Corriente alterna y corriente contínua

Corriente alterna

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 el sentido varían cíclicamente. 
Su polaridad se invierte periódicamente, haciendo que la corriente fluya alternativamente en una dirección y luego en la otra
La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una oscilación senoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada.

                                

                                                Onda senoidal (señal periódica)

Durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo (hertz) posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de Corriente Continua (Tomando el sentido contrario por convenio).

Periodo (P): Lapso de tiempo donde la señal repite sus valores.

Ciclo: Conjunto de valores que toma en un periodo.

Frecuencia (F): Velocidad con la que varía la señal. Es la inversa del periodo (F = 1 / P) y se mide en Hertz (Hz).

Fase: es la abscisa correspondiente a un punto cualquiera de la señal.

Valores característicos:

Energía y Potencia eléctrica

Energía eléctrica (E)

Se denomina energía eléctrica a la forma de energía que resulta de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos, lo que permite establecer una corriente eléctrica entre ambos cuando se los pone en contacto por medio de un conductor eléctrico.

La ambigüedad de tal definición radica en que la energía no puede definirse como toda magnitud básica de la física. Simplemente se usa su concepto y en el caso de la energía eléctrica, es aquello que “gastan” los dispositivos eléctricos y electrónicos para cumplir su función. 

La energía eléctrica puede transformarse en muchas otras formas de energía, tales como la energía lumínica dentro de una lámpara o led , en energía mecánica en la punta de eje de un motor o en energía térmica (calor) en una estufa eléctrica. 

La energía eléctrica es eso que “cargan” las cargas eléctricas dentro de una fuente de alimentación o pila para luego descargar en las diferentes partes de un circuito eléctrico o electrónico para funcionar. 

Potencia eléctrica (P)

El concepto desarrollado anteriormente tiene el problema de la poca practicidad para el desarrollo de análisis cuantitativos, ya que el consumo o gasto de energía es acumulativo. imaginemos que tenemos un motor eléctrico girando permanentemente. Este motor está convirtiendo la energía eléctrica en varias formas de energía diferentes (energía cinética al gira y energía térmica ya que eleva su temperatura al funcionar). Pero si quisiéramos cuantificar el consumo de energía de dicho motor, tendríamos el problema de que dicho consumo depende claramente de cuanto tiempo lo tengamos funcionando, ya que la energía se va transformando y consumiendo a medida que el motor gira. 

Por esta razón y para independizarnos del factor tiempo, aparece el concepto de potencia eléctrica que no es ni más ni menos que la cantidad de energía consumida o entregada por unidad de tiempo.

En el sistema métrico internacional, la unidad de medida es el watt, y 1W es igual a un Joule de Energía por segundo. 

Si tuviésemos por ejemplo 1 led de 1W de potencia, estaríamos ante un led que “gasta” un Joule de energía en cada segundo en que se mantiene encendido. 

Así una fuente de alimentación de 1W es capaz de “entregarle” a las cargas eléctricas que la atraviesan, un Joule por segundo. 

Puede demostrarse que en cualquier componente de un circuito, la potencia eléctrica (ya sea entregada o consumida) es igual a la diferencia de potencial (tensión) entre sus bornes, multiplicada por la corriente que lo circula, es decir: 

P = V * I 

Tensión o diferencia de potencial

Se conoce como potencial eléctrico al trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica para mover una carga positiva unitaria de un punto hacia otro. Puede decirse, por lo tanto, que el trabajo a concretar por una fuerza externa para mover una carga desde un punto referente hasta otro es el potencial eléctrico. De esta manera el potencial en un punto bajo la influencia de un campo eléctrico se puede definir como el trabajo que hay que realizar para movilizar una carga eléctrica infinitamente lejana (infinitamente lejana, no es ni más ni menos que fuera del campo eléctrico en cuestión) hasta ese punto.

Ahora bien, en el marco de un circuito eléctrico, el potencial eléctrico existente en un punto refleja la energía que tienen las cargas eléctricas (electrones) al pasar por el punto en cuestión. Cuando la unidad de carga va recorriendo el circuito, pierde energía mientras pasa por los distintos componentes. Dicha pérdida de energía tendrá diferentes manifestaciones a través de trabajos como la iluminación que aparece en una lámpara o el movimiento que se logra en un motor, por citar dos posibilidades. Para recuperar la energía, la carga debe pasar nuevamente por un generador de tensión.

La energía (E) que el generador cede al circuito durante su funcionamiento es directamente proporcional a su diferencia de potencial (V) y a la carga, q (C), que pone en movimiento: 

E = q * V

Donde:

E es la energía cedida por el generador medida en Joule (J)

q es la carga eléctrica (cantidad de electrones) medida en Coulomb(C)

V es la diferencia de potencial eléctrico medida en Volts o Voltios(V)

Por lo tanto la diferencia de potencial es:

V = E / q

Es decir : 

1V = 1J / 1C

Esta idea, lleva a pensar que dentro de un circuito eléctrico, las cargas (electrones) nunca se gastan, sino que se mueven dentro del mismo y que lo que realmente sucede es que a medida que lo recorren se van descargando para volver a “energizarse” dentro de la fuente de alimentación.

Circuito eléctrico

Un circuito eléctrico es la conexión de dos o más componentes que contiene una trayectoria cerrada. Dichos componentes pueden ser resistencias, fuentes, interruptores, condensadores, semiconductores o cables, por ejemplo: Cuando el circuito incluye componentes electrónicos, se habla de circuito electrónico.

Entre las partes de un circuito eléctrico, se pueden distinguir los conductores (cables o pistas de cobre que unen los elementos para formar el circuito), los componentes (dispositivos que cumplen una función determinada dentro del circuito), los nodos(puntos del circuito donde concurren dos o más conductores) y las ramas o mallas(conjunto de los elementos de un circuito comprendidos entre dos nodos consecutivos).

Los circuitos eléctricos pueden clasificarse según el tipo de señal (corriente directa o corriente alterna), el tipo de configuración (serie, paralelo o mixto), el tipo de régimen (corriente periódica, corriente transitoria o permanente) o el tipo de componentes (circuito eléctrico o circuito electrónico).

La representación gráfica del circuito eléctrico se conoce como diagrama electrónico o esquema eléctrico. Dicha representación exhibe los componentes del circuito con pictogramas uniformes de acuerdo a ciertas normas, junto a las conexiones (sin que éstas se correspondan con las ubicaciones físicas).

La confección de dicho esquema es fundamental para la construcción de un circuito eléctrico, ya que representa el primer paso a seguir. De lo bien elaborado que esté depende el funcionamiento del circuito, por eso es muy importante revisarlo más de una vez y hacer pruebas en la teoría antes de proceder a la realización de un circuito impreso (en el caso de los circuitos electrónicos).

Configuración de circuitos:

Corriente eléctrica

En nuestra definición anterior (Tensión/Diferencia de Potencial.) dijimos que dentro de un circuito eléctrico, las cargas eléctricas, se mueven saliendo por el borne positivo de la fuente de alimentación, para recorrerlo completamente y así volver al borne negativo de la misma.

Así a la cantidad de carga eléctrica que circula por unidad de tiempo en cualquier parte del circuito que estemos analizando la definimos como intensidad de corriente eléctrica o simplemente “corriente”. 

Los electrones se desplazan de un átomo a otro y se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de alimentación.

La corriente eléctrica está definida por convención en dirección contraria al desplazamiento de los electrones (del punto con mayor voltaje, al de menor voltaje, o sea, positivo a negativo).

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio o coulomb (símbolo C) y la unidad de corriente, también llamada Intensidad se expresa en C/s (coulomb sobre segundo), unidad que se denomina AMPERIO (A).
Es decir, una corriente de 1 ampere digamos que se trata de una carga eléctrica de 1 Coulomb por segundo.

Los submúltiplos del amperio son miliamperios (mA) (1/1000 de amperio), y microamperios (uA) (1’000.000 de amperio). 

Las pequeñas corrientes utilizadas en electrónica, se expresan generalmente en miliamperios (mA) o en microamperios (uA). Un mA = 10^(-3) amp. 1 uA = 10^(-6) amp y 1 amp = 10^(-3) amp = 10^(-6) uA.

Definición cuantitativa:

Cuantitativamente, una corriente (I), se define como la relación de transferencia de carga eléctrica (Q) por unidad de tiempo. Por lo tanto el promedio es:

Corriente (I) = carga total transferida  (Q) dividido por el  tiempo transcurrido (T).

La unidad práctica de carga (sistema mks), es el Coulomb, que corresponde a la carga transportada aproximadamente de 6,28 x 10^18 (6,28 billon de billones) de electrones.

Flujo de corriente eléctrica 
(movimiento de electrones)

  Flujo de corriente eléctrica
(por convención)

Clasificación de materiales eléctricos

Materiales conductores

Son aquellos materiales que poseen más electrones libres en su estructura atómica, siendo aptos para conducir la corriente eléctrica. 
Un objeto hecho de un material conductor permitirá que se transfiera una carga a través de toda la superficie del objeto. Si la carga se transfiere al objeto en un lugar determinado, esta se distribuye rápidamente a través de toda la superficie del objeto.

La distribución de la carga es el resultado del movimiento de electrones. 

Los materiales conductores permiten que los electrones sean transportados de partícula a partícula, ya que un objeto cargado siempre va a distribuir su carga hasta que las fuerzas de repulsión globales entre electrones en exceso se reduzca al mínimo. De este modo, si un conductor cargado es tocado a otro objeto, el conductor puede incluso transferir su carga a ese objeto.

La transferencia de carga entre los objetos se produce más fácilmente si el segundo objeto está hecho de un material conductor.

Ejemplo: Oro, plata y cobre. 

Materiales semiconductores

Son los materiales con un número intermedio de electrones libres.
Por ejemplo el silicio y el germanio, los cuales son buenos aislantes cuando están en estado cristalino puro, pero conducen la electricidad cuando se sustituyen solo algunos átomos del cristal con otros, como arsénico o boro, mediante la técnica conocida como dopado del material. 
Ejemplo: El Germanio y el Silicio dopados con otros materiales como indio, galio, Etc. Estos son los mas utilizados para la fabricación de diodos, transistores y circuitos integrados.

Materiales aisladores

Son los materiales que poseen muy pocos electrones libres para transportar corriente. 

Los aislantes son materiales que impiden el libre flujo de los electrones de átomo a átomo y de molécula a molécula. Si la carga se transfiere a un aislante en un lugar determinado, el exceso de carga permanecerá en la posición inicial de la carga. Las partículas del aislante no permiten el libre flujo de electrones; posteriormente la carga rara vez se distribuye de manera uniforme por la superficie de un material que sea aislante.

Mientras que los aislantes no son útiles para la transferencia de carga, tienen un papel crucial en experimentos electrostáticos y manifestaciones. Los objetos conductores son a menudo montados sobre objetos aislantes. Esta disposición de un conductor en la parte superior de un aislante evita que la carga sea transferida desde el objeto conductor con su entorno evitando así accidentes como los cortocircuitos o que nos electrocutemos. Esta disposición nos permite entonces manipular un objeto conductor, pero sin tocarlo.
Ejemplo: La goma, el vidrio, los plásticos o polímeros Etc.

Proyecto: Luz automática temporizada con 555

El 555 es un circuito integrado que se utiliza en una variedad de temporizadores y se aplica en la generación de pulsos y oscilaciones.
En éste caso se utilizará como un temporizador que controle el encendido de una lámpara  de 110 ó 220 Vac con un tiempo mínimo de 30 segundos hasta un máximo de 10 minutos.

Circuito:

Se utiliza:

• Una resistencia de 47 K
• Un potenciómetro o preset de 1Mohm
• Un transistor 2N2222A ó BC846
• Un led
• Una resistencia de 1 K
• Un capacitor 470 uF 16 V
• Un relé 12 Vdc / 220 Vac
• Un sensor 
• Una lámpara

Proyecto: Vúmetro 10 leds

Un vúmetro se incluye a menudo en equipos de audio para mostrar un nivel de señal en unidades de volumen (VU), el dispositivo es también llamado indicador de volumen.

Se le encuentra por lo general en amplificadores, consolas de audio, mezcladores, entre otros aparatos de sonido y se usa para detectar los picos de audio.

Este proyecto se trata de un simple vúmetro digital de 10 leds con un LM3915 que puede ser usado con cualquier amplificador.

Circuito: 

Se utiliza: 

Leyes de Kirchhoff

Las leyes de Kirchhoff son dos igualdades que se basan en la conservación de la energía y la carga en los circuitoseléctricos. 

Conceptos previos:

• Nodo: Es un punto en común a 2 o más elementos. También mencionamos como nodo a algún punto del circuito que se quiera destacar. Por ejemplo para marcar un potencial.

• Nudo o unión: Es un punto común a 3 o más elementos.

• Rama: es toda conexión serie de uno o más elementos entre dos puntos.

• Lazo: Es toda trayectoria cerrada del circuito.

• Malla: Es aquel lazo que no puede dividirse y que no contiene otro lazo. Según la definición, toda malla es un lazo pero no a la inversa. También se cumple que una rama no puede ser común a más de dos mallas. En la práctica suele llamarse malla a todo lazo aunque estrictamente no lo sea.

 

Leyes

1) Ley de nodos o nudos

 Esta ley también es llamada ley de corrientes y nos dice que:

En cualquier nodo, la suma de la corriente que entra en ese nodo es igual a la suma de la corriente que sale. De igual forma, La suma algebraica de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.

I1 + I3 = I4 + I2

I1 - I2 + I3 - I4 = 0

O sea:

2) Ley de mallas

Esta ley es llamada también ley de tensiones y nos dice que:

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente, En toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico es igual a cero.

 En la malla I: 

VR1 + VR3 - V = 0

 En la malla II:

 VR2 + VR4 - VR3 = 0  En general: 

Como VR = IR * R, se puede sustituir en las ecuaciones anteriores si no se tiene el dato de las tensiones sobre las resistencias. Utilizando Ley de nodos y Ley de mallas se pueden calcular todas las variables faltantes.

Ley de Ohm y Ley de Joule

Ley de Ohm

Esta ley relaciona los tres componentes que influyen en una corriente eléctrica, como son la intensidad (I), la diferencia de potencial o tensión (V) y la resistencia (R) que ofrecen los materiales o conductores.

La Ley de Ohm establece que "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente fórmula o ecuación:

I = V / R

 Donde, empleando unidades del Sistema internacional de Medidas , tenemos que:

• I = Intensidad en amperios (A)

• V = Diferencia de potencial en voltios (V)

• R = Resistencia en ohmios (Ω).

Léase: La intensidad (en amperios) de una corriente es igual a la tensión o diferencia de potencial (en voltios) dividido o partido por la resistencia (en ohmios).

De acuerdo con la “Ley de Ohm”, un ohmio (1 Ω) es el valor que posee una resistencia eléctrica cuando al conectarse a un circuito eléctrico de un voltio (1 V) de tensión provoca un flujo o intensidad de corriente de un amperio (1 A).

La resistencia eléctrica, por su parte, se identifica con el símbolo o letra (R) y la fórmula general (independientemente del tipo de material de que se trate) para despejar su valor (en su relación con la intensidad y la tensión) derivada de la fórmula general de la Ley de Ohm, es la siguiente:

R = V / I

 Léase: La resistencia a una corriente (en ohmios) es igual a la tensión o diferencia de potencial (en voltios) dividido o partido por la intensidad (en amperios).

Una forma sencilla de recordar esta ley es formando un triángulo equilátero, donde la punta de arriba se representaria con una V (voltios), y las dos de abajo con una I (intensidad) y R (resistencia) respectivamente, al momento de cubrir imaginariamente cualquiera de estas letras, en automático las restantes nos indicarán la operación a realizar para encontrar dicha incógnita. Ejemplo: si tapamos la V, R e I  estarán multiplicandose para encontrar el valor de V; de igual forma si cubrimos R, quedará V/I al descubierto para encontrar la incógnita R.

Proyecto: Fuente regulada - regulable de 1.25 V a 30 V

La fuente de poder es un circuito que convierte la corriente alterna que encontramos en el hogar, en corriente continua, además cambia o reduce el voltaje según la necesidad del circuito que vamos a alimentar.

Una fuente regulada es la que puede mantener un voltaje estable en su salida, a pesar de las variaciones del voltaje en la entrada y la carga a la que es expuesta.

En este caso es una fuente regulada y regulable de 1.25 V a 30 V aprox. Esto significa que, está protegida contra sobresaltos en la tensión (la salida se mantiene en valores estables) y cortocircuitos, además tiene la posibilidad de seleccionar la tensión de salida dentro del rango de los 1.25 V a los 30 V aprox. a través de un potenciómetro.

Ésta fuente soporta  hasta 1 A aprox, por lo que servirá como fuente de laboratorio para alimentar circuitos sencillos.

Circuito:

Se utiliza:

• Un transformador de 220 VAC a 24 VAC

• Un puente de diodos de 2 A (se puede armar como en la imagen o comprar uno ya listo para colocar)

• Un capacitor de 2200 uF / 50 V.

• Una resistencia de 2.2 K / 1 W

• Una resistencia de 180 ohm / 1/2 W

• Un diodo led a elección (5mm)

El fusible

El fusible es un componente utilizado para la protección de los circuitos. Está formado por un filamento, lámina o hilo de aleación metálica de fácil fundición, que al circular por él una corriente mayor a la que éste soporta se funde, abriendo así el circuito evitando que se dañe. El valor en amperios de éste depende del consumo de corriente que tenga el circuito.

Puede colocarse sobre gabinete o directamente en la placa, según como decidan realizar el PCB.
Es muy utilizado para protección en fuentes de alimentación y se puede colocar en el primario o el secundario del transformador (entrada 220 V o salida x V respectivamente). 

Para el secundario basta con colocar un fusible del mismo valor (o valor próximo mas alto) de corriente del transformador.

Para el primario se deberá calcular la corriente que consume en la entrada, para ello se utiliza

la "Relación de transformación":
                                 

                      n = (V1 / V2) = (I2 / I1) = (N1 / N2)

Donde:

n: Relación de transformación

V1: Tensión aplicada al primario del transformador (generalmente se da en valor eficaz)

V2: Tensión de salida en el secundario (su valor puede ser eficaz o máximo)

I1: Intensidad de corriente sobre el primario (puede ser valor máximo o eficaz)

I2: Intensidad de corriente en el secundario (puede ser valor máximo o eficaz)

N1 y N2: Número de vueltas o espiras del primario y secundario respectivamente 

El valor eficaz es el que, comúnmente, mide un multímetro, el valor eficaz de salida es el dato que se utiliza para comprar un transformador en las tiendas. Entonces ya se tienen datos suficientes para poder calcular el valor del fusible de esta forma:  

 Como no se tienen los números de espiras ni tampoco el valor de relación de transformación, se opta por tomar los miembros que usan datos que tenemos y el que vamos a calcular, entonces tomamos

                                            (V1 / V2) = (I2 / I1)

Por ejemplo:

Para V1 se utiliza el valor de red (110 ó 220 V), para V2 es la tensión de salida en este caso 18V totales (9+9) (eficaz) y para I2 es la corriente de salida que elegimos para el circuito, con todo esto se puede despejar I1 que es la corriente del primario y el valor superior mas próximo es el que vamos a usar para el fusible.

Si I1=180 mA el valor mas próximo comercial es 250 mA 

Disipadores térmicos

Las potencias manejadas por los dispositivos semiconductores, transistores, TRIAC, MOSFET, Reguladores de tensión, etc., es en muchos casos de una magnitud considerable. Además, el problema se agrava teniendo en cuenta que el tamaño de tales dispositivos es muy pequeño, lo que dificulta la evacuación del calor producido. Un cuerpo que conduce una corriente eléctrica pierde parte de energía en forma de calor por efecto Joule. En el caso de los semiconductores, se manifiesta principalmente en la unión PN, y si la temperatura aumenta lo suficiente, se produce la fusión térmica de la unión, inutilizando el dispositivo. Los dispositivos de potencia reducida, disipan el calor a través de su encapsulado hacia el ambiente, manteniendo un flujo térmico suficiente para evacuar todo el calor y evitar su destrucción. En los dispositivos de más potencia, la superficie del encapsulado no es suficiente para poder evacuar adecuadamente el calor disipado. Se recurre para ello a los disipadores (heatsinks), que proporcionan una superficie adicional para el flujo térmico.

 Propagación del calor

El calor se transmite mediante tres formas conocidas: radiación, convección y conducción. Por radiación recibimos los rayos del Sol. La radiación no necesita un medio material para propagarse, puede hacerlo a través del vacío. Todo cuerpo con una temperatura superior a los cero grados absolutos (kelvin) produce una emisión térmica por radiación, pero en el caso que nos ocupa es de una magnitud despreciable, y por tanto no se tiene en cuenta la emisión por radiación. La convección es un fenómeno que atañe a fluidos, tales como el aire o el agua. Favorece la propagación del calor en estos cuerpos, que son de por sí muy buenos aislantes térmicos. Un cuerpo caliente sumergido en aire, hace que las capas próximas al mismo se calienten, lo que a su vez ocasiona una disminución de su densidad, y por esto se desplazará esta masa de aire caliente hacia estratos más elevados dentro del recinto. Inmediantamente, el "hueco" que ha dejado este aire es ocupado por aire más frío, y así se repite el ciclo, generando corrientes convectivas que facilitan el flujo térmico. Este mismo fenómeno se da en el agua, o cualquier líquido o gas.
La transmisión por conducción se manifiesta más obviamente en cuerpos sólidos.
Curiosamente los cuerpos que son buenos conductores eléctricos, también lo son térmicos, y se explica a nivel subatómico. El cobre, la plata, níquel, aluminio, oro, etc., son excelentes conductores. Si aplicamos una llama a una barra de cobre, enseguida notaremos el calor por el extremo que lo agarramos. Este calor se ha propagado por conducción.
En la disipación de calor de los semiconductores, solamente consideramos los dos últimos tipos de propagación: convección y conducción.

Analogía eléctrica

Se puede establecer una correspondencia entre la Ley de Ohm y la propagación térmica mediante la siguiente tabla de equivalencias:

Proyecto: Fuente simétrica 12+12 V

La fuente de poder es un circuito que convierte la corriente alterna que encontramos en el hogar, en corriente continua, además cambia o reduce el voltaje según la necesidad del circuito que vamos a alimentar.

En este caso es una fuente simétrica (bipolar) de +12 V y -12 V DC

Circuito:

Se utiliza:

• Un transformador de 220 V a 9+9 V  (18 V con punto medio)

• Un puente de diodos (se puede armar como en la imagen o comprar uno ya listo para colocar)

• Un capacitor de 1000 uF a 4700 uF. Se puede tomar un valor de 2200 uF de 16 V (valor superior más cercano)

Opcional:

• Fusible (con portafusible)

• Interruptor

Notas:

 Según la corriente de salida que se requiera, se deberá seleccionar la potencia del transformador y del puente de diodos.

Por ej: Si se necesita una corriente de salida de 1 A se deberá seleccionar un transformador de 2 A y un puente de diodos también de 2 A para que quede un cierto rango de potencia libre y no se sobrecalienten, ya que eso puede producir la destrucción de los diodos o cortocircuitos entre las espiras o vueltas de alambre de cobre en el transformador.

El capacitor se deberá seleccionar de un voltaje mayor al de salida, por ejemplo en este caso un capacitor de 16 V funcionara correctamente.

Para aprender a realizar el circuito impreso PCB  CLICK ACÁ

El fusible Se deberá colocar en serie con el transformador. Para saber cómo calcular el valor del fusible CLICK ACÁ.

Colocar tanto el fusible como el interruptor en serie con el cable vivo o línea.