01 - 01 - 04 VOLTAJE by Ricardo Mariscal

VOLTAJE, TENSIÓN o DIFERENCIA DE POTENCIAL El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica. A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.

Las cargas eléctricas en un circuito cerrado fluyen del polo negativo al polo positivo de la propia fuente< de fuerza electromotriz. La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente de FEM se manifiesta como la acumulación de< cargas eléctricas negativas (iones negativos o aniones), con exceso de electrones en el polo negativo (–) y la acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes), con defecto de electrones< en el polo positivo (+) de la propia fuente de FEM. A la izquierda podemos apreciar la estructura completa de un átomo de cobre (Cu) en estado "neutro", con un solo electrón girando en su última órbita y a la derecha un "ión" cobre, después que el átomo ha< perdido el único electrón que posee en su órbita más externa. Debido a que en esas condiciones la< carga positiva de los protones supera a las cargas negativas de los electrones que aún continúan< girando en el resto de las órbitas, el ión se denomina en este caso "catión", por tener carga positiva. Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

En otras palabras, el voltaje, tensión o diferencia de potencial es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico cerrado. Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir del polo negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la propia fuente. FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ Como fuente de fuerza electromotriz se entiende cualquier dispositivo capaz de suministrar energía eléctrica dinámica, ya sea utilizando medios químicos, como las baterías, o electromecánicos, como ocurre con los generadores de corriente eléctrica.

Batería como las comúnmente utilizadas Generador sincrónico empleado. para en coches y vehículos motorizados. producir< corriente alterna en centrales termoeléctricas< de pequeño tamaño.

Existen también otros tipos de dispositivos como, por ejemplo, las fotoceldas o celdas solares, que convierten la luz en electricidad; los termopares, cuyos alambres transforman la alta temperatura que reciben en el punto de unión de dos de sus extremos en voltajes muy bajos, y los dispositivos piezoeléctricos, que también producen voltajes muy bajos cuando se ejerce una presión sobre ellos. Mediante el uso de celdas solares se puede suministrar energía eléctrica a viviendas situadas en lugares muy apartados donde es imposible o poco rentable transmitirla por cables desde una central eléctrica. Los termopares se utilizan como sensores en instrumentos electrónicos de precisión, como los destinados a medir, por ejemplo, temperatura en hornos y calderas. Los dispositivos piezoeléctricos constituyen, por su parte, la pieza fundamental para convertir las vibraciones mecánicas que capta dicho dispositivo en pulsaciones eléctricas, como ocurre en algunos tipos de micrófonos y en las cápsulas de tocadiscos o giradiscos. Analogía hidráulica con referencia a un circuito eléctrico Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Analogía hidráulica con respecto a la tensión o voltaje. En la figura aparecen tres recipientes llenos de líquido, cuyos tubos de salida se encuentran todos al mismo nivel. Por la tubería del recipiente "B", el líquido saldrá con mayor presión que por la tubería del recipiente "A", por encontrarse el "B" a mayor altura. Lo mismo ocurre con el recipiente "C", que, aunque se encuentra al mismo nivel que el recipiente "A", cuando se ejerce presión con un émbolo sobre la superficie del líquido, éste saldrá también a mayor presión por el tubo. De forma parecida a esta analogía hidráulica actúa la fuente de fuerza electromotriz (FEM) para mover las cargas eléctricas por un conductor. A mayor presión que ejerza la fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones, mayor será también el voltaje, tensión o diferencia de potencial que estará presente en un determinado circuito eléctrico. Si comparamos el circuito eléctrico con un sistema hidráulico, el voltaje sería algo similar a la presión que se ejerce sobre el líquido en una tubería para su bombeo. Si la presión del sistema hidráulico aumenta, la fuerza de la corriente del líquido que fluye por la tubería también aumenta. De igual forma, cuando se incrementa el voltaje, la intensidad de la corriente de electrones que fluye por el circuito eléctrico también aumenta, siempre que el valor de la resistencia se mantenga constante. MEDICIÓN DE LA TENSIÓN O VOLTAJE Para medir tensión o voltaje existente en una fuente de fuerza electromotriz (FEM) o e un circuito eléctrico, es necesario disponer de un instrumento de medición llamado voltímetro, que puede ser tanto del tipo analógico como digital. El voltímetro se instala de forma paralela en relación con la fuente de suministro de energía eléctrica. Mediante un multímetro o “tester” que mida voltaje podemos realizar también esa medición. Los voltajes bajos o de baja tensión se miden en volt (Voltio)resenta por la letra (V), mientras que los voltajes medios y altos (alta tensión) se miden en kilovolt, y se representan por las iniciales (kV).

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

1. Voltímetro analógico. 2. Voltímetro digital. 3. Miliamperímetro analógico. 4. Amperímetro digital. El voltímetro siempre se conecta en paralelo con la fuente de suministro de fuerza electromotriz, mientras que el amperímetro y el miliamperímetro se colocan en serie. El aparato empleado para medir tensiones se denomina voltímetro y se simboliza mediante una V rodeada por una circunferencia. DIFERENCIAS ENTRE LA ALTA, BAJA Y MEDIA TENSIÓN De acuerdo al RETIE (Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas) establece: ARTÍCULO 8. CLASIFICACIÓN DE LOS NIVELES DE TENSIÓN EN CORRIENTE ALTERNA. Para efectos del presente Reglamento Técnico, se fijan los siguientes niveles de tensión, establecidos en la norma NTC 1340, asi: a) Extra alta tensión (EAT): corresponde a tensiones superiores a 230 kv; b) Alta tensión (AT): corresponde a tensiones mayores o iguales a 57,5 kV y menores o iguales a 230 kV; c) Media tensión (MT): Los de tensión nominal superior a 1.000 V e inferior a 57,5 kV; d) Baja tensión (BT): Los de tensión nominal mayor o igual a 25 V y menor o igual a 1.000V; e) Muy baja tensión (MBT): Tensiones menores de 25 V. Toda instalación eléctrica, objeto del presente Reglamento, debe asociarse a uno de los anteriores niveles. Si en la instalación existen circuitos o elementos en los que se utilicen distintas tensiones, el conjunto del sistema Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

se clasificará para efectos prácticos, en el grupo correspondiente al valor de la tensión nominal más elevada. ALTA TENSIÓN. Se emplea para transportar altas tensiones a grandes distancias, desde las centrales generadoras hasta las subestaciones de transformadores. Su transportación se efectúa utilizando gruesos cables que cuelgan de grandes aisladores sujetos a altas torres metálicas. Las altas tensiones son aquellas que superan los 57,5 kV (kilovolt). MEDIA TENSIÓN. Son tensiones mayores de 1 kV y menores de 57,5 kV. Se emplea para transportar tensiones medias desde las subestaciones hasta las subestaciones o bancos de transformadores de baja tensión, a partir de los cuales se suministra la corriente eléctrica a las ciudades. Los cables de media tensión pueden ir colgados en torres metálicas, soportados en postes. BAJA TENSIÓN. Tensiones inferiores a 1 kV que se reducen todavía más para que se puedan emplear en la industria, el alumbrado público y el hogar. Las tensiones más utilizadas en la industria son 220, 380 y 440 volt de corriente alterna y en los hogares entre 110 y 120 voltios para la mayoría de los países de América y 220 voltios para Europa. Hay que destacar que las tensiones que se utilizan en la industria y la que llega a nuestras casas son alterna (C.A.), cuya frecuencia en América es de 60 ciclos o hertz (Hz), y en Europa de 50 ciclos o hertz. LA CORRIENTE ALTERNA (C.A.) Además de la existencia de fuentes de FEM de corriente directa o continua (C.D.) (como la que suministran las pilas o las baterías, cuya tensión o voltaje mantiene siempre su polaridad fija), se genera también otro tipo de corriente denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la directa por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo.

Una pila o batería constituye una fuente de suministro de corriente directa, porque su polaridad se mantiene siempre fija.

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos o hertz por segundo posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente directa. Veamos un ejemplo práctico que ayudará a comprender mejor el concepto de corriente alterna:

Corriente alterna pulsante de un ciclo o hertz (Hz) por segundo. Si hacemos que la pila del ejemplo anterior gire a una determinada velocidad, se producirá un cambio constante de polaridad en los bornes donde hacen contacto los dos polos de dicha pila. Esta acción hará que se genere una corriente alterna tipo pulsante, cuya frecuencia dependerá de la cantidad de veces que se haga girar la manivela a la que está sujeta la pila para completar una o varias vueltas completas durante un segundo. En este caso si hacemos una representación gráfica utilizando un eje de coordenadas para la tensión o voltaje y otro eje para el tiempo en segundos, se obtendrá una corriente alterna de forma rectangular o pulsante, que parte primero de cero volt, se eleva a 1,5 volt, pasa por “0” volt, desciende para volver a 1,5 volt y comienza a subir de nuevo para completar un ciclo al pasar otra vez por cero volt. Si la velocidad a la que hacemos girar la pila es de una vuelta completa cada segundo, la frecuencia de la corriente alterna que se obtiene será de un ciclo o hertz por segundo (1 Hz). Si aumentamos ahora la velocidad de giro a 5 vueltas por segundo, la frecuencia será de 5 ciclos o hertz por segundo (5 Hz). Mientras más rápido hagamos girar la manivela a la que está sujeta la pila, mayor será la frecuencia de la corriente alterna pulsante que se obtiene. Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Seguramente sabrás que la corriente eléctrica que llega a nuestras casas para hacer funcionar las luces, los equipos electrodomésticos, electrónicos, etc. es, precisamente, alterna, pero en lugar de pulsante es del tipo sinusoidal o senoidal. En Europa la corriente alterna que llega a los hogares es de 220 volt y tiene una frecuencia de 50 Hz, mientras que en la mayoría de los países de América la tensión de la corriente es de 110 ó 120 volt, con una frecuencia de 60 Hz. La forma más común de generar corriente alterna es empleando grandes generadores o alternadores ubicados en plantas termoeléctricas, hidroeléctricas o centrales atómicas. FORMAS DIFERENTES DE CORRIENTE ALTERNA De acuerdo con su forma gráfica, la corriente alterna puede ser: Rectangular o pulsante Triangular Diente de sierra Sinusoidal o senoidal

(A) Onda rectangular o pulsante. (B) Onda triangular. (C) Onda diente de sierra. (D) Onda sinusoidal o senoidal. De todas estas formas, la onda más común es la sinusoidal o senoidal. Cualquier corriente alterna puede fluir a través de diferentes dispositivos eléctricos, como pueden ser resistencias, bobinas, condensadores, etc., sin sufrir deformación. La onda con la que se representa gráficamente la corriente sinusoidal recibe ese nombre porque su forma se obtiene a partir de la función matemática de seno. En la siguiente figura se puede ver la representación gráfica de una onda sinusoidal y las diferentes partes que la componen:

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

De donde: A = Amplitud de onda N = Nodo o valor cero

P = Pico o cresta V = Valle o vientre

T = Período

AMPLITUD DE ONDA: máximo valor que toma una corriente eléctrica. Se llama también valor de pico o valor de cresta. PICO O CRESTA: punto donde la sinusoide alcanza su máximo valor. NODO O CERO: punto donde la sinusoide toma valor “0”. VALLE O VIENTRE: punto donde la sinusoide alcanza su mínimo valor. PERÍODO: tiempo en segundos durante el cual se repite el valor de la corriente. Es el intervalo que separa dos puntos sucesivos de un mismo valor en la sinusoide. El período es lo inverso de la frecuencia y, matemáticamente, se representa por medio de la siguiente fórmula: T = 1 / F FRECUENCIA: es la cantidad de ciclos por segundo o hertz (Hz), que alcanza la corriente alterna. Es el inverso del período y, matemáticamente, se representa de la manera siguiente: F=1/T MULTIPLOS DE HERTZ (Hz) Kilohertz (kHz) = 103 Hz = 1 000 Hz Megahertz (MHz) = 106 Hz = 1 000 000 Hz Gigahertz (GHz) = 109 Hz = 1 000 000 000 Hz VENTAJAS DE LA CORRIENTE ALTERNA Entre algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente directa o continua, tenemos las siguientes: Permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores. Se transporta a grandes distancias con poca de pérdida de energía. Es posible convertirla en corriente directa con facilidad. Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica. Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y fáciles de mantener que los de corriente directa. SEÑAL ELÉCTRICA ANALOGA Señal eléctrica analógica es aquella en la que los valores de la tensión o voltaje varían constantemente en forma de corriente alterna, incrementando su valor con signo eléctrico positivo (+) durante medio ciclo y disminuyéndolo a continuación con signo eléctrico negativo (–) en el medio ciclo siguiente. El cambio constante de polaridad de positivo a negativo provoca que se cree un trazado en forma de onda senoidal. Por tanto, una onda eléctrica de sonido puede tomar infinidad de valores positivos y negativos (superiores e inferiores), dentro de cierto límite de volt también positivos o negativos, representados siempre dentro de una unidad determinada de tiempo, generalmente medida en segundos. Representación gráfica de una onda senoidal o sinusoidal alterna con una frecuencia de 3 Hz (hertz) o< ciclos por segundo. Cada ciclo está formado por: amplitud de onda (A), siendo positiva (+) cuando la< sinusoide alcanza su máximo valor de tensión o voltaje de pico (por encima de “0” volt) y negativa (–) cuando decrece (por debajo de “–0 ” volt). El valor máximo que toma la señal eléctrica de una onda sinusoidal recibe el nombre de “cresta” o “pico” (P), mientras que el valor mínimo o negativo recibe el nombre de “vientre” o “valle” (V). La distancia existente entre una cresta o pico y el otro, o entre un valle o vientre y el otro se denomina “período” (T). OTROS DATOS Aunque desde hace años el Sistema Internacional de Medidas (SI) estableció oficialmente como “volt” el nombre para designar la unidad de medida del voltaje, tensión eléctrica o diferencia de potencial, en algunos países de habla hispana se le continúa llamando “voltio”. Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

El volt recibe ese nombre en honor al físico italiano Alessandro Volta (1745 – 1827), inventor de la pila eléctrica conocida como “pila de Volta”, elemento precursor de las actuales pilas y baterías eléctricas. La diferencia de la corriente alterna con la corriente continua, es que la continua circula sólo en un sentido. La corriente alterna (como su nombre lo indica) circula durante un tiempo en un sentido y después en sentido opuesto, volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante. Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y la usamos para alimentar la TV, el equipo de sonido, la lavadora, la refrigeradora, etc. En el siguiente gráfico se muestra la tensión (que es también alterna) y tenemos que la magnitud de ésta varía primero hacia arriba y luego hacia abajo (de la misma forma en que se comporta la corriente) y nos da una forma de onda llamada: onda senoidal.

El voltaje varía continuamente, y para saber que voltaje tenemos en un momento específico, utilizamos la fórmula; V = Vp x Seno (Θ) donde Vp = V pico (ver gráfico) es el valor máximo que obtiene la onda y Θ es una distancia angular y se mide en grados. Aclarando un poco esta última parte y analizando el gráfico, se ve que la onda senoidal es periódica (se repite la misma forma de onda continuamente). Si se toma un período de ésta (un ciclo completo), se dice que tiene una distancia angular de 360o. Y con ayuda de la fórmula que ya dimos, e incluyendo Θ (distancia angular para la cual queremos saber el voltaje) obtenemos el voltaje instantáneo de nuestro interés. Para cada distancia angular diferente el valor del voltaje es diferente, siendo en algunos casos positivo y en otros negativo (cuando se invierte su polaridad.) Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

VOLTAJE INSTANTÁNEO: (vins), Como se ha dicho, una de las características de la corriente alterna es tomar valores diferentes en cada instante de tiempo. Así, el valor instantáneo es el valor que toma la señal en cada instante. La unidad depende del valor instantáneo considerado: tensión, intensidad, etc. Se suele representar con letras minúsculas.

Diversos valores de Voltaje Instantáneo VOLTAJE MÁXIMO: (Vmáx.),De todos los valores instantáneos comprendidos en un periodo, se denomina valor máximo al mayor de ellos. También a este valor se le conoce como amplitud de la señal de alterna y, otras veces, valor de cresta. Al igual que el valor instantáneo, su unidad depende de la magnitud considerada. Se representa con letras mayúsculas seguidas del subíndice máx. En las señales de alterna senoidales, el valor máximo coincide, en valor absoluto, con el valor mínimo. A cualquiera de estos valores se les designa también con el nombre de valor pico. VOLTAJE PICO-PICO: (Vpp) Analizando el gráfico se ve que hay un voltaje máximo y un voltaje mínimo. La diferencia entre estos dos voltajes es el llamado voltaje pico-pico (Vpp) y es igual al doble del Voltaje Pico (Vp) (ver gráfico). Ver Valor RMS, Valor Pico, Valor Promedio. Este tipo de gráficos se pueden observar con facilidad con ayuda de un osciloscopio. VOLTAJE RMS.(Vrms): Se puede obtener el voltaje equivalente en corriente continua (Vrms) de este voltaje alterno con ayuda de la fórmula Vrms = 0.707 x Vp. Ver Valor RMS, Valor Pico, Valor Promedio o medio. Este valor de voltaje es el que obtenemos cuando utilizamos un multímetro.

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

VOLTAJE EFICAZ: (V). En el tratamiento de las señales alternas, es este valor el mas importante para operar con ellas, pues con él se obtiene matemáticamente el mismo resultado que operando con valores instantáneos continuamente variables. Físicamente, el valor eficaz de una corriente alterna es aquel que produce los mismos efectos caloríficos, a través de una resistencia, que una corriente continua del mismo valor. Matemáticamente se obtiene hallando la raiz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores instantáneos que toma la señal senoidal durante un periodo. Su valor es siempre distinto de cero. Se designa con una letra mayúscula sin subíndice. Sus unidades también están en función de la magnitud senoidal considerada. VOLTAJE MEDIO: (Vmed). Junto con el valor eficaz, son los dos valores mas utilizados para la comparación de señales alternas senoidales, ya que los valores se caracterizan por su variabilidad.

Matemáticamente representa la media aritmética de todos los valores instantáneos durante medio periodo o, lo que se lo mismo, el valor de la ordenada madia durante un semiciclo o semiperiodo completo. Se designa con una letra mayúscula y el subíndice med. Sus unidades también están en función de la magnitud senoidal considerada. RELACIONES ENTRE LOS VALORES MÁXIMO (A máx.), MEDIO (A med) Y EFICAZ (A) DE UNA CORRIENTE ALTERNA SENOIDAL. Matemáticamente se demuestra que: Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Y que: Podemos deducir inmediatamente que: Y de que Igualando las dos anteriores Obtenemos

También Ahora, algo para pensar: Si se prepara un voltímetro para que pueda medir voltajes en corriente alterna (a.c.) y medimos la salida de un tomacorriente de una de nuestras casas, lo que vamos a obtener es: 110 Voltios o 220 Voltios aproximadamente, dependiendo del país donde se mida. El voltaje que leemos en el voltímetro es un VOLTAJE RMS de 110 o 220 Voltios.!!! Cuál será el voltaje pico (Vp) de esta señal??? Revisando la fórmula del párrafo anterior despejamos Vp. Vp = Vrms / 0.707 - Caso Vrms = 110 V, Vp = 110 / 0.707 = 155.6 Voltios - Caso Vrms = 220 V, Vp = 220 / 0.707 = 311.17 Voltios ELEMENTOS ACTIVOS. FUENTES IDEALES FUENTES IDEALES DE VOLTAJE Una fuente ideal de voltaje es un dispositivo eléctrico que genera un voltaje prescrito entre sus terminales. La capacidad de una fuente de voltaje ideal para generar su voltaje de salida no se afecta por la corriente que debe suministrar a otros elementos del circuito. Otra forma de presentar la misma idea, se muestra a continuación: Una fuente ideal de voltaje suministra un voltaje prescrito a través de Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

sus terminales, independientemente de la corriente que fluye por ella. El circuito conectado a la fuente determina la cantidad de corriente que suministra la fuente. La figura anterior muestra los símbolos con los cuales se representan las fuentes de voltaje que se utilizan. Obsérvese que el voltaje de salida de una fuente ideal puede ser una función del tiempo. En general, las notaciones de la figura se emplean, si no se indica lo contrario. Una fuente de voltaje genérica se denominará por la letra minúscula v. Si es necesario enfatizar que el voltaje producido por la fuente varía con el tiempo entonces, se utilizará la notación v(t).

Finalmente, una fuente de voltaje constante, corriente directa o CC, se indicará con la letra en mayúscula V. Nótese que por medio de esta convención la dirección de una corriente positiva es la de salida de ésta, de la fuente de voltaje por el terminal positivo.

Fuentes ideales de voltaje

La noción de una fuente ideal de voltaje se aprecia mejor dentro del contexto de la representación fuente-carga de los circuitos eléctricos. FUENTES IDEALES DE CORRIENTE Una fuente ideal de corriente es un dispositivo que puede generar una corriente prescrita, independientemente del circuito al cual está conectada. Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Para lograrlo, debe generar un voltaje arbitrario entre sus terminales.

Símbolo para una fuente ideal de corriente

Una fuente ideal de corriente suministra una corriente prescrita a cualquier circuito conectado a ella. El circuito conectado a la fuente determina el voltaje generado por ella. Para denominar las fuentes de corriente se usará la misma convención de mayúsculas y minúsculas utilizada en las fuentes de voltaje. FUENTES DEPENDIENTES (CONTROLADAS) Hasta el momento se han descrito fuentes con la capacidad para generar un voltaje prescrito o una corriente prescrita, independientemente de cualquier otro elemento en el circuito. Por eso, se denominan fuentes independientes. Sin embargo, existe otra categoría de fuentes cuya salida (corriente o voltaje) es una función de otro voltaje o de otra corriente en el circuito. Éstas se llaman fuentes dependientes (o controladas). Se utiliza un símbolo diferente, en forma de diamante, para representar las fuentes dependientes y así distinguidas de las fuentes independientes. La figura de abajo presenta los símbolos típicos para representar las fuentes dependientes; la tabla ilustra la relación entre el voltaje o la corriente de la fuente y el voltaje o la corriente de la cual depende -vx o ix respectivamente - las cuales pueden ser cualquier voltaje o corriente en el circuito.

Símbolos para las fuentes dependientes Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Las fuentes dependientes son muy útiles para describir cierto tipo de circuitos electrónicos. RESUMEN DE UNIDADES ELÉCTRICAS Variable Eléctrica Carga Corriente Diferencia de Potencial, Voltaje o Tensión Potencia

Símbolo q, Q i, I e, E o v, V p, P

Unidad

Ecuación Relacionada

Coulomb Amper

i = dq/dt

Volt

e = W/q

Watt

p = ei

CORRIENTE DIRECTA o CONTINUA La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en las baterías, las dinamos o en cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica. Fuentes suministradoras de corriente directa o continua. A la izquierda, una batería de las comúnmente utilizada en los coches y todo tipo de vehículo motorizado. A la derecha, pilas de amplio uso, lo mismo en linternas que en aparatos y dispositivos eléctricos y electrónicos. Es importante conocer que ni las baterías, ni los generadores, ni ningún otro dispositivo similar crea cargas eléctricas pues, de hecho, todos los elementos conocidos en la naturaleza las contienen, pero para establecer el flujo en forma de corriente eléctrica es necesario ponerlas en movimiento. QUÉ ES LA CORRIENTE DIRECTA Como se habrá podido comprender, sin una tensión o voltaje ejerciendo presión sobre las cargas eléctricas no puede haber flujo de corriente eléctrica. Por esa íntima relación que existe entre el voltaje y la corriente Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

generalmente en los gráficos de corriente directa, lo que se representa por medio de los ejes de coordenadas es el valor de la tensión o voltaje que suministra la fuente de FEM. Circuito eléctrico compuesto por una pila o fuente de suministro de FEM; una bombilla, carga o<. Consumidor conectada al circuito y los correspondientes conductores o cables por donde fluye la.< corriente eléctrica. A la derecha aparece la representación gráfica del suministro de 1,5 volt de la pila< (eje. de coordenadas "y") y el tiempo que permanece la pila suministrando corriente a la bombilla< (representado por el eje de coordenadas "x"). La coordenada horizontal “x” representa el tiempo que la corriente se mantiene fluyendo por circuito eléctrico y la coordenada vertical “y” corresponde al valor de la tensión o voltaje que suministra la fuente de fem (en este caso una pila) y se aplica circuito. La representación gráfica del voltaje estará dada entonces por una línea recta horizontal continua, siempre que el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante durante todo el tiempo.

Normalmente cuando una pila se encuentra completamente cargada suministra una FEM, tensión o voltaje de 1,5 volt. Si representamos gráficamente el valor de esa tensión o voltaje durante el tiempo que la corriente se mantiene fluyendo por el circuito cerrado, obtenemos una línea recta. Si después hacemos girar la pila invirtiendo su posición y representamos de nuevo el valor de la tensión o voltaje, el resultado sería el mismo, porque en ambos casos la corriente que suministra la fuente de FEM sigue siendo directa o continua. Lo único que ha cambiado es el sentido del flujo de Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

corriente en el circuito, provocado por el cambio de posición de la pila, aunque en ambos casos el sentido de circulación de la corriente seguirá siendo siempre del polo negativo al positivo. FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM) Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado. A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia). Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería. Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energía eléctrica, entre los que podemos citar: Pilas o baterías. Son las fuentes de FEM más conocidas del gran público. Generan energía eléctrica por medios químicos. Las más comunes y corrientes son las de carbón-zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no admiten recarga. Las hay también de níquel-cadmio (NiCd), de níquel e hidruro metálico (Ni-MH) y de ión de litio (Li-ion), recargables. En los automóviles se utilizan baterías de plomo-ácido, que emplean como electrodos placas de plomo y como electrolito ácido sulfúrico mezclado con agua destilada.

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Máquinas electromagnéticas. Generan energía eléctrica utilizando medios magnéticos y mecánicos. Es el caso de las dinamos y generadores pequeños utilizados en vehículos automotores, plantas eléctricas portátiles y otros usos diversos, así como los de gran tamaño empleados en las centrales hidráulicas, térmicas y atómicas, que suministran energía eléctrica a industrias y ciudades. Pequeño aerogenerador Celdas fotovoltaicas o fotoeléctricas. Llamadas también celdas solares, transforman en energía eléctrica la luz natural del Sol o la de una fuente de luz artificial que incida sobre éstas. Su principal componente es el silicio (Si). Uno de los empleos más generalizados en todo el mundo de las celdas voltaicas es en el encendido automático de las luces del alumbrado público en las ciudades. También se utilizan en el suministro de pequeñas cantidades de energía eléctrica para satisfacer diferentes necesidades en zonas apartadas hasta donde no llegan las redes del tendido de las grandes plantas generadoras. Las celdas fotovoltaicas se emplean también como fuente principal de abastecimiento de energía eléctrica en los satélites y módulos espaciales. Las hay desde el tamaño de una moneda hasta las del tamaño aproximado de un plato. Para obtener una tensión o voltaje más alto que el que proporciona una sola celda, se unen varias para formar un panel. Termopares. Se componen de dos alambres de diferentes metales unidos por uno de sus extremos. Cuando reciben calor en el punto donde se unen los dos alambres, se genera una pequeña tensión o voltaje en sus dos Termopar de hierro-constantán (Fe-CuNi) extremos libres. Entre algunas de las combinaciones de metales utilizadas para la fabricación de termopares podemos encontrar las siguientes: chromel-alumel (NiCrNiAl), hierro-constantán (Fe-CuNi), chromel-constantán (NiCr-CuNi), cobreconstantán (Cu-CuNi), platino-rodio (Pt-Rh), etc. Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Los termopares se utilizan mucho como sensores en diferentes equipos destinados a medir, fundamentalmente, temperaturas muy altas, donde se hace imposible utilizar termómetros comunes no aptos para soportar temperaturas que alcanzan los miles de grados. Efecto piezoeléctrico. Propiedad de algunos materiales como el cristal de cuarzo de generar una pequeña diferencia de potencial cuando se ejerce presión sobre ellos. Una de las aplicaciones prácticas de esa propiedad es captar el sonido grabado en los antiguos discos de vinilo por medio de una aguja de zafiro, que al deslizarse por los surcos del disco en movimiento convierten sus variaciones de vaivén en corriente eléctrica de audiofrecuencia de muy baja tensión o voltaje, que se puede amplificar y oír a un nivel mucho más alto.

Cápsula piezoeléctrica de tocadiscos con aguja de zafiro.

Existe también un tipo de micrófono de cerámica, que igualmente convierte las variaciones de los sonidos que capta en corrientes de audiofrecuencia que pueden ser amplificadas, transmitidas o grabadas. El efecto piezoeléctico del cristal de cuarzo, por ejemplo, tiene también una función inversa, que es la de vibrar cuando en lugar de presionarlo le aplicamos una pequeña tensión o voltaje. En este caso la frecuencia de la vibración dependerá del valor de la tensión aplicada y del área que tenga el cristal sobre el cual se aplica. El uso práctico más conocido de esta variante del efecto piezoeléctrico está en los relojes de cuarzo, fijar la frecuencia de trabajo del microprocesador en los ordenadores, fijar las frecuencias de transmisión de las estaciones de radio, etc. El valor de la fuerza electromotriz (FEM) o diferencia de potencial, coincide con la tensión o voltaje que se manifiesta en un circuito eléctrico abierto, es decir, cuando no tiene carga conectada y no existe, por tanto, circulación de corriente. La fuerza electromotriz se representa con la letra (E) y su unidad de medida es el volt (V). En algunos textos la tensión o voltaje puede aparecer representada también con la letra (U). NOMENCLATURA DE LAS MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Tensión Unidad Símbolo Múltiplos Submúltiplos Corriente Unidad Símbolo Submúltiplos

Resistencia Unidad Símbolo Múltiplos Submúltiplos

Voltio V Kilovoltio (Kv) Megavoltio (Mv) Milivoltio (mv) Microvoltio (uv)

1 x 103 Voltios 1 x 106 Voltios 1 x 10-3 voltios 1 x 10-6 voltios

Amperio A Miliamperios (mA) Microamperio (uA) Nanoamperio (nA) Picoamperio (pA)

1 x 10-3 Amperios 1 x 10-6 Amperios 1 x 10 -9 Amperios 1 x 10-12 Amperios

Ohmio Ω Kiloohmio (K) Megaohmio (M) Miliohmio (m)

1 x 103 ohmios 1 x 106 ohmios 1 x 10-3 ohmios

PERTURBACIONES DE AMPLITUD Perturbaciones de amplitud, son aquellas que cuando la señal es totalmente senoidal se producen variaciones de voltaje: - Hueco de tensión:, es una disminución brusca del voltaje de alimentación a un valor entre el 90 % y el 1 % del voltaje declarado, va seguido de restablecimiento del voltaje después de un corto lapso de tiempo. - Interrupción de la alimentación:, cuando la tensión alimentación es inferior al 1% del voltaje de alimentación suministrado.

Hueco y pico de tensión. Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Estos dos tipos de perturbación normalmente son debidos a: 1. Cortocircuitos debidos al propio usuario o compañía eléctrica 2. Arranques o conmutaciones de cargas de gran potencia. Estos incrementos de corriente provoca una caída de tensión que se traduce en las perturbaciones anteriormente mencionadas y dejan de ocurrir cuando actúa una protección (interruptores automáticos, interruptores, etc.) o bien cuando la instalación alcanza su régimen permanente. Los equipos que suelen verse afectados suelen ser equipos electrónicos como son los ordenadores, lámparas de descarga, protecciones electrónicas, etc. - Sobretensión:, Voltaje superior al 10 % de l voltaje de alimentación. Pueden ser de larga o corta duración, aunque las de corta duración suelen tener un valor más elevado con respecto a las de larga duración. - Sobretensión transitoria:, sobretensión oscilatoria o no de corta duración muy amortiguada y que dura algunos milisegundos. Transformadores y motores suelen aguantar bien las sobretensiones si no son frecuentes y de valor elevado, si es así la vida de estas máquinas puede verse seriamente afectada. Los equipos de electrónica de potencia, fuentes de alimentación en general, pueden ser destruidos por este tipo de perturbación.

Transformador de un circuito electrónico quemado como consecuencia de una sobretensión. - Fluctuación de tensión:, Según CEI-161-08-13 serie de variaciones de tensión. - Parpadeo, efecto Flicker:, este fenómeno es la impresión de inestabilidad de la sensación visual debido a un estímulo luminoso en el cual la Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

luminosidad o la distribución espectral fluctúa en el tiempo. Las fluctuaciones provocan variaciones de luminancia del alumbrado lo que provoca un fenómeno visual llamado parpadeo. Tienen su origen en los receptores con variaciones rápidas en su funcionamiento: 1. Arranque de motores. 2. Máquinas de soldadura. 3. Conexiones y desconexiones de grandes cargas. 4. electrodomésticos con regulación automática, etc.

Diversas perturbaciones de amplitud, la N señala el estado normal de la señal. En otras entradas continuaremos con las perturbaciones. CALIDAD DE LA ENERGIA ELECTRICA

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

La corriente alterna que recibimos en el hogar o la industria responde a una forma y características determinadas que la definen. Cuando se empezó a utilizar la energía eléctrica, prácticamente, se utilizaban receptores lineales y las compañías suministradoras se preocupaban solo de la continuidad del servicio, pero actualmente dada la utilización de receptores electrónicos que consumen corrientes no lineales produce en las ondas de corriente o de tensión distorsiones que nos pueden afectar en mayor o menor medida, tanto a consumidores como suministradores de energía eléctrica, por tanto, no solo es necesaria la continuidad del servicio sino también la calidad de la onda que debe cumplir unas características básicas. Antes de mencionar los distintos tipos de perturbaciones que podemos encontrar en las redes eléctricas pasamos a definir las características básicas de una onda de corriente o tensión alterna. Un alternador de corriente alterna produce una onda de tensión senoidal como podemos ver en la siguiente figura;

Onda senoidal y a la izquierda diagrama de Fresnel . Diagrama de Wikipedia. Forma de la onda. Viene definida por la siguiente expresión matemática y es la representación en el tiempo de la misma, esta expresión nos indica el valor instantáneo de una tensión o corriente. Para no confundir los valores eficaces de los instantáneos estos últimos se representan por letras minúsculas. v(t)=Umáx.Sen(ω.t) i(t)=Imáx.Sen(ω.t) Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

v(t) = Tensión instantánea en función del tiempo. i(t) = Intensidad instantánea en función del tiempo. Umáx= Tensión máxima, también llamada de pico o cresta. Imáx = Intensidad máxima, también llamada de pico o cresta. ω = velocidad angular = 2.π.f = en Europa 2. π.50=314 rad/s f = Frecuencia de la red. t = tiempo en segundos. Valor de pico a pico. De una onda de tensión o corriente su valor pico a pico es el valor entre la cresta positiva y la cresta negativa. Vpp = 2. Umáx. Ipp = 2. Imáx. En el caso de Europa Vpp = 2. 325 = 650 v Valor eficaz Para este valor existen diversas definiciones, pero la que creo que es más didáctica es la siguiente; Valor de alterna que produce la misma disipación de potencia sobre una resistencia que un valor de corriente continua, es decir, valor de alterna que es equivalente al valor de continua Vrms = Umáx./1,41 = 325/1,41 = 230 v Normalmente cuando medimos con un voltímetro cualquier tensión en nuestras redes el valor que nos da es precisamente el valor eficaz o rms (root mean square, raíz de la media cuadrática).

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Tensión máxima positiva, Tensión máxima negativa y Tensión pico a pico de una onda de corriente alterna. Valor medio de la señal o factor de forma. Matemáticamente el valor medio de una onda senoidal periódica es cero, ya que ambos semiciclos son iguales, cuando hablamos del valor medio corresponde al valor medio de un semiciclo. Vm=Vrms/Vmed = 1,11 para una señales senoidales. Por tanto cuando nos alejamos de 1,11 por exceso o defecto la señal deja de ser senoidal, por ejemplo: - Factor de forma de una onda rectangular = 1,00 - - Factor de forma de una onda semicircular = 1,04 - - Factor de forma de una onda triangular = 1,15

Frecuencia y periodo de una señal. La frecuencia se define como la cantidad de veces que esa señal se repite en el tiempo, en Europa el valor es 50Hz o ciclos por segundo (cps), en aplicaciones especiales como las aeronáuticas se utilizan 400 Hz. El periodo de la señal es el tiempo que tarda la señal en repetirse. F = 1/T = 1/0,02 = 50 Hz T = 1/f = 1/50 = 0,02 = 20 ms

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Factor de cresta o de amplitud. Este factor representa la deformación de la onda, relaciona el valor máximo entre el valor eficaz de la señal. CF = Vmáx./Vrms = 325/230= 1,41 este valor indica que el valor máximo es 1,41 veces superior al valor eficaz de la señal. Factor de cresta o de amplitud de una onda rectangular = 1,00 Factor de cresta o de amplitud de una onda semicircular = 1,22 Factor de cresta o de amplitud de una onda triangular = 1,71 Para aclarar la importancia de este valor pondré un ejemplo; si disponemos de un motor eléctrico cuyos bobinados están diseñados para la circulación de una intensidad eficaz de 100 A de una señal senoidal la intensidad máxima que podrá circular por los bobinados será 100. 1,41 = 141 A, por el motivo que sea si la señal deja de ser senoidal y su factor de cresta vale 2, entonces 100.2 = 200 A!, como se puede apreciar pasan 59 amperios de más que supondrá un deterioro progresivo de los aislantes de la bobina y seguramente un funcionamiento anómalo de la máquina por consumir una intensidad que no es senoidal. Todos los valores que hemos comentado pueden quedar alterados por caídas de rayos en líneas eléctricas de forma directa o indirecta, maniobras de conmutación en líneas de alta tensión por parte de las compañías suministradoras de fluido eléctrico, utilización de equipos electrónicos que consumen intensidades no lineales (variadores de velocidad, rectificadores, fuentes de alimentación, ordenadores, etc.), interferencias electromagnéticas ya sean radiadas o conducidas, etc. Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano

Normalmente cuando hablamos que la calidad de la señal se ha perdido es que se han variado los parámetros antes mencionados. En las redes se pueden producir 4 tipos de perturbaciones: A) Perturbaciones de amplitud; 1. Huecos de tensión. 2. Interrupción de la alimentación. 3. Sobretensión. 4. Sobretensión transitoria también llamados transitorios. 5. Fluctuación de tensión. 6. Parpadeo también llamado efecto Flicker. B) Perturbaciones de frecuencia. C) Desequilibrio de tensión o corriente en sistemas trifásicos. E) Perturbaciones en la forma de onda de la señal; Armónicos. BIBLIOGRAFIA http://www.monografias.com/trabajos/medielectricos/medielectricos.shtml http://html.rincondelvago.com/instrumentos-de-medicion-de-tensionelectrica.html http://www.asifunciona.com/quien.htm http://electricidadviatger.blogspot.com/search/label/Calidad%20de%20la%20energía%20eléct rica./target

Instructor: Ricardo Mariscal Chuscano