I.E.S. HIMILCE LINARES - Departamento de Electricidad-Electrónica Profesor José María Hurtado Torres
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Electrónica I.E.S. HIMILCE – LINARES - Departamento de Electricidad-Electrónica Profesor: José María Hurtado Torres TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Resistencias para circuitos eléctricos y electrónicos. Dado que la resistencia ofrece cierta dificultad al paso de la corriente, el uso de las resistencias en los circuitos eléctricos, nos permite controlar y fijar al valor deseado de la corriente eléctrica y de la tensión (d.d.p.) existente en ellos. Las resistencias utilizadas en los circuitos pueden clasificar por su técnica de fabricación, por su potencia de disipación y por su valor. La resistencias no pueden fabricarse con valores exactos. La tolerancia indicada por el fabricante nos indica el margen de error cometido en la fabricación. Podemos encontrarnos resistencias con tolerancias desde el +/0,5% para las más precisas, hasta del +/- 20% La potencia de una resistencia determina su capacidad para evacuar o disipar el calor que se produce en ellas. En el mercado podemos encontrar resistencia entre ¼ W y 2000 W. TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Resistencias fijas Pueden ser de carbón, película de carbón, película metálica y óxido de metal, siendo las de película de carbón y metálica las más usadas. Se fabrican en diversos tamaños, según la potencia que deban soportar (1/8w, 1/4w, 1/2w, 1w y 2w). Sus tolerancias pueden ser del 0.5%, 1%, 2%, 5%, 10% y 20%. Las más usadas son las del 5% y 10% de tolerancia. Resistencias fijas bobinadas-cementadas Al igual que las anteriores, están constituidas por una bobina de hilo resistivo sobre un soporte, pero además tienen un recubrimiento cerámico que las dota de una mayor disipación de calor y por lo tanto una mayor potencia soportada (4w a 17w). Cuando se requieren mayores potencias de disipación se utilizan con encapsulado metálico. TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Identificación del valor de las resistencias (código de colores) La aplicación del código de colores es sencilla; supongamos que una resistencia tiene los siguientes colores: Rojo, Amarillo, Naranja y Oro. Puesto que la lectura siempre hay que realizarla de izquierda a derecha, nuestra resistencia tendrá un valor de 24.000 Ohmios y una tolerancia del 5%. La tolerancia indica la flutuación que puede sufrir el valor nominal de la resistencia. Por ejemplo, nuestra resistencia, al tener una tolerancia del 5% según el fabricante, su valor real estará comprendido entre 24.000 + 5% y 24.000 – 5%, esto es, entre 25.200 ohmios y 22.800 ohmios. TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Resistencias SMD Las resistencias SMD o de montaje en superficie, ejercen la misma función que las tradicionales resistencias, pero su tamaño es minúsculo, adecuado para montar circuitos mucho más pequeños, con el mismo comportamiento, pero con el correspondiente ahorro de espacio. Formas de indicación del valor TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Resistencias Variables Se componen de un material resistivo de carbón o de hilo, sobre la que se desplaza un cursor, permitiendo así modificar el valor de la resistencia entre uno de los extremos y el propio cursor. Material resistivo Terminal (1) Terminal (2) Cursor (3) SÍMBOLO ELÉCTRICO La regulación de la resistencia nos permite variar la tensión de la lámpara entre un máximo y un mínimo. El resultado es una regulación de la luminosidad. Según se construya la resistencia, el valor ofrecido en la regulación puede ser lineal o logarítmico. Estos últimos se utilizan en sonido para el control del volumen. TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Resistencias Variables Resistencias ajustables Resistencias ajustables multivuelta Material resistivo Terminal (1) Terminal (2) Cursor (3) Potenciómetros TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Resistencias variables dependientes Fotoresistencias (LDR) Termoresistencias (NTC y PTC) Varistores (VDR) Son resistencias sensibles a la luz. Varían su valor proporcionalmente a la luz recibida. Son muy utilizadas como sensores de luz en alarmas, domótica, etc.. Son resistencias cuyo valor varía en función de la temperatura. Se utilizan como sensores de Tª en termostatos, termómetros y cualquier dispositivo que requiera un control de temperatura. Hay 2 tipos; NTC con respuesta negativa y PTC con respuesta positiva. Son resistencias que varían en función del voltaje al que se ven sometidas. Se usan en circuitos que precisan una auto-regulación o protección contra sobre-tensiones. TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Medida de Resistencia eléctrica con el Polímetro Los pasos que hay que seguir para realizar la medida de resistencia son: 1. Asegurarse de que la resistencia a medir no tenga tensión para evitar dañar el polímetro. Si la resistencia a medir se encuentra montada en un circuito, hay que desconectar al menos uno de los terminales para evitar obtener lecturas erróneas. 2. Sitúe la punta de prueba negra en el borne COM del polímetro, y la punta de prueba roja en el borne VΩHz. 3. Unir las puntas de prueba para asegurarnos de que el polímetro y las puntas de prueba están en perfecto estado. Debemos obtener una lectura igual a “0” o muy próxima dado que las puntas de prueba ofrecen resistencia.. 4. Situar el conmutador de funciones en cualquiera de los rangos destinados para la medida de resistencia. Normalmente se indican col el símbolo (Ω). 5. Conectar las puntas de prueba en paralelo a los terminales de la resistencia. Si la pantalla del polímetro marca “1” elegir un rango superior, hasta conseguir una lectura precisa. Para realizar una medida exacta, deberemos utilizar siempre el menor rango posible. MUY IMPORTANTE: No conecte nunca el polímetro a una resistencia que tenga tensión. Nunca debe tocar las puntas de prueba con los dedos. La resistencia a medir quedaría en paralelo con la que ofrece nuestro cuerpo, y provocaríamos un error en la medida. Incorrecto TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación de resistencias en Serie. Conexión serie: Propiedades eléctricas de los circuitos serie: VR1 VR2 VR3 VRN RTOTAL = R1 + R2+ R3 + .....+ RN R1 R2 R3 Rn ITOTAL = IR1 = IR2 = IR3 = .........= IRN IR1 IR2 IR3 IRN ITOTAL + A ITOTAL - vCC B Vcc = VR1 + VR2 + VR3 = .....+ VRN Pcc = PR1 + PR2 + PR3 + .....+ VRN TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación de resistencias en Serie. 150 Ω 22 KΩ 4,7 KΩ R1 R2 R3 12 V + - vCC RTOTAL = R1 + R2+ R3 + .....+ RN ITOTAL = IR1 = IR2 = IR3 = .........= IRN Vcc = VR1 + VR2 + VR3 = .....+ VRN Pcc = PR1 + PR2 + PR3 + .....+ VRN RTOTAL = R1 + R2+ R3 = 150 Ω + 4700 Ω + 22000 Ω = 26.850 Ω ITOTAL = 𝐕𝐕𝐕𝐕𝐕𝐕 𝐑𝐑𝐑𝐑 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 Ω = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐀𝐀 = 𝟎𝟎, 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒 𝐦𝐦𝐦𝐦 ITOTAL = IR1 = IR2 = IR3 = 0,447 mA PTOTAL = VTOTAL ∙ ITOTAL = 12 V ∙ 0,000447 A = 0,00536 W VR1 = IR1∙ R1 =0,000447 A ∙ 150 Ω = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐕𝐕 VR2 = IR2∙ R2 =0,000447 A ∙ 22000 Ω = 𝟗𝟗, 𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐕𝐕 VR3 = IR3∙ R3 =0,000447 A ∙ 4700 Ω = 𝟐𝟐, 𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐕𝐕 PR1 = VR1 ∙ IR1 = 0,067 V ∙ 0,000447 A = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐖𝐖 PR2 = VR2 ∙ IR2 = 9,83 V ∙ 0,000447 A = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐖𝐖 PR3 = VR3 ∙ IR3 = 2,10 V ∙ 0,000447 A = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐖𝐖 TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación de resistencias en Serie. TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación de resistencias en Paralelo. Conexión paralelo: Propiedades eléctricas de los circuitos paralelo: RTOTAL = B VR3 VRN Rn VR2 IRN R3 VR1 R2 ITOTAL R1 A IR3 IR2 IR1 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 + + +⋯+ 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 ITOTAL = IR1 + IR2 + IR3 = .....+ IRN VTOTAL = VR1 = VR2 = VR3 = ...= VRN ITOTAL Pcc = PR1 + PR2 + PR3 + .....+ VRN TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación de resistencias en Paralelo. RTOTAL = 1/(1/R1 + 1/R2+ 1/R3 ) = 144,40 Ω - 22 KΩ 4,7 KΩ 12v R3 150 Ω R2 vCC R1 + ITOTAL = 𝐕𝐕𝐕𝐕𝐕𝐕 𝐑𝐑𝐑𝐑 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏,𝟒𝟒 Ω = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐀𝐀 = 𝟖𝟖𝟖𝟖, 𝟏𝟏 𝐦𝐦𝐦𝐦 VTOTAL = VR1 = VR2 = VR3 = 12 V PTOTAL = VTOTAL ∙ ITOTAL = 12 V ∙ 0,0831 A = 0,9972 W IR1 = RTOTAL = 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 + + +⋯+ 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 ITOTAL = IR1 + IR2 + IR3 = .....+ IRN VTOTAL = VR1 = VR2 = VR3 = ...= VRN Pcc = PR1 + PR2 + PR3 + .....+ VRN IR2 = IR3 = 𝐕𝐕𝑹𝑹𝑹𝑹 𝐑𝐑𝐑𝐑 = 𝐕𝐕𝑹𝑹𝑹𝑹 𝐑𝐑𝟑𝟑 = 𝐕𝐕𝑹𝑹𝑹𝑹 𝐑𝐑𝟐𝟐 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 Ω = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐀𝐀 = 𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐦𝐦𝐦𝐦 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 Ω 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒 Ω = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐀𝐀 = 𝟎𝟎, 𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓 𝐦𝐦𝐦𝐦 = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐀𝐀 = 𝟐𝟐, 𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓𝟓 𝐦𝐦𝐦𝐦 PR1 = VR1 ∙ IR1 = 12 V ∙ 0,08 A = 𝟎𝟎, 𝟗𝟗𝟗𝟗 𝐖𝐖 PR2 = VR2 ∙ IR2 = 12 V ∙ 0,000545 A = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐖𝐖 PR3 = VR3 ∙ IR3 = 12 V ∙ 0,002553 A = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐖𝐖 TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación mixta de resistencias. Conexión MIXTA: Propiedades eléctricas de los circuitos mixtos: Se cumplen las propiedades de los circuitos serie y paralelo. Propiedades de los circuitos serie RTOTAL = R1 + R2+ R3 + .....+ RN ITOTAL = IR1 = IR2 = IR3 = .........= IRN Propiedades de los circuitos paralelo RTOTAL = 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 𝟏𝟏 + + +⋯+ 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 𝐑𝐑𝐑𝐑 ITOTAL = IR1 + IR2 + IR3 = .....+ IRN Vcc = VR1 + VR2 + VR3 = .....+ VRN VTOTAL = VR1 = VR2 = VR3 = ...= VRN Pcc = PR1 + PR2 + PR3 + .....+ VRN Pcc = PR1 + PR2 + PR3 + .....+ VRN TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación mixta de resistencias. EJEMPLO: 22 KΩ 150 Ω 4,7 KΩ CALCULOS: R12 = R2 // R3 = (22000Ω∙4700Ω) / (22000Ω+4700Ω) = 3872,66 Ω RAB = R1 + R12 = 150 Ω + 3872,66 Ω = 4022,66 Ω TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación mixta de resistencias. 22 KΩ 150 Ω 4,7 KΩ CALCULOS: ITOTAL = VCC / RAB = 12 v / 4022,66 Ω = 0,0029831 A = 2,983 mA IR1 = IR12 = ITOTAL = 2,983 mA TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación mixta de resistencias. 22 KΩ 150 Ω 4,7 KΩ CALCULOS: VR1 = IR1 ∙ RR1 = 0,002983 A ∙ 150 Ω = 0,4474 V = 447,5 mV VR2 = VR3 = VCC – VR1 = 12 V – 0,4474 V = 11,552 V IR2 = VR2 / R2 = 11,552 V / 22000 Ω = 0,0005225 A = 0,522 mA IR3 = VR3 / RR3 = 11,552 V / 4700 Ω = 0,002457 A = 2,457 mA TEMA 6. Componentes pasivos. Resistencias. Asociación mixta de resistencias. TEMA 6. Componentes pasivos. Condensadores. Constitución de un condensador. Los condensadores son componentes pasivos, cuya finalidad es la acumulación de carga eléctrica. Constan de dos armaduras metálicas enfrentadas, separadas por un material aislante, llamado «dieléctrico». El material dieléctrico puede ser el aire, papel, cerámica, mica, etc. Funcionamiento de un condensador. Al conectar una batería (CC) a sus armaduras, los electrones acumulados en el polo negativo de la batería se desplazan hacia la armadura A, provocando una acumulación de cargas positivas por inducción electrostática en la cara interna de la armadura B. Por otro lado, los electrones acumulados en la cara externa de la armadura B, se desplazarán hacia el polo positivo de la batería, provocando así la carga del condensador. Este movimiento de carga cesará cuando la diferencia de potencial (d.d.p.) en las armaduras del condensador sea igual a la tensión presente en la batería. Dicha carga quedará presente aunque desconectemos la batería. Si en lugar de conectar una batería, conectamos al condensador una fuente de corriente alterna (AC), el condensador se carga mientras aumenta la tensión entre sus armaduras, y se descarga cuando la tensión acumulada es superior a la aplicada. Así pues, el condensador se carga y se descarga en cada mitad de ciclo. TEMA 6. Componentes pasivos. Condensadores. Capacidad de un condensador La capacidad de un condensador se mide en Faradios (F). Dicha capacidad depende de las características constructivas del condensador. Por ejemplo, para un condensador plano, con unas armaduras con una superficie «S», separadas a una distancia «d», la capacidad del condensador vendrá dada por la expresión: Dieléctrico (ԑ) Donde: S d 𝑆𝑆 𝐶𝐶 = 𝜖𝜖𝑟𝑟 ∙ 𝜀𝜀0∙ 𝑑𝑑 C = Capacidad, en Faradios. ԑr = Constante dieléctrica del material dieléctrico. 1 ԑ0 = Constante dieléctrica del vacio = 4∙𝜋𝜋∙9∙109 𝐹𝐹 ∙ 𝑚𝑚−1 S = Superficie de las armaduras, en m2. d = Distancia entre armaduras, en metros. Constante dieléctrica de algunos materiales aislantes. TEMA 6. Componentes pasivos. Condensadores. Capacidad de carga de un condensador La capacidad de almacenar carga eléctrica que tiene un condensador, depende lógicamente de su capacidad expresada en faradios, pero también de la tensión aplicada entre sus armaduras. Si aplicamos una tensión (V) a un condensador de capacidad (C), la carga eléctrica (Q) acumulada en dicho condensador será: 𝑸𝑸 = 𝑪𝑪 ∙ 𝑽𝑽 Donde: Q = Carga acumulada, en Culombios. C = Capacidad del condensador, en Faradios. V = Tensión entre las armaduras, en Voltios. Carga y Descarga del condensador Si realizamos la carga y descarga de un condensador a través de una resistencia, la carga o descarga no serán instantáneas. El tiempo necesario para la carga o descarga del condensador vendrá dado por los valores del condensador y de la resistencia. Se conoce como constante de tiempo (𝝉𝝉), al tiempo que invierte el condensador en adquirir el 63% de la carga total. La carga y la descarga total se produce trascurrido un tiempo equivalente a 5𝝉𝝉. 𝝉𝝉 = 𝑹𝑹 ∙ 𝑪𝑪 𝟓𝟓𝟓𝟓 = 𝟓𝟓 ∙ 𝑹𝑹 ∙ 𝑪𝑪 TEMA 6. Componentes pasivos. Condensadores. Asociación de condensadores. 𝑰𝑰𝑻𝑻 = 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐶 = 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐶 = ⋯ = 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝑇𝑇 = 𝑽𝑽𝑻𝑻 = 𝑉𝑉𝐶𝐶𝐶 + 𝑉𝑉𝐶𝐶𝐶 + ⋯ + 𝑉𝑉𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑸𝑸𝑻𝑻 = 𝑄𝑄𝐶𝐶𝐶 = 𝑄𝑄𝐶𝐶𝐶 = ⋯ = 𝑄𝑄𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑽𝑽𝑪𝑪𝑪𝑪 = 𝑄𝑄𝑇𝑇 𝐶𝐶𝐶 , 𝑽𝑽𝑪𝑪𝑪𝑪 = 𝑄𝑄𝑇𝑇 𝐶𝐶𝐶 , 𝑽𝑽𝑪𝑪𝑪𝑪 = 1 1 1 1 + + ⋯+ 𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑸𝑸𝑻𝑻 = 𝑪𝑪𝑻𝑻 ∙ 𝑽𝑽𝑻𝑻 𝑄𝑄𝑇𝑇 𝐶𝐶𝐶 𝑰𝑰𝑻𝑻 = 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐶 + 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐶 + ⋯ + 𝐼𝐼𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑽𝑽𝑻𝑻 = 𝑉𝑉𝐶𝐶𝐶 = 𝑉𝑉𝐶𝐶𝐶 = ⋯ = 𝑉𝑉𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑸𝑸𝑻𝑻 = 𝑄𝑄𝐶𝐶𝐶 + 𝑄𝑄𝐶𝐶𝐶 + ⋯ + 𝑄𝑄𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑪𝑪𝑻𝑻 = 𝐶𝐶1 + 𝐶𝐶2 + … + 𝐶𝐶𝑛𝑛 𝑸𝑸𝑻𝑻 = 𝑪𝑪𝑻𝑻 ∙ 𝑽𝑽𝑻𝑻 TEMA 6. Componentes pasivos. Condensadores. Especificaciones técnicas de los condensadores Capacidad nominal: El valor expresado por el fabricante a una frecuencia de trabajo (Hz) y a temperatura ambiente (20ºC). Tensión de perforación del dieléctrico (Vp): Tensión máxima que puede soportar un condensador sin que se destruya su dieléctrico. Tensión de trabajo nominal (Vn): Tensión a la que puede funcionar un condensador de forma permanente sin destruirse. Esta tensión suele indicarse en el cuerpo del componente. Coeficiente de temperatura (Tc): Expresa la variación que capacidad que puede sufrir un condensador con la temperatura. Este coeficiente puede ser positivo o negativo dependiendo del tipo de condensador. En la mayoría de los condensadores dicho coeficiente es negativo. Tolerancia (%): Nos indica el % de error permitido sobre el valor indicado por el fabricante. Los porcentajes más comunes son del 5%, 10% y 20%. Precauciones en el uso de condensadores: Evitar su exposición a fuentes de calor (resistencias, transformadores, etc.). No dañar el encapsulado del condensador. No someter el condensador a sobretensiones, ni alcanzar la tensión máxima de trabajo. No almacenar los condensadores con carga. Evitar la descarga instantánea del condensador mediante cortocircuitos. Conectar siempre una resistencia entre los terminales para provocar la descarga del condensador. TEMA 6. Componentes pasivos. Condensadores. Tipos de condensadores Los condensadores, al igual que las resistencias, pueden ser fijos o variables. Existe una gran variedad de condensadores según el tipo de dieléctrico con el que se fabrican, los más utilizados son: Condensadores de papel. Condensadores cerámicos. Condensadores de mica. Condensadores de poliéster. Condensadores de poliestireno o styroflex. Condensadores de policarbonato. Condensadores de polipropileno. Condensadores electrolíticos de aluminio. Condensadores electrolíticos de tantalio. Condensadores variables de aire. Electrolíticos de tántalo Electrolítico de aluminio Condensadores SMD cerámicos Condensadores de plástico Condensadores de poliéster Styroflex Condensadores variables TEMA 6. Componentes pasivos. Condensadores. Lectura de condensadores TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Bobinas o Inductores. Las bobinas son elementos fabricados con conductores eléctricos aislados, que al ser recorridos por una corriente eléctrica, desarrollan campos magnéticos. Su funcionamiento se basa en los principios del electromagnetismo. Cuando un conductor es atravesado por una corriente eléctrica, a su alrededor aparece un campo magnético que toma la forma de círculos concéntricos que se cierran a lo largo de todo el conductor. Dicho campo magnético se puede potenciar disponiendo el conductor en forma de anillo (espiras) constituyendo lo que conocemos por «bobina», «inductor» o «selenoide». Esto sucede por que el campo magnético de cada espira se suma al de la siguiente, concentrándose éste en el centro de la misma. El campo resultante es uniforme y mucho más intenso que en el exterior, y formándose en los extremos de la bobina polos magnéticos. También podemos intensificar dicho campo magnético dotando a la bobina con un núcleo de material ferromagnético (hierro, acero, etc.). En las bobinas, la densidad del campo magnético depende de varios factores: 𝑁𝑁 ∙ 𝐼𝐼 𝐵𝐵 = 𝜇𝜇 𝐿𝐿 B = Densidad de flujo magnético, en Teslas (T). µ = Permeabilidad magnética del núcleo, en Henrios/metro (H/m) I = Intensidad de corriente, en Amperios (A). N = Número de espiras de la bobina. L = longitud de la bobina, en metros. TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Aplicaciones de las bobinas. TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Electromagnetismo. Generación de electricidad. En 1861, el físico James Clerk Maxwell demostraba que los fenómenos eléctricos y magnéticos estaban relacionados, y que en realidad los campos eléctricos y los campos magnéticos eran manifestaciones de un solo campo electromagnético. Esta teoría quedó plasmada en una serie de ecuaciones, conocidas como «ecuaciones de Maxwell», que revolucionaron la ciencia de la época y sentaron las bases y los principios del «Electromagnetismo». Gracias a estos principios se demostró la naturaleza de la luz como onda electromagnética, Nikola Tesla desarrollo el generador de corriente alterna, Einstein desarrollo la teoría de la relatividad, etc. James C. Maxwell Según los principios del electromagnetismo, la electricidad y el magnetismo son fenómenos reversibles, es decir, al igual que podemos producir campos magnéticos con la electricidad, también podemos generar electricidad mediante campos magnéticos. Para esto, basta mover un conductor dentro de un campo magnético para obtener una f.e.m. en los extremos del conductor. Dicha electricidad se hará presente mientras el conductor este en movimiento cortando las líneas de fuerza del campo, si el conductor no se mueve la electricidad desaparece. Esto nos permite construir dispositivos generadores de electricidad como son los alternadores y las dinamos. Alternador elemental: Al mover el conductor en el campo magnético del imán, se genera f.e.m. alterna. TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Inducción electromagnética. Los campos magnéticos variables que desarrollan los conductores cuando son recorridos por corrientes variables, pueden inducir f.e.m. en otros conductores que se encuentran en su proximidad. A este fenómeno se le conoce como inducción electromagnética. Si realizamos el experimento de la figura, observaremos que al cerrar el interruptor, el galvanómetro registra el paso de corriente eléctrica por la bobina B sólo durante un corto periodo de tiempo. Lo mismo sucederá si abrimos el interruptor, sólo que en este caso la corriente detectada por el galvanómetro irá en sentido contrario. La corriente observada en la bobina B se produce como consecuencia de que el conductor de esta bobina se ve sometido a la acción del campo magnético variable de la bobina A. El fenómeno sólo ocurre en los instantes de cierre y apertura del interruptor, justo cuando la corriente se establece y desaparece por el circuito de la bobina A. Si sustituimos la batería por un generador de corriente alterna (AC), se creará un campo magnético variable en la bobina A, que inducirá f.e.m. en la bobina B por inducción electromagnética. En el galvanómetro, observaremos el paso de una corriente variable permanente, y la aguja se desplazará en ambos sentidos de manera continuada. Si aumentamos o disminuimos el número de espiras en la bobina B, la f.e.m. inducida podrá ser mayor o menor respectivamente. En este principio se basa el funcionamiento de los transformadores. TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Aplicaciones de la Inducción electromagnética. Los transformadores poseen dos bobinados acoplados mediante un núcleo magnético común, formado normalmente por chapas metálicas apiladas. Al conectar a el bobinado primario de (N1) espiras a una tensión alterna (V1), se produce en el núcleo un flujo magnético variable (ϕ), que corta a los conductores del bobinado secundario, por lo que se induce en él una fuerza electromotriz (V2) cuyo valor dependerá de su número de espiras (N2). En un transformador se cumple la siguiente relación de transformación (m) : 𝒎𝒎 = Alternador trifásico Pinza amperimétrica Fundición por inducción 𝑵𝑵𝟏𝟏 𝑽𝑽𝟏𝟏 𝑰𝑰𝟐𝟐 = = 𝑵𝑵𝟐𝟐 𝑽𝑽𝟐𝟐 𝑰𝑰𝟏𝟏 Emisión y Recepción Radio, TV, etc. TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Autoinducción en las bobinas. Llamamos Autoinducción de una bobina a la capacidad de tiene la bobina de inducirse a sí misma f.e.m. Efectivamente, cuando circula una corriente variable por una bobina, ésta genera un campo magnético variable que corta a los conductores de la propia bobina, originando en ellos una f.e.m. inducida llamada f.e.m. de autoinducción, y que según la Ley de Lenz, será de sentido contrario y se opondrá a la f.e.m. que la produjo. La f.em. de autoinducción provoca ciertos fenómenos en los circuitos con bobinas, que hace que éstas se comporten en cierto modo como un volante de inercia magnética: Al cerrar el interruptor, la corriente tiende a aumentar desde cero hasta el valor nominal en un tiempo muy corto. Esta variación de corriente provoca en la bobina una f.e.m. de autoinducción de sentido contrario al de la batería, que se opone al establecimiento del flujo magnético, provocando que la intensidad se retrase respecto a la tensión. Cuando la intensidad se estabiliza, la f.e.m. inducida desaparece y el flujo magnético se estabiliza, quedando la bobina cargada de energía magnética. Al abrir el interruptor, el flujo magnético tiende a desaparecer, lo que origina una f.e.m. de autoinducción que en este caso es de igual sentido que el de la batería. Dicha f.e.m. se suma a la tensión de la batería, impidiendo que el flujo magnético ni la corriente desaparezcan (la bobina devuelve la energía acumulada). La tensión que aparece en los contactos del interruptor se hace tan grande que puede provocar una chispa de ruptura entre los contactos, disminuyendo la vida útil del interruptor. TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Coeficiente de Autoinducción de las bobinas. La f.e.m. de autoinducción de una bobina depende de la rapidez con que cambia el flujo magnético, y de la capacidad de la propia bobina para generar dicho flujo. ∆𝚽𝚽 ∆𝑰𝑰 𝒇𝒇. 𝒆𝒆. 𝒎𝒎. 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = = 𝑳𝑳 ∆𝒕𝒕 ∆𝒕𝒕 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑳𝑳 = 𝑐𝑐𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎, 𝒆𝒆𝒆𝒆 𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉𝒉 𝑯𝑯 . Ejemplo: El valor de la f.e.m. de autoinducción que desarrollará una bobina con un coeficiente de autoinducción de 200 mH, si se le aplica una corriente creciente desde 0 hasta 10 A en un tiempo de 0,001 segundos será: 𝒇𝒇. 𝒆𝒆. 𝒎𝒎. 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝐿𝐿 ∆𝛷𝛷 10 𝐴𝐴 = 0,2 𝐻𝐻 ∙ = 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 𝑽𝑽 ∆𝑡𝑡 0,001 𝑠𝑠 El coeficiente de autoinducción de una bobina es la relación entre el flujo magnético generado por la bobina y la intensidad de corriente que ha sido necesaria aplicar. Su valor depende de las características de la bobina. 𝜱𝜱 𝑳𝑳 = 𝑵𝑵 𝑰𝑰 L = Coeficiente de autoinducción, en Henrios (H). µr = Permeabilidad del núcleo, en Henrios/metro (H/m). µr = Permeabilidad del vacío (4𝜋𝜋10−7 ). N = Número de espiras de la bobina. l = longitud de la bobina, en metros. S = Sección de la bobina (m2) 𝑁𝑁 2 ∙ 𝑆𝑆 𝑳𝑳 = 𝜇𝜇𝑜𝑜 ∙ 𝜇𝜇𝑟𝑟 ∙ 𝑙𝑙 Bobina con núcleo de aire 𝑁𝑁 2 ∙ 𝑆𝑆 𝑳𝑳 = 𝜇𝜇𝑜𝑜 ∙ 𝑙𝑙 Bobina con núcleo de hierro TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Comportamiento de las bobinas en CC y AC. En corriente continua (CC) una bobina se comporta como una resistencia cuyo valor RL dependerá del propio conductor. En régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar el circuito de la bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente, retrasándola respecto de la tensión debido a la f.e.m. de autoinducción. En corriente alterna (AC) una bobina ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el nombre de reactancia inductiva (XL), cuyo valor depende la pulsación (ω) de la corriente alterna aplicada y de la propia inductancia (L) de la bobina. La unidad de reactancia inductiva es el ohmio (Ω). 𝑿𝑿𝑳𝑳 = 𝜔𝜔 ∙ 𝐿𝐿 = 2𝜋𝜋𝜋𝜋 ∙ 𝐿𝐿 Asociación Serie y Paralelo de bobinas. Serie Paralelo 𝑳𝑳𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻 = 𝐿𝐿1 + 𝐿𝐿2 + ⋯ + 𝐿𝐿𝑛𝑛 𝑳𝑳𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻𝑻 = 1 1 1 1 + + ⋯+ 𝐿𝐿1 𝐿𝐿2 𝐿𝐿𝑛𝑛 TEMA 6. Componentes pasivos. Bobinas. Bobinas: Tipos y Aplicaciones. Las aplicaciones de las bobinas son tan extensas que prácticamente esta presente en cualquier aparato electrodoméstico (TV, radio, etc.). En el mercado existe una gran variedad construidas con formas y materiales distintos, según sea su aplicación. En la siguiente tabla indicamos algunas de estas:
