Free Electricidad: Circuitos Eléctricos

¿Qué es la Electricidad?

Es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica. La electricidad es una forma de energía tan versátil que tiene un sinnúmero de aplicaciones, por ejemplo: transporte, climatización, iluminación y computación.

La electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos y propiedades físicas:

Carga eléctrica:

Una propiedad de algunas partículas subatómicas, que determina su interacción electromagnética. La materia eléctricamente cargada produce y es influida por los campos electromagnéticos.

Corriente eléctrica:

Un flujo o desplazamiento de partículas cargadas eléctricamente por un material conductor; se mide en amperios (A), existe la corriente directa y alterna.

Campo eléctrico:

Un tipo de campo electromagnético producido por una carga eléctrica incluso cuando no se está moviendo. El campo eléctrico produce una fuerza en

toda otra carga, menor cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Además las cargas en movimiento producen campos magnéticos.

Potencial eléctrico:

Es la capacidad que tiene un campo eléctrico de realizar trabajo; se mide en voltios.

Magnetismo:

La corriente eléctrica produce campos magnéticos, y los campos magnéticos variables en el tiempo generan corriente eléctrica.

¿Qué es Voltaje Directo?

Es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. En la corriente continua las cargas eléctricas circulan

siempre en la misma dirección, es continua la corriente mantiene siempre la misma polaridad. En la norma sistemática europea el color negro corresponde

al negativo y el rojo al positivo o sencillamente se simboliza para el positivo con VCC, +, VSS y para el negativo con 0V, -, GND.

Muchos aparatos necesitan corriente continua para funcionar, sobre todos los que llevan electrónica (equipos audiovisuales, computadores, etc.), para ello se utilizan

fuentes de alimentación. Lo puedes encontrar en la baterías, pilas, salida de los carga-dores de computador.

¿Qué es Voltaje Alterno?

Es la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda seno.
El voltaje AC es el que llega a la tomas de electricidad de los hogares y a las empresas, es muy común encontrarla en las tomas de corriente donde se conectan nuestros electrodomésticos. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la AC.

Ley de OHM

La ley dice que la corriente (I) que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional al voltaje (V) e inversamente proporcional a la resistencia (R). La pirámide de abajo es muy útil para conocer la fórmula a la que es igual la variable que tapes con el dedo, por ejemplo: Tapa con tu dedo la V (voltaje), entonces voltaje va a ser igual a I (corriente) por R (resistencia), una más, tapa I (Corriente), I va ser igual a V divido R.

Circuito Eléctrico

La palabra circuito indica una trayectoria completa. El circuito eléctrico es una trayectoria cerrada que permite el flojo continuo de corriente del polo negativo
hasta el polo positivo. También se define como un conjunto de conductores que recorre la corriente eléctrica y en el cual hay generalmente intercalados aparatos
productores o consumidores de esta corriente.

Componentes de un Circuito

Un circuito tendrá siempre tres componentes básicos:

La fuente de voltaje que es el dispositivo que suministra la corriente al circuito. Ejemplo una pila, una batería.
(b) Los conductores que constituyen una trayectoria cerrada para el paso de los electrones. Ejemplo los alambres, los cables (hechos de cobre).
(c) La carga que es cualquier resistencia representada por artefactos que utilizan la corriente. Ejemplo una lámpara, una radio.

Circuito Serie, Paralelo y Mixto

Serie:

Un circuito en serie es el que posee varias resistencias conectadas a una o más fuentes de voltaje de manera que los componentes se encuentran unidos
uno a continuación del otro.

Características:

(a) Tiene una sola trayectoria para el paso de la corriente.
(b) La intensidad de la corriente eléctrica siempre es la misma en cada elemento oaparato conectado en el circuito.
(c) La resistencia total es igual a la suma de las resistencias parciales de los aparatos conectados en el circuito.
(d) La tensión se reparte proporcionalmente de acuerdo al valor de cada resistencia.
(e) Si se daña una lámpara o un aparato, los demás no funcionan porque el circuito se interrumpe.

Paralelo:

Un circuito paralelo es el que tiene varias resistencias conectadas lado al lado con una fuente de voltaje.

Características:

(a) Tiene más de una trayectoria para el paso de la corriente.
(b) La intensidad de la corriente se divide entre las ramas paralelas del circuito.
(c) La resistencia total es menor que la resistencia individual mínima.
(d) La tensión o voltaje aplicado a cada resistencia o aparato, es la misma para todos e igual a la fuente de tensión.
(e) Si se daña una lámpara o un aparato, los demás funcionan porque el circuito solo se interrumpe en la rama donde se quemó la lámpara.

Serie-Paralelo (mixto):

Un circuito mixto es el que tiene las resistencias colocadas tanto en serie como en paralelo.

Características:

Este circuito presenta todas las características de los circuitos anteriores (serie y paralelo).

Circuitos RC, RL & RLC:

Anteriormente hemos hablado de circuitos tanto en serie como en paralelos pero solo con resistores. Ahora se agregaran otros elementos como lo son inductores y capacitores. Que al igual que las resistencias estos inductores y capacitores son muy usados en circuitos.

Circuito RC en serie:

Cuando se aplica un voltaje sinusoidal a un circuito RC dispuesto en serie, las caídas de voltaje y de corriente resultantes en el circuito son también sinusoidales y tienen la misma frecuencia que el voltaje aplicado. La capacitancia provoca un desplazamiento de fase entre el voltaje y la corriente, el cual depende de los valores relativos de la resistencia y la reactancia capacitiva.

Tal como se muestra en la figura, el voltaje en el resistor (VR), el voltaje en el capacitor(Vc), y la corriente (I) son ondas seno con la frecuencia de la fuente. Se introducen desplazamientos de fase a causa de la capacitancia. El voltaje y la corriente en el resistor seadelantan con respectoa la fuente de voltaje, y el voltaje en el capacitor se retrasa con respecto al voltaje de fuente. El ángulo de fase entre la corriente y el voltaje en el capacitor siempre es de 90°.

Las amplitudes y las relaciones de fase de voltajes y corriente dependen de los valores de la resistencia y de la reactancia capacitiva. Cuando un circuito es puramente resistivo, el ángulo de fase entre el voltaje aplicado (fuente) y la corriente total es de cero. Cuando un circuito es puramente capacitivo, el ángulo de fase entre el voltaje aplicado y la corriente total es de 90°, con la corriente adelantando al voltaje. Cuando existe una combinación tanto de resistencia como de reactancia capacitiva en un circuito, el ángulo de fase entre el voltaje aplicado y la corriente total se sitúa entre 0° y 90°, según los valores relativos de la resistencia y la reactancia capacitiva.

Impedancia en circuitos RC en serie:

La impedanciade un circuito RC en serie consta de resistencia y reactancia capacitiva y es la oposición total a la corriente sinusoidal. Su unidad es el ohm. La impedancia también provoca una diferencia de fase entre la corriente total y el voltaje de fuente. Por consiguiente, la impedancia se compone de una magnitud y un ángulo de fase.

En un circuito puramente resistivo, la impedancia es simplemente igual a la resistencia total. En un circuito puramente capacitivo, la impedancia es igual a la reactancia capacitiva total. Tanto la resistencia como la reactancia capacitiva determinan la impedancia de un circuito RC dispuesto en serie. Estos casos se ilustran en la figura siguiente. Z simboliza la magnitud de la impedancia.

La reactancia capacitiva es una cantidad fasorial y se expresa como un número complejo en forma rectangular de la siguiente manera:

Donde Xcdel lado izquierdo la igualdad designa una cantidad fasorial (que representa tanto magnitud como ángulo) y Xcdel lado derecho de la igualdad es simplemente la magnitud.

En el circuito RC en serie, la impedancia total es la suma fasorial de R y - jXcy se expresa como:

En el análisis de CA, R y Xc son como aparecen en el diagrama fasorial de la figura (a), forma un ángulo de - 90° con respecto a R. Esta relación se deriva del hecho de que, en un circuito RC en serie, el voltaje en el capacitor aparece retrasado con respecto a la corriente, y por tanto, con respecto al voltaje en el resistor, en 90°. Como Z es la suma fasorial de R y - jX, su representación fasorial es como se muestra en la figura(b). Un reposicionamiento de los fasores, como ilustra la parte (c), forma un triángulo rectángulo llamado triángulo de impedancia. La longitud de cada fasor representa la magnitud en ohms, y el ángulo ѳes el ángulo de fase del circuito RC y representa la diferencia de fase entre el voltaje aplicado y la corriente.

De acuerdo con la trigonometría del ángulo recto (teorema de Pitágoras), la magnitud (longitud) de la impedancia se expresa en función de la resistencia y la reactancia como:

La letra Z representa la magnitud de la cantidad fasorial Z y se expresa en ohm. El ángulo de fase, ѳ, queda expresado como:

El símbolo tan^-1significa tangente inversa. Se puede encontrar el valor de tan^-1con una calculadora. Si se combinan la magnitud y el ángulo, la expresión fasorial para impedancia en forma polar es:

Impedancia en circuitos RC en paralelo:

Ahora se aprenderá a cómo determinar la impedancia y el ángulo de fase de un circuito RC dispuesto en paralelo. La impedancia se compone de un componente de magnitud y un componente de ángulo de fase. También, se introducen la susceptancia capacitiva y la admitancia de un circuito RC en paralelo.

La figura muestra un circuito básico RC en paralelo, el cual se encuentra conectado a una fuente de voltaje de CA.

La expresión para la impedancia total se desarrolla como sigue, por medio de números complejos. Como existen sólo dos componentes, R y C, la impedancia total se encuentra con la regla del producto sobre la suma.

Al multiplicar las magnitudes, sumar los ángulos presentes en el numerador, y convertir el denominador a forma polar, se obtiene:

Ahora, dividiendo la expresión para la magnitud presente en el numerador entre aquella presente en el denominador, y restando el ángulo presente en el denominador del presente en el numerador, se obtiene:

De manera equivalente, esta expresión se escribe como:

Conductancia, susceptancia y admitancia:

La conductancia, G, es el recíproco de la resistencia. La expresión fasorial para la conductancia se establece como:

Ahora se introducen dos términos nuevos que son utilizados en circuitos RC en paralelo. La susceptancia capacitiva (Bc) es el recíproco de la reactancia capacitiva. La expresión fasorial para susceptancia capacitiva es:

Y la admitancia (Y) es el recíproco de la impedancia. La expresión fasorial para admitancia es:

La unidad de cada uno de estos términos es el siemens (S), el cual es el recíproco del ohm. Cuando se trabaja con circuitos en paralelo, a menudo es más fácil utilizar la conductancia (G), la susceptancia capacitiva (Bc), y la admitancia (Y) en lugar de la resistencia (R), la reactancia capacitiva (XC), y la impedancia (Z). En un circuito RC en paralelo, como se muestra en la figura, la admitancia total es simplemente la suma fasorial de la conductancia y la Susceptancia capacitiva.

Circuito RC serie-paralelo (mixto):

Los conceptos estudiados con respecto a circuitos dispuestos en serie-paralelo se utilizan para analizar circuitos que tienen combinaciones de componentes R y C tanto en serie como en paralelo.

La impedancia de componentes dispuestos en serie es más fácil de expresar en forma rectangular, y la impedancia de componentes dispuestos en paralelo se encuentra mejor utilizando la forma polar. Los pasos para analizar un circuito con un componente en serie y un componente en paralelo se ilustran en la figura a continuación.

Primero se expresa la impedancia de la parte en serie del circuito en forma rectangular y la impedancia de la parte en paralelo en forma polar. A continuación, se convierte la impedancia de la parte en paralelo a forma rectangular y se le suma a la impedancia de la parte en serie. Una vez determinada la forma rectangular de la impedancia total, puede ser convertida a forma polar para conocer la magnitud y el ángulo de fase y calcular la corriente.

Circuitos RL en serie:

De igual forma que en el circuito RC, en un circuito RL en serie todas las corrientes y todos los voltajes son sinusoidales cuando el voltaje de entrada es sinusoidal. La inductancia provoca un desplazamiento de fase entre el voltaje y la corriente que depende de los valores relativos de la resistencia y la reactancia inductiva.

En un circuito RL, el voltaje en el resistor y la corriente se retrasan con respecto al voltaje de la fuente. El voltaje en el inductor se adelanta al voltaje de fuente. Idealmente, el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje en el inductor siempre es de 90°. Las amplitudes y las relaciones de fase de los voltajes y de la corriente dependen de los valores de la resistencia y la reactancia inductiva. Cuando un circuito es puramente inductivo, el Ángulo de fase entre el voltaje aplicado y la corriente total es de 90°, y la corriente va retrasada con respecto al voltaje. Cuando existe una combinación tanto de resistencia como de reactancia inductiva en un circuito, el ángulo de fase se encuentra entre 0° y 90°, según sean los valores relativos de la resistencia y la reactancia inductiva.

Impedancia en circuitos RL en serie:

La impedancia de un circuito RL en serie se compone de resistencia y reactancia inductiva, y es la oposición total a la corriente sinusoidal. Su unidad es el ohm. La impedancia también provoca una diferencia de fase entre la corriente total y el voltaje de fuente. Por consiguiente, la impedancia está constituida por un componente de magnitud y un componente de ángulo de fase.

La resistencia y la reactancia inductiva determinan la impedancia de un circuito RL dispuesto en serie. La reactancia inductiva se expresa como cantidad fasorial en forma rectangular de la manera siguiente:

En el circuito RL en serie, la impedancia total es la suma fasorial de R y jX y se expresa como:

En el análisis de CA, R y XL son como aparecen en el diagrama fasorial de la figura (a), donde XL forma un ángulo de +90° con respecto a R. Esta relación se deriva del hecho de que el voltaje en el inductor se adelanta en 90° a la corriente, y por tanto al voltaje en el resistor. Como es la suma fasorial de R y jX, su representación fasorial es como aparece en la figura (b). Un reposicionamiento de los fasores, según muestra la parte (c), forma un triángulo rectángulo llamado triángulo de impedancia. La longitud de cada fasor representa la magnitud de la cantidad, y ѳ es el ángulo de fase entre el voltaje aplicado y la corriente en el circuito RL.

La magnitud de la impedancia del circuito RL en serie se expresa en función de la resistencia y la reactancia como:

La magnitud de la impedancia se expresa en ohm. El ángulo de fase, ѳ, se expresa como:

Al combinar la magnitud y el ángulo, la impedancia se puede expresar en forma polar como:

Impedancia en circuitos RL en paralelo:

En esta sección, usted aprenderá cómo determinar la impedancia y el ángulo de fase de un circuito RL en paralelo. La impedancia consta de magnitud y ángulo de fase. Además, se introducen la susceptancia inductiva y la admitancia de un circuito RL dispuesto en paralelo.

La figura se muestra un circuito RL básico conectado a una fuente de voltaje de CA.

La expresión para la impedancia total de un circuito RL en paralelo de dos componentes se desarrolla como sigue, aplicando la regla del producto sobre la suma.

De manera equivalente, esta ecuación se expresa como:

Conductancia, susceptancia y admitancia:

Como ya se sabe, la conductancia (G) es el recíproco de la resistencia, la susceptancia (B) es el recíproco de la reactancia, y la admitancia (Y) es el recíproco de la impedancia. En circuitos RL dispuestos en paralelo, la expresión fasorial para susceptancia inductiva (BL) es:

Y la expresión fasorial para admitancia es:

En el circuito RL básico en paralelo que muestra la figura, la admitancia total es la suma fasorial de la conductancia y la susceptancia inductiva.

Tal como para el circuito RC, la unidad de conductancia (G), susceptancia inductiva (B), y admitancia (Y) es el siemens (S).

Circuito RL en serie-paralelo (mixto):

Los conceptos estudiados con respecto a circuitos en serie y en paralelo se utilizan para analizar circuitos que tienen combinaciones de componentes R y L tanto en serie como en paralelo.

Recordemos que la impedancia de componentes en serie se expresa con más facilidad en forma rectangular, y que la impedancia de componentes en paralelo es más fácil de calcular utilizando la forma polar. Los pasos para analizar un circuito que tenga componentes en serie y en paralelo se ilustran en la figura a continuación.

Primero se expresa la impedancia de la parte dispuesta en serie del circuito en forma rectangular y la impedancia de la parte en paralelo en forma polar. A continuación, se convierte la impedancia de la parte en paralelo a forma rectangular y se le suma a la impedancia de la parte en serie. Una vez que se determina la forma rectangular de la impedancia total, se puede convertir a forma polar para ver la magnitud y el ángulo de fase y calcular la corriente.

Impedancia en circuitos RLC en serie:

Un circuito RLC en serie contiene resistencia, inductancia y capacitancia. Como la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva tienen efectos opuestos en el ángulo de fase del circuito, la reactancia total es menor que cualquier reactancia individual.

En la figura se muestra un circuito RLC en serie. Este circuito contiene resistencia, inductancia y capacitancia.

Como se sabe, la reactancia inductiva (XL) causa que la corriente total se retrase con respecto al voltaje aplicado. La reactancia capacitiva (XC) tiene el efecto opuesto: provoca que la corriente se adelante con respecto al voltaje. Por tanto, XL y XC tienden a contrarrestarse entre sí. Cuando son iguales, se eliminan y la reactancia total es de cero. En cualquier caso, la magnitud de la reactancia total en el circuito en serie es:

El término XL- XC es el valor absoluto de la diferencia de las dos reactancias. Es decir, el signo del resultado se considera positivo sin que importe cuál reactancia sea más grande. Por ejemplo, 3 - 7 = -4, pero el valor absoluto es:

Cuando XL>XC, el circuito es predominantemente inductivo, y cuando XC>XL, el circuito es predominantemente capacitivo.

La impedancia total del circuito RLC se establece en forma rectangular y en forma polar:

En la ecuación mostrada a continiacuión representa la magnitud y es el ángulo de fase entre la corriente total y el voltaje aplicado. Si el circuito es predominantemente inductivo, el ángulo de fase es positivo; y si es predominantemente capacitivo, el ángulo de fase es negativo.

Impedancia en circuitos RLC en paralelo:

Ahora, se estudiará la impedancia y el ángulo de fase de un circuito RLC dispuesto en paralelo. Conductancia, susceptancia y admitancia de un circuito RLC en paralelo también son abordadas.

La figura muestra un circuito RLC dispuesto en paralelo. La impedancia total se calcula utilizando el método del recíproco de la suma de recíprocos.

Conductancia, susceptancia y admitancia:

Los conceptos de conductancia (G), susceptancia capacitiva (Bc), susceptancia inductiva (B), y admitancia (Y) fueron analizados con anterioridad. Las fórmulas fasoriales se vuelven a establecer aquí: