistores que estudiamos en la lección anterior. Un capacitor es codo a codo con los otros con sus terminales conectados al mismo punto.
Figura 121-capacitores en paralelo
La capacitancia equivalente presentada por una asociación de este tipo está dada por la suma de las capacitancias de los capacitores asociados, o escribiendo esto con una fórmula: C = C1 + C2 + C3 +... + Cn (5.1)
Donde: C es la capacitancia equivalente C1, C2, C3... Cn son las capacitancias asociadas
Las unidades utilizadas siempre deben ser las mismas. Por ejemplo, si las capacitancias asociadas se expresan en nanofarads la capacitancia equivalente se encontrará en nanofarads. En la figura 122, C1 y C2 se conectan en paralelo.
Figura 122 y dos capacitores electrolíticos en paralelo
Propiedades de asociación paralelo de capacitores: I. Todos los capacitores son sometidos a la misma tensión II. El capacitor más grande se carga con la mayor carga III. La capacitancia equivalente es mayor que el más grande de las asociadas
Capacitores en Serie
En la figura 123 tenemos la forma de asociar capacitores en serie. Tenga en cuenta que en este caso, también tenemos similitud con la asociación de resistores.
Figura 123 – Asociación de capacitores en serie
La capacitancia equivalente a una asociación de este tipo está dada por la siguiente fórmula:
1/C = 1/C1 + 1/C2/C3 + 1 +... + 1... /Cn (f 5.2)
Donde: C es la capacitancia equivalente C1, C2, C3... Cn son las capacitancias asociadas
En este caso también debemos mantener la uniformidad de las unidades usadas. Propiedades de la asociación serie de capacitores: I. Todos los capacitores se cargan con la misma carga
II. El capacitor más pequeño está sometido a mayor tensión III. La capacidad equivalente es menor que la capacitancia del menor capacitor asociado.
Menor que el menor La tercera propiedad es muy importante en algunos casos especiales. Por ejemplo, si conectamos en serie un capacitor de 1000 uF, un de 100 uF y un de 1 uF, incluso sin calcular, podemos decir con certeza que el resultado será una capacitancia menor que 10 uF.
En la práctica, podemos encontrar capacitores asociados en algunos puntos de los dispositivos electrónicos, pero esto es raro. Saber que podemos asociar con los capacitores para obtener mayor o menor capacidad, o un valor diferente, es importante cuando no tenemos un capacitor de valor deseado y conectamos dos o más de una forma de obtener este valor deseado. En el trabajo profesional del mantenimiento en un equipo que no funciona, puede improvisar un capacitor de valor que no tiene asociando otros valores tales que resulta en la capacitancia deseada. Otro punto importante a considerar es que en cualquier equipo electrónico, encontramos todas las clases de capacitores estudiados, según su función y su valor. Así, en las fuentes y algunos circuitos de alta potencia son los electrolíticos de valores altos que se destacan y en placas madre para computadoras, dispositivos de medida y control podemos encontrar los tipos de cerámica y tantalio, poliéster en predominio.
Capacitores quemados Un capacitor no se quema, tornase inoperante por dos razones. Uno de ellos es cuando se "abre", es decir, no tiene más capacitancia, pero la armadura sigue siendo aislada. Otro caso es cuando entra en curto, es decir, su dieléctrico deja de ser un aislador y una muy baja resistencia se manifiesta entre las armaduras. Un caso intermedio se produce cuando el capacitor presenta fugas, es decir, el que iba a ser un perfecto aislante dieléctrico pasa a conducir presentando una cierta resistencia. Un caso común en los capacitores electrolíticos se produce cuando por cualquier daño el electrolito interior vaporiza y la presión provoca una hinchazón del componente. En otros casos, se produce la fuga. Por simple observación podemos realizar que este capacitor está en problemas.
5.6 - Capacitores variables y ajustables
Como en el caso de los resistores, también encontramos capacitores cuya capacitancia se puede ajustar a través de algún tipo de elemento de acción. Estos capacitores se llaman variables o ajustables. Los capacitores variables son aquellos que, a través de un sistema de accionamiento mecánico puede cambiar su capacitancia en cualquier momento por un botón, por ejemplo. Un ejemplo de capacitor variable es lo que encontramos en las radios comunes (no digitales) donde los cambios de estación se realizan girando un botón. Capacitores ajustables son los que están dentro de un equipo y cuya capacitancia se ajusta a través de un destornillador común o llaves especiales. Un ejemplo del capacitor de ajuste es el trimmer. Los capacitores de ajuste tienen valores pequeños, por lo general unos pocos picofarads. Se especifican por el rango de valores que pueden adquirir. Un trimmer 2-20 pF es un capacitor de ajuste que puede haber establecido su capacitancia entre estos dos valores. Vea la Figura 124 para los tipos de capacitores variables, junto con sus símbolos.
Figura 124 - capacitores variables y trimmers
Tenga en cuenta que algunos tipos de capacitores tienen diferentes secciones, por ejemplo, encontrarse en muchas de radio AM /FM de bajo costo con la sintonía hecha por botón.
Los capacitores de estado sólido
Como el lector podrá aprender en el curso de electrónica analógica, hay componentes especiales, fabricados con materiales semiconductores que se comportan como capacitores. Se dice que son capacitores de estado sólido o varicaps y se utilizan en los circuitos de sintonía de muchos dispositivos modernos. En la figura 125 tenemos el símbolo adoptado
para representar estos capacitores.
Figura 125 - Símbolo del varicap
5.7 - Circuitos de tiempo RC
Cuando conectamos un capacitor en serie con un resistor tenemos uno de los circuitos básicos más importantes de la electrónica: el circuito de tiempo RC (donde R es el resistor y C el capacitor). Si conectamos este circuito a un generador (Ve) como se muestra en la figura 126 y accionarnos interruptor S1, el capacitor no se carga de inmediato, pero a una velocidad que depende de la cantidad de corriente pasa por el resistor, es decir, depende de su valor.
Figura 126 - circuito en serie RC
Por lo tanto, si hacemos un gráfico que representa la carga del capacitor, tenemos una curva como puede verse en la Figura 127.
Figura 127 - curva de carga del capacitor
Tenga en cuenta que el capacitor, inicialmente se carga rápidamente, ya que como está descargado, la tensión entre sus armaduras es cero y por lo tanto puede fluir la corriente máxima que se determina sólo por el valor del resistor. Sin embargo, a medida que el capacitor se carga y la tensión entre sus armaduras aumenta, disminuye la corriente a través del resistor y la carga se hace más lenta. La curva es tal que el capacitor teóricamente no se carga completamente, es decir, la curva de carga tangencia la carga máxima en el infinito. Sin embargo, podemos establecer un punto muy importante de esta curva: el punto en el que la carga alcanza el 63,2% del máximo mostrado en la Fig.127. Este punto determina la constante de tiempo del circuito, y puede ser calculado simplemente multiplicando el valor de R para el valor de C de acuerdo con la siguiente fórmula:
τ = R. C
Donde: Τ es la constante de tiempo en segundos (s) R es la resistencia en ohms (Ω) C es la capacitancia en farads (F)
Ver que si después de cargar un capacitor, la descarga a través de ese circuito que puede verse en la figura 128, también tenemos una curva de descarga similar.
Figura 128 - descarga de un capacitor a través de un resistor
En esta curva, el punto que determina la constante de tiempo es dado por el instante en que la carga del capacitor se reduce a 37,8% de la plena carga, utilizando la misma fórmula.
Temporizadores o Timers Una categoría importante de los circuitos es la formada por los temporizadores, o sea, circuitos que generan retardos, tiempos de conducción o el apagado, dispositivos de sincronización, etc. Estos circuitos utilizan principalmente redes RC para determinar los tiempos deseados.
5.8 - Blindajes
Dos problemas principales pueden ocurrir en algunos equipos: la radiación de interferencias y ruido; recepción de interferencias y ruidos. La interferencia y el ruido entran e salen de las dos tipos de equipos a través de los cables que hacen que las conexiones al equipo, o espacio, en forma de campos, como se muestra en la Figura 129.
Figura 129 - interferencia y el ruido generado por un motor que viene con la TV por cable o espacio
Para evitar la interferencia y el ruido son radiados o recibidos por los circuitos se utilizan blindajes. Básicamente tenemos dos tipos de pantallas o blindajes para ser estudiados:
Electrostática
La más ampliamente conocida es la electrostática que se basa en el principio de la jaula de Faraday. Si se involucra un cuerpo por una de jaula de metal, como se muestra en la Figura 130, el campo eléctrico en el interior es cero, es decir, no hay penetración de las líneas de fuerza de este campo.
Figura 130 - Ejemplo de protección electrostática para un motor que irradia interferencia
En el caso de circuitos electrónicos, para que la jaula funcione, evitando la interferencia y el ruido de llegar a los puntos sensibles, no debe haber una conexión a la tierra. El blindaje de los componentes sensibles, cables y alambres, se basan en este principio y es crucial que la malla o blindaje estén conectados a tierra para operar satisfactoriamente.
Michael Faraday (1791 - 1867)
Magnética
Hay componentes que, como veremos en su momento, producen campos magnéticos fuertes durante la operación. Además de los motores, solenoides y otros que estudiaremos también podemos mencionar los transformadores. Los campos magnéticos de estos componentes pueden causar problemas de funcionamiento en los circuitos sensibles. La protección magnética se puede realizar con ciertos materiales, tales como cobre y aluminio, que tienen propiedades diamagnéticos, es decir, en lugar de concentrar las líneas de fuerza del campo magnético, las
dispersan. Por lo tanto, el blindaje magnético de tales componentes o circuitos que son sensibles a los campos magnéticos pueden ser hechas con estos materiales.
5.9 - La capacitancias parásitos
Dos conductores separados por un material aislante forman un capacitor y así tienen una serie de propiedades que caracterizan a estos componentes. Esto significa que usted realmente no necesita haber establecido una estructura con dos placas y un pedazo de material aislante para que se forme un capacitor. Dos cables que corren uno al lado de lo otro, dos contactos separados (off), dos pistas de una placa de circuito impreso, un área de cobre de una placa de circuito impreso en un lado y otra área en el otro lado, forman un capacitor, como se muestra en la figura 131.
Figura 131 - Alambres paralelos o tranzados funcionan como un capacitor
Como estos capacitores parecen de una manera no deseable en algunos casos, pueden influir negativamente en el funcionamiento del dispositivo,
dicen que representan "capacitancia parásita", es decir, son capacitores parásitos. Existen varias técnicas que la electrónica profesional, en especial va a trabajar con circuitos rápidos (comunicaciones, por ejemplo) que necesita saber cómo reducir o eliminar estas capacidades.
Capacitancia del cuerpo
Cuando nos acercamos a un objeto metálico sin tocarlo, este objeto funciona como una armadura y nuestro cuerpo como otra armadura de un capacitor cuyo dieléctrico es el aire que nos separa, como se muestra en la Figura 132.
Figura 132 – La capacitancia del cuerpo
Este hecho se puede utilizar en equipos electrónicos para detectar la presencia de personas o el toque de los dedos en un display de celular. El toque o aproximación de la persona hace que el circuito conectado a la placa vea un capacitor cuyo valor depende del objeto que se aproxima. Cuando una persona (o un objeto) se acerca, su capacitancia aumenta y esto puede ser usado para detectar su presencia.
La Tierra es un capacitor
Una esfera de metal cargado de electricidad es lo que llamamos el
capacitor esférico. Su capacidad de almacenamiento depende del diámetro. La tierra es esférica, conductora y puede ser considerado como un gran capacitor. Los cálculos muestran que su capacitancia es del orden de 1 Farad.
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Inglés
Hay algunos términos en inglés relacionados con esta lección dignos de mención. Uno de ellos es, precisamente, en relación con los términos de condenser (de condensador) y el capacitor (para el capacitor), En Inglés se observó
una buena distinción entre los significados de las dos palabras. El término condenser se utiliza para los condensadores químicos, como se usa en el destilador.
Otros términos:
Jarr Leyden - botella de Leyden Charge - carga Discharge - descarga de Trimmer Capacitor - trimmer Variable - Variable Capacitance - capacitancia Stored energy - energía almacenada
CUESTIONARIO
1. Cuando se carga un capacitor, se puede afirmar que: a) Las armaduras están cargados positivamente b) las armaduras están cargadas negativamente c) Una armadura es positiva y la otra negativa d) El dieléctrico está cargado positivamente
2. ¿Un capacitor que tiene hojas de mica como dieléctrico es un capacitor de qué tipo? a) electrolítico b) mica c) tubular d) cerámico
3. ¿Cuál es la capacitancia de un capacitor cerámico que el marcado es 473? a) 47 pF b) 47 nF c) 470 nF d) 0,47 uF
4. Un capacitor de 200 nF conectado en serie con un capacitor de 300 nF resultando en una capacitancia equivalente de: a) 500 nF b) 120 nF c) 200 nF
d) 250 nF
5. ¿Cuál es la constante de tiempo de un circuito RC formado por un capacitor de 2 uF y un resistor de 2 M ohms? a) 2 segundos b) 4 segundos c) 2 000 segundos d) 0,4 segundos
6. Podemos expresar una capacitancia de 0,05 uF como: a) 5 pF b) 5 nF c) 50 nF d) 50 pF e) 500 nF
7. ¿Qué es un supercapacitor? a) Un capacitor de alto voltaje b) Un grande capacitor
c) Un capacitor especial de mica d) Un capacitor de muy alta capacidad
8. ¿Cuál es la capacitancia obtenida con la combinación de un capacitor de20 uF en serie con un 30 uF? a) 50 uF b) 12 uF c) 25 uF d) 10 uF
LECCIÓN 6 - MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
En esta lección vamos a profundizar en el conocimiento de componentes que aprovechan los efectos magnéticos de la corriente eléctrica y los campos magnéticos. Estos componentes forman una gran familia, de importancia fundamental para la electrónica y que, por su naturaleza, requieren un especial cuidado de los profesionales que van a trabajar con ellos. La lección teórica 6 estará formada por los siguientes elementos.
1 - Imanes permanentes 2 - La inducción y la inductancia 3 - Medición de inductancia 4 - Asociación de inductores 5 - Circuitos LR 6 - Solenoides, relés y motores 7 - Sensores magnéticos 8 - Instrumentos indicadores
6.1 – Imanes Permanentes
Una carga eléctrica en movimiento produce una perturbación en el espacio de naturaleza diferente de la producida por una carga de parada (estática). Una carga en movimiento produce un campo magnético. El estudio de los efectos de las cargas y los campos que producen es hecho por la rama de la física llamado "magnetismo". Tenemos dos especies básicas de los campos magnéticos asociados con las aplicaciones en electrónica. El primero es el campo producido cuando electrones girando alrededor de los átomos se orientan de tal manera que realizan un movimiento de forma organizada. El campo que produce en el material se manifiesta, polos magnéticos en este cuerpo surgen, y ello se convierte en un imán permanente, como podemos ver en la figura 133.
Figura 133 - los polos de un imán
Los Polos Norte (N) y Sur (S) de un imán son inseparables, porque
cuando corta en el medio, nuevos polos surgen así que siempre se tiene un imán completo. En la figura 134 podemos observar esta propiedad importante de los imanes.
Figura 134 - corte un imán, siempre aparecen nuevos polos
Representamos el campo magnético de un imán a través de "líneas de fuerza". Estas líneas imaginarias son siempre cerradas, dejan los polos norte de los imanes y llegan al polo sur, como puede verse en la figura 135.
Figura 135 - Los polos de un imán y el campo magnético representado por líneas de fuerza.
Tenga en cuenta que las líneas de fuerza del campo magnético nunca se cruzan y siempre se concentran más donde en el campo es más intenso, o sea, donde las fuerzas de atracción o repulsión son más fuertes. Otra propiedad muy importante de los imanes, que siempre hay que recordar, es la que dice que se repelen los polos de mismo nombre, y polos de nombres opuestos se atraen, como se muestra en la figura 136.
Figura 136 – Polos de mismo nombre se repelen y los opuestos se atraen
Los imanes permanentes pueden ser naturales, como la magnetita que es un mineral que ya se encuentra magnetizado, como también se puede obtener de ciertos materiales sometidos a campos magnéticos fuertes, que conservan estos campos, convirtiéndose en imanes permanentes. Existen varios tipos de materiales que pueden ser magnetizados, resultando en imanes permanentes con amplias aplicaciones en la electrónica. El Alnico es una aleación utilizada en la fabricación de imanes.
La fuerza de un imán La fuerza de un imán depende de varios factores. Podemos comparar un imán a la tierra que, con la fuerza de la gravedad atrae los objetos. En el caso de la tierra, lo que determina la fuerza de atracción es su masa y la distancia desde su centro. En el caso de un imán es la "masa magnética" es que determina su fuerza, es decir, cuánta atracción por unidad de masa puede tener el material utilizado y la masa total del imán. Así, mismo imán de mismo tamaño, pero diferentes masas pueden tener diferentes atracciones. Últimamente algunas compañías son capaces de producir materiales con una capacidad de atracción muy grande dando por resultado súper imanes, algunas de las cuales pueden adquirirse en tiendas especializadas en Internet. ¡Súper imán de United Nuclear lo suficientemente fuerte para romper el brazo de una persona que trata de resistirla!
Materiales Diamagnéticos, Paramagnéticos y ferromagnéticos
Cuando los materiales se colocan en un campo magnético surgen fuerzas que afectan el movimiento de sus electrones. Estas fuerzas se deben a lo que se llama la ley de la inducción magnética, formulada por Faraday. Según la naturaleza del material, ellos reaccionan diferentemente a la presencia de un campo magnético. Esta reacción depende de la forma en que los electrones giran en torno a los átomos. En física al electrón se asocia un movimiento llamado spin. No podemos decir que es una rotación, porque como hemos visto no podemos decir que el electrón tiene una forma esférica. Pero, para distinguir este movimiento, podemos decir que los electrones pueden tener giros o rotaciones en direcciones opuestas, sólo con el propósito de entender el fenómeno. En la mayoría de los átomos electrones giran alrededor del núcleo en pares. Si los electrones de estos pares tienen direcciones opuestas, los campos magnéticos que producen si cancelan, como se muestra en la figura 137.
Figura 137- Los movimientos de los electrones ocurren de dos maneras,
llamados spins. Si los movimientos son en direcciones opuestas los campos son cancelados
Por otro lado, si los electrones no están emparejados, aparece un campo magnético que reacciona con los campos externos. Esto nos permite clasificar los materiales en tres grupos en cuanto a sus propiedades magnéticas:
Spin El movimiento de los electrones está asociado a lo que llamamos la spin. El spin se indica mediante un número que puede ser + 1/2 o – 1/2. De hecho, no podemos decir que el giro corresponde a la "rotación" de los electrones, porque hemos visto que, según los conceptos modernos de la física, el electrón no tiene una forma definida y mucho menos puede decir que es "esférico". Así, el valor del spin se refiere simplemente a una propiedad que esta partícula tiene.
Diamagnéticos - son los materiales que tienen una susceptibilidad magnética negativa. Estos materiales no mantienen el campo magnético cuando se somete a la acción de un imán que luego se quita. Cobre, oro y la plata son ejemplos de materiales diamagnéticos. Como dispersan las líneas de fuerza de un campo magnético, lo debilitando se utilizan en blindajes magnéticos, como se muestra en la figura 138.
Figura 138 – materiales diamagnéticos dispersan las líneas de campo.
Paramagnético - estos materiales tienen una susceptibilidad magnética positiva pequeña. Esto significa que ellos concentran las líneas de fuerza de un campo magnético y, por esta razón, son atraídos por los imanes. Sin embargo, no conservan las propiedades magnéticas cuando se quita el imán. Ejemplos de materiales ferromagnéticos son tantalio, magnesio y litio. En la figura 139 mostrar lo que sucede.
Figura 139 – Los materiales paramagnéticos concentran las líneas de fuerza del campo magnético
Ferromagnéticos - materiales ferromagnéticos tienen una alta susceptibilidad magnética siendo fuertemente atraídos por los imanes y pueden todavía ser capaces de conservar las propiedades magnéticas, incluso después de retirar el campo, es decir, son objetos magnetizables. Estos materiales deben sus propiedades de dominios magnéticos. Los dominios son regiones formadas por un gran número de átomos que tienen sus electrones alineados, como se muestra en la figura 140.
Figura 140 – dominios en un material desmagnetizados
Cuando el material es desmagnetizado, las áreas se orientan aleatoriamente en el material para que sus campos magnéticos se cancelen. Cuando se aplica una fuerza magnética, los dominios se alinean y se crea un fuerte campo magnético dentro del material. En algunos casos el material retiene la orientación, lo que resulta en un imán y en otros los dominios si desorientan otra vez cuando se quita el campo, ocurriendo la des magnetización. Hierro, níquel y cobalto son algunos materiales que caen en este grupo. En la figura 141 mostramos un clavo de hierro (material paramagnético) que magnetiza cuando toca en un imán, lo que lo transforma en un imán capaz de atraer limaduras de hierro, pero pierde esta propiedad cuando se quita el imán.
Figura141 – un clavo si magnetiza cuando en contacto con un imán
Punto Curie Cuando un material puede mantener la orientación de sus campos magnéticos ello se convierte en un imán. Esto puede hacerse a través de diversos procesos, dando lugar a los imanes artificiales. Sin embargo, los dominios pueden desorientar otra vez si se calienta el material. La temperatura en la cual el material deja de retener el magnetismo y por lo tanto pierde el imantada se llama el punto Curie.
6.2 – La inducción y la inductancia
Como hemos estudiado en lecciones anteriores, también podemos producir campos magnéticos haciendo circular una corriente por un hilo o componentes en forma de bobinas, como el lector puede ver en la figura 142.
Figura campo 142 - magnético de una bobina cilíndrica o solenoide
También puede observarse un fenómeno inverso. Si ponemos un imán que se mueve alrededor de un alambre para que las líneas de fuerza del campo magnético corten el hilo como se muestra en el 143 (a), o si el alambre se mueve en relación al campo magnético con el fin de cortar sus líneas de energía, como se muestra en la misma figura en (b). Con esto, en los extremos del alambre aparece una tensión y si este cable está conectado a un circuito externo, circula una corriente que enciende la lámpara.
Figura 143 - Inducción electromagnética
Este fenómeno se llama inducción electromagnética siendo aprovechado en numerosas aplicaciones en electricidad y electrónica. El sentido del movimiento de la corriente que será inducido depende del movimiento relativo del conductor en el campo. Puede encontrar más información acerca de cómo determinar este sentido en los libros de la física. Tenemos muchos diferentes tipos de componentes y dispositivos que utilizan bobinas para crear campos magnéticos para múltiples propósitos. Uno de ellos es el electroimán que ya enseñan al lector a montar en los artículos de nuestro sitio, pero hay muchos otros. Veamos algunos de ellos:
Bobinas o inductores
En la práctica, podemos destacar un primer componente que se hace con hilo enrollado mostrando propiedades adicionales más allá de simplemente crear un campo magnético cuando atravesado por una corriente. Este tipo de componente se denomina inductor. Para concentrar el campo magnético o darle propiedades adicionales, en lugar de simplemente enrollar el carrete sin núcleo, podemos poner dentro núcleos de distintos tipos de materiales con propiedades magnéticas importantes. En la figura 144 tenemos los símbolos para representar las bobinas o inductores (incluyendo el tipo con núcleo) y aspectos como los que se encuentran en muchos productos electrónicos.
Figura 144 bobinas o inductores – símbolos y aspectos
Las bobinas o inductores presentan propiedades eléctricas relacionadas principalmente con variaciones rápidas de la corriente. Estas propiedades resultan en lo que llamamos inductancia.
6.3 - Medida de la inductancia
La inductancia de una bobina se mide en una unidad llamada Henry (H). En este caso también es común utilizar sus submúltiplos: el mili Henry (mH) vale la milésima parte del Henry y Micro Henry (uH) que equivale a un millonésimo de Henry. Las bobinas de pocas vueltas, sin núcleo o con núcleos de ferrita (que aumentan su inductancia) se utilizan en circuitos de alta frecuencia o que trabajan con variaciones muy rápidas. Bobinas de muchas vueltas ya, choques de filtro, por ejemplo, que pueden tener núcleos de ferrita o incluso laminado de hierro trabajan con corrientes de baja y media frecuencia. Las bobinas son componentes importantes de dispositivos electrónicos en general y pueden encontrarse en distintas funciones. Uno de ellos es «filtrar» las variaciones muy rápidas de la corriente que podría afectar el funcionamiento de ciertas partes críticas. Los filtros de línea y algunos otros tipos de filtros hacen uso de esta propiedad de bobinas y su funcionamiento quedará claro como profundizamos en su estudio.
Inductores en la práctica Los inductores son componentes de fabricación complicada y a
menudo voluminosa. Un inductor de grande inductancia además de grande y pesado es un componente caro. Por lo tanto, hay en la electrónica moderna una tendencia a utilizar cada vez menos el inductor en los equipos. Incluso para montar dispositivos, cuando son aplicaciones en que inductores pueden constituir una dificultad adicional para el ensamblador que eventualmente debe hacerlo por su cuenta.
6.4 - Asociación de inductores
De la misma manera que los capacitores y resistores, los inductores también pueden ser conectados en serie y en paralelo. Cuando esto ocurre, sus efectos se combinan y tienen una "inductancia equivalente" que puede ser calculada sobre la base de las inductancias asociadas. Tenemos dos casos de asociaciones a tener en cuenta:
Asociación Serie de inductores
En la figura 145 se puede ver una asociación de inductores en serie.
Figura 145 - inductores en serie
La inductancia equivalente viene dada por la suma de las inductancias asociadas según la siguiente fórmula:
L = L1 + L2 + L3 + ....... + Ln (f6.1)
Donde: L es la inductancia equivalente (*) L1, L2, L3, Ln son las inductancias asociadas (*) (*) La unidad debe ser la misma para todas las inductancias (asociadas y equivalentes). Así, podemos trabajar con Henry, miliHenry o microHenry.
Asociación Paralelo de Inductores
En la figura 146 podemos ver una asociación de inductores en paralelo.
Figura 146-inductores en paralelo
La inductancia equivalente puede calcularse de la siguiente fórmula:
1/L = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 + ......... + 1/Ln
Donde: L es la inductancia equivalente (*) L1, L2, L3, Ln son las inductancias asociadas (*) (*) La unidad debe ser la misma para todas las inductancias (asociadas y equivalentes). Así, podemos trabajar con Henry, miliHenry o microHenry.
6.5 - Circuitos LR
Una bobina (Inductor) y un resistor que conectan en serie, como se muestra en la figura 147, forma un circuito LR.
Figura147 - Circuito en serie LR
Suponiendo inicialmente que este circuito la clave S1 se encuentra abierta, la corriente será nula. No habrá ningún campo magnético creado por el inductor. El instante en que el interruptor está cerrado, la corriente comienza a circular por el resistor e inductor de donde va a crear un campo magnético. Sin embargo, el campo magnético que la corriente tiende a crear tiene líneas de fuerza que se expanden y cortan las bobinas del inductor de sí mismo con el fin de inducir una corriente que se opone a que se estableciera, como el lector puede ver en la figura 148.
Figura 148-campo y corriente en la serie de LR del circuito inductor
El resultado de esto es que inicialmente el corriente del inductor encuentra una fuerte oposición, es decir, encuentra una fuerte resistencia que disminuye considerablemente su intensidad. Al hacer un gráfico para mostrar lo que ocurre, vemos que el momento que clave (S1) cierra la corriente es prácticamente cero. Como a medida que líneas del campo magnético creado por la bobina se expanden su oposición a la corriente disminuye y la intensidad de la corriente aumenta. Como en el caso del capacitor, tenemos para la corriente una curva de crecimiento exponencial como se muestra en la figura 149.
Figura 149-circuito LR actual serie
También en este caso, teóricamente la corriente nunca llega al máximo que es el valor dado por la resistencia. La constante de tiempo del circuito se obtiene cuando se multiplica el valor de la inductancia del inductor en Henry (H) por el valor de la resistencia en ohmios (W).
t=LxR
Este valor numérico nos dice, después de cuánto tiempo, desde el momento en que cerramos la llave, la corriente llega a 63% del valor máximo. Además, de un circuito en el cual la corriente es máxima en el inductor y momentáneamente se conmute, como se muestra en la figura 149, la constante de tiempo RL también nos da una información importante. Con la interrupción de la corriente, la contracción de las líneas de campo magnético induce una corriente que circulará a través del resistor disipando energía en el circuito en forma de calor. La corriente inducida es alta al principio y poco a poco cae, obteniendo así un gráfico como se muestra en la figura150
Figura 150 - Circuito de descarga de un inductor
En este gráfico el punto corresponde al producto L x R da nos el momento cuando la corriente cae a 37% del valor máximo. Es la constante de tiempo LR del circuito. En aplicaciones prácticas, dada la dificultad de obtener inductores de valores altos (que no ocurre con los capacitores), circuitos RL no se utilizan lo contrario en casos que requieren tiempos de retardo muy pequeño para aplicaciones de sincronización o de otras. Hasta unos milihenrys (mH), la obtención de un inductor es problemática, ya que estos componentes empiezan a ser voluminosos, caros y pesados. Los cables y pistas de cobre que llevan las corrientes en placas de circuito impreso de dispositivos electrónicos se comportan como inductores. Tanto mayor su valor cuanto más longas son estas pistas y más curvas tienen.
Esto significa que, de la misma manera como capacitancias indeseables, los circuitos, cables y pistas de cobre presentan cierta inductancia que pueden limitar la velocidad de operación de los circuitos. Estos factores también son muy importantes al conectar dos dispositivos a través de un cable, por ejemplo, la computadora a una impresora; un sensor y un control industrial, un circuito de disparo remoto, etc. El hecho del cabo presentara capacitancias y inductancias indebidas (por menores que sean), evita que funcione más allá de una cierta longitud. Inductancias y capacitancias, impiden que las señales se transmitan sin la deformación de un punto a otro de los circuitos.
Almacenamiento de energía Como hemos estudiado, un capacitor almacena energía en el campo eléctrico entre sus armaduras. También, un inductor almacena energía en el campo magnético que produce. Así que cuando un inductor se desconecta, las líneas de fuerza del campo magnético que produce, al contraer inducen una tensión en sus terminales. Esta tensión aplicada a un circuito externo puede entregar la energía almacenada en el campo magnético a través de una corriente.
6.6 - Solenoides, relés y motores
Hay varios tipos de dispositivos y componentes que utilizan bobinas y que, por lo tanto, operan desde los campos magnéticos creados por corrientes eléctricas y disponen de una cierta inductancia. Esta inductancia, en particular, es muy importante para los efectos que producen que requiere cuidado en el diseño de los circuitos que controlan, como los estudiantes entenderán mejor durante este curso. Antes de eso, será importante saber cómo funcionan algunos de los principales dispositivos formados por bobinas.
Solenoides
Cuando se enrolla una bobina de forma cilíndrica obtenemos lo que se llama un solenoide. Una circulación de corriente en esta bobina produce un campo magnético que es más intenso dentro, ya estudiado y que se muestra en la figura 151.
Figura 151- Un solenoide
Un núcleo de material ferroso colocado en las cercanías de esta bobina es atraído hacia su interior con una fuerza que depende sólo de la intensidad del campo creado. Podemos fabricar un dispositivo, muy útil en aplicaciones industriales y muchas otras, llamado solenoide que precisamente crea una fuerza a partir de una corriente eléctrica. En la figura 152 se observa algunos de estos dispositivos con su construcción básica.
Figura 152 – Solenoides comunes
Cuando se aplica una tensión en la bobina, circula una corriente fuerte tirando el émbolo o núcleo para su interior con fuerza. Podemos utilizar esta fuerza para tirar o empujar algo como, por ejemplo, en una cerradura eléctrica, como podemos ver en la figura 153.
Figura 153 - Solenoide de cerradura eléctrica
Cuando se energiza la bobina, el núcleo se tira y se abre la puerta. Otra aplicación para este dispositivo se encuentra en lavadoras y muchos otros automatismos de uso en el hogar e industriales trabajando con líquidos: la válvula solenoide. Una de estas válvulas se muestra en la figura 154.
Figura 154 -Válvula de solenoide de para uso doméstico
Cuando se energiza la válvula, el fuerte campo creado tira de un émbolo que libera el flujo de agua.
Fuerza de un solenoide La fuerza ejercida por un solenoide depende de varios factores, los principales son el número de vueltas y la intensidad de corriente. La intensidad de la corriente depende de la resistencia presentada por el alambre. Así, son los solenoides más fuertes aquellos que tienen un mayor número de vueltas y menor resistencia en su bobina. En la práctica, encontramos muchos tipos de solenoides y dimensiones especificaciones eléctricas dependen de la aplicación.
Relés
Otro tipo de dispositivo electromagnético de gran utilidad es el relé. El relé es un interruptor electromecánico, es decir, un interruptor que tiene partes móviles, sino que es alimentado por una corriente eléctrica. En la figura155 podemos observar la construcción simplificada de un relé.
Figura 155 - estructura de un relé
Cuando se aplica una tensión en la bobina del relé, energizándolo, el fuerte campo magnético creado atrae a la armadura donde están atrapados los contactos móviles. Los contactos, se mueven, tocando en la parte fija, cerrando así el circuito externo. Cuando la tensión en la bobina es cortada, desaparece el campo y los contactos vuelven a la posición normal, manteniendo el circuito abierto. Los relés pueden tener varios juegos de contactos, como podemos ver en la figura 156, donde utilizamos sus símbolos.
Figura 156 - relés con diferentes conjuntos de contactos
Por lo tanto, un relé con contactos NA (normally open – NO) enciende o conecta algo cuando lo energiza. Ya, un relé con contacto NC (normally closed - NC) apaga o desconecta algo apagado cuando energizado. Hay relés que combinan ambos tipos de contactos y relés que tienen diferentes conjuntos de contactos, operando como llaves de varios tipos. Los relés son especificados por la tensión que debemos aplicar en su bobina para que se energicen, la corriente en esta bobina y la corriente máxima que pueden controlar los contactos. Relés de 5, 6, 12 y 24 V son los más utilizados en aplicaciones electrónicas.
Relés de estado sólido Muchos componentes "tradicionales" pueden ya encontrarse en forma de semiconductores, es decir, componentes de estado sólido, sin partes móviles. Así, en muchas aplicaciones es común encontrar relés muy pequeños, sin partes móviles y que se basan en circuitos semiconductores tales como transistores. Estos componentes tienen ventajas como no sufren desgaste y tiene una sensibilidad muy grande, pero no todas las aplicaciones admiten su uso. En la figura A tenemos un relé de estado sólido.
Figura A - Relé de estado sólido
Motores
Motores eléctricos convierten energía eléctrica en energía mecánica (movimiento). Los motores de corriente directa CC o DC (corriente directa), como también se les llama, son dispositivos que funcionan mediante el aprovechamiento de las fuerzas de atracción y repulsión generadas por electroimanes e imanes permanentes. Como sabemos, si al pasar corrientes eléctricas por dos bobinas a continuación, como se muestra en la figura 157, los campos magnéticos creados pueden crear fuerzas de atracción o repulsión.
Figura 157 - las fuerzas entre imanes y bobinas
La idea básica de un motor es montar una bobina entre los polos de un imán permanente o de una bobina fija que funciona como tal, como se muestra en la figura 158.
Figura 158 - estructura de un motor DC
Saliendo de la posición inicial, donde se alinean los polos de la bobina (rotor), al pasar una corriente, con el imán permanente ocurre la manifestación de una fuerza de repulsión. Esta fuerza repulsiva hace el cambio de posición del sistema móvil, como se muestra en la figura 159.
Figura 159 – con la repulsión el rotor viene en movimiento La tendencia del rotor es dar media vuelta para que el polo norte se
aproxime del polo sur del imán permanente. Del mismo modo, su polo sur se aproximará del polo norte por el cual será atraído. Sin embargo, en el rotor del eje, a través del cual la corriente que fluye a través de la bobina, hay un conmutador. El propósito de este interruptor es invertir el sentido de circulación de la corriente en la bobina, provocando el cambio de los polos. Ver figura 160.
Figura 160 – con la inversión de los polos de la polaridad del cambio de rotor
El resultado será una transformación de la fuerza de atracción en repulsión, que hará que el rotor seguir su movimiento, pasando por "derecho" por la posición que sería de equilibrio. Su nueva posición de equilibrio se lograría con más media vuelta, para que los de polos del rotor si acercasen de los polos del imán con el nombre opuesto. Más media vuelta cuando produciría la nueva posición eso hace que el interruptor entre en acción nuevamente y tenemos nueva conmutación de la corriente. Con eso los polos si invierten como se muestra en la figura 161.
Figura 161 – nueva inversión de la polaridad y el movimiento continúa
Como resultado, el rotor debe continuar en busca de su posición de equilibrio. Por supuesto esto nunca va a ocurrir y el no se detendrá mientras haya corriente circulando por la bobina del rotor. La velocidad de rotación de este tipo de motor depende apenas la fuerza que el rotor tiene que hacer para girar. De esta manera, pequeños motores de DC tienen una velocidad mucho mayor cuando giran libremente que cuando giran, haciendo algún tipo de esfuerzo (moviendo algo). Además, la corriente requerida por el motor depende de la oposición que el rotor encuentra en su movimiento. Haciendo más fuerza, aumentar significativamente el consumo. Los pequeños motores encontrados en muchas aplicaciones se especifican por la tensión y la corriente que exigen. En la figura 162 tenemos ejemplos de estos motores.
Figura 162 – pequeños motores de uso general
Sin embargo, hay otros tipos de motores que se utilizan en aplicaciones especiales tales como los motores sin escobillas y motores paso a paso que se dirigirá a su debido tiempo. El principio de funcionamiento de estos motores, sin embargo, es el mismo: campos creados por las bobinas que interactúan para producir las fuerzas que los mueven.
Potencia de un motor He estudiado los motores, que como cualquier otro dispositivo no puede crear energía. Así, los motores convierten energía eléctrica en energía mecánica. La potencia de un motor es dada o por el número de watts (W) que se convierte en energía mecánica o en HP (Horse Power - caballos de fuerza-británicos) o CV (caballos vapor). Los motores pequeños usados en juguetes y otras
aplicaciones electrónicas tienen potencias del orden de centésimas de HP, pero las máquinas industriales y hasta aparatos electrodomésticos potentes, lavadoras automáticas, pueden tener de 1 a más de 1000 HP. Convertir Watts en caballos de fuerza es necesario en muchos momentos de la actividad de los profesionales de la electrónica, especialmente aquellos que trabajan con motores en industrias, sistemas de automatización y mucho más.
Motores sin cepillos
Los cepillos son un problema para los motores, porque al pasar del tiempo se desgastan y, además, son una fuente intensa de ruido. De hecho, afeitando los contactos del rotor, producen intensas chispas que generan frecuencias de radio (radio señales) capaces de producir interferencias en radios y otros equipos cercanos. Una especie de motor de C.C. cada vez más en uso es el brushless o motor sin escobillas. Estos motores tienen varias bobinas que se alimentan de forma secuencial para producir un campo magnético giratorio, como se muestra en la figura 163.
Figura 163 - Motor de corriente continua sin escobillas
Un sensor mide la velocidad del motor de modo a controlar las bobinas de accionamiento a través de un circuito electrónico. En este motor, el rotor utiliza dos imanes permanentes. En la figura 164 tenemos un motor de este tipo es abierto.
Figura 164-escobillas abiertas
Conversión Watts x HP Watts
HP
1
0.001341
2
0.002682
3
0.004023
4
0.005364
5
0.006705
6
0.008046
7
0.009387
8
0.010728
9
0.012069
10
0.013410
20
0,026820
30
0.040230
40
0.053640
50
0.067050
60
0.080460
70
0.093870
80
0.107280
90
0.120690
100
0.13410
200
0.26820
300
0.40230
400
0.53640
500
0.67050
600
0.08460
700
0.93870
800
1.07280
900
1.20690
1000
1.3410
2000
2.6820
3000
4.0230
4000
5.3640
5000
6.7050
6.7 - Sensores magnéticos
Cuando las espiras de una bobina cortan líneas de fuerza de un campo magnético o cuando las líneas de fuerza de un campo magnético cortan las espiras de una bobina, una tensión aparece en los extremos de esta bobina, como podemos ver en la figura 165.
Figura 165 – el movimiento relativo de las espiras de una bobina y un campo magnético crean una tensión V
Este fenómeno dinámico, que requiere el movimiento relativo de la bobina
y el campo puede ser utilizado en la construcción de varios tipos de sensores. El propósito de un sensor es detectar la presencia de algún tipo de cantidad física o un cambio químico en el ambiente. Consisten en la interconexión del mundo exterior con equipos electrónicos. El más simple y más ampliamente usado en aplicaciones industriales es lo que hace uso de un imán unido a las partes móviles, por ejemplo, un equipo que puede utilizarse para medir la rotación de esta pieza, como se muestra en la figura 166.
Figura 166 - Sensor magnético de rotación
Cada vez que el imán pasa en la bobina que se utiliza como sensor, se genera un impulso eléctrico para activar algún tipo de indicador.
Contando los impulsos, un circuito electrónico puede determinar la rotación de la pieza o la velocidad de un vehículo y también su control.
Sensores de estado sólido Para este tipo de sensor tiene también versiones que se basan en dispositivos semiconductores que se estudiarán en la electrónica analógica de este curso (volumen 2). Estos sensores, llamados de "Efecto Hall", son dispositivos fabricados con materiales cuya resistencia cambia con la presencia de un campo magnético externo.
Micrófonos
Otro tipo de dispositivo que se basa en el mismo principio de funcionamiento de los sensores que vimos en el punto anterior es el micrófono dinámico. Si usted mueve una bobina alrededor de un imán, como se muestra en la figura 167 y sostenemos esta bobina un diafragma (membrana flexible) tenemos un micrófono.
Figura 167 Micrófono magnético
Cuando las ondas sonoras inciden en el diafragma vibrará causando que la bobina se mueva en relación al campo magnético creado por el imán permanente, que es fijo. Una tensión que tiene las mismas características del sonido aparece entonces en el terminal de la bobina. Esta corriente puede ser amplificada o transmitida a distancia a través de cables eléctricos.
Otros tipos de micrófonos Por supuesto, también hay micrófonos que se basan en otros principios. Uno de ellos es el "electret" estudiado en lecciones anteriores y que consiste en un material que tiene la carga eléctrica de sus superficies alteradas cuando deformado. Sosteniendo este material en un diafragma y conectando placas que pueden "recoger" estas cargas, nos podemos conectarlo a un amplificador. Porque son muy pequeños y sensibles micrófonos electro se encuentran en un gran número de aplicaciones.
6.8 - Instrumentos
Un tipo de indicador que se está sustituyendo gradualmente en muchas aplicaciones por tipos de digitales es el instrumento indicador analógico o galvanómetro. Además de él hay otros que están cayendo en desuso. Sin embargo, es muy importante conocer su principio de funcionamiento, lo que se hará a continuación.
El galvanómetro
En muchos equipos antiguos y algunos modernos, nos encontramos con un indicador que tiene un puntero que se mueve sobre una escala. Este instrumento es el galvanómetro de bobina móvil, cuya estructura básica se muestra en la figura 168.
Figura 168 - El galvanómetro de bobina móvil
Cuando una corriente fluye por la bobina de este instrumento, se crea un campo magnético. Este campo interactúa con el campo del imán permanente que crea una fuerza que tiende a girar la bobina móvil. La bobina tiene un sistema de resorte que tiende a mantenerla en la posición donde el puntero que está atrapado en él permanece en cero la escala. Así, el movimiento de la bobina y por lo tanto el desplazamiento de la aguja o puntero son proporcionales a la intensidad de corriente. Podemos utilizar este instrumento para medir o indicar las corrientes eléctricas. Los galvanómetros comunes son muy sensibles y pueden medir corrientes cuyo valor máximo puede variar entre 50 uA y 1 mA. Decimos que la "fundo de escala" de estos instrumentos es de 50 uA o 1mA. Definimos "corriente de fundo de escala" como la corriente hace la aguja del indicador ir para el valor máximo que puede medir. Con características especiales pueden utilizar el galvanómetro para medir las corrientes de mayor escala e incluso otras magnitudes eléctricas como tensión. Eso es precisamente lo que haces en el caso de los multímetros analógicos. Utilizando un galvanómetro común del tipo indicado, añadimos componentes al circuito que permitan medir otras magnitudes eléctricas, como las corrientes intensas, tensiones, resistencias, etc. En la figura 169 tenemos un multímetro común que hace uso de un galvanómetro de bobina móvil. En la misma figura tiene un tipo de amperímetro alicate que también hace uso de ese instrumento.
Figura 169 - Multímetro analógico y amperímetro "alicate"
Instrumentos Analógicos y digitales Decimos que el galvanómetro es un instrumento analógico porque el desplazamiento de la aguja es análogo a la corriente que pasa a través de él. En otras palabras, la aguja se mueve en la escala en un recorrido directo con su intensidad. Por otra parte, hay instrumentos indicadores digitales en el que la intensidad de la corriente se indica mediante un número (dígitos). En el primer caso, una correspondencia se realiza en una escala continua
mientras que en el segundo caso se hace por valores discretos (saltos), como se muestra en la figura A.
Figura A-multímetros-analógico y digital
Multímetros digitales
La tendencia de la electrónica moderna es evitar partes mecánicas que se desgastan y tienen problemas de diversa naturaleza como rotura, deformación, etc. Así, los multímetros, como otros instrumentos eléctricos y electrónicos, pueden también encontrarse en forma digital, es decir, con indicadores que muestran números en lugar de tener agujas que funcionan en una escala. Aunque son muy importantes y prácticos, la posesión de un multímetro analógico tradicional sigue siendo muy importante para el profesional. También notamos que viejas máquinas industriales todavía usan los mostradores de "puntero" en lugar de indicadores digitales para proporcionar información sobre su funcionamiento. Es por eso el lector debe estar familiarizado con su funcionamiento y uso.
Voltímetros y amperímetros
Como vimos en el artículo anterior, el galvanómetro puede utilizarse para medir corrientes muy débiles. Para medir corrientes más intensas y tensiones necesitamos añadir componentes que cambian sus características. Es precisamente los componentes que vamos a hablar en este artículo.
Amperímetros
Los instrumentos que se destinan a medidas de corrientes se denominan amperímetros. Para medir una corriente más intensa que el instrumento soporta, es decir, la corriente de fundo de escala, lo que hacemos es desviar la corriente excedente por un circuito externo que consiste en un resistor, como se muestra en la figura 170.
Figura 170, un amperímetro con shunt
Así que, como se puede ver en la figura 170, si queremos medir una corriente de 100 mA con un galvanómetro que tiene una escala de 1 mA, se desviarán el 99 mA excedente con una resistencia de derivación o, como es conocida, "shunt". El cálculo de un shunt se realiza tanto sobre la corriente de fundo de la escala del instrumento (galvanómetro) utilizado, así como otras características del instrumento como su resistencia óhmica. De hecho, es la Resistencia óhmica que determina el comportamiento eléctrico del instrumento, por lo tanto, en su función es calcular la resistencia de desviación. Por ejemplo, si el instrumento de fundo de escala de 1 mA tiene una resistencia de 198 ohms , nos hemos desviado 99% de la corriente para un shunt medir 100 mA es decir 99 mA, es obvio que el shunt debe tener una resistencia que se calcula por una proporción simple:
X/198 = 1/99 X = 198/99 X = 2 ohms
Medidores de tensión - Voltímetros
El galvanómetro puede utilizarse también para medir tensiones. De hecho, si disponemos de un galvanómetro de 0-1 mA (escala1mA de fundo de escala o 0, 001 A) y una resistencia de la bobina de 1000 ohms, es fácil ver que cuando aplicamos 1 V en este instrumento, la corriente será a fundo escala completa de 1 mA. Para este cálculo aplicamos Ley de Ohm:
I = 1/1 000 I = 0,001 A (1 mA)
Eso significa un galvanómetro, como se indica, puede utilizarse directamente como un voltímetro de 0 a 1 V, o sea, 1 V de fundo de escala, como el cálculo que dimos como ejemplo. Sin embargo, si el mismo galvanómetro que tomamos como ejemplo queremos medir tensiones más altas, usted debe usar de artificios, como en el caso del amperímetro. Lo que hacemos, en este caso, es conectar e serie con el galvanómetro una resistencia llamada "multiplicadora", como se aprecia en la figura 171.
Figura 171 - voltímetro
El cálculo de esta resistencia es simple: además de la resistencia interna del instrumento, para ser sometido a la tensión de fundo de escala (máximo voltaje a medir), el conjunto debe dejar pasar la corriente de fundo de escala del instrumento. Para este cálculo se puede escribir una fórmula sencilla:
Rm = Vm/Im - Ri (f6.1)
Donde: Rm es la resistencia del multiplicador (en ohms) Ri es la resistencia interna del instrumento utilizado (en ohms) Vm es la tensión de fundo de escala que se desea medir (en volts) Im es la corriente de fundo escala del instrumento utilizado (en ampères)
Ejemplo: Con un miliamperímetro 1 mA de fundo de escala (0.001 A), y 1000 ohms resistencia deseamos hacer un voltímetro con fundo de escala de 10 V. ¿Cual debe el ser el valor de la resistencia multiplicadora?
En este caso: Rm = ? Im = 0,001 A Vm = 10 V Ri = 1 000 ohms
Aplicando a fórmula: Rm = Vm/Im - Ri Rm = 10/0,001 - Ri Rm - 10 000 - 1 000 Rm = 9 000 ohms
El valor de la resistencia multiplicadora es 9000 Ohm
Importante: los instrumentos medidores requieren precisión. Por lo tanto, cuando diseñamos los circuitos, los resistores a utilizarse deben tener tolerancias muy pequeñas.
Sugerencias para la investigación
a) Imanes permanentes b) Imanes naturales y artificiales c) Solenoides d) Torque de un motor e) Cajas de reducción
f) Instrumentos de hierro móvil g) Motores h) Motores brushless i) Sensores magnéticos ) Micrófonos
Inglés:
Sobre la terminología en inglés hay en esta lección algunos términos que pueden aparecer del mismo modo en los documentos tanto originales como en español. Es el caso de los relés. Es común entre los contactos de relés se encuentren las abreviaturas NO para indicar normally open o normalmente abierto en español y se le abrevia NA. Asimismo, nos podemos buscar NC normally closed o normalmente cerrada abreviado para NC. Algunos términos: Magnet - Imán Horse Power (HP) - Caballo de fuerza (HP) Galvanometer - galvanómetro Analog - Analógico Digital - digital
Multimeter - multímetro VOM – Volt – Ohm – Miliamperimeter – el mismo que el multímetro Coil – bobina Solenoid – solenoide Brushless- Sin escobillas Brush – Cepillo Clamp Meter – Alicates de tipo alicate o abrazadera
CUESTIONARIO
1. Si corta en la mitad un imán permanente, podemos decir que: a) Los polos se separan, dejando a un lado la N y la otra S. b) El magnetismo se desvanece c) Nuevos polos N e S aparecen en las partes y nuevos imanes completos se forman d) No es posible cortar un imán por la mitad
2. Al poner una pieza de material magnético dentro de una bobina, podemos decir que: a) La inductancia aumenta b) La inductancia disminuye
c) La inductancia no cambia d) Desaparece de la inductancia
3. La unidad de la inductancia se llama: a) Ohm b) Farad c) Volt d) Henry
4. ¿En qué parte de un solenoide el campo magnético es más fuerte? a) En los extremos b) Dentro de el c) Fuera del solenoide d) En la bobina
5. ¿Cuál es el nombre de la resistencia que colocamos en paralelo con un galvanómetro para utilizarlo como amperímetro? a) Shunt b) Resistencia multiplicadora
c) Resistencia de fundo de escala d) Resistencia de la precisión
6. ¿Cuál es la tensión de fundo escala completa de un voltímetro con un galvanómetro de 1 mA de fundo de escala y una resistencia total de 1000 ohms? a) 0,01 V b) 0,1 V c) 1 V d) 10 V
LECCIÓN 7 - CORRIENTE ALTERNA
En los circuitos que hemos estudiado hasta ahora la corriente siempre fluía de modo constante de lo polo positivo a lo negativo de un generador (corriente continua convencional). Este tipo de corriente llamada continua no es, sin embargo, la única que existe. La corriente puede fluir en muchos sentidos en los circuitos eléctricos y electrónicos y cuando eso sucede, los componentes ellos mismos cambian su comportamiento. En esta lección que vamos a tratar con un tipo diferente de corriente, la corriente alterna, que tiene especial importancia en nuestra vida cotidiana. La lección teórica 7 estará formada por los siguientes elementos.
1 - Qué es corriente alterna 2 - Forma de onda, frecuencia y los valores de fase 3 - Alternadores 4 - Energía bifásica e trifásica 5 - Capacitores y e inductores en CA 6 - Transformadores 7 - Impedancia
Matemáticas En esta lección tenemos algunos artículos que tratan sobre cálculos matemáticos un poco más profundos. Si el lector tiene
dificultades para entender, no se preocupe: usted puede ir adelante, sin tener en cuenta estos elementos y volver a él cuando sus habilidades matemáticas mejoraren, lo que será posible a través de nuestras publicaciones.
7.1 - Qué es corriente alterna
Una corriente que fluye siempre en la misma dirección y con la misma intensidad, como ocurre cuando encendemos una lámpara con una pila, se llama "corriente continua". Podemos acortar esta designación por CC, o bien, usar el término americano "corriente directa" DC. En la figura 172 tenemos el gráfico que indica la intensidad de una corriente continua en el tiempo.
Figura 172 – Una corriente continua no varía con el tiempo. La tensión en el circuito permanece constante
Tenga en cuenta que para causar una corriente continua es necesario establecer en su circuito una tensión constante, es decir, una tensión que también es continua. Sin embargo, hay otro tipo de corriente que muy
importante porque es la que tenemos en nuestras tomas de corriente y que las industrias tienen en la alimentación de sus equipos: corriente alterna. Para entender lo que es la corriente alterna vamos directamente al dispositivo o generador que la produce, es decir, el alternador. Podemos decir que hay tres tipos de alternadores que se muestra en la figura siguiente. El primero (a) tiene la armadura (bobinas) y el campo magnético es producido por un imán que gira. En segundo lugar, se muestra en (b) ha fijado la armadura y el campo magnético es creado por una segunda bobina que gira. La tercera, se muestra en (c) tiene una bobina que crea un campo fijo y una bobina que gira y corta las líneas de fuerza para generar corriente alterna. Los tres tipos se muestran en la figura 173.
(a)
(b)
(c) Figura 173 – tipos de alternadores
Para entender cómo funcionan los alternadores, tomemos como ejemplo el más simple es uno en el que gira un imán permanente cerca de dos bobinas. En este dispositivo, una parte del imán de una posición inicial de reposo en la que el polo S (sur) está en una posición A. En este momento que comienza una rotación hacia la derecha, como se muestra en la figura 174. Hay todavía alguna corriente circulando por la carga.
Figura 174 – Partiendo de la posición A
Continuando girar, vemos que del punto (A) al punto (B), el campo magnético del imán corta las espiras de las bobinas, creando una corriente que aumenta en intensidad hasta que alcanza el máximo. Esta corriente pasa por la carga, como se muestra en la figura 175.
Figura 175 - Una corriente circula por la carga
En el cuarto de vuelta siguiente, entre (B) y (C), el imán continúa a cortar los devanados de las bobinas, pero de manera menos intensa lo que hace con que la corriente de carga se reduce a cero, como se muestra en la figura 176.
Figura 176 - corriente nula en carga
Desde el punto (C) al punto (D) la tensión se aumenta otra vez, pero con polaridad opuesta, haciendo ahora circular una corriente en sentido contrario por la carga, como se muestra en la figura 177.
Figura177 – al final de la corriente invierte su dirección
Si el imán continúa el giro con cierta velocidad, tendremos en la salida una corriente que oscila entre los máximos y mínimos con regularidad, es decir, invierte la dirección de circulación constantemente, lo que corresponde a una corriente alterna. Vemos entonces que, si conectamos un receptor a un generador de este tipo, la mitad del tiempo de un ciclo, la corriente fluye en una dirección, y la otra mitad circula en sentido contrario. La energía que recibimos en nuestros hogares y está disponible para el consumo general en las ciudades es de este tipo. Podemos representar la corriente generada por este tipo de generador por una curva de onda senoidal, como se muestra en la figura 178.
Figura 178 – la representación de una corriente alterna senoidal
El generador que produce la energía que consumimos da 60 vueltas por segundo, lo que significa que en cada segundo la corriente circula 60
veces en una dirección y 60 veces en la dirección opuesta. Decimos que la corriente que recibimos en nuestros hogares es alterna con una frecuencia de 60 Hertz (Hz) o 50 Hz conforme el país. Curiosamente, los efectos obtenidos en el uso de transmisión de energía de corriente alterna son los mismos que se obtendrían con la corriente continua, con ventajas que se aclarará durante el curso. Tomar el siguiente ejemplo: A través del filamento de una bombilla o un elemento de calefacción, los efectos finales son siempre los mismos: al pasar por la carga transfieren energía en forma de calor, lo que significa las luces encienden de la misma manera y los calentadores de calientan de la misma manera.
Corriente continua pulsante Un tipo importante de corriente en algunas aplicaciones es que siempre fluye en la misma dirección, pero no continuamente. Está formada por pulsos, es decir, la corriente liga e desliga rápidamente, o varía rápidamente, pero siempre en la misma dirección, como se muestra en la figura A.
Como veremos, este tipo de corriente también tiene el mismo efecto que una corriente continua pura y se encuentra en fuentes de alimentación.
7.2 - Forma de onda, frecuencia, fase y valores
La representación gráfica de una corriente alterna tiene una forma muy especial: decimos que es una forma de onda "senoidal". Esto nos lleva a decir que la corriente alterna que hemos recibido en nuestros hogares y se distribuye en nuestra ciudad, es alterna con la forma de onda senoidal y frecuencia de 60 Hz (o 50 Hz). Al analizar esta forma de onda vemos que son varios los valores importantes que deben conocer los profesionales de electricidad y electrónica. La primera, que ya hemos hablado, es frecuencia que es el número de veces por segundo que completa un ciclo de generación de esa energía. La frecuencia se mide en Hertz (Hz). La duración de un ciclo completo nos da el período de corriente alterna. A una corriente alterna de 60 Hz, por ejemplo, la duración o tiempo de un ciclo es 1/60 s, como se muestra en la figura 179.
Figura 179 - la corriente alterna 60 Hz tiene un período de 1/60 segundos
Ver que "el período es el inverso de la frecuencia", o escribir como una fórmula:
T = 1/f (f7.1)
Donde: T es el período (en segundos) f es la frecuencia (en Hertz)
La amplitud de una corriente alterna se expresa en diversas formas, como podemos ver en la figura 180.
Figura 180 - valores en una sinusoide
El valor máximo que llega a una corriente alterna es el valor de pico. Indicamos que este valor Vp. Y mitad del valor máximo nos da el valor medio o Vm. Sin embargo, un valor muy importante es el valor de "medio cuadrático" o "mean square", del inglés, que conduce a abreviación Vrms. Este valor corresponde a la raíz cuadrada de 2 dividida por 2 veces el valor máximo, o según la fórmula:
Vrms = 0,707 x Vp (f7.2)
Donde: Vrms es la tensión media cuadrática (en volts) Vp es la tensión máxima 0.707 es la raíz cuadrada de 2 (1.41) dividido por 2
Teniendo en cuenta que la raíz cuadrada de 2 es aproximadamente 1.41, dividiendo este valor por 2, obtenemos 0.707. Esto significa que tenemos el voltaje rms multiplicando el voltaje máximo por 0.707. Del mismo modo, conociendo el voltaje rms obtenemos el valor de pico, multiplicando por 1,41. La tensión de "110 V" (*) nos encontramos en la red tienen este valor de rms. así, en este momento ella está en su pico, el pico ir a:
Vp = 1,41 x 110 = 155,1 V
Lo mismo es válido para la intensidad de corriente: podemos hablar en corriente de pico l (Ip), média (Im) y rms (Irms) en un circuito.
(*) En realidad que llamamos voltaje 110 V tiene valores reales de 117 V o 127 V dependiendo de la configuración regional y el país. El término "110 V y utilizado en la mayoría de los casos, se han
vuelto populares. Incluso lo que llamamos tensión de 220 V, en algunos lugares es 240 V. aparatos por lo general están construidos para aceptar una buena gama de voltaje, por lo que incluso si indicado para 110 V, funcionará normalmente en 117 V o 127 V.
Otro valor importante que debemos observar en la representación de una corriente o tensión senoidal sinusoidal es su fase. En cada momento de un ciclo, la tensión alternada tiene un valor determinado. Este valor cambia constantemente dependiendo de la frecuencia de la tensión. En ciertas aplicaciones es importante conocer el valor que toma la tensión o la corriente en un circuito de corriente alterna en un momento determinado del ciclo. Para ello lo que hacer es dividir el círculo en 360 grados (como en circunferencia) e indicar el momento por un ángulo entre 0 y 360, como el lector notará la figura 181.
Figura 181 - Mediciones de Círculo trigonométrico
Los 360 grados se adoptan recordando que un ciclo de corriente alterna se genera en una vuelta completa del alternador. De esa manera puede indicar el momento deseado en un ciclo con un ángulo de fase, en grados. También podemos utilizar el mismo concepto para comparar dos corrientes alternadas o tensiones que no están perfectamente sincronizadas, es decir, que no alcanzan los puntos máximos y mínimos al mismo tiempo. Decimos que estas corrientes están "desfasadas" y podemos indicar la diferencia de fase entre ellas por un ángulo, como se puede observar en la figura 182.
Figura 182 – Diferencia de fase entre dos corrientes
Oposición de fase Cuando la diferencia de fase entre dos tensiones o corrientes es 180 grados, decimos que están en oposición de fase: cuando una
es positiva, otra negativa y vice versa. Ver figura A
Figura A – dos tensiones en oposición de fase
Señal
Energía pueden utilizarse para transportar energía de un lugar a otro, por medio de cables u otros medios, utilizando corriente alterna. Sin embargo, las corrientes alternas también pueden ser utilizadas para transportar información. Esto es lo que sucede con los circuitos de radio donde podemos cambiar las características de una corriente alterna de frecuencia muy alta para que transporte informaciones como voz, imagen, datos, etc. Cuando la corriente alterna se usa para llevar información, decimos que es una "señal". En el caso de la red eléctrica, las corrientes son de baja frecuencia, así como en el caso de corrientes que corresponden a sonidos, cuyas frecuencias van desde 20 Hz hasta 20000 Hz (20 kHz). Sin embargo, las corrientes de alta frecuencia, llamadas RF (radio frecuencias), pueden llegar a miles de millones de Hertz (GHz).
Telecomunicaciones Las corrientes alternas de alta frecuencia pueden ser utilizadas para generar ondas de radio (ondas electromagnéticas), utilizadas en las telecomunicaciones. Así, se realiza un estudio más profundo de estas corrientes por otra rama de la electrónica, las telecomunicaciones.
7.3 - Alternadores
Los alternadores son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica. En el caso específico de estos generadores, la energía disponible está en forma de corrientes alternas. Encontramos los alternadores en varias aplicaciones, como por ejemplo en centrales eléctricas y automóviles. En las plantas eléctricas son producidas grandes cantidades de energía de la fuerza de las aguas estancadas o incluso vapor (centrales termoeléctricas), mientras que, en el coche, se aprovecha la potencia del motor, como podemos ver en la figura 183. Una correa transmite la fuerza desde el motor a un alternador.
Figura 183 – un alternador de uso automotriz
Tanto en las plantas como en alternadores de coche tenemos básicamente dos juegos de bobinas. Un sistema rotor que gira para cortar las líneas de fuerza del campo magnético y un estator que crea un campo magnético, pero no se mueve.
7.4 - Energía bifásica fase y trifásica
La energía que recibimos en nuestra casa llega en forma de una tensión de dos fases. En este modo hay un transformador (cuyo principio de funcionamiento se estudiará más adelante) en el que tiene dos tensiones. En la figura 184 demostró lo que explicamos.
Figura 184 – Patrones de tensión El terminal central es el de referencia o neutro. En uno de los terminales tenemos una tensión normal, mientras que en el otro tenemos una tensión alterna con fase invertida, como el lector puede ver en la figura 185.
Figura 185 - oposición fases de voltaje en sistema de tres hilos
Tenga en cuenta que las dos tensiones han invertido las fases tal que, cuando una es positiva el otro pico está en el negativo. Esto significa que si conectamos cualquier aparato entre uno de los cables y el neutro se alimenta con una tensión de 110 V. Sin embargo, si hacemos algo entre los extremos, la tensión de los cables será el será 220 V. esta es la forma de transmisión de energía que muchas empresas utilizan para proporcionar energía doméstica. El polo neutro normalmente está conectado a la tierra y así también se confunde como la "tierra" de la instalación. Este enlace tiene un número de razones, entre ellas añadir seguridad y salvar a uno de los cables en la transmisión de energía.
Sin embargo, tenemos una forma diferente de proporcionar energía para el consumo que es la denominada trifásica. Esta manera de generar y distribuir energía en corriente alterna sistemas se emplea principalmente en la industria, por diversas razones, como la conveniencia en la alimentación de motores eléctricos. Ver figura 186. Son sistemas que generan tres fases de 120 grados de tensiones diferentes, como se muestra en la figura 186.
Figura 186 – En los sistemas trifásicos tres las tensiones se desfasan en120 grados
Lo que se hace para esto es utilizar un sistema de generador donde tenemos tres tensiones alternas disponibles en bobinas diferentes, como se muestra en la figura 187.
Figura 187 – Alternador trifásico
Cada una de las bobinas, que tiene un extremo conectado a un polo neutro común, entregando una tensión senoidal ligeramente desfasada en relación con la otra.
Electrónica industrial El estudio de los circuitos que funcionan con fuentes de alimentación de tres fases es esencial para la rama de electrónica dedicada a la automatización industrial, porque prácticamente todos los equipos de alta potencia de una industria o incluso de otras aplicaciones como el transporte, operan con tensiones trifásicos. En este grupo se incluyen los módulos de control, inversores de potencia y más.
7.5 - Capacitores e inductores en AC
Como hemos estudiado en lecciones anteriores, cuando conectamos los capacitores e inductores en un circuito de DC, por ejemplo, a través de un resistor, ellos se comportan de una manera bien definida. El capacitor se carga hasta que alcanza una carga máxima y los inductores tiene su corriente estabilizada después de cierto tiempo. El fenómeno que se produce con estos componentes circuitos de DC se caracterizó bien al hablar de su "constante de tiempo". Sin embargo, también podemos usar los capacitores e inductores en circuitos de CA. Una vez hecho esto veremos que estos componentes se comportan de
una manera completamente diferente que merece un estudio detallado y cuidadoso. Como estudiamos, en una fuente de corriente el flujo de cargas se invierte rápidamente y constantemente, en nuestro caso a razón de 60 veces por segundo. Esto significa que en cada segundo la corriente circula 60 veces en una dirección y 60 veces en otra. (Estamos considerando lo caso en que la red de energía es de 60 Hz.) La inversión que se hace no rápidamente, pero suavemente, para que, a partir de un momento en que la corriente es nula, crece sin problemas hasta alcanzar el máximo en una dirección y luego disminuir para llegar a ser nulo otra vez. Entonces ella invierte creciendo suavemente en la dirección opuesta para luego disminuir, un proceso continuo que nos da un gráfico como se muestra en la figura 188.
Figura 188 – la forma de onda de corriente alterna
Se estudió que la curva representada en este gráfico recibe el nombre de senóide, por lo que la corriente que obtenemos en nuestra casa es de 60
Hertz senoidal. (Algunos países utilizan corrientes de 50 Hz). Veamos qué ocurre si conectamos un capacitor a un circuito que proporciona una corriente de esto tipo como el lector puede ver en la figura 189.
Figura 189 – conexión de un capacitor a un generador de corriente alterna
A partir de un momento en que la tensión es nula, a medida que incrementa en valor a una cierta polaridad, "bombea" a las cargas para el capacitor, que empieza a cargar con la misma polaridad. Cuando la tensión de CA es máxima en una dirección, el capacitor también alcanza su carga máxima. Entonces, cuando la tensión disminuye, las cargas salen del capacitor hasta que, cuando la tensión en la red alcanza cero, el capacitor quedará descargado. En el hemiciclo (mitad del ciclo), la corriente comienza a aumentar, pero en la dirección opuesta, llevando la armadura del capacitor a una carga con polaridad opuesta, como el lector puede ver la siguiente figura 190.
Figura 190 - carga y descarga de un capacitor en un circuito de corriente alterna
La carga y descarga con el ritmo de la inversión de polaridad de la red se produce indefinidamente. Ver que la corriente en un capacitor se retrasa en relación con la tensión en 90 grados, lo que significa que sólo alcanza su máximo ¼ ciclo después, como se muestra en la figura 191.
Figura 191 - corriente y tensión son 90 grados fuera de fase de un capacitor
Esto significa que un capacitor en un circuito de CA, la tensión y la
corriente están en 90 grados fuera de fase. Decimos que la corriente en un capacitor en un circuito de CA, esta adelantada en relación a la tensión en 90 grados. Véase también que, por la misma figura 190 que en mitad de un hemiciclo el capacitor almacena energía con una polaridad y la otra mitad la devuelve al circuito. La cantidad de carga que es "bombeada" y "extraída" del capacitor depende no sólo de la tensión, pero también el tamaño del capacitor sí mismo, es decir, de su capacitancia. Esta capacitancia determina entonces la corriente media que fluye por este componente en el proceso de carga y descarga, ya que no podemos hablar de un valor en cada momento, porque, como hemos visto, varía. Podemos decir que el capacitor se comporta como una "resistencia" en este circuito, lo que permite la circulación de una corriente variable.
Como el término "resistencia" no se aplica en este caso porque lo que tenemos es carga y descarga, se adoptó otro término para indicar el comportamiento del capacitor en el circuito de corriente alterna. Este término es "reactancia" y en el caso del capacitor tenemos una "reactancia capacitiva", representada por Xc. El valor de Xc se da en ohms y depende básicamente de dos factores: la frecuencia de la corriente alterna y el valor del capacitor. Para calcular la reactancia capacitiva de un capacitor utilizamos la siguiente fórmula:
Xc = [ 1 / (2 * π * f * C) ] (f7.1)
Donde:
XC es la reactancia capacitiva (en ohms) f es la frecuencia (en Hertz) C es la capacitancia (en farads) Π es 3,14 (constante)
Esta fórmula nos muestra claramente que con los aumentos de la frecuencia tenemos una reactancia más baja, en otras palabras, la corriente que circula en la carga y descarga de un capacitor aumenta. De forma más simple, podemos decir, que cuando tenemos un capacitor en un circuito de CA ello ofrecerá una menor oposición al paso de corrientes de frecuencias más altas, es decir, los que varían más rápidamente. Este comportamiento de los capacitores es muy importante cuando hacemos el diseño de los filtros, es decir, circuitos que son capaces de separar las señales de diferentes frecuencias.
Capacitores como resistores En corriente alterna muchos circuitos pueden utilizar capacitores en vez de resistores para reducir la intensidad de una corriente, con ventajas. La principal ventaja es que, como el capacitor no muestra resistencia, él no disipa el calor como una resistor. Por lo tanto, si conectamos un capacitor en serie con una lámpara para reducir la tensión, no habrá pérdidas en forma de calor en el resistor. Esto puede ser interesante en fuentes, como se muestra en la figura A.
Figura A - El capacitor es equivalente a un resistor en serie con la lámpara, reduciendo la tensión de la red eléctrica
Impedancia
En corriente alterna en circuitos donde hay capacitores y inductores no tiene sentido hablan de resistencia. Como ya hemos visto la oposición al paso de la corriente en circuitos con inductores y capacitores depende de la reactancia que es una función de la frecuencia. Así, para circuitos de CA que contiene estos componentes es buena idea usar un término diferente para la "oposición al flujo de corriente". Este término es la impedancia que también se mide en ohms. Como un circuito con capacitores e inductores, también afecta a la fase de la corriente en relación con la tensión, el cálculo de impedancias implica valores y también los ángulos de fase, es decir, se hace de una manera que llamamos "vectorial".
Reactancia Inductiva
De la misma manera como los capacitores se comportan diferentemente en circuitos DC y AC, inductores también tienen sus características alteradas. Imaginemos un inductor conectado en un circuito de corriente alterna, como se muestra en la figura 192.
Figura 192 - Inductor en un circuito de corriente alterna A partir del momento en que la tensión es cero al principio del ciclo y que también no circula corriente, no tenemos ningún campo magnético en la bobina. La medida que la tensión aumenta en valor en el primer hemiciclo, la corriente tiende a circular en un sentido por el inductor, creando un campo magnético que reacciona a lo estabelecimiento de la corriente. De esta manera, el crecimiento de la corriente con el crecimiento de la tensión en lo circuito sufre una oposición. Cuando la tensión alcanza su valor máximo, el campo está completamente establecido, pero con la caída del valor las líneas de fuerza del campo magnético comienzan a contraer induciendo una corriente que tiende a oponerse a estas variaciones de corriente. En el hemiciclo siguiente, a partir de cero, la corriente tiende a circular en la dirección opuesta y el mismo comportamiento del inductor manifiesta tendiendo a oponerse a estas variaciones. En Resumen, el inductor también tiende a presentar una oposición al establecimiento de la corriente alterna que depende tanto el valor de la inductancia como la frecuencia. Esta oposición que no se puede llamar también "resistencia", porque tenemos un circuito de corriente alterna es la reactancia inductiva y se representa por XL. El valor de XL depende tanto la inductancia y de la frecuencia y se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
XL = 2 * π * f * L (f7.2)
Donde: XL es la reactancia inductiva (en ohms) F es la frecuencia (en Hertz) L es la inductancia (Henry) π es 3,14 (constante)
Tenga en cuenta que la fórmula muestra claramente que cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la oposición a la corriente en un circuito que tenga un inductor. Decimos que los inductores ofrecen mayor oposición a las corrientes de frecuencias más altas. Su uso en combinación con los capacitores en circuitos de filtros permite la separación de las señales de frecuencias diferentes, como veremos a su debido tiempo. En la figura 193 mostramos cómo corriente y tensión en un inductor se desfasan en 90 grados.
Figura 193: corriente y tensión en un inductor se desfasan de 90 grados
Vea, que de la misma manera que un capacitor ideal, un inductor no consume ninguna energía. Él simplemente absorbe, guardándola en el campo magnético para devolverla más tarde. En el proceso de absorción y entrega de energía, el inductor se comporta como presentase una cierta oposición al paso de la corriente alterna.
EN LA PRÁCTICA Cualquier alambre o incluso una placa de circuito impreso tienen una cierta inductancia. Si, como hemos visto, la inductancia tiene un mayor efecto en un circuito de frecuencia más alta, la velocidad de funcionamiento de muchos dispositivos depende seriamente en este factor. De hecho, cuanto mayor sea la velocidad de operación de un circuito (un microprocesador o microcontrolador es dado por la frecuencia de su reloj), más los efectos de cualquier inductancia se muestra de forma indebida en sus circuitos. Es por eso que transmitir señales de un punto a otro como, por ejemplo, en redes o para la impresora, sensores para circuitos de control, etc., es muy importante que los cables utilizados y otros elementos de circuito tengan una inductancia muy baja. De lo contrario, las señales son afectadas por la fuerte oposición presentada surgiendo problemas de funcionamiento.
Factor de potencia
Cuando un circuito tiene inductores, capacitores y resistores combinados, la presencia de estos componentes puede hacer con que los efectos del inductor predominen los efectos del capacitor o viceversa. La reactancia capacitiva es más grande que la inductiva y viceversa.
Esto nos permite hablar de un circuito inductivo o capacitivo, de acuerdo con la corriente y la tensión esteba desfasadas según una de las formas indicadas. Este retraso tiene un efecto importante en la energía consumida por un aparato, principalmente motores industriales. Uno habla entonces de "factor de potencia" como la diferencia de fase entre tensión y corriente en un motor u otro tipo cargas cuando en funcionamiento, medidas com valores de 0 a 1. Si la corriente está en desfasada con la tensión y por lo tanto la energía consumida depende de estas dos variables, se puede dar una falsa indicación de su valor. Si este factor es muy pequeño, se registrará el consumo del motor incorrectamente causando problemas para la empresa que suministra energía. Así, cuando tenemos una carga fuertemente inductiva que tiene un factor de potencia bajo, los capacitores pueden ser usados para hacer la «compensación» corrigiendo el factor de potencia que él se mantiene dentro de los límites tolerados, típicamente cerca de 1.
Energía Activa y potencia reactiva
Potencia activa es la que efectivamente realiza un trabajo siendo completamente convertida en luz, calor, movimiento, etc. Esta energía se mide en W (watts) y sus múltiplos (kW o MW). Un ejemplo de la carga que consume la energía totalmente es una lámpara incandescente. Representa una carga resistiva pura (óhmica), como se muestra en la figura 194, ya que la tensión y la corriente están en fase.
Figura 194 – En una carga resistiva corriente y tensión están en fase.
Sin embargo, en muchas aplicaciones de encontramos cargas que no son resistivas puras y sin reactivas (capacitores e inductores) como en el caso de los motores. En una carga de este tipo, la energía es reactiva y se mide en VAR (voltamperes reactivos) o sus múltiplos (kVAR y MVAR), como se muestra en la figura 195.
Figura 195 – en una carga inductiva, la corriente y el tensión están desfasadas
Lo que pasa es que en los inductores la potencia reactiva no se utiliza en la producción de trabajo, porque sólo tiene la función de establecer los campos magnéticos. Ese poder, no es aprovechado y podría utilizarse para mejores finalidades en instalaciones industriales. La suma vectorial de la potencia activa con la potencia reactiva nos da la potencia real, como se muestra en la figura 196.
Figura 196 – Potencia real
Vea, que si la potencia reactiva es pequeña, el ángulo entre la potencia real y la potencia activa disminuye, lo que indica un uso más eficiente de la energía. Así, en lugar de especificar la energía activa o energía reactiva, es común indicar la eficiencia en el suministro y uso de la energía por el coseno del ángulo que se muestra en la figura 197. Este ángulo, llamado φ (phi), de la letra griega pronunciada "fi", tiene su coseno a acercarse de 1 cuando el factor de potencia tiende a cero y define el factor de potencia. De esta manera, teniendo en cuenta que, en la figura, este ángulo puede tomar valores entre 0 y 90 grados, su coseno varía entre 0 y 1, como se muestra en la figura 197.
197 - Factor de potencia el de la figura representada por un ángulo Entonces podemos decir que el coseno de φ puede variar entre 0 y 1. Mejor será el aprovechamiento de la energía más cerca de 1 que el factor de potencia esté, que es el valor óptimo.
Nota: en inglés utilizamos el término Power Factor PF.
También es posible medir el factor de potencia como la relación entre la potencia activa y reactiva. Por lo tanto, en las facturas de energía facturas no encontramos la especificación de kVA, sino los kVARh (kW-reactivo x hora) y los kWh (kW x tiempo). Para calcular el factor de potencia, debemos aplicar la siguiente fórmula:
Es importante tener en cuenta que todo eso es válido cuando la energía está dentro de los estándares de calidad que estas aplicaciones requieren. La presencia de armónicos en una instalación cambia todo eso y no se puede aplicar la fórmula anterior.
La presencia de armónicos en una línea de transmisión de energía es un motivo de preocupación y debe ser buscado su origen y eliminada su presencia ya que puede causar problemas para el funcionamiento de máquinas.
Trigonometría Si el lector no domina la trigonometría este último este texto pudo haber causado una gran dificultad de comprensión. No te preocupes. Esta diferencia se puede compensar en el futuro, principalmente a través de nuestro curso de matemáticas para la electrónica.
7.6 - Transformadores
Un importante dispositivo que opera basado en el comportamiento de los inductores es el transformador. En la figura 198 mostramos algunos tipos de transformadores, así como sus símbolos.
Figura 198 - símbolo y aspectos de los principales tipos de transformadores
El transformador básico consiste en dos bobinas envueltas en un núcleo común. La base se puede hacer de varios materiales como la ferrita, hierro o incluso una forma sin ninguno núcleo, en cuyo caso decimos que es un transformador con núcleo de aire. Cuando establece una corriente alterna en el devanado primario aparece alrededor de la bobina un campo magnético, cuyas líneas de se expanden e contraen con la misma frecuencia. El resultado es que cada vez que estas líneas cortan las espiras del devanado secundario es inducida una tensión que aparece en sus extremos.
La polaridad de la tensión inducida es dada por el movimiento de las líneas de fuerza, que también invierten en la misma frecuencia. El resultado es que conseguimos en el secundario del transformador una tensión alterna de la misma frecuencia que la aplicada en la bobina primaria. Tenga en cuenta que la energía eléctrica pasa de una a otra bobina sin contacto eléctrico, únicamente a través de las variaciones del campo magnético creado pela bobina. Pero, más importante de todo es que el valor de la tensión obtenida. Si el bobinado primario del transformador tiene 1000 vueltas de alambre y el secundario 500 vueltas, la tensión obtenida en el secundario será la mitad de la aplicada al primario, como el lector puede ver en la figura 199.
Figura 199 – Reducción de la tensión a la mitad
Además, podemos aumentar los valores de tensiones alternas si usamos un transformador cuyo secundario cuente con más vueltas de alambre que la bobina primaria. Véase, sin embargo, que el principio de conservación de la energía sigue valiendo: lo qué nos quedamos en perdido de tensión gañamos en corriente, para que el producto, que es la potencia permanezca constante.
Por lo tanto, se al aplicar una tensión de 110 V a un transformador, ello "absorbe" 1 A, y la salida es 220 V, la corriente obtenida será sólo mitad de la máxima, es decir, 0.5 A. En la práctica será un poco menos, porque los transformadores no tienen un 100% de rendimiento en la transformación de la energía, pero siempre un poco menos. Las «pérdidas» por lo general van a generar calor, lo cual significa que los transformadores con potencias altas tienden a calentar de modo perceptible. Los grandes transformadores que se utilizan en redes de distribución y aplicaciones industriales incluso, que trabajan con potencias muy altas pueden tener complejos sistemas de refrigeración con aceite o agua, con un sistema de circulación forzada. Los transformadores se utilizan también para elevar o bajar las para "casar" las características de los circuitos, como se estudiará en el futuro. Sin embargo, es bueno recordar que, para trabajar, el transformador necesita de variaciones da corriente en su bobina primaria. La inducción ocurre solamente cuando las líneas de fuerza del campo expanden o contraen, es decir, cuando varía la corriente en el primario. Por esta razón, este tipo de componente no puede utilizarse en circuitos de corriente continua pura.
Transformadores en la práctica Como estudiamos los transformadores necesitan variaciones de la corriente y por lo tanto no operan con corriente continua. Sin embargo, si la corriente continua a variar, como en el caso de una corriente continua pulsante, el transformador puede ser utilizado.
Cálculos de Transformadores
El cálculo completo de un transformador, a parir del número de vueltas de las bobinas, el grueso del alambre utilizado y el tipo de núcleo es una cosa compleja. El tamaño del núcleo y el material utilizado, por ejemplo, depende de la frecuencia da corriente y de la potencia. Por ejemplo, el material utilizado tiene unas características de saturación que pueden influir en la manera en que el campo magnético tiene sus líneas de fuerza expandiendo y contrayendo, y que va a determinar su rendimiento y la propia producción de calor por el componente. La frecuencia de la corriente también es importante porque tenemos transformadores que no están diseñados para funcionar con la corriente de la red eléctrica de 60 Hz, pero con corrientes de otras frecuencias. Es común tener transformadores especiales trabajando con corrientes cuya frecuencia puede llegar a varios cientos de kHz o MHz incluso. El cálculo más simple que podemos hacer es en cuanto a la relación entre el número de vueltas y las tensiones, según la siguiente fórmula:
V1/V2 = n1/n2 (f7.3)
Donde: V1 es la tensión del primario (en volts) V2 es la tensión del secundario (en volts) N1 es el número de vueltas del primario N2 es el número de vueltas del secundario
Cálculo de transformadores El diseño de un transformador no es algo simple y pocos han dominado la técnica. Además de la relación de vueltas hay varios factores adicionales a considerar como la potencia y la frecuencia. Estos factores determinarán el espesor de los alambres usados en las bobinas y también el tamaño de los núcleos. La frecuencia determina el tipo de núcleo.
Tipos de transformador
En la práctica nos encontramos con varios tipos de transformadores en equipos electrónicos e incluso en aplicaciones de electricidad. Podemos separar los transformadores en dos categorías:
a) Transformadores para frecuencias bajas
Los transformadores para las bajas frecuencias son principalmente aquellos que trabajan con las señales de la red eléctrica de 50 Hz o 60 Hz, o frecuencias un poco más altas en aplicaciones especiales como amplificadores de sonido. Estos transformadores utilizan núcleo de láminas o placas de metal. El propósito de las placas es reducir las corrientes que se inducen y que pueden provocar el calentamiento del componente. En la figura 200 tenemos ejemplos de transformadores de este tipo.
Figura 200 - transformadores de baja frecuencia
b) Transformadores para altas frecuencias
Los transformadores para altas frecuencias tienen núcleos de materiales especiales como ferritas o núcleos de aire. La forma del núcleo también puede variar, y hay algunos tipos que utilizan anillos (toroides) para este propósito. Ver figura 201 ejemplos de transformadores en esta categoría.
Figura 201 - transformadores de alta frecuencia Encontramos el transformador de alta frecuencia en circuitos de conmutación, fuentes de alimentación, transmisores, receptores de radio,
etc.
Pérdidas y núcleo toroidal Transformadores comunes utilizados en fuentes de alimentación utilizan núcleo laminado de hierro dulce, en formatos como los que estudió. Hierro laminado, con las hojas aisladas entre sí, evitan las corrientes en torbellino (Eddie) que causan pérdidas en la transferencia de energía de una bobina a otra. Estas pérdidas, además, causan lo calentamiento del componente, porque la energía de las corrientes en el núcleo se transforma en calor. El formato de las hojas es tal que cierran el campo magnético producido por la bobina primaria, envolviendo totalmente la bobina secundaria. Esto asegura a una buena transferencia de energía de una bobina a otra. Estos transformadores son relativamente baratos y eficientes cuando se trabaja con corrientes de baja frecuencia, como la energía de la red de corriente alterna y las señales de audio aún. Cuánta energía será transferida de una bobina a otra está directamente relacionado con el flujo del campo magnético creado en el núcleo. Así, cuanto mayor sea la potencia de un transformador, mayor debe ser el núcleo y, por lo tanto, mayor debe ser el componente. Sin embargo, fugas del campo magnético de estos transformadores, además de las pérdidas tienen otro inconveniente que es la posibilidad de interferir con otros circuitos en el mismo dispositivo. Es común el uso de blindaje para los transformadores fabricados con materiales diamagnéticos como el aluminio o cobre y el blindaje puesto a la tierra En las fuentes de alimentación conmutadas, como veremos, el uso de corrientes de alta frecuencia hace el uso de este tipo de transformador inviable. Sin embargo, utilizando transformadores de ferrita, ellos pueden ser mucho más pequeños y más eficientes. Una tecnología ampliamente utilizada en la fabricación
de transformadores de potencia es que hace uso de núcleos toroides. Como su nombre indica en núcleo consiste en un anillo o toro, alrededor del cual se realizan los devanados, como se muestra en la figura A.
Figura A Estos transformadores son mucho más eficientes, pero cuentan con una dificultad técnica para su construcción: ¡Cómo hacer la bobina a través de máquinas! Por esta dificultad técnica, estos transformadores son aún costosos y poco utilizados en aplicaciones que involucran potencias altas, pero son muy comunes en los circuitos de alta frecuencia, donde el pequeño tamaño y facilidad de fabricación favorecen su uso.
Transformador de potencia
Un lugar donde encontramos un importante transformador de equipo electrónico es la fuente de alimentación.
Los circuitos electrónicos de muchos dispositivos trabajan con bajas tensiones bajas, típicamente en el rango de 3 a 40 V continuos y en las tomas tenemos 110 V, 127 o 220 V alternos. El propósito de la fuente de alimentación es realizar la conversión de energía y es uno de los principales componentes involucrados en este proceso es el transformador. Este transformador también tiene una importante función: protege el circuito del aparato de la red evitando tomar golpes al tocar en cualquier lugar. La energía de la red se aplica a una bobina y la baja tensión, de 3 a 40 V, es obtenida en la otra (no estamos considerando algunos componentes intermedios). Esto significa que los dos devanados están aislados entre sí. Recuerde que la tensión e corriente obtenidas en el secundario del transformador es alterna y para obtener corriente y tensión continua para los equipos de baja tensión que normalmente son alimentados, deberemos emplear componentes adicionales que se estudiarán en el curso de electrónica analógica.
7.7 - Impedancia
Cuando trata de circuitos que utilizan resistencias puras, es decir, componentes que se comportan como resistores, podemos aplicar la ley de Ohm, sin problemas, para calcular su comportamiento eléctrico. Sin embargo, si tenemos un circuito de corriente alterna y en su lugar de apenas resistores, inductores y capacitores, la ley del ohmio, tal como la conocemos ya no puede ser aplicada. Si tenemos solamente capacitores o inductores, se puede utilizar las formulas de reactancia inductiva y capacitivas, como estudiamos, pero todo eso cambia cuando combinamos estos componentes, de tal modo conseguir circuitos RLC. ¿Si, por un lado, en los capacitores la corriente se adelanta en relación a la tensión mientras que en los inductores retrasaran e en las resistencias están en fase, cómo combinar todo para
los efectos para obtener los efectos finales en el comportamiento del circuito? El efecto se llama "impedancia" y que corresponde a una forma simplificada a la ”resistencia" que presenta un circuito de corriente alterna. Por supuesto, la impedancia, aunque medido en ohms no es sólo una simple oposición al flujo de corriente, ya que tiene en efectos de la en la fase de la corriente e de la tensión. Un ejemplo de cómo puede calcularse la impedancia se da inicialmente por la combinación de un resistor y un capacitor, como el lector puede ver en la figura 202.
Figura 202 – impedancia de un circuito RC
El resistor tiene una resistencia pura (óhmica) mientras que el capacitor tiene una reactancia capacitiva. Los dos tienen diferentes efectos en el circuito, colocados en un gráfico se deslocan de 90 grados uno del otro. Esto significa que el resultado de los efectos es una suma de vectores, es decir, una suma que tiene en cuenta la dirección y sentido de los efectos en la el gráfico. Por lo tanto, llamando a la impedancia Z, R la resistencia y la reactancia capacitiva de C en este circuito, podemos calcular Z por la siguiente fórmula:
(f7.4)
Donde: Z es la impedancia (en ohms) R es la resistencia (en ohms) XC es la reactancia capacitiva (en ohms)
También podemos tener el caso de un circuito que consiste en un resistor y un inductor, como se muestra en la figura 203.
Figura 203 – impedancia en circuito RL
En este caso, la reactancia inductiva estará representada de manera diferente, como podemos ver en la misma figura donde la resultante es la impedancia. Llamando la impedancia Z, la resistencia R y la reactancia inductiva XL, podemos calcular la impedancia de la siguiente fórmula:
(f7.5)
Donde: Z es la impedancia (en ohms) R es la resistencia (en ohms) XL es la reactancia inductiva (en ohms)
Por último, tenemos el caso donde el circuito está formado por un resistor, un inductor y un capacitor, como se aprecia en la figura 204.
Figura 204 - RLC en serie circuito
Se trata de un circuito RLC en el que los efectos de la resistencia y reactancias se colocan en forma gráfica como se muestra en la figura 205.
Figura 205 – Circuito RLC
La impedancia de este circuito se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
(f7.6)
Donde: Z es la impedancia (en ohms) R es la resistencia (en ohms) XL es la reactancia inductiva (en ohms) Xc es la reactancia capacitiva (en ohms)
Tenga en cuenta que la suma de la reactancia capacitiva con inductiva es una suma de vectores, es decir, se deben considerar los signos de la grandeza.
Fórmulas Los lectores familiarizados con las matemáticas no deben preocuparse si no entiendes estos cálculos. Se volverá a cuidar de ellos en otras ocasiones.
Inglés
En el estudio de los transformadores tienen varios términos interesantes. El termo “transformer” puede causar algunos problemas cuando usamos en búsquedas en internet que también conduce a una serie de robots y los juguetes. Por lo tanto, siempre es bueno utilizar un término adicional que parte. Algunos términos que pueden utilizarse son: AC – Alternating current – corriente alterna DC – Direct Current – corriente directa o continua Power factor – Factor de potencia Power transformer – transformador de potencia AC Transformer – transformador para red Mains Transformar – transformador de fuerza Impedância – impedancia Reactance - reactancia
En este punto es bueno distinguir los términos “mains” de AC power line o grid. El dos significa lo mismo. Mains se utiliza en Inglaterra y power line o grid en los Estados Unidos.
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CUESTIONARIO
1. La forma de onda de una tensión de CA, como la disponible en una toma de energía es: a) Quadra b) Retangular c) Senoidal d) RMS
2. ¿Medio ciclo de una tensión de 60 Hz CA corresponde a cuántos grados de fase? a) 0 grados b) 90 grados c) 180 grados d) 270 grados
3. ¿Cuál es el valor eficaz de una tensión senoidal cuyo pico es de 100 V.? a) 140 V b) 120 V c) 70 V d) 35 V
4. ¿Qué potencia disipa, en forma de calor, un capacitor perfecto conectado a un circuito de corriente alterna? a) La mitad de la resistencia equivalente b) Ninguna c) Una potencia que depende de la frecuencia de la corriente d) Una potencia que depende de la intensidad de la corriente
5. En un inductor la corriente se encuentra: a) Adelantada en relación con la tensión b) Atrasada en relación a la tensión c) En fase con la tensión d) En oposición de fase con la tensión
6. ¿Cómo energía pasa de la bobina primaria de un transformador a la bobina secundaria? a) A través de la inducción electromagnética b) A través de un campo electrostático c) Por ondas de radio d) Por una corriente a través del núcleo
7. ¿Cuál es la impedancia de un circuito que tiene un resistor de 40 ohms conectado en serie con un capacitor que tiene una reactancia capacitiva de 30 ohms? a) 35 ohms b) 50 ohms c) 70 ohms d) 1200 ohms
LECCIÓN 8 - SONIDO Y ACÚSTICA
Muchos dispositivos electrónicos trabajan con sonidos, produciéndolos, reproduciéndolos, grabándolos o incluso leyéndolos. En electrónica, hogar, industrial, telecomunicaciones y otros, podemos encontrar varios tipos de dispositivos que funcionan básicamente con sonidos. Para entender cómo estos dispositivos funcionan, en primer lugar, debemos entender lo que es el sonido. Esta lección dará al lector estos conocimientos básicos sobre los siguientes elementos:
1 - La naturaleza del sonido 2 - Espectro audible 3 - Características de los sonidos 4 - Propiedades de los sonidos 5 - Decibelio 6 - Resonancia magnética 7 - Ultrasonido - aplicaciones prácticas 8 - Efecto Doppler 9 - Sonido estéreo
8.1- La Naturaleza Del Sonido
Aunque las vibraciones tienen no tenga naturaleza eléctrica, como pueden ser captadas y reproducidas por los accesorios eléctricos, su estudio es muy importante para aquellos que quieren conocer electrónica. Como ejemplo podemos citar los sensores acústicos para el uso industrial, interfonos y sistemas multimedia incluso hacen mucho uso de estas vibraciones, puesto que los altavoces de amplificadores producen sonidos y, además, tenemos las entradas para los sonidos captados por micrófonos. Las ondas sonoras son vibraciones mecánicas que necesitan de un medio material para la propagación. Un sonido en lo vacío no se propaga. Una experiencia tradicional demuestra que esto es verdad es hacer funcionar una campana dentro de un cristal, que ha eliminado todo el aire. El silencio es absoluto, porque donde no hay medios para propagar el sonido y él no puede ser oído, como el lector puede ver en la figura 206.
Figura 206 - experimento para demostrar que en un vacío el sonido no se propaga
En la luna sería imposible una conversación, puesto que no hay atmosfera y los sonidos de explosiones en el espacio que vemos en películas de
ficción consisten en una aberración, porque allí todo es silencio. En el aire, el sonido se propaga en forma de ondas de compresión y descompresión, como se muestra en la figura 207.
Figura 207 - El sonido consiste en ondas de descompresión y compresión del aire
Por lo tanto, un altavoz para reproducir un sonido, debe impulsar el aire para producir una onda de compresión y entonces debe moverse en la dirección opuesta, de modo a producir una onda de descompresión. Como compresión y descompresión se propagan en la misma velocidad en el aire que a presión y temperatura estándar, la velocidad del sonido es de unos 340 metros por segundo. Cuando estas ondas de compresión y descompresión llegan a nuestros oídos actúan sobre una fina membrana en su interior, denominada tímpano, que transmite las vibraciones al sistema interno. El sistema mecánico interno de nuestros oídos, formado por algunos huesos móviles demasiado delicados, "traduce" la información sobre la naturaleza del
sonido recogido y los envía al cerebro a través de las conexiones nerviosas. En la figura 208 tienen una visión de nuestro sistema auditivo.
Figura 208 – Estructura del oído
8.2 - Espectro Audible
Hay un límite bien definido para el tipo de vibraciones de sonido que nuestro oído puede percibir. Así, tenemos inicialmente un límite inferior para las frecuencias de las vibraciones que determina nuestro rango de audiencia y que es de alrededor de 16 Hz o 16 vibraciones por segundo. Este límite corresponde a los sonidos más graves que podemos escuchar. No podemos oír las vibraciones que se producen más lentamente que la tasa de 16 por segundo.
A medida que aumenta la frecuencia de sonidos o vibraciones, ellas producen distintas sensaciones. Inicialmente, se convierten en medio y después agudos hasta que se alcanza el valor máximo que podemos percibir. A la gente común el valor varía un poco, pero está alrededor de 16 000 Hertz. Esta frecuencia corresponde a mayor sonido que puede oír la mayoría de las personas. Ver figura 209 donde mostramos un gráfico que representa la gama audible, es decir, donde están los sonidos de todas las frecuencias que podemos escuchar.
Figura 209 - Espectro o faja audible
Por debajo del límite inferior contamos con la gama de infrasonidos y por encima del límite superior del oído tenemos vibraciones llamadas ultrasonidos. Hay animales como el murciélago, el delfín y hasta el perro que tienen un límite máximo de audiencia por encima de nosotros. Estos animales pueden oír frecuencias ultrasónicas que incluso en algunos casos alcanzando de 100 000 Hz o 100 kHz.
Gamas diferentes para diferentes personas
La gama audible que estudiamos puede considerarse válido para media de las personas. La faja cambia de persona a persona, y también cambia con la edad. A medida que envejecemos, nuestro rango de audición se va estrechando y dejamos de escuchar las frecuencias más altas y aún las más bajas.
8.3 - Características De Los Sonidos
Los sonidos tienen características que necesitan ser conocidas por aquellos que quieren utilizarlos, especialmente en aplicaciones en electrónica o la producción de circuitos. Podemos distinguir diferentes sonidos por sus características. Aprender a diferenciar estas características es muy importante tanto para quienes trabajan con sonido como diseños de equipos de sonido.
Altura de un sonido
La altura de un sonido es la característica que está ligada a su frecuencia. Decimos que un sonido es más alto que otro cuando su frecuencia es mayor. Los sonidos de baja frecuencia se llaman graves, entonces tenemos medios y finalmente los agudos. Un sonido más alto es, por tanto, un sonido de mayor frecuencia. Para los instrumentos musicales podemos decir que el sonido del violín es más alto que el sonido de la guitarra. No debemos confundir la altura del sonido con su intensidad o volumen como se explica a continuación.
Sopranos Hay cantantes que pueden emitir notas muy altas. Algunos incluso llegan cerca de los límites de nuestra audición. Los cantantes de voces agudas se llaman "sopranos" y entre ellos podemos destacar la brasileña Carla Maffioletti que en la orquesta de André Rieu alcanza agudos muy altos. Ver ejemplos en YouTube digitando su nombre. https://www.youtube.com/watch? v=dZeHJ5Zivgo
Carla Maffioletti
Frecuencias De Notas Musicales La escala musical tiene frecuencias bien definidas. Basado en el hecho de que nuestros oídos pueden distinguir entre frecuencias de aproximadamente 1/16 de diferencia, la escala musical se divide en octavas (1/8) donde cada nota tiene 1/8 a más de la frecuencia de la nota anterior. Así, tenemos la siguiente tabla.
C
C#
D
D#
E
F
F#
G
16.3 16.352 52 17.32 7.324 4 18.3 18.354 54 19.44 .445 20.6 20.60 01 21.82 .826 23.1 3.124 24.44 .449 32.7 32.703 03 34.64 4.648 8 36.7 36.708 08 38.89 .890 41.2 41.20 03 43.65 .653 46.2 6.249 48.99 .999 65.4 65.406 06 69.29 9.295 5 73.4 73.416 16 77.78 .781 82.4 82.40 06 87.30 .307 92.4 2.499 97.98 .988 130 130.81 .81 138.5 38.59 9 146 146.83 .83 155.5 5.56 164 164.81 .81 174.6 4.61 184.9 84.99 9 195.9 5.99 261 261.63 .63 277.1 77.18 8 293 293.66 .66 311.13 1.13 329 329.63 .63 349.2 9.23 369.9 69.99 9 391.9 1.99 523 523.25 .25 554.3 54.37 7 587 587.33 .33 622.2 2.25 659 659.26 .26 698.4 8.46 739.9 39.99 9 783.9 3.99 1046.50 1108.50 1174.66 1244.51 1318.51 1396.91 1479.98 1567.98 2093.00 2217.73 2349.32 2489.02 2637.02 2793.83 2959.96 3135.97 4186.01 4434.92 4698.64 4978.03 5274.04 5587.66 5919.92 6271.93
Volumen o Intensidad
El volumen o intensidad es la característica de sonido vinculada a la fuerza con que se producen las ondas de compresión y descompresión. El volumen o intensidad se asocian con la potencia del sonido. Dos amplificadores que tienen diferentes potencias, cuando se conectan al máximo volumen, producen sonidos con volúmenes o diferentes intensidades. La representación de dos sonidos con la misma frecuencia en diferentes intensidades se hace como el lector puede ver la figura 210.
Figura 210 - la intensidad del sonido está dada por su amplitud
Volumen y Altura Es muy común que la gente confunda volumen con la altura. Así, cuando queremos que la intensidad del sonido de un amplificador sea más pequeña, debemos pedirle que disminuyan el volumen y no la altura. Disminución de la altura sería tener el sonido más grave…
Recordamos que las ondas de sonido llevan energía y que esta energía puede tener efectos destructivos. Así, escuchar el sonido de gran intensidad, como ocurre en numerosos clubes nocturnos, conciertos y aún
mediante el uso de auriculares, puede causar problemas de audición como la capacidad auditiva y aún sordera. Incluso se utilizan ondas sonoras de alta intensidad en la limpieza de herramientas y equipos. Su energía, por ejemplo, puede utilizarse para limpiar objetos de metal (joyas, por ejemplo) con un limpiador ultrasónico, como se muestra en la figura 211.
Figura 211 - Un Limpiador Ultrasónico
Timbre
El timbre es la característica del sonido que nos permite distinguir la misma nota musical emitida por dos instrumentos diferentes. Podemos decir que este es el "color" o "personalidad" del sonido. De la misma manera que las oscilaciones pueden ser suaves, causado por un movimiento de ir y venir de un cono de altavoz, también puede producir sonidos de los movimientos bruscos o irregulares de un objeto. Poniendo los dos tipos de sonidos y incluso otros en un gráfico, vemos que para los movimientos que corresponden a un sonido puro, la representación es una senóide. Sin embargo, para otros sonidos, las vibraciones pueden ser representadas de otras maneras.
Nuestros oídos pueden percibir las diferencias entre dos sonidos que tienen la misma frecuencia, pero tienen diferentes timbres o modos de vibración. Así, las mismas notas de diferentes instrumentos tienen la misma frecuencia y aún la misma intensidad, pero cómo tienen timbres diferentes, podemos saber qué de clase de instrumento es. ¡La nota c de la guitarra es diferente de la c de un piano en el timbre! Ver figura 212 lo que ocurre con algunos instrumentos.
Figura 212 - Timbres de instrumentos tocando la misma nota
Cuando un amplificador reproduce un sonido al cambiar su forma de onda original, nuestros oídos perciben, lo cual resulta en un efecto no deseado
que es la distorsión. Sabemos que las ondas sonoras no se propagan en el vacío, pero además de esta propiedad tienen algunas otras importantes.
Longitud de onda
Este es un concepto muy importante que también se aplica a otros tipos de perturbaciones que se propagan por el espacio en forma de ondas, como las ondas de radio. Suponiendo un ciclo completo para producir un sonido senoidal, imaginemos, que en el momento que tenemos su producción ello comienza su propagación a través de un medio material como el aire. Cuando se termina el ciclo, su frente, es decir, la parte inicial de la perturbación estará a cierta distancia. Esta distancia corresponde a la distancia que recorre un ciclo completo al se producir y se llama "longitud de onda". Ella está representada por la letra griega lambda (λ). Ver figura 213.
Figura 213 – La longitud de onda
Vea que esa longitud de onda dependerá crucialmente de dos factores: la velocidad de propagación y la frecuencia. Podemos relacionar las tres dimensiones utilizando una fórmula que es importante:
v=λxf
Donde: v es la velocidad de propagación (m/s) λ es la longitud de onda (m) f es la frecuencia (Hz)
Para el sonido en aire en condiciones normales, puede podemos fijar v en 340 m/s.
Aproximación Como hemos visto en la tabla al principio de esta lección, la velocidad del sonido varía en el aire com la temperatura (y presión), pero para el propósito de los cálculos es común siempre adoptar el valor 340 m/s.
La velocidad de propagación del sonido varía dependiendo de los materiales. Tenemos, entonces, una tabla con la velocidad de propagación del sonido en algunos materiales comunes:
Material
Velocidad (m/s)
Ar (0 ºC)
331,5
Ar (10 ºC)
337,5
Ar (20 ºC)
343,4
Ar (30 ºC)
349,2
Alcohol Etílico
1 180
Glicerina
1 923
Mercurio
1 451
Agua común
1 497
Agua del mar (*)
1510 - 1550 (*)
Aluminio
5 080
Cobre
3 710
Ebonita
1 570
Vidrio
3900 - 4 700 (**)
Hielo
3 280
Ferro
5 170
Mármol
6 150
Mica
7 750
Acero carbono
5 050
Zinc
3 810
(*) Depende de la salinidad (**) Depende del tipo
8.4 - Propiedades de los Sonidos
Los sonidos se propagan sólo por medios materiales y en forma de ondas longitudinales o transversales. Esto hace que presente ciertas propiedades que el lector debe conocer. Las principales propiedades de los sonidos son:
Reflexión
Si las ondas sonoras inciden en un objeto dotado con un cierto grado de flexibilidad y con una cierta extensión, puede reflejarse, es decir, "golpear y regresar", como se muestra en la figura 214.
Figura 214 – El sonido puede reflejar ciertas superficies
Hay un tiempo mínimo para que nuestros oídos puedan distinguir dos sonidos sucesivos, dados precisamente las características de respuesta de frecuencia que presenta. Por lo tanto, si el rango que se producen
entre la emisión del sonido y su recepción pasa de de 0,1 segundos, podemos entender claramente dos sonidos: lo emitido y lo reflejado. Luego tienes el fenómeno conocido como eco, como se muestra en la figura 215.
Figura 215 – Distancia mínima para haber eco
Vea que, para que tener una separación de 0.1 segundos entre los sonidos a una velocidad de 340 metros por segundo, esto representa una distancia total de 34 m, o 17 metros de ida y 17 metros de vuelta. Estos 17 metros corresponden a la distancia mínima que debe existir entre la persona y el punto de reflexión para haber eco. Un fenómeno que ocurre cuando os tiempos de ida e de la vuelta del sonido reflejado es inferior a 0.1 segundos y, además, se producen sucesivas reflexiones, es la extensión del sonido, llamada reverberación. Es el efecto de sonido de “Catedral" en el que el sonido de un grito o una campana parece prolongarse indefinidamente, debido a reflexiones sucesivas en un rango menos menor de lo necesario para el eco.
Revestimien Revestimiento to acústico El eco es dañino para la calidad de sonido de teatros y otros ambientes y debe ser eliminado. Para ello además de las formas de la estructura, se debe reducir al mínimo las reflexiones del sonido, para lo que los teatros también utilizan recubrimientos especiales.
Cámaras anecdóticas El equipo de sonido de prueba tales como amplificadores, micrófonos, altavoces allí debe ser alguna reflexión de los sonidos. Para esto hay cámaras especiales llamadas cámaras anecóicas donde se realizan las pruebas.
Una cámara anecóica Difracción
Otro fenómeno que ocurre con los sonidos es la difracción. Cuando una onda sonora encuentra un obstáculo a su propagación, como el borde de una superficie, como el lector puede ver en la figura 216, el borde puede
funcionar como un elemento que curva las ondas sonoras.
Figura 216 – El borde de la trayectoria de la onda se desvía en el objeto
Este fenómeno es más pronunciado con el sonido las ondas de mayor longitud, es decir, con el bajo. El principio de Huygens, que puede estudiarse en los libros de física de la escuela secundaria, explica lo que ocurre en una forma más detallada, si el lector desea profundizar en el tema.
Curiosidad El principio de Huygens explica por qué quien está en el otro lado de una cerca, una persona se da cuenta la aproximación de una banda, primero escuchando los sonidos de los instrumentos más graves (longitud de onda más larga), como la tuba y después los otros.
8.5 - El Decibelio Decibelio
Del sonido más flaco que podemos escuchar al más fuerte hay una gran variación de intensidad de sonido, que hace que el uso de una unidad de medida lineal más difícil. Del sonido más débil a lo más fuerte, la intensidad varía en trillones de veces. La naturaleza, para ajustar las características del oído a todos los sonidos que podemos encontrar, le da una respuesta no lineal. Por lo tanto, el oído tiene mayor sensibilidad a los sonidos más débiles y, por otro lado, reduce su sensibilidad cuando los sonidos son más fuertes. Decimos que la respuesta de nuestro oído sigue una curva logarítmica, como se muestra en la figura 217.
Figura 217 - Curva logarítmica de sensibilidad del oído humano
Para facilitar la representación de intensidades de sonidos y aún sus cálculos se adoptó una unidad logarítmica llamada Bel (B). Lo qué hacen entonces es adoptar para la medición de volumen sonoro en una unidad logarítmica. Esta unidad es el Bel, y en la práctica trabajamos con décimas de bel o el decibel, abreviado dB. Ver figura 218 la curva de sensibilidad del oído humano a los sonidos de distintas frecuencias con la escala en dB.
Figura 218 - curva de sensibilidad del oído humano - note que la mayor sensibilidad está alrededor de 3 kHz.
La siguiente tabla muestra el nivel de sonido relativo en dB de algunas fuentes comunes, para que el lector tenga alguna idea de cómo funciona esta escala.
Fuente de sonido
Nivel de sonido
Respiración normal
10 dB
Habitación tranquila
35 dB
Conversación de voz normal
45 dB
Gente Gente que que habl abla con con voz un poco poco alto alto
60 dB
Fiesta ruidosa
90 dB
Calle muy transitada
90 dB
Concierto de rock
120 dB
Trueno
120 dB
Jet despegando (30 m)
140 dB
Potenciómetr Potenciómetros os de volumen volumen Los potenciómetros utilizados en los controles de volumen de los
estéreos, radios y otros circuitos que operan con audio (sonido) tienen una curva de rendimiento logarítmico para adaptarse a las características del oído humano. Son potenciómetros que difieren del lineal (lin).
8.6 – Resonancia
Otro fenómeno importante que ocurre con los sonidos y también con otras formas de vibración es la resonancia. Todos los cuerpos tienen una frecuencia propia de vibración, una frecuencia en que puede vibrar más fácilmente. Esta frecuencia depende del material de que están hechos, su forma for ma y sus dimensiones. dimensiones. Por eso, cuando golpeamos una pequeña barra de metal y una barra grande de los sonidos producidos tienen diferentes frecuencias. Cada barra tiende a vibrar en su propia frecuencia, como el lector puede ver la figura 219.
Figura 219 - Barras de diferentes longitudes vibran a diferentes frecuencias
Una herramienta útil para la afinación de instrumentos musicales, que se basa enteramente en la resonancia es el diapasón. Como es posible ver en la figura 220, consta de una barra de metal en forma de una horquilla, que al ser golpeada o vergada) produce sonido en una frecuencia fija, normalmente la fa nota de 440 Hz en el que está basado en la afinación de una gran cantidad de instrumentos musicales.
Figura 220 – Diapasón en caja de madera, tales como los utilizados en laboratorios de la física
La resonancia puede ser un fenómeno no deseado o deseado en muchas aplicaciones de sonido. Se desea cuando se trata de producir un sonido de una frecuencia fija y puede tomar ventaja de las características físicas de un objeto. Los instrumentos musicales se basan totalmente en él. Ella no es deseada, donde las fuertes vibraciones en la frecuencia en la cual un cuerpo tiende a vibrar trae algún tipo de problema. La resonancia
de altavoces comunes en ciertas frecuencias, por ejemplo, puede distorsionar los sonidos de estas frecuencias haciendo la reproducción desagradable.
8.7 - Aplicaciones para los Ultrasonidos
El ultrasonido puede utilizarse en varios tipos de aplicaciones prácticas, muchas de las cuales se basan en ejemplos encontrados en la naturaleza. EL SONAR, por ejemplo, se basa en el sistema de orientación empleado por los murciélagos y delfines. Estos animales emiten ondas ultrasónicas de hasta de 100 000 Hz en algunos casos y tienen un oído sensible para captar sus ecos. Según el eco, puede determinar el tamaño del objeto en el cual reflejaban las ondas y también si este objeto está en movimiento, con una idea de su dirección, como podemos ver en la figura 221.
Figura 221 – El murciélago utiliza ultrasonidos para encontrar su comida
Aprovechando esta idea usando un equipo denominado de ecobatímetro (que está basado en sonar) capaz de medir la profundidad del lugar donde se encuentran y también detectan cardúmenes de peces u objetos flotantes en profundidades intermedias. En la figura 222 tenemos el
principio de funcionamiento de este equipo.
Figura 222 – El sonar del eco
Por el tiempo que la señal ultrasónica tiene para llegar al fondo y volver se puede determinar la profundidad y ecos intermedios indican la presencia de cardúmenes. Todo esto se presenta en una pantalla especial que ya tiene, en algunos casos, recursos para procesar la imagen, proporcionando hasta un perfil del fondo marino en el local de navegación. En robótica también utiliza el mismo principio para detectar obstáculos y determinar la distancia a la que se encuentra. Un emisor de ultrassons se coloca delante del robot junto con el receptor, como el lector puede ver en figura 223.
Figura 223 - Sensor y robot Lego con sensor de ultrassons
Las ondas ultrasónicas son constantemente enviadas y recibidas, y si hay obstáculos en los que reflejen, un circuito que procesa constantemente el eco, determina su distancia por el tiempo que tardan para ir y volver. La posibilidad de medir distancias o incluso detectar cosas at través de la reflexión de las ondas sonoras tiene también aplicaciones importantes en la industria. Uno de ellos consiste en la detección de defectos en una pieza de metal por medio de ultrasonido. Si el ultrasonido se aplica en la pieza en teoría, sólo se produce en el otro extremo o cara de la pieza. Sin embargo, si hay cualquier "discontinuidad" para la propagación de las ondas como una falla interna o un crack, las
ondas reflejan antes y el aparato puede hacer su detección. En la figura 224 nos ilustran lo que ocurre.
Figura 224 - Usando ondas ultrasónicas para detectar defectos en piezas
8.8 - Efecto Doppler
Un efecto de extrema importancia para algunas aplicaciones con sonido y ultrasonido es el "efecto Doppler". Cuando un objeto emite un sonido, la frecuencia de ese sonido se modifica por su movimiento, como se muestra en la figura 225.
Figura 225 – Cambio de longitud de onda por el movimiento
Una forma sencilla de entender, podemos decir que, si el objeto se mueve para lejos de la fuente, como podemos ver en la figura 226 las ondas reflejadas "estiran" y la parte del sonido que vuelve tiene una longitud de onda mayor o sea, menor frecuencia. Si el objeto se aproxima de la fuente, las ondas reflejadas tienen su longitud "reducida" y con él el sonido es más agudo, es decir, tiene una frecuencia más alta. Nosotros podemos averiguarlo fácilmente cuando un automóvil pasa por nosotros tocando la bocina. Cuando se aproxima de la bocina parece más aguda que cuando aleja. En el momento exacto pasa por que nos dimos cuenta de la transición del sonido. Si conocemos la frecuencia del sonido podemos y medimos la frecuencia podemos determinar con precisión la velocidad del objeto en el que refleja, como se muestra en la figura 226.
Figura 226 – Conociendo λo podemos calcular VR de la medición λ
Radar Este principio, como veremos en la siguiente lección se utiliza con las ondas de radio, donde también se encuentra el efecto Doppler para los radares que miden la velocidad de los vehículos en las carreteras.
8.9 - Sonido Estereofónico
Cuando usted compra un sistema de sonido, la primera preocupación que nos viene a la mente es que sea estéreo o estereofónico, que es el término correcto, muchos lo asocian a la presencia de dos altavoces o parlantes, pero eso no es todo. Vea en este artículo lo qué es sonido estéreo, para no caer en trampas, comprando un equipo que realmente no tiene esta característica. La palabra estéreo proviene del griego " stereos ", significa "sólido". En electro-acústica se utiliza esta palabra para denotar una forma de reproducción del sonido que se proporciona la sensación de "volumen" o
"cuerpo" a una reproducción de sonido, específicamente en la música. Nuestro oído, por sus características de directividad nos permite "evaluar" la distancia de una fuente de sonido comparando diferencias en intensidad con llegan los sonidos en dos receptores que tenemos, es decir, cada oreja, como se muestra en figura 227.
Figura 227 – El oído evalúa la posición de los objetos por tiempos dos sonidos
Por lo tanto, si tenemos una sola fuente de reproducción musical, la distancia recorrida por el sonido para llegar a los dos receptores (oídos) es la misma, por lo que no tiene ningún sentido de la diferenciación de los distintos instrumentos de una pieza en su lugar verdadero. En el caso de una orquesta, escuchamos los instrumentos hacinados en un solo lugar. Este es el caso del sistema Mono, que no nos permite tener una idea de lugar o "cuerpo" a una pieza de música. En el caso de un sistema estéreo, ya que contamos con dos diferentes fuentes de sonido, para enviar señales que corresponden también a diferentes colocaciones de instrumentos o participantes de una pieza,
podemos tener la sensación de ubicación por el oído, agregando el "volumen" o el "cuerpo", como se muestra en la figura 228.
Figura 228 – Una sensación de volumen en el sonido estéreo
Por supuesto, para ser estéreo, las dos fuentes de sonido, en este caso, los altavoces reproducen programas o señales diferentes. Estas señales deben coincidir con el sonido original, no sólo en términos de frecuencias y formas de onda, sino también en relación con las intensidades dadas por el posicionamiento. Vea que para tener una reproducción estéreo no es suficiente tener sólo dos altavoces. Las señales también deben ser grabadas o transmitidas en configuración estéreo, de diferentes fuentes. La grabación o programa deben tener señales separados y el amplificador debe tener dos canales del amplificador para alimentar dos sistemas diferentes de altavoces y estos sistemas de altavoces deben colocarse correctamente.
Vea:
a) No hay ninguna reproducción estéreo conectando una grabadora o una fuente Mono a un Amplificador estéreo, debido a que la señal reproducida por dos canales o cajas será el mismo. No hay ninguna separación de las señales para la reproducción. b) No hay ninguna reproducción estéreo simplemente conectando un amplificador común a dos altavoces colocados en diferentes lugares. Muchos sistemas estéreos de muy bajo coste (especialmente radio AM/FM portátiles) tienen dos altavoces, y se venden como estéreo pero realmente están conectados en el mismo canal del amplificador, por lo tanto, la reproducción es monoaural. c) No hay reproducción estéreo en un, receptor de FM o cualquier otro dispositivo que utiliza un solo altavoz. Debe haber por lo menos dos altavoces en un sistema estéreo, como se muestra en la figura 229. Vea el lector que requiere prestar mucha atención con la compra de cualquier equipo. Hemos siempre tratamos de vender una "radio AM / FM estéreo con un solo altavoz”.
Figura 229 – No hay ningún sonido estéreo desde un solo altavoz
d) La modificación de un sistema de sonido mono a ser estereofónico requiere el uso de un circuito de amplificador también siguiendo los decodificadores y no son factibles por el costo en la mayoría de los casos.
En sistemas de estéreo del coche y en radio FM, hay circuitos que decodifican la señal multiplexada que proviene de la estación. En la transmisión de las señales de los dos canales, la estación los aplica a una misma portadora a través de un proceso llamado multiplexación, como se muestra en la figura 230.
Figura 230 – El sistema FM multiplexado estéreo
Un receptor de radio común, no se separa estos canales haciendo la reproducción mezclada, no hay ninguna sensación estéreo, pero un receptor estéreo hace la separación o decodificación (cuando el LED rojo se enciende en el panel) y la reproducción está separada por dos altavoces. En el caso de otros equipos como grabadoras, equipos de sonido, reproductores MP3, CD, la separación de canales ya se hacen mediante el envío de las señales a los altavoces, pasando con esta reproducción ya en estéreo.
Además de la radio
Puede tener una sensación de volumen o cuerpo con el sonido mucho mejor si en lugar de sólo dos fuentes de sonido tenemos más. Así, los sistemas de sonido de cine en casa (Home Theater), envían 5 a 7 canales de sonido llamados Dolby Surround, como se muestra en la figura 231.
Figura 231 - Dolby surround del home theater con 5 altavoces
En este sistema tenemos dos altavoces traseros (Rs y Ls), dos delanteros (L y R) y un sub-woofer.
Los altavoces de estos sistemas no están conectados todos al el mismo canal, pero los canales de un sistema de amplificación compleja que separa las señales según la posición del altavoz. Con esto usted puede tener la sensación de sonidos provenientes de la parte delantera y trasera, tanto de derecha como de la izquierda y una caja adicional para bajos (subwoofer).
Temas de investigación:
a) Radar b) Sonar c) Transductores ultrasónicos d) Audición de los animales e) Dolby f) Teatro en casa g) Ecobatímetro h) Ultrasonido
Inglés
Los términos relacionados con la acústica en inglés pueden causar cierta confusión y deben ser analizados cuidadosamente. Sólo hay que recordar que el ultrasonido en inglés es ultrasound pero en ciertos documentos también encuentra-se supersound o ultrasonic .
Otros términos:
Ultrasonic – ultrasónico
Echo - eco Sound – sonido Tuning fork – Diapasón Higher – mayor High – alto Tone – tono Trebble – agudo Bass – grave Echo sounder – ecobatímetro
CUESTIONARIO
1. La velocidad de propagación del sonido en el vacío es: a) 340 m/s b) 300 000 km/s c) 1 500 m/s d) El sonido no se propaga en el vacío
2. El sonido (A) es más fuerte que el sonido (B). Esta declaración revela que: a) la intensidad del sonido A es mayor que la de B b) la frecuencia del sonido A es mayor que la velocidad del sonido (B) c) el volumen del sonido A es mayor que del sonido (B) d) el sonido tiene A mayor alcance que el sonido B
3. ¿Cuál es el fenómeno en que se basa la construcción de los diapasones? a) reflexión b) refracción c) MRI d) Efecto Doppler
4. ¿Cuál es la longitud de una onda sonora de 3 400 Hz (suponiendo que la velocidad del sonido en el medio considerado 340 m/s)?
a) 34 m b) 340 m
c) 3,4 m d) 0,34 m
5. Cuál es el fenómeno en que se basa la construcción del SONAR: a) reflexión b) refracción c) difracción d) interferencia
6. ¿Cuál de los siguientes transductores utiliza materiales piezoeléctricos? a) altavoz b) Micrófono electret c) altavoz de agudos d) micrófono dinámico
LECCIÓN 9 - ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
Las ondas de radio u ondas electromagnéticas se utilizan de forma muy amplia en la electrónica moderna, principalmente en equipos de telecomunicaciones. La mayoría de los dispositivos electrónicos que operan "sin cables" hace uso de ondas electromagnéticas u ondas de radio, como también son conocidas en función de su frecuencia. Incluyen en esta categoría los equipos de telecomunicaciones, control remoto, detección, transmisión de datos y muchos otros. Para entender que su principio de funcionamiento debemos empezar a entender lo que son las ondas de radio. En esta lección analizaremos esta cuestión en los siguientes artículos:
9.1 - Ondas electromagnéticas 9.2 - Características de las ondas de radio 9.3 - Propiedades de las ondas de radio 9.4 - Transmisores 9.5 - Receptores 9.6 - Interferencias y ruidos 9.7 - Antenas
9.1 - Ondas Electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas, incluyendo las llamadas ondas de radio, tienen una naturaleza completamente diferente de las ondas sonoras. Estas ondas, se propagan a una velocidad mucho más alta y no necesitan de medio material para propagarse, lo que significa que se pueden propagar en el vacío. Las ondas electromagnéticas son producidas por cargas eléctricas que oscilan o vibran alrededor de una posición determinada, como explicaremos a continuación. Tomamos para nuestras explicaciones sólo una carga eléctrica como un ejemplo. Ver, sin embargo, que las mismas explicaciones se aplican a una grande cuantidad de cargas móviles, como los que forman una corriente en un cable. Si tenemos una carga eléctrica en reposo (parada) en su torno formase apenas un campo eléctrico, como se muestra en la figura 232.
Figura 232 – Una carga eléctrica en reposo crea un campo eléctrico
Si esta carga salir de esta posición, moviendo rápidamente a otra
posición, las líneas de fuerza del campo eléctrico se contraen y al mismo tiempo aparece un campo magnético cuyas líneas de fuerza envuelven la trayectoria de la carga. Cuando la carga llega a la nueva posición de reposo en B, las líneas del campo magnético contraen y, al mismo tiempo, expande el campo eléctrico alrededor de la nueva posición de la carga. Ahora, suponiendo que la carga vuelva a su posición inicial en A, tenemos otra vez la contracción de las líneas de campo eléctrico con la expansión del campo magnético, como se muestra en la figura 233.
Figura 233 – Una carga eléctrica crea un campo magnético, o el campo tiene orientación depende de la dirección del movimiento
Si la carga eléctrica oscila rápidamente, pasando de posición A para B en un proceso rítmico, tenemos la producción de una perturbación de origen eléctrica y magnética. Esta perturbación se propaga a través del espacio a una velocidad de 300 000 kilómetros por segundo en forma de una onda. Decimos que se trata de una onda electromagnética que lleva energía a través del espacio y no necesita soporte material, es decir, puede propagarse en el vacío.
Las ondas electromagnéticas pueden tener frecuencias tan bajas como unos pocos Hertz. Es el caso de las ondas producidas por las cargas que oscilan dentro de los cables de nuestra instalación eléctrica, pero no se propagan grandes distancias por su intensidad, hasta las de mayor frecuencia como las utilizados en la radio (AM y FM), televisión, teléfonos celulares y radar y mismo de alta frecuencia como las que forman la radiación infrarroja, luz visible y luz ultravioleta. Haciendo con que las cargas van hacia adelante y hacia atrás en conductores de tamaños adecuados, llamados "antenas", tenemos que las ondas electromagnéticas se irradian al espacio con gran eficiencia y hasta en direcciones elegidas. Podemos utilizar estas ondas para llevar la información, que es la base de las telecomunicaciones modernas de los sistemas que utilizan las ondas de radio. Estas ondas pueden tener millones o incluso miles de millones de vibraciones por segundo que se mide en megahertz y gigahertz (MHz o GHz). En la figura 234 tenemos la representación del espectro electromagnético, es decir, un gráfico en el que aparecen las principales frecuencias de ondas electromagnéticas y donde se utilizan.
Figura 234 - Parte del espectro de ondas electromagnéticas que incluye ondas de radio
Tenga en cuenta que, por encima de cierto valor, las olas ya se comportan de manera diferente y que consisten en una forma de radiación que sentimos como calor y rayos infrarrojos. Y luego, en las frecuencias más altas todavía esta onda puede ser capaz de impresionar a nuestros ojos: es luz visible. Por encima de la luz visible tenemos el ultravioleta, rayos x y rayos gamma. Las diferentes frecuencias en esta gama se pueden diferenciar por nuestros ojos, dándonos la sensación de colores, el lector en la figura 235.
Figura 235 – El espectro visible
Así, el rojo corresponde a una frecuencia menor que la azul, es decir, la longitud de onda es mayor. Para medir las longitudes de onda de las ondas electromagnéticas de menor frecuencia utilizan unidades comunes como incluso el cm y el metro. Sin embargo, para las ondas de frecuencia muy alta, como la luz, es común el uso de otras unidades como el nanómetro (nm) que equivale
a 10-9 metros y el angstrom (A) que es igual a 10 -8 metros. De ahora en adelante estudiaremos más las ondas que están en el rango de unos pocos Hz a pocos gigaHertz que corresponden a las ondas de radio. Se estudian las ondas de frecuencias superiores en óptica y sus ramificaciones, como optoelectrónica e la electrónica transparente.
Espectro continuo El espectro de ondas electromagnéticas (como los sonidos) es continuo en el sentido de que no hay ninguna separación entre dos valores de frecuencia. Por lo tanto, la cantidad de frecuencias posibles es infinita. Entre cualesquiera dos valores de frecuencia podemos encontrar infinitos valores.
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Fue Maxwell que predijo la existencia de ondas de radio en la formulación de las ecuaciones que demostraron no sólo que la luz
consistía en ondas electromagnéticas, pero hubo ondas de todas las frecuencias posibles en el espectro. Así, por debajo del espectro de luz visible y infrarroja pueden tener ondas con las mismas propiedades.
Bandas de Radio
El espectro de frecuencias de radio utilizadas en las telecomunicaciones se divide en bandas, fajas, rangos o gamas. Estas bandas se especifican normalmente por sus siglas, como se muestra en la siguiente tabla.
Donde: MHz
SIGLA
FRECUENCIA
0,003 – 0,03
VLF - Very Low Frequency
muy baja
0,03 – 0,3
LF - Low Frequency
baja
0,3 - 3
MF - Medium Frequency
media
03/30/17
HF – High Frequêncy
alta
30 - 300
VHF – Very High Frequency
muy alta
300 – 3 000
UHF – Ultra High Frequency
ultra alta
3 000 - 30 000
SHF – Super High Frequency
super alta
30 000 – 300 000
EHF – Extra High Frequência
extra alta
Fue Hertz quien primero logró producir ondas de radio en un
extremo de su laboratorio y recibirlos en un rudimentario receptor colocado en el otro extremo, comprobando su existencia.
9.2 - Características de las ondas de radio
En la misma forma que las ondas sonoras, las ondas de radio tienen características importantes que todo profesional debe conocer. Comenzamos nuestros estudios por las principales características:
Longitud de onda
Un concepto muy importante en el estudio de las ondas electromagnéticas es la longitud de onda. Volvemos a la carga oscilante para mejor explicar lo que esto significa: Suponiendo que de un momento determinado la carga se mueva del punto A al punto B, produciendo una perturbación electromagnética que varía en sus dos componentes (eléctricos y magnéticos) entre el máximo y el mínimo y vuelve a la posición inicial, ocurre lo siguiente: Cuando la carga vuelve hacia el punto A al final del ciclo de oscilación o vibración, la perturbación inicial, producida en el momento exacto cuando comienza el proceso habrá caminaron a través del espacio una cierta distancia, como el lector verá en la figura 236.
Figura 236 - La longitud de onda una onda electromagnética
La distancia recorrida por la perturbación que ocurre en un tiempo correspondiente a un ciclo de la onda electromagnética y nos da la longitud de la onda. Supongamos que una señal electromagnética cuya frecuencia es 100 MHz (100 000 000 Hz ó 100 MHz), como el usado en las transmisiones de FM. En el ciclo 1, habrá viaja una distancia de:
d = 100 000 000 000 000/300 d = 3 metros
(El valor fijo 300 000 000 corresponde a la velocidad de propagación de la luz en metros por segundo, de hecho, este valor es aproximado, ya que
hay una ligera diferencia cuando las ondas se propagan en el vacío y en medios materiales). Por lo tanto, la longitud de onda de esta señal es de 3 metros.
Ondas Milimétricas, centimétricas y ondas métricas Es común también ordenar las ondas conforme la longitud en bandas. De esta manera, las ondas de VHF y HF se denominan también ondas métricas mientras las de UHF en centimétricas e UHF y SHF y EHF en milimétricas o microondas.
Vemos que, para esta señal ser captada correctamente por una antena, su dimensión debe estar en el mismo orden que la mitad de la longitud de la onda. Así, una simple antena de FM, estará formada por dos cables como se muestra en la figura 237 y tenga una longitud de 1 metro y medio.
Figura 237 – Las dimensiones de una antena son dadas por la longitud de onda de la señal que debe ser recibida
Esta antena, muy propiamente, se llama un dipolo de media onda y es sintonizada, en el caso de un metro y medio, al centro de la banda de FM, donde tendrá un rendimiento máximo, alrededor de 100 MHz. El lector notará que las varillas de una antena de TV tienen diferentes longitudes porque se "cortan" para las distintas frecuencias de los canales que deben ajustarse en la banda de VHF o UHF. Esto también ocurre con todos los equipos deben recibir o transmitir ondas de radio. La figura 238 muestra una antena de televisión para diversos canales de frecuencias diferentes.
Figura 238 - Una antena para varios canales de televisión
Vea, cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la longitud de onda. Esto queda claro cuando miramos a una antena de VHF y una. UHF Las frecuencias de UHF son más altas, lo que significa que corresponden a longitudes de ondas más pequeñas, y así que sus varillas son más pequeñas. Es por ello, tomando la banda de las ondas utilizadas en radio, tienen el nombre de onda media para frecuencias más bajas y después de la onda corta en las frecuencias más altas.
Tamaño de la antena Vemos entonces que una antena está directamente relacionada en su tamaño y forma con la señal debe ser recibido o transmitido. Una antena más mayor no siempre es mejor.
Amplitud
Las ondas electromagnéticas transportan energía. La cantidad de energía que llevan es dada por su intensidad o magnitud. La figura 239 representa dos ondas electromagnéticas de la misma frecuencia, pero de diferentes amplitudes.
Figura 239 – Diferentes amplitudes, pero las ondas de la misma frecuencia
Polarización
Como estudiamos, las ondas están formadas por campos eléctricos y magnéticos que se alternan. Si consideramos una onda que se propaga en cierta dirección, como se muestra en la Figura 240, vemos que los campos eléctricos y magnéticos están avanzando perpendicularmente entre sí.
Figura 240 – Los campos eléctricos y magnéticos están avanzando a un pariente a otro
Así, podemos hablar de polarización como una característica que define la orientación que los campos tienen al se propagar, en particular en relación con el campo eléctrico. La polarización es muy importante en aplicaciones prácticas, principalmente con antenas. Las ondas de TV en las bandas de VHF, por ejemplo, son polarizadas horizontalmente. Como el lector puede en figura 241, para recoger convenientemente las ondas las antenas deben tener sus varillas en posición horizontal.
Figura 241 - las varillas están en la posición determinada por la polarización del campo onda entrante
9.3 - Propiedades de las Ondas Electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas tienen ciertas propiedades que serán importantes para entender su comportamiento bajo ciertas condiciones. El profesional de la electrónica debe conocer estas propiedades, especialmente los que se dedicarán a las telecomunicaciones.
Velocidad y Propagación
Las ondas electromagnéticas se propagan en línea recta, en el vacío con una velocidad de aproximadamente 300 000 km/s. Nos medios materiales, dependiendo de su naturaleza la velocidad es menor.
Reflexión
Las ondas de radio puedan reflexionar sobre ciertos tipos de obstáculos. Como las ondas sonoras, las dimensiones de los obstáculos deben ser más grandes que la longitud de onda (longitud) para haber reflexión eficaz. Si la onda es demasiado larga en relación con el objeto ella puede pasar por alto, como se muestra en la figura 242.
Figura 242 – Las ondas pasan a través de pequeños obstáculos y reflejaron en grandes obstáculos
La reflexión es responsable por muchos fenómenos importantes, algunos de los cuales también son interesantes. Tomemos como ejemplo el caso de ondas emitidas por las estaciones de TV analógica en las bandas VHF. Bajo ciertas condiciones, cuando hay colinas, edificios y otros obstáculos capaces de reflejar las ondas, la señal emitida por la estación puede llegar a la antena de recepción por dos rutas diferentes, como se muestra
en la figura 243.
Figura 243 – fantasmas se producen por reflexiones de las señales
La señal reflejada en una colina o un edificio, por tener que recorrer una distancia mayor tendrá un retraso en relación con la onda directa. Este retraso es interpretado como diversas señales por los circuitos y con eso provocan la aparición de una segunda imagen cambiada de puesto en la pantalla. Este fenómeno se llama "fantasma" y puede resolverse con el uso de una antena que "rechaza" las señales que vienen de ángulo que ella no precisa recibir. El uso de una antena direccional o incluso el cambio de su posición en el techo puede ayudar a rechazar la señal reflejada y eliminar el "fantasma".
Una de las ventajas de la TV digital, es que las señales que llevan información pueden "comprobados" a través de algoritmos que evitan la información falsa como las que coinciden con las sombras y otros problemas. Esto significa que la TV digital no presenta el problema de "fantasmas", común a la TV analógica, principalmente en las zonas urbanas. El radar es un dispositivo usado para detectar aviones y usado también en control del tráfico aéreo que se aprovecha de las reflexiones de las ondas de radio, segundo principio ya estudiado en el caso de sonar. Un potente transmisor emite ondas que se reflejan en el avión y se toman nuevamente siendo recibidos por la misma antena o en algunos casos por otra, como el lector puede ver en la figura 244.
Figura 244 – El radar
Por el tiempo que la señal se retarda para volver y, además de la intensidad con que se refleja, pudimos tener una información precisa sobre la posición del avión, su tamaño y velocidad incluso.
Un "espejo" para las ondas de radio es la capa de la atmósfera, compuesta de partículas cargadas, llamada ionosfera y ubicada en alturas entre 80 y 400 km, como puede verse en la figura 245.
Figura 245 – La ionosfera refleja ciertas longitudes de onda
Esta capa puede reflejar ondas de radio hasta una frecuencia de aproximadamente 50 megahertz, haciéndoles curvar y reflexionar hacia la tierra. Como la tierra también refleja estas señales, ellas se puedan propagar "en saltos" a grandes distancias.
Frecuencias más altas De hecho, en ocasiones especiales, frecuencias más altas también pueden reflejar estas capas.
Estas señales corresponden a las ondas cortas, por lo tanto, pueden alcanzar grandes distancias alrededor de la curvatura de la tierra en "saltos". En esta banda, estaciones muy distantes se pueden sintonizar, lo que no ocurre con las ondas utilizadas para TV y FM (mucho más cortas) y que no reflejan en la ionosfera. El alcance de estas señales está limitado a unos pocos cientos de kilómetros debido a la curvatura de la tierra, como el lector verá en la figura 246.
Figura 246- el alcance de las señales de TV y FM está limitada por la curvatura de la tierra
La luz es onda electromagnética La luz también se compone de ondas electromagnéticas cuya frecuencia está muy por encima de las ondas de radio, pero tiene el mismo comportamiento. Así, la luz también se refleja en los objetos y uno de ellos es el espejo, que no es más que una superficie pulida.
Refracción
De la misma forma que la luz (que también se compone de ondas electromagnéticas), las ondas de radio común presentan un cambio de dirección y velocidad de propagación cuando pasan de un medio a otro. Así, como podemos ver en la figura 247, al encontrar una capa de aire con menor densidad, debido al calor, por ejemplo, las ondas pueden sufrir una flexión de su trayectoria, alcanzando grandes distancias.
Figura 247 - Refracción en las bolsas de aire caliente (intercambio de calor)
Este fenómeno, llamado "refracción troposférica" hace, en algunos casos, que señales de frecuencias que generalmente no se reflejan en la ionosfera recorren distancias muy grandes. También debemos considerar que, al se propagar en un material denso, las ondas se someten a una "atenuación", es decir, tiene su intensidad disminuida por la absorción de la energía que transportan.
Espejismo o Miraje Un fenómeno relacionado con la refracción y que ocurre con la luz es el espejismo o miraje. Como se muestra en la figura A, la luz que viene desde el cielo (azul) sufre una desviación en las capas de aire caliente del desierto, haciendo una trayectoria curva.
El viajero del desierto mirando el horizonte, ves el cielo proyectado en la tierra lo que da la impresión de agua o un lago.
Difracción
Cuando las ondas de radio encuentran un obstáculo que impide su propagación, ellas pueden experimentar un cambio en la dirección de propagación, como el lector verá en la figura 248.
Figura 248 - Difracción de la onda de radio
Los bordes de un edificio o de una colina pueden funcionar como elementos que desvían la trayectoria de las ondas que pasa dispersándolas en todas las direcciones, siempre se propagando en línea recta.
9.4 - Transmisores
Los dispositivos están destinados a producción de ondas para su transmisión se conocen como transmisores de radio. Un transmisor es un circuito electrónico que produce una corriente alterna a la frecuencia de la señal que debe ser transmitido. Cuando esta corriente es aplicada a una antena, se producen alrededor de las mismas ondas de misma frecuencia que se propagan por el espacio. Ver la figura 249.
Figura 249 – Campos de una antena
Los transmisores se diferencian no sólo por la frecuencia de la señal que producen y de potencia sino también por cómo la información debe ser enviada por los señales. Hay varias maneras de aplicar la información en una señal de que va a generar una onda de radio que se transmite. Estos modos se denominan 'modulación'.
Antena transmisora y receptora Una antena tanto puede recibir como transmitir las ondas electromagnéticas. Cuando una corriente de alta frecuencia pasa a través de una antena, son producidas ondas que son irradiadas. Entonces tenemos una antena que transmite. Cuando una antena es interceptada por una onda electromagnética corrientes eléctricas son inducidas en la misma frecuencia pudiendo ser enviadas a un receptor. En este caso, la antena sirve como una antena receptora.
Modulación
Llamamos modulación el proceso segundo el cual cambiamos alguna característica de una onda electromagnética para que pueda llevar información (sonido, imagen, datos, etcétera). Existen varias técnicas de modulación empleadas actualmente, cuya elección depende del tipo de información que debe ser transportada. Las principales son:
a) Modulación de amplitud o AM
En la modulación de amplitud de lo que hace es cambiar la intensidad de una señal de alta frecuencia (portadora) que se utiliza para producir una onda electromagnética, utilizando una señal de baja frecuencia, como se muestra en la figura 250.
Figura 250 - Modulación en amplitud
La señal de alta frecuencia que lleva información (señal de baja frecuencia) es llamada "portadora". Usamos este proceso la radiodifusión de ondas medias y cortas (AM) y las imágenes de TV en VHF o UHF. En el caso del radio, lo que se hace es aplicar las señales de baja frecuencia que corresponden a sonidos captados por un micrófono, por ejemplo, al circuito que lleva la señal a la antena, como el lector verá en figura 251.
Figura 251 – Diagrama de bloques de un transmisor
Al hacerlo, la señal aplicada a la antena y por lo tanto las ondas producidas tendrán su intensidad variando según el mismo ritmo o características de la señal del modulador de baja frecuencia. En el caso de las televisoras, la señal de vídeo, que corresponde a la imagen captada por la cámara, hace un cambio en la portadora de alta frecuencia y son transportadas al receptor de TV.
b) Frecuencia modulada o FM
En frecuencia modulada o FM lo que hace es variar la frecuencia de la portadora (señal de alta frecuencia) a partir de la señal de baja frecuencia que debe transportarse. En la figura 252 mostramos como una señal de baja frecuencia varía la frecuencia de una portadora entre dos frecuencias distintas.
Figura 252 - portadora modulada en frecuencia
Una de las ventajas del proceso de modulación de frecuencia en comparación con el proceso de modulación de amplitud se encuentra en el hecho de que la intensidad de la señal permanece constante lo que se traduce en una mayor inmunidad a ruidos e interferencias.
c) Modulación de anchura de pulso, o PWM
Este proceso es ampliamente utilizado en sistemas de control cuando una señal debe controlar la velocidad de un motor, la temperatura de un sistema de calefacción o de otro tipo de transductor. Como el lector puede ver en figura 253, lo que se hace es cambiar la longitud o la anchura de los impulsos producidos por un oscilador de acuerdo con información o grandeza analógica que debe ser transmitida. El circuito es
encendido y apagado a una velocidad tal que le permite controlar el valor medio de la amplitud.
Figura 253 - En la PWM controlamos los tiempos t1 y t2.
d) Modulaciones digitales
Para la transmisión de señales digitales, también hay otros procesos, como lo que hace uso de lo que se llama " espectro extendido" donde la información ocupa bandas de frecuencia cambian constantemente. Este proceso es utilizado en comunicaciones inalámbricas entre computadoras, teléfonos móviles, wireless, bluetooth y muchos otros. (Ver nuestro curso de telecomunicaciones)
9.5 - Receptores
Los receptores no son más que el equipo que puede captar las señales enviadas por transmisores. Básicamente tienen una antena, un circuito de
sintonización y un circuito capaz de separar la información que se envíe de la señal que la lleva. La antena, dependiendo de la frecuencia de la señal debe ser recibida, es una varilla de metal. Cuando las ondas pasan por la antena es inducida una corriente de la misma frecuencia que va a circuito de sintonización. El circuito de sintonización puede separar la señal de la emisora deseada de todas las otras señales que la antena está interceptando en ese momento. La configuración más común para la sintonización de circuitos consiste en una bobina y un capacitor, como el lector verá en figura 254.
Figura 254 – Circuito de sintonía LC
La separación de la señal de baja frecuencia (información) de la señal de alta frecuencia (portadora) se realiza mediante circuitos que dependen del tipo de señal a procesar.
Circuitos resonantes Estos circuitos son formados por bobinas (inductores) y capacitores que se estudian generalmente en un modo más profundo en cursos de telecomunicaciones. En la práctica podemos decir que hay una sola frecuencia a la que el circuito tiene una impedancia nula (LC serie LC) o infinita (LC paralelo)
9.6 - Interferencia y Ruido
Juntamente con las señales que las estaciones transmiten son presentes en el espacio y por lo tanto captados por las antenas, señales no deseadas que provocan distintos tipos de problemas. Estas señales no deseadas son básicamente de dos tipos:
1. Ruidos
Los ruidos son señales sin un patrón determinado, generalmente producidos por fenómenos naturales y en el funcionamiento de algunos tipos de aplicaciones comunes. Un ruido, como se muestra en la figura 255 tiene un amplio espectro que se extiende hasta tal punto que puede afectar a toda una gama de servicios de comunicaciones.
Figura 255 – f1 y f2 puede cubrir una amplia gama del espectro de telecomunicaciones
Cuando la intensidad del ruido es mayor que la de la señal que debe ser recibida, la recepción se torna imposible. Fuentes de ruido natural son las descargas eléctricas atmosféricas (rayos) que pueden ser "oídos" en cualquier radio AM sintonizados en una frecuencia libre, en la forma de chisporroteo. Fuentes artificiales de ruido son los motores de muchos aparatos, máquinas y equipos industriales de soldadura. Los pequeños trazos que aparecen en la imagen de una TV analógica en la gama de VHF y UHF cuando conectamos un dispositivo en las inmediaciones son ejemplos de ruidos que se propagan por el espacio en forma de ondas electromagnéticas. Las Interferencias tienen un patrón de frecuencia fija, generalmente ocupando unas bandas estrechas del espectro, como se muestra en la figura 256.
Figura 256 –Una señal que interfiere sólo en la banda VHF canal 2
Generalmente tienen origen artificial, generados por equipos que tienen circuitos de alta frecuencia como otros transmisores, maquinaria
industrial, equipos médicos, etcétera. Un transmisor mal ajustado puede generar, además de la frecuencia de funcionamiento, señales espurias y armónicas que son irradiadas. Estas señales interferirán con la recepción de otras señales, causando problemas de varios tipos. Llamamos "armónicas" frecuencias múltiples de una señal, como el lector verá en figura 257.
Figura 257
Resulta que, si una señal no tiene una forma de onda perfectamente senoidal, se puede descomponer en señales senoidales de múltiples frecuencias (armónicos), como se muestra en la figura 258.
Figura 258 - Una señal se puede descomponer en una frecuencia fundamental y sus armónicos
Por lo tanto, una señal de que no es senoidal, realmente consiste en una frecuencia fundamental y armónicas que pueden causar interferencia a los servicios de radiocomunicaciones.
EMI EMI significa Electromagnetic Interference o interferencia electromagnética y implica en un elemento de gran importancia en proyectos de electrónica. El equipo moderno debe diseñarse para no producir EMI o ser inmune a la EMI. Existen reglas que determinan la forma en que el equipo será construido o instalado para evitar la EMI.
2. Uso de las ondas de radio
Las señales de diversas bandas de frecuencia se comportan de forma diferente y por lo tanto son utilizados en diferentes tipos de comunicaciones. La siguiente tabla nos da una idea de cómo se utilizan.
Frecuencias Clasificación
Modo de Rango propagación típico más común
Uso práctico
10 kHz a Kilométricas 500 kHz VLF y LF
Cerca de la Algunos Farol de radio y superficie de centenares comunicación la tierra de marítima siguiendo su kilómetros curva
500 kHz a 3 Hectométricas baja a la tierra por lo Radiodifusión, MHz MF y la noche con general radio Faro reflexión hasta 500 ionosfera km 3 MHz a 30 Decamétricas Reflexión en la miles de Radiodifusión, MHz HF ionosfera, kilómetros radioaficionados, especialmente comunicaciones por la noche de larga distancia 30 MHz a Métricas-VHF Línea directa Hasta 200 TV, FM y 300 MHz o cable (*) km (típico) comunicaciones
300 MHz a Decímétricas Línea directa Hasta 200 Televisión y 3 GHz UHF y cables (*) km (típico) comunicaciones
3 GHz a 30 Centímétricas– Directo, guía 200 km en Comunicaciones, GHz SHF de ondas y tierra e radar satélites ilimitado tv vía satélite 30 GHz a Milímétricas 300 GHz
Directa y todavía guías de onda poco uso
300 GHz enMicrométricas Guías de onda ampliar y fibra óptica uso
comunicaciones
comunicaciones
Nota: el modo de propagación será más claros cuando estudiemos lo siguiente de esta lección.
9.7 - Antenas
Todos los sistemas de telecomunicaciones que hacen uso de ondas electromagnéticas tienen como elemento importante para el funcionamiento la antena. En el transmisor, las corrientes de alta frecuencia generan ondas electromagnéticas.
La función de la antena es la transferencia entonces la energía generada por el transmisor al espacio en forma de ondas. En el receptor, la antena se utiliza para interceptar las ondas que le inducen corrientes que se toman para el circuito de procesamiento. En la figura 259 mostraron lo que ocurre cuando aplicamos una señal de alta frecuencia en una antena, tomando como ejemplo la configuración que consta de dos conductores. Tenga en cuenta que aparecen alternativamente dos campos: eléctrico y magnético.
Figura 259 – Una antena por una corriente de alta frecuencia genera ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio
Las dimensiones de una antena son importantes para la eficiencia en la emisión como en la recepción de las señales. Así, la antena tomada como ejemplo debe tener una longitud que coincide con ½ de la longitud de onda en. la frecuencia que debe transmitirse. Ver la figura 260 antena corriente y voltaje son tan diferentes.
Figura 260 – Eficiencia y dimensiones de una antena
Los extremos tienen puntos de máxima tensión y en el centro de la antena tienen los puntos en que la intensidad de la corriente es máxima. Podemos decir que esta opción es equivalente a un circuito resonante ideal, como se muestra en la figura 261.
Figura261 - Circuito resonante ideal
Vea, que en un circuito resonante la reactancia capacitiva es igual a la reactancia inductiva (XL = XC) en la frecuencia de resonancia. Esto significa que una antena de este tipo se comporta como una carga resistiva pura en la frecuencia de resonancia. Esa componente es la
impedancia de la antena. Una antena del tipo visto los cálculos muestran que esta impedancia tiene un valor fijo: 73 ohms. En la práctica, adoptase un valor más apropiado para los cálculos de 75 ohms. Vea también que hay algunos factores que pueden influir en esta impedancia como el grosor del alambre utilizado y la velocidad de propagación de la onda en el material de la antena. La antena que revisamos es el llamada "dipolo de media onda. Sin embargo, hay otros tipos de antenas. Como hemos visto, una de las características importantes en el diseño de una antena es la su impedancia. La impedancia de una antena depende de cómo se construye y sus dimensiones, y hay varios tipos que se analizará en el siguiente punto. Sin embargo, hay además algunas características de impedancia de las antenas que son de gran importancia en su diseño para una aplicación determinada. Veamos algunos de ellos.
a) Ganancia
Cuando hablamos en ganancia, no significa que una antena puede "amplificar" las señales que transmiten o reciban. Una antena es un elemento pasivo en la transmisión como en recepción de la señal. No existen elementos que pueden introducir un aumento eficaz de una señal de una antena. Utilizamos el término ganancia para expresar la capacidad de una antena para recibir señales de una dirección particular en comparación con una antena usada como referencia. Podemos comprender mejor este significado tomando como ejemplo la antena que se muestra en la figura 262.
Figura 262 – Ganancia de la antena
Si esta antena concentra la energía transmitida en una dirección determinada pudimos decir que tiene una ganancia, porque la intensidad de energía en la dirección considerada es más grande que una antena común, tomada como referencia, que irradia la señal con la misma intensidad en todas las direcciones. Lo mismo se aplica a una antena receptora. Si ella puede captar las señales que llegan de una dirección determinada, también podemos decir que esta antena tiene una ganancia en comparación con una tomada como referencia que recibe de la misma manera las señales que vienen desde todas las direcciones.
b) Directividad
Una esfera se puede considerar una antena ideal. Ella irradia o recibe señales con la misma intensidad en todas las direcciones. Por supuesto, para las aplicaciones prácticas no sería interesantes tener un patrón de radiación de este tipo. En la práctica, las antenas deben concentrar las señales en ciertas direcciones. Para ello, sus formatos son raramente esféricos, pero planificado para conseguir un comportamiento directivo.
Entonces podemos hablar de la directividad una antena como su capacidad para centrarse señales en una dirección y expresarlo mediante un diagrama, como se muestra en la figura 263.
Figura 263 – Directividad de una antena
En este diagrama trazamos las intensidades relativas de la señal (recibida o transmitida) para cada dirección para que la antena es apuntada. El patrón típico que se muestra en la figura 250 tiene un lóbulo más grande que corresponde a la señal irradiado en la dirección que está apuntando la antena y otros lóbulos más pequeños que indican la irradiación de señales de baja intensidad. También hay direcciones donde no hay señal irradiada (o recibida). Tanto más estrecho es el lóbulo principal y el menores los otros, más directiva es la antena y el más alto su ganancia en la dirección en que se apunta. Una característica importante de una antena muy directiva es que tiende a rechazar más fácilmente las señales viniendo hacia los lados. Esto es importante si hay fuentes de interferencia en el sitio receptor. Las señales de estas fuentes pueden ser naturalmente rechazadas por simple elección de una antena adecuada.
c) Polarización
Los campos eléctricos y magnéticos que corresponden a una onda transmitida o recibida por una antena tienen una orientación específica. Los campos (eléctricos y magnéticos) son perpendiculares entre sí. La forma en que aparecen en una antena transmisora o deben ser recogidos por una antena receptora determina su polarización. Una antena con polarización vertical, como se muestra en la figura 264 consigue eficazmente captar las señales que llegan con una polarización horizontal.
Figura 264 - La antena debe ser polarizado según la señal que debe ser recibida
Es por eso que las antenas de TV de VHF comunes que vemos en los tejados de las casas tienen sus barras colocadas horizontalmente y no verticalmente. Las señales de televisión son polarizadas horizontalmente.
Temas para pesquisa:
Hertz Maxwell Landel de Moura Telecomunicaciones Antenas Modulación PWM Ondas electromagnéticas
Términos en inglés
En las telecomunicaciones hay muchos términos que se mantienen incluso estando en inglés en la documentación en español. Estos términos, generalmente son jerga que debe conocer todo profesional electrónico. Por ejemplo, ampliamente utilizado en Telecom, que tenemos el término PLL que puede analizarse desde el texto a continuación:
“Phase Locked Loops (PLLs) are circuits that can be tuned to recognize a signal or predetermined frequency. They are very useful as tone decoders in multichannel remote control systems.”
Traducción:
PLLs son circuitos que pueden ajustarse para reconocer una señal o frecuencia predeterminada. Son muy útiles como decodificadores de tono en los sistemas de mando a distancia multicanal.
Vocabulario
Phase Locked Loop (PLL) – Lazo de seguimiento de fase Recognize – reconocer Useful – útil, útiles Decoders – decodificadores Multichannel – multicanal Systems – sistemas
Otros términos en inglés:
Antenna o aerial – antena Transmitter – transmisor Receiver – receptor
Wave – onda Noise – ruido Interference – interferencia Amplitude modulation – modulación en amplitud Frequency modulation – modulación en frecuencia Phase modulation – modulación de fase
CUESTIONARIO
1. La velocidad de propagación de una onda electromagnética en el vacío es de aproximadamente: a) 340 m/s b) Indeterminada c) 300 000 km/h d) 300 000 km/s
2. ¿Cuál es la longitud de una onda electromagnética de 100 MHz? a) 33 cm
b) 3 m c) 10 m d) 30 m
3. La gama de frecuencias entre 30 y 300 MHz se llama: a) Onda corta b) VHF c) UHF d) SHF
4. La capa de la atmósfera en la que puede reflejar las ondas cortas se llama: a) Troposfera b) Ionosfera c) Estratosfera d) Ambiente
5. Cuál es el tipo de señal en comunicaciones digitales. a) AM
b) FM c) Espectro extendido d) PWM
Respuestas de los cuestionarios: Lección 1 - 1 – d, 2 – c, 3 – b, 4 – a, 5 – c, 6 –b Lección 2 – 1 – a, b – b, 3 – c, 4 – d, 5 – c, 6 – c Lección 3 – 1 – b, 2 – b, 3 – b, 4 – c, 5 – c, 6 – c Lección 4 – 1 – a, 2 – b, 3 – c, 4 – b, 5 – a, 6 – c Lección 5 – 1 – c, 2 – b, 3 – b, 4 – b, 5 – b, 6 c, 7 – d, 8 – b Lección 6 – 1 – c, 2 – a, 3 – d, 4 – b, 5 – a, 6 – 6 Lección 7 – 1 – c, 2 – c, 3 – a, 4 – b, 5 – a, 6 – a, 7 – b Lección 8 – 1 – a, 2 – b, 3 – c, 4 – c, 5 – a, 6 – b Lección 9 – 1 – d, 2 – b, 3 – b, 4 – b, 5 - c
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Cómpralo y empieza a leer Con esta serie, damos a los lectores la oportunidad de tomar sus tablets, iPhones, iPads, PCs, notebooks y otros medios de comunicación una fuente de consulta de gran importancia tanto por su trabajo y para sus estudios o para un simple hobby. Los 100 circuitos seleccionados para esta edición de la serie son sólo una pequeña muestra de lo que encontrará en el sitio. Para esta edición hemos elegido otro envío con 100 circuitos que pueden utilizarse para el Arduino y otros microcontroladores como punto de partida. Sin embargo, también son compatibles con otros microcontroladores tales como fotos, MSP430, PIC y muchos otros, en algunos casos requiriendo sólo modificaciones o actualizaciones a los valores de los componentes. Estos circuitos, llamados shields, pueden ser utilizados para transferir señales de un microcontrolador a un circuito externo, como sus propios circuitos externos utilizados para microcontroladores. También puede utilizarse para transferir señales de sensores y otras fuentes para los microcontroladores. Todos utilizan componentes comunes y en muchos casos aprovechados de aparatos fuera de uso. Cómpralo y empieza a leer
100 Circuitos de Audio (ES) - volume 1 Braga, Newton C. 9788565051378 130 Páginas
Cómpralo y empieza a leer Durante nuestra larga carrera como escritor de artículos y libros técnicos, en varias ocasiones se acercaron al tema "compilación de circuitos", incluyendo también muchas informaciones. Por lo tanto, antes de abordar este tema, publicamos varias series que contienen cientos de circuitos útiles e informaciones técnicas de todo tipo. La serie se agotó, el tiempo ha pasado, pero los lectores todavía nos cobraron algo similar fecha y se puede utilizar incluso en proyectos de todo tipo. De hecho, circuitos básicos utilizando componentes discretos comunes, transistores a los circuitos integrados, están siendo ampliamente utilizados como soluciones simples a problemas inmediatos, que forma parte de los proyectos más avanzados y finalidad didáctica, incluso teniendo en cuenta la petición de un profesor que necesita una solicitud de teoría. Por lo que el volumen de nuevo, pero con una estructura diferente, nuevos proyectos y un nuevo enfoque. La diferencia de enfoque es dividir los distintos volúmenes de la serie de temas. En este volumen, tenemos circuitos de audio con amplificadores, mezcladores, preamplificadores, etc. En nuestro inventario de circuitos, recogidos de todas las fuentes posibles, ya tenemos más de 12 000 de ellos, muchos de los cuales se puede acceder en forma dispersa en nuestra página web. La ventaja de tener estos circuitos organizados en volúmenes, y el acceso en cualquier lugar, es fácil localización de un circuito. La información, sin embargo, se
