1.- CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA.
1.1.- Fundamentos físicos.
1.1.1.- Que es la electricidad y su origen.
La electricidad consiste en el movimiento de electrones dentro de un circuito cerrado.
El origen de la electricidad se encuentra en los electrones de cada átomo, que giran alrededor del núcleo a gran velocidad, localizados en diferentes capas en un número determinado.
La capacidad máxima de electrones en cada nivel se rige por la fórmula cuántica 2n², donde "n" representa el número de orden del nivel o capa.
1ª capa : 2×1² = 2 electrones.
2ª capa : 2×2² = 8 electrones.
3ª capa : 2×3² = 18 electrones.
1.1.2.- Electricidad y magnetismo.
La electricidad puede generar magnetismo y, a su vez, el magnetismo puede generar electricidad.
- Campos magnéticos por corriente: Los imanes naturales tienen un campo fijo, pero cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, genera a su alrededor un campo magnético.
- El Electroimán: Para concentrar e intensificar este campo, el conductor se enrolla en forma de bobina (solenoide). La fuerza de este campo magnético depende de tres factores:
· Intensidad de la corriente (I): A más amperios, más fuerza magnética.
· Número de espiras (N): Cuantas más vueltas tenga el cable de la bobina, más potente será el campo.
· Núcleo: Si introducimos un núcleo de hierro dentro de la bobina, el magnetismo se multiplica enormemente.
- Inducción Electromagnética: Es el proceso inverso y la base de la generación de electricidad. Si se mueve un imán cerca de un cable, los electrones se mueven y se crea una corriente eléctrica.
1.1.3.- Tipos de materiales.
· Aislantes (o Dieléctricos): Tienen una conductividad muy baja o casi nula. Los electrones están fuertemente ligados a sus átomos, su ultima capa de electrones esta completa y fuertemente unida a su núcleo.
Su enlace típico es iónico y/o covalente. Ejemplo: plástico, cerámica, madera.
· Semiconductores: Presentan una conductividad intermedia, que puede variar con factores como la temperatura o la adición de impurezas. Su enlace típico es covalente o estructuras cristalinas. Ejemplo: sicilio o el diamante.
· Conductores: Tienen una alta conductividad eléctrica. Los átomos ceden total o parcialmente sus electrones libres, convirtiéndose en iones positivos. Estos iones se sitúan en los puntos notables de una red cubica cristalina.
El conjunto de los electrones cedidos por los átomos forman una "nube electrónica" que envuelve a los iones, estos electrones comunes a todos los átomos, gozan de una gran libertad de movimiento, lo que explica que los metales sean buenos conductores del calor y la electricidad.
Esta característica hace que este tipo de material se denomine semiconductor, un elemento que revoluciono los conceptos de la electrónica.
1.2.- Magnitudes y Unidades.
1.2.1.- Magnitudes eléctricas básicas (V, I, R).
· Cantidad de Carga (Q): Es la carga total que circula a través de un circuito eléctrico. En el Sistema Internacional (S.I), se emplea como unidad la carga de 6.3 · 10⁸ electrones, llamada Culombio (C), ya que la carga de un electrón es muy pequeña.
· Intensidad de Corriente (I): Es el flujo o caudal de carga eléctrica que atraviesa un conductor en un periodo de tiempo. La intensidad de corriente se mide con un instrumento llamado amperímetro, o con un polímetro (aparato que sirve para medir varias magnitudes eléctricas).
Intensidad (I) = Cantidad de carga (Q) / tiempo (sg).
Su unidad, en el S.I. es el Amperio (A) que se pondrá definir como la intensidad de corriente que transporta 1 culombio en un segundo.
1 Amperio = 1 Culombio / 1 Segundo.
· Densidad de corriente eléctrica: Es el numero de amperios que circula por cada mm² de conductor, esto es, intensidad por unidad de sección. La unidad es el A/mm².
· Voltaje o Tensión (V): Es la fuerza o presión que impulsa a los electrones a moverse a través de un conductor, creando la corriente. Su unidad en el Sistema Internacional es el voltio (V).
· Resistencia: Es la oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica, limitando el flujo de electrones en el circuito. Su unidad en el Sistema Internacional es el Ohmio (Ω).
1.2.2.- Múltiplos y submúltiplos.
En electricidad y electrónica, los más utilizados son el Kilo (para voltajes y resistencias), el Mega (para resistencias muy altas) y el mili/micro (para intensidades y condensadores).
En un circuito eléctrico, la intensidad de corriente que lo recorre, es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia que presenta.
1.2.4.- Energía eléctrica.
Así como la potencia se mide en vatios, la energía consumida o producida se mide en vatios-hora (KWh). La equivalencia entre el vatio hora y Julio es:
1Wh = 1W × 1h = (1J / 1s) × 1h = (1J / 1s) × (3600s /1h) × 1h = 3600 J
Por ultimo, no confundir energía con potencia eléctrica. Si la unidad de potencia es el vatio, la unidad de energía (trabajo) debe ser vatio x hora y no vatio / hora.
Los instrumentos para medir la potencia eléctrica son los vatímetros. Esta potencia también se puede medir indirectamente, realizando el producto de la tensión por la intensidad que marcan los respectivos aparatos (voltímetro y amperímetro). En principio, un vatímetro está compuesto internamente por un circuito voltimétrico y un circuito amperimétrico. Por eso, tiene cuatro bornes:
- Dos para medidas de tensión (conexión paralelo).
- Dos para medidas de intensidad (conexión serie).
En cambio, la energía eléctrica se mide con un contador de energía, que indica la energía consumida en kWh en cierto periodo de tiempo. De este modo, las compañías eléctricas solo tienen que multiplicar la cifra indicada en el contador por el precio establecido del kilovatio-hora kWh para facturar el consumo del abonado.
1.2.5.- Influencia temperatura en resistencia de un conductor.
1.3.- Elementos de los circuitos.
Un circuito eléctrico es una conexión de elementos a través de los cuales puede circular la corriente. Los circuitos constaran de los siguientes elementos:
· Generador o fuente de tensión: dispositivos que transforman cualquier tipo de energía en energía eléctrica con una tensión (o voltaje) entre sus bornes.
· Conductores: dispositivos, normalmente hilos, que conectan los distintos elementos del circuito permitiendo el flujo de electrones.
· Elementos de control: usados para dirigir o interrumpir el paso de corriente: algunos ejemplos son; interruptores, pulsadores, conmutadores y relés.
· Elementos de protección: Son los elementos encargados de proteger al resto de los elementos del circuito frente a intensidades de corriente demasiado elevadas o frente a derivaciones o fugas de potencia. Son los fusibles, diferenciales y los interruptores magnetotérmicos.
· Receptores: Son los dispositivos que almacenas, disipan o transformas la energía eléctrica en otra forma de energía; es decir, son los elementos que producen algún efecto cuando los atraviesa la corriente eléctrica. Son por ejemplo la bombilla, un zumbador, un motor eléctrico:
1.3.1.- Componentes activos:
Son aquellos que requieren una fuente de alimentación externa para operar y pueden generar, amplificar o controlar el flujo eléctrico. Se consideran el "cerebro" del circuito.
· Diodos: Es un componente electrónico fabricado con material semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en un único sentido.
El material semiconductor puede ser de dos tipos:
· Semiconductor tipo P: Semiconductor con defecto de electrones.
· Semiconductor tipo N: semiconductor con exceso de electrones.
El símbolo del diodo permite identificar el sentido de paso y el bloqueo, debiéndose diferenciar claramente el ánodo (zona P) y el cátodo (zona N).
Tipos de diodos:
· Diodo universal: Permite el paso de la corriente en un sentido impidiéndolo en el otro.
· Diodo LED (Light Emitting Diode): Diodos que trabajan en polarización directa, que emiten luz al conducir la corriente. Cuando se polarizan de forma inversa no emiten luz y no dejan pasar la corriente. El cátodo es el terminal corto y el ánodo el mas largo.
Se utiliza como pilotos de señalización en equipos electrónicos (radios, televisores, teclados, ...), en equipos de iluminación (linternas, focos, iluminación navideña, ...).
· Ventajas de un diodo LED: Los LED presentan una serie de ventajas frentes a los sistemas tradicionales de iluminación; reemplazándolos en múltiples aplicaciones. Entre dichas ventajas cabe destacar.
- Consumo energético mucho menor que las bombillas incandescentes, halógenos, etc...
- Su tiempo de vida muy elevado (dicen que + 50.000 h), por lo que se reducen costos de mantenimiento.
- Trabajan a muy baja corriente y tensión lo que los hace más seguros y confiables.
- No generan calor (cuando son implementados a baja potencia).
- Permiten la fabricación de dispositivos de iluminación mucho mas prácticos, multicolores y de fácil instalación.
- Encendido instantáneo
- No irradian luz infrarroja ni ultravioleta.
· Transistores: Son dispositivos semiconductores que pueden dejar pasar la corriente impidiéndolo en el otro. Sin embargo, a diferencia del diodo, este puede decidir si la corriente debe o no circular, y a que intensidad.
Los transistores están formados por la unión alterna de tres semiconductores P y N; pudiéndose lograr las combinaciones NPN y PNP. Cada zona semiconductora esta unido a un terminal externo, llamados emisor y colector (terminales extremos) y base (zona intermedia).
1.3.2.- Componentes pasivos:
Estos componentes no requieren alimentación externa. Su función es almacenar o disipar la energía, pero no pueden amplificarla.
· Resistencias: Las resistencias son elementos que dificultan el paso de la corriente, permitiendo distribuir adecuadamente las tensiones e intensidades por el circuito.
Sus principales funciones son el limitar y regular la cantidad de corriente que circula por un determinado circuito, además de proteger algunos componentes por los que no debería circular una intensidad elevada.
Tipos de resistencias: Según el valor de la resistencia, se pueden clasificar en tres tipos: resistencias fijas o resistores, resistencias variable y resistencias dependientes.
· Resistores (o resistencias fijas): Se caracterizan por tener un único valor fijo de la resistencia. Para identificar el valor en Ohmios (Ω) de una resistencia se emplea el código de colores.
· Resistencias variables (o potenciómetros): Resistencias cuyo valor óhmico puede variar entre 0 Ω y un valor máximo.
Ejemplo: Selector de potencia de un microondas, potenciómetro del volumen de una radio.
· Resistencias dependientes: Resistencias cuyo valor óhmico depende de un parámetro físico tales como la temperatura, la cantidad de luz, voltaje y campo magnético.
· Resistencias variables a la temperatura (o termo-resistores): El valor óhmico de la resistencia de estos componentes varia en función de la temperatura ambiental.
Ejemplo: Regulador de temperatura de un congelador, placas vitrocerámicas.
· Resistencias dependientes de la luz (o fotorresistencias LDR): Resistencias cuyo valor óhmico varia de tal forma que al aumenta la iluminación, la resistencia disminuye.
Ejemplo: Cierre de persianas automático.
· Condensador: Están constituidos por dos placas o armaduras conductoras separadas por un material aislante que sirven para almacenar carga eléctrica.
Se define la capacidad eléctrica (C) de un condensador como la cantidad de carga eléctrica que almacena un condensador por unidad de tensión. Su unidad en el SI es el Faradio.
· Condensador cerámico (de lenteja): Son componentes de pequeño tamaño y forma de disco, compuestos por un aislante cerámico entre dos armaduras metálicas. Carecen de polaridad, por lo que pueden conectarse en cualquier sentido. Se define la capacidad eléctrica (C) como la carga almacenada por unidad de tensión. Su unidad en el SI es el Faradio (F).
· Bobinas: Una bobina es un componente formado por un hilo conductor (normalmente cobre) enrollado en forma de espiral o hélice sobre un núcleo, que puede ser de aire o de un material magnético (como la ferrita). Su principal característica es que almacena energía en forma de campo magnético mediante el fenómeno de la autoinducción. Cuando la corriente circula por ella, genera un flujo magnético que se opone a los cambios bruscos de intensidad. La capacidad de una bobina para almacenar energía se llama inductancia (L) y su unidad en el Sistema Internacional es el Henrio (H).
