Curso de Mantención de Camiones Komatsu 930E - 830E
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica 1. Objetivos El objetivo de este módulo es dar a conocer los conceptos básicos de electricidad y electrónica para la comprensión adecuada del funcionamiento de los si stemas eléctricos del camión Komatsu 830E y 930E.
2.2 Resistencia eléctrica Conductores, aislantes, dieléctricos Es la oposición que ofrece un material al paso de los electrones (la corriente eléctrica). Cuando el material tiene muchos electrones libres, como es el caso de los metales, permite el paso de los electrones con facilidad y se le llama conductor. Ejemplo: cobre, aluminio, plata, oro, etc.
2. Nociones Básicas de Electricidad 2.1 La corriente eléctrica. La corriente eléctrica es un flujo ordenado de electrones que atraviesa un material. Algunos materiales como los “conductores” tienen electrones libres que pasan con facilidad de un átomo a otro. Estos electrones libres, si se mueven en una misma dirección conforme saltan de un átomo a átomo, se vuelven en su conjunto, una corriente eléctrica. Para lograr que este movimiento de electrones se de en un sentido o dirección, es necesario una fuente de energía externa. Cuando se coloca un material eléctricamente neutro entre dos cuerpos cargados con diferente potencial (tienen diferente carga), los electrones se moverán desde el cuerpo con potencial más negativo hacia el cuerpo con potencia más positivo.
Flujo de electrones va de izquierda a derecha
Cuerpo negativo (-)
Cuerpo positivo (+)
Dirección de la corriente
Si por el contrario el material tiene pocos electrones libres, éste no permitirá el paso de la corriente y se le llama aislante o dieléctrico. Ejemplo: cerámica, bakelita, madera (papel), plástico, etc.. Los factores principales que determinan la resistencia eléctrica de un material son: - tipo de material - longitud - sección transversal - temperatura Un material puede ser aislante o conductor dependiendo de su configuración atómica, y podrá ser mejor o peor conductor o aislante dependiendo de ello. Características - Un material de mayor longitud tiene mayor resistencia eléctrica.
El flujo de electrones va del potencial negativo al potencial positivo. Sin embargo se toma por convención que el sentido de la corriente eléctrica va desde el potencial positivo al potencial negativo. Esto se puede visualizar como el espacio (hueco) que deja el electrón al moverse de un potencial negativo a un positivo. Este hueco es positivo (ausencia de un electrón) y circula en sentido opuesto al electrón. La corriente eléctrica se mide en Amperes (A) y se simboliza como I.
El material de mayor longitud ofrece más resistencia al paso de la corriente que el de menor longitud. - Un material con mayor sección transversal tiene menor resistencia. (Imaginarse un cable conductor cortado transversalmente). La dirección de la corriente (la flecha de la corriente) en este caso entra o sale de la página. El material de menor sección (Figura inferior) ofrece mayor resistencia al paso de la corriente que el de mayor sección.
Hasta aquí se ha supuesto un flujo de corriente da va de un terminal a otro en, forma continua. A este flujo de corriente se le llama corriente continua. Hay otro caso en que el flujo de corriente circula, en forma alternada, primero en un sentido y después en el opuesto. A este tipo de corriente se le llama corriente alterna.
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica - Los materiales que se encuentran a mayor temperatura tienen mayor resistencia. La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el Ohmio
y se representa por la letra griega omega (Ω) y se expresa
- por presión - por calor - por magnetismo - por acción química
con la letra “R”.
2.3 Tensión eléctrica. Diferencia de potencial. La tensión eléctrica es la diferencia de potencial eléctrico provocado por la acumulación de cargas en un punto o en un material. Si un material se le quitan electrones, su carga eléctrica total será positiva. Se debe recordar que se está quitando a un átomo neutro (no tiene carga) electrones de carga negativa. Esto causa que el átomo ya no sea neutro sino que tenga carga positiva. En este caso el átomo cuenta con 6 protones (carga positiva) y 4 electrones (carga negativa). En conclusión la carga total es positiva.
La unidad en que se mide la diferencia de potencial es el voltio (V).
2.4 Ley de Ohm La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son: 1. Tensión o voltaje (E), en volt (V). 2. Intensidad de la corriente (I), en ampere (A) o sus submúltipos. 3. Resistencia (R) de la carga o consumidor conectado al
circuito en ohm (Ω), o sus múltiplos. Circuito eléctrico compuesto por una pila de 1,5 volt, una resistencia o carga eléctrica y el flujo de una< intensidad de corriente. Al material se le quitan electrones y su carga total será positiva. Si ahora al material se le aumentan electrones (tiene ahora más de los que tiene cuando el átomo es neutro), su carga total será negativa. En este caso el átomo cuenta con 6 protones (carga positiva) y 8 electrones (carga negativa). En conclusión la carga total es negativa.
R E
1,5V
I
Al material se le agregan electrones y su carga total será negativa. Si se tienen dos materiales con diferentes niveles o tipos de carga, se dice entonces que hay una diferencia de potencial entre ellos. Para poder lograr cargar de alguna manera los materiales, es necesario aplicar energía al átomo. Hay varios métodos para lograrlo: - por frotación
Debido a la existencia de materiales que dificultan más el paso de la corriente eléctrica que otros, cuando el valor de la resistencia varía, el valor de la intensidad de corriente en ampere también varía de forma inversamente proporcional. Es decir, si la resistencia aumenta, la corriente disminuye y, viceversa, si la resistencia disminuye la corriente aumenta, siempre y cuando, en ambos casos, el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante. Por otro lado, de acuerdo con la propia Ley, el valor de la tensión es directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si el voltaje aumenta o disminuye el amperaje de la corriente que circula por el circuito aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la resistencia conectada al circuito se mantenga constante.
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica 2.4.1 Postulado general de la Ley de Ohm “El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada.”
V R
I
Desde el punto de vista matemático, este postulado se puede representar por medio de la siguiente fórmula: No obstante, aquellas personas que estén menos relacionadas con el despeje de fórmulas matemáticas, pueden realizar los cálculos de tensión, corriente y resistencia de una forma más fácil utilizando el siguiente recurso práctico:
Existen unas cadenas de fuerza que forman líneas que van de un polo a otro. A estas cadenas se las conoce por el nombre de líneas de fuerza. Estas líneas únicamente representan la forma del campo magnético. Ahora bien, por convencionalismos teóricos, se les da un sentido de circulación, de tal forma que se dice que las líneas de campo salen por el polo norte de un imán, recorren el espacio exterior y entran por el polo sur. El sentido de circulación de estas líneas por el interior del imán es de sur a norte. La visualización de las líneas de campo resulta muy interesante, ya que conociendo su dirección podemos determinar la polaridad del campo magnético. Cuando acercamos dos imanes por sus polos iguales, las líneas de campo se repelen. Sin embargo, si acercamos dos imanes por sus polos opuestos, las líneas de campo se establecen en la misma dirección y se suman.
Repulsión de dos imanes
V A
El campo magnético de un imán es más intenso en unas partes que en otras. Así, por ejemplo, el campo adquiere su máxima intensidad en los polos, disminuyendo paulatinamente según nos alejamos de ellos.
R
Con esta representación de la Ley de Ohm, solamente tendremos que tapar con un dedo la letra que representa el valor de la incógnita que queremos hallar y de inmediato quedará indicada con las otras dos letras la operación matemática que será necesario realizar.
2.5 Campo magnético El campo magnético es el espacio, próximo al imán, en el cual son apreciables los fenómenos magnéticos originados por dicho imán.
Atracción de dos imanes
Líneas de fuerza del campo magnético
N
S
4
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica 2.6 Electroimanes Un electroimán consiste en un núcleo de hierro rodeado de una bobina, que se imanta a voluntad cuando hacemos pasar una corriente eléctrica, y se desimanta en el momento que interrumpimos esta corriente. Electroimán de núcleo móvil inducido hierro dulce
pivote contactos
2.9 Fuerza electromotriz inducida La fuerza electromotriz inducida se produce cuando se mueven los conductores, de tal manera que corten perpendicularmente las líneas de un campo magnético. De esta forma se produce una FEM inducida. Si se cierra el circuito aparece una corriente eléctrica. Otro efecto que se produce es que el sentido de esta corriente depende del movimiento relativo de los conductores respecto al campo magnético. Sólo se produce FEM mientras los conductores corten el campo magnético. Además la FEM depende de la velocidad relativa de corte de los conductores respecto al campo magnético, aumentando la FEM con dicha velocidad.
nucleo
bobina
aislante
En resumen, se pude decir que FEM inducida que se produce en una bobina cuando en su movimiento corta perpendicularmente las líneas de un campo magnético regular.
E inducida = N x ΔΦ / Δt conexiones bobina metal flexible
La fuerza con la que atrae un electroimán a una pieza de hierro móvil (armadura) a través del aire o entrehierro, va a depender de la corriente eléctrica aplicada a la bobina.
2.7 Flujo magnético Se da el nombre de flujo magnético al número total de líneas de fuerza existentes en un circuito magnético. Lo representaremos por la letra griega Φ (se lee “fi”). Esta magnitud es similar a la intensidad de corriente en un circuito eléctrico, ya que es evidente que cuanto mayor sea el valor del flujo, tanto mayor será la cantidad de fuerza en el circuito magnético. La unidad de flujo magnético es el maxvelio (M).
2.8 Inducción electromagnética Cuando nos referimos a la inducción electromagnética estamos hablando de “producción de electricidad por acción magnética”; es decir, “cuando se mueve un conductor eléctrico en el seno de un campo magnético aparece una fuerza electromotriz que se muestra como una tensión eléctrica en los extremos de dicho conductor.
Donde N es el número de espiras y la expresión Δ Φ / Δt nos indica la variación del flujo cortado por la bobina respecto al tiempo; es decir, lo rápido que varía el flujo magnético en los conductores. Conviene indicar que se puede generar una FEM inducida tanto si se mueven conductores en el seno de un campo magnético fijo, como si lo que se mueve es el campo magnético y se dejan fijos los conductores. El sentido de la corriente inducida en un conductor es tal que tiende a oponerse a la causa que la produjo.
2.10 Corriente continua (DC) Representación de la tensión en corriente continua. V o
t
Corriente continua (uniforme)
La corriente continua (CC en español, en inglés DC, de Direct Current) es el flujo continuo de electrones a través Así, por ejemplo, para producir corriente continua se utiliza de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. el principio de funcionamiento del dinamo. Los conductores A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en eléctricos del rotor producen una fuerza electromotriz al inglés), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan moverse dentro del campo magnético del estator. Si el siempre en la misma dirección desde el punto de mayor circuito está cerrado, aparece una corriente eléctrica que potencial al de menor. Aunque comúnmente se identifica la se extrae del rotor mediante un anillo metálico partido corriente continua con la corriente constante (por ejemplo (colector de delgas) sobre los que se apoyan unos contactos la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad. deslizantes (escobillas de grafito).
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica Su descubrimiento se remonta a la invención de l a primera pila por parte del científico italiano Conde Alessandro Volta. No fue hasta los trabajos de Thomas Alva Edison sobre la generación de electricidad en las postrimerías del siglo XIX, cuando la corriente continua comenzó a emplearse para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX este uso decayó en favor de la corriente alterna (propuesta por el inventor serbo-estadounidense Nikola Tesla, sobre cuyos desarrollos se construyó la primera central hidroeléctrica en las Cataratas del Niágara) por sus menores pérdidas en la transmisión a largas distancias, si bien se conserva en la conexión de redes eléctricas de diferente frecuencia y en la transmisión a través de cables submarinos.
2.12 Valores eficaces de la corriente y la tensión alterna 2.12.1 Tensión eficaz: Dado que la tensión en una A.C. cambia constantemente se hace necesario determinar un valor intermedio que represente a la tensión para realizar los cálculos y medidas: la tensión eficaz. La tensión eficaz también se puede definir como aquélla que en las mismas condiciones produce los mismos efectos caloríficos en una resistencia eléctrica que una tensión continua del mismo valor. Para una A.C. senoidal, se puede demostrar que la
tensión eficaz es √2 más pequeña que la tensión máxima: Vef = Vmáx / √2
La corriente continua es empleada en infinidad de 2.12.2 Intensidad eficaz: Al igual que ocurre con la aplicaciones y aparatos de pequeño voltaje alimentados tensión, la intensidad de la corriente también varia según con baterías (generalmente recargables) que suministran una función senoidal, siendo dos veces nula y dos veces directamente corriente continua, o bien con corriente alterna máxima por cada ciclo del alternador. La intensidad eficaz como es el caso, por ejemplo, de los ordenadores, siendo es el valor intermedio que produce los mismos efectos entonces necesario previamente realizar la conversión de la energéticos que una corriente continua del mismo valor. corriente alterna de alimentación en corriente continua. Además es la que indican los amperímetros de C.A. Aplicando la ley de Ohm tendríamos que: Movimiento de los electrones por un circuito La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, Ief = Vef / R siendo Ief = Imax / √2 al tener un flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor fijo de ésta. 2.13 Reactancia inductiva Es conocido que, como la oposición que presenta una 2.11 Corriente Alterna (AC) bobina a la corriente alterna tiene que ver con los fenómenos La diferencia de la corriente alterna con la corriente continua, de autoinducción, ésta será mayor cuanto mayor sea el es que la continua circula sólo en un sentido. La corriente coeficiente de autoinducción L y más rápidas sean las alterna (como su nombre lo indica) circula por durante variaciones de la corriente alterna, es decir f. Si llamamos un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, reactancia inductiva XL a la oposición que presenta la volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. bobina a la corriente, tendremos que: Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y la usamos para alimentar la TV, el equipo de sonido, la XL = 2лfL lavadora, la refrigeradora, etc. XL = Reactancia inductiva en ohmios. Vp=10V T=periodo Frecuencia=f=1/T F = Frecuencia en hertzios. L = Coeficiente de autoinducción en henrios. 10 Símbolo de reactancia inductiva 5
0 Vpp=20V -5
-10
Vp=-10V
Vrms=0.707xVp
La tensión(Vp), que es también alterna, y tenemos que la magnitud de ésta varía primero hacia arriba y luego hacia abajo (de la misma forma en que se comporta la corriente) y nos da una forma de onda llamada: onda senoidal.
2.14 Reactancia capacitiva Un condensador en C.A. hace que fluya constantemente una corriente eléctrica por el circuito debido a las constantes cargas y descargas del mismo.
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica aparente es el VA ( Volts amper).
Símbolo de la reactancia capacitiva
2.16.2 Potencia activa o real: La potencia real o activa en corriente alterna es igual al producto de tres factores: uno, el valor eficaz de la tensión de la red; otro, el valor eficaz de la intensidad de corriente que recorre el circuito, y el tercero, el factor de potencia. En corriente alterna se expresa en watts y su fórmula es: P = V x I x cos φ Como el establecimiento de la corriente eléctrica en un condensador cuando le es aplicado un C.A. tiene que ver con los fenómenos de carga y descarga del mismo, dicha corriente será mayor cuanto mayor sea la capacidad del condensador y más rápidas sean dichas cargas y descargas, es decir la frecuencia f. Si llamamos reactancia capacitiva XC a la oposición que presenta el condensador a la corriente, tendremos que: XC = 1 / 2лfC
Siendo: V, la tensión eficaz, I, la intensidad eficaz y cos φ el factor de potencia.
2.16.3 Potencia reactiva: Potencia que es necesaria (en corriente alterna monofásica o trifásica) para la formación del campo electromagnético, por ejemplo en motores eléctricos y transformadores. Q = V I sen φ
XC = Reactancia capacitiva en ohmios. f = Frecuencia en hertzios. C = Capacidad del condensador en faradios.
La unidad de potencia reactiva es el volts amper reactivo (VAR).
I = V / XC
2.15 Factor de potencia Denominamos factor de potencia al coeficiente entre la potencia activa y la potencia aparente, que es coincidente con el coseno del ángulo entre la tensión y la corriente cuando la forma de onda es senoidal pura. FP = P/S = cos φ El factor de potencia coincide con el valor del coseno de φ(fi). De alguna manera el factor de potencia (ángulo de desfase entre voltaje y corriente) nos indica la cantidad de potencia activa que existe en un circuito respecto a la potencia total aparente.
2.16 Potencia de una corriente (aparente, activa y reactiva).
alterna
2.16.1 Potencia aparente: Se da el nombre de potencia aparente de un circuito de corriente alterna al producto de los valores eficaces de la tensión V y la intensidad de corriente I. Se designa por S. Así pues, se tiene: S=VI Es decir, que la fórmula de la potencia aparente es precisamente la misma que se usa en corriente continua para medir la potencia activa. La unidad de potencia
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica 3. Nociones Básicas de Electrónica 3.1 Introducción a la Electrónica La electrónica estudia los circuitos formados por componentes que están fabricados con materiales semiconductores.
3.4 El potenciómetro Los potenciómetros y los reóstatos se diferencias entre sí, entre otras cosas, por la forma en que se conectan. En el caso de los potenciómetros, estos se conectan en paralelo al circuito y se comporta como un divisor de tensión. Potenciómetro
3.2 Sistemas Electrónicos Son circuitos electrónicos cuya misión es controlar automáticamente el funcionamiento de algunas máquinas u operaciones.
Salida
P1
Entrada
En un sistema básico de control electrónico existe la siguiente configuración: - Los dispositivos de entrada: generan una señal eléctrica a partir de una señal exterior de otro tipo (por ejemplo la temperatura, la actuación con la mano sobre un pulsador). - Los de proceso: reciben las señales de los dispositivos de entrada y deciden cual es la acción a realizar. - Los dispositivos de salida: tienen como misión ejecutar las acciones que deciden los de proceso. Gráficamente se representan en la siguiente ilustración.
Sistema electrónico Dispositivos de entrada
Dispositivos de proceso
Dispositivos de salida
RL
3.5 El Reóstato En el caso del reóstato, éste va conectado en serie con el circuito y se debe tener cuidado de que su valor en ohmios y su potencia en watts que pueda resistir sea el adecuado para soportar la corriente que va a circular por él. Como regla general los potenciómetros se utilizan para variar niveles de voltaje y los reóstatos para variar niveles de corriente. Normalmente los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente, pues no disipan mucha potencia, en cambio los reóstatos son de mayor tamaño, por ellos circula más corriente y disipan mas potencia.
P1
3.3 Resistencias Limitan la intensidad de corriente a un valor deseado o provocan una caída de tensión determinada.
Reóstato
Entrada
7
5
x 1K
5%
Salida
RL
3.6 Batería eléctrica Se llama batería eléctrica, acumulador eléctrico o acumulador, a un dispositivo que almacena energía eléctrica por procedimientos electroquímicos y que la devuelve posteriormente casi en su totalidad. Este ciclo puede repetirse determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario, es decir, de un generador
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga.
También se le suele denominar batería puesto que, muchas veces, se conectan varios de ellos en serie, para aumentar el voltaje suministrado. Así la batería de un automóvil está formada internamente por 6 elementos acumuladores del tipo plomo-ácido, cada uno de los cuales suministra electricidad con una tensión de unos 2 V, por lo que el conjunto entrega los habituales 12 V o por 12 elementos, con 24 V para los camiones. El término pila, en castellano, denomina los generadores de electricidad no recargables. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas —en el primer caso uno encima de otro, “apilados”, y en el segundo adosados lateralmente, “en batería”, como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la disti nción.
3.7 Condensadores Son dispositivos que pueden almacenar y ceder energía eléctrica. Está formado por dos láminas de material conductor separadas por un aislante; de manera que las cargas eléctricas quedan almacenadas en estas láminas, también llamadas armaduras del condensador.
(Uf, mf ) Dieléctrico
3.8 El Diodo Es el interruptor electrónico más simple. No se puede controlar, en el sentido de que son las tensiones y corrientes del circuito las que determinan el estado de conducción y de corte del diodo. El diodo está polarizado en directa cuando la corriente que lo atraviesa es positiva, es decir cuando esta circula desde el ánodo hacia el cátodo y está polarizado en inversa cuando la tensión entre el ánodo y cátodo es negativa. Una característica dinámica importante de un diodo real es la corriente de recuperación inversa, esta es la corriente negativa que circula por el diodo al pasar de conducción a corte antes de que alcance el valor cero. El tiempo de recuperación es normalmente inferior a 1 µs.
3.9 El transistor Está formado por tres cristales N y P. Los transistores tipo PNP tienen dos cristales P y uno N, mientras que los transistores tipo NPN, tienen dos cristales N y otro P. Como puedes ver en la figura adjunta, un transistor tiene tres terminales, llamados colector, base y emisor, y se puede considerar como la unión de dos diodos. En los transistores
Las principales características eléctricas de un condensador son su capacidad o capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que es capaz de soportar sin dañarse). Nunca se debe conectar un capacitor a un voltaje superior al que puede soportar, pues puede explotar. CAPACIDAD: Se mide en faradios y nos indica la cantidad de carga que puede almacenar un condensador, como el faradio es una unidad muy grande se usan submúltiplos.
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica PNP el cristal N es común, mientras que en los NPN, es el cristal P el que es común.
C
C
una de ellas es la entrada inversora (-) y la otra es la entrada no inversora (+) y tiene una sola salida. Este amplificador se alimenta usualmente por una fuente de voltaje de doble polaridad que está en los rangos de +/- 5 voltios a +/- 15 voltios.
E
3.11 Interruptores Permiten activar y desactivar un circuito por acción mecánica sobre ellos.
B
B
E
N
P
N
P
N
P
3.10 El Amplificador Los amplificadores operacionales son circuitos que se utilizan para aumentar (amplificar) el valor de la señal de entrada (generalmente muy pequeña) y así obtener una señal a la salida con una amplitud mucho mayor a la señal original.
Entrada
A
Salida
3.12 Relé Interruptor que se acciona por medio de un electroimán. Formado por una bobina que, cuando se activa, atrae a una palanca que a su vez, mueve pequeñas láminas de un interruptor que pueden cerrar un circuito. Circuito de excitación
Polo
Circuito de potencia
Símbolo de un amplificador
Algunas veces la amplificación puede causar que la señal a la salida del amplificador salga distorsionada causada por una amplificación muy grande. Hay que tomar en cuenta que un amplificador no puede tener en su salida niveles de voltaje mayores a los que la fuente de alimentación le puede dar. El Amplificador Operacional fue desarrollado para ser utilizado en computadoras analógicas en los inicios de los años 1940. Los primeros Op. Amp. utilizaban los tubos al vacío. En 1967 la empresa “Fairchild Semiconductor” introdujo al mercado el primer amplificador operacional en la forma de un circuito integrado, logrando disminuir su tamaño, consumo de energía y su precio. Este dispositivo es un amplificador lineal de alto rendimiento, con una gran variedad de usos. Básicamente el Amp. Op. (Op. Amp.) es un dispositivo amplificador de la diferencia de sus dos entradas, con una alta ganancia, una impedancia de entrada muy alta y una baja impedancia de salida. -
+
Como se mencionó antes, el amplificador tiene 2 entradas:
. c . n o t Terminales de c a t la bobina n o C
. a . n o t c a t n o C Interuptor abierto
. o . c a . l o . n P n o o t t c c a t a t n n o o C C
- Permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para hacerlo funcionar. - El Relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que consumen gran cantidad de corriente. - Con una sola señal de control, puedo controlar varios Relees a la vez.
3.13 Diodo Led El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica emite luz. Existen diodos LED de varios colores y dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo. Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios. aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 mili-amperes (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LED.
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento. Ejemplos: - Se utilizan para desplegar contadores. - Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa. - Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. - En dispositivos de alarma. Sus desventajas son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibil idad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz.
ruptura, sin señal de compuerta, sea mayor que el mayor voltaje en el circuito, entonces, solamente puede activarse mediante la aplicación de una corriente a la compuerta. Una vez activado, el dispositivo permanece así hasta que su corriente caiga por debajo de IH. Además, una vez que se dispare el SCR, su corriente de compuerta puede retirarse, sin que afecte su estado activo. En este estado, la caída de voltaje directo a través del SCR es cerca de 1.2 a 1.5 veces mayor que la caída de voltaje a través de un diodo directooblicuo común. Símbolo del SCR.
K
A G
Los tiristores de tres terminales o SCR son, sin lugar a dudas, los dispositivos de uso más común en los circuitos de control de potencia. Se utilizan ampliamente para cambiar o rectificar aplicaciones y actualmente se encuentran en clasificaciones que van desde unos pocos amperios hasta un máximo de 3,000 A. Un SCR.
A
K Símbolo del diodo LED
Se activa cuando el voltaje VD que lo alimenta excede VBO . Tiene un voltaje de ruptura VBO, cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente iG, presente en el SCR. Se desactiva cuando la corriente iD que fluye por él cae por debajo de IH . Detiene todo flujo de corriente en dirección inversa, hasta que se supere el voltaje máximo inverso.
3.14 Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR). El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de tres terminales, conocido también como el rectificador controlado de silicio o SCR. Este dispositivo lo desarrolló la General Electric en 1958 y lo denominó SCR. El nombre de tiristor lo adoptó posteriormente la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). En la figura siguiente se muestra el símbolo de un tiristor de tres terminales o SCR. Tal como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador controlado o diodo. Su característica voltaje-corriente, con la compuerta de entrada en circuito abierto, es la misma que la del diodo PNPN.
3.15 Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). Entre las mejoras más recientes que se le han hecho al tiristor está el apagado por compuerta (GTO). Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH. Aunque los tiristores GTO se han venido usando desde 1960, solamente se volvieron prácticos para las aplicaciones de control de motores, al final de los años setenta. Estos dispositivos se han vuelto más y más comunes en las unidades de control de motores, puesto que ellos eliminaron la necesidad de componentes externos para apagar los SCR en circuitos de CC.
Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus aplicaciones es que el voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por medio de una corriente que fluye hacia su compuerta de entrada. Cuanto mayor sea la corriente de la compuerta, tanto menor se vuelve VBO. Si se escoge un SCR de tal manera que su voltaje de
Símbolo del GTO.
A
K
G 11
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica Un tiristor GTO requiere una mayor corriente de compuerta para encendido que un SCR común. Para grandes aparatos de alta potencia se necesitan corrientes de compuerta del orden de 10 A o más. Para apagarlos se necesita una gran pulsación de corriente negativa de entre 20 y 30m s de duración. La magnitud de la pulsación de corriente negativa debe ser de un cuarto a un sexto de la corriente que pasa por el aparato.
3.16 IGBT (Transistor Bipolar de compuerta aislada) El Transitor Bipolar de compuerta Aislada (IGBT) es el miembro más joven de la familia de conmutadores para alta tensión. El flujo de corriente a través del dispositivo es cómodamente controlado por una fuente de tensión de alta impedancia de 15V, permitiendo así controlar intensidades elevadas con una potencia de control muy baja. El símbolo y característica v-i para un IGBT se muestra en la figura xx. El IGBT tiene algunas de las ventajas del MOSFET, del transistor bipolar y GTO combinadas. Al igual que el MOSFET el IGBT tiene una alta impedancia de gate, es también un dispositivo controlado por voltaje, por lo tanto se requiere un bajo nivel de potencia para conmutar el dispositivo. Al igual que el transistor bipolar, el IGBT tiene una caída de voltaje en estado de conducción que es pequeña, incluso en transistores de alta potencia. Por ejemplo, Von, la caída de voltaje en estado de saturacón, es del orden de 2-3 volts en dispositivos de 1000V. Al igual que los GTOs los IGBTs se pueden diseñar para bloquear voltajes negativos. Los tiempos de encendido y apagado del IGBT son del orden de 1 micro segundo y estan disponibles en el rango de 1200V y 100ª, aunque no debe extrañar la existencia en el mercado de dispositivos de 2000V e incluso superiores, y cientos de amperes.
3.17 Inversores Un inversor, es un circuito utilizado para convertir corriente continua en corriente alterna. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente directa a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna, con la magnitud y frecuencia deseada por el usuario o el diseñador. Los inversores son utilizados en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de ali mentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para manejar alta potencia. Los inversores también son utilizados para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc., en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas. Un inversor simple consta de un oscilador que controla a un transistor, el cual es utilizado para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada. Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola parecer un poco más una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberían ser sinusoidales. Los inversores más modernos han comenzado a utilizar formas más avanzadas de transistores o dispositivos similares, como los tiristores, los triac’s o los IGBT’s. Inversores más eficientes utilizan varios dispositivos electrónicos para tratar de llegar a una onda que simule razonablemente a una onda senoidal en la entrada del transformador, en vez de depender de éste para suavizar la onda. Se pueden clasificar en general de dos tipos: 1) inversores monofásicos 2) Inversores trifásicos. Condensadores e inductores pueden ser utilizados para suavizar el flujo de corriente desde y hacia el transformador. Además, es posible producir una llamada “onda senoidal modificada”, la cual es generada a partir de tres puntos: uno positivo, uno negativo y uno de tierra. Un circuito lógico se encarga de activar los transistores de manera que se alternen adecuadamente.
Sección de una celdilla elemental Fuente
Puerta
Sio2 óxido de puerta
S O M n r o t s i s n a r T
n+
n+
n+
p
n+
canal p
(sustrato) L W D
n+
RD iD
n+ p+
Región de arrastre del Drenador
iD Capa de almacenamiento
Oblea
Capa de inyección Drenador
Transistor IGBT
T B G I T P n e o l ó S
Inversores de onda senoidal modificada pueden causar que ciertas cargas, como motores, por ejemplo; Operen de manera menos eficiente. Inversores más avanzados utilizan la modulación por ancho de pulso con una frecuencia portadora mucho más alta para aproximarse más a la onda seno o modulaciones por vectores espaciales mejorando la distorsión armónica de salida. También se puede PRE distorsionar la onda para mejorar el factor de potencia (cos Φ ).
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Módulo 10 Electricidad y Electrónica Básica Los inversores de alta potencia, en lugar de transistores utilizan un dispositivo de conmutación llamado IGBT (Insulated Gate Bipolar transistor ó Transistor Bipolar de Puerta Aislada).
3.17.1 Inversores de Modulación de Ancho de Pulso. Los conversores de DC a AC se conocen como inversores. La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada en DC a un voltaje simétrico de salida en AC, con la magnitud y frecuencia deseadas. Tanto el voltaje de salida como la frecuencia pueden ser fijos o variables. Si se modifica el voltaje de entrada de DC y la ganancia del inversor se mantiene constante, es posible obtener voltaje variable de salida. O por otra parte, si el voltaje de entrada en DC es fijo y no es controlable, se puede obtener un voltaje de salida variable si se varía la ganancia del inversor; esto por lo general se hace controlando la modulación del ancho del pulso (PWM) dentro del inversor. La ganancia del inversor se puede definir como la relación entre el voltaje de salida de entrada en DC.
Cuando se activa el transistor Q4, la terminal a se lleva a la terminal negativa de la fuente de DC. En cada ciclo existen seis modos de operación, cuya duración es de 60°. Los transistores se numeran según su secuencia de exitación (por ejemplo 123, 234, 345, 456, 561, 612). Las señales de exitación están desplazadas 60° unas de otras, para obtener voltajes trifasicos balanceados (fundamentales).
3.18 Conversores CC/CC (CHOPPER) En muchas aplicaciones industriales, es necesario el convertir una fuente continua de voltaje fijo a una fuente continua de voltaje variable. Los CHOPPER pueden funcionar como elevadores o reductores de voltaje. Los CHOPPER se utilizan ampliamente en el control de l os motores de tracción de automóviles eléctricos, tranvías eléctricos, grúas marinas, equipos mineros (Camiones, palas, correas transportadoras, etc.). Proporcionan control en aceleraciones continuas, una alta eficiencia y una respuesta dinámica rápida. Los CHOPPERS se pueden utilizar en el freno regenerativo de motores de CC para devolverle la energía a la alimentación, característica que da como resultado un ahorro en aquellos sistemas de El uso de los inversores es muy común en aplicaciones transporte que tienen paradas frecuentes. Los CHOPPERS industriales tales (como la propulsión de motores de se utilizan en los reguladores de voltaje de CC y también AC de velocidad variable, la calefacción por inducción junto con una inductancia, para generar una fuente de CC, por inducción, las fuentes de respaldo y las de poder, especialmente para el inversor de CC. alimentaciones ininterrumpibles de potencia). La entrada puede ser una batería, una celda de combustible, una celda soldar u otra fuente DC. Los inversores se pueden clasificar en dos tipos. (1) inversores monofásicos y (2)inversores trifásicos. Cada tipo puede utilizar dispositivos con activación y desactivación controlada (es decir BJT, MOSFET, IGBT, GTO) o tiristores de conmutación forzada según la aplicación. Estos inversores utilizan por lo general señales de control PWM, para producir un voltaje de salida en corriente alterna. Un inversor se llama inversor alimentado por voltaje (VFI) si el voltaje de entrada se conserva constante; inversor alimentado por corriente (CFI) si la corriente de entrada se conserva constante; e inversor enlazado en DC variable si el voltaje de entrada es controlable.
3.17.2 Inversores Monofásicos en Puente. Un inversor monofásico en puente esta formado por cuatro pulsadores. Cuando los transistores Q1 y Q2 se activan simultáneamente, el voltaje de entrada Vs aparece a través de la carga. Si los transistores Q3 y Q4 se activan al mismo tiempo, el voltaje a través de la carga se invierte, y adquiere el valor -Vs. 3.17.3 Inversor Trifásico Conducción 180° Cada transistor conducirá durante 180°. Tres transistores se mantienen activos durante cada instante del tiempo. Cuando el transistor Q1 está activado, la terminal a se conecta con la terminal positiva del voltaje de entrada.
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