Conceptos Básicos sobre Circuitos Eléctricos Para

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍAS E INGENIERÍAS
201418- Análisis de Circuitos DC
Act 4: Lección Evaluativa 1
Conceptos Básicos sobre Circuitos Eléctricos
Para comenzar a comprender desde ya en qué consiste la teoría de circuitos,
es necesario introducir algunos conceptos fundamentales.
Circuito Eléctrico:
Un circuito eléctrico es una interconexión de elementos eléctricos unidos entre
sí, de tal forma, que pueda fluir una corriente eléctrica a través de ellos. Para
que a través de un circuito eléctrico pueda fluir corriente, se debe tener en
cuenta que al menos uno de los elementos que hacen parte del circuito debe
ser una fuente de energía, la cual suministrará a los demás elementos la
energía necesaria para su funcionamiento; ésta fuente podrá ser de Voltaje o
de Corriente. Adicionalmente, los elementos que se encuentran
interconectados deberán describir trayectorias cerradas lo cual garantizará el
flujo constante de electrones a través de ellos.
Teoría de Circuitos
La Teoría de Circuitos es una herramienta que utiliza modelos matemáticos y
conceptos de las leyes físicas para conocer el valor de las variables prese ntes
en cada uno de los dispositivos que hacen parte de un circuito eléctrico tales
como: voltaje, corriente y potencia.
En la definición se han utilizado términos no conocidos hasta ahora, como el
de voltaje, corriente y potencia eléctrica; estos conceptos son muy
importantes, siendo éstas las incógnitas en cualquier problema de teoría de
circuitos. A continuación se explicará el significado físico de estas magnitudes.
Ley de Ohm
Una de las leyes más importantes de la teoría de circuitos eléctricos es la l ey
de Ohm, así llamada en honor a su descubridor, el físico alemán George Ohm.
Ésta ley expresa que la cantidad de corriente que fluye por un circuito formado
por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz
aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del
circuito.
Esta ley suele expresarse mediante la fórmula I=V/R, siendo I la intensidad de
corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R la resistencia en
ohmios.
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Ésta ley se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente
continua (CC) como a los de corriente alterna ( CA ), aunque para el análisis
de circuitos complejos y circuitos de CA deben emplearse principios
adicionales que incluyen inductancias y capacitancias .
Carga Eléctrica
Es una propiedad física intrínseca de la materia, que las caracteriza y por la
cual sufren la “Interacción Electromagnética”. Su unidad de medida es el
Culomb y se representa constantemente con la letra “q”. La carga eléctrica
aparece en la naturaleza cuantizada, es decir, siempre es múltiplo de una
cantidad fundamental: el valor absoluto de la carga eléctrica, ya sea del protón
o del electrón es de: q = 1.6 10 -19 culombios. Se clasifica en carga positiva y
negativa; considerándose, que las cargas del mismo signo se repelen mientras
que las de signo contrario se atraen.
Corriente Eléctrica (o Intensidad).
La corriente eléctrica o intensidad se define como el flujo de carga a través de
un conductor eléctrico por unidad de tiempo. Su unidad de medida es el
Amperio (A), el cual equivale a la relación de Culombios por segundo y se
representa constantemente con la letra “i”. En otras palabras, la corriente
eléctrica es la circulación de cargas eléctricas a través de un circuito cerrado
generadas por una fuente de energía.
La expresión matemática que la describe en función de la carga eléctrica es:
i=dq/dt
Otra forma de calcularla es mediante la ley de Ohm
i=V/R
Donde V es el voltaje en el elemento y R es la resistencia ofrecida por el
mismo.
Voltaje o Tensión
La tensión o diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se define
como el trabajo necesario para mover una carga unitaria entre dichos puntos.
Su unidad de medida es el Voltio (V).
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Vamos a intentar explicar esta definición. Para lograr mover un electrón de un
conductor en una dirección particular es necesario realizar cierto trabajo o
transferencia de energía. Este trabajo, que se conoce con el nombre de Voltaje
o tensión o diferencia de potencial, lo lleva a cabo una fuerza electromotriz.
ELEMENTOS ADICIONALES
Dentro de los elementos más importantes que se pueden encontrar en la
mayoría de los circuitos eléctricos se pueden mencionar: Resistencias,
Condensadores y Bobinas. A continuación se explicará cada uno de ellos:
Resistencia Eléctrica
La resistencia eléctrica se define como la oposición que presenta un elemento
al paso de la corriente; su unidad de medida es el Ohmio y se representa con
el símbolo (Ω)
La resistencia es uno de los componentes imprescindibles en la construcción
de cualquier equipo electrónico, ya que permite distribuir adecuadamente la
tensión y corriente eléctrica a todos los puntos necesarios.
Matemáticamente se puede calcular mediante la ley de Ohm, en donde:
R=V/I
Donde: I es la corriente eléctrica y V la tensión existente en el elemento
Dentro de las formas más comunes de asociar resistencias en un circuito se
pueden mencionar: Asociación en serie y Asociación en paralelo:
Resistencias en serie
Se dice que dos resistencias se encuentran en serie cuando se encuentran
conectadas una a continuación de la otra y a través de ellas circulará la misma
corriente a la hora de aplicarle al circuito una fuerza electromotriz.
La resistencia equivalente de la combinación serie será igual a:
Req = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
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Lo cual nos indica que una sola resistencia de valor Req se comportará de la
misma forma que las n resistencias R 1, R2, R3... Rn conectadas en serie. Una
de las cosas que se debe observar es que siempre que se calcula la Req en
una asociación en serie, ésta será mayor que cualquiera de las resistencias Rn
que hacen parte del arreglo Serie.
Resistencias en paralelo
Se dice que dos resistencias o más están en paralelo cuando se encuentran
conectadas entre el mismo par de nodos o puntos de unión y a través de ellas
se presentará el mismo nivel de tensión a la hora de aplicarle al circuito una
fuerza electromotriz.
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 +...+ 1/Rn
Recuerde que la resistencia equivalente es Req, hay que despejarla.
Igualmente que en la asociación serie, R 1, R2, R3... R n. Nótese que siempre el
valor de la resistencia Req de una asociación paralelo es menor que la
cualquiera de las Rn que hacen parte del arreglo en paralelo.
Una de las características importantes de las resistencias es su código de
colores, el cual permite conocer el valor de resistencia ofrecido por cada una
de ellas. Este código está compuesto por bandas de colores divididas en dos
grupos; el primero consiste de tres o cuatro de estas bandas, de las cuales las
primeras dos o tres indican el valor nominal de la resistencia y la última es un
multiplicador para obtener la escala. El segundo grupo está compuesto por una
sola banda y es la tolerancia expresada en porcentaje; dicha tolerancia nos da
el rango de valores dentro del cual se encuentra el valor correcto de la
resistencia.
Existen resistencias de valor variable llamadas resistencias variables o
potenciómetros, los cuales son muy utilizados cuando es necesario realizar
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sobre un circuito algún tipo de ajuste interno. También se usan para hacer
correcciones externas, tales como el caso de control de volumen, tono,
luminosidad, entre otras.
Condensadores:
Los condensadores son otros elementos frecuentemente encontrados en los
circuitos electrónicos, éstos consisten básicamente de dos placas metálicas
separadas por un material aislante (llamado dieléctrico). Este material
dieléctrico puede ser aire, mica, papel, cerámica, etc.
El valor de un condensador se determina por la superficie de las placas y por
la distancia entre ellas, la que está determinada por el espesor del dieléctrico,
dicho valor se expresa en términos de capacidad. La unidad de medida de los
condensadores es el Faradio y se denota con la letra (F).
Los valores de condensadores utilizados en la práctica son pequeños; dichos
valores estarán expresados en microfaradios (1µF=1x10-6 Faradios),
nanofaradios (1nF=1x10-9 Faradios), o picofaradios (1pF=1x10-12 Faradios).
Una de las características principales de los condensadores es que cuando se
aplica un voltaje de continua entre las placas de un condensador, no habrá
circulación de corriente por el mismo, debido a la presencia del dieléctrico,
pero se producirá una acumulación de carga eléctrica en las placas,
polarizándose el condensador, comportándose como un almacenador de
energía almacenándola en forma de Voltaje. Una vez extraída la tensión
aplicada, el condensador permanecerá cargado debido a la atracción eléctrica
entre las caras del mismo, en donde la única forma de descargarlo será
provocando una circulación de corriente entre las placas ya sea colocando una
resistencia de descarga entre ellas o estableciendo un corto circuito.
Si la tensión aplicada es ahora alterna se someterá al condensador a una
tensión continua durante medio ciclo y a la misma tensión, pero en sentido
inverso, durante la otra mitad del ciclo. El dieléctrico tendrá que soportar
esfuerzos alternos que varían de sentido muy rápidamente, y por lo tanto, su
polarización deberá cambiar conforme el campo eléctrico cambia su sentido,
entonces si aumentamos la frecuencia el dieléctrico ya no podrá seguir estos
cambios, produciéndose eventualmente una disminución en la capacidad. En
síntesis, la capacidad de un condensador disminuye conforme aumenta la
frecuencia.
Los condensadores, al igual que las resistencias, se pueden conectar tanto en
serie como en paralelo:
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Tipos de condensadores
Existe una gran variedad de condensadores; existen los cerámicos, los cuales
están construidos normalmente por una base tubular de dicho material con sus
superficies interior y exterior metalizadas en plata, sobre las cuales se
encuentran los terminales del mismo. Se utilizan comúnmente tanto en bajas
como en altas frecuencias.
Otro tipo de condensadores es el de plástico, que está fabricado con dos tiras
de poliéster metalizado en una cara y arrolladas entre sí. Este tipo de
condensador se emplea en circuitos que funcionaran a frecuencias bajas o
medias. Con este tipo de condensador se pueden conseguir capacitancias
capaces de soportar tensiones de hasta 1.000 V.
Y finalmente, existen condensadores electrolíticos, los cuales presentan la
mayor capacidad de todos para un determinado tamaño. Pueden ser de
aluminio o de tántalo. Los primeros están formados por una hoja de dicho
metal recubierta por una capa de óxido de aluminio que actúa como dieléctrico,
sobre el óxido hay una lámina de papel embebido en un líquido conductor
llamado electrolito y sobre ella una segunda lámina de aluminio. Son de
polaridad fija, es decir que solamente pueden funcionar si se les aplica la
tensión continua exterior con el positivo al ánodo correspondiente.
Éstos condensadores son usados aplicaciones de baja y media frecuencia.
Bobinas o Inductancias:
Otro de los elementos comunes en los circuitos eléctricos es el Inductor o
Bobina, el cual es considerado como un componente pasivo y que debido al
fenómeno de la “Autoinducción”, almacena energía en forma de campo
magnético. El inductor está constituido usualmente por una bobina de material
conductor, comúnmente alambre o hilo de cobre esmaltado.
La unidad de medida de la inductancia es el “henrio” (H), y los valores
utilizados para las distintas aplicaciones varían ampliamente.
Para calcular el valor de inductancia según la forma como fue construida se
utiliza la siguiente fórmula:
L ( m H) = (d2 * n2) / (18 d + 40 l)
L = Inductancia (en micro henrios)
d = diámetro de la bobina (en pulgadas)
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l = longitud de la bobina (en pulgadas)
n = número de espiras.
Así como en las Resistencias y los Condensadores, también es posible
agrupar las bobinas en arreglos en serie y paralelo.
Bobinas en serie
El cálculo del inductor o bobina equivalente de inductores en serie es muy
similar al método de cálculo del equivalente de resistencias en serie, sólo es
necesario sumarlas.
En donde la Leq se calcula de la siguiente manera:
Leq = L1 + L2 + L3 +.....+ LN
Siendo N el número de bobinas conectadas en Serie
Bobinas en paralelo
El cálculo de la bobina equivalente de varias bobinas en paralelo es similar al
cálculo que se hace cuando se trabaja con resistencias.
1/Leq = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 +.....+1/LN
Recuerde que Leq es la inductancia equivalente, hay que despejarla!
Donde N es el número de bobinas que se conectan en paralelo.
INSTRUMENTOS DE MEDIDA
El Multímetro
Es un elemento indispensable a la hora de realizar trabajos en el campo de la
electrónica; éste dispositivo permite realizar medidas de corriente, voltaje y
resistencia; algunos otros incluyen funciones adicionales como medición de
temperatura, capacitancia, frecuencia entre otras variables características de
los circuitos electrónicos.
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El Osciloscopio
El osciloscopio es un dispositivo de visualización gráfica que permite graficar
señales eléctricas variables en el tiempo. Imaginémonos un plano cartesiano
en donde el eje vertical Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal
X, representa el tiempo.
¿Qué se puede hacer con un osciloscopio?

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Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.
Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.
Determinar componentes de DC y AC en una señal.
Localizar averías en un circuito.
Medir la fase entre dos señales.
Tipos de osciloscopios
Los osciloscopios pueden ser de dos tipos: Analógicos y Digitales. Los
primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen
con variables discretas. Los primeros trabajan directamente con la señal
aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido
vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales
utilizan un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la
señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la
pantalla.
Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son
preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de
entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea
visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen
aleatoriamente).
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