¿QUE ES LA INDUCT ¿QUE INDUCTANCIA? ANCIA? Llamaremos inductancia al campo magnético que crea una corriente eléctrica al pasar a través de una bobina de hilo conductor enrollado alrededor de la misma m isma que conforma un inductor. Un inductor puede utilizarse para diferenciar señales cambiantes rápidas o lentas. Al utilizar un inductor con un condensador, la tensión del inductor alcanza su valor máximo a una frecuencia dependiente de la capacitancia y de la inductancia. La inductancia se representa por la letra L, que en un elemento de circuito se define por: eL = L di/dt La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Si se enrolla un conductor, la inductancia aumenta. Con muchas espiras (vueltas) se tendrá más inductancia que con pocas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita, aumentaremos considerablemente considerablemente la inductancia. La energía almacenada en el campo magnético de un inductor se calcula según la siguiente formula: W = I² L/2... siendo: W = energía (julios); I = corriente (amperios; L = inductancia (henrios)[1].
El Cálculo de la inductanci inductanciaa El Cálculo de la inductancia: La inductancia de una bobina con una sola capa bobinada al aire puede ser calculada aproximadamente con la fórmula simplificada siguiente: L (microH)=d².n²/18d+40 (microH)=d².n²/18d+40 l
siendo: L = inductancia (microhenrios); (microhenrios); d = diámetro de la bobina (pulgadas); l = longitud de la bobina (pulgadas); n = número de espiras o vueltas.
Ejemplo 1: Se tiene una bobina de 32 espiras, 13 vueltas por centímetro y 25 mm de diámetro. Cuál será su inductancia? - a = 25 mm / 2 = 1.25 centímetros - b = 32 / 13 = 2.46 - n = 32 Entonces: L = (0.393 x 1.252 x 322) 3 22) / (9 x 1.25 + 10 x 2.46) = 17.54 uHenrios[2]
Valor de la inductanci inductanciaa El valor de la inductancia viene determinado exclusivamente exclusivamente por las características geométricas de la bobina y por la permeabilidad magnética del espacio donde se encuentra. Así, para un solenoide, la inductancia, de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, viene determinada por:
Donde μ es la permeabilidad absoluta de l núcleo, N es el número de espiras, A es el area de la
sección transversal del bobinado y l la longitud de las líneas de flujo. El cálculo de l es bastante complicado a no ser que la bobina sea toroidal y aún así, resulta difícil si el núcleo presenta distintas permeabilidades en función de la intensidad que circule por la misma. En este caso, la determinación de l se realiza a partir de las curvas de imantación.
¿QUE ES LA ¿QUE L A CAPACIT CAPACITANCIA ANCIA?? La Capacitancia es la propiedad de un capacitor de oponerse a toda variación de la tensión en el circuito eléctrico. Usted recordará que la resistencia es la oposición al flujo de la corriente eléctrica. También se define, a la Capacitancia como una propiedad de almacenar carga eléctrica entre dos conductores, aislados el uno del otro, cuando existe una diferencia de potencial entre ellos,como se observa en la figura siguiente, las dos placas actúan como conductores, mientras que el aire actúa como un aislante: Así como un Resistor está diseñado para tener Resistencia, el Capacitor está diseñado para tener Capacitancia; mientras que los resistores se oponen al flujo de la corriente, los capacitores se oponen a cualquier cambio en el Tensión eléctrica; el Capacitor más pequeño capaz de acumular carga eléctrica se construye de dos placas y un aislante de aire llamado dieléctrico.
Ejemplo 1: Se tiene una bobina de 32 espiras, 13 vueltas por centímetro y 25 mm de diámetro. Cuál será su inductancia? - a = 25 mm / 2 = 1.25 centímetros - b = 32 / 13 = 2.46 - n = 32 Entonces: L = (0.393 x 1.252 x 322) 3 22) / (9 x 1.25 + 10 x 2.46) = 17.54 uHenrios[2]
Valor de la inductanci inductanciaa El valor de la inductancia viene determinado exclusivamente exclusivamente por las características geométricas de la bobina y por la permeabilidad magnética del espacio donde se encuentra. Así, para un solenoide, la inductancia, de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, viene determinada por:
Donde μ es la permeabilidad absoluta de l núcleo, N es el número de espiras, A es el area de la
sección transversal del bobinado y l la longitud de las líneas de flujo. El cálculo de l es bastante complicado a no ser que la bobina sea toroidal y aún así, resulta difícil si el núcleo presenta distintas permeabilidades en función de la intensidad que circule por la misma. En este caso, la determinación de l se realiza a partir de las curvas de imantación.
¿QUE ES LA ¿QUE L A CAPACIT CAPACITANCIA ANCIA?? La Capacitancia es la propiedad de un capacitor de oponerse a toda variación de la tensión en el circuito eléctrico. Usted recordará que la resistencia es la oposición al flujo de la corriente eléctrica. También se define, a la Capacitancia como una propiedad de almacenar carga eléctrica entre dos conductores, aislados el uno del otro, cuando existe una diferencia de potencial entre ellos,como se observa en la figura siguiente, las dos placas actúan como conductores, mientras que el aire actúa como un aislante: Así como un Resistor está diseñado para tener Resistencia, el Capacitor está diseñado para tener Capacitancia; mientras que los resistores se oponen al flujo de la corriente, los capacitores se oponen a cualquier cambio en el Tensión eléctrica; el Capacitor más pequeño capaz de acumular carga eléctrica se construye de dos placas y un aislante de aire llamado dieléctrico.
Los factores que determinan la Capacitancia de un Capacitor simple son: a) el área de la placas, b) la separación entre las placas y c) el material del dieléctrico; La Capacitancia es directamente proporcional al área de las placas y a la constante dieléctrica del material dieléctrico utilizado e inversamente proporcional a la distancia de separación de las placas, es decir: C = k A/ d = Faradios ; De ahí que si el área de las placas aumenta, con ello aumenta la Capacitancia; por el contrario, si la separación de las placas aumenta, disminuye la Capacitancia De acuerdo a la fórmula C = k A / d, obtenemos el resultado en Faradios; si queremos el Resultado en Micro faradios (símbolo μf) entonces agregamos el factor de conversión 8.85 x 10 -" -y nuestrafórmula quedará así: C = 8.85xlO-8 A/d Donde: C = Capacitancia en μf(Micro faradios) A = Área de las placas, cm2 D = Distancia de separación de las placas, en cm. En la práctica los capacitoressuelen tener más de una placa, y para calcular la Capacitancia semultiplica el resultado de la fórmula por el número de placas menos uno, es decir: N-l; por ejemplo, en un capacitor múltiple que contiene5 placas, N = 5, por lo tanto, N-l = 4 de acuerdo a la figura El material usado como estándar dieléctrico es el vacío cuyaconstante dieléctrica es igual a la unidad, es decir uno (1.0)
MEDIDAS DE CAPACITANCIA Así como la unidad de medida de la tensión eléctrica es el Volt, etc., la unidad de medida de la Resistencia es el Ohm y la unidad de medida de la Capacitancia es el Faradio, Observe este cuadro:
Se dice que un capacitor tiene una Capacitancia de un Faradio cuando un voltio acumula en él una carga de un Coulomb; hay que recordar que un Coulomb equivale a una carga de 6.25 x 1018 electrones. La carga del Capacitor es producida por el movimiento de los electrones del circuito y se usa con la letra Q para designarla, y se mide en coulombs; la Carga depende de dos factores fundamentales: a) la tensióna través del circuito y b) la Capacitancia en Faradios del Capacitor. Esta relación se expresa con la siguiente ecuación: Q = C x E donde Q es la carga que adquiere el Capacitor, en Coulombs; C es la Capacitancia del Capacitor, en Faradios y E es la Tensión eléctrica a través del Capacitor, en voltios. Los Capacitores en paralelo se manejan igual que los resistores en serie, mientras que los capacitores en serie se manejan igual que los resistores en paralelo. La razón de ello puede observarse en la siguiente figura: Elárea total de las placas es mucho mayor que la de un solo capacitor
CONEXIONES BÁSICAS CON CONCAPACITORES Así como los Resistores se pueden conectar en serie y en paralelo, los capacitores algunas veces se conectan de la misma forma, sin embargo se manejan exactamente al contrario que los resistores: la Resistencia total de resistores en serie es igual a la suma de los valores de cada uno de los componentes, mientras que en los capacitores en paralelo se suman los valores decada uno de ellos 1.- Capacitancia Total en paralelo Ctp = C1 + C2 + C3; Ctp=5+ 10+ 15 = 30μf 2.- Capacitancia Total en Serie 1 /Cs = 1 / C1 + C2 / C3 = 1/15+1/15+1/15 = 0.0666 + 0 .0666 + 0.0666 = 1 / 0.2 = 5μf
PROPIEDADES DE LOS CAPACITORES Para entender bien la teoría básica de un capacitor, supongamos que las dos placas que lo forman están colocadas dentro de una envoltura que mantiene el vacío como dieléctrico; así el área que rodea las placas estará libre de átomos. Por consiguiente, si a un capacitor se le conecta una batería, los electrones de la placa positiva serán atraídos por el polo positivo de la batería, mientras que el polo negativo de la batería repelerá los electrones de placa negativa; cuando los electrones libres de la placa positiva. Son efectivamente transferidos a la placa negativa, se dice que el capacitor está totalmente cargado y la tensión almacenada es igual a la tensión aplicada, además de tener la misma polaridad que la fuente. Cuando los capacitores se cargan permanecen cargados a menos que se los provea de una línea ó paso de descarga; cuando un capacitor descargado se conecta a una fuente de c.c., primero obra como si se tratara como un corto circuito, tan pronto el capacitor se carga, el aparente flujo de corriente a través del capacitor disminuye. Los capacitorespermiten el flujo de c.c. sólo por un corto tiempo, luego actúan como un circuito abierto; sin embargo cuando se trata de c.a., las placas cambian de polaridad tan rápidamente que bloquean la c.c. y sólo permiten el paso de c.a. Los capacitores de alta calidad pueden mantener una carga por largo periodo de tiempo; por consiguiente, para evitar choques que pueden ser peligrosos, deben serdescargarlos: la mejor manera de hacerlo es colocar un destornillador entre sus terminales durante un minuto. Teóricamente el material dieléctrico debería ser un aislante perfecto y no debería permitir flujo alguno de comente, sin embargo, no existe tal aislante perfecto, pues siempre hay un escape de corriente de la placa negativa hacia la placa positiva, a esta pequeña corriente se llama "corriente de fuga" ó corriente de escape; actualmente hay tres cosas que ocasionan pérdidas en el capacitor, a saber: a) corriente de fuga ó escape, b) pérdida por resistencia y c) pérdidas en el dieléctrico; las puntas y conexiones incluyendo las placas ofrecen cierta resistencia ¡resistencia interna) a la comente, a ésta pérdida de potencia se le llama : pérdida por resistencia; las pérdidas en el dieléctrico se deben a la fricción molecular dentro del material dieléctrico y algunas veces se le llama histéresis dieléctrica, esta pérdida de potencia ocurre cuando parte de la energía utilizada para cargar el capacitor se disipa en forma de calor debido a la fricción molecular. La cantidad de potencia que se pierde en el dieléctrico debido a la fricción molecular aumenta al aumentar la frecuencia de c.a., y a la inversa, disminuye al disminuir la frecuencia.
Uno de los problemas que ocurren con los dieléctricos es que cada uno de ellos, a cierto voltaje, deja pasar electricidad; dicho voltaje se llama " tensión de ruptura". Si en un capacitor ocurre un arco eléctrico entre sus placas cuando tiene una carga de 600 voltios, se dice que tiene una tensión de tensión de ruptura de 600 voltios. Algunos materiales dieléctricos, todos los de estado sólido, quedan definitivamente dañados después de soportar la tensión de ruptura, el capacitordebe ser reemplazado, puesto que el arco eléctrico perfora el dieléctrico; mientras que los capacitores con dieléctrico en estado líquido ó aire raramente sufren daños permanentes, puesto que el dieléctrico se repara por sí mismo después de que se suspende el arco eléctrico; el siguiente cuadro muestra algunos materiales dieléctricos con sus tensiones de ruptura Los capacitores vienen normalmente especificados según la tensión que se les puede aplicar sin peligro de ruptura; por consiguiente, para escogerlo es necesario conocer su capacitancia tanto como elvoltaje del circuito donde se lo va a usar; un capacitor típico de papel, especificado como de 0.1 µf a 600 WVDC (Working Volts D.C.) (voltaje de trabajo de corriente directa)está diseñado para operar a 600 voltios c.c. Se clasifican de dos tipos: fijos y variables.
Los capacitores de papel usan cierto tipo de papel encerado como dieléctrico y vienen desde 0.0005 µfhasta 16 µf, con un voltaje promedio de 1600 WVDC; sin embargo se usan comúnmente en circuitos de menos de 600 voltios. Su construcción es como se muestra en la figura; Los capacitores de mica se fabrican con capas de papel de estaño separadas por un dieléctrico de mica; con capacitancias de 2µµf (pico faradios), construidos con papel de estaño y dieléctrico de mica y las hojas no están enrolladas; Toleran hasta 500 WVDC. Los capacitores de aceite dieléctrico resisten tensiones de hasta 6,000 WVDC. Los de cerámica se fabrican depositando una película metálica sobre las superficies interna y externa de un tubo de cerámica y se construyen desde 1 hasta 10,000 pf (μμf) para tensiones
hasta de 30,000 voltios. Los capacitores de alta capacitancia tales como los que se usan en las fuentes de alimentación, usualmente son del tipo llamado "Electrolítico" cuya característica es que son de tamaño pequeño y se construyen de dos tipos, a saber: húmedo yseco, el primero requiere de cuidados especiales para que no se derrame su líquido por ello es de mayor uso el tipo seco.
En los circuitos de corriente alterna (AC) los receptores presentan una oposición a la corriente que no depende únicamente de la resistencia óhmica del mismo, puesto que los efectos de los campos magnéticos variables (bobinas) tienen una influencia importante. En AC, la oposición a la corriente recibe el nombre de impedancia (Z), que obviamente se mide en Ω. La relación entre V, I, Z, se determina mediante la "Ley de Ohm generalizada". donde: - I: intensidad eficaz en A - V: tensión eficaz en V. - Z: impedancia en Ω.
La impedancia puede calcularse como: donde: - Z: impedancia en Ω. - R: resistencia en Ω. - X: reactancia en Ω.
Se puede demostrar que los tres componentes (R, X, Z) se relacionan mediante un triángulo rectángulo. Aplicando el Tª de Pitágoras o relaciones trigonométricas, se pueden obtener muchas más fórmula que relacionen R, X y Z.
Ejemplo
Un motor se comporta como un receptor inductivo de R=17,3 (Ω) y XL=10 (Ω) y está conectado a una toma de 230 V/50 Hz. Determinar su intensidad.
La impedancia:
La intensidad:
En la siguiente tabla puede verse un resumen del valor de impedancia de cada tipo de receptor en AC.
¿QUE ES LA CORRIENTE Y TENSIO N EFICAZ? Cuando a Los extremos de una resistencia óhmica se aplica una tensión alterna, la intensidad de la corriente que se origina se deduce a partir de la ley de Ohm:
V, i
V m sen t R
V I
I m sen t
(1)
resultando que la intensidad también varía sinusoidalmente con el tiempo, con la misma frecuencia que la tensión aplicada, y que su valor máximo vale
I m
V = VM sen t,
Fig.1
V m R
(2)
Por tanto, cuando un circuito sólo contiene resistencia óhmica, la intensidad de la corriente no presenta diferencia de fase respecto a la tensión aplicada que la origina (fig. 1).
En general, en los circuitos de corriente alterna se suelen utilizar otros elementos además de las resistencias óhmicas. Supongamos que existan, conectadas en serie con una resistencia R, una bobina L y un condensador C. Al aplicar una tensión alterna a los extremos de dicho circuito en serie, se establece, una vez desaparecidos los efectos transitorios de corta duración, una corriente estacionaria que viene expresada por
i
I m sen ( t )
(3)
en la que se pone claramente de manifiesto que la frecuencia f = /2 de la intensidad es la misma que la correspondiente a la tensión, pero que la intensidad está desfasada en un ángulo (ángulo de desfase o desfase) respecto a la tensión.
Los valores instantáneos de una intensidad de corriente, f.e.m. o diferencia de potencial alternas, varían de un modo continuo desde un valor máximo en un sentido, pasando por cero, hasta un valor máximo en el sentido opuesto, y así sucesivamente. El comportamiento de un determinado circuito en serie queda expresado por los valores máximos de la intensidad (Im) y de la tensión (Vm) (también del valor del desfase φ), pero es mucho más interesante estudiar los circuitos de
corriente alterna en función de los valores eficaces, lef y Vef, en lugar de los valores máximos, porque los valores que se miden con los voltímetros y amperímetros de c.a. son precisamente los eficaces.
La intensidad eficaz de una corriente alterna se define como el valor de la intensidad de una corriente continua que desarrollase la misma cantidad de calor en la misma resistencia y en el mismo tiempo. Se demuestra que
I ef
I m 2
0.707 I m
(4)
y análogamente, la tensión eficaz,
V ef
V m 2
0.707V m
(5)
De ahora en adelante, se interpretará que las letras I y V sin subíndices hacen referencia a los valores eficaces de las magnitudes correspondientes.
La intensidad máxima Im está relacionada con la tensión máxima Vm por una expresión que tiene la misma forma que la que expresa la ley de Ohm para corrientes continuas
I m
V m Z
(6)
denominándose la magnitud Z, impedancia del circuito, que es una g eneralización de la resistencia R de la ley de Ohm en corriente continua. Naturalmente, dividiendo los dos miembros de (6) por 2
, se obtiene para los valores eficaces
I
V Z
(7)
La relación que existe entre la impedancia Z del circuto RLC en serie y las características R, L y C de los tres elementos considerados es
Z
R 2
( L (1 / C ))2
(8)
que, introduciendo las siguientes simplificaciones,
XL = L
XC = 1/C
X = XL-XC
se escribe
Z R 2
X 2
(10)
(9)
Por otra parte, el desfase , viene dado por la expresión
arctg
X R
(11)
La magnitud X recibe el nombre de reactancia; XL y XC son la reactancia inductiva o inductancia y la reactancia capacitativa o capacitancia. Tanto la impedancia como la reactancia se miden en ohmios ().
Los papeles de la inductancia y de la capacitancia son contrapuestos, tanto en lo que se refiere a la limitación de la corriente, como al desfase que introducen entre la intensidad y la tensión. Así, mientras que un aumento de inductancia reduce la intensidad, un aumento de capacitancia la hace aumentar. Además, la inductancia retrasa la intensidad respecto a la tensión, en tanto que la L capacitancia la adelanta. Tanto la inductancia como la capacitancia dependen de la frecuencia de la tensión alterna aplicada.
X X X
Z
R
La relación que existe entre la impedancia Z de un circuito RLC en serie y los valores de R, XL y XC puede representarse gráficamente considerando estas magnitudes como vectores. La resistencia R se representa por un vector situado sobre el eje Ox en sentido positivo del mismo; y las reactancias XL y XC, por vectores situados sobre el eje Oy, en los sentidos positivo y negativo, respectivamente. La impedancia Z será el vector suma de los tres vectores. Véase la figura 2, denominada diagrama del vector impedancia del circuito. En dicha figura, se ha considerado el caso en que XL > XC, y por tanto X es positiva, y también es positivo el desfase . Diremos que el circuito representado por dicho diagrama es "inductivo". En el caso contrario, esto es XC > XL, el circuito sería "capacitivo".
Fig.
Como casos especiales, es evidente que si el circuito sólo contiene una resistencia pura, entonces X = 0; Z = R y = 0, y la intensidad está en fase con la tensión aplicada.
Si el circuito contiene autoinducción pura, será R = 0, Z = XL = L y = + /2, y la intensidad se retrasa 90° respecto a la tensión aplicada.
Pero si el circuito se compone de capacidad pura, se tendrá R = 0, Z = XC = 1/ C y = - /2, y la intensidad adelanta en un ángulo de 90° a la tensión. V I
Fig.3 La intensidad de la corriente tiene la misma fase en todas las partes de un circuito en serie. Es decir: es máxima en la resistencia, autoinducción y condensador al mismo tiempo; nula en los tres un instante después; máxima, pero de sentido opuesto, otro instante todavía posterior, y así sucesivamente.
La diferencia de potencial (d.d.p.) entre dos puntos cualesquiera de un circuito es igual al producto de la intensidad por la impedancia del mismo entre los dos puntos considerados, siempre que no exista ninguna f.e.m. comprendida entre dichos puntos. Así,
Vab=IZab
(12)
La diferencia de fase entre Vab e I será
= arctg (Xab/Rab)
(13)
a
b R
c L Fig.4
d C
En la figura 4, la impedancia Zab entre a y b es R y, por consiguiente, Vab = IR y = arctg0 = 0. Esto es, la d.d.p. entre los terminales de una resistencia pura está en fase con la intensidad de la corriente.
Entre los puntos b y c es Zbe = XL, Vbe= IXL y = arctg /2. Esto es, la d.d.p. entre los terminales de una autoinducción pura está adelantada 90° respecto a la intensidad.
Entre los puntos c y d es Zed = XC, Ved = IXC y = arctg -/2. Esto es, la d.d.p. entre los terminales de una capacidad pura está retrasada 90° respecto a la intensidad.
Debido a estos desfases, la suma de la diferencia de potenciales eficaces entre los extremos de un cierto número de elementos de un circuito en serie no es igual a la diferencia de potencial entre los extremos del conjunto. La suma de tensiones deberá efectuarse geométricamente, como se indica en la figura 5, donde VR, VL y VC son las tensiones entre los extremos de la resistencia R, autoinducción L y capacidad C, respectivamente, y V es la tensión entre los extremos de la asociación en serie RLC.
VL VLC VC
V
Fig.
CORRIENTE EFICAZ: La corriente eficaz (Ief) es el resultado de dividir la potencia (Watts) por la tensión eficaz (Volts). Ya que Watt=Volt.Ampere. La corriente pico se calcula multiplicando la corriente eficaz por la raíz de 2 o aproximadamente 1,41. Por ejemplo un electrodoméstico cuya potencia es 1200W sobre un Vef de 220V tiene una corriente eficaz de aproximadamente 5.45A (1200/220) y la corriente pico será aproximadamente de 7.69A El Voltaje o tensión eficaz (Vef) es el resultado de dividir el valor pico de la tensión por la raíz cuadrada de dos. O más simplemente multiplicar la tensión pico por 0,707. Por ejemplo en Argentina la tensión pico es aproximadamente de 311V, la tensión eficaz de 220V y oscila cada 50ms (frecuencia de 50Hz/seg), los primeros 180 grados del periodo de la onda sinusoidal; le corresponderá ese valor pico Vp (fijado arbitrariamente positivo) y los siguientes 180 grados que conforman el resto del periodo; le corresponde un valor pico de igual magnitud pero negativo.
TENSIÓN EFICAZ: El voltaje o tensión eficaz (Vef Volts) es igual a multiplicar la corriente eficaz (Ief Amperes) por el valor de resistencia (Ohm) Por ejemplo en un generador de AC de 50V conectado a una resistencia de 40Ohm, la igualdad será Ief x R = Vef Ief x 40 Ohm = 50V Ief será igual a 1,25A (50V/40 Ohm) 1,25A x 40 Ohm = 50V La energía es convertida en calor por el resistor, el cálculo es el siguiente: P=Vef x Ief P= 50V x 1.25A P es igual a 62,5W
CONTACTORES Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o instalación con la posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción. Este tipo de funcionamiento se llama de "todo o nada".
CLASIFICACIÓN -Contactores electromagnéticos. Su accionamiento se realiza a través de un electroimán. -Contactores electromecánicos. Se accionan con ayuda de medios mecánicos. -Contactores neumáticos. Se accionan mediante la presión de un gas. -Contactores hidráulicos. Se accionan por la presión de un líquido.
CONSTITUCIÓN DE UN CONTACTOR ELECTROMAGNÉTICO. - Contactos principales. Son los destinados a abrir y cerrar el circuito de potencia. Están abiertos en reposo. - Contactos auxiliares. Son los encargados de abrir y cerrar el circuito de mando. Están acoplados mecánicamente a los contactos principales y pueden ser abiertos o cerrados.
- Bobina. Elemento que produce una fuerza de atracción (FA) al ser atravesado por una corriente
eléctrica. Su tensión de alimentación puede ser de 12, 24 y 220V de corriente alterna, siendo la de 220V la más usual. - Armadura. Parte móvil del contactor. Desplaza los contactos principales y auxiliares por la acción
(FA) de la bobina. - Núcleo. Parte fija por la que se cierra el flujo magnético producido por la bobina. - Resorte. Es un muelle encargado de devolver los contactos a su posición de reposo una vez cesa
la fuerza FA.
FUNCIONAMIENTO DEL CONTACTOR. A los contactos principales se conectan al circuito que se quiere gobernar. Asegurando el establecimiento y cortes de las corrientes principales y según el número de vías de paso de corriente, será bipolar, tripolar, tetrapolar, etc. realizándose las maniobras simultáneamente en todas las vías. Los contactos auxiliares son de dos clases abiertos y cerrados. Estos forman parte del circuito auxiliar del contactor y aseguran las autoalimentaciones , los mandos, enclavamientos de contactos y señalizaciones en los equipos de automatismo. Cuando la bobina del contactor queda excitada por la circulación de la corriente, mueve el núcleo en su interior y arrastra los contactor principales y auxiliares, estableciendo a través de los polos el circuito entre la red y el receptor. Este arrastre o desplazamiento puede ser: - Por rotación, pivote sobre su eje. - Por traslación, deslizándose paralelamente a las partes fijas. - Combinación de movimientos, rotación y traslación. Cuando la bobina deja de ser alimentada, abre los contactos por efecto del resorte de presión de los polos y del resorte de retorno de la armadura móvil. La bobina está concebida para resistir los choque mecánicos provocados por el cierre y la apertura de los contactos y los choques electromagnéticos debidos al paso de la corriente por sus espiras, con el fin de reducir los choques mecánicos la bobina o circuito magnético, a veces los dos se montan sobre amortiguadores. Si se debe gobernar desde diferentes puntos, los pulsadores de mar cha se conectan en paralelo y el de parada en serie.
SIMBOLOGÍA Y REFERENCIADO DE BORNES. Los bornes de conexión de los contactores se nombran mediante cifras o códigos de cifras y letras que permiten identificarlos, facilitando la realización de esquemas y las labores de cableado. - Los contactos principales se referencian con una sola cifra, del 1 al 16. - Los contactos auxiliares están referenciados con dos cifras. Las cifras de unidades o cifras de función indican la función del contacto: * 1 y 2, contacto normalmente cerrados (NC). * 3 y 4, contacto normalmente abiertos (NA). * 5 y 6, contacto de apertura temporizada.
* 7 y 8, contacto de cierre temporizado. - La cifra de las decenas indica el número de orden de cada contacto en el contactor. En un lado se indica a qué contactor pertenece. - Las bobinas de un contactor se referencian con las letras A1 y A2. En su parte inferior se indica a qué contactor pertenece. - El contactor se denomina con las letras KM seguidas de un número de orden.
ELECCIÓN DE UN CONTACTOR ELECTROMAGNÉTICO. Es necesario conocer las siguientes características del receptor: - La tensión nominal de funcionamiento, en voltios (V). - La corriente de servicio (Ie) que consume, en amperios (A). Potencia mecánica (Pm) (kW) 0,75 1,1 1,5 2,2 3 4
Corriente de servicio (Ie) (A) 220 V
380 V
3 4 6 8,5 11 14,5
2 2,5 3,5 5 6,5 8,5
18 25 35 39 51 73,5
5,5 7,5 10 11 15 22
11,5 15,5 21 23 30 44
- La naturaleza y la utilización del receptor, o sea, su categoría de servicio. Categoría de servicio AC1 AC2 ACE AC4
Ic / Ie
Factor de potencia
1 2,5 1 6
0,95 0,65 0,35 0,35
- La corriente cortada , que depende del tipo de categoría de servicio y se obtiene a partir de la corriente de servicio, amperios (A). Los pasos a seguir para la elección de un contactor son los siguientes: 1. Obtener la corriente de servicio (Ie) que consume el receptor. 2. A partir del tipo de receptor, obtener la categoría de servicio. 3. A partir de la categoría de servicio elegida, obtener la corriente cortada (Ic) con la que se obtendrá el calibre del contador. Además, hay que considerar la condición del factor de potencia, ya que, en el caso de los circuitos de alumbrado con lámparas de descarga (vapor de mercurio, sodio,...) con factor de potencia 0,5 (sin compensar), su categoría de servicio es AC3,aunque por su naturaleza debería ser AC1. Mientras que si estuviera compensado a 0,95, su categoría sería AC1.
APLICACIONES. Las aplicaciones de los contactores, en función de la categoría de servicio, son: Categoría de servicio AC1
Aplicaciones Cargas puramente resistivas para calefacción
AC2 AC3
eléctrica,... Motores asíncronos para mezcladoras, centrífugas,... Motores asíncronos para aparatos de aire acondicionado,
AC4
compresores, ventiladores,... Motores asíncronos para grúas, ascensores,...
EJEMPLO Elegir el contactor más adecuado para un circuito de calefacción eléctrica, formado por resistencias débilmente inducidas, cuyas características son las siguientes: - Tensión nominal: 220 V - Potencial total: 11 kW - Factor de potencia: 0,95 inductivo.
Solución:
1. La corriente de servicio se obtiene aplicando la expresión de la potencia en circuito trifásico: Ic = P / raizcad3 * V * cosj = 30,5 A 2. La categoría es AC1, por ser resistivo el receptor y su factor de potencia próximo a la unidad. 3. La corriente cortada es igual a la servicio, por lo que el calibre del contactor a elegir es de 32 A.
Las categorías del contactor elegido son:
- Categoría: AC1 (por ser el cos j = 0,95). - Calibre: 32 A.
RELE Un relé es un dispositivo electromecánico que nos permite la conmutación de una línea eléctrica de media o alta potencia a través de un circuito electrónico de baja potencia. La principal ventaja y el motivo por el que se usa bastante en electrónica es que la línea eléctrica está completamente aislada de la parte electrónica que controla el relé. Es decir, podemos construir un circuito electrónico (un temporizador, una fotocélula, etc.) y, a través de un relé, controlar cualquier tipo de aparato conectado a la red eléctrica.
Diseño de un relé típico con descripción de sus partes Este artículo habla de los relés usados normalmente en electrónica, es decir, relés simples en los cuales la bobina de activación trabaja con una tensión continua mientras que a través de los contactos podemos hacer pasar lo que queramos (tensión continua o alternada).
COMO ESTÁ HECHO UN RELÉ Substancialmente, un relé esta compuesto por una bobina, una armadura metálica y un grupo de contactos que pueden ser conmutados a través de un campo magnético generado por la bobina. En la imagen animada podemos observar como trabaja un relé. Cuando el pulsador hace contacto, pasa corriente eléctrica por la bobina y por lo tanto se crea un campo magnético. Este campo magnético atrae la armadura que, acercándose al núcleo de la bobina, mueve los contactos del relé efectuando la conmutación.
CARACTERÍSTICAS DE UN RELÉ Las características principales que diferencian los relés para tensión continua son: la cantidad y el tipo de contactos la potencia de conmutación la tensión de trabajo de la bobina la corriente de la bobina (o resistencia) Estos parámetros determinan generalmente el tamaño del relé. Mayor es la cantidad de contactos y la potencia que estos pueden conmutar, mayor será el tamaño de relé. Existe una amplia variedad de relés, algunos pequeños como circuitos integrados y otros grandes como ladrillos.
Algunos tipos de relé
Cuanto más grande y potente es el relé, más corriente será necesaria para activarlo y este es un factor muy importante cuando proyectamos el circuito electrónico que lo comanda.
CLASIFICACIÓN DE LOS RELÉS EN BASE A LOS CONTACTOS
Clasificación de los relés en base al tipo de contactos La cantidad y el tipo de contactos que un relé dispone se especifican con siglas en inglés que explico a continuación: SPST: relé con un solo interruptor normal (Single Pole Single Throw) SPDT: relé con un solo conmutador de dos vìas (Single Pole Double Throw) DPST o 2PST: relé con dos interruptores normales (Double Pole Single Throw) DPDT o 2PDT:relé con dos conmutadores de dos vias (Double Pole Double Throw) Como se ve en el elenco, la letra inicial de la sigla puede ser reemplazada por un número que indica la cantidad de conmutadores. Por lo tanto 4PDT sería un relé con 4 conmutadores de dos vías cada uno. En la figura podemos ver el diseño de un relé con dos conmutadores (DPDT) visto desde abajo. Este tipo de relé es el que yo más uso porque es bastante versátil.
Ejemplo de contactos de un relé DPDT No obstante este relé tenga dos conmutadores, en la mayor parte de los casos, se necesita solo uno de ellos. El segundo conmutador podemos aprovecharlo conectándolo en paralelo con el primero como se ve en la figura. Haciendo así, obtenemos dos ventajas: la primera es que mejoramos la calidad de los contactos, especialmente con relés ya muy usados. La otra ventaja es que podemos controlar corrientes más elevadas respecto a un solo conmutador conectado. Por ejemplo, un relé con corriente máxima de 2 Amp. por contacto, conectando dos conmutadores en paralelo podemos llegar a 4 Amp.
Conexión de los dos conmutadores de un relé DPDT en paralelo
CONECTANDO UN RELÉ El modo más simple para controlar un relé es a través de un pulsador o un interruptor alimentado con baja tensión continua como se ve en la figura. En el ejemplo, el relé tiene una bobina para 12VDC que es el tipo más usado como interfaz para circuitos electrónicos de control. Como pueden ver, los cables que van al pulsador son de baja tensión y baja corriente, pudiendo por lo tanto, usarse pulsadores, interruptores y cables de conexión de baja tensión y sin peligro de electrocución.
Conexión de una lámpara a un relé En la figura sucesiva podemos ver una animación del circuito anterior. El pasaje de corriente por la bobina de 12V crea un campo magnético que mueve la armadura y conmuta los contactos principales. Como pueden notar, la lámpara y los contactos del relé se encuentran conectados a la tensión de la red eléctrica pero esta parte está aislada respecto a los 12V de la bobina y del pulsador.
Animación del encendido de una lámpara a través de un pulsador
Como explicado en la parte relacionada con los contactos, en los conmutadores tenemos un tercer contacto conocido como NC, es decir “normalmente cerrado” (NC: “normally closed” en
inglés) que nos permite de trabajar al contrario, es decir, cuando el relé se activa la lámpara se apaga. En la figura animada podemos ver un relé que en condiciones de reposo (no activado) mantiene encendida una lámpara gracias al contacto NC. El mismo circuito con el relé activado apaga la lámpara mientras que la otra se enciende.
Animación que muestra el encendido alternado de dos lámparas gracias al contacto NC No obstante los diseños realísticos sean más claros y fáciles de entender, en electrónica se trabaja con circuitos compuestos por símbolos gráficos. Lamentablemente no existe un estándar universal adoptado por todo el mundo, no obstante varios intentos de uniformar los símbolos por parte de organizaciones internacionales a lo largo del tiempo. Por suerte, las diferencias no son muy significativas y sin necesidad de mucho entrenamiento, se aprende a reconocer los componentes electrónicos sin problemas. En la figura les muestro el sistema de relé y pulsador con los símbolos que yo generalmente uso.
Símbolo de un relé
Cuanto interrumpimos la corriente que pasa por la bobina, el campo magnético presente en el relé induce en los terminales de la misma bobina, por un breve momento, una tensión muy elevada de polaridad opuesta. Este pico de tensión se conoce con el término “extra tensión de apertura” o “extra corriente de apertura”. La explicación detallada del fenómeno va más allá de los objetivos
de este artículo, la cosa importante es saber que existe y que a la larga, daña los contactos del pulsador.
Conexión de un diodo en paralelo con la bobina para eliminar la “e xtra corriente de apertura”
Para evitar el envejecimiento prematuro de los contactos, la solución más simple es la de conectar en paralelo con la bobina un diodo rectificador inversamente polarizado en modo tal que durante el funcionamiento del relé, el diodo no trabaja mientras que, cuando desconectamos el interruptor o el pulsador, el diodo absorbe dicha energía residual de polaridad opuesta. El uso de un diodo con el circuito del pulsador mostrado es muy aconsejable mientras que es fundamental si controlamos nuestro relé con un transistor porque este sobreimpulso puede dañar el transistor como explicaré en mi artículo “Como controlar un relé con transistores”. Generalmente yo uso diodos rectificadores comunes como por ejemplo el 1N4007.
Conexión del diodo supresor y de un led indicador en paralelo con la bobina
Para terminar, podemos agregar un led que nos indique cuando el relé esta accionado como se ve en la figura. La resistencia en serie, en el caso de 12V puede ser de 1,8K.
UTILIZACIÓN Y APLICACIONES Beneficios del uso de relés
- Un relé puede accionar más de un circuito al mismo tiempo con una única señal (1) - Las señales de salida están completamente aisladas y son independientes de la entrada - La tensión del control (bobina) puede ser mucho menor que la de los contactos (salida) - Un relé puede controlar señales DC a través de tensión AC y viceversa Aplicaciones para relés
- Aislación eléctrica entre motores/solenoides en campo y circuitos de comando (2) - Protección de entradas y salidas de CLP a través de la aislación galvánica - Seguridad para accionamentos de cargas de alta corriente a través de señales de baja corriente Dónde se encuentran las aplicaciones de relés
- Industria en generall (3) - Automación predial y residencial - Generación, transmisión y distribución de energía - Máquinas y equipos
TEMPORIZADOR Un temporizador es un aparato mediante el cual, podemos regular la conexión ó desconexión de un circuito eléctrico pasado un tiempo desde que se le dio dicha orden. El temporizador es un tipo de relé auxiliar, con la diferencia sobre estos, que sus contactos no cambian de posición instantáneamente. Los temporizadores se pueden clasificar en : - Térmicos. - Neumáticos. - De motor síncrono - Electrónicos. Los temporizadores pueden trabajar a la conexión o al desconexión.
- A la conexión : cuando el temporizador recibe tensión y pasa un tiempo hasta que
conmuta los contactos. - A la desconexión : cuando el temporizador deja de recibir tensión al cabo de un
tiempo conmuta los contactos. A continuación describimos el funcionamiento de algunos tipos de temporizadores :
1.- TEMPORIZADOR A LA CONEXIÓN. Es un relé cuyo contacto de salida conecta después de un cierto retardo a partir del instante de conexión de los bornes de su bobina. A1 y A2 , a la red. El tiempo de retardo es ajustable mediante un potenciómetro o regulador frontal del aparato si es electrónico. También se le puede regular mediante un potenciómetro remoto que permita el mando a distancia ; este potenciómetro se conecta a los bornes con las letras Z1 y Z2 y no puede aplicarse a los relés de los contactos.
2.- TEMPORIZADOR A LA DESCONEXIÓN. Es un relé cuyo contacto de salida conecta instantáneamente al aplicar la tensión de alimentación en los bornes A1 y A2 de la bobina. Al quedar sin alimentación, el relé permanece conectador durante el tiempo ajustado por el potenciómetro frontal o remoto, desconectándose al final de dicho tiempo..
3.- TEMPORIZADORES TÉRMICOS. Los temporizadores térmicos actúan por calentamiento de una lamina bimetálica El tiempo viene determinado por el curvado de la lamina. Constan de un transformador cuyo primario se conecta a la red, pero el secundario, que tiene pocas espiras y esta conectado en serie con la lamina bimetálica, siempre tiene que estar en cortocircuito para producir el calentamiento de dicha lamina, por lo que cuando realiza la temporización se tiene que desconectar el primario y deje de funcionar
4.- TEMPORIZADORES NEUMÁTICOS. El funcionamiento del temporizador neumático esta basado en la acción de un fuelle que se comprime al ser accionado por el electroimán del relé. Al tender el fuelle a ocupar su posición de reposo la hace lentamente, ya que el aire ha de entrar por un pequeño orificio, que al variar de tamaño cambia el tiempo de recuperación del fuelle y por lo tanto la temporización.
5.- TEMPORIZADORES DE MOTOR SÍNCRONO. Son los temporizadores que actúan por medio de un mecanismo de relojería accionado por un pequeño motor, con embrague electromagnético. Al cabo de cierto tiempo de funcionamiento entra en acción el embrague y se produce la apertura o cierre del circuito.
6.- TEMPORIZADORES ELECTRÓNICOS. El principio básico de este tipo de temporización, es la carga o descarga de un condensador mediante una resistencia. Por lo general se emplean condensadores electrolíticos, siempre que su resistencia de aislamiento sea mayor que la resistencia de descarga : en caso contrario el condensador se descargaría a través de su insuficiente resistencia de aislamiento.
7.- TEMPORIZADORES PARA ARRANCADORES ESTRELLA TRIÁNGULO . Es un temporizador por pasos destinado a gobernar la maniobra de arranque estrella triángulo. Al aplicarle la tensión de alimentación, el contacto de estrella cierra durante un tiempo regulable, al cabo del cual se abre, transcurre una pausa y se conecta el contacto de triángulo. El tiempo de pausa normal está entre 100 y 150 ms. Ahora hemos cogido las diferentes clases de temporizadores y les hemos aplicado a los relés con lo que tenemos las siguientes temporizaciones : - Mecánica o neumática - Magnética ( relés de manguito ). - Térmicas ( relés de bilámina ). - Eléctrica ( relés de condensador).
8.- TEMPORIZACIÓN NEUMÁTICA. Un relé con temporización neumática consta esencialmente de tres partes principales : 8.1.- Un temporizador neumático que comprende un filtro por donde penetra el aire comprimido, un vástago de latón en forma de cono, Solidario con un tornillo de regulación para el paso de aire un fuelle de goma y un resorte antagonista situado en el interior de este fuelle. El tornillo de regulación asegura la regulación progresiva de la temporización ; las gamas de temporización cubren desde 0.1 segundos a 1 hora.
8.2.- Una bobina electromagnética para corriente continua o alterna, según los casos. 8.3.- Un juego de contactos de ruptura brusca y solidarios al temporizador neumático por medio de un juego de levas y palancas. El relé de retardo a la desconexión tiene el siguiente funcionamiento : cuando se interrumpe la circulación de corriente por la bobina , el contacto solidario con ella tarda cierto tiempo en soltarse, debido a la acción de el temporizador neumático. Al soltarse este contacto, actúa sobre un microrruptor, que desconecta el circuito de mando. La temporización puede ser a la excitación o a la desexcitacion de la bobina o combinando ambos efectos.
9.- TEMPORIZACIÓN MAGNÉTICA. En este caso, se trata de relés cuya bobina esta alimentada exclusivamente por corriente continua. La temporización magnética se consigue ensartando en el núcleo magnético del relé, un tubo de cobre. Este tubo puede tener el espesor de algunos milímetros y rodear al núcleo en toda su longitud, constituyendo una camisa o bien puede ser de un diámetro igual a la base del carrete de la bobina y una longitud limitada, y en este caso se llama manguito ; el manguito puede ser fijado delante, es decir, en la parte de la armadura o detrás, es decir, en la parte opuesta de la armadura. En ambos casos, como se verá enseguida los efectos de retardo serán distintos a. Con camisa de cobre ( retardo a la desconexión) b. Con manguito de cobre, lado armadura( retardo a la conexión y a la desconexión). c. Con manguito de cobre, lado culata ( retardo a la desconexión) 1.-Culata, 2.- Núcleo de hierro, 3.- Camisa o manguito de cobre, 4.- Bobinado, 5.- Armadura. La camisa o el manguito de cobre actúan como una espira en cortocircuito ; la corriente inducida en esta espira cortocircuitada se opone a las variaciones del flujo que la han engendrado, lo que origina el efecto de retardo. Como dicho efecto aumenta con la intensidad de la corriente inducida, será conveniente una camisa maciza de metal buen conductor como el cobre, directamente enfilada sobre el núcleo ; de esta forma, se obtiene un buen retardo a la desconexión, mediante los relés de camisa, pero aumentando el efecto de atracción. En los relés de manguito, cuando éste está en la parte anterior ( fig. B ), significa que el arrollamiento esta situado más atrás, aumentado el flujo dispersor y reduciendo por consiguiente, la eficacia de la bobina en la atracción ; como consecuencia, se obtiene retardo tanto a la conexión como a la desconexión del relé. Si el manguito está situado en la parte posterior del relé ( fig. C ), se obtiene solamente un retardo a la desconexión del relé, dada la posición del arollamiento respecto a la armadura.
10.- TEMPORIZACIÓN TÉRMICA Los relés térmicos o dispositivos que utilizan procedimientos térmicos para la temporización, pueden incluirse en los siguientes grupos : a. relés de biláminas b. relés de barras dilatables. 10.1.- Relés de biláminas
Recordemos que una bilámina esta constituida por dos laminas metálicas, acopladas en paralelo y atravesadas por la corriente eléctrica, que las calienta por el efecto Joule. 1.- bobinado de mando, 2.- biláminas, 3.- bornes de salida. Como los coeficientes de dilatación de las dos laminas son distintos cuando se calientas una atrae a la otra y cuando se enfrían vuelve a la posición inicial.
11.- RELÉS DE BARRAS DILATABLES Constituyen una mejora de los anteriores, los contactos se mueven cuando la diferencia de temperatura entre dos barras dilatables idénticas alcanza el valor deseado, estando una de las barras calentada eléctricamente por la corriente de mando. 1.- bobinado de mando, 2.- barra dilatable, 3.- bornes de salida. De esta forma las variaciones de temperatura ambiente actúan de la misma manera sobre la posición de las dos barras dilatables, sin tener efecto alguno sobre la posición de los contactos. Por consiguiente, solo la barra calentada eléctricamente manda los contactos. De esta forma, se obtiene temporizaciones comprendidas entre 2 segundos y 4 minutos, con una precisión de un 10 %.
12.- TEMPORIZACIÓN ELECTRÓNICA La temporización electrónica está muy extendida. Se utiliza con relés electromagnéticos cuya bobina está prevista para ser alimentada con corriente continua. Para obtener una buena temporización, la tensión continua debe estabilizarse por ejemplo con ayuda de un diodo Zener. El principio básico de este tipo de temporización es la carga o descarga de un condensador " C " mediante una resistencia " R ". por lo general se emplean condensadores electrolíticos de buena calidad, siempre que su resistencia de aislamiento sea bastante mayor que la resistencia de descarga R : en caso contrario, el condensador C se descargaría a través de su insuficiente resistencia de aislamiento.
