ANÁLISIS DE CIRCUITOSClase 1a

22-Septiembre-2014

ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO De la misma manera que se utilizan dibujos o símbolos

gráficos (iconos) para el esquema de un dispositivo físico real, la expresión elemento de un circuito se refiere al modelo matemático que representa el comportamiento de dicho dispositivo, como parte de un circuito físico real.

ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO Se considera como elemento general de un circuito al

que esta compuesto por dos o más elementos simples de circuito; y un elemento simple de circuito es aquel que no puede subdividirse en otros elementos simples.

ELEMENTOS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO Para conocer su comportamiento, primero se deben tener

en cuenta los tipos de elementos que existen en los circuitos. Una clasificación se realiza de acuerdo con su comportamiento respecto de la energía que utilizan. Entonces con este enfoque pueden ser elementos activos o pasivos.

VOLTAJE Y CORRIENTE - CONDUCTORES, AISLANTES Y SEMICONDUCTORES La estructura atómica de la materia afecta la facilidad

con que las cargas, es decir, los electrones, se mueven a

través de una sustancia y por tanto cómo se usa

eléctricamente; en este aspecto los materiales se

clasifican como conductores, aislantes o

semiconductores.

VOLTAJE Y CORRIENTE - CONDUCTORES, Los materiales a través de los cuales las cargas se mueven con facilidad

se les llama conductores. El ejemplo más familiar son los metales. Los

metales que son buenos conductores tienen un gran número de

electrones libres que son capaces de moverse con soltura. En particular,

la plata, el cobre, el oro y el aluminio son excelentes conductores.

Aparte de éstos, el cobre es el que más se usa; no sólo es un excelente

conductor, también es barato y se transforma con facilidad en alambre,

haciéndolo accesible para una gran diversidad de usos, desde el

cableado eléctrico doméstico hasta equipo eléctrico sofisticado.

VOLTAJE Y CORRIENTE - AISLANTES Los materiales que no conducen (como vidrio, porcelana, plástico, hule y otros)

son llamados aislantes. El recubrimiento de los cables de las lámparas

eléctricas, por ejemplo, es un aislante, se usa para evitar que los alambres se

toquen y para protegernos de choques eléctricos.

Los aislantes no conducen porque sus capas de valencias están llenas, o casi, y

por lo tanto sus electrones se encuentran estrechamente ligados; sin embargo,

cuando se aplica un voltaje suficientemente elevado, la fuerza es tan grande

que los electrones son literalmente arrancados de sus átomos, causando que el

aislante se rompa y que haya conducción. En el aire se puede ver esto como un

arco o un chispazo. En los sólidos es usual que el aislante resulte quemado.

VOLTAJE Y CORRIENTE - SEMICONDUCTORES

El silicio y el germanio (además de otros pocos materiales) tienen capas

de valencia medio llenas y por lo tanto no son ni buenos conductores ni

buenos aislantes. Se les conoce como semiconductores y tienen

propiedades eléctricas únicas que los hacen importantes para la

industria electrónica. El material más importante es el silicio, que se

utiliza para fabricar transistores, diodos, circuitos integrados y otros

dispositivos electrónicos. Los semiconductores han hecho posible las

computadoras personales, los sistemas de DVD, los teléfonos celulares,

las calculadoras y otros muchos aparatos electrónicos.

SÍMBOLO PARA FUENTES DE VOLTAJE DE CD

La batería es la fuente de energía eléctrica que mueve

cargas por el circuito. Este movimiento de cargas, como

pronto se verá, se llama corriente eléctrica. Debido a que

una de las terminales de la batería es siempre positiva y la

otra siempre negativa, la corriente se mueve siempre en la

misma dirección. Esta corriente unidireccional se llama cd

o corriente directa, y la batería se llama fuente de cd

SÍMBOLO PARA FUENTES DE VOLTAJE DE CD

Los símbolos para la fuente de cd se muestran en la

figura siguiente, la barra larga corresponde a la terminal

positiva. En baterías reales, la terminal positiva por lo

general está marcada con POS (+) y la terminal negativa

con NEG (-).

CORRIENTE

Se observa hay un gran número de electrones libres en metales como el

cobre. Dichos electrones se mueven en forma aleatoria a través del

material, pero su movimiento neto en cualquier dirección dada es cero.

Suponga ahora que una batería se conecta como en la figura. Como los

electrones son atraídos por el polo positivo de la batería y repelidos por el

polo negativo, se mueven por el circuito pasando a través del alambre, la

lámpara y la batería. Este movimiento de carga se llama corriente eléctrica.

A medida que una mayor cantidad de electrones pasan por segundo a

través del circuito, mayor es la corriente, por lo tanto la corriente es la

rapidez de flujo (o velocidad de movimiento) de la carga.

CORRIENTE

CORRIENTE ALTERNA (CA)

Hasta aquí se ha considerado solo la cd. Antes de avanzar

mencionaremos brevemente la ca o corriente alterna, que

es la corriente que cambia de dirección de manera cíclica,

esto es, las cargas fluyen de manera alternada en una

dirección y después en la otra dentro del circuito. La fuente

de ca más común es el sistema comercial de potencia que

suministra energía a los hogares. Se menciona aquí porque

se verá en breve en clases posteriores.

BATERÍAS

Las baterías son la fuente de cd más común, están hechas en

una gran variedad de formas, tamaños y especificaciones, desde

las miniatura tipo botón capaces de suministrar unos pocos

microamperes, hasta grandes baterías automotrices con la

capacidad de proporcionar cientos de amperes. Los tamaños

comunes son AAA, AA, C y D. Todas usan electrodos conductivos

diferentes inmersos en un electrolito. La interacción química

entre los electrodos y el electrolito crea el voltaje de la batería.

BATERÍAS PRIMARIAS Y SECUNDARIAS

Las baterías con el tiempo se “descargan”, sin embargo,

algunos tipos se pueden recargar. Éstas se llaman baterías

secundarias; hay de otros tipos, llamadas baterías primarias,

que no se pueden recargar. Un ejemplo familiar de batería

secundaria es la que se usa en el automóvil, ya que puede

recargarse al pasar corriente a través de ella en sentido

opuesto a su dirección de descarga. Un ejemplo también

familiar de celda primaria es la batería de una linterna.

TIPOS DE BATERÍAS Y SUS APLICACIONES

El voltaje de una batería, su tiempo de vida y otras

características dependen del material con el cual están hechas.

Alcalina

Este es el tipo de celda primaria de propósito general que más

se usa. Las baterías alcalinas se utilizan en linternas, radios

portátiles, controles remotos, reproductores de casete, cámaras,

juguetes, etc. Vienen en varios tamaños, como se muestra en la

figura siguiente. El voltaje nominal de la celda es 1.5 V.

TIPOS DE BATERÍAS Y SUS APLICACIONES Carbón-zinc

También se les llama celdas secas, la batería primaria de carbón-zinc fue por

muchos años más ampliamente usada, pero ha dejado su lugar a otros tipos, como

la batería alcalina. El voltaje nominal de la celda es 1.5 volts.

Litio

Las baterías de litio se caracterizan por su tamaño pequeño y larga vida (pueden

almacenarse de 10 a 20 años). Las aplicaciones incluyen relojes, marcapasos,

cámaras y baterías de respaldo para memorias de computadoras.

Están disponibles varios tipos de celdas de litio con voltajes de 2 V a 3.5 V y

especificaciones de corriente que van desde microamperes hasta algunos amperes.

TIPOS DE BATERÍAS Y SUS APLICACIONES Níquel-cadmio

Comúnmente se les llama “Ni-Cads”, son las baterías recargables más populares.

Tienen larga vida de servicio, operan en amplios intervalos de temperatura y son fabricadas en

muchos estilos y tamaños, incluyendo las C, D, AAA y AA.

Los recargadores de bajo costo las hacen económicamente convenientes para usarlas en equipo de

entretenimiento doméstico.

Plomo-ácido

Esta es la batería automotriz común, su voltaje de celda básico es de aproximadamente 2 volts,

pero por lo común se conectan internamente seis celdas para proporcionar 12 volts en las

terminales. Las baterías de plomo-ácido son capaces de suministrar grandes corrientes (superiores

a 100 A) por cortos periodos según se requiera; por ejemplo, para arrancar un automóvil.

TIPOS DE BATERÍAS Y SUS APLICACIONES

TIPOS DE BATERÍAS Y SUS APLICACIONES

CAPACIDAD DE LA BATERÍA

Las baterías se agotan con el uso, sin embargo, a partir de su

capacidad se puede hacer una estimación de su vida útil, esto es,

su especificación ampere-hora, que es igual al producto de su

consumo de corriente por el tiempo que se espera proporcione la

corriente especificada antes de que se agote. Por ejemplo, una

batería especificada en 200 Ah, puede en teoría suministrar 20 A

por 10 h, o 5 A por 40 h, etc. La relación entre la capacidad, el

tiempo de vida y el consumo de corriente es

CAPACIDAD DE LA BATERÍA

OTRAS CARACTERÍSTICAS

Debido a que las baterías no son perfectas, su voltaje

nominal disminuye conforme se incrementa la cantidad

de corriente extraída de ella.

Además, el voltaje de la batería se ve afectado por la

temperatura y otros factores que alteran su actividad

química; sin embargo, estos factores no se consideran en

este curso.

CELDAS EN SERIE Y EN PARALELO

Las celdas pueden conectarse como en las figuras

siguientes para incrementar sus capacidades de voltaje y

corriente.

CELDAS EN SERIE Y EN PARALELO

CELDAS EN SERIE Y EN PARALELO

FUENTES DE POTENCIA ELECTRÓNICAS

Los sistemas electrónicos como las TV, videograbadoras, computadoras,

etc., requieren cd para su operación y excepto por las unidades

portátiles, que usan baterías, los dispositivos obtienen su alimentación a

partir del suministro eléctrico de ca comercial por medio de fuentes de

potencia, las cuales convierten la entrada de ca en los voltajes de cd

que requiere el equipo. Las fuentes de potencia también se usan en los

laboratorios de electrónica y por lo común son variables para

proporcionar el intervalo de voltajes que se requieren para el desarrollo

de prototipos y circuitos de prueba. La figura muestra una fuente de cd

variable

FUENTES DE POTENCIA ELECTRÓNICAS

FUENTES DE POTENCIA ELECTRÓNICAS

CELDAS SOLARES

La celda solar convierte la energía de la luz en energía eléctrica usando medios

fotovoltaicos. La celda básica consiste de dos capas de material semiconductor.

Cuando la luz incide en la celda, muchos electrones obtienen bastante energía para

cruzar de una capa a otra y crear un voltaje de cd.

La energía solar tiene muchas aplicaciones prácticas, por ejemplo, la figura muestra

un arreglo de paneles solares que suministran potencia a una red de ca comercial.

En áreas remotas, los paneles solares se usan para alimentar los sistemas de

comunicaciones y las bombas de irrigación. En el espacio se usan para suministrar

potencia a los satélites. En la vida cotidiana se usan para suministrar energía a las

calculadoras de mano.

CELDAS SOLARES

MEDICIÓN DE VOLTAJE Y CORRIENTE

El voltaje y la corriente se miden en la práctica usando

instrumentos llamados voltímetros y amperímetros. Aunque están

disponibles como instrumentos individuales, es común

encontrarlos combinados en un solo instrumento de múltiples

propósitos llamado multímetro. Están disponibles tanto en la

versión digital como en la analógica. Observe que a los

multímetros digitales por lo común se les llama MMD (DMM, por

sus siglas en inglés), mientras que a los medidores analógicos se

les llama VOM (por Volts/Ohms/Miliamperes).

MEDICIÓN DE VOLTAJE Y CORRIENTE

CÓMO MEDIR VOLTAJE

Ya que el voltaje es la diferencia de potencial entre dos

puntos, se mide el voltaje al colocar las puntas del

voltímetro a través del componente cuyo voltaje desea

medir, como se ve en la figura

CÓMO MEDIR VOLTAJE

Para medir el voltaje a través del foco, coloque una

terminal en cada lado de éste como se muestra; si el

medidor no tiene autoescala y no se tiene idea de la

magnitud del voltaje, fije el medidor en la escala más

alta, y después vaya bajándola para evitar dañar el

instrumento.

CÓMO MEDIR CORRIENTE

Como se indica en la figura, la corriente que se desea

medir debe pasar a través del medidor. Se abre el

circuito como en y se inserta el amperímetro. El signo de

la lectura será positivo si la corriente entra por la

terminal A o (+) y negativo si entra por la terminal COM

(o -)