Introducción Electrónica

ESCUELAS PROFESIONALES "PADRE PIQUER"
FORMACIÓN PROFESIONAL ESPECÍFICA
DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA
C.F.G.S.: "DESARROLLO DE PRODUCTOS ELECTRONICOS"
MÓDULO PROFESIONAL: "ELECTRÓNICA ANALOGICA"
Profesor: Sergio Ruiz García de Dionisio
Tema nº 1:
REDES DE CORRIENTE DIRECTA
La energía eléctrica disponible en cualquier toma de corriente doméstica se llama voltaje de corriente alterna (ca), que
con el tiempo varía de manera definida. Como las cantidades de interés en una red de cd (Corriente directa = corriente
continua) son independientes del tiempo, es mucho más fácil presentar y entender las leyes básicas de los sistemas
eléctricos. Sin embargo, como las similitudes son tan marcadas entre la aplicación de un teorema a una red de cd, en
comparación con una red de ca, el análisis de los sistemas ca se facilitará de manera considerable con el conocimiento
obtenido si primero se examinan las redes de cd.
CORRIENTE
La primera cantidad eléctrica de importancia primordial a ser presentada es la variable de flujo: la corriente. La
velocidad de flujo de una carga a través de un conductor es una medida de la corriente presente en el conductor. Las
cargas en movimiento son los electrones relativamente libres encontrados en cargas en movimiento son los electrones
relativamente libres encontrados en conductores como cobre, aluminio y oro. El término libres simplemente revela
que los electrones están debidamente vinculados a su átomo y que se pueden mover en una dirección particular
mediante la aplicación de una fuente de energía externa como la batería de cd antes mencionada. Mientras mayor es la
cantidad de carga que fluye a través de la superficie imaginaria por unidad de tiempo (en la misma dirección), mayor
es la corriente. En forma de ecuación:
I=Q/t
Donde:
I = corriente en amperios (A)
Q = carga en coulombs (C)
T = tiempo en segundos (s)
Un electrón tiene una carga electrónica de 1.6 X 10-19 coulomb y, en forma correspondiente, un coulomb es la carga
asociada con 6.242 X 1018 electrones.
Una analogía a menudo utilizada para explicar con claridad el concepto de corriente es el flujo de agua a través de un
tubo, el cual hay que partir e insertar un medidor, en otras palabras, primero se debe "romper" el trayecto del flujo de
carga (corriente) e insertar el medidor entre las dos terminales (expuestas) creadas en el circuito.
El instrumento para medir la corriente se llama AMPERÍMETRO, el medidor se conecta de modo que la corriente
entre por la terminal positiva del medidor y salga por la negativa. De esta manera, tanto los medidores analógicos
como los digitales presentarán un número positivo. Si se conectan a la inversa, la aguja del medidor analógica
apuntará bajo cero y el digital mostrará un signo negativo con valor numérico.
Los niveles de corriente que por lo general se presentan van desde niveles muy bajos hasta miles de amperes. El
hogar promedio cuenta con servicio de 100-, 150- o 200-A. La capacidad de servicio indica la corriente máxima que
puede ser consumida por dicho hogar de la línea de energía. Si se considera que un solo acondicionador de aire puede
consumir 15 A (el 15% de un servicio de 100-A) hace que la opción de instalar un servicio mayor en una casa nueva
sea una importante consideración. En el otro extremo de la escala de magnitudes se encuentra el campo de
electrónica, donde se presentan milésimos e incluso millonésimos de ampere. En un esfuerzo por eliminar la
necesidad de arrastrar la cadena de ceros asociada con los números muy pequeños o muy grandes, se definió la
notación científica que aparece en la tabla.
Un conteo simple a partir del punto decimal hacia la derecha del número 1 da la potencia apropiada de 10. si se
procede de izquierda a derecha se obtiene un exponente negativo, y de derecha a izquierda un exponente positivo.
NOTACIÓN CIENTIFICA
1,000,000,000,000
1,000,000,000
1,000,000
1000
1012 tera
10
giga
G
10
6
mega
M
10
3
kilo
k
-3
mili
m
0.001
10
0.000001
0.000000001
10-6 micro
10-9 nano
0.000000000001
T
9
10-12 pico
m
n
p
VOLTAJE
A diferencia de la corriente, la cual es una variable de flujo y más o menos fácil de comprender, el voltaje es una
variable de una parte a otra que requiere dos puntos para ser definida.
La batería automotriz característica tiene dos terminales que se dice tienen una diferencia de potencial de 12 V entre
ellas o un voltaje entre sus terminales de 12 V. Cada uno de los seis elementos o celdas de la batería contribuye con 2
V al valor entre las terminales. Mediante la actividad química la batería establece un exceso de cargas positivas
(iones) en la terminal (+) positiva y cargas negativas (electrones en la terminal (-) negativa. Esta disposición de las
cargas tiene como resultado un flujo de carga (corriente) a través de un conductor colocado entre las terminales.
Los electrones en el conductor de cobre son relativamente libres de abandonar sus átomos y desplazarse hacia el
número excesivo de cargas positivas localizadas en terminal positiva (cargas iguales se repelen y las cargas distintas
se atraen). Además, la terminal negativa presiona, al repelerlos a los electrones hacia la terminal positiva. El resultado
neto es un flujo de carga (corriente) a través del conductor. La acción química de la batería está diseñada para
absorber el flujo de electrones y para mantener la distribución de la carga en terminales de batería. Los iones positivos
que quedan cuando los electrones abandonan los átomos son capaces de oscilar sólo en una posición media fija y no
pueden desplazarse hacia la terminal negativa.
La diferencia entre voltaje o de potencia aplicado puede considerarse como el elemento de presión necesario para
establecer el flujo de carga, no puede haber un flujo de carga neto a través de un conductor en una u otra dirección sin
un voltaje aplicado como el que está disponible en una batería, en un generador o en una toma de corriente doméstica.
La diferencia de potencial, o voltaje transversal, entre dos puntos cualesquiera de un sistema eléctrico queda
determinado por:
V=W/Q
Donde:
V = diferencia de potencial en voltios
W = energía disipada o absorbida en joules (J)
Q = carga medida en coulombios
W es la energía disipada o absorbida debido a una transferencia de cargas Q entre los dos puntos.
La diferencia básica entre corriente (un flujo variable) y voltaje (una variable "Transversal") también afecta la
medición de cada una. El voltímetro básico es muy similar al amperímetro en su apariencia fundamental, pero las
técnicas de medición son muy diferentes. El voltímetro no "rompe" el circuito sino que se coloca en un extremo del
elemento para el cual se va a determinar la diferencia de potencial. Al igual que el amperímetro, está diseñado para
afectar la red lo menos posible cuando se inserta para propósitos de medición.
Para la protección general de cualquier medidor utilizado para medir niveles de voltaje desconocidos es mejor
comenzar con la escala más alta, para tener una idea del voltaje que se va a medir, y después trabajar hacia abajo
hasta que se obtenga la mejor lectura posible.
Al igual que los niveles de corriente, los voltajes también pueden variar desde el microvolt hasta la escala de los
megavolts. Por tanto, la notación científica presentada con anterioridad también se aplica con frecuencia a los niveles
de voltaje. En los receptores de radio y de televisión se encuentran niveles de voltaje muy bajos (microvolts y
milivolt), mientras que en las plantas generadoras de energía se presentan lecturas de kilovolt y megavolt.
El voltaje se puede tomar entre + y -, entre + y tierra, o ente - y tierra. En la mayor parte de las fuentes se considera
que la salida entre + y - es flotante puesto que no está conectada a una tierra común o a un nivel de potencia de la red.
El termino tierra simplemente se refiera a un nivel de potencia cero o de tierra. El chasis del equipo eléctrico, ya sea
una fuente o un instrumento, está conectado a tierra a través del cable de alimentación.
2
RESISTENCIA Y LEY DE OHM
Las dos cantidades fundamentales, el voltaje y la corriente, están relacionadas por una tercera cantidad de igual
importancia: la resistencia. En cualquier sistema eléctrico la presión e el voltaje aplicado, y el resultado (o efecto) es
el flujo de la carga o corriente. La resistencia del sistema controla el nivel de la corriente resultante. Mientras mayor
es la resistencia, menor es la corriente y viceversa.
Este efecto es obvio de inmediato cuando se analiza la ley mas fundamental de los circuitos eléctricos: la Ley de
Ohm.
I=E/R
Donde:
I = amperes (A)
E = voltios (V)
R = ohmios (W )
LEY DE OHM
La intensidad de corriente que circula por un circuito eléctrico, es directamente proporcional al voltaje o tensión
aplicado al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece dicho circuito al paso de la corriente
eléctrica.
La expresión matemática que cumple con esta definición es la siguiente:
Donde I es la intensidad, U es la tensión y R la resistencia, siendo sus unidades
las siguientes:
Los múltiplos y submúltiplos mas utilizados en electrónica para estas magnitudes son los siguientes:
MAGNITUD
UNIDAD
SÍMBOLO
MÚLTIPLOS
R→ Resistencia
Ohmio
Ω
Megaohmio(M Ω)=10 Ω
Kiloohmio(K Ω )=10 Ω
I→ Intensidad
Amperio
A
Miliamperio(mA)=10
Microamperio(uA)=10
V→ Voltaje
Voltio
V
Milivoltio(mV)=10
Microvoltio(uV)=10
SUBMÚLTIPLOS
A
A
V
V
3
Potencia eléctrica
En un circuito eléctrico la energía suminsitrada por el generador provoca una diferencia de potencial entre sus bornes,
y esto produce un desplazamiento de las cargas eleéctricas a lo largo del circuito.. Cuando una carga se desplaa entre
dos puntos Ay B de un campo, que están a distinto potencial, se realiza un trabajo cuyo valor es:
La potencia eléctrica es el producto de la intensidad por la corriente. La unidad de potencia es el watio (W). Tenemos
entonces que para corriente continua:
P=V*I
Para un circuito simple, como el de la figura 1 tenemos que :
P = R * I2
o lo que es igual :
P = V2/R
"CIRCUITOS EN CORRIENTE CONTINUA, CC"
CONTENIDO.- Corriente Continua.
Es aquella que no varía su valor en el tiempo y además circula siempre en el mismo sentido. El sentido de la
corriente siempre es el mismo. Parte del polo positivo del generador y retorna por el polo negativo.
FIG.1
- Circuito serie.
Se dice que un conjunto de resistencias se encuentran en serie cuando por todas ellas pasa la misma
intensidad eléctrica. La diferencia de potencial entre los extremos del conjunto será igual a la suma de las caídas de
potencial en cada resistencia.
4
RESISTENCIA TOTAL:
RT = R1+R2+R3
- La intensidad en un circuito serie, es la misma en cada resistencia:
I1 = I 2 = I 3 = I T
Además según la ley de Ohm
IT = VT/RT
- La tensión total ( VT ) se reparte proporcionalmente al valor de cada resistencia.
- Esto quiere decir que cuanto mayor sea el valor óhmico de la resistencia, mayor será la caída de tensión en ella.
V1 = R1 x I1
V2 = R2 x I2
V3 = R3 . I3
- Por lo tanto el voltaje total ( VT ) será:
VT = V1 + V2 + V3
O también
VT = RT . IT
- Circuito paralelo.
Varios elementos eléctricos están en paralelo cuando la diferencia de potencial es igual para cada uno de
ellos. La intensidad total del conjunto será igual a la suma de las intensidades que pasan por cada uno de ellos.
5
RESISTENCIA TOTAL:
- La tensión en un circuito paralelo, es la misma en cada resistencia:
V1 = V2 = V3 = VT
V T = R T . IT
- La intensidad se reparte inversamente al valor de cada resistencia:
Esto quiere decir que cuanto mayor sea el valor de la resistencia, menor será la intensidad que circule por ella.
I1 = VT/R1
I2 = VT/R2
I3 = VT/R3
Por lo tanto la intensidad total será:
IT = I 1 + I 2 + I 3
O también:
IT = VT/RT
- Circuitos mixtos.
Son aquellos que combinan elementos en serie con elementos en paralelo. Para resolverlos hay que seguir los
siguientes pasos:
a. Reducir a su circuito equivalente las partes que estén o bien en serie, o bien en paralelo.
b. Dibujar los circuitos equivalentes obtenidos.
c. Calcular los valores solicitados.
Ejemplos:
1.
Partimos de un circuito mixto, y lo convertimos en un circuito paralelo:
6
2.
Partimos de un circuito mixto, y lo convertimos en un circuito serie:
"ESTUDIO TEÓRICO DE LA CORRIENTE ALTERNA"
- Corriente alterna.
Corriente alterna es aquella cuyo valor, a diferencia de la corriente continua, sufre variaciones en el tiempo.
Su valor no permanece constante sino que va cambiando constantemente.
- Curva de la corriente alterna en función del tiempo.
- Ecuación de una corriente senoidal.
Existe una gran variedad de señales en alterna, pero para su estudio vamos a elegir una de las señales más
comunes: la función senoidal. La función senoidal tiene una forma tal y como se indica en la figura anterior y existe
una función matemática que nos da su valor en función del tiempo.
E(t)= Emax . sen wt
7
Siendo:
E(t):
Emax:
w:
t:
Valor instantáneo. Es el valor que toma la tensión en cada instante de tiempo.
Valor máximo. Es el valor más elevado que puede tomar la onda senoidal.
Velocidad angular.
Tiempo.
- Periodo y frecuencia.
Dos magnitudes que tienen especial importancia en corriente alterna son el periodo y la frecuencia de una
señal.
Periodo (T) : Es el tiempo que tarda en producirse un ciclo completo de la señal. Se representa con la letra T
y se mide en segundos (s).
Frecuencia (f) : Es el número de ciclos que se producen en un segundo. Se representa por la letra f y su
unidad son los ciclos por segundo, o lo que es lo mismo Hertzios (Hz).
Cuanto mayor es el periodo de una señal, menor será su frecuencia y viceversa. La relación entre las dos
magnitudes es la que sigue:
1
f = ---------T
1
T = -----------f
- Valor medio de una corriente senoidal.
El valor medio de una tensión o de una corriente senoidal Emed o Imed en un intervalo se define como el
resultado de realizar la media de todos los valores instantáneos de dicho intervalo.
De esto se deduce que la tensión media de un ciclo completo es nula, puesto que la mitad del ciclo es
positivo y la otra mitad es negativo. Por tanto la suma de todos los valores es cero, al compensarse los valores
positivos y negativos.
- Valor eficaz.
El valor eficaz Eef de una tensión senoidal se define como el equivalente al de una magnitud constante que
aplicada a una resistencia produce la misma cantidad de calor.
Del mismo modo el valor eficaz de una corriente alterna Ief es el valor de una corriente continua que genera
el mismo calor al pasar por una resistencia que la corriente alterna.
Matemáticamente se puede demostrar su relación con la tensión / intensidad máxima, que es:
Emax
Eef = -------------2
Imax
Ief = ----------2
Este valor eficaz es el que realmente mide un polímetro cuando estamos midiendo corrientes o tensiones
alternas.
- Potencias en corriente alterna.
La expresión de la potencia activa o potencia media disipada es igual que la vista en el tema de corriente
continua. Pero en corriente alterna hay que tener en cuenta que los valores utilizados son los eficaces.
Pm =
Vef . Ief
8
Tambien podemos ver la potencia media como la media aritmética de todos los valores instantaneos de
potencia. El valor instantaneo de potencia es el producto, en cada instante de tiempo, de la intensidad y tensión
instantanea.
9