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Tema 1. Electricidad

1. ELECTRICIDAD

Todos los cuerpos o materias que podemos encontrar en el universo, están constituidos por átomos;

éstos a su vez están compuestos por un núcleo, alrededor del cual, giran un número de pequeñas

partículas denominadas electrones. El núcleo está formado por dos clases de pequeñas partículas los

protones y los neutrones. Los electrones giran alrededor del núcleo unos en órbitas cercanas a él y

otros en órbitas más alejadas.

Los electrones tienen carga negativa

Los protones tienen carga positiva.

Los neutrones no tienen carga eléctrica.

En los materiales conductores de la electricidad, los electrones más alejados del núcleo, sometidos

a condiciones adecuadas, se desprenden con facilidad y pueden circular por el material. La corriente

eléctrica es un movimiento de electrones a través de un conductor. Para que se produzca esa corriente

de electrones, es necesario que algo los impulse. La máquina o dispositivo capaz de impulsar a los

electrones y con ello crear corriente eléctrica se denomina generador.

Corriente continua

La producen las baterías, las pilas y las dinamos. Entre los extremos se genera una Tensión constante

que no varía con el tiempo. También una Intensidad de Corriente constantes y siempre en circulando

en la misma dirección. (+ a - , sentido convencional)

Si tuviéramos que representar las señales eléctricas de la Tensión y la Intensidad en corriente continua

en una gráfica quedarían de la siguiente forma:

Aplicaciones: En general cualquier dispositivo electrónico o eléctrico que utilice pilas o baterías

(linterna, teléfono móvil, reproductor, relojes, juguetes, reproductores mp3, motores en dispositivos

robóticos o electromecánicos, etc).

Otros muchos dispositivos utilizan una fuente de alimentación para convertir la corriente alterna de la

red eléctrica (enchufes de casa) en corriente continua (ordenador, equipo de sonido, reproductor de

DVD, etc )

CORRIENTE ALTERNA

Este tipo de corriente es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales

eléctricas. La corriente que usamos en las viviendas en los enchufes es de este tipo.

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En este tipo de corriente, la intensidad varía con el tiempo (número de electrones) y además cambia

de sentido de circulación a razón de 50 veces por segundo (frecuencia 50 Hz). También la tensión

generada entre los dos bornes (polos) varía con el tiempo

en forma de onda senoidal (ver gráfica), por lo que no es

constante. Veamos como es la gráfica de la tensión en

corriente alterna.

Esta onda senoidal se genera 50 veces cada segundo, es

decir tiene una frecuencia de 50 Hz (hertzios), en EEUU

es de 60Hz. Como vemos pasa 2 veces por 0 V (voltios)

y 2 veces por la tensión máxima que es de 325V.

Además vemos como a los 10 ms (milisegundos) la

dirección cambia y se invierten los polos, ahora llega a

una tensión máxima de -325V (tensión negativa).

Esta onda se conoce como onda alterna senoidal y es la más común ya que es la que tenemos en

nuestras casas. La onda de la intensidad sería de igual forma pero con los valores de la intensidad

lógicamente, en lugar de los de la tensión.

Pero ¿Por qué se dice que que hay una tensión de 230V en los enchufe? . Como la tensión varía

constantemente se coge una tensión de referencia llamada Valor Eficaz. Este valor es el valor que

debería tener en corriente continua para que produjera el mismo efecto sobre un receptor en corriente

alterna. Es decir si conectamos un radiador eléctrico a 230V en corriente continua (siempre constante),

daría el mismo calor que si lo conectamos a una corriente alterna con tensión máxima de 325V

(tensión variable), en este caso diríamos que la tensión en alterna tiene una tensión de 230V, aunque

realmente no sea un valor fijo sino variable. Estaría mejor dicho que hay una tensión con valor eficaz

de 230V. Esto lo podemos ver en la gráfica.

Aplicaciones: En general se utiliza en la generación y distribución de corriente eléctrica porque tiene

menos pérdidas que la continua. La corriente que llega a nuestras casas es alterna que se puede utilizar

directamente. Esta la utilizamos para alumbrado y electrodomésticos como la plancha, licuadora,

secadores de pelo, calentadores, fluorescentes, etc.

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También en entorno industrial puesto que muchas máquinas utilizan motores de corriente alterna.

VALOR MEDIO, VALOR EFICAZ Y VALOR PICO A PICO

VALOR MEDIO

Se llama valor medio de una tensión (o corriente) alterna a la media aritmética de todos los valores

instantáneos de tensión ( o corriente), medidos en un cierto intervalo de tiempo.

En una corriente alterna sinusoidal, el valor medio durante un período es nulo: en efecto, los valores

positivos se compensan con los negativos.

Vm = 0

Por ello se calcula durante medio periodo, el valor medio es :

siendo V0 el valor máximo.

En casa (325 V) el valor medio es: 207 V

VALOR EFICAZ

Se llama valor eficaz de una corriente alterna, al valor que tendría una corriente continua que

produjera la misma potencia que dicha corriente alterna, al aplicarla sobre una misma resistencia.

Es decir, se conoce el valor máximo de una corriente alterna (I0).

Se aplica ésta sobre una cierta resistencia y se mide la potencia producida sobre ella.

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A continuación, se busca un valor de corriente continua que produzca la misma potencia sobre esa

misma resistencia. A este último valor, se le llama valor eficaz de la primera corriente (la alterna).

Para una señal sinusoidal, el valor eficaz de la tensión es:

En el ejemplo anterior ya hemos visto que sería 230 V.

VALOR PICO A PICO

Es la diferencia entre el pico máximo y el pico mínimo: Vpp = 2Vo

En el ejemplo anterior tendremos Vpp = 650 V

PERIODO Y FRECUENCIA

PERIODO. Es el tiempo que tarda un ciclo de la onda, es decir hasta que se vuelve a repetir. (Se mide

en segundos)

FRECUENCIA. Es el número de ondas por segundo. (se mide en Herzio, Hz)

Para diferenciarlos fijarse en la fuente de energía. Si es una pila será un circuito CC. Si es un

alternador es un circuito CA.

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2. LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS. COMPONENTES Y SIMBOLOGÍA

Un circuito eléctrico es el camino por el que los electrones

circulan entre los dos polos de un generador.

Las figura representa un circuito eléctrico cerrado como lo

vemos y cómo se representa con símbolos normalizados. La corriente

sale del polo positivo de la pila, atraviesa la lámpara (produciendo luz

y calor) y entra por el polo negativo, continuando así hasta que la pila

se agote o se interrumpa el circuito. Para que se haya circulación de

corriente (electrones) tiene que haber un circuito cerrado con la pila.

Casi siempre los circuitos eléctricos los representaremos, no como se ven realmente, sino

esquemáticamente (esquema eléctrico). Los símbolos más usuales son los siguientes:

SÍMBOLOS

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2.1 Componentes de los circuitos eléctricos:

a) GENERADORES ELÉCTRICOS

Los Generadores eléctricos son máquinas que producen energía eléctrica a partir de algún

otro tipo de energía. Los generadores producen una diferencia de potencial, que obliga a desplazarse

a los electrones a lo largo del circuito eléctrico (Los electrones salen del polo negativo atraídos por el

polo positivo).

Ejemplos: Dinamo (C.C.), batería y pila (C.C.), alternador o generador de corriente alterna

(C.A.).

b) CONDUCTORES Y ELEMENTOS DE CONEXIÓN

Transportan con facilidad la corriente. Su espesor depende de la intensidad de corriente que

vaya a pasar por ellos.

Ejemplos: Cable conductor, conexión de conductores, cruce de conductores

c) RECEPTORES

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Transforman la energía eléctrica en movimiento, luz, calor, etc. Según su potencia de uso,

necesitarán más o menos intensidad de corriente para funcionar.

Ejemplos: motor, lámpara, timbre, resistencia o electroimanes.

d) ELEMENTOS DE MANDO O MANIOBRA Y PROTECCIÓN

Los elementos de mando o maniobra son los que nos permiten poner en funcionamiento

los diferentes receptores.

Ejemplos: interruptores, conmutadores simples, conmutadores dobles, pulsadores, final de

carrera.

Interruptores

Es un elemento que nos permite conectar o desconectar permanentemente y a voluntad un

circuito eléctrico. Dispone de dos posiciones, en una permite el paso de la corriente eléctrica, mientras

que en la otra no permite su circulación. Solemos emplearlos para el encendido y apagado de una

lámpara desde un solo sitio. Dispone de dos cables uno de entrada y otro de salida, y una lámina

metálica que se queda anclada mediante un sistema mecánico.

Pulsadores

Dispone de dos cables uno de entrada y otro de salida, y una lámina

metálica que regresa a su posición inicial mediante un resorte. Es un

elemento que nos permite conectar o desconectar temporalmente y a voluntad

un circuito eléctrico. Dispone de una posición fija de reposo, y otra de trabajo

en la cual sólo se mantiene mientras estemos apretando, regresando

automáticamente a la de reposo por medio de un resorte. Dejan pasar la

corriente según el pulsador sea de conexión (deja pasar la corriente eléctrica

en posición de trabajo), o de desconexión (deja pasar la corriente eléctrica en

posición de reposo). Solemos emplearlos para el funcionamiento de timbres.

Conmutadores simples

Dispone de tres cables uno de entrada y dos de salida, y una

lámina metálica que se queda anclada mediante un sistema mecánico.

Al igual que los interruptores, es un elemento que nos permite conectar

o desconectar permanentemente y a voluntad un circuito eléctrico.

Dispone de dos posiciones, en una de ella deja pasar la corriente por un cable de salida, mientras que

en la otra deja pasar la corriente por el otro cable de salida, nunca permite el paso de la corriente

eléctrica por los dos cables de salida al mismo tiempo.

Se puede usar como interruptor eliminando una salida, pero esto sólo se hace en caso de

necesidad.

Recibe la corriente por un polo y la puede enviar en dos direcciones, así podemos hacer

funcionar un elemento u otro, por ejemplo, un motor o una bombilla:

Solemos emplearlo para el encendido y apagado de una lámpara desde dos sitios diferentes, este

circuito necesita para su funcionamiento dos conmutadores.

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Conmutadores dobles

Dispone de seis cables, dos de entrada y cuatro de salida, y dos láminas metálicas.

Por medio de él podemos cambiar la polaridad de un elemento receptor. En los motores se puede

utilizar para cambiar el sentido de giro.

Los elementos de protección protegen al circuito contra subidas de intensidad de corriente que podrían

quemar los conductores.

Ejemplo: fusibles, interruptores diferenciales, interruptores automáticos (Interruptor

General Automático, Pequeño Interruptor Automático, etc.)

3. Magnitudes fundamentales eléctricas.

Las principales magnitudes eléctricas son, resistencia, tensión, intensidad, potencia y energía.

RESISTENCIA

Se define así a la mayor o menor oposición que presenta un cuerpo al paso de la corriente

eléctrica, se representa por la letra R, y su unidad es el ohmio (Ω).

Un buen conductor debe presentar un valor de

resistencia bajo, mientras que en un aislante debe ser muy alto.

El ohmio suele ser una unidad pequeña, por lo que se suelen

usar múltiples, con equivalencias tal y como e ven en el cuadro

adjunto:

Múltiplos: 1 KΩ (Kilohmio) => 103 Ω (Ohmios)

1 MΩ (Megaohmio) => 106 Ω (Ohmios)

Para medir resistencias se usa el óhmetro, y se conecta

siempre en paralelo con la resistencia a medir.

R=120 Ω => Se lee: Resistencia igual a 120 ohmios.

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INTENSIDAD

Definimos como corriente eléctrica a la circulación de electrones, pero ésta es tan sumamente

pequeña que es imposible utilizarla como unidad. Por eso la unidad utilizada para la medición de la

carga eléctrica no es el electrón sino una unidad mucho mayor, el culombio que equivale a más de seis

trillones de electrones (1 culombio = 6,3 x 1018

electrones). Cuando por un conductor circula un

culombio en un segundo decimos que la intensidad de corriente es de un amperio. El amperio es la

unidad de intensidad. Para medir la intensidad se emplea un aparato llamado amperímetro.

Los amperímetros tienen dos bornes que permitan intercalarlos en el conductor cuya intensidad queremos

medir. El amperímetro siempre se conecta en serie, tal y como se indica en la figura

El amperio es a veces una unidad muy grande, pero otras veces es muy pequeña, por lo que se emplean

tanto múltiples como submúltiplos, con equivalencias tal y como se ven en el cuadro adjunto.

1 A (Amperio) = 109 NA (Nanoamperio)

Submúltiplos: 1 A (Amperio) = 106 μA (Microamperio)

1 A (Amperio) = 103 mA (Miliamperio)

Múltiplos: 1 KA (Kiloamperio)= l03 A (Amperio)

I=15 A => Se lee: Intensidad igual a 15 amperios.

TENSIÓN, VOLTAJE O DIFERENCIA DE POTENCIAL (d.d.p.)

Para conseguir que una corriente eléctrica circule por un conductor necesita algo que provoque el

movimiento de los electrones. Este "algo" es la diferencia de potencial, también llamada tensión o

voltaje, la cual es producida por el generador. Los generadores son los encargados de mantener esa

diferencia de potencial, y los más conocidos son las pilas, las baterías, las dinamos y los alternadores.

Para medir la tensión se utiliza un aparato denominado voltímetro.

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Voltímetro Circuito con voltímetro

Los voltímetros tienen dos bornes exteriores que le permiten conectarse al circuito, y se conecta

en paralelo, tal y como muestra la figura. Al igual que sucedía con el amperio, la tensión es a veces

una unidad muy grande, pero otras veces es muy pequeña, por lo que se emplean tanto múltiples como

submúltiplos, con equivalencias tal y como se ven en el cuadro adjunto.

1 V (Voltio) => 106 μV (Microvoltios)

Submúltiplos: 1 V (Voltio) => 103 mV (MiliVoltios)

Múltiplos: 1 Kv (Kilovoltio) => 1.000 V (Voltios)

1 Mv (Megavoltio) => 1.000.000 V (Voltios)

V=220 v => se lee: Tensión igual a 220 voltios.

3.1 LEY DE OHM.

El físico Ohm estableció experimentalmente la ley que lleva su nombre, definiéndose de la

siguiente manera: la intensidad que circula por un circuito es directamente proporcional a la tensión

aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia del circuito.

I => Intensidad => Amperios (A)

I = V / R V => Tensión => Voltios (V)

R => Resistencia => Ohmios (Ω)

Ejemplo 1: Determinar la intensidad que consume una lámpara de 25 Ω si se le aplica una tensión

de 200 V. Resultado => I = 8 A

Ejemplo 2: ¿Qué resistencia tendrá una estufa si al aplicarle 250 V circulan 5 A?. Resultado =>

R=50 Ω

Ejemplo 3: Una resistencia de 150 Ω consume 8 A, ¿qué tensión se le está aplicando?. Resultado

=> V = 1.2 Kv.

3.2. ACOPLAMIENTO DE RESISTENCIAS

En un circuito eléctrico las resistencias se pueden conectar en serie, en paralelo y en mixto, con

los mismos elementos y dependiendo del tipo de conexión los resultados serán diferentes.

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Acoplamiento en serie

Definimos un acoplamiento en serie aquel en que el final de

la primera resistencia está conectada con el principio de la

siguiente y así sucesivamente.

Las fórmulas de cálculo son las siguientes:

Rt = RI+R2+ … +Rn It = Vt / Rt

Ejemplo 9: Dos resistencias de 4 Ω y 6 Ω están conectadas en

serie y se le aplican 30 v, determinar

1º Resistencia total. Resultado => R= 10 Ω.

2º' Intensidad total. Resultado => I= 3 A.

Acoplamiento en paralelo

Definimos un acoplamiento en paralelo aquel en que todos los

principios de las resistencias están unidas por un lado y las salidas

por otro.

Las fórmulas de cálculo son las siguientes:

Rt = 1 . It =

Vt / Rt

(1 / R1) + (1 / R2) + … + (1 / Rn)

Ejemplo 10: Dos resistencias de 4 Ω y 6Ω están conectadas en paralelo y se le aplican 24 V,

determinar

1º Resistencia total. Resultado => R= 2,4 Ω.

2º Intensidad total. Resultado => I= 10 A.

Acoplamiento mixto

Un acoplamiento en mixto es aquel en que parte del circuito esta en serie y parte en paralelo. Las

formulas de calculo son mismas aplicadas en los acoplamientos de serie y paralelo, aplicándolas según

esté el circuito.

3.3 Resolución de circuitos (Análisis)

Resistencia Equivalente

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Características de los circuitos serie y paralelo

Serie Paralelo

Resistencia Aumenta al incorporar receptores Disminuye al incorporar receptores

Caída de

tensión

(Voltaje)

Cada receptor tiene la suya, que

aumenta con su resistencia.

La suma de todas las caídas es

igual a la tensión de la pila.

Es la misma para cada uno de los receptores, e

igual a la de la PILA.

Intensidad

Es la misma en todos los

receptores e igual a la general en

el circuito.

Cuantos más receptores, menor

será la corriente que circule.

Cada receptor es atravesado por una

corriente independiente, menor cuanto

mayor sea la resistencia.

La intensidad total es la suma de las

intensidades individuales. Será, pues, mayor

cuantos más receptores tengamos en el

circuito.

Cálculos

EJEMPLOS

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Link con circuitos mixtos resueltos. http://www.areatecnologia.com/Calculo-circuitos-mixtos.htm

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R2 // R3 = 1 / (1/20 + 1/60) = 15 Ω

Req = 30 + 15 = 45 Ω

It = Vs / Req = 45 / 45 = 1 A

V1 = It x R1 = 1 x 30 = 30 V

V2 = V3 (están en paralelo) = Vs - V1 = 45 - 30 = 15 V

I2 = V2 / R2 = 15 /20 = 0.75 A

I3 = V3 / R3 = 15 / 60 = 0.25 A

Divisor de Tensión

Suele ser frecuente en muchos circuitos, que algunos dispositivos funcionan con un valor de tensión

inferior al de alimentación o entrada (pila o fuente de alimentación), en ese caso, y si no queremos que

el dispositivo se estropee o vea limitadas sus horas de funcionamiento, hay que aplicar una tensión

inferior al mismo. Para ello utilizamos un divisor de tensión.

Básicamente, un divisor de tensión resistivo no es más que un par de resistencias puestas en serie, de

forma que la primera provoca una caída de tensión y por lo tanto, la tensión de salida se verá reducida

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Potenciómetros

Se trata de resistencias de valor variable; algunos potenciómetros tienen una palanca para que podamos

modificar su valor girándola. En otros su valor se modifica haciendo girar la pieza de dentro con un

destornillador.

Aquí tienes un potenciómetro con palanca y otro sin palanca. Siempre tienen tres terminales:

Como se trata de una resistencia, su valor se medirá en Ω o en kΩ.

Puedes entender cómo funciona el potenciómetro fijándote en estos circuitos. En el de la izquierda, el

potenciómetro está en su máximo valor, 10 kΩ, por lo que la bombilla no brilla. En cambio, en el de la

derecha hemos girado su palanca y hemos reducido su valor hasta 0 Ω, por lo que la bombilla brilla.

LDR

LDR son las siglas en inglés de light dependant resistor (resistencia que varía con la luz). En español el

nombre más correcto de estos componentes es fotorresistencias o fotorresistores, pero casi siempre vas

a ver que los llaman LDR.

Son resistencias también variables como los potenciómetros, pero tienen la propiedad de que su valor

varía en función de la luz que reciben. Cuando no reciben luz, tienen una gran resistencia; en cambio si

reciben mucha luz su resistencia baja y dejan pasar la corriente.

Su valor se medirá igualmente en Ω o kΩ, como cualquier resistencia.

En el circuito de la izquierda, a la LDR la está enfocando la luz por lo que su valor ha bajado a 400 Ω.

Deja pasar la corriente, aunque no demasiada porque 400 Ω sigue siendo un valor alto, y la bombilla

brilla.

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Sin embargo a la derecha, al no enfocar la luz la LDR tiene un valor muy alto, de 1 MW (un millón de

ohmios), por lo que la corriente en el circuito es muy baja y la bombilla permanece apagada.

Termistores

Se trata nuevamente de resistencias de valor variable. En esta ocasión, varían con la temperatura.

Existen dos tipos:

· los NTC (negative temperature coefficient), cuya resistencia disminuye con la temperatura.

· Los PTC (positive temperature coefficient), cuya resistencia aumenta con la temperatura.

Este es el aspecto que presentan los termistores. A simple vista no se puede distinguir los NTC de los

PTC. En la foto de la derecha, la regla de arriba es para que se aprecie lo pequeños que son:

Estos son los símbolos de los termistores. A veces se escribe en ellos +T o -T. +T querría decir que se

trata de un PTC y -T que se trata de un NTC.

Naturalmente, su valor se mide en Ω o kΩ.

Los anteriores dibujos explican el funcionamiento del termistor. En el circuito de la izquierda la

temperatura es alta y en el de la derecha es baja. El termistor presenta un valor de 82,2 W a 40 ºC y de

1398 W a -20ºC, por lo que se trata de un NTC.

Con altas temperaturas, la bombilla enciende por el bajo valor de la resistencia; en cambio a baja

temperatura la bombilla deja de brillar.

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Diodos

Se trata de componentes semiconductores que dejan pasar la corriente en un sentido y la bloquean

en el otro sentido. Sur terminales se llaman cátodo (negativo) y ánodo (positivo).

Y así se representan. La flecha es el polo positivo del diodo y la barra el polo negativo:

Veamos el funcionamiento del diodo con un par de ejemplos:

Cuando el diodo está polarizado directamente tiene un voltaje de unos 0.6 V.

En la imagen de la izquierda el diodo está conectado en polarización directa, es decir, el polo positivo

del diodo va unido al positivo de la pila (y el negativo al negativo). En ese caso el diodo conduce y la

bombilla se enciende.

En cambio en la derecha el diodo está en polarización inversa, es decir, el polo positivo del diodo va

unido al negativo de la pila (y por lo tanto el negativo va al positivo). En ese caso el diodo corta la

corriente y la bombilla se queda apagada.

Diodo Led

Los diodos que estamos más acostumbrados a ver son los LED (light emitter diode). Los LED emiten

luz cuando se encuentran en polarización directa; una de sus funciones más típicas es avisar de que un

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aparato electrónico está encendido: las lucecitas de colores de los televisores, ordenadores, DVDs, etc.,

son diodos LED.

Igual que el anterior tiene que estar polarizado directamente para que conduzca y de esta forma emitir

luz. Siempre se conecta con una resistencia en serie como protección (son tipicos valores de 220Ω -

330Ω) ya que trabaja bajo unas condiciones de voltaje y corriente concretas proprocionadas por el

fabricante. (aproximadamente entre Vd= 1.8 y 2.5 V) ; Id = 20 y 25 mA)