Herramientas de usuario
guias:iniciacion_a_la_electronica
Diferencias
Muestra las diferencias entre dos versiones de la página.
| Ambos lados, revisión anteriorRevisión previaPróxima revisión | Revisión previa | ||
| guias:iniciacion_a_la_electronica [2020/04/12 16:26] – [6.2.- Comportamiento de un condensador en continua.] Jose Manuel Mariño Mariño | guias:iniciacion_a_la_electronica [2025/09/07 20:46] (actual) – Jose Manuel Mariño Mariño | ||
|---|---|---|---|
| Línea 1: | Línea 1: | ||
| ====== INICIACIÓN A LA ELECTRÓNICA. ====== | ====== INICIACIÓN A LA ELECTRÓNICA. ====== | ||
| - | + | Aquí se supone que en un futuro, esperemos que no muy lejano, vaya un mini/ | |
| - | Aquí se supone que en un futuro, esperemos que no muy lejano, vaya un mini/ | + | |
| - | Intentaremos explicar con términos sencillos, y con las matemáticas justas, los principios de funcionamiento de los dispositivos electrónicos más comunes, así como los circuitos típicos de aplicación. | + | |
| PÁGINA EN CONSTRUCCIÓN. No te molestes en seguir leyendo. | PÁGINA EN CONSTRUCCIÓN. No te molestes en seguir leyendo. | ||
| - | |||
| ---- | ---- | ||
| Línea 133: | Línea 130: | ||
| Sí, es cierto. Es una mentirijilla que se ha mantenido durante unos cuantos siglos. Aunque llamarla mentirijilla sería injusto, y veamos por qué. | Sí, es cierto. Es una mentirijilla que se ha mantenido durante unos cuantos siglos. Aunque llamarla mentirijilla sería injusto, y veamos por qué. | ||
| - | La existencia de la electricidad se conoce desde hace miles de años. La palabra electricidad mismamente viene del griego // | + | La existencia de la electricidad se conoce desde hace miles de años. La palabra electricidad mismamente viene del griego // |
| Lo que ocurre es que los griegos conocían las propiedades del ámbar, pero no entendían muy bien el porqué de su comportamiento. No fue hasta después de unos cuantos siglos, a partir del S. XVI, cuando se comenzaron a conseguir avances importantes en el estudio del fenómeno eléctrico, y en consideración a los clásicos griegos que lo habían estudiado mucho antes, se le llamó // | Lo que ocurre es que los griegos conocían las propiedades del ámbar, pero no entendían muy bien el porqué de su comportamiento. No fue hasta después de unos cuantos siglos, a partir del S. XVI, cuando se comenzaron a conseguir avances importantes en el estudio del fenómeno eléctrico, y en consideración a los clásicos griegos que lo habían estudiado mucho antes, se le llamó // | ||
| Línea 143: | Línea 140: | ||
| Da igual considerar cargas eléctricas negativas que se mueven en un sentido, o cargas eléctricas positivas que se mueven en el sentido contrario. Además, también se habla muchas veces de //corriente de huecos//, ya que cuando un electrón se mueve deja un hueco que debe ser reemplazado por otro electrón que viene detrás. Los electrones se mueven en una dirección y el hueco se va moviendo en la contraria. | Da igual considerar cargas eléctricas negativas que se mueven en un sentido, o cargas eléctricas positivas que se mueven en el sentido contrario. Además, también se habla muchas veces de //corriente de huecos//, ya que cuando un electrón se mueve deja un hueco que debe ser reemplazado por otro electrón que viene detrás. Los electrones se mueven en una dirección y el hueco se va moviendo en la contraria. | ||
| - | PERO YA ESTÁ BIEN DE HISTORIAS... | + | PERO YA ESTÁ BIEN DE HISTORIAS… |
| Conocemos el concepto de voltaje eléctrico, o diferencia de potencial. Es la altura de la " | Conocemos el concepto de voltaje eléctrico, o diferencia de potencial. Es la altura de la " | ||
| Línea 154: | Línea 151: | ||
| Es el momento de presentaros a la **Ley de Ohm.** | Es el momento de presentaros a la **Ley de Ohm.** | ||
| - | |||
| ===== 2.- La Ley de Ohm (no, no vamos a hacer meditación). ===== | ===== 2.- La Ley de Ohm (no, no vamos a hacer meditación). ===== | ||
| Línea 220: | Línea 216: | ||
| ---- | ---- | ||
| - | |||
| ===== 3.- Energía y potencia eléctrica. ===== | ===== 3.- Energía y potencia eléctrica. ===== | ||
| Línea 232: | Línea 227: | ||
| La expresión matemática para la potencia será entonces: | La expresión matemática para la potencia será entonces: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> P = E / t </ |
| - | P = E / t | + | |
| - | </ | + | |
| - | , siendo **E** la variación de energía de un sistema, o bien el trabajo realizado sobre él. | + | , siendo **E** la variación de energía de un sistema, o bien el trabajo realizado sobre él. |
| La unidad de potencia del sistema internacional es el **vatio (W)**. | La unidad de potencia del sistema internacional es el **vatio (W)**. | ||
| - | |||
| Vamos a ver qué es la energía en un escenario de mecánica clásica. ¿Recordáis ese Arduino UNO que se caía desde lo alto del armario? Pues ese Arduino pierde energía potencial durante su caída, que se va convirtiendo en energía cinética (velocidad). Al llegar al suelo, esa energía cinética se emplea en realizar un trabajo: seguramente el Arduino haya sufrido alguna fractura, o alguna pieza se habrá deformado, e incluso una parte de la energía se habrá disipado en forma de calor. | Vamos a ver qué es la energía en un escenario de mecánica clásica. ¿Recordáis ese Arduino UNO que se caía desde lo alto del armario? Pues ese Arduino pierde energía potencial durante su caída, que se va convirtiendo en energía cinética (velocidad). Al llegar al suelo, esa energía cinética se emplea en realizar un trabajo: seguramente el Arduino haya sufrido alguna fractura, o alguna pieza se habrá deformado, e incluso una parte de la energía se habrá disipado en forma de calor. | ||
| - | Podemos decir que la energía potencial perdida por el Arduino se ha empleado en realizar un trabajo (romper algo, doblar un pin, etc...). | + | Podemos decir que la energía potencial perdida por el Arduino se ha empleado en realizar un trabajo (romper algo, doblar un pin, etc…). |
| De la misma forma, cuando cogemos el Arduino del suelo y lo subimos de nuevo al armario estamos realizando un trabajo sobre él. Este trabajo que realizamos sobre el Arduino le aporta energía al mismo. ¿Qué tipo de energía? Pues energía potencial, ya que lo estamos trasladando desde el suelo hasta una posición más elevada. Más concretamente, | De la misma forma, cuando cogemos el Arduino del suelo y lo subimos de nuevo al armario estamos realizando un trabajo sobre él. Este trabajo que realizamos sobre el Arduino le aporta energía al mismo. ¿Qué tipo de energía? Pues energía potencial, ya que lo estamos trasladando desde el suelo hasta una posición más elevada. Más concretamente, | ||
| Resumiendo: | Resumiendo: | ||
| - | | + | |
| - | * El Arduino realiza un trabajo (al caer) -> El Arduino reduce su energía. | + | |
| + | * El Arduino realiza un trabajo (al caer) → El Arduino reduce su energía. | ||
| Si hablamos de la electricidad, | Si hablamos de la electricidad, | ||
| - | Cuantas más cargas se muevan de un punto a otro, más energía liberarán (o más energía habrá que aportarles, dependiendo de en qué sentido queremos que se muevan). | + | Cuantas más cargas se muevan de un punto a otro, más energía liberarán (o más energía habrá que aportarles, dependiendo de en qué sentido queremos que se muevan). Dicho de otro modo, la cantidad de energía implicada en un lapso de tiempo concreto será directamente proporcional a la cantidad de cargas que se muevan en ese intervalo de tiempo, y también será directamente proporcional al salto de potencial que experimenten dichas cargas. |
| - | Dicho de otro modo, la cantidad de energía implicada en un lapso de tiempo concreto será directamente proporcional a la cantidad de cargas que se muevan en ese intervalo de tiempo, y también será directamente proporcional al salto de potencial que experimenten dichas cargas. | + | |
| + | Mmmmm…. Analicemos con un poco más de calma lo que acabamos de decir: | ||
| - | Mmmmm.... Analicemos con un poco más de calma lo que acabamos de decir: | ||
| * La cantidad de energía por intervalo de tiempo no es más que la definición de **potencia**. | * La cantidad de energía por intervalo de tiempo no es más que la definición de **potencia**. | ||
| * La cantidad de cargas por intervalo de tiempo no es más que la definición de **intensidad eléctrica**. | * La cantidad de cargas por intervalo de tiempo no es más que la definición de **intensidad eléctrica**. | ||
| - | * El salto de potencial que experimentan dichas cargas no es más que el **voltaje** o diferencia de potencial que experimentan las cargas. | + | * El salto de potencial que experimentan dichas cargas no es más que el **voltaje** |
| Por lo tanto, la expresión de la potencia eléctrica que nos queda es así de simple: | Por lo tanto, la expresión de la potencia eléctrica que nos queda es así de simple: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> P = V · I </ |
| - | P = V · I | + | |
| - | </ | + | |
| Las unidades en las que se mide la energía, como ya hemos dicho antes, son los **vatios (W)**. Si lo que queremos es conocer la cantidad de energía, necesitamos saber la cantidad de tiempo durante la cual se desarrolla esa potencia, y no tenemos más que realizar la multiplicación: | Las unidades en las que se mide la energía, como ya hemos dicho antes, son los **vatios (W)**. Si lo que queremos es conocer la cantidad de energía, necesitamos saber la cantidad de tiempo durante la cual se desarrolla esa potencia, y no tenemos más que realizar la multiplicación: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> E = P · t </ |
| - | E = P · t | + | |
| - | </ | + | |
| Esta última fórmula es la misma que hemos dado antes para la potencia, pero ahora hemos despejado el término de la energía. Si la potencia era la energía por unidad de tiempo, la energía se puede definir como la potencia multiplicada por el tiempo. | Esta última fórmula es la misma que hemos dado antes para la potencia, pero ahora hemos despejado el término de la energía. Si la potencia era la energía por unidad de tiempo, la energía se puede definir como la potencia multiplicada por el tiempo. | ||
| Línea 278: | Línea 267: | ||
| Fijémonos muy bien en estas unidades, porque es muy frecuente interpretarlas mal: | Fijémonos muy bien en estas unidades, porque es muy frecuente interpretarlas mal: | ||
| + | |||
| * Se leen como " | * Se leen como " | ||
| * Se escriben con un signo de multiplicación (W·h, KW·h) -aunque se puede omitir-, y no de división (W/h, KW/h). | * Se escriben con un signo de multiplicación (W·h, KW·h) -aunque se puede omitir-, y no de división (W/h, KW/h). | ||
| Insistimos: | Insistimos: | ||
| + | |||
| * " | * " | ||
| * " | * " | ||
| * " | * " | ||
| * " | * " | ||
| - | |||
| ---- | ---- | ||
| Línea 299: | Línea 289: | ||
| Pero no adelantemos acontecimientos y veamos cómo se comportan las resistencias, | Pero no adelantemos acontecimientos y veamos cómo se comportan las resistencias, | ||
| - | |||
| ==== 4.1.- Resistencia equivalente en serie. ==== | ==== 4.1.- Resistencia equivalente en serie. ==== | ||
| Línea 308: | Línea 297: | ||
| Veamos qué podemos deducir de este tipo de circuitos: | Veamos qué podemos deducir de este tipo de circuitos: | ||
| + | |||
| * La corriente que atraviesa una resistencia es la misma que atraviesa la otra. Efectivamente, | * La corriente que atraviesa una resistencia es la misma que atraviesa la otra. Efectivamente, | ||
| * La suma de las tensiones de cada resistencia es igual a la tensión total aplicada al circuito. Como podemos ver en el esquema, la tensión de la batería se aplica a los extremos de la cadena, luego la suma de tensiones parciales de cada una de las resistencias tiene que ser igual a la tensión que estamos aplicando al conjunto. | * La suma de las tensiones de cada resistencia es igual a la tensión total aplicada al circuito. Como podemos ver en el esquema, la tensión de la batería se aplica a los extremos de la cadena, luego la suma de tensiones parciales de cada una de las resistencias tiene que ser igual a la tensión que estamos aplicando al conjunto. | ||
| - | Tenemos claro que la intensidad es la misma en las dos resistencias, | + | Tenemos claro que la intensidad es la misma en las dos resistencias, |
| - | Pues entonces podemos decir que: | + | |
| - | + | <WRAP center round box 20%> I = I< | |
| - | <WRAP center round box 20%> | + | |
| - | I = I< | + | |
| - | </ | + | |
| , o dicho de otra forma, que la intensidad que recorre el circuito es la que recorre cualquiera de las dos resistencias. | , o dicho de otra forma, que la intensidad que recorre el circuito es la que recorre cualquiera de las dos resistencias. | ||
| Línea 323: | Línea 309: | ||
| ¿Cuál será la tensión presente en cada una de las resistencias? | ¿Cuál será la tensión presente en cada una de las resistencias? | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> V< |
| - | V< | + | |
| - | V< | + | V< |
| - | </ | + | |
| , pero hemos dicho que la intensidad es la misma para las dos resistencias, | , pero hemos dicho que la intensidad es la misma para las dos resistencias, | ||
| + | <WRAP center round box 20%> V< | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | V< |
| - | V< | + | |
| - | + | ||
| - | V< | + | |
| - | </ | + | |
| , y además sabemos que la suma de las tensiones parciales debe ser igual a la tensión total, luego podemos decir que: | , y además sabemos que la suma de las tensiones parciales debe ser igual a la tensión total, luego podemos decir que: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> V = V< |
| - | V = V< | + | |
| - | V = I · R< | + | V = I · R< |
| - | </ | + | |
| , y si sacamos factor común de la expresión anterior, nos queda que: | , y si sacamos factor común de la expresión anterior, nos queda que: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> V = I · (R< |
| - | V = I · (R< | + | |
| - | </ | + | |
| Supongamos ahora que ese conjunto de dos resistencias en serie lo sustituimos por una sola resistencia equivalente. Cuando hablamos de resistencia equivalente nos referimos a que si la conectamos a la misma batería, circulará la misma corriente. Por eso se llama equivalente, | Supongamos ahora que ese conjunto de dos resistencias en serie lo sustituimos por una sola resistencia equivalente. Cuando hablamos de resistencia equivalente nos referimos a que si la conectamos a la misma batería, circulará la misma corriente. Por eso se llama equivalente, | ||
| Línea 358: | Línea 333: | ||
| En ese caso, tendríamos que al aplicar la Ley de Ohm a nuestra resistencia equivalente: | En ese caso, tendríamos que al aplicar la Ley de Ohm a nuestra resistencia equivalente: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> V = I · R< |
| - | V = I · R< | + | |
| - | </ | + | |
| Así que ahora no tenemos más que igualar las dos expresiones: | Así que ahora no tenemos más que igualar las dos expresiones: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> V = I · R< |
| - | V = I · R< | + | |
| - | </ | + | |
| , y si de la segunda igualdad eliminamos la intensidad que aparece multiplicando a ambos lados, nos queda: | , y si de la segunda igualdad eliminamos la intensidad que aparece multiplicando a ambos lados, nos queda: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> R< |
| - | R< | + | |
| - | </ | + | |
| , que es la expresión que nos da la resistencia equivalente de dos resistencias en serie. | , que es la expresión que nos da la resistencia equivalente de dos resistencias en serie. | ||
| + | |||
| ==== 4.2.- Resistencia equivalente en paralelo. ==== | ==== 4.2.- Resistencia equivalente en paralelo. ==== | ||
| Línea 384: | Línea 352: | ||
| Veamos qué podemos deducir de este tipo de circuitos: | Veamos qué podemos deducir de este tipo de circuitos: | ||
| + | |||
| * La tensión o voltaje aplicado a cada una de las resistencias es la misma para todas, que además es la misma que la de la batería. Esto lo podemos deducir directamente del esquema: todas las baterías están conectados a los dos polos o bornes de la batería. | * La tensión o voltaje aplicado a cada una de las resistencias es la misma para todas, que además es la misma que la de la batería. Esto lo podemos deducir directamente del esquema: todas las baterías están conectados a los dos polos o bornes de la batería. | ||
| * La intensidad que circula por el circuito es igual a la suma de las intensidades que circulan por cada una de las resistencias. Aunque nos estamos adelantando un poco y aún no hemos hablado de Kirchoff, se puede deducir también del esquema que la corriente que llega desde el polo positivo de la batería al punto de conexión superior se reparte entre las conexiones de las dos resistencias. Luego, a la salida de las resistencias, | * La intensidad que circula por el circuito es igual a la suma de las intensidades que circulan por cada una de las resistencias. Aunque nos estamos adelantando un poco y aún no hemos hablado de Kirchoff, se puede deducir también del esquema que la corriente que llega desde el polo positivo de la batería al punto de conexión superior se reparte entre las conexiones de las dos resistencias. Luego, a la salida de las resistencias, | ||
| - | Tenemos claro que el voltaje es el mismo en las dos resistencias, | + | Tenemos claro que el voltaje es el mismo en las dos resistencias, |
| - | Pues entonces podemos decir que: | + | |
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> V = V< |
| - | V = V< | + | |
| - | </ | + | |
| ¿Cuál será la intensidad que circula por cada una de las resistencias? | ¿Cuál será la intensidad que circula por cada una de las resistencias? | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> I< |
| - | I< | + | |
| - | I< | + | I< |
| - | </ | + | |
| , pero hemos dicho que el voltaje es el mismo para las dos resistencias, | , pero hemos dicho que el voltaje es el mismo para las dos resistencias, | ||
| + | <WRAP center round box 20%> I< | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | I< |
| - | I< | + | |
| - | + | ||
| - | I< | + | |
| - | </ | + | |
| , y además sabemos que la suma de las intensidades de ambas resistencias es igual a la intensidad total que sale de la batería, luego podemos decir que: | , y además sabemos que la suma de las intensidades de ambas resistencias es igual a la intensidad total que sale de la batería, luego podemos decir que: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> I = I< |
| - | I = I< | + | |
| - | I = V / R< | + | I = V / R< |
| - | </ | + | |
| , y si sacamos factor común de la expresión anterior, nos queda que: | , y si sacamos factor común de la expresión anterior, nos queda que: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> I = V / (R< |
| - | I = V / (R< | + | |
| - | </ | + | |
| Supongamos ahora que ese conjunto de dos resistencias en paralelo lo sustituimos por una sola resistencia equivalente. | Supongamos ahora que ese conjunto de dos resistencias en paralelo lo sustituimos por una sola resistencia equivalente. | ||
| Línea 431: | Línea 386: | ||
| En ese caso, tendríamos que al aplicar la Ley de Ohm a nuestra resistencia equivalente: | En ese caso, tendríamos que al aplicar la Ley de Ohm a nuestra resistencia equivalente: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> I = V / R< |
| - | I = V / R< | + | |
| - | </ | + | |
| Así que ahora no tenemos más que igualar las dos expresiones: | Así que ahora no tenemos más que igualar las dos expresiones: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> I = V / R< |
| - | I = V / R< | + | |
| - | </ | + | |
| , y si de la segunda igualdad eliminamos la intensidad que aparece multiplicando a ambos lados, nos queda: | , y si de la segunda igualdad eliminamos la intensidad que aparece multiplicando a ambos lados, nos queda: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> 1 / R< |
| - | 1 / R< | + | |
| - | </ | + | |
| , que es la expresión que nos da la resistencia equivalente de dos resistencias en paralelo. | , que es la expresión que nos da la resistencia equivalente de dos resistencias en paralelo. | ||
| Línea 466: | Línea 413: | ||
| Que puede parecer que no tenga mucho mérito esta Ley, pero oye, Kirchhoff se lo curró. | Que puede parecer que no tenga mucho mérito esta Ley, pero oye, Kirchhoff se lo curró. | ||
| + | |||
| ==== 5.2.- Ley de Tensiones de Kirchhoff. ==== | ==== 5.2.- Ley de Tensiones de Kirchhoff. ==== | ||
| - | Aaaaaamigoooss... Esta ya no va a ser tan fácil, aunque si lo pensáis un poco también es fácil de entender. | + | Aaaaaamigoooss… Esta ya no va a ser tan fácil, aunque si lo pensáis un poco también es fácil de entender. |
| La Ley de Tensiones de Kirchhoff, o simplemente Segunda Ley de Kirchhoff (seguramente fue la segunda porque le costó un poco más deducirla), **nos dice que la suma de las tensiones en un circuito cerrado es cero**. | La Ley de Tensiones de Kirchhoff, o simplemente Segunda Ley de Kirchhoff (seguramente fue la segunda porque le costó un poco más deducirla), **nos dice que la suma de las tensiones en un circuito cerrado es cero**. | ||
| Línea 476: | Línea 424: | ||
| Vamos a ver qué es lo que quería decir Kirchhoff con esto de las tensiones que suman cero. | Vamos a ver qué es lo que quería decir Kirchhoff con esto de las tensiones que suman cero. | ||
| - | ¿Os acordáis cuando usábamos la analogía de la altura para explicar lo que era la diferencia de potencial? Pues vamos a volver a ese modelo. | + | ¿Os acordáis cuando usábamos la analogía de la altura para explicar lo que era la diferencia de potencial? Pues vamos a volver a ese modelo. Supongamos que somos un pequeño primate en la selva africana, hambriento y a los pies de un platanero. La altura inicial a la que estamos es la del suelo, que podemos equiparar a cero. Ahora vamos a realizar unos cuantos saltos: |
| - | Supongamos que somos un pequeño primate en la selva africana, hambriento y a los pies de un platanero. La altura inicial a la que estamos es la del suelo, que podemos equiparar a cero. | + | |
| - | Ahora vamos a realizar unos cuantos saltos: | + | |
| * Pegamos un brinco de 2 metros y nos encaramamos al tronco del platanero. Nuestra altura (potencial) se ha incrementado en +2 metros. | * Pegamos un brinco de 2 metros y nos encaramamos al tronco del platanero. Nuestra altura (potencial) se ha incrementado en +2 metros. | ||
| * Luego, desde donde estamos, saltamos a la rama más cercana, que está a 3 metros de distancia. Nuestra altura (potencial) ha sufrido una variación de +3 metros, con lo que ahora estamos a 5 metros. | * Luego, desde donde estamos, saltamos a la rama más cercana, que está a 3 metros de distancia. Nuestra altura (potencial) ha sufrido una variación de +3 metros, con lo que ahora estamos a 5 metros. | ||
| Línea 489: | Línea 436: | ||
| (Vale, en este momento estáis pensando que Kirchhoff era una reencarnación del Capitán Obvio. Paciencia) | (Vale, en este momento estáis pensando que Kirchhoff era una reencarnación del Capitán Obvio. Paciencia) | ||
| - | Traslademos ahora el ejemplo al circuito eléctrico de la figura siguiente: | + | Traslademos ahora el ejemplo al circuito eléctrico de la figura siguiente:]]]]] |
| - | [[[[[PONER IMAGEN AQUI DE UN CIRCUITO CON VARIAS RESISTENCIAS EN SERIE]]]]]]] | + | Supongamos que somos un electrón que sale del borne negativo de la batería. Nuestra posición inicial, por lo tanto, es una en la que nuestro potencial es de 0 voltios. En el circuito circula una corriente determinada, |
| - | Supongamos que somos un electrón que sale del borne negativo de la batería. Nuestra posición inicial, por lo tanto, es una en la que nuestro potencial es de 0 voltios. En el circuito circula una corriente determinada, | + | |
| - | | + | * Seguimos circulando por el circuito y atravesamos la segunda resistencia, |
| - | * Seguimos circulando por el circuito y atravesamos la segunda resistencia, | + | * Seguimos caminando, porque somos un electrón al que le gusta el senderismo, y cruzamos la tercera resistencia. Nuestro potencial sufre otro incremento y ahora estamos a V< |
| - | * Seguimos caminando, porque somos un electrón al que le gusta el senderismo, y cruzamos la tercera resistencia. Nuestro potencial sufre otro incremento y ahora estamos a V< | + | |
| * Ya está, ¿no? Hemos llegado a lo mas alto del circuito. Ya estamos al potencial más alto, que es el de la batería. ¿Qué dices ahora, eh, Kirchhoff? ¿Dónde está tu dios? | * Ya está, ¿no? Hemos llegado a lo mas alto del circuito. Ya estamos al potencial más alto, que es el de la batería. ¿Qué dices ahora, eh, Kirchhoff? ¿Dónde está tu dios? | ||
| * No tan rápido, amigüitos. La Ley de Tensiones de Kirchhoff dice que debemos recorrer un circuito cerrado, y nosotros no lo hemos hecho. | * No tan rápido, amigüitos. La Ley de Tensiones de Kirchhoff dice que debemos recorrer un circuito cerrado, y nosotros no lo hemos hecho. | ||
| - | * Debemos seguir caminando y atravesar la batería. En este caso, cruzamos la batería entrando por el polo positivo (de mayor potencial) y saliendo por el negativo, con lo que nuestro incremento de potencial esta vez es negativo. Ahora nuestro potencial será de V< | + | * Debemos seguir caminando y atravesar la batería. En este caso, cruzamos la batería entrando por el polo positivo (de mayor potencial) y saliendo por el negativo, con lo que nuestro incremento de potencial esta vez es negativo. Ahora nuestro potencial será de V< |
| Ahora sí que hemos llegado al punto de partida. Aquí es donde podemos aplicar la Segunda Ley de Kirchhoff, con lo que nos queda: | Ahora sí que hemos llegado al punto de partida. Aquí es donde podemos aplicar la Segunda Ley de Kirchhoff, con lo que nos queda: | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> V< |
| - | V< | + | |
| - | </ | + | |
| Y a esto es a lo que se refería el bueno de Kirch. | Y a esto es a lo que se refería el bueno de Kirch. | ||
| + | |||
| ==== 5.3.- Teorema de Thévenin. ==== | ==== 5.3.- Teorema de Thévenin. ==== | ||
| Línea 514: | Línea 460: | ||
| Dicho de otra forma, podemos sustuir un circuito entre dos puntos A y B, por enrevesado que sea, y usar un modelo simplificado que conste tan solo de una fuente de tensión y una resistencia. De puertas afuera, es decir, visto desde esos dos puntos A y B, el circuito simplificado se comportará exactamente igual que el circuito original. | Dicho de otra forma, podemos sustuir un circuito entre dos puntos A y B, por enrevesado que sea, y usar un modelo simplificado que conste tan solo de una fuente de tensión y una resistencia. De puertas afuera, es decir, visto desde esos dos puntos A y B, el circuito simplificado se comportará exactamente igual que el circuito original. | ||
| - | |||
| ¿De qué nos sirve esto? Pues para muchas cosas, pero lo mejor es que lo veáis con un ejemplo. Cuando alguien diseña un amplificador y desea dar sus características, | ¿De qué nos sirve esto? Pues para muchas cosas, pero lo mejor es que lo veáis con un ejemplo. Cuando alguien diseña un amplificador y desea dar sus características, | ||
| El Teorema de Thévenin no se limita a resistencias, | El Teorema de Thévenin no se limita a resistencias, | ||
| - | |||
| ==== 5.4.- Teorema de Norton. ==== | ==== 5.4.- Teorema de Norton. ==== | ||
| Línea 530: | Línea 474: | ||
| ===== 6.- El condensador. ===== | ===== 6.- El condensador. ===== | ||
| - | |||
| ==== 6.1.- ¿Qué es un condensador? | ==== 6.1.- ¿Qué es un condensador? | ||
| - | Un **condensador** es un dispositivo pasivo eléctrico que es capaz de **almacenar energía eléctrica en forma de campo eléctrico**. Se dice que los condensadores almacenan carga eléctrica aunque si nos ponemos exquisitos eso no es cierto, ya que el condensador en conjunto siempre va a tener una carga total neutra. A pesar de ello, se usa muchísimo la expresión de " | + | Un **condensador** |
| Un condensador se compone simplemente de dos conductores en forma de placa enfrentados y aislados entre sí por un material dieléctrico. Cuando conectamos los terminales del condensador a una batería, entre sus placas se establece un campo eléctrico, con cargas negativas y positivas concentradas en cada uno de sus electrodos (pero ojo, que la carga total del condensador sigue siendo neutra). Cuando hablamos de la carga o de la descarga de un condensador no estamos diciendo que el condensador pase a contener carga eléctrica ya que su carga siempre será neutra. Lo que ocurre es que el condensador se carga de energía haciendo que sus electrodos se carguen ambos con la misma carga pero de signo contario. La suma de la carga de ambos electrodos siempre será cero. | Un condensador se compone simplemente de dos conductores en forma de placa enfrentados y aislados entre sí por un material dieléctrico. Cuando conectamos los terminales del condensador a una batería, entre sus placas se establece un campo eléctrico, con cargas negativas y positivas concentradas en cada uno de sus electrodos (pero ojo, que la carga total del condensador sigue siendo neutra). Cuando hablamos de la carga o de la descarga de un condensador no estamos diciendo que el condensador pase a contener carga eléctrica ya que su carga siempre será neutra. Lo que ocurre es que el condensador se carga de energía haciendo que sus electrodos se carguen ambos con la misma carga pero de signo contario. La suma de la carga de ambos electrodos siempre será cero. | ||
| Línea 542: | Línea 485: | ||
| La unidad de capacidad de los condensadores es el **Faradio (F)**, aunque esta es una unidad muuuuuy grande para los condensadores que podemos utilizar normalmente, | La unidad de capacidad de los condensadores es el **Faradio (F)**, aunque esta es una unidad muuuuuy grande para los condensadores que podemos utilizar normalmente, | ||
| - | * 1 milifaradio (mF) = 0.001 F = 10< | + | * 1 milifaradio (mF) = 0.001 F = 10< |
| - | * 1 microfaradio (μF) = 0.001 mF = 10< | + | * 1 microfaradio (μF) = 0.001 mF = 10< |
| - | * 1 nanofaradio (nF) = 0.001 μF = 10< | + | * 1 nanofaradio (nF) = 0.001 μF = 10< |
| - | * 1 picofaradio (pF) = 0.001 nF = 10< | + | * 1 picofaradio (pF) = 0.001 nF = 10< |
| Dependiendo de la tecnología de fabricación, | Dependiendo de la tecnología de fabricación, | ||
| Línea 555: | Línea 498: | ||
| ¿Qué ocurre cuando conectamos un condensador a una batería? | ¿Qué ocurre cuando conectamos un condensador a una batería? | ||
| - | En la siguiente figura podemos ver un circuito básico RC donde un condensador C (previamente descargado) se conecta a una batería mediante una resistencia R y un interruptor. | + | En la siguiente figura podemos ver un circuito básico RC donde un condensador C (previamente descargado) se conecta a una batería mediante una resistencia R y un interruptor.]] |
| - | + | ||
| - | [[[[ PONER AQUI EL ESQUEMA RC ]]]] | + | |
| Veamos ahora qué ocurre cuando cerramos el interruptor: | Veamos ahora qué ocurre cuando cerramos el interruptor: | ||
| - | Como el condensador está descargado, la diferencia de potencial entre sus terminales es de 0 voltios. | + | Como el condensador está descargado, la diferencia de potencial entre sus terminales es de 0 voltios. Por lo tanto, en el mismo instante en que cerramos el interruptor, |
| - | Por lo tanto, en el mismo instante en que cerramos el interruptor, | + | |
| - | Pero las placas del condensador están aisladas. ¿Cómo puede circular corriente? | + | Pero las placas del condensador están aisladas. ¿Cómo puede circular corriente? Lo que ocurre es que la placa superior va acumulando carga positiva, mientras que la placa inferior acumula carga negativa. Por lo tanto, no es que la corriente atraviese el condensador, |
| - | Lo que ocurre es que la placa superior va acumulando carga positiva, mientras que la placa inferior acumula carga negativa. Por lo tanto, no es que la corriente atraviese el condensador, | + | |
| - | Esto quizás se comprenda mejor si pensamos en los electrones: los electrones salen del negativo de la batería y llegan a la placa inferior, haciendo que acumule carga negativa. En la placa superior los electrones salen del condensador hacia el positivo de la batería, dejando a la placa donde estaban con carga positiva (la placa era neutra, y al perder electrones se vuelve positiva). Vemos que el efecto es como si circulase corriente a través del condensador, | + | |
| - | Bueno, prosigamos con lo que estábamos haciendo. | + | |
| * Habíamos dicho que tras cerrar el interruptor comenzaba a circular una corriente de valor V/R amperios. | * Habíamos dicho que tras cerrar el interruptor comenzaba a circular una corriente de valor V/R amperios. | ||
| * Habíamos dicho también que al circular corriente por el circuito, el condensador se iba cargando. | * Habíamos dicho también que al circular corriente por el circuito, el condensador se iba cargando. | ||
| - | * Cuando el condensador se carga, un electrodo acumula cargas positivas y el otro cargas negativas, con lo que aparece una diferencia de potencial entre las placas del condensador. Es decir, entre los terminales del condensador aparecerá una tensión V< | + | * Cuando el condensador se carga, un electrodo acumula cargas positivas y el otro cargas negativas, con lo que aparece una diferencia de potencial entre las placas del condensador. Es decir, entre los terminales del condensador aparecerá una tensión V< |
| - | * Al aparecer esta diferencia de potencial en el condensador, | + | * Al aparecer esta diferencia de potencial en el condensador, |
| * Como podéis ver, la corriente después de un instante es menor que la que había en el momento inicial en que se cerró el interruptor. | * Como podéis ver, la corriente después de un instante es menor que la que había en el momento inicial en que se cerró el interruptor. | ||
| * A medida que transcurre el tiempo, la carga en los electrodos del condensador va aumentando, y la tensión entre ellos irá aumentando. | * A medida que transcurre el tiempo, la carga en los electrodos del condensador va aumentando, y la tensión entre ellos irá aumentando. | ||
| Línea 581: | Línea 518: | ||
| * En ese momento, la intensidad será cero, y el condensador habrá terminado de cargarse. | * En ese momento, la intensidad será cero, y el condensador habrá terminado de cargarse. | ||
| - | + | Si representamos la evolución de la tensión e intensidad, nos queda una gráfica tal que así:] | |
| - | Si representamos la evolución de la tensión e intensidad, nos queda una gráfica tal que así: | + | |
| - | + | ||
| - | [[[ PONER AQUÍ UNA GRÁFICA DE CARGA RC ]]] | + | |
| No vamos a entrar en matemáticas demasiado complejas, pero si os fijáis en la gráfica resulta fácil adivinar que la intensidad va disminuyendo indefinidamente pero en realidad nunca llega a desaparecer del todo. | No vamos a entrar en matemáticas demasiado complejas, pero si os fijáis en la gráfica resulta fácil adivinar que la intensidad va disminuyendo indefinidamente pero en realidad nunca llega a desaparecer del todo. | ||
| - | Sí, sí, habéis leído bien; la intensidad nunca desaparece del todo. Esto implica que el condensador **nunca acaba de cargarse realmente**. Esto es así porque se trata de una curva exponencial, | + | Sí, sí, habéis leído bien; la intensidad nunca desaparece del todo. Esto implica que el condensador **nunca acaba de cargarse realmente**. Esto es así porque se trata de una curva exponencial, |
| + | Una vez desconectemos el condensador ya cargado del circuito, conservará indefinidamente su carga ya que ambos electrodos están aislados eléctricamente entre sí. Bueno, lo de indefinidamente aplicaría si se tratase de un condensador ideal. En la práctica (lo veremos más adelante), los condensadores se van descargando poco a poco debido a las características de los materiales de los que están hechos. Sin embargo, nos pueden dar algún susto si manipulamos condensadores que hace poco que se hayan cargado y que posean un potencial elevado, como los que podemos encontrar en los circuitos de alta tensión de los televisores antiguos (los que usan tubo de rayos catódicos). | ||
| ==== 6.3.- Descarga de un condensador. ==== | ==== 6.3.- Descarga de un condensador. ==== | ||
| - | Ahora toca ver qué es lo que ocurre cuando descargamos el condensador. Supongamos que el condensador anterior, bien cargadito a una tensión V, nos lo llevamos a otro circuito como el siguiente: | + | Ahora toca ver qué es lo que ocurre cuando descargamos el condensador. Supongamos que el condensador anterior, bien cargadito a una tensión V, nos lo llevamos a otro circuito como el siguiente:]] |
| - | [[[[ PONER AQUI EL CIRCUITO DE DESCARGA RC ]]]] | + | Las condiciones iniciales de nuestro circuito son: V< |
| - | Las condiciones iniciales de nuestro circuito son: | + | Así que accionamos |
| - | V< | + | |
| - | I = 0 (porque tenemos | + | |
| - | Así que accionamos el interruptor, | ||
| * El voltaje en la resistencia en el momento inicial es el que tenía el condensador. | * El voltaje en la resistencia en el momento inicial es el que tenía el condensador. | ||
| * Por la resistencia comienza a circular una corriente de V/R amperios. | * Por la resistencia comienza a circular una corriente de V/R amperios. | ||
| Línea 611: | Línea 543: | ||
| * Este comportamiento se repetirá indefinidamente hasta que la tensión y la intensidad desaparezcan totalmente, momento en el que el condensador se habrá descargado del todo. | * Este comportamiento se repetirá indefinidamente hasta que la tensión y la intensidad desaparezcan totalmente, momento en el que el condensador se habrá descargado del todo. | ||
| - | Las gráficas de este proceso de descarga serán similares a éstas: | + | Las gráficas de este proceso de descarga serán similares a éstas:] |
| - | + | ||
| - | + | ||
| - | [[[ PONER AQUÍ UNA GRÁFICA DE DESCARGA RC ]]] | + | |
| - | + | ||
| - | Nuevamente vemos que la curva de descarga tiende a cero, pero matemáticamente nunca llega a ella. En teoría, el condensador nunca se descargará del todo. A efectos prácticos, la descarga estará completa cuando hayan transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** del circuito. | + | |
| + | Nuevamente vemos que la curva de descarga tiende a cero, pero matemáticamente nunca llega a ella. En teoría, el condensador nunca se descargará del todo. A efectos prácticos, la descarga estará completa cuando hayan transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** | ||
| ==== 6.4.- Costante de tiempo de un circuito RC. ==== | ==== 6.4.- Costante de tiempo de un circuito RC. ==== | ||
| Línea 623: | Línea 551: | ||
| ¿Pero qué demonios es eso de la constante de tiempo? | ¿Pero qué demonios es eso de la constante de tiempo? | ||
| - | La **constante de tiempo de un circuito RC** se conoce como **τ** (letra griega tau) y **equivale al tiempo que tardaría en cargarse/ | + | La **constante de tiempo de un circuito RC** se conoce como **τ** |
| - | Dado que, como ya hemos visto, la intensidad no permanece constante sino que decrece exponencialmente, | + | |
| ==== 6.5.- Energía almacenada en un condensador. ==== | ==== 6.5.- Energía almacenada en un condensador. ==== | ||
| Línea 639: | Línea 565: | ||
| En esta analogía podemos ver también otra característica de los condensadores que no era tan visible con el ejemplo de las cajas: la anchura del depósito. Para una misma cantidad de agua, la altura de la misma será diferente en función de si el depósito es ancho o estrecho, y la altura que alcance será diferente. La anchura (más concretamente, | En esta analogía podemos ver también otra característica de los condensadores que no era tan visible con el ejemplo de las cajas: la anchura del depósito. Para una misma cantidad de agua, la altura de la misma será diferente en función de si el depósito es ancho o estrecho, y la altura que alcance será diferente. La anchura (más concretamente, | ||
| - | Y podemos decir lo siguiente: | + | Y podemos decir lo siguiente: A mayor anchura/ |
| - | A mayor anchura/ | + | |
| - | A mayor anchura/ | + | |
| ¿Y cuánta energía almacena un condensador? | ¿Y cuánta energía almacena un condensador? | ||
| Línea 647: | Línea 571: | ||
| La cantidad de carga en las placas de un condensador, | La cantidad de carga en las placas de un condensador, | ||
| - | <WRAP center round box 20%> | + | <WRAP center round box 20%> C = Q / V |
| - | C = Q / V | + | |
| - | E = 1/2 · C · V< | + | E = 1/2 · C · V< |
| - | </ | + | |
| Como podemos deducir de estas expresiones, | Como podemos deducir de estas expresiones, | ||
| + | ==== 6.6.- El condensador real. ==== | ||
| - | ==== 6.6.- Comportamiento | + | Como no hay nada perfecto en este mundo, tampoco lo son los condensadores reales. Como ya avisábamos en el capítulo sobre el proceso |
| + | Veamos cómo es el circuito equivalente de un condensador real: | ||
| - | ==== 6.3.- Comportamiento de un condensador en alterna. ==== | + | [[PONER EL ESQUEMA DE UN CONDENSADOR REAL CON RESISTENCIA SERIE Y RESISTENCIA PARALELO|]] |
| + | El primer desengaño es que los dos electrodos del condensador no están completamente aislados. Siempre tendremos presente una resistencia parásita conectada entre ellos, que los irá descargando poco a poco. Esto se debe a que el dieléctrico utilizado para mantener separados los electrodos nunca va a ser un aislante perfecto. Aunque muy pequeña, siempre habrá una pequeña corriente eléctrica circulando entre los dos terminales del condensador debido al dieléctrico. Normalmente podemos obviar esta resistencia parásita, ya que como hemos dicho es de valores muy altos y por regla general no es necesario tenerla en cuenta al diseñar nuestros circuitos. | ||
| - | ==== 6.4.- Condensador | + | La otra resistencia que podemos ver en nuestro condensador real es la resistencia |
| + | Tanto la resistencia parásita en paralelo como la ESR dependen de cómo esté fabricado el condensador. El tipo de dieléctrico, | ||
| - | ==== 6.5.- Condensador equivalente | + | Otro aspecto a tener en cuenta, no ya al diseñar, sino al elegir el tipo de condensador que necesitamos, |
| + | ==== 6.7.- Comportamiento de un condensador en continua. ==== | ||
| + | |||
| + | Resulta un poco redundante hablar por separado del comportamiento en continua y del comportamiento en alterna de un condensador, | ||
| + | |||
| + | Cuando hablamos del comportamiento en continua de un condensador nos referimos a aquellos circuitos en los que su misión es acumular < | ||
| + | |||
| + | Cuando un condensador está conectado directamente a las líneas de alimentación, | ||
| + | |||
| + | * Porque la alimentación sufre fluctuaciones y necesitamos que el condensador aporte la energía cuando la tensión de alimentación disminuye. | ||
| + | * Porque queremos evitar interferencias o picos rápidos de tensión, y que el condensador estabilice estas fluctuaciones rápidas. Este segundo motivo va muy en línea con el siguiente apartado, donde hablamos del comportamiento en alterna. | ||
| + | |||
| + | En cuanto al primero de los motivos anteriores, el uso más típico son los condensadores de filtrado en un circuito de alimentación. Sin pretender adelantar temario, vamos a ver un circuito de rectificación básico, la llamada **rectificación de media onda**: | ||
| + | |||
| + | [[PONER ESQUEMA RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA|]] | ||
| + | |||
| + | En el circuito anterior, la misión del condensador es la de almacenar energía en los periodos en los que el diodo conduce, para liberarla en los periodos en los que el diodo no conduce. El condensador hace las veces de " | ||
| + | |||
| + | La segunda de las razones que exponíamos antes podrían corresponder con este circuito: | ||
| + | |||
| + | [[PONER ESQUEMA DE UNA FUENTE DE TENSIÓN CON UNA RESISTENCIA EN SERIE, ALIMENTANDO A UN CIRCUITO PERO SIN CONDENSADOR DE FILTRADO|]] | ||
| + | |||
| + | En este circuito, la fuente de tensión y la resistencia que tiene conectada en serie pretende representar a un sistema de alimentación cuya capacidad de suministrar corriente es limitada. Decimos que es limitada, porque si aumenta mucho la demanda de corriente, la tensión en sus bornes baja debido a la caída de tensión que origina la resistencia serie. | ||
| + | |||
| + | Ahora supongamos que el circuito al que alimentamos tiene un comportamiento por el cual en ciertos momentos se producen picos de corriente elevados. Durante estos picos de corriente la tensión en el circuito bajará considerablemente, | ||
| + | |||
| + | El circuito anterior, con el correspondiente condensador, | ||
| + | |||
| + | [[PONER ESQUEMA DE UNA FUENTE DE TENSIÓN CON UNA RESISTENCIA EN SERIE, ALIMENTANDO A UN CIRCUITO CON UN CONDENSADOR DE FILTRADO|]] | ||
| + | |||
| + | Ahora, cada vez que se produzca un pico de corriente, será el condensador el encargado de suministrarla. La tensión en el condensador bajará, claro, pero lo hará en menor medida que cuando no teníamos ningún condensador. El tiempo entre que ocurre un pico de corriente y el siguiente también deberá ser suficiente para que el condensador recupere la energía perdida, o de lo contrario no serviría de mucho. | ||
| + | |||
| + | Así que quedémonos con la idea de que usamos los condensadores en continua como reservas de energía, para " | ||
| + | |||
| + | ==== 6.8.- Comportamiento de un condensador en alterna. ==== | ||
| + | |||
| + | Ahora hablemos de cómo se comporta el condensador en alterna, es decir, qué es lo que se busca con un condensador cuando no lo usamos para almacenar < | ||
| + | |||
| + | Vamos a evitar entrar en expresiones matemáticas, | ||
| + | |||
| + | Dicho de otra forma, el condensador es un almacén de energía que se carga haciendo circular corriente por él, y como resultado de esa circulación de corriente va apareciendo un voltaje que aumenta progresivamente según se va acumulando energía. Si fluye mucha corriente, el voltaje variará rápidamente. Si fluye poca corriente, el voltaje variará poco. Esto también dependerá de la capacidad del condensador, | ||
| + | |||
| + | En las cosas de la electricidad muchas veces es más fácil de entender las cosas si identificamos una causa y una consecuencia, | ||
| + | |||
| + | Si tuviésemos que resumirlo muy, muy mucho, podríamos decir que el condensador se opone a los cambios de tensión, permitiendo que fluya a través de él una intensidad cuando el voltaje varía. Cuanto más rápido sea dicha variación, mayor será la intensidad. Por lo tanto, hablando en términos de frecuencia podemos decir que por un condensador fluirá más corriente cuanta más alta sea su frecuencia, mientras que la corriente sea cero si su frecuencia es cero (0 Hz, o lo que es lo mismo, DC -corriente continua-). | ||
| + | |||
| + | Ojo, todo esto se refiere a un régimen permanente. Cuando conectamos un condensador a una fuente de tensión continua, o cuando lo desconectamos y dejamos que se descargue, aparecen unos transitorios como ya hemos visto en el apartado anterior. Pero transcurridos estos transitorios, | ||
| + | |||
| + | Lo que podemos decir acerca del condensador es que su **impedancia** | ||
| + | |||
| + | Sin embargo, los condensadores no ofrecen siempre la misma oposición a que fluya la corriente eléctrica. Como ya hemos dicho, es mayor cuanta más baja sea su frecuencia, y menor cuanto más alta la frecuencia. También depende de su capacidad: a igualdad de frecuencia, un condensador de mayor capacidad ofrecerá menor resistencia, | ||
| + | |||
| + | Habíamos prometido no meter matemáticas, | ||
| + | |||
| + | La expresión de la impedancia de un condensador viene dada por la expresión: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> X< | ||
| + | |||
| + | , donde: | ||
| + | |||
| + | PI = 3.14159… | ||
| + | |||
| + | f = Frecuencia en Hercios. | ||
| + | |||
| + | C = Capacidad en Faradios. | ||
| + | |||
| + | Como podemos apreciar, al tener el término de frecuencia y de capacidad en el denominador, | ||
| + | |||
| + | Ahora volvamos al capítulo anterior, en el que comentábamos el comportamiento del condensador en continua. ¿Cómo encaja esta nueva explicación con lo ya visto anteriormente? | ||
| + | |||
| + | Los condensadores tienen tres usos principales: | ||
| + | |||
| + | * Uno ya lo hemos visto: el de estabilizar tensiones cortocircuitando variaciones de tensión. Esto se consigue conectando el condensador en paralelo con la señal que queremos estabilizar. | ||
| + | * El segundo es precisamente el contrario: bloquear la componente de continua de una señal para dejar pasar solamente la componente alterna. Esto se consigue conectando el condensador en serie. Es algo que podemos ver típicamente en la conexión entre diferentes etapas de amplificación: | ||
| + | * Los dos usos anteriores suponen llevar al extremo el comportamiento del condensador: | ||
| + | |||
| + | ==== 6.9.- Condensador equivalente en serie. ==== | ||
| + | |||
| + | La expresión de la capacidad equivalente de dos condensadores conectados en serie es la siguiente: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> 1 / C< | ||
| + | |||
| + | [desarrollar la explicaión] | ||
| + | |||
| + | ==== 6.10.- Condensador equivalente en paralelo. ==== | ||
| + | |||
| + | La capacidad equivalente de dos condensadores conectados en paralelo viene dada por la expresión: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> C< | ||
| + | |||
| + | Esto se puede entender muy fácilmente: | ||
| + | |||
| + | [desarrollar la explicación matemática] | ||
| ---- | ---- | ||
| ===== 7.- La bobina o inductor. ===== | ===== 7.- La bobina o inductor. ===== | ||
| - | |||
| ==== 7.1.- ¿Qué es una bobina o inductor? ==== | ==== 7.1.- ¿Qué es una bobina o inductor? ==== | ||
| + | Una **bobina** | ||
| - | ==== 7.2.- Comportamiento | + | Un inductor se forma mediante el arrollamiento de un conductor. Cada vuelta |
| + | * **Número de espiras**: Al ser un hilo continuo cada espira está conectada en serie con la siguiente y, para una misma intensidad circulante, el campo magnético producido será más intenso cuantas más espiras tenga nuestro inductor. | ||
| + | * **Área de las espiras**: A mayor área abarcada por las espiras, el flujo magnético producido es mayor. | ||
| + | * **Longitud del inductor**: Cuanto más largo sea el inductor, más resistencia presentará a la formación de flujo magnético. | ||
| + | * **Material del núcleo**: El flujo magnético conseguido para una misma geometría de bobina será mayor cuanto más alta sea la **permeabilidad magnética** | ||
| + | La unidad de inductancia de las bobinas es el **Henrio (H)**, aunque igual que ocurría con los condensadores, | ||
| - | ==== 7.3.- Comportamiento de una bobina en alterna. ==== | + | * 1 milihenrio (mH) = 0.001 F = 10< |
| + | * 1 microhenrio (μH) = 0.001 mF = 10< | ||
| + | Un caso de uso particular de los inductores es el de los **transformadores**. Un transformador consta de dos arrollamientos, | ||
| - | ==== 7.4.- Inductor equivalente en serie. ==== | + | ==== 7.2.- Carga de una bobina. ==== |
| + | Igual que hemos visto cómo un condensador se iba cargando de energía, vamos a ver ahora el mismo caso pero con un inductor. De la misma forma que el condensador, | ||
| - | ==== 7.5.- Inductor equivalente en paralelo. ==== | + | ¿Qué ocurre cuando conectamos una bobina a una batería? |
| + | En la siguiente figura podemos ver un circuito básico LR donde un inductor L (previamente descargado) se conecta a una batería mediante una resistencia R y un interruptor. | ||
| + | |||
| + | [[https:// | ||
| + | |||
| + | Veamos ahora qué ocurre cuando cerramos el interruptor: | ||
| + | |||
| + | * Por la bobina no pasaba corriente justo antes de cerrar el interruptor, | ||
| + | * Como la resistencia R está en serie, por ella tampoco circulará corriente y la tensión entre sus bornes será de 0 voltios. | ||
| + | * Al no haber tensión entre los terminales de la resistencia, | ||
| + | * La bobina se opone a los cambios de intensidad, pero no los impide. Lo que ocurre es que la corriente partirá desde cero e irá creciendo poco a poco (entendámonos, | ||
| + | * El ritmo de crecimiento de la corriente es inversamente proporcional a la inductancia de la bobina y directamente proporcional a la tensión aplicada a sus bornes. A mayor tensión, la corriente aumenta más rápidamente. A mayor inductancia, | ||
| + | * A medida que la corriente por el circuito aumenta, hace que la tensión en la resistencia vaya aumentando también. | ||
| + | * El hecho de que aumente la tensión en la resistencia hace que baje la tensión en la bobina, porque la suma de las dos debe ser siempre igual a la de la fuente de alimentación. | ||
| + | * Al ir bajando la tensión en la bobina, la corriente también va disminuyendo su ritmo de crecimiento (matemáticamente hablando, su pendiente). | ||
| + | * A medida que transcurre el tiempo, la intensidad en el circuito va subiendo, pero cada vez lo hace más lentamente. | ||
| + | * Llega un momento en el que la tensión en la bobina es cero, y toda la tensión de la fuente está en la resistencia. | ||
| + | * En estas condiciones, | ||
| + | * La bobina ha almacenado en forma de campo magnético toda la energía que le ha sido posible.] | ||
| + | |||
| + | No lo hicimos en el condensador y tampoco lo vamos a hacer aquí, pero sospecharéis también que la intensidad va subiendo indefinidamente sin llegar nunca a alcanzar el valor V/R, y la tensión en la bobina nunca llega a cero del todo. | ||
| + | |||
| + | Sí, sí, habéis leído bien; la intensidad nunca deja de crecer, con lo que la bobina **nunca acaba de cargarse realmente**. Estamos ante el mismo caso que con el condensador. Cosas de las curvas exponenciales, | ||
| + | |||
| + | En el caso del condensador era muy fácil retirar el condensador cargado del circuito y que éste conservase su energía. En el caso de la bobina, para que pudiese mantener su energía habría que desconectarla del circuito pero de forma que la corriente pudiese seguir fluyendo a través de ella (por ejemplo, con sus bornes cortocircuitados), | ||
| + | |||
| + | ==== 7.3.- Descarga de una bobina. ==== | ||
| + | |||
| + | ¿Cómo descargamos ahora la bobina? Imaginemos ahora que pasamos el conmutador a la otra posición: | ||
| + | |||
| + | [[https:// | ||
| + | |||
| + | Las condiciones iniciales de nuestro circuito son: I = V/R (porque hemos cargado antes la bobina hasta esa intensidad); | ||
| + | |||
| + | Así que accionamos el conmutador de forma que la fuente quede desconectada y la bobina la resistencia queden unidas, y: | ||
| + | |||
| + | * La intensidad en el circuito es la misma que había justo antes de accionar el conmutador (recordemos: | ||
| + | * La tensión en la bobina es ahora V< | ||
| + | * Ahora la tensión en la bobina tiene la polaridad contraria, por lo tanto la intensidad comenzará a disminuir poco a poco. | ||
| + | * El ritmo de decrecimiento será directamente proporcional a la tensión en sus bornes. | ||
| + | * Al disminuir la intensidad, la tensión en la resistencia (V< | ||
| + | * Al reducirse la tensión en la resistencia también lo hace en la bobina (aunque su signo es contrario porque V< | ||
| + | * Al ir reduciéndose la tensión en la bobina, la intensidad también va reduciéndose cada vez más lentamente. | ||
| + | * Este comportamiento se repetirá indefinidamente hasta que la tensión y la intensidad desaparezcan totalmente, momento en el que la bobina se habrá descargado del todo. | ||
| + | |||
| + | Las gráficas de este proceso de descarga serán similares a éstas: | ||
| + | |||
| + | [[PONER GRAFICAS DESCARGA LR|]] | ||
| + | |||
| + | Nuevamente vemos que la curva de descarga tiende a cero, pero matemáticamente nunca llega a ella. En teoría, la bobina nunca se descargará del todo. A efectos prácticos, la descarga estará completa cuando hayan transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** | ||
| + | |||
| + | ==== 7.4.- Constante de tiempo de un circuito LR. ==== | ||
| + | |||
| + | La **constante de tiempo de un circuito LR** se conoce como **τ** | ||
| + | |||
| + | ==== 7.5.- Energía almacenada en un inductor. ==== | ||
| + | |||
| + | Encontrar un símil que se pueda entender fácilmente como hacíamos con el condensador es algo que ya no va a ser tan sencillo para la bobina. En un condensador es muy fácil imaginarlo como un depósito de agua que se va llenando, pero para la bobina ya no tenemos ejemplos tan fáciles de entender. | ||
| + | |||
| + | A medida que el flujo magnético aumenta dentro de una bobina, para que siga aumentando debemos mantener la tensión entre sus bornes, y eso es difícil porque en la resistencia siempre habrá una caída de tensión que irá haciendo que disminuya la tensión en la bobina. | ||
| + | |||
| + | Pero, ¿y si no hubiese resistencia, | ||
| + | |||
| + | Pero dejémonos de analogías y vayamos a lo importante: ¿cuánta energía almacena un condensador? | ||
| + | |||
| + | La intensidad que circuila por una bobina, su inductancia y La cantidad de carga en las placas de un condensador, | ||
| + | |||
| + | E = 1/2 · L · I< | ||
| + | |||
| + | La energía acumulada aumenta con el cuadrado de la intensidad: una misma bobina tendrá cuatro veces más energía si hacemos circular el doble de intensidad. | ||
| + | |||
| + | ==== 7.6.- La bobina real. ==== | ||
| + | |||
| + | Sí, lo habéis adivinado: tampoco tenemos bobinas perfectas. | ||
| + | |||
| + | Veamos cómo es el circuito equivalente de una bobina real: | ||
| + | |||
| + | [[https:// | ||
| + | |||
| + | El factor "no ideal" más importante en una bobina es la resistencia de su bobinado. Una bobina es un arrollamiento de un conductor, y todos los conductores reales ofrecen algo de resistencia al paso de la corriente. Habrá casos en los que esta resistencia sea pequeña o despreciable (pocas vueltas con hilo grueso), pero podría darse el caso de necesitar muchísimas vueltas (para ganar inductancia) con hilo muy fino (para reducir volumen), en cuyo caso la resistencia podría alcanzar varios cientos de ohmios. | ||
| + | |||
| + | El otro factor "no ideal" relevante de una bobina, y que debemos tener siempre bajo control, es la corriente de saturación. El núcleo magnético de una bobina tiene un límite en cuanto a la cantidad de flujo magnético que puede permitir en su interior. Una vez que se supera dicho límite, la bobina deja de comportarse como tal y pasa a comportarse como un simple conductor eléctrico. Es decir, ese efecto de " | ||
| + | |||
| + | Existe otro valor de corriente que no debemos superar para no destruir la bobina por acumulación de calor. En función del grosor del conductor empleado en la construcción de la bobina, y en función de las características de disipación térmica que tenga el inductor en su conjunto, habrá un valor de intensidad que no debe ser superardo para no generar excesivo calor, lo cual llevaría a la destrucción del componente. | ||
| + | |||
| + | ==== 7.7.- Comportamiento de una bobina en continua. ==== | ||
| + | |||
| + | Como recordaréis, | ||
| + | |||
| + | Pues bien, la bobina se comporta de forma complementaria y podemos decir que un **inductor se opone a los cambios de corriente, generando entre sus bornes una tensión cuando la intensidad que lo atraviesa varía**. | ||
| + | |||
| + | Cuando hacíamos pasar una corriente a través de un condensador, | ||
| + | |||
| + | ==== 7.8.- Comportamiento de una bobina en alterna. ==== | ||
| + | |||
| + | ==== 7.9.- Inductor equivalente en serie. ==== | ||
| + | |||
| + | ==== 7.10.- Inductor equivalente en paralelo. ==== | ||
| ---- | ---- | ||
| Línea 692: | Línea 815: | ||
| ===== 8.- Y llegó el Heavy Metal: AC/DC. Corriente alterna y corriente continua. ===== | ===== 8.- Y llegó el Heavy Metal: AC/DC. Corriente alterna y corriente continua. ===== | ||
| + | ==== 8.1.- ¿Qué es la corriente alterna? ==== | ||
| - | ==== 8.1.- Valor eficaz, valor medio, uy qué rollo... ==== | + | Hasta ahora todas las fuentes de energía eléctrica que hemos visto tienen un borne positivo y otro negativo. Eso nos permite saber en qué sentido circulará la corriente eléctrica cuando conectemos algún circuito (no vamos a discutir de nuevo lo del sentido convencional y el sentido real de la corriente eléctrica). |
| + | Pues bien, existen fuentes de energía eléctrica en las que no existe un borne (o polo) positivo y otro negativo, sino que su polaridad cambia constantemente con el tiempo. Recalcamos algo muy importante: en cada instante de tiempo siempre habrá un borne que sea positivo y otro negativo, ya que es algo necesario para que las cargas eléctricas fluyan. La única " | ||
| + | |||
| + | Si la polaridad está cambiando, ¿significa que la corriente eléctrica está cambiando de sentido continuamente? | ||
| + | |||
| + | Si los electrones están cambiando de sentido, ¿significa que los que salen de un polo no llegan realmente a alcanzar el otro polo porque están avanzando y retrocediendo consecutivamente? | ||
| + | |||
| + | Si los electrones que salen de un polo realmente nunca llegan a alcanzar el otro polo, ¿significa que la energía eléctrica no se consume? No. | ||
| + | |||
| + | No confundamos la energía eléctrica con los electrones, que son los portadores de esa energía. En una fuente de corriente continua, la energía eléctrica es la que hace que la corriente fluya del polo positivo al negativo (en el sentido real, recordemos que los electrones fluyen desde el polo negativo hasta el positivo). Esos electrones, al atravesar las diferentes partes del circuito (una resistencia, | ||
| + | |||
| + | Por hacer un símil, es como cuando estamos usando una sierra para cortar un trozo de madera: tanto si empujamos la sierra como si tiramos de ella, somos nosotros los que entregamos energía a los dientes de la sierra, que son los encargados de ceder esa energía a la madera para arrancar trozos de ella. | ||
| ---- | ---- | ||
| - | ===== 9.- La Resistencia no lo abarca todo: la Impedancia. ===== | + | ==== 8.2.- ¿Cómo se produce el cambio de polaridad? |
| + | En una fuente de corriente alterna, lo más habitual es que el cambio de polaridad no ocurra bruscamente, | ||
| - | ==== 9.1.- Reactancia capacitiva. ==== | + | Si todavía no habéis estudiado nada de trigonometría, |
| + | * Imaginemos un palo que está atornillado en uno de sus extremos a la pared, de forma que puede girar. El otro extremo dibujará una circunferencia, | ||
| + | * Si partimos de una posición horizontal, asumiremos que la altura del extremo libre es nuestro nivel de partida, o nivel cero. | ||
| + | * Si vamos girando el palo, el extremo libre comenzará a subir. Si esto fuese una fuente de tensión, diríamos que el extremo libre está a un potencial más positivo que el extremo atornillado. | ||
| + | * Si continuamos girando el palo, llegaremos al momento en el que el extremo libre alcance la mayor altura posible cuando el palo esté en posición vertical. El extremo libre ya no puede subir más y decimos que hemos alcanzado el potencial de pico. | ||
| + | * A partir de ese momento, si el palo continúa girando, su extremo libre comenzará a perder altura hasta volver a situarse en posición horizontal nuevamente (aunque en la posición opuesta a donde comenzamos). Decimos que el potencial del extremo libre vuelve a ser cero porque está al mismo nivel que el extremo atornillado. | ||
| + | * Ahora, al continuar el giro, el extremo libre del palo se situará por debajo del extremo atornillado. ¡Su potencial ahora es negativo! | ||
| + | * Tras continuar girando, el extremo libre alcanzará una altura mínima cuando vuelva a estar en posición vertical pero por debajo del punto de giro. Hemos alcanzado el pico de potencial negativo. | ||
| + | * En la última parte del giro, la altura (el potencial) del extremo libre comenzará a subir hasta finalizar en la misma posición de partida, donde el potencial es cero. | ||
| - | ==== 9.2.- Reactancia inductiva. ==== | + | Pues bien, la **senoide** |
| + | Podemos ver también que la curva senoidal pasa por cero en los puntos donde el ángulo es 0° o 180°, y que su valor alcanza un máximo en los 90° y un mínimo en los 270°. También es correcto decir que alcanza el máximo positivo en los 90° y el máximo negativo en los 270°, mientras que los mínimos son los puntos donde la señal vale cero, esto es, 0° y 180°. | ||
| + | |||
| + | ¿Hay más tipos de señal alterna? Sí. Infinitos. En función del tipo de aplicación, | ||
| + | |||
| + | * En un sintetizador musical podemos generar sonidos con ondas senoidales, triangulares, | ||
| + | * En un circuito de control podemos utilizar señales en diente de sierra (un tipo de señal triangular) para que, comparándolo con algún nivel de tensión se dispare una señal en un momento concreto. | ||
| + | * etc. | ||
| + | |||
| + | Pero si hablamos de fuentes de energía de corriente alterna, hablaremos prácticamente siempre de señales senoidales. Las redes de distribución de energía eléctrica, esto es, la tensión que tenéis en los enchufes de vuestras casas, utilizan una forma de onda senoidal. ¿Y por qué? Pues porque como hemos visto antes, la senoide es la curva que se obtiene de forma natural a partir de un movimiento de giro y en las centrales eléctricas, | ||
| + | |||
| + | ---- | ||
| + | |||
| + | ==== 8.3.- Valor eficaz, valor medio, uy qué rollo... ==== | ||
| + | |||
| + | En el apartado anterior explicábamos cómo la corriente alterna iba cambiando de polaridad. Aunque no se mencionaba expresamente, | ||
| + | |||
| + | Lo primero que nos preguntaremos es: ¿a qué valor nos referimos cuando decimos que una tensión alterna es de tantos o cuantos voltios? | ||
| + | |||
| + | Si tuviéseis que decidir vosotros cómo indicar el valor del voltaje de una fuente de tensión alterna seguramente iríais a lo más lógico, que es dar el valor máximo o de pico. Al fin y al cabo, si decimos que una tensión alterna es de 100V de pico, cualquiera puede deducir que entre sus bornes tendremos **a lo sumo** | ||
| + | |||
| + | Sin embargo, lo que se utiliza habitualmente para indicar el voltaje de una tensión alterna es otro valor llamado **valor eficaz**. Y ahora vamos a explicar el motivo. | ||
| + | |||
| + | Si conectamos una resistencia de 100 Ohm a una fuente de tensión **continua** | ||
| + | |||
| + | Por lo tanto, la potencia disipada por la resistencia será de 100 V · 1 A = 100 W. Esta potencia, dado que la tensión y la intensidad son continuas (o dicho de otra forma, constantes), | ||
| + | |||
| + | Supongamos ahora que la fuente de tensión es **alterna**. Supongamos también que el valor de la tensión sigue siendo de 100 V, pero ahora nos referimos a la tensión **máxima** | ||
| + | |||
| + | Por nuestra resistencia ahora circulará una corriente que también será alterna, y cuyo valor será de 1 A. Pero ojo, que ese valor se refiere también al valor máximo de la corriente. | ||
| + | |||
| + | ¿Qué ocurre con la potencia? Pues en principio nada particular. Seguimos multiplicando la tensión por la corriente, con lo que seguimos teniendo 100 W. Pero ojo, 100 W **de pico**. Y aquí comienzan las diferencias. | ||
| + | |||
| + | Si representásemos la curva de la potencia disipada por la resistencia, | ||
| + | |||
| + | Si nuestra resistencia fuese un calefactor veríamos que conectándola a una fuente de tensión continua de 100 V calienta más que si la conectamos a una fuente de tensión alterna de 100 V de pico. Y por eso no se suele utilizar los valores de pico para indicar el voltaje de las fuentes de alterna. | ||
| + | |||
| + | ¿Qué valor debemos utilizar? Pues lo hemos dicho antes: **el valor eficaz**. Y este valor no es más que el valor que tendría que tener una fuente de tensión continua para que una resistencia disipase la misma potencia media. | ||
| + | |||
| + | Vamos a explicarlo de nuevo con nuestro ejemplo del calefactor: | ||
| + | |||
| + | * Tenemos un calefactor que conectado a una fuente de corriente continua de 100V disipa una **potencia media** | ||
| + | * Conectaremos ese calefactor a una fuente de tensión alterna y vamos subiendo el voltaje hasta que la potencia media disipada por el calefactor alcanza los 100 W. | ||
| + | * Llegados a ese punto, podemos decir que la fuente de tensión alterna tiene un valor eficaz de 100 V, es decir, que nuestro calefactor nos da el mismo calorcito sin importar a cuál de las dos fuentes está conectado. | ||
| + | |||
| + | Si medimos ahora la tensión de nuestra fuente alterna, veremos que su valor de pico supera los 100 V. Esto es totalmente normal. Ya habíamos visto que la potencia en alterna era fluctuante, con lo que si queremos obtener un valor medio de 100 W será necesario que en ciertos momentos se sobrepasen esos 100 W para compensar los momentos en los que la potencia es cero. | ||
| + | |||
| + | Se puede demostrar matemáticamente (cosa que no haremos aquí) la relación entre el valor eficaz de una tensión senoidal y su valor de pico, que es esta: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> V< | ||
| + | |||
| + | , o lo que es lo mismo: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> V< | ||
| + | |||
| + | Esto quiere decir que, por ejemplo, si en nuestras casas tenemos un suministro eléctrico de 230 V en corriente alterna, eso quiere decir que la tensión en los enchufes tendrá un valor de pico de 230 V · sqrt(2) = 325 V | ||
| + | |||
| + | OJO !!! Esta relación entre valor eficaz y valor de pico es solamente válida para las formas de onda senoidales. Cada tipo de onda (cada forma, por decirlo coloquialmente) tendrá un valor diferente. No podemos usar esta fórmula si estamos ante una onda triangular, porque el cálculo sería erróneo. | ||
| + | |||
| + | Por lo general, si no se especifica otra cosa, cuando nos den un valor de tensión o de corriente alterna, se estarán refiriendo al valor eficaz. Cuando nos estemos refiriendo al valor de pico lo debemos indicar de forma explícita. | ||
| + | |||
| + | Para según que cálculos o criterios de dimensionamiento, | ||
| + | |||
| + | ==== 8.4.- ¿Y la potencia? ¿Es que nadie va a pensar en la potencia? ==== | ||
| + | |||
| + | ¿Os habéis parado a pensar qué ocurre con la potencia cuando se trata de corriente alterna? ¿Tendrá también la potencia momentos en los que es positiva y momentos en los que se vuelve negativa? | ||
| + | |||
| + | Aunque la cosa se complicará un poco en el siguiente capítulo, por ahora podéis respirar tranquilos. La potencia respeta siempre la fórmula que hemos visto: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> P = V · I </ | ||
| + | |||
| + | En el caso de una tensión alterna aplicada a una resistencia, | ||
| + | |||
| + | Pero ojo, esto ya no será así cuando hablemos (dentro de muy poco) de condensadores y bobinas. | ||
| + | |||
| + | ---- | ||
| + | |||
| + | ===== 9.- La Resistencia no lo abarca todo: la Reactancia y la Impedancia. ===== | ||
| + | |||
| + | Mientras hemos estado hablando de corriente continua, hemos estado hablando de la resistencia como la característica de un material que determina el mayor o menor grado de oposición que ofrece al paso de corriente eléctrica. | ||
| + | |||
| + | Ese concepto sigue siendo válido para la corriente alterna, pero no suficiente. Una vez entramos en el mundo de la señales periódicas, | ||
| + | |||
| + | ¿Qué es la fase? Pues la fase (o desfase, ya puestos) consiste en la diferencia temporal entre dos señales periódicas. Dicho de otro modo, se refiere a la distancia entre el inicio del periodo de una señal con el inicio del periodo de otra señal. Esta distancia se acostumbra a dar en grados: así, un periodo completo equivale a 360 grados, y la fase de una señal respecto de otra se indica con la fracción equivalente del periodo expresada en grados. | ||
| + | |||
| + | [PONER IMAGEN CON LA EXPLICACION. DOS SEÑALES PERIODICAS DESFASADAS DONDE SE MUESTRE LA DIFERENCIA ENTRE EL COMIENZO DE UNA CON EL COMIENZO DE OTRA] | ||
| + | |||
| + | El concepto de fase hace necesario que se amplíe el concepto de resistencia. Ahora ya no es suficiente con indicar si un material deja pasar mejor o peor la corriente eléctrica, sino que también es necesario indicar **el desfase** | ||
| + | |||
| + | Dado que la reactancia e impedancia implica desfase en señales periódicas, | ||
| + | |||
| + | Un elemento resistivo mostrará cierto grado de resistencia al paso de la corriente eléctrica pero no introduce desfase, esto es, la corriente será máxima cuando la tensión sea máxima y será cero en los instantes en los que la tensión sea cero. Ahora veremos cómo hay otros elementos que además de oponerse en mayor o menor grado al paso de la corriente eléctrica, introducen un desfase entre la tensión aplicada y la corriente que los atraviesa. Este comportamiento es lo que se llama **reactancia**. Atendiendo a si una reactancia retrasa la corriente o retrasa la tensión, se contemplan dos tipos: | ||
| + | |||
| + | * **Reactancia inductiva** | ||
| + | * **Reactancia capacitiva** | ||
| + | La reactancia se expresa como un número imaginario (en electrónica se suele utilizar la letra **j** y no la **i**), positivo para las reactancias inductivas y negativo para las capacitivas. | ||
| + | |||
| + | Llamamos impedancia a la combinación entre resistencia y reactancia: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> Z = R + jX </ | ||
| + | |||
| + | En el mundo real es imposible encontrar un elemento reactivo puro (así como también es difícil encontrar un elemento resistivo puro), aunque muchas veces hagamos simplificaciones para facilitar los cálculos. Una bobina o un condensador siempre tendrán cierta resistencia interna debido al material con que están hechos, una resistencia mostrará normalmente cierta inductancia debido a los arrollamientos internos, ¡incluso un simple par de pistas rectas en una PCB forman un condensador y muestran una capacidad entre ellas! | ||
| + | |||
| + | ==== 9.1.- Reactancia inductiva. ==== | ||
| + | |||
| + | Una reactancia inductiva es aquella que provoca un desfase de 90º entre la tensión aplicada y la corriente circulante, estando **la corriente retrasada respecto de la tensión**. Este es el comportamiento que muestran los inductores o bobinas, de ahí el nombre. | ||
| + | |||
| + | El valor de la reactancia inductiva de una bobina viene determinado por la fórmula: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> X< | ||
| + | |||
| + | , donde: | ||
| + | |||
| + | * **w** es la frecuencia en **radianes por segundo**. | ||
| + | * **L** es la inductancia de la bobina en **Henrios**. | ||
| + | * **f** es la frecuencia en **Hercios**. | ||
| + | A la hora de expresar esta reactancia como número complejo, debemos tener en cuenta que la reactancia inductiva tiene un valor imaginario positivo, por lo que la impedancia de una bobina debe indicarse así: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> Z< | ||
| + | |||
| + | De la fórmula de la reactancia inductiva se deduce fácilmente que, dado que es proporcional a la frecuencia, **la reactancia de una bobina aumenta con la frecuencia**. Por eso se dice que las bobinas se oponen al paso de la corriente alterna. Para la corriente continua, en la que la frecuencia es cero, la reactancia también se vuelve nula. De ahí que también se diga que una bobina en corriente continua equivale a un cortocircuito. | ||
| + | |||
| + | ==== 9.2.- Reactancia capacitiva. ==== | ||
| + | |||
| + | Una reactancia capacitiva es aquella que provoca un desfase de 90º entre la tensión aplicada y la corriente circulante, estando **la tensión retrasada respecto de la corriente**. Este es el comportamiento que muestran los condensadores, | ||
| + | |||
| + | El valor de la reactancia capacitiva de un condensador viene determinado por la fórmula: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> X< | ||
| + | |||
| + | , donde: | ||
| + | |||
| + | * **w** es la frecuencia en **radianes por segundo**. | ||
| + | * **C** es la capacidad del condensador en **Faradios**. | ||
| + | * **f** es la frecuencia en **Hercios**. | ||
| + | A la hora de expresar esta reactancia como número complejo, debemos tener en cuenta que la reactancia capacitiva tiene un valor imaginario negativo, por lo que la impedancia de un condensador debe indicarse así: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> Z< | ||
| + | |||
| + | De la fórmula de la reactancia capacitiva se deduce fácilmente que, dado que es inversamente proporcional a la frecuencia, **la reactancia de un condensador disminuye con la frecuencia**. Por eso se dice que los condensadores dejan pasar la corriente alterna. Para la corriente continua, en la que la frecuencia es cero, la reactancia se hace infinita. De ahí que también se diga que un condensador en corriente continua equivale a un circuito abierto. | ||
| ==== 9.3.- Impedancia de un circuito RLC. ==== | ==== 9.3.- Impedancia de un circuito RLC. ==== | ||
| + | Como ya hemos explicado, la reactancia se indica empleando números imaginarios. Sin embargo, la resistencia se indica empleando números reales. Por lo tanto, para indicar la impedancia de un componente o de un circuito, deberemos expresarla como un número complejo, donde tengamos una parte real más una imaginaria: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> Z = R + j·(X< | ||
| + | |||
| + | Si en un circuito o componente tenemos partes que muestran reactancia inductiva y otras que muestran reactancia capacitiva, se cancelarán parcial o totalmente y el resultado final será solamente de un tipo, bien capacitivo o inductivo. | ||
| + | |||
| + | Todo lo que hemos visto anteriormente sobre equivalencia de resistencias en serie o en paralelo es aplicable a las impedancias. | ||
| + | |||
| + | Impedancia equivalente en serie: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> Z< | ||
| + | |||
| + | Impedancia equivalente en paralelo: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> 1 / Z< | ||
| + | |||
| + | ==== 9.4.- Impedancia en la Ley de Ohm. ==== | ||
| + | |||
| + | Lo volvemos a repetir: todo lo que hemos explicado sobre la resistencia es igual de válido para la impedancia (con sus particularidades matemáticas, | ||
| + | |||
| + | Eso sí, en la Ley de Ohm que hemos visto, tanto la tensión como la intensidad y la resistencia eran valores reales. Como ahora introducimos la impedancia que se expresa en términos complejos, la tensión e intensidad pasarán también a expresarse en términos complejos. | ||
| + | |||
| + | La Ley de Ohm podemos reformularla así: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> | ||
| + | |||
| + | I = V / Z | ||
| + | |||
| + | V = I · Z | ||
| + | |||
| + | Z = V / I | ||
| + | |||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | Ahora parémonos a analizar las implicaciones que tiene el usar una impedancia compleja. Como sabréis (y si no lo sabéis entonces deberemos añadir un pequeño capítulo para explicarlo), | ||
| + | |||
| + | La forma polar consiste en indicar el **módulo** o **magnitud** del número complejo junto con su **argumento** o **fase**. Además, cuando se multiplican números complejos en forma polar, las fases se suman, mientras que cuando se dividen, se restan. | ||
| + | |||
| + | Ahora vayamos con la primera expresión de las tres que hemos puesto de la Ley de Ohm: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> | ||
| + | |||
| + | I = V / Z | ||
| + | |||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | Consideremos ahora que la tensión tiene fase cero, ya que será nuestra referencia. ¿Qué ocurre con la fase de la intensidad? Pues dependerá del tipo de impedancia que tengamos en Z, a saber: | ||
| + | * Si Z tiene fase positiva (reactancia inductiva), al dividir V entre Z debemos restar las fases, por lo que la fase de Z se restará de la fase de V (que es cero), y por tanto I tendrá fase negativa, o dicho de otra forma, I estará retrasada respecto de V. | ||
| + | * Si Z tiene fase negativa (reactancia capacitiva), | ||
| + | |||
| + | ==== 9.5.- Desfase entre voltaje e intensidad. El coseno de phi, ese gran desconocido. ==== | ||
| + | |||
| + | Aunque en electrónica se simplifica mucho, muchas veces, lo cierto es que nunca existe una impedancia puramente resistiva, capacitiva o inductiva. Además, en un circuito donde tengamos resistencias con condensadores y/o bobinas, la impedancia total del mismo tendrá una parte resistiva y otra capacitiva/ | ||
| + | |||
| + | Cuando un circuito produce un desfase entre tensión e intensidad, se necesita una forma de indicar dicho desfase. La más directa es indicar dicho desfase en grados, con lo que un circuito podrá provocar un desfase en la intensidad respecto de la tensión que oscilará entre 90º (circuito totalmente capacitivo) y -90º (circuito totalmente inductivo), pasando por 0º (circuito totalmente resistivo). | ||
| + | |||
| + | A este ángulo de desfase se le suele llamar **phi**. | ||
| + | |||
| + | Pero existe otra forma de indicar el desfase entre tensión e intensidad, y es a través del coseno de la fase, en lugar de indicar los grados. | ||
| + | |||
| + | Así, para un circuito puramente resistivo con desfase de 0º tendríamos un coseno igual a 1, mientras que para desfases de 90º o -90º tendríamos un coseno igual a 0. Y para cualquier otra fase intermedia tendremos un valor de coseno que oscilará entre 0 y 1. | ||
| + | |||
| + | Utilizando el coseno de phi perdemos la información de si el desfase es en adelanto o en retraso, por lo que se suele indicar si el circuito es de naturaleza inductiva o capacitiva. | ||
| + | |||
| + | [AÑADIR IMAGEN EXPLICATIVA DEL COSENO DE PHI PARA UN CASO INDUCTIVO Y OTRO CAPACITIVO] | ||
| + | |||
| + | ==== 9.6.- ¿Y qué pasa con la potencia? El postureo y la potencia aparente en tiempos de Instagram. ==== | ||
| + | |||
| + | Cuando comenzamos a hablar de potencia en alterna, vimos que el producto V·I era siempre positivo. Esto es cierto si nuestra carga es puramente resistiva, esto es, si V e I están en fase y por lo tanto se hacen positivas o negativas al mismo tiempo. | ||
| + | |||
| + | Pero, ¿qué ocurre cuando existe un desfase entre V e I? Pues creo que ya os lo estáis imaginando: habrá momentos donde la tensión (V) se haga negativa cuando la intensidad (I) todavía sea positiva -o viceversa-, con lo que su producto se volverá negativo. | ||
| + | |||
| + | [PONER IMAGENES DE EJEMPLO DEL PRODUCTO DE DOS SENOIDES, SIN DESFASE Y CON DESFASE] | ||
| + | |||
| + | ¿Cómo afecta esto a la potencia media? Matemáticamente hablando, lo que llamamos potencia eléctrica es el valor medio del producto de dos ondas senoidales (la onda senoidal de tensión y la de corriente). Como ya hemos dicho, cuando esas dos ondas están en fase su producto siempre es positivo, pero cuando hay algún desfase entre ambas, habrá ciertos periodos en los que la potencia sea positiva y otros en los que la potencia sea negativa. Al calcular la media, los tramos negativos se restan de los positivos, y el resultado es que el valor medio será menor que si no hubiese desfase. | ||
| + | |||
| + | No es objetivo de esta introducción el dar una clase sobre integrales, así que no vamos a poner la demostración, | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> | ||
| + | |||
| + | P = V · I · cos phi | ||
| + | |||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | ¡Anda! ¡Pero si tenemos por aquí el coseno de phi! Pues sí, menuda sorpresa, ¿no?. La potencia eléctrica en un circuito donde la tensión y la intensidad están desfasadas queda afectada por el coseno del ángulo de desfase. Dado que un coseno puede tomar valores entre 0 y 1, la potencia máxima ocurrirá cuando cos phi = 1, esto es, cuando phi = 0º; y la potencia mínima ocurrirá cuando cos phi = 0, o lo que es lo mismo, cuando phi sea 90º o -90º. | ||
| + | |||
| + | Y atención, porque esto tiene una implicación importante: en un circuito puramente inductivo o capacitivo, donde el desfase entre V e I sea de 90º (bien en adelanto o en retraso), la pontencia eléctrica será **CERO**. Sí, lo habéis leído bien: un condensador o una bobina conectadas a una fuente de tensión alterna no consumen potencia (suponiendo que se trate de condensadores o bobinas ideales, claro). | ||
| + | |||
| + | ¿Cómo se explica esto? Pues si dibujamos las gráficas de dos senoides desfasadas 90º, y calculamos su producto, nos sale que los tramos positivos son exactamente iguales a los negativos, con lo que se anulan mutuamente. Cuando un condensador o una bobina se conectan a una fuente de tensión alterna, lo que ocurre es que se produce un intercambio mutuo de energía entre la fuente y el elemento reactivo, donde la potencia va de uno a otro sucesivamente. | ||
| + | |||
| + | Acabamos de usar la expresión " | ||
| + | |||
| + | Y como no hay dos sin tres, existe otra potencia más, que es la llamada **potencia aparente**, y que tiene la misma expresión que habíamos visto hasta ahora en los circuitos de corriente continua. | ||
| + | |||
| + | Resumamos ahora las expresiones de las tres potencias: | ||
| + | |||
| + | * **Potencia aparente**: Pap = V · I | ||
| + | * **Potencia activa**: Pa = V · I · cos phi | ||
| + | * **Potencia reactiva**: Pr = V · I · sen phi | ||
| + | |||
| + | Estas tres potencias se suelen representar como los tres lados de un triángulo rectángulo (también cumplen el teorema de Pitágoras): | ||
| + | |||
| + | [PONER IMAGEN DEL TRIÁNGULO DE POTENCIAS] | ||
| + | |||
| + | Y ahora, algo más propio de la electrotecnia que de la electrónica: | ||
| + | |||
| + | El coseno de phi es algo que hace disminuir la potencia activa respecto de la aparente. Si quiero conseguir una potencia determinada, | ||
| + | |||
| + | Pongamos un ejemplo: Tengo una lámpara fluorescente de 50W/230V que tiene un coseno de phi de 0,5. ¿Qué corriente circulará por él? | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> | ||
| + | |||
| + | I = P / (V · cos phi) = 50 W / (230V · 0,5) = 0,435 A | ||
| + | |||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | Ahora supongamos otra lámpara fluorescente de 50 W de otro fabricante que ha mejorado el coseno de phi hasta 0,85: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> | ||
| + | |||
| + | I = P / (V · cos phi) = 50 W / (230V · 0,85) = 0,256 A | ||
| + | |||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | Como podéis ver, cuanto más alto es el coseno de phi, menor es la intensidad necesaria para alcanzar la misma potencia. En el segundo caso necesitamos poco más de la mitad de la intensidad. | ||
| + | |||
| + | Esto, en algo que no consuma mucha potencia, apenas tiene importancia. Pero cuando la potencia alcanza valores considerables, | ||
| - | ==== 9.4.- Desfase entre voltaje e intensidad. El coseno de phi, ese gran desconocido. ==== | + | La influencia que tiene el coseno de phi en la potencia activa de un aparato eléctrico es el motivo por el que también es conocido como **factor de potencia**. |
| + | En los contratos de suministro domésticos no es algo que se tenga en cuenta, pero en los consumidores industriales sí es algo penalizable. Las compañías suministradoras nos cobrarán más si nuestro factor de potencia es muy bajo, ya que estaremos demandando más intensidad de la red innecesariamente. | ||
| - | ==== 9.5.- ¿Y qué pasa con la potencia? El postureo | + | Normalmente el factor de potencia de un aparato eléctrico es inherente a su construcción y poco podemos hacer por modificarlo (por ejemplo, un motor eléctrico), |
| + | Básicamente, | ||
| ---- | ---- | ||
| ===== 10.- Circuitos mixtos DC + AC. ===== | ===== 10.- Circuitos mixtos DC + AC. ===== | ||
| + | |||
| + | En los circuitos electrónicos, | ||
| + | |||
| + | Tomemos, por ejemplo, el circuito de la siguiente figura: | ||
| + | |||
| + | [AÑADIR CIRCUITO SIMPLE DE UNA ENTRADA A UN AMPLIFICADOR, | ||
| + | |||
| + | El circuito representa lo que sería una entrada típica de señal a un amplificador. El circuito se alimenta con una tensión de continua, y es necesario polarizar la entrada de forma que la tensión en la misma quede justo a la mitad de la tensión de alimentación. | ||
| + | |||
| + | Luego, la señal alterna que aplicamos a la entrada se suma a este nivel de continua, haciendo que la entrada al amplificador oscile alrededor del punto medio de polarización. | ||
| + | |||
| + | ¿Cómo debemos analizar entonces estos circuitos? ¿Se trata de un circuito de corriente continua porque, al fin y al cabo, está alimentado por una tensión continua? ¿Son circuitos de corriente alterna porque la señal es alterna? Pues ni una ni otra. Lo que debemos analizar es cada una de las componentes por separado. | ||
| + | |||
| + | Por un lado, se hace un análisis en continua para obtener los valores de polarización del circuito, esto es, los valores de tensión y corriente presentes en los componentes del mismo en ausencia de señal de entrada (asumiendo que estamos hablando de un amplificador). | ||
| + | |||
| + | Una vez resuelta la polarización, | ||
| + | |||
| + | Tenemos que tener en cuenta que lo que ocurrirá en realidad en el circuito será la suma de los dos análisis, pero podemos realizarlos por separado. | ||
| + | |||
| + | Vamos con un ejemplo: | ||
| + | |||
| + | Supongamos que tras analizar la polarización de un amplificador, | ||
| + | |||
| + | ¿Quiere decir esto que en el colector habrá momentos en que la tensión sea negativa? No, ni mucho menos. Para saber lo que ocurre realmente debemos tener encuenta ambos análisis, el de continua y el de alterna. En ese colector de ese transistor, lo que tendremos es una señal alterna de 3 V de pico **superpuesta** a un nivel de continua de 6V. Visto con un osciloscopio, | ||
| ==== 10.1.- Teorema de superposición. ==== | ==== 10.1.- Teorema de superposición. ==== | ||
| + | |||
| + | En general, se puede realizar el análisis de un circuito donde tengamos varias señales simplemente con análisis parciales en los que apliquemos solamente cada una de las señales y anulemos las otras. Luego, para conocer la respuesta global del circuito tendremos que sumar las diferentes respuestas parciales. | ||
| + | |||
| + | Esto es lo que se llama como teorema de superposición, | ||
| + | |||
| + | Para ello hay que tener algunas cosas en cuenta: | ||
| + | * Las fuentes de **tensión** que no se estén teniendo en cuenta en cada análisis parcial deberán sustituirse por su impedancia interna, que es **un cortocircuito** (impedancia cero). | ||
| + | * Las fuentes de **corriente** que no se estén teniendo en cuenta en cada análisis parcial deberán sustituirse por su impedancia interna, que es **un circuito abierto** (impedancia infinita) | ||
| + | * El análisis será válido siempre que no cambien los modos de funcionamiento de los componentes no lineales. Por ejemplo, si hay un diodo en el circuito, el análisis solo será válido si el diodo siempre está conduciendo o si siempre está abierto. | ||
| + | | ||
| + | ¿Cuál es el motivo de los tres puntos anteriores? | ||
| + | * Una fuente de tensión (teórica, claro) mantiene el voltaje entre sus bornes en un valor determinado (que a su vez puede ser un valor constante, o una señal alterna periódica). La tensión es independiente de la intensidad de corriente que suministra, y por lo tanto su resistencia interna es cero. A la hora de eliminar esa fuente del circuito debe sustituirse por su resistencia interna, con lo que debemos poner un cortocircuito en su lugar. | ||
| + | * Una fuente de corriente (teórica, de nuevo) mantiene la corriente que entra y sale de sus bornes en un valor determinado (como antes, que puede ser constante o bien ser una señal alterna). La corriente que suministra la fuente es independiente de la tensión entre sus bornes, y por lo tanto su resistencia interna es infinita. A la hora de eliminar esa fuente del circuito debe sustituirse por su resistencia interna, con lo que debemos poner un circuito abierto en su lugar. | ||
| + | * Un elemento no lineal, como un diodo o un transistor, debe permanecer en el mismo estado en todos los análisis parciales, porque de otra forma la descomposición no tendría sentido. Por ejemplo, si una de las fuente polariza directamente a un diodo pero otra lo hace inversamente, | ||
| + | | ||
| + | |||
| + | ==== 10.2.- Ejercicios. ==== | ||
| + | |||
| + | |||
| + | === 10.2.1- Circuito DC+AC. ==== | ||
| + | |||
| + | |||
| + | === 10.2.2- Circuito con fuente de tensión y fuente de corriente. ==== | ||
| Línea 727: | Línea 1186: | ||
| ===== 11.- Respuesta en frecuencia de los circuitos RLC. ===== | ===== 11.- Respuesta en frecuencia de los circuitos RLC. ===== | ||
| + | |||
| + | Recordemos las fórmulas que determinan el valor de las reactancias inductivas y capacitivas que vimos no hace mucho: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> | ||
| + | X< | ||
| + | |||
| + | X< | ||
| + | |||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | Las bobinas y los condensadores son elementos cuya impedancia varía con la frecuencia. Como ya habréis adivinado, una de sus principales aplicaciones es la de construir filtros para separar unas frecuencias de otras. | ||
| + | |||
| + | Los condensadores, | ||
| + | |||
| + | El mismo razonamiento podemos aplicarlo a las bobinas, solo que ahora las bobinas presentan una impedancia que aumenta con la frecuencia. Por lo tanto, insertadas en serie bloquearán las frecuencias altas y dejarán pasar las bajas, mientras que en paralelo (derivando la señal a masa) anularán las frecuencias bajas y dejarán inalteradas las altas. | ||
| + | |||
| + | Veamos algunos ejemplos de circuitos RC y RL en sus dos posibles configuraciones, | ||
| + | |||
| + | [INSERTAR IMAGENES DE CIRCUITOS RC/CR y RL/LR JUNTO CON SUS CURVAS DE RESPUESTA] | ||
| + | |||
| + | ¿Se pueden usar filtros LC? ¡Pues claro! Es más, su curva de respuesta es más abrupta, lo cual indica que son mejores separando frecuencias. Sin embargo, como las bobinas son componentes más caros (no son tan fáciles de fabricar como las resistencias y los condensadores), | ||
| + | |||
| + | [INSERTAR IMAGENES DE FILTROS LC Y CL JUNTO CON SUS CURVAS DE RESPUESTA] | ||
| + | |||
| + | ¿Recordáis cuando hablábamos del comportamiento de los condensadores en continua, y cómo los utilizábamos como *depósitos* para disminuir las oscilaciones en las fuentes de alimentación. Bien, pues esa era una de las posibles ópticas bajo la que se podía explicar su comportamiento. La otra forma es decir simplemente que los condensadores de filtrado simplemente cortocircuitan la componente alterna (el rizado), manteniendo el nivel de continua (la tensión continua que queremos obtener). | ||
| + | |||
| + | Lo mismo aplica para los inductores que se utilizan en muchas fuentes de alimentación. Si los condensadores de filtrado se ponían en paralelo para derivar a masa el rizado, los inductores iban en serie (entre la entrada y la salida) para bloquear la componente de corriente alterna y que solo pueda circular la componente de corriente continua. | ||
| Línea 733: | Línea 1219: | ||
| ===== 12.- Filtros RC. ===== | ===== 12.- Filtros RC. ===== | ||
| + | Ya hemos explicado en el capítulo anterior cómo se pueden utilizar los condensadores y las bobinas para filtrar frecuencias, | ||
| ==== 12.1.- Filtros paso-bajo. ==== | ==== 12.1.- Filtros paso-bajo. ==== | ||
| + | Un filtro paso bajo es aquel que deja pasar las frecuencias bajas, mientras que anula las frecuencias altas. Como siempre, el término " | ||
| - | ==== 12.2.- Filtros paso-alto. ==== | ||
| + | === 12.1.1- Filtros RC paso-bajo. === | ||
| + | |||
| + | A continuación podéis ver el circuito de un filtro paso-bajo construido con una red RC: | ||
| + | |||
| + | [INSERTAR IMAGEN DE FILTRO RC PASO BAJO, JUNTO CON RESPUESTA EN FRECUENCIA Y FASE] | ||
| + | |||
| + | El filtro RC paso-bajo, y todos los filtros realmente, se comportan como un divisor de tensión: por un lado tenemos una resistencia cuyo valor permanece fijo para todas las frecuencias, | ||
| + | |||
| + | Y con eso es suficiente. Tenemos un divisor de tensión que va reduciendo el valor de la tensión de salida en función de la frecuencia, que es precisamente lo que buscamos. Nuestro filtro paso-bajo. | ||
| + | |||
| + | Hay un punto bastante interesante en este filtro, y es el que corresponde a la frecuencia en la que la impedancia del condensador iguala al valor de la resistencia. En esa situación, la salida del filtro será exactamente la mitad de la tensión de entrada. Expresado en decibelios, equivale a una disminución de 3 dB en la tensión de salida. Esta frecuencia es a la que llamamos **frecuencia de corte**. | ||
| + | |||
| + | El valor de esta frecuencia es por lo tanto: | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> | ||
| + | X< | ||
| + | 1 / (w< | ||
| + | 1 / (2·pi·f< | ||
| + | |||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | |||
| + | Analicemos las tres partes de la curva de respuesta: | ||
| + | |||
| + | * Antes de la frecuencia de corte, la respuesta del filtro es prácticamente plana, es decir, no se produce apenas atenuación. | ||
| + | * Conforme nos acercamos a la frecuencia de corte la salida comienza a bajar primero ligeramente y luego de forma más pronunciada. | ||
| + | * Una vez superada la frecuencia de corte, la respuesta presenta una pendiente casi constante de 6 dB por década. | ||
| + | | ||
| + | A todo esto, es necesario indicar que las gráficas de respuesta en frecuencia se suelen dar en formato semilogarítmico. Aunque el eje vertical (la ganancia del filtro) utilice una graduación lineal, en el eje horizontal (la frecuencia) es necesario utilizar una escala logarítmica para poder abarcar grandes rangos de frecuencia sin perder detalle. | ||
| + | |||
| + | Si utilizásemos una escala lineal para la frecuencia y quisiésemos ver algún detalle en las frecuencias bajas, no nos cabrían en el gráfico las frecuencias altas. Y viceversa, si quisiésemos ver algún detalla de las frecuencias altas, las frecuencias bajas estarían tan comprimidas (ocuparían centésimas de milímetro solamente) que no podríamos ver nada en ellas. Por eso la escala logarítmica es tan útil: cada orden de frecuencias (de 1 Hz a 10 Hz, de 10 Hz a 100 Hz, de 1KHz a 10KHz, etc...) ocupa el mismo espacio en la escala. | ||
| + | |||
| + | Debido a las características de esta curva de respuesta, muchas veces se simplifica su representación a solamente dos rectas: plana hasta la frecuencia de corte, y la pendiente de -6 dB/década a partir de la misma. | ||
| + | |||
| + | [INSERTAR IMAGEN DE UNA CURVA DE RESPUESTA SIMPLIFICADA] | ||
| + | |||
| + | === 12.1.2- Filtros RL paso-bajo. === | ||
| + | |||
| + | ¿Podemos construir un filtro paso bajo con bobinas en lugar de condensadores? | ||
| + | |||
| + | [INSERTAR IMAGEN DE FILTRO RL PASO BAJO, JUNTO CON RESPUESTA EN FRECUENCIA Y FASE] | ||
| + | |||
| + | En el caso del filtro RL paso-bajo, por debajo de la frecuencia de corte la bobina ofrece una impedancia más baja que la resistencia, | ||
| + | |||
| + | La definición de frecuencia de corte es la misma que antes: el punto donde la salida del divisor es la mitad de la entrada, o dicho de otro modo, el punto donde la impedancia de la bobina iguala a la resistencia. | ||
| + | |||
| + | <WRAP center round box 20%> | ||
| + | X< | ||
| + | w< | ||
| + | 2·pi·f< | ||
| + | |||
| + | </ | ||
| + | |||
| + | |||
| + | ==== 12.2.- Filtros paso-alto. ==== | ||
| ==== 12.3.- Filtros paso-banda y de rechazo de banda. ==== | ==== 12.3.- Filtros paso-banda y de rechazo de banda. ==== | ||
| + | ==== 12.4.- Filtros resonantes. ==== | ||
| ---- | ---- | ||
| ===== 13.- La unión P-N. El diodo. ===== | ===== 13.- La unión P-N. El diodo. ===== | ||
| - | |||
| ==== 13.1.- El silicio semiconductor. ==== | ==== 13.1.- El silicio semiconductor. ==== | ||
| - | |||
| ==== 13.2.- El sicilio dopado (el " | ==== 13.2.- El sicilio dopado (el " | ||
| - | |||
| ==== 13.3.- Conducir pegados es conducir: la unión P-N y el diodo. ==== | ==== 13.3.- Conducir pegados es conducir: la unión P-N y el diodo. ==== | ||
| - | |||
| ==== 13.4.- Otros tipos de diodo. Sí, también hablaremos de los LED. ==== | ==== 13.4.- Otros tipos de diodo. Sí, también hablaremos de los LED. ==== | ||
| - | |||
| ==== 13.5.- Circuitos con diodos. ==== | ==== 13.5.- Circuitos con diodos. ==== | ||
| - | |||
| ==== 13.6.- Rectificación de corriente alterna. ==== | ==== 13.6.- Rectificación de corriente alterna. ==== | ||
| - | |||
| === 13.6.1.- Rectificación de media onda. === | === 13.6.1.- Rectificación de media onda. === | ||
| - | |||
| === 13.6.2.- Rectificación de onda completa. === | === 13.6.2.- Rectificación de onda completa. === | ||
| - | |||
| === 13.6.3.- Puente rectificador. === | === 13.6.3.- Puente rectificador. === | ||
| - | |||
| ---- | ---- | ||
| ===== 14.- La unión bipolar. El transistor BJT. ===== | ===== 14.- La unión bipolar. El transistor BJT. ===== | ||
| - | |||
| ==== 14.1.- Funcionamiento del transistor bipolar BJT. ==== | ==== 14.1.- Funcionamiento del transistor bipolar BJT. ==== | ||
| - | |||
| ==== 14.2.- El transistor PNP. ==== | ==== 14.2.- El transistor PNP. ==== | ||
| - | |||
| ==== 14.3.- Polarización del transistor BJT. ==== | ==== 14.3.- Polarización del transistor BJT. ==== | ||
| - | |||
| ==== 14.4.- Montaje en base común. ==== | ==== 14.4.- Montaje en base común. ==== | ||
| - | |||
| ==== 14.5.- Montaje en emisor común. ==== | ==== 14.5.- Montaje en emisor común. ==== | ||
| - | |||
| ==== 14.6.- Montaje en colector común, o seguidor de emisor. ==== | ==== 14.6.- Montaje en colector común, o seguidor de emisor. ==== | ||
| + | ==== 14.7.- Uso del transistor BJT como dispositivo interruptor. ==== | ||
| ---- | ---- | ||
| ===== 15.- El transistor UJT. ===== | ===== 15.- El transistor UJT. ===== | ||
| - | |||
| ---- | ---- | ||
| ===== 16.- Los transistores FET. ===== | ===== 16.- Los transistores FET. ===== | ||
| - | |||
| ==== 16.1.- El transistor JFET. ==== | ==== 16.1.- El transistor JFET. ==== | ||
| - | |||
| ==== 16.2.- Los transistores MOSFET. ==== | ==== 16.2.- Los transistores MOSFET. ==== | ||
| - | |||
| === 16.2.1.- El MOSFET de deplexión o empobrecimiento. === | === 16.2.1.- El MOSFET de deplexión o empobrecimiento. === | ||
| - | |||
| === 16.2.2.- El MOSFET de acumulación o enriquecimiento. === | === 16.2.2.- El MOSFET de acumulación o enriquecimiento. === | ||
| - | |||
| ---- | ---- | ||
| ===== 17.- El DIAC. ===== | ===== 17.- El DIAC. ===== | ||
| - | |||
| ---- | ---- | ||
| ===== 18.- Hoy toca horóscopo: Géminis, este es tu día. El Tiristor o SCR. ===== | ===== 18.- Hoy toca horóscopo: Géminis, este es tu día. El Tiristor o SCR. ===== | ||
| - | |||
| ---- | ---- | ||
| ===== 19.- Géminis sí, pero con ascendiente Libra. El TRIAC. ===== | ===== 19.- Géminis sí, pero con ascendiente Libra. El TRIAC. ===== | ||
| - | |||
| ---- | ---- | ||
| Línea 839: | Línea 1358: | ||
| ===== 20.- Los amplificadores operacionales. ===== | ===== 20.- Los amplificadores operacionales. ===== | ||
| + | Un amplificador operacional (OpAmp, a partir de ahora, o simplemente operacional) posee dos entradas, la inversora (-) y la no inversora (+). | ||
| + | |||
| + | La salida de un amplificador operacional obedece a la siguiente fórmula: | ||
| + | |||
| + | V< | ||
| + | |||
| + | Es decir, el amplificador operacional nos proporciona en su salida el valor de la diferencia entre sus dos entradas (la no inversora menos la inversora) multiplicado por su ganancia. | ||
| + | |||
| + | Hasta aquí no hay nada demasiado difícil de entender. Si en un amplificador multiplicamos la señal de entrada por la ganancia, y eso es lo que obtenemos a la salida, ahora la única diferencia es que en lugar de una entrada tenemos dos, y lo que amplificamos es la diferencia entre las dos entradas. De hecho en un amplificador " | ||
| ==== 20.1.- El amplificador operacional ideal. ==== | ==== 20.1.- El amplificador operacional ideal. ==== | ||
| + | Para comprender el funcionamiento de los amplificadores operacionales debemos hacer algunas aproximaciones (a estas alturas de la película se supone que ya no os sorprenderéis), | ||
| - | ==== 20.2.- El amplificador operacional real. Ancho de banda. ==== | + | * La ganancia en lazo abierto de los amplificadores operacionales es muy, muy alta (esto es cierto, no estamos simplificando nada). Nosotros vamos a considerar que la ganancia es **infinita**. Veremos luego por qué. |
| + | * La impedancia | ||
| + | ¿Entendido hasta aquí? Los operacionales son unos circuitos que amplifican mucho, mucho la señal, y además tienen una entrada que apenas consume corriente, es decir, la fuente que alimenta la entrada del operacional apenas " | ||
| + | |||
| + | Pues ahora viene lo bueno. De los dos puntos anteriores podemos deducir lo que llamaremos el " | ||
| + | |||
| + | * Tenemos un amplificador con ganancia infinita. | ||
| + | * La salida del amplificador solo puede tomar valores finitos (si está alimentado a +V< | ||
| + | * Si la señal de salida es igual a la señal de entrada multiplicada por la ganancia, podemos decir que la señal de entrada es igual a la señal de salida dividida por la ganancia. | ||
| + | * Por lo tanto, el valor de la señal de entrada debe ser igual a V< | ||
| + | * Pero si Vo es un valor finito y G es un valor infinito, tenemos que V< | ||
| + | * Sí, habéis leído bien, la entrada vale cero. Estamos dividiendo un valor finito por algo que es infinito, por lo tanto el resultado es cero. | ||
| + | |||
| + | El **cortocircuito virtual** | ||
| + | |||
| + | Esto es un poco difícil de asimilar al principio, pero os iréis acostumbrando. Se trata de un cortocircuito un tanto " | ||
| + | |||
| + | Estas dos condiciones, | ||
| + | |||
| + | ==== 20.2.- El amplificador operacional real. Ancho de banda (BW) y producto Ganancia·Ancho de banda (GB). ==== | ||
| + | |||
| + | A pesar de que usemos un modelo idealizado para nuestros cálculos hay algunos aspectos que hay que seguir teniendo presentes, como el del ancho de banda (BW, bandwidth). Un opamp ideal tiene un ancho de banda infinito, esto es, podría amplificar señales de cualquier frecuencia. Las dos mentirijillas de antes acerca de la impedancia de entrada y el cortocircuito virtual no afectan a los cálculos, pero el tema del ancho de banda sí es necesario tenerlo en cuenta si vamos a trabajar con frecuencias altas. | ||
| + | |||
| + | En el mundo real los opamp tienen un ancho de banda limitado y no pueden amplificar cualquier señal. Cuando la señal es de una frecuencia demasiado alta, los transistores que forman el opamp no pueden seguir el ritmo de unas oscilaciones tan rápidas. En función del diseño interno del opamp y de la tecnología de semiconductores empleada en su fabricación, | ||
| + | |||
| + | Esta rapidez viene indicada por una magnitud llamada **slew rate**, que nos dice cómo de rápido puede variar la salida del opamp, y se mide en V/us (voltios por microsegundo). Cuanto más alto sea el slew rate de un opamp, mayor será su ancho de banda ya que su salida puede oscilar a mayor velocidad. | ||
| + | |||
| + | Si intentásemos amplificar una señal con un operacional en lazo abierto (esto es, sin resistencias de realimentación), | ||
| + | |||
| + | [Explicar con imagen la curva de ganancia en lazo abierto de un opamp real] | ||
| + | |||
| + | Lo que nos dice esta gráfica es que con una señal de continua (0 Hz, DC) la ganancia del amplificador es altísima, como ya habíamos dicho. Si la ganancia se expresa en dB, por cada 20dB de ganancia en voltage estamos multiplicando la señal por un factor de 10. Así, 20dB equivale a multiplicar por 10, 40dB equivale a un factor de x100, etc… Con 120dB, el factor de ganancia es de 1000000 veces !!! | ||
| + | |||
| + | Como se puede apreciar, en cuanto la frecuencia aumenta la ganancia va disminuyendo. Esto es un efecto del límite del slew rate que comentamos antes: como el operacional no puede oscilar tan rápido, conforme aumenta la frecuencia se reduce la amplitud de la señal de salida. Aunque estamos tratando de no meter muchas matemáticas en este pequeño curso, para aquellos que sepan lo que es una **derivada** | ||
| + | |||
| + | Por lo tanto, podemos decir que el producto ganancia x frecuencia de un operacional está limitado por su //slew rate//, y de ahí esa gráfica descendente. Si además de saber de derivadas también sabéis de curvas cónicas, estaréis extrañados porque la curva es una línea recta y no una hipérbola. Las funciones en las que el producto x·y es constante forman una hipérbola cuyas asíntotas son los ejes. Entonces, si en esta gráfica la x es la frecuencia y la y la ganancia, y hemos dicho que su producto es constante, ¿por qué no sale una hipérbola? La razón es que no estamos utilizando una escala lineal para la frecuencia ni para la ganancia. En la frecuencia estamos usando una escala logarítimica (tenemos la misma distancia entre 10Hz y 100HZ que entre 10KHz y 100KHz). En el eje de la ganancia, estamos utilizando unidades logarítmicas (los dB), con lo que estamos asignando la misma distancia entre las ganancias de x10 y x100 que entre x1000 y x10000. El resultado de no utilizar ejes lineales es que la hipérbola se convierte en una línea recta. | ||
| + | |||
| + | Venga, va, nos dejamos de hablar de matemáticas y volvemos a lo nuestro. | ||
| + | |||
| + | ¿Qué ocurre si la ganancia baja a un factor de x1, o dicho en dB, a 0dB? La frecuencia a la que ocurre eso es la que marca el ancho de banda de nuestro operacional, | ||
| + | |||
| + | Vosotros mismos podéis comprobar que el GB es constante. Si en la gráfica la ganancia es de 0dB a 1MHz, ¿de cuánto será a 1KHz?. Bajar de 1MHz a 1KHz supone reducir por 1000 la frecuencia, así que la ganancia aumentará en la misma cantidad y se multiplicará por 1000. Expresado en dB serían 60dB (20 log 1000). Que es exactamente lo que indica la gráfica. | ||
| + | |||
| + | ¿Quiere decir todo esto que la ganancia del amplificador operacional depende de la frecuencia? ¿Se van a amplificar más la frecuencias bajas que las altas? **NO**. | ||
| + | |||
| + | Todo esto que estamos explicando se refiere a la ganancia en lazo abierto. En lazo abierto, la ganancia sí depende de la frecuencia, pero un operacional nunca se utiliza en lazo abierto, porque no resulta útil. Cuando utilicemos un operacional le pondremos siempre unas resistencias para establecer cuánta ganancia deseamos. Esas resistencias forman la red de realimentación, | ||
| + | |||
| + | Lo diremos de otra forma: la ganancia de un operacional en lazo cerrado está limitada por dos cosas: | ||
| + | |||
| + | - La ganancia establecida por la red de realimentación. | ||
| + | - La ganancia de lazo abierto. | ||
| + | |||
| + | La ganancia de nuestro sistema será siempre la menor de estas dos. Y por lo tanto, su ancho de banda " | ||
| + | |||
| + | [Explicar con imagen la curva de ganancia en lazo cerrado, y cómo el producto G·BW se mantiene constante] | ||
| ==== 20.3.- El amplificador operacional en montaje inversor. ==== | ==== 20.3.- El amplificador operacional en montaje inversor. ==== | ||
| + | Bueno, pues vamos a ver cómo sacamos provecho del cortocircuito virtual para calcular la ganancia de un operacional en montaje inversor. | ||
| + | |||
| + | Lo del montaje inversor significa que aplicamos la señal de entrada a la entrada inversora del operacional, | ||
| + | |||
| + | [PONER AQUI EL ESQUEMA DEL AMPLIFICADOR INVERSOR] | ||
| + | |||
| + | Veamos qué ocurre en este esquema: | ||
| + | |||
| + | * Recordemos que la impedancia de entrada del operacional es infinita, así que no circula corriente entre sus dos entradas, ni entre estas y masa. | ||
| + | * Gracias al cortocircuito virtual, podemos asegurar que si la entrada no inversora está a un potencial de 0 V, entonces la entrada inversora también estará a 0 V. | ||
| + | * Por lo tanto, la corriente que atraviesa la resistencia R< | ||
| + | * Como esa corriente no puede entrar al operacional (la impedancia infinitaaa!!!) después de atravesar R< | ||
| + | * Teniendo en cuenta que uno de los extremos de R2 está a 0 V, la tensión del otro extremo, y por lo tanto la tensión de salida de nuestro amplificador, | ||
| + | * Si calculamos la ganancia del montaje como el cociente de la señal de salida entre la de entrada, tenemos que G = VO / VI = (- I< | ||
| + | * Si hacemos que R< | ||
| + | |||
| + | Si es la primera vez que leéis sobre el funcionamiento de los operacionales, | ||
| + | |||
| + | Pero insisto, por si os estáis comiendo la cabeza con la relación causa efecto: no es la corriente de entrada la que espontáneamente se deriva hacia R2 porque sí, sino que es el amplificador el que ajusta su salida a un valor tal que se cumplan las condiciones para que por R2 circule la misma corriente que por R1, y por lo tanto se cumplan las ecuaciones del amplificador. | ||
| ==== 20.4.- El amplificador operacional en montaje no inversor. ==== | ==== 20.4.- El amplificador operacional en montaje no inversor. ==== | ||
| + | Si hemos entendido el montaje inversor, vamos a ver ahora el no inversor, que es un poco diferente: | ||
| + | |||
| + | [PONER AQUI EL ESQUEMA DEL AMPLIFICADOR INVERSOR] | ||
| + | |||
| + | Como podéis ver, la entrada que antes estaba puesta a masa ahora va a ser nuestra entrada de señal, mientras que la que antes era la entrada de señal ahora la pondermos a masa. | ||
| + | |||
| + | Apliquemos los mismos razonamientos que antes, a ver qué nos sale ahora: | ||
| + | |||
| + | * Recordemos que la impedancia de entrada del operacional es infinita, así que no circula corriente por la entrada. Nuestro montaje ofrece una resistencia de entrada infinita desde el punto de vista de la señal de entrada. | ||
| + | * Gracias al cortocircuito virtual, podemos asegurar que la señal presente en la entrada inversora será igual a V< | ||
| + | * Por lo tanto, la corriente que atraviesa la resistencia R< | ||
| + | * La corriente que atraviesa R< | ||
| + | * La diferencia de potencial de R< | ||
| + | * La resistencia que atraviesa R< | ||
| + | * Pero habíamos dicho que las intensidades de ambas resistencias eran iguales, así que I< | ||
| + | * La ganancia es el cociente entre las dos señales, así que G = V< | ||
| + | |||
| + | Podemos deducir que la ganancia mínima será la unidad (cuando R< | ||
| + | |||
| + | Además, en este caso particular en el que R< | ||
| + | |||
| + | [PONER AQUI EL ESQUEMA DEL AMPLIFICADOR INVERSOR] | ||
| + | |||
| + | Este seguidor es una forma muy práctica de poder utilizar una señal sin degradarla, ya que la impedancia de entrada del seguidor es infinita (o casi) mientras que el operacional nos ofrece una impedancia de salida relativamente baja (dependerá del modelo) para atacar a lo que necesitemos. | ||
guias/iniciacion_a_la_electronica.1586708813.txt.gz · Última modificación: (editor externo)
Herramientas de la página
Excepto donde se indique lo contrario, el contenido de este wiki esta bajo la siguiente licencia: CC Attribution-Share Alike 4.0 International
