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Curso de Electrónica - Lección 7 – Corriente Alternada (CUR007S)

En los circuitos que hemos estudiado hasta ahora la corriente siempre fluía de modo constante de lo polo positivo a lo negativo de un generador (corriente convencional). Este tipo de corriente llamada continua no es, sin embargo, la único que existe. La corriente puede fluir en muchos sentidos en los circuitos eléctricos y electrónicos y cuando eso sucede, los componentes ellos mismos cambian su comportamiento. En esta lección que vamos a tratar con un tipo diferente de corriente, la corriente alterna, que tiene especial importancia en nuestra vida cotidiana. 

 

7.1 - Qué es corriente alterna

Una corriente que fluye siempre en la misma dirección y con la misma intensidad, como ocurre cuando encendemos una bombilla a una pila, se llama "corriente directa". Podemos acortar esta designación por CC, o bien, usar el término americano "corriente directa" DC. En la figura 172 tenemos el gráfico que indica la intensidad de una corriente continua en el tiempo.

 

Figura 172 – Una corriente continua no varía con el tiempo. La tensión en el circuito permanece constante
Figura 172 – Una corriente continua no varía con el tiempo. La tensión en el circuito permanece constante

 

 

Tenga en cuenta que para causar una corriente directa es necesario establecer en su circuito una tensión constante, es decir, una tensión que también es continua. Sin embargo, hay otro tipo de corriente que muy importante porque es la que tenemos en nuestras tomas de corriente y que las industrias tienen en la alimentación de sus equipos: corriente alterna.

Para entender lo que es la corriente alterna vamos directamente al dispositivo o generador que la produce, es decir, el alternador.

Podemos decir que hay tres tipos de alternadores que se muestra en la figura siguiente.

El primero (a) tiene la armadura (bobinas) y el campo magnético es producido por un imán que gira.

En segundo lugar, se muestra en (b) ha fijado la armadura y el campo magnético es creado por una segunda bobina que gira.

La tercera, se muestra en (c) tiene una bobina que crea un campo fijo y una bobina que gira y corta las líneas de fuerza para generar corriente alterna.

Los tres tipos se muestran en la figura 173.

 

 

Figura 173 – tipos de alternadores
Figura 173 – tipos de alternadores

 

 

Para entender cómo funcionan los alternadores, tomemos como ejemplo el más simple es uno en el que gira un imán permanente cerca de dos bobinas.

 

En este dispositivo, una parte del imán de una posición inicial de reposo en la que el polo S (sur) está en una posición A. En este momento que comienza una rotación hacia la derecha, como se muestra en la figura 174. Hay todavía alguna corriente circulando por la carga.

 

 

Figura 174 – Partiendo de la posición A
Figura 174 – Partiendo de la posición A

 

 

Continuando girar, vemos que del punto (A) al punto (B), el campo magnético del imán corta las espiras de las bobinas, creando una corriente que aumenta en intensidad hasta que alcanza el máximo. Esta corriente pasa por la carga, como se muestra en la figura 175.

 

Figura175 - una corriente circula  por la carga
Figura175 - una corriente circula por la carga

 

 

En el cuarto de vuelta siguiente, entre (B) y (C), el imán continúa a cortar los devanados de las bobinas, pero de manera menos intensa lo que hace con que la corriente de carga se reduce a cero, como se muestra en la figura 176.

 

 

Figura 176 - corriente nula en carga
Figura 176 - corriente nula en carga

 

 

Desde el punto (C) al punto (D) la tensión se aumenta otra vez, pero con polaridad opuesta, haciendo ahora circular una corriente en sentido contrario por la carga, como se muestra en la figura 177.

 

 

Figura177 – al final de la corriente invierte su dirección
Figura177 – al final de la corriente invierte su dirección

 

 

Si el imán continúa el giro con cierta velocidad, tendremos en la salida una corriente que oscila entre los máximos y mínimos con regularidad, es decir, invierte la dirección de circulación constantemente, lo que corresponde a una corriente alterna.

Vemos entonces que, si conectamos un receptor a un generador de este tipo, la mitad del tiempo de un ciclo, la corriente fluye en una dirección, y la otra mitad le circula en sentido contrario. La energía que recibimos en nuestros hogares y está disponible para el consumo general en las ciudades es de este tipo.

Podemos representar la corriente generada por este tipo de generador por una curva de onda sinusoidal, como se muestra en la figura 178.

 

 

Figura 178 –  la representación de una corriente alterna senoidal
Figura 178 – la representación de una corriente alterna senoidal

 

 

El generador que produce la energía que consumimos da 60 vueltas por segundo, lo que significa que en cada segundo la corriente circula 60 veces en una dirección y 60 veces en la dirección opuesta. Decimos que la corriente que recibimos en nuestros hogares es alterna con una frecuencia de 60 Hertz (Hz) o 50 Hz conforme el país (*).

 

(*) Hay países, como Argentina, donde la corriente generada tiene una frecuencia diferente, por ejemplo, 50 Hz.

 

Curiosamente, los efectos obtenidos en el uso de transmisión de energía de corriente alterna son los mismos que se obtendrían con la corriente directa, con ventajas que se aclarará durante el curso. Tomar el siguiente ejemplo:

A través del filamento de una bombilla o un elemento de calefacción, los efectos finales son siempre los mismos: al pasar por la carga transfieren energía en forma de calor, lo que significa las luces encienden de la misma manera y los calentadores de calientan de la misma manera.

 

 

Forma de onda, frecuencia, fase y valores

La representación gráfica de una corriente alterna tiene una forma muy especial: decimos que es una forma de onda "senoidal".

Esto nos lleva a decir que la corriente alterna que hemos recibido en nuestros hogares y se distribuye en nuestra ciudad, es alterna con la forma de onda senoidal y frecuencia de 60 Hz. Al analizar esta forma de onda vemos que son varios los valores importantes que deben conocer los profesionales de electricidad y electrónica.

La primera, que ya hemos hablado, es frecuencia que es el número de veces por segundo que completa un ciclo de generación de esa energía. La frecuencia se mide en Hertz (Hz). La duración de un ciclo completo nos da el período de corriente alterna.

A una corriente alterna de 60 Hz, por ejemplo, la duración o tiempo de un ciclo es 1/60 s, como se muestra en la figura 179.

 

 

Figura 179 - la corriente alterna 60 Hz tiene un período de 1/60 segundos
Figura 179 - la corriente alterna 60 Hz tiene un período de 1/60 segundos

 

 

 

Ver que "el período es el inverso de la frecuencia", o escribir como una fórmula:

 

T = 1/f (f7.1)

 

 

Donde:

T es el período (en segundos)

f es la frecuencia (en Hertz)

 

La amplitud de una corriente alterna se expresa en diversas formas, como podemos ver en la figura 180.

 

 

Figura 180 - valores en una sinusoide
Figura 180 - valores en una sinusoide

 

 

El valor máximo que llega a una corriente alterna es el valor de pico. Indicamos que este valor Vp. Y mitad del valor máximo nos da el valor medio o Vm.

Sin embargo, un valor muy importante es el valor de "medio cuadrático" o "mean square", del inglés, que conduce a abreviación Vrms. Este valor corresponde a la raíz cuadrada de 2 dividida por 2 veces el valor máximo, o según la fórmula:

 

Vrms = 0,707 x Vp (f7.2)

 

Donde:

Vrms es la tensión media cuadrática (en volts)

Vp es la tensión máxima

0.707 es la raíz cuadrada de 2 (1.41) dividido por 2

 

Teniendo en cuenta que la raíz cuadrada de 2 es aproximadamente 1.41, dividiendo este valor por 2, obtenemos 0.707. Esto significa que tenemos el voltaje rms multiplicando el voltaje máximo por 0.707. Del mismo modo, conociendo el voltaje rms obtenemos el valor de pico, multiplicando por 1,41.

 

La tensión de "110 V" (*) nos encontramos en la red tienen este valor de rms. así, en este momento ella está en su pico, el pico ir a:

 

Vp = 1,41 x 110 = 155,1 V

 

Lo mismo es válido para la intensidad de corriente: podemos hablar en corriente de pico l (Ip), média (Im) y rms (Irms) en un circuito.

Otro valor importante que debemos observar en la representación de una corriente o tensión senoidal sinusoidal es su fase. En cada momento de un ciclo, la tensión alternada tiene un valor determinado. Este valor cambia constantemente dependiendo de la frecuencia de la tensión.

En ciertas aplicaciones es importante conocer el valor que toma la tensión o la corriente en un circuito de corriente alterna en un momento determinado del ciclo. Para ello lo que hacer es dividir el círculo en 360 grados (como en circunferencia) e indicar el momento por un ángulo entre 0 y 360, como el lector notará la figura 181.

 

 

Figura 181 - Mediciones de Círculo trigonométrico
Figura 181 - Mediciones de Círculo trigonométrico

 

 

Los 360 grados se adoptan recordando que un ciclo de corriente alterna se genera en una vuelta completa del alternador. De esa manera puede indicar el momento deseado en un ciclo con un ángulo de fase, en grados.

También podemos utilizar el mismo concepto para comparar dos corrientes alternadas o tensiones que no están perfectamente sincronizadas, es decir, que no alcanzan los puntos máximos y mínimos al mismo tiempo. Decimos que estas corrientes están "desfasadas" y podemos indicar la diferencia de fase entre ellas por un ángulo, como se puede observar en la figura 182.

 

Figura 182 – Diferencia de fase entre dos corrientes
Figura 182 – Diferencia de fase entre dos corrientes

 

 

 

Oposición de fase Cuando la diferencia de fase entre dos tensiones o corrientes es 180 grados, decimos que están en oposición de fase: cuando una es positiva, otra negativa y vice versa. Ver figura A

 

Figura A – dos tensiones en oposición de fase
Figura A – dos tensiones en oposición de fase

 

Señal

Energía pueden utilizarse para transportar energía de un lugar a otro, por medio de cables u otros medios, utilizando corriente alterna. Sin embargo, las corrientes alternas también pueden ser utilizadas para transportar información. Esto es lo que sucede con los circuitos de radio donde podemos cambiar las características de una corriente alterna de frecuencia muy alta para que transporte informaciones como voz, imagen, datos, etc.

Cuando la corriente alterna se usa para llevar información, decimos que es una "señal".

 

 

Alternadores

Los alternadores son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica. En el caso específico de estos generadores, la energía disponible está en forma de corrientes alternas. Encontramos los alternadores en varias aplicaciones, como por ejemplo en centrales eléctricas y automóviles.

En las plantas eléctricas son producidas grandes cantidades de energía de la fuerza de las aguas estancadas o incluso vapor (centrales termoeléctricas), mientras que, en el coche, se aprovecha la potencia del motor, como podemos ver en la figura 183. Una correa transmite la fuerza desde el motor a un alternador.

 

 

  Figura 183 – un alternador de uso automotriz
  Figura 183 – un alternador de uso automotriz

 

 

Tanto en las plantas como en alternadores de coche tenemos básicamente dos juegos de bobinas. Un sistema rotor que gira para cortar las líneas de fuerza del campo magnético y un estator que crea un campo magnético, pero no se mueve.

 

Energía bifásica fase y trifásica

La energía que recibimos en nuestra casa llega en forma de una tensión de dos fases. En este modo hay un transformador (cuyo principio de funcionamiento se estudiará más adelante) en el que tiene dos tensiones. En la figura 184 demostró lo que explicamos.

 

 

  Figura 184 – Patrones de tensión
  Figura 184 – Patrones de tensión

 

 

El terminal central es el de referencia o neutro. En uno de los terminales tenemos una tensión normal, mientras que en el otro tenemos una tensión alterna con fase invertida, como el lector puede ver en la figura 185.

 

 

 

   Figura 185 - oposición fases de voltaje en sistema de tres hilos
Figura 185 - oposición fases de voltaje en sistema de tres hilos

 

 

Tenga en cuenta que las dos tensiones han invertido las fases tal que, cuando una es positiva el otro pico está en el negativo.

Sin embargo, tenemos una forma diferente de proporcionar energía para el consumo que es la denominada trifásica. Esta manera de generar y distribuir energía en corriente alterna sistemas se emplea principalmente en la industria, por diversas razones, como la conveniencia en la alimentación de motores eléctricos. Ver figura 186. Son sistemas que generan tres fases de 120 grados de tensiones diferentes, como se muestra en la figura 186.

 

Figura 186 – En los sistemas trifásicos tres las tensiones se desfasan en120 grados
Figura 186 – En los sistemas trifásicos tres las tensiones se desfasan en120 grados

 

 

Lo que se hace para esto es utilizar un sistema de generador donde tenemos tres tensiones alternas disponibles en bobinas diferentes, como se muestra en la figura 187.

 

Figura 187 – Alternador  trifásico
Figura 187 – Alternador trifásico

 

 

Cada una de las bobinas, que tiene un extremo conectado a un polo neutro común, entregando una tensión senoidal ligeramente desfasada en relación con la otra.

 

Capacitores e inductores en AC

Como hemos estudiado en lecciones anteriores, cuando conectamos los capacitores e inductores en un circuito de DC, por ejemplo, a través de un resistor, ellos se comportan de una manera bien definida. El capacitor se carga hasta que alcanza una carga máxima y los inductores tiene su corriente estabilizada después de cierto tiempo.

El fenómeno que se produce con estos componentes circuitos de DC se caracterizó bien al hablar de su "constante de tiempo". Sin embargo, también podemos usar los capacitores e inductores en circuitos de CA.

Una vez hecho esto veremos que estos componentes se comportan de una manera completamente diferente que merece un estudio detallado y cuidadoso.

Como estudiamos, en una fuente de corriente el flujo de cargas se invierte rápidamente y constantemente, en nuestro caso a razón de 60 veces por segundo. Esto significa que en cada segundo la corriente circula 60 veces en una dirección y 60 veces en otra. (Estamos considerando lo caso en que la red de energía es de 60 Hz.).

La inversión que se hace no rápidamente, pero suavemente, para que, a partir de un momento en que la corriente es nula, crece sin problemas hasta alcanzar el máximo en una dirección y luego disminuir para llegar a ser nulo otra vez. Entonces ella invierte creciendo suavemente en la dirección opuesta para luego disminuir, un proceso continuo que nos da un gráfico como se muestra en la figura 188.

 

 

Figura 188 – la forma de onda de corriente alterna 
Figura 188 – la forma de onda de corriente alterna 

 

 

Se estudió que la curva representada en este gráfico recibe el nombre de senóide, por lo que la corriente que obtenemos en nuestra casa es de 60 Hertz senoidal. (Algunos países utilizan corrientes de 50 Hz).

Veamos qué ocurre si conectamos un capacitor a un circuito que proporciona una corriente de esto tipo como el lector puede ver en la figura 189.

 

 

Figura 189 – conexión de un capacitor a un generador de corriente alterna
Figura 189 – conexión de un capacitor a un generador de corriente alterna

 

 

A partir de un momento en que la tensión es nula, a medida que incrementa en valor a una cierta polaridad, "bombea" a las cargas para el capacitor, que empieza a cargar con la misma polaridad.

Cuando la tensión de CA es máxima en una dirección, el capacitor también alcanza su carga máxima. Entonces, cuando la tensión disminuye, las cargas salen del condensador hasta que, cuando la tensión en la red alcanza cero, el capacitor quedará descargado.

En el hemiciclo (mitad del ciclo), la corriente comienza a aumentar, pero en la dirección opuesta, llevando la armadura del capacitor a una carga con polaridad opuesta, como el lector puede ver la siguiente figura 190.

 

Figura 190 - carga y descarga de un capacitor en un circuito de corriente alterna
Figura 190 - carga y descarga de un capacitor en un circuito de corriente alterna

 

 

La carga y descarga con el ritmo de la inversión de polaridad de la red se produce indefinidamente. Ver que la corriente en un capacitor se retrasa en relación con la tensión en 90 grados, lo que significa que sólo alcanza su máximo ¼ ciclo después, como se muestra en la figura 191.

 

Figura 191 - corriente y tensión son 90 grados fuera de fase de un capacitor
Figura 191 - corriente y tensión son 90 grados fuera de fase de un capacitor

 

 

Esto significa que un capacitor en un circuito de CA, la tensión y la corriente están en 90 grados fuera de fase. Decimos que la corriente en un capacitor en un circuito de CA, esta adelantada en relación a la tensión en 90 grados.

Véase también que, por la misma figura 190 que en mitad de un hemiciclo el capacitor almacena energía con una polaridad y la otra mitad la devuelve al circuito.

La cantidad de carga que es "bombeada" y "extraída" del capacitor depende no sólo de la tensión, pero también el tamaño del capacitor sí mismo, es decir, de su capacitancia.  Esta capacitancia determina entonces la corriente media que fluye por este componente en el proceso de carga y descarga, ya que no podemos hablar de un valor en cada momento, porque, como hemos visto, varía. Podemos decir que el capacitor se comporta como una "resistencia" en este circuito, lo que permite la circulación de una corriente variable.

Como el término "resistencia" no se aplica en este caso porque lo que tenemos es carga y descarga, se adoptó otro término para indicar el comportamiento del capacitor en el circuito de corriente alterna. Este término es "reactancia" y en el caso del capacitor tenemos una "reactancia capacitiva", representada por Xc.

El valor de Xc se da en ohms y depende básicamente de dos factores: la frecuencia de la corriente alterna y el valor del capacitor. Para calcular la reactancia capacitiva de un capacitor utilizamos la siguiente fórmula:

 

Xc = [ 1 / (2 x π f x c) ] (f7.1)

 

Donde:

XC es la reactancia capacitiva (en ohms)

f es la frecuencia (en Hertz)

C es la capacitancia (en farads)

 

Esta fórmula nos muestra claramente que con los aumentos de la frecuencia tenemos una reactancia más baja, en otras palabras, la corriente que circula en la carga y descarga de un capacitor aumenta.

De forma más simple, podemos decir, que cuando tenemos un capacitor en un circuito de CA ello ofrecerá una menor oposición al paso de corrientes de frecuencias más altas, es decir, los que varían más rápidamente. Este comportamiento de los capacitores es muy importante cuando hacemos el diseño de los filtros, es decir, circuitos que son capaces de separar las señales de diferentes frecuencias.

 

Impedancia

En corriente alterna en circuitos donde hay capacitores y inductores no tiene sentido hablan de resistencia. Como ya hemos visto la oposición al paso de la corriente en circuitos con inductores y capacitores depende de la reactancia que es una función de la frecuencia.

Así, para circuitos de CA que contiene estos componentes es buena idea usar un término diferente para la "oposición al flujo de corriente". Este término es la impedancia que también se mide en ohms.

Como un circuito con capacitores e inductores, también afecta a la fase de la corriente en relación con la tensión, el cálculo de impedancias implica valores y también los ángulos de fase, es decir, se hace de una manera que llamamos "vectorial".

 

Reactancia Inductiva

De la misma manera como los capacitores se comportan diferentemente en circuitos DC y AC, inductores también tienen sus características alteradas. Imaginemos un inductor conectado en un circuito de corriente alterna, como se muestra en la figura 192.

 

 

Figura 192 - Inductor en un circuito de corriente alterna
Figura 192 - Inductor en un circuito de corriente alterna

 

 

A partir del en que la tensión es cero al principio del ciclo y que también no circula corriente, no tenemos ningún campo magnético en la bobina. La medida que la tensión aumenta en valor en el primer hemiciclo, la corriente tiende a circular en un sentido por el inductor, creando un campo magnético que reacciona a lo estabelecimiento de la corriente. De esta manera, el crecimiento de la corriente con el crecimiento de la tensión en lo circuito sufre una oposición.

Cuando el voltaje alcanza su valor máximo, el campo está completamente establecido, pero con la caída del valor las líneas de fuerza del campo magnético comienzan a contraer induciendo una corriente que tiende a oponerse a estas variaciones de corriente. En el hemiciclo siguiente, a partir de cero, la corriente tiende a circular en la dirección opuesta y el mismo comportamiento del inductor manifiesta tendiendo a oponerse a estas variaciones.

En Resumen, el inductor también tiende a presentar una oposición al establecimiento de la corriente alterna que depende tanto el valor de la inductancia como la frecuencia. Esta oposición que no se puede llamar también "resistencia", porque tenemos un circuito de corriente alterna es la reactancia inductiva y se representa por XL. El valor de XL depende tanto la inductancia y de la frecuencia y se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

 

XL = 2 x π x f x L (f7.2)

 

Donde:

XL es la reactancia inductiva (en ohms)

F es la frecuencia (en Hertz)

L es la inductancia (Henry)

 

Tenga en cuenta que la fórmula muestra claramente que cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la oposición a establecer un circuito que tenga un inductor. Decimos que los inductores ofrecen mayor oposición a las corrientes de frecuencias más altas.

Su uso en combinación con los capacitores en circuitos de filtros permite la separación de las señales de frecuencias diferentes, como veremos a su debido tiempo. En la figura 193 mostramos cómo corriente y tensión en un inductor se desfasan en 90 grados.

 

 

Figura 193: corriente y tensión en un inductor se desfasan de 90 grados
Figura 193: corriente y tensión en un inductor se desfasan de 90 grados

 

 

Vea, que de la misma manera que un capacitor ideal, un inductor no consume ninguna energía. Él simplemente absorbe, guardándola en el campo magnético para devolverla más tarde. En el proceso de absorción y entrega de energía, el inductor se comporta como presentase una cierta oposición al paso de la corriente alterna.

 

Factor de potencia

Cuando un circuito tiene inductores, capacitores y resistores combinados, la presencia de estos componentes puede hacer con que los efectos del inductor predominen los efectos del capacitor o viceversa. La reactancia capacitiva es más grande que la inductivo y viceversa.

Esto nos permite hablar de un circuito inductivo o capacitivo, de acuerdo con la corriente y la tensión esteba desfasadas según una de las formas indicadas. Este retraso tiene un efecto importante en la energía consumida por un aparato, principalmente motores industriales.

Uno habla entonces de "factor de potencia" como la diferencia de fase entre tensión y corriente en un motor u otro tipo cargas cuando en funcionamiento, medidas com valores de 0 a 1.

Si la corriente está en desfasada con la tensión y por lo tanto la energía consumida depende de estas dos variables, se puede dar una falsa indicación de su valor. Si este factor es muy pequeño, se registrará el consumo del motor incorrectamente causando problemas para la empresa que suministra energía.

Así, cuando tenemos una carga fuertemente inductiva que tiene un factor de potencia bajo, los capacitores pueden ser usados para hacer la «compensación» corrigiendo el factor de potencia que él se mantiene dentro de los límites tolerados, típicamente cerca de 1.

 

 

Transformadores

Un importante dispositivo que opera basado en el comportamiento de los inductores es el transformador. En la figura 198 mostramos algunos tipos de transformadores, así como sus símbolos.

 

 

Figura 198 - símbolo y aspectos de los principales tipos de transformadores
Figura 198 - símbolo y aspectos de los principales tipos de transformadores

 

 

El transformador básico consiste en dos bobinas envueltas en un núcleo común. La base se puede hacer de varios materiales como la ferrita, hierro o incluso una forma sin ninguno núcleo, en cuyo caso decimos que es un transformador con núcleo de aire.

Cuando establece una corriente alterna en el devanado primario aparece alrededor de la bobina un campo magnético, cuyas líneas de se expanden e contraen con la misma frecuencia. El resultado es que cada vez que estas líneas cortan las bobinas en la otra bobina es inducida por una tensión que aparece en sus extremos.

La polaridad de la tensión inducida es dada por el movimiento de las líneas de fuerza, que también invierten en la misma frecuencia. El resultado es que conseguimos en el secundario del transformador una tensión alterna de la misma frecuencia que la aplicado en la bobina primaria.

Tenga en cuenta que la energía eléctrica pasa de una a otra bobina sin contacto eléctrico, únicamente a través de las variaciones del campo magnético de la bobina.

Pero, más importante de todo es que el valor de voltaje obtenido.

Si el bobinado primario del transformador tiene 1000 vueltas de alambre y secundario 500 vueltas, la tensión obtenida en secundario será la mitad de la aplicada, como el lector puede ver en la figura 199.

 

Figura 199 – Reducción de la tensión a la mitad
Figura 199 – Reducción de la tensión a la mitad

 

 

Además, podemos aumentar los valores de tensiones alternas si usamos un transformador cuyo secundario cuenta con más vueltas de alambre que la bobina primaria. Véase, sin embargo, que el principio de conservación de la energía sigue valiendo: lo qué nos quedamos en perdido de tensión voltaje gañamos en corriente, para que el producto, que es la potencia permanezca constante.

Por lo tanto, se al aplicar una tensión de 110 V a un transformador, ello "absorbe" 1 A, y la salida es 220 V, la corriente obtenida será sólo mitad de la máxima, es decir, 0.5 A. En la práctica será un poco menos, porque los transformadores no tienen un 100% de rendimiento en la transformación de la energía, pero siempre un poco menos.

Las «pérdidas» por lo general van a generar calor, lo cual significa que los transformadores con potencias altas tienden a calentar.

Los grandes transformadores que se utilizan en redes de distribución y aplicaciones industriales incluso, trabajan con potencias muy altas puede tener complejos sistemas de refrigeración con aceite o agua, con un sistema de circulación forzada.

Por esta razón, este tipo de componente no puede utilizarse en circuitos de corriente continua pura.

 

Cálculos de Transformadores

El cálculo completo de un transformador, a parir del número de vueltas de las bobinas, el grueso del alambre utilizado y el tipo de núcleo es una cosa compleja. El tamaño del núcleo y el material utilizado, por ejemplo, depende de la frecuencia da corriente y de la potencia.

Por ejemplo, el material utilizado tiene unas características de saturación que pueden influir en la manera en que el campo magnético tiene sus líneas de fuerza expandiendo y contrayendo, y que va a determinar su rendimiento y la propia producción de calor por el componente.

La frecuencia de la corriente también es importante porque tenemos transformadores que no están diseñados para funcionar con la corriente de la red eléctrica de 60 Hz, pero con corrientes de otras frecuencias. Es común tener transformadores especiales trabajando con corrientes cuya frecuencia puede llegar a varios cientos de kHz o MHz incluso.

El cálculo más simple que podemos hacer es en cuanto a la relación entre el número de vueltas y las tensiones, según la siguiente fórmula:

 

V1/V2 = n1/n2 (f7.3)

 

Donde:

V1 es la tensión del primario (en volts)

V2 es la tensión del secundario (en volts)

N1 es el número de vueltas del primario

N2 es el número de vueltas del secundario

 

Cálculo de transformadores
El diseño de un transformador no es algo simple y pocos han dominado la técnica. Además de la relación de vueltas hay varios factores adicionales a considerar como la potencia y la frecuencia. Estos factores determinarán el espesor de los alambres usados en las bobinas y también el tamaño de los núcleos. La frecuencia determina el tipo de núcleo.

 

Tipos de transformador

En la práctica nos encontramos con varios tipos de transformadores en equipos electrónicos e incluso en aplicaciones de electricidad. Podemos separar los transformadores en dos categorías:

 

a) Transformadores para frecuencias bajas

Los transformadores para las bajas frecuencias son principalmente aquellos que trabajan con las señales de la red eléctrica de 50 Hz o 60 Hz, o frecuencias un poco más altas en aplicaciones especiales como amplificadores de sonido. Estos transformadores utilizan núcleo de láminas o placas de metal. El propósito de las placas es reducir las corrientes que se inducen y que pueden provocar el calentamiento del componente.

En la figura 200 tenemos ejemplos de transformadores de este tipo.

 

 

Figura 200 - transformadores de baja frecuencia
Figura 200 - transformadores de baja frecuencia

 

 

b) Transformadores para altas frecuencias

Los transformadores para altas frecuencias tienen núcleos de materiales especiales como ferritas o núcleos de aire. La forma del núcleo también puede variar, y hay algunos tipos que utilizan anillos (toroides) para este propósito. Ver figura 201 ejemplos de transformadores en esta categoría.

 

 

Figura 201 - transformadores de alta frecuencia
Figura 201 - transformadores de alta frecuencia

 

 

Encontramos el transformador de alta frecuencia en circuitos de conmutación, fuentes de alimentación, transmisores, receptores de radio, etc.

 

Transformador de potencia

Un lugar donde encontramos un importante transformador de equipo electrónico es la fuente de alimentación.

Los circuitos electrónicos de muchos dispositivos trabajan con bajas tensiones bajas, típicamente en el rango de 3 a 40 V continuos y en las tomas tenemos 110 V o 220 V alternos. El propósito de la fuente de alimentación es realizar la conversión de energía y es uno de los principales componentes involucrados en este proceso es el transformador.

Este transformador también tiene una importante función: protege el circuito del aparato de la red evitando tomar golpes al tocar en cualquier lugar. La energía de la red se aplica a una bobina y la baja tensión, de 3 a 40 V, es obtenida en lo otro (no estamos considerando algunos componentes intermedios). Esto significa que los dos devanados están aislados entre sí.

Recuerde que la tensión e corriente obtenidas en el secundario del transformador es alterna y para obtener corriente y tensión continua para los equipos de baja tensión que normalmente necesitar trabajar, deberemos emplear componentes adicionales que se estudiarán en el curso de electrónica analógica.

 

Impedancia

Cuando trata de circuitos que utilizan resistencias sólo puras, es decir, componentes que se comportan como resistores, podemos aplicar la ley de Ohm, sin problemas, para calcular su comportamiento eléctrico. Sin embargo, si tenemos un circuito de corriente alterna y en su lugar de apenas resistores, inductores y capacitores, ley del ohmio, tal como la conocemos ya no puede ser aplicada.

Si tenemos solamente capacitores o inductores, puede utilizar las formulas de reactancia inductiva y capacitivas, como estudiamos, pero todo eso cambia cuando combinamos estos componentes, de tal modo conseguir circuitos RLC. ¿Si, por un lado, en los capacitores la corriente se adelanta en relación a la tensión mientras que en los inductores retrasaran e en las resistencias están en fase, cómo combinar todo para los efectos para obtener los efectos finales en el comportamiento del circuito?

El efecto se llama "impedancia" y que corresponde a una forma simplificada a la ”resistencia" que presenta un circuito de corriente alterna. Por supuesto, la impedancia, aunque medido en ohms no es sólo una simple oposición al flujo de corriente, ya que tiene en efectos de la en la fase de la corriente e de la tensión.

Un ejemplo de cómo puede calcularse la impedancia se da inicialmente por la combinación de un resistor y un capacitor, como el lector puede ver en la figura 202.

 

 

Figura 202 – impedancia de un circuito RC
Figura 202 – impedancia de un circuito RC

 

 

El resistor tiene una resistencia pura (óhmica) mientras que el capacitor tiene una reactancia capacitiva. Los dos tienen diferentes efectos en el circuito, colocados en un gráfico se deslocan de 90 grados uno del otro.

Esto significa que el resultado de los efectos es una suma de vectores, es decir, una suma que tiene en cuenta la dirección y sentido de los efectos en la el gráfico. Por lo tanto, llamando a la impedancia Z, R la resistencia y la reactancia capacitiva de C en este circuito, podemos calcular Z por la siguiente fórmula:

 (f7.4)
- (f7.4)  

 

Donde:

Z es la impedancia (en ohms)

R es la resistencia (en ohms)

XC es la reactancia capacitiva (en ohms)

 

También podemos tener el caso de un circuito que consiste en un resistor y un inductor, como se muestra en la figura 203.

 

 

Figura 203 – impedancia en circuito RL
Figura 203 – impedancia en circuito RL

 

 

En este caso, la reactancia inductiva estará representada de manera diferente, como podemos ver en la misma figura donde la resultante que es la impedancia.

Llamando la impedancia Z, la resistencia R y la reactancia inductiva XL, podemos calcular la impedancia de la siguiente fórmula:

 

 (f7.5)
(f7.5)

 

Donde:

Z es la impedancia (en ohms)

R es la resistencia (en ohms)

XL es la reactancia inductiva (en ohms)

 

Por último, tenemos el caso donde el circuito está formado por un resistor, un inductor y un capacitor, como se aprecia en la figura 204.

 

 

Figura 204 - RLC en serie circuito
Figura 204 - RLC en serie circuito

 

 

Se trata de un circuito RLC en el que los efectos de la resistencia y reactancias se colocan en forma gráfica como se muestra en la figura 205.

 

Figura 205 – Circuito RLC
Figura 205 – Circuito RLC

 

 

La impedancia de este circuito se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

 

 

(f7.6)
(f7.6)

 

Donde:

Z es la impedancia (en ohms)

R es la resistencia (en ohms)

XL es la reactancia inductiva (en ohms)

Xc es la reactancia capacitiva (en ohms)

 

Tenga en cuenta que la suma de la reactancia capacitiva con inductiva es una suma de vectores, es decir, se deben considerar los signos de la grandeza.

 

 

Las lecciones de este curso son:

Lección 1 - Materia y energía, la naturaleza de la electricidad, la electricidad estática 

Lección 2 - Energía eléctrica, corriente y tensión, el circuito eléctrico 

Lección 3 - Resistencia eléctrica, resistores, Ley de Ohm, Ley de Joule 

Lección 4 - Tipos de generadores, rendimiento y ecuación del generador 

Lección 5 - Condensadores

Lección 6 - Magnetismo y electromagnetismo

Lección 7 - Corriente alterna

Lección 8 - Sonido y Acústica

Lección 9 - Ondas electromagnéticas

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