Análisis de Circuitos Eléctricos. Ing. Blas Iván Huerta Sánchez. Justificación. Esta asignatura permitirá al alumno desarrollar las competencias en el diseño de elementos electrónicos mediante herramientas de software y hardware necesarios para la integración de sistemas mecatrónicos y su interconexión para el desarrollo de la función que debe desempeñar en la construcción de elementos electrónicos. Objetivo. El alumno será capaz de analizar y construir circuitos eléctricos en corriente alterna y corriente directa para la alimentación, acoplamiento y activación de señales eléctricas necesarios para la operación de sistemas mecatrónicos. Habilidades. Razonamiento matemático. Capacidad de comprensión. Seleccionar información. Uso de las tecnologías informáticas y de comunicación. Competencias genéricas a desarrollar. Capacidades para análisis y síntesis para aprender, para resolver problemas, aplicar los conocimientos en la práctica, adaptarse a nuevas situaciones, cuidar la calidad, gestionar la información y para trabajar en forma autónoma y en equipo. Programa General. 1. Introducción al Análisis de Circuitos. 2. Análisis de circuitos en CD. 3. Análisis de circuitos en CA. 4. Diseño de Circuitos de alimentación y activación de señales eléctricas. Aspectos a evaluar. Práctica. 50% Asistencia. 10% Participación en clase. 10% Examen. 30% Análisis y Diseño. Análisis. Es el proceso a través del cual se determina el alcance de un problema, se obtiene la información que se requiere para comprenderlo y se calculan los parámetros de interés. Diseño. Es el proceso por medio del cual se sintetiza algo nuevo como parte de la solución de un problema. Ayuda. Leer el enunciado del problema de manera cuidadosa y pausada. Identificar el objetivo del problema. Recopilar la información conocida. Idear un plan. Construir un conjunto adecuado de ecuaciones. Determinar si se requiere información adicional. sí No. Buscar la solución. Verificar la solución. ¿Es razonable o es la que se esperaba? sí Fin. No. Ejemplo. En un zoológico hay aves de (dos patas)y bestias (de cuatro patas) si el zoológico contiene 60cabezas y 200 patas ¿cuantas aves y bestias viven en el? Unidades y escalas. (SI) Para establecer los valores de una cantidad medible, es necesario dar un número y una unidad. (3 pulgadas, 4.5 litros, 2 amperes). Cantidad básica. Nombre. Símbolo. Longitud Metro m Masa Kilogramo kg Tiempo Segundo s Corriente eléctrica Amperio A Temperatura Kelvin K Cantidad de sustancia Mol mol Intensidad luminosa Candela cd Prefijos (SI). Factor Nombre Símbolo Factor Nombre símbolo 10^-24 opto y 10^24 iota Y 10^-21 zepto z 10^21 zeta Z 10^-18 atto a 10^18 exa E 10^-15 femto f 10^15 peta P 10^-12 pico p 10^12 tera T 10^-9 nano n 10^9 giga G 10^-6 micro µ 10^6 mega M 10^-3 mili m 10^3 kilo k 10^-2 centi c 10^2 hecto h 10^-1 deci d 10^1 deca da Ilustrativo 1. Circuito Eléctrico (1). Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como resistencias, inductores, capacitores, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, capacitores, inductores), y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Circuito Eléctrico (11). Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos. Está compuesto por: Generador o acumulador. Hilo conductor. Receptor o consumidor. Elemento de maniobra. Clasificación. Los circuitos eléctricos se clasifican de la siguiente forma: Carga, Corriente, Tensión(voltaje) y Potencia. Carga. La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta en dos tipos. Benjamin Franklin las denominó: cargas positivas y negativas. La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. Carga Eléctrica(11). La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487 × 10-19 culombios y es conocida como carga elemental. El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de electrones que posea en exceso o en ausencia. Carga Eléctrica(111). En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C) y se define como la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9×109 N. Un culombio corresponde a 6,241 509 × 1018 electrones. Corriente Eléctrica (1). Corriente eléctrica. La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe a un movimiento de los electrones en el interior del material. Corriente Eléctrica (11). En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha en el electroimán. Corriente Eléctrica (111). El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir. Galvanómetro. Amperímetro de gancho Corriente eléctrica continua o directa(C.C.-C.D.). La corriente continua (en inglés DC, de Direct Current) es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección (es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos). Corriente eléctrica alterna (C.A.). Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés, de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. Corriente Periódica (1). A diferencia de la corriente continua que posee siempre el mismo valor, esto es, un flujo de cargas constantes a lo largo del tiempo, en una corriente periódica el flujo de cargas toma una serie de valores distintos que se repiten con el tiempo. Ondas de régimen periódico: a) Senoidal, b) Impulsos positivos, c) Rectangular de impulsos positivos, d) Cuadrada, e) Triangular, f) Diente de sierra. Corriente Periódica (11). Si las cargas se desplazan siempre en la misma dirección se dice que la corriente es pulsatoria y en caso contrario alterna. En la figura de la derecha pueden observarse algunos ejemplos de ondas de distintas corrientes periódicas. Los tipos a, d y e son corrientes alternas y b, c y f son pulsatorias. Corriente Transitoria. Se denomina corriente transitoria a aquella corriente eléctrica en la que el flujo de cargas o bien tiende a extinguirse por cesar la causa que lo produce, o bien a estabilizarse en un valor constante tras un período de oscilación. Por lo general, son de corta duración, aumentando o disminuyendo de forma exponencial, y aparecen con frecuencia en los circuitos en los que hay bobinas y condensadores. Tensión Eléctrica (1). Tensión. La tensión, voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, provocando el flujo de una corriente eléctrica. La diferencia de potencial también se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro (Joule/Coulomb Se puede medir con un voltímetro. Tensión Eléctrica (11). Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico (ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica. En el Sistema Internacional de Unidades, la diferencia de potencial se mide en voltios ( V ), al igual que el potencial. Tensión Eléctrica (111). Otra de las formas de expresar la tensión entre dos puntos es en función de la intensidad de corriente y la resistencia existentes entre ellos; así se obtiene uno de los enunciados de la ley de Ohm, que dice: Es importante destacar que ( V ) no se refiere al potencial eléctrico sino a la diferencia de potencial ( ΔV ) entre dos puntos. Potencia Eléctrica. Potencia. La potencia eléctrica es la relación de paso de energía por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado (p = dW / dt). La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt, que es lo mismo. P=(V)(I) Ley de Ohm (1). La Ley de Ohm afirma que la corriente que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia siempre y cuando su temperatura se mantenga constante. Ley de Ohm (11). 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. Circuito Serie (1). Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros.) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente. Circuito Serie (11). Circuitos Paralelo (1). El circuito en paralelo es una conexión donde los bornes o terminales de entrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.) conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida. Circuito Paralelo (11). Circuitos Mixtos (1). Es una combinación de elementos tanto en serie como en paralelos. Para la solución de estos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que se encuentran en serie y en paralelo para finalmente reducir a un circuito puro, bien sea en serie o en paralelo. Códigos de colores de las resistencias. Práctica 1. Obtener el voltaje en cada uno de los elementos resistivos. Medidas de seguridad. Formato de Reporte (1). 1. Hoja de presentación. Nombre de la universidad. Nombre de la carrera. Nombre de la materia. Tema. Nombre del alumno. Nombre del profesor. Fecha. Formato de Reporte (11). 2. Antecedentes o resumen. 3. Introducción (breve explicación del contenido general del tema). 4. Desarrollo. Lista de material y equipo a utilizar. Explicación textual del proceso de elaboración. Explicación textual y funcional de cada tabla, diagrama, gráfica, imagen, figura y otros. En caso de propuesta de mejoras, explicar las razones por las cuales se realizó la mejora. 5. Conclusiones y comentarios personales. 6. Bibliografía y referencias. 7. Anexos y apéndices (opcional).
