TRANSFORMADORES

En este post hablaremos de los transformadores. Estos dispositivos permiten aumentar o reducir la tensión en un circuito de corriente alterna y aislar dos partes diferentes de un circuito: un circuito primario y un circuito secundario.

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética. Un transformador está formado por dos bobinas enfrentadas que comparten su núcleo ferromagnético, tal y como se puede observar en la siguiente imagen:

La corriente alterna del circuito primario genera un campo magnético variable cuyas líneas de campo son dirigidas hacia el circuito secundario a través del núcleo ferromagnético. Este campo magnético variable genera una corriente alterna en el circuito secundario por inducción electromagnética.

La relación entre las tensiones de los circuitos primario y secundario dependerá de la relación entre el número de espiras de ambos devanados, así:

Como se debe cumplir el principio de conservación de la energía, la potencia eléctrica en el devanado secundario deberá ser igual a la potencia eléctrica en el devanado primario. Como vimos en una entrada anterior, la potencia eléctrica es igual al producto de la tensión por la intensidad, de manera que, si la potencia es igual a ambos lados del transformador, cuando la tensión del secundario sea menor que la del primario su intensidad será mayor, mientras que cuando la tensión del secundario sea mayor que la del primario su intensidad será menor.

Imagen real de un transformador de gran tamaño

Esto resulta de especial interés en las líneas eléctricas de distribución, pues cuanto mayor sea la tensión a la que transportan la electricidad, menor será la corriente que circula por ellas, y por tanto menores las pérdidas en forma de calor debidas al efecto Joule. Es por esto que las líneas eléctricas de distribución suelen trabajar con tensiones muy elevadas.

COMPONENTES ELÉCTRICOS (III): BOBINAS

Esta es la última entrada de la serie sobre componentes eléctricos, en la que hablaremos sobre las bobinas. Una bobina es un componente que se opone a los cambios bruscos de corriente. Generalmente están formadas por un núcleo de material ferromagnético (generalmente acero magnético) alrededor del cual se arrolla un hilo conductor (generalmente de cobre) en forma de espiras.

Para oponerse a los cambios bruscos de corriente, las bobinas almacenan energía en forma de campo magnético. La aparición de este campo magnético provoca en la bobina una caída de tensión que es directamente proporcional a la variación de la corriente en el tiempo. La constante de proporcionalidad de esta relación se conoce como coeficiente de autoinducción (L), el cual, en el Sistema Internacional, se mide en Henrios (H).

El coeficiente de autoinducción de una bobina aumenta cuanto mayor es el número de espiras que se arrollan en el núcleo ferromagnético. También aumenta al aumentar la sección del hilo conductor. Por el contrario, cuando aumenta la longitud del hilo conductor (ojo, no necesariamente el número de espiras) o disminuye la sección del mismo, el coeficiente de autoinducción disminuirá.  

En el caso de las bobinas, el coeficiente de autoinducción de las uniones en serie y paralelo se calcula de la misma manera que en el caso de las resistencias, de forma que para una unión en serie se suman los coeficientes de autoinducción:

Aquí un ejemplo muy sencillo de cálculo:

En el caso de una unión de bobinas en paralelo, el coeficiente de autoinducción total es igual a la inversa de la suma de las inversas de los coeficientes de autoinducción:

De nuevo, aquí tenéis un ejemplo de cálculo muy sencillo:

Aquí acaba la serie de componentes eléctricos. Espero que os haya resultado de utilidad y tengáis ahora más claros conceptos básicos sobre resistencias, condensadores y bobinas y su cálculo en el análisis de circuitos. 

COMPONENTES ELÉCTRICOS (II): CONDENSADORES

Un condensador es un componente que se opone a los cambios bruscos de tensión. Generalmente están formados por dos placas enfrentadas y fabricadas en un material conductor (cada una conectada a un borne del condensador) entre las cuales se coloca un material aislante (también llamado dieléctrico).

Los condensadores sometidos a una diferencia de potencial almacenan la carga eléctrica que reciben hasta alcanzar un límite, a partir del cual ya no almacenan más. Al eliminar dicha diferencia de potencial, un condensador cargado se descargará, actuando a modo de batería. La carga almacenada en cada una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre ambas, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad del condensador. En el Sistema Internacional la capacidad se mide en faradios (F).

Existen dos tipos de condensadores, los condensadores electrolíticos, los cuales presentan una polaridad en sus bornes (un borne será el polo positivo y el otro el negativo) que indicará cómo se debe conectar el condensador en el circuito (y nunca se debe conectar al revés si no queremos que el condensador salte por los aires), y los condensadores cerámicos, los cuales no presentan polaridad.

En cuanto a la forma de operar en circuitos eléctricos, en el caso de los condensadores, la capacidad de las uniones en serie y paralelo se calculan al revés que en el caso de las resistencias.

La capacidad de una unión en paralelo de condensadores es igual a la suma de las capacidades de cada condensador, es decir:

Aquí tenemos un ejemplo:

En el caso de una unión de condensadores en serie, la capacidad total es igual a la inversa de la suma de las inversas de las capacidades:

Os dejamos un ejemplo a continuación:

Aquí finalizamos el post de condensadores, el próximo será el último capítulo de la serie de componentes eléctricos: las bobinas. 

COMPONENTES ELECTRÓNICOS (I): RESISTENCIAS

Con este post comenzamos una serie de entradas sobre los tres componentes más fundamentales de cualquier circuito eléctrico: las resistencias, los condensadores y las bobinas. Estos componentes son los conocidos como componentes pasivos. Con esta serie de entradas se pretende profundizar un poco más en el análisis de circuitos.

Una resistencia es un componente que se opone al paso de la corriente eléctrica a través de él. El valor de una resistencia depende del material del que esté fabricada, de su longitud (cuanto mayor longitud, mayor resistencia) y de su sección (a mayor sección, menor resistencia). La unidad de medida de este parámetro en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω).

Ejemplo de resistencias comerciales

Las resistencias comerciales tienen impresas cuatro líneas de colores que indican su valor. Estas líneas representan un código: las dos primeras bandas representan las dos primeras cifras del valor de la resistencia. La tercera línea representa un multiplicador, es decir, un número por el que se multiplica el valor formado por las dos cifras anteriores, dando lugar al valor final de la resistencia. Finalmente, la última banda representa la tolerancia, es decir, el margen máximo que el valor de la resistencia podrá desviarse del calculado mediante las otras tres líneas. En la siguiente imagen se pueden observar los valores de los diferentes códigos de color para cada banda.

Código de colores de resistencias comerciales

Puesto que las resistencias comerciales sólo pueden tomar ciertos valores, para obtener cualquier otro valor será necesario recurrir a uniones en serie y paralelo de diferentes resistencias.

En cuanto a la forma de operar con resistencias en circuitos eléctricos cabe tener en cuenta dos opciones, que las diferentes resistencias estén en serie, o en cambio se encuentren en paralelo.

La resistencia total de una unión en serie de varias resistencias es igual a la suma de los valores de las mismas:

Podemos ver en la ilustración siguiente un ejemplo de cálculo:

En el caso de una unión de resistencias en paralelo, la resistencia total es igual a la inversa de la suma de las inversas de las resistencias:

Podemos ver en la ilustración siguiente un ejemplo de cálculo:

Hasta aquí el post relacionado con las resistencias. En el próximo veremos los condensadores, otro elemento pasivo con algunas particularidades interesantes. ¡Hasta pronto!

ANÁLISIS DE CIRCUITOS (II)

En este post vamos a estudiar las distintas herramientas de las que disponemos para resolver circuitos eléctricos: la ley de Ohm y las leyes de Kirchoff.

Ley de Ohm

En un circuito eléctrico, el voltaje, la corriente y las resistencias están siempre en perfecto balance. Por ejemplo, en un circuito con resistencias fijas, aumentar el voltaje resultará en un incremento de corriente eléctrica. Asimismo, incrementar la resistencia en un circuito con tensión fija resultará en un decrecimiento de la corriente eléctrica.

Esta relación es conocida como la ley de Ohm, nombrada así en el siglo XIX en honor al físico George Simon Ohm. La Ley de Ohm es la ley fundamental en los circuitos eléctricos y determina cómo se comporta la electricidad en ellos. La ley de Ohm se representa con las siguientes fórmulas matemáticas:

Ley de Ohm

Donde:

V: diferencia de potencial (Voltios)

I: Intensidad de corriente (Amperios)

R: Resistencia (Ohms)

Leyes de Kirchoff

Por otro lado, y antes de hablar de las leyes de Kirchoff, es conveniente aclarar los conceptos de nodo y malla:

Nodo: Se llama nodo a todo punto de un circuito donde confluyen más de dos conductores. En la imagen inferior, podemos observar dos nodos diferentes, en el A confluyen tres conductores, mientras que, en el B, lo hacen cuatro.

Ejemplo de Nodos

Malla: Es todo recorrido cerrado que pueda seguirse en un circuito sin pasar dos veces por un mismo nodo. En la imagen inferior podemos observar tres mallas distintas.

Ejemplo de mallas

Una vez teniendo esto claro, pasamos a enunciar las dos leyes de Kirchoff, una orientada a la corriente y otra a la tensión.

Primera ley de Kirchoff

Esta ley es el resultado de aplicar el principio de conservación de la carga a los nodos de una red. Si tenemos un nodo cualquiera de un circuito, con corrientes entrantes y salientes y asumiendo que en un nodo no se puede acumular carga, en cualquier instante de tiempo, la corriente total que entra en un nodo debe ser igual a la corriente total que sale del mismo, o lo que es lo mismo, en todo nodo, la suma algebraica de las corrientes, es igual a cero.

Para ilustrar esta ley, podemos observar la imagen a continuación. Se trata de un cricuito con dos nodos, el nodo a y el nodo b.

Según la primera ley de Kirchoff, la suma de corrientes en el nodo a será por tanto:

ó lo que es lo mismo, 

Mientras que en el nodo b:

Ó bien,

Segunda ley de Kirchoff

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

En este caso, la suma de las caídas de tensión producidas en cada resistencia sería igual a la tensión suministrada por la fuente. Es decir:

 o lo que es lo mismo,

Con estas dos leyes, ya podremos resolver cualquier circuito eléctrico. En las próximas entradas profundizaremos algo más en los distintos componentes eléctricos. ¡Nos vemos pronto!

ANÁLISIS DE CIRCUITOS (I)

En esta serie de post vamos a introducirnos en el interesante mundo del análisis de circuitos. Para ello, en primer lugar, hablaremos de algunos conceptos teóricos fundamentales para en  posteriores entradas, estudiar las leyes de Ohm y Kirchoff, básicas para el análisis de cualquier circuito eléctrico.

Como hemos comentado anteriormente, en este artículo vamos a definir cuatro conceptos teóricos fundamentales para posteriormente poder realizar el análisis de un circuito. Estos conceptos son:

• Corriente
• Tensión
• Resistencia
• Potencia

A continuación, las definiremos una a una.

Corriente eléctrica

La corriente eléctrica es básicamente el flujo de carga eléctrica que recorre un material. ​ Se debe al movimiento de las cargas, normalmente electrones, en el interior del mismo. Al caudal de corriente, es decir, la cantidad de carga por unidad de tiempo, se lo denomina intensidad de corriente eléctrica y se expresa según el Sistema Internacional de Unidades en culombios por segundo (C/s), unidad que se denomina amperio (A).

La circulación de los electrones a través de un material conductor se produce siempre desde el polo negativo (-) al positivo (+) de la fuente de suministro, sin embargo, el criterio establecido a la hora de analizar circuitos es inverso, es decir, se considera que la corriente circula desde el polo positivo (+) al negativo (-). Este criterio se debe a razones históricas ya que en la época en la que se trató de explicar cómo fluía la corriente eléctrica por los materiales, la comunidad científica desconocía la existencia de los electrones y decidió utilizar este criterio. No obstante, en la práctica, ese error no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere.

Tensión eléctrica

La tensión eléctrica o diferencia de potencial (denominada también voltaje) es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Puede definirse también como el trabajo por unidad de carga que realiza el campo eléctrico para mover una partícula cargada entre dos puntos. La unidad de medida de esta magnitud es el voltio (V).

La tensión entre dos puntos es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial eléctrico de dichos puntos en el campo eléctrico, que es un campo conservativo.

Al unir dos puntos con una diferencia de potencial mediante un conductor, se produce un flujo de electrones, es decir, parte de la carga en el punto de mayor potencial se moverá a través del conductor a la parte con menor potencial. En el caso de que no haya una fuente externa o generador, esta corriente cesa cuando ambos puntos tengan el mismo potencial eléctrico. El traslado de estas cargas de un punto a otro, es lo que se conoce como corriente eléctrica, mencionada en el punto anterior.

Resistencia eléctrica

La resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.

Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Cuanto menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor.

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado y es el producto de la tensión por la corriente. La potencia eléctrica se mide en Julios por segundo y su unidad es el Vatio o Watt (W).

En el siguiente post entraremos en el análisis de circuitos mediante el estudio de la ley de Ohm y las leyes de Kirchoff.

LA DINAMO

Hasta ahora hemos hablado de los motores de corriente continua. Los motores eléctricos transforman la energía eléctrica en trabajo mecánico. En esta entrada vamos a hablar de la dinamo, la cual transforma un trabajo mecánico en energía eléctrica, siendo, por tanto, el caso contrario al motor.

Una dinamo es básicamente un tipo de generador eléctrico, es decir, un dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. El principio de operación de la dinamo es la inducción electromagnética, es decir, se logra obtener un flujo de corriente continua mediante el uso de campos magnéticos y una entrada de energía cinética.

El concepto se debe a Michael Faraday que durante 1830 y 1832 descubrió que un conductor eléctrico moviéndose en un campo magnético generaba una diferencia de potencial e inducía una corriente eléctrica. Esa "inducción electromagnética" quedó como principio de los generadores eléctricos, transformadores y muchos otros aparatos. 

Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco de Faraday, empleando un disco de cobre que giraba mediante el uso de una manivela entre los extremos de un imán con forma de herradura, generándose así una pequeña corriente continua.

Disco de Faraday

La dinamo fue un dispositivo que captó la atención de muchos a lo largo del siglo XIX, pero alcanzó su cúspide en el siglo XX cuando se utilizó como generador eléctrico para automóviles. A pesar de su auge anterior, las dínamos fueron sustituidas durante los sesenta y setenta del siglo XX debido a que la energía que podían entregar era limitada, sobre todo por el tamaño que debían alcanzar los imanes para poder suministrar la energía requerida, por lo que fue reemplazada por los alternadores a nivel automotriz.

Sin embargo, estos dispositivos resultan más eficientes en coste que los alternadores para muchas aplicaciones de bajo voltaje, sobre todo para dispositivos sin baterías en los que la energía es proporcionada por una persona, algunos ejemplos son las linternas de mano o los cargadores de baterías.

Además, uno de los nichos en los que más se suele ver la aplicación de dinamos es en circuitería complementaria para bicicletas, en donde una dinamo de cilindro puede aportar energía a una lámpara LED fácilmente, permitiendo a los ciclistas usar lámparas sin baterías en la oscuridad.

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA (III): FUNCIONAMIENTO

Para explicar el funcionamiento de este tipo de motor vamos a basarnos en su versión más simple, un motor bipolar.

En la imagen se puede observar que este motor consta de un imán permanente dividido en dos partes fijas y que forman parte del estator. El semicírculo rojo corresponde al polo norte mientras que el azul corresponde al sur.

Entre estos dos polos, observamos el rotor, que consta de un electroimán que va girando entre los polos magnéticos del imán permanente. Además, se puede observar un colector dividido en dos segmentos y dos escobillas haciendo contacto con ellos en el eje del rotor.

La batería está conectada de tal manera que la corriente fluye desde el polo positivo, que se encuentra conectado a la escobilla izquierda hasta el polo negativo conectado a la derecha. Las escobillas permanecen en contacto permanente con las secciones del colector incluso mientras el rotor se encuentra girando.

Como podemos observar en la imagen, los segmentos del colector y por tanto la bobina del rotor se energizan con la corriente eléctrica que suministra la pila por el contacto del colector con las escobillas. La corriente que recibe el colector a través de la escobilla izquierda, identificada con el símbolo + recorre las espiras de la bobina de la mitad roja del electroimán y continúa recorriendo posteriormente las espiras de la mitad azul para finalmente retornar al polo negativo de la batería y completar el circuito eléctrico.

Cuando la corriente eléctrica comienza a fluir por la parte de la bobina con las espiras rojas, el electroimán adquiere polaridad norte “N” en ese extremo y polaridad sur “S” en el lado opuesto, representado por las espiras azules.

Según la Ley de Lorentz y aplicando la “Regla de la mano izquierda” se puede comprobar que, en estas condiciones, debido al torque magnético producido en el sentido contrario a las agujas del reloj, el rotor comienza a girar. Este torque es el resultado del rechazo que se produce entre las polaridades iguales del campo electromagnético del rotor y el campo magnético del imán permanente colocado en el estator.  

Cada vez que el electroimán del rotor gira media vuelta y alcanza la posición vertical, las escobillas dejan de hacer contacto con los segmentos del color, que también giran junto al rotor. En esta posición, el flujo de corriente eléctrica a las espiras de la bobina del rotor para instantáneamente. Sin embargo, la fuerza de inercia o impulso que mantiene el electroimán, hacen que continúe girando y este punto se sobrepase inmediatamente, por lo que los segmentos del colector ahora pasan a tener la posición contraria a la que tenían anteriormente y entran en contacto de nuevo con las escobillas.

Como se puede observar, la bobina del rotor vuelve a energizarse, sin embargo, al haber cambiado la polaridad de la corriente eléctrica suministrada por el colector, los polos magnéticos del electroimán del rotor cambian también. Este cambio periódico en la polaridad de la corriente que alimenta la bobina, permite que los polos del electroimán sean siempre los mismos a cada lado del eje del rotor, por lo que son continuamente rechazados por los polos magnéticos del imán permanente, dando lugar a que el rotor gire ininterrumpidamente mientras se le suministre corriente desde la fuente de fuerza electromotriz.

Hasta aquí la explicación sobre el funcionamiento de este tipo de motores tan importantes a nivel industrial. Con este último post, cerramos las entradas dedicadas a los motores de corriente continua. Próximamente podréis encontrar información sobre motores de alterna, también muy interesantes.  

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA (II): PARTES

En este capítulo, vamos a seguir con los motores de corriente continua centrándonos en sus partes principales para posteriormente poder detenernos con más detalle en su funcionamiento.

Las partes principales que componen un motor de este tipo son:

• Estator
• Rotor
• Entrehierro
• Colector de delgas
• Escobillas

A continuación vamos a explicarlas una a una con detalle.

El estator constituye la parte fija del motor y opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. Está constituido principalmente por un conjunto de láminas de acero al silicio, que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad.

En su interior, regularmente distribuidos se encuentran, en número par, los polos inductores, sujetos mediante tornillos a la carcasa. Alrededor de los polos se encuentran unas bobinas, que constituyen el devanado inductor, generalmente de hilo de cobre aislado, que, al ser alimentadas por una corriente continua, generan el campo inductor de la máquina, presentando alternativamente polaridades norte y sur.

El rotor, está construido con chapas de acero aisladas unas de otras por una capa de barniz o de óxido. Se encuentra montado sobre el eje de la máquina y constituye la parte móvil del motor. Es el elemento de transferencia mecánica, puesto que de él depende la conversión de la energía eléctrica. En su superficie externa presenta unas ranuras donde van alojadas las bobinas del devanado inducido de la máquina que por norma general está realizado en hilo de cobre convenientemente aislado.

El entrehierro, es el espacio entre el estator y el rotor. Debe existir para que no haya rozamiento entre ambos, aunque debe tener el menor tamaño posible puesto que debido a la elevada reluctancia magnética del aire, si este espacio fuera muy amplio, el campo magnético inductor se vería debilitado.

El colector de delgas se encuentra sobre el eje de giro y debe disponer de tantas delgas como bobinas tiene el devanado inducido, cada delga está unida eléctricamente al punto de conexión de una bobina con otra. Están fabricadas de cobre y separadas entre sí por unas delgadas películas de mica que las aísla.

Las escobillas están fabricadas de carbón y aseguran el contacto eléctrico entre las delgas del colector y el circuito de corriente continua exterior, ya que siempre están rozando sobre el colector, por ello se produce un desgaste progresivo que acorta su vida útil, teniendo que sustituirlas cada cierto tiempo. Desde las escobillas se conecta con la placa de bornes de la máquina.

Para acabar, os dejo una imagen con cada una de las partes indicadas para que podáis haceros una mejor idea de la disposición de cada uno de los elementos de los que hemos hablado:

Partes de un motor

Motor en movimiento

Ahora que ya sabemos las partes que componen el motor, en el siguiente post pasaremos a conocer su funcionamiento.

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA (I): INFORMACIÓN BÁSICA Y APLICACIONES

En esta serie de post vamos a hablar de los tipos de motores existentes, su tipología, constitución, funcionamiento y características. Comenzaremos con el motor de corriente continua. ¡Espero que os resulte interesante y útil!

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA (I)

Los motores de corriente continua (abreviados como c.c.) tienen una serie de características que los hace muy recomendables para ciertas aplicaciones, por lo que poco a poco se hacen más comunes en el ámbito industrial.

Las características que los hacen tan atractivos son entre otras:

• Su amplia gama de velocidad
• Su fácil control
• La flexibilidad de sus curvas par-velocidad
• El alto rendimiento que presentan para un gran rango de velocidades
• Su elevada capacidad de sobrecarga

Pero para poder entender su importancia, primero vamos a describir lo que son, su funcionamiento y su constitución.

¿Qué son los motores de corriente continua?

Los primeros motores que se construyeron ya en el siglo XIX por Michael Faraday y Zénobe Gramme fueron de este tipo, por lo tanto, podemos decir que su desarrollo es relativamente antiguo.

Michael Faraday

Estos motores son convertidores electro-mecánicos que utilizan los fenómenos de inducción y de par electromagnético para transformar la energía eléctrica en mecánica. Básicamente, los devanados de los que consta el motor, recogen la corriente continua de la red y generan campos magnéticos que provocan que el motor se mueva rotativamente.

Cabe distinguir entre dos modos de trabajo, en vacío o con carga. En el primer caso, el motor no realiza ningún trabajo útil ya que no arrastra ninguna carga al no tener acoplado ningún objeto en su eje. En estas condiciones, serían nulos el par motor y la intensidad del inducido, ya que la potencia eléctrica que se absorbe de la red es la mínima para producir el campo magnético inductor.

Al contrario, un motor funciona con carga cuando sí arrastra algún objeto en su eje, con lo que absorbe energía mecánica.

En el próximo post hablaremos del principio de funcionamiento de estos motores y su constitución. ¡Os espero!