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Universidad Tecnolgica de Panam Facultad de Elctrica Ing. Electromecnica
Muriel Snchez Laguna
8-867-1335
Tecnologa Elctrica
Muriel C. Snchez Laguna 2
Tecnologa Elctrica
Tabla de contenido Tabla de contenido .................................................................................................. 2
CAPTULO 1: NORMAS DE SEGURIDAD ELCTRICA ......................................... 7
Qu efecto tiene la corriente elctrica en el cuerpo humano? ........................... 7
Intensidad de la corriente .................................................................................. 8
Duracin de la corriente en el cuerpo humano ................................................. 8
Recorrido que sigue la corriente elctrica dentro del cuerpo humano. ............. 8
Consecuencias de la corriente elctrica en el cuerpo humano ......................... 9
Tipos de contacto y medidas de proteccin contra las corrientes elctricas ...... 10
Contactos Directos.......................................................................................... 11
Contactos Indirectos ....................................................................................... 13
Factores que influyen en un accidente elctrico ................................................ 15
Otros factores que tambin afectan aunque en menor medida en la gravedad
de un accidente elctrico ................................................................................ 16
Los accidentes elctricos se pueden clasificar en dos grandes grupos .......... 16
Las principales lesiones .................................................................................. 16
Estados aparentes de muerte despus de un accidente elctrico. .................... 17
Los signos de una muerte definitiva son ......................................................... 18
CAPTULO 2: GENERADORES DE TENSIN ..................................................... 18
Qu son los generadores de Tensin? ............................................................ 18
Mtodos para la produccin de tensin elctrica .............................................. 21
Pilas o Bateras .................................................................................................. 26
CAPTULO 3: RESISTORES ................................................................................ 28
Resistores .......................................................................................................... 28
Tipos de Resistores ........................................................................................ 29
Calcular la resistencia en conductores metlicos. .......................................... 34
Alambres Conductores ................................................................................... 35
Calcular la resistencia a distintas temperaturas .............................................. 38
Fallas comunes de los resistores .................................................................... 39
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Tecnologa Elctrica
Cmo se reconoce un resistor defectuoso? ................................................. 39
Cdigo de Colores .......................................................................................... 40
Ley de Ohm .................................................................................................... 42
Cmo calcular la potencia, eficiencia y energa consumida en equipos
elctricos? ....................................................................................................... 42
CAPTULO 4: CAPACITORES .............................................................................. 44
Capacitores ........................................................................................................ 44
Tipos de Capacitores ...................................................................................... 45
Cmo pueden utilizarse como sensores? ..................................................... 50
Deteccin de nivel .......................................................................................... 50
Sensor de humedad........................................................................................ 50
Deteccin de posicin ..................................................................................... 50
Cules son los de mayor valor de capacitancia? .......................................... 51
Ecuaciones de carga y descarga de un capacitor en un circuito RC serie. .... 54
Reconocimiento de capacitor defectuoso ....................................................... 59
Esquemas de rotulado .................................................................................... 59
Causas ms comunes de fallas en los capacitores ........................................ 61
CAPTULO 5: MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO ................................. 61
Magnetismo y Electromagnetismo ..................................................................... 61
Leyes del electromagnetismo ............................................................................ 63
Ley de Ampere ............................................................................................... 63
Ley de Biot-Savart .......................................................................................... 64
Ley de Faraday ............................................................................................... 67
Materiales Magnticos y la curva de histresis .................................................. 68
Materiales Magnticos .................................................................................... 68
Curva de histresis ......................................................................................... 70
Circuitos Magnticos....................................................................................... 71
Auto Inductancia ................................................................................................ 72
Tipos de Inductores ........................................................................................... 74
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Tecnologa Elctrica
Segn el ncleo o soporte: ............................................................................. 74
Segn la forma constructiva: .......................................................................... 74
Segn la frecuencia de la corriente aplicada: ................................................. 74
Otras especificaciones .................................................................................... 74
Aplicaciones del Electromagnetismo ................................................................. 75
Diseos de Instrumentos de Medicin ............................................................... 78
Voltmetros ...................................................................................................... 79
Ampermetros ................................................................................................. 80
Ohmmetros .................................................................................................... 82
El Galvanmetro ............................................................................................. 82
CAPTULO 6: INSTALACIONES ELCTRICAS ................................................... 85
Qu es una instalacin elctrica? .................................................................... 85
Potencia elctrica y Eficiencia ........................................................................... 86
Potencia Elctrica ........................................................................................... 86
Eficiencia Elctrica .......................................................................................... 88
Energa Elctrica ............................................................................................... 90
Qu es la energa elctrica? ......................................................................... 90
Transmisin .................................................................................................... 91
Distribucin ..................................................................................................... 95
Tableros de Distribucin .................................................................................... 98
Acometida Elctrica ........................................................................................... 99
Subestacin elctrica ....................................................................................... 102
Dispositivos de distribucin primaria ................................................................ 105
Interruptores ................................................................................................. 106
Fusibles ........................................................................................................ 107
Interruptores de maniobra ............................................................................. 109
Llaves ........................................................................................................... 109
Seccionadores .............................................................................................. 110
Contactores .................................................................................................. 111
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Tecnologa Elctrica
Simbologa de los sistemas elctricos ............................................................. 112
Conexiones elctricas tpicas .......................................................................... 115
Tipos de luminarias .......................................................................................... 119
CAPTULO 7: SISTEMAS TRIFSICOS Y PRINCIPIOS DE LAS MQUINAS
ELCTRICAS ...................................................................................................... 123
Sistemas Trifsicos: ...................................................................................... 123
Sistemas Monofsicos: ................................................................................. 125
Principios de las maquinas elctricas: .......................................................... 125
Potencia Elctrica ............................................................................................ 126
Mejoramiento del Factor de Potencia f.d.p ...................................................... 127
Transformadores trifsicos y monofsicos ...................................................... 130
Motor monofsico ............................................................................................ 132
Su constitucin ............................................................................................. 132
Usos.............................................................................................................. 133
Caractersticas de funcionamiento: ............................................................... 133
Mquinas elctricas ......................................................................................... 135
Cuidado de los motores y seleccin de interruptores ...................................... 137
Mantenimiento peridico: .............................................................................. 137
Instrucciones de desmontaje/montaje:.......................................................... 137
CAPTULO 8: FUNCIN DE 10 COMPONENTES DE DISTRIBUCIN PRIMARIA
............................................................................................................................ 138
Interruptores de Potencia ................................................................................. 141
Aisladores ........................................................................................................ 141
Pararrayos ....................................................................................................... 142
Interruptores de Maniobra ................................................................................ 142
Capacitores ...................................................................................................... 142
Seccionadores ................................................................................................. 143
Equipos de Medida .......................................................................................... 143
Conductores .................................................................................................... 144
Torres Elctricas .............................................................................................. 144
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Tecnologa Elctrica
Transformadores de Potencia .......................................................................... 144
APNDICE 1: CONSUMO DE LOS APARATOS ELCTRICOS ...................... 145
Consumo indicativo de algunos artefactos elctricos ................................... 145
Auditora Elctrica ......................................................................................... 146
APNDICE 2: CABLES CONDUCTORES ........................................................ 147
Clasificacin de los conductores por la forma de su seccin ........................ 147
Transmisin por conductores mltiples......................................................... 148
Definicin de AWG........................................................................................ 148
Definicin de circular mil. .............................................................................. 149
Calibre de Conductores ................................................................................ 152
APNDICE 3: DOMTICA ............................................................................... 154
APNDICE 4: MOTORES CA MONOFSICOS ............................................... 159
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Tecnologa Elctrica
CAPTULO 1: NORMAS DE SEGURIDAD ELCTRICA
Qu efecto tiene la corriente
elctrica en el cuerpo humano?
Nuestro mayor rgano es la piel. Protege nuestro cuerpo de las amenazas del
exterior, y tambin de la corriente pero si esta se moja no, la piel mojada no nos
defiende de la corriente elctrica.
La piel seca tiene una resistencia aproximada de unos 100.000 a 600.000 .
Realmente una gran resistencia; pero la piel mojada apenas llega a resistir unos
100 .
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Tecnologa Elctrica
El efecto de la corriente elctrica en el cuerpo humano depende de 3 factores
fundamentales:
1. Intensidad de la corriente 2. Duracin de la corriente en el cuerpo humano. 3. Recorrido de la corriente dentro del cuerpo humano.
Intensidad de la corriente Menos de 1 mA no se siente.
De 1 mA a 8 mA sensacin molesta, sin dolor.
De 8 mA a 15 mA choque doloroso, sin prdida del control muscular.
De 15 mA a 20 mA se pierde el control muscular, la persona no puede
desprenderse de la corriente.
De 20 mA a 50 mA fuertes contracciones musculares, dificultad para
respirar.
De 50 mA a 100 mA posibilidad de trastornos en el corazn y los pulmones
con riesgo de muerte.
De 100 mA a 200 muerte de la vctima si pasa por el corazn y los
pulmones.
Duracin de la corriente en el cuerpo humano
El dao que produce la corriente elctrica es tanto mayor cuando ms tiempo est
el cuerpo al pasaje de la corriente elctrica.
Recorrido que sigue la corriente elctrica dentro del
cuerpo humano.
Los peores casos se dan cuando la corriente elctrica pasa por centros nerviosos
que comandan el funcionamiento del corazn y los Pulmones, son particularmente
Muriel C. Snchez Laguna 9
Tecnologa Elctrica
peligrosa la corriente elctrica que pasan por la cabeza y los pies, de una mano a
la otra, o entra por una mano y sale por un pie.
En cambio si la corriente elctrica pasa de un
dedo a otro de la misma mano, o de la mueca
a la punta de los dedos, de la rodilla a los pies,
el dao se reduce a parlisis temporarias y
molestias secundarias.
Existen dos maneras que el cuerpo de una
persona sea recorrido por la corriente
elctrica:
Cuando toca accidentalmente 2 conductores de un circuito con tensin.
Cuando el cuerpo de la persona toca 1 conductor con tensin y un punto de
descarga a tierra.
Los daos que la corriente elctrica puede causar si pasa a travs del cuerpo
humano dependen de dos magnitudes:
El valor de la intensidad de corriente.
El tiempo durante el cual el cuerpo est expuesto al paso de la corriente.
Consecuencias de la corriente elctrica en el cuerpo
humano
Las consecuencias pueden variar desde un pequeo hormigueo hasta
quemaduras graves y paro cardaco inmediato. Aunque se desconoce cules
resultan a un amperaje determinado, la tabla a continuacin demuestra esta
relacin para un choque elctrico que demora un segundo, es de un ciclo de 60
hercios (Hz) y viaja desde la, mano hasta el pie:
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Tecnologa Elctrica
Intensidad de la corriente
(en miliamperios) Posible efecto en el cuerpo humano
1 mA Nivel de percepcin. Una leve sensacin de hormigueo. Aun as, puede ser peligroso bajo ciertas condiciones.
5 mA Leve sensacin de choque; no doloroso, aunque incmodo. La persona promedio puede soltar la fuente de la corriente elctrica. Sin embargo, las reacciones involuntarias fuertes a los choques en esta escala pueden resultar en lesiones.
6-30 mA Choque doloroso donde se pierde el control muscular. Esto se conoce como "la corriente paralizante" o "la escala bajo la cual hay que soltar la fuente".
50-150 mA Dolor agudo, paro respiratorio, contracciones musculares severas. La persona no puede soltar la fuente de electricidad. La muerte es posible.
1000-4300 mA Fibrilacin ventricular (el ritmo cardaco cesa.) Ocurren contracciones musculares y dao a los nervios. La muerte es sumamente probable.
10,000 mA Paro cardaco, quemaduras severas y con toda probabilidad puede causar la muerte.
Tipos de contacto y medidas de
proteccin contra las corrientes
elctricas
La electricidad es una de las fuentes de energa ms utilizada en la actualidad. Su empleo implica unos riesgos que deben
conocerse para poder evitar sus desfavorables consecuencias.
Entre las normas de desarrollo reglamentario de la ley de Prevencin se
encuentran las destinadas a garantizar la proteccin de los trabajadores frente al riesgo elctrico. En virtud de lo cual se ha publicado el R.D.
614/2001 de 8 de julio, que se aplica a las instalaciones elctricas de los
lugares de trabajo y a las tcnicas y procedimientos para trabajar en
ellos o en sus proximidades.
Los accidentes elctricos se producen por el contacto de una persona
con partes activas en tensin y pueden ser de dos tipos:
1. Contactos directos.
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Tecnologa Elctrica
2. Contactos indirectos.
Contactos Directos.
Son los contactos de personas con partes activas
de los materiales y equipos, considerando
partes activas los
conductores bajo tensin
en servicio normal. Por tanto, es aquel en el que la
persona entra en contacto
con una parte activa (una
parte en tensin); por ejemplo: cuando se toca
directamente un conductor activo (fase) y simultneamente el neutro.
Los contactos directos pueden establecerse de tres formas:
1. Contacto directo con dos conductores activos de una lnea. 2. Contacto directo con un conductor activo de lnea y masa o
tierra.
3. Descarga por induccin. Son aquellos accidentes en los que se produce un choque elctrico sin que la persona haya tocado
fsicamente parte metlica o en tensin de una instalacin.
La proteccin contra contactos directos puede lograrse de tres
formas:
1. Alejamiento de las partes activas de la instalacin.
Muriel C. Snchez Laguna 12
Tecnologa Elctrica
Consiste en poner dichas partes activas a una distancia suficiente para
que sea imposible el contacto fortuito con las manos o por la
manipulacin de objetos conductores, cuando estos se utilicen,
habitualmente, en las proximidades de la instalacin.
El volumen de seguridad y distancia de proteccin son 2,5m en altura y
1m en horizontal.
2. Interposicin de obstculos. Estos obstculos deben impedir todo contacto accidental con las partes activas de la instalacin. Deben estar fijados de forma segura y resistir
los esfuerzos mecnicos que puedan presentarse. En este apartado
tenemos los armarios y cuadros elctricos, las tomas de corriente, los
receptores en general, etc.
3. Recubrimiento de las partes activas de la instalacin. Se realizar por medio de un aislamiento apropiado, capaz de conservar
sus propiedades con el tiempo y que limite la corriente de contacto a un
valor no superior a 1mA.
Medidas complementarias:
Se evitar el empleo de conductores desnudos.
Cuando se utilicen, estarn eficazmente protegidos.
Se prohbe el uso de interruptores de cuchillas que no
estn debidamente protegidos.
Los fusibles no estarn al descubierto.
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Tecnologa Elctrica
Contactos Indirectos
Es el que se produce por efecto de un fallo en un aparato receptor o accesorio, desvindose la corriente elctrica a travs de las partes
metlicas de stos. Pudiendo por esta causa entrar las personas en
contacto con algn elemento que no forma parte del circuito elctrico y
que en condiciones normales no deberan tener tensin como:
Corrientes de derivacin. Situacin dentro de un campo magntico. Arco elctrico.
Para la eleccin de las medidas de
proteccin contra contactos indirectos,
se tendr en cuenta la naturaleza de
los locales o emplazamientos, las
masas y los elementos conductores,
la extensin e importancia da la
instalacin, que obligarn en cada
caso a adoptar la medida de
proteccin ms adecuada.
Las medidas de proteccin contra contactos indirectos:
1. Puesta a tierra de las masas. Poner a tierra las masas significa unir a la masa terrestre un punto de la
instalacin elctrica (carcasa de mquinas, herramientas, etc.).
2. Corrientes de seguridad de 24V.
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Tecnologa Elctrica
Consiste en la utilizacin de pequeas tensiones de seguridad que tal como se
especifica en el R.E.B.T sern de 24V para locales hmedos o mojados y 50V
para locales secos. Este sistema de proteccin dispensa de tomar otros contra los
contactos indirectos en el circuito de utilizacin. Este tipo de medidas de
proteccin se utilizan en el caso de:
Herramientas elctricas. Juguetes accionados por motor elctrico. Aparatos para el tratamiento del cabello y de la piel.
3. Separacin de circuitos. Consiste en separar los circuitos de utilizacin de la fuente de energa por medio
de transformadores mantenimiento aislado de tierra todos los conductores del
circuito de utilizacin incluso el neutro.
Este sistema de proteccin dispensa de tomar otras medidas contra contactos
indirectos.
4. Doble aislamiento. Consiste en el empleo de materiales que dispongan de aislamiento de proteccin
o reforzadas entre sus partes activas y sus masas accesibles.
Es un sistema econmico puesto que exige la instalacin de conductor de
proteccin. Su eficacia no disminuye con el tiempo al no verse afectado por
problemas de corrosin. Todos los aparatos con doble aislamiento llevan el
siguiente smbolo.
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Tecnologa Elctrica
Factores que influyen en un
accidente elctrico
Como ya se mencion existen una serie de factores que afectan sobre la gravedad de un accidente elctrico, os dos factores que ms afectan a la gravedad del accidente son la intensidad de corriente y la duracin del contacto elctrico.
La Comisin Electrotcnica Internacional ha publicado unas curvas que describen el efecto de la intensidad de corriente y del tiempo de trnsito para el recorrido de la corriente mano izquierda-los dos pies. As por ejemplo:
1. Cuando la intensidad es de 0,5 mA (miliamperios) el individuo expuesto al paso de la corriente "nota un cosquilleo" (independientemente del tiempo de exposicin). Se dice que se alcanza el "umbral de percepcin".
2. Si aumentamos la intensidad, por ejemplo, hasta 50 mA, se alcanzar el "umbral de no soltar" aproximadamente al cabo de 130 ms (milisegundos) de exposicin al paso de la corriente. Es decir, en esta situacin el individuo puede empezar a tener problemas para poder separarse del circuito elctrico; vulgarmente se dice que el individuo "se qued pegado sin poder soltarse".
3. Si seguimos manteniendo al individuo expuesto a esta corriente de 50 mA durante ms tiempo hasta alcanzar los 900 ms se alcanzara el umbral de fibrilacin, que provoca la fibrilacin ventricular.
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Tecnologa Elctrica
Otros factores que tambin afectan aunque en menor
medida en la gravedad de un accidente elctrico
Resistencia del cuerpo humano. Tensin aplicada. Frecuencia de la corriente. Trayecto de la corriente a travs del cuerpo. Capacidad de reaccin de la persona.
Los accidentes elctricos se pueden clasificar en dos
grandes grupos
Incendios y/o explosiones, que afectan tanto a personas como a instalaciones y bienes. Los incendios debidos a la energa elctrica se producen, fundamentalmente, por sobrecargas en la instalacin, chispas o cortocircuito.
Electrizacin y electrocucin, que afectan a personas. Una persona se electriza cuando la corriente elctrica circula por su cuerpo, es decir, cuando la persona forma parte del circuito elctrico, pudiendo, al menos, distinguir dos puntos de contacto: uno de entrada y otro de salida de la corriente. Esa misma persona se electrocuta cuando el paso de la corriente produce su muerte.
Las principales lesiones Las principales lesiones que produce el paso de la electricidad a travs del cuerpo
humano, teniendo en cuanta los factores anteriormente citados.
La fibrilacin ventricular. Consiste en el movimiento anrquico del corazn, el cual deja de enviar sangre a los distintos rganos. El corazn sigue en movimiento, pero no sigue su ritmo normal de funcionamiento. Es el efecto ms grave y que produce la mayora de los accidentes mortales. Una vez producida el ritmo cardiaco no se recupera de forma espontnea y, de no mediar una asistencia rpida y efectiva, se producen lesiones irreversibles y sobreviene la muerte.
La tetanizacin. Movimiento incontrolado de los msculos como consecuencia del paso de la energa elctrica. Dependiendo del recorrido de la corriente perderemos el control de las manos, brazos, msculos pectorales, etc.
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Tecnologa Elctrica
Estados aparentes de muerte
despus de un accidente elctrico.
La asfixia. Se produce cuando el paso de la corriente afecta al centro nervioso que regula la funcin respiratoria, ocasionando el paro respiratorio.
Los principales pasos a seguir en caso de ocurrir un shok elctrico, es precis fijar
el concepto de muerte real y que podemos diferenciar de ella, a la muerte
aparente, que es lo que se pretende con los mtodos de reanimacin.
De las manifestaciones visibles de la vida oculta; en un estado en el cual los
signos de la vida, principalmente los cambios nutritivos y la excitabilidad, parecen
faltar. En el estado de muerte aparente no se percibe la actividad cardiaca ni la
respiracin, sin que ello signifique la detencin definitiva de la vida celular.
De las manifestaciones visibles de la vida, es la consciencia la que desaparece
primero: a continuacin se suspende la respiracin, mientras las contracciones
cardiacas suelen persistir algn tiempo.
Otras alteraciones, tales como: contracciones musculares, aumento de la presin sangunea, dificultades de respiracin, parada provisional del corazn, etc. pueden producirse sin fibrilacin ventricular. Tales efectos no son mortales; normalmente son reversibles y, a menudo, producen
marcas por el paso de la corriente. Las quemaduras graves pueden llegar a ser mortales.
Muriel C. Snchez Laguna 18
Tecnologa Elctrica
Qu son los generadores de
Tensin?
Los signos de una muerte definitiva son
El enfriamiento del cuerpo.
La rigidez.
Las livideces cadavricas. Todos aquellos cientficos que han estudiado los mecanismos de la muerte por
electrocucin, consideran que cuando se produce una prdida del conocimiento en
el momento del accidente, esta muerte aparente no conduce a una muerte real
sino que despus de un tiempo determinado.
De lo anteriormente expuesto, podemos concluir que, el tiempo que existe entre la
muerte aparente y la muerte real, definido comnmente como muerte clnica , es
cuando se debe actuar oportunamente lograr la reanimacin del electrocutado.
CAPTULO 2: GENERADORES DE TENSIN
Un generador elctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de
potencial elctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes.
Los generadores elctricos con mquinas destinadas a transformar la energa
mecnica en elctrica. As, un generador real puede considerarse en muchos
casos como un generador ideal de tensin con una resistencia interna en serie, o
bien como un generador ideal de intensidad en paralelo con una resistencia.
Un generador es una mquina elctrica que realiza el proceso inverso que un
motor elctrico, el cual transforma la energa elctrica en energa mecnica.
Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para
obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente
Muriel C. Snchez Laguna 19
Tecnologa Elctrica
inducida en un generador simple de una sola fase. La mayora de los generadores
de corriente alterna sonde tres fases.
No slo es posible obtener una corriente elctrica a partir de energa mecnica de
rotacin sino que es posible hacerlo con cualquier otro tipo de energa como punto
de partida. Desde este punto de vista ms amplio, los generadores se clasifican en
dos tipos fundamentales:
Primarios: Convierten en energa elctrica la energa de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, como alternadores, dinamos, etc.
Secundarios: Entregan una parte de la energa elctrica que han recibido previamente, es decir, en primer lugar reciben energa de una corriente elctrica y
la almacenan en forma de alguna clase de energa. Posteriormente, transforman
nuevamente la energa almacenada en energa elctrica. Un ejemplo son las pilas
o bateras recargables. Se agruparn los dispositivos concretos conforme al
proceso fsico que les sirve de fundamento.
Muriel C. Snchez Laguna 20
Tecnologa Elctrica
Generadores ideales
Desde el punto de vista terico (teora de circuitos) se distinguen dos tipos de
generadores ideales:
1. Generador de voltaje o tensin: un generador de voltaje ideal mantiene un voltaje fijo entre sus terminales con independencia de la
resistencia de la carga, Rc, que pueda estar conectada entre ellos.
2. Generador de corriente o intensidad: un generador de corriente ideal mantiene una corriente constante por el circuito externo con
independencia de la resistencia de la carga que pueda estar conectada
entre ellos.
El generador descrito no tiene existencia real en la prctica, ya que siempre posee
lo que, convencionalmente, se ha dado en llamar resistencia interna, que aunque
no es realmente una resistencia, en la mayora de los casos se comporta como tal.
En la Figura 2 se puede ver el mismo circuito anterior, pero donde la resistencia
interna del generador viene representada por una resistencia Ri, en serie con el
generador, con lo que la ecuacin anterior se transforma en:
As, un generador real puede considerarse en muchos casos como un generador
ideal de tensin con una resistencia interna en serie, o bien como un generador
ideal de intensidad en paralelo con una resistencia.
Muriel C. Snchez Laguna 21
Tecnologa Elctrica
Mtodos para la produccin de
tensin elctrica
Otros mtodos para producir tensin elctrica que no es ms que producir voltaje:
Centrales
termoelctricas
Una central termoelctrica es un lugar
empleado para la generacin de energa
elctrica a partir de calor. Este calor puede
obtenerse tanto de combustibles fsiles
(petrleo, gas natural o carbn) como de la
fisin nuclear del uranio u otro combustible
nuclear o del sol como las solares
termoelctricas, as como tambin de
incineracin de residuos slidos urbanos
(RSU). Las centrales que en el futuro utilicen
la fusin tambin sern centrales
termoelctricas. En su forma ms clsica, las centrales termoelctricas consisten
Muriel C. Snchez Laguna 22
Tecnologa Elctrica
en una caldera en la que se quema el combustible para generar calor que se
transfiere a unos tubos por donde circula agua, la cual se evapora. El vapor
obtenido, a alta presin y temperatura, se expande a continuacin en una turbina
de vapor, cuyo movimiento impulsa un alternador que genera la electricidad.
Luego el vapor es enfriado en un Condensador donde circula por tubos agua fra
de un caudal abierto de un ro o por torre de refrigeracin. En las centrales
termoelctricas denominadas de ciclo combinado se usan los gases de la
combustin del gas natural para mover una turbina de gas. En una cmara de
combustin se quema el gas natural y se inyecta aire para acelerar la velocidad de
los gases y mover la turbina de gas. Como, tras pasar por la turbina, esos gases
todava se encuentran a alta temperatura (500 C), se reutilizan para generar
vapor que mueve una turbina de vapor. Cada una de estas turbinas impulsa un
alternador, como en una central termoelctrica comn. El vapor luego es enfriado
por medio de un caudal de agua abierto o torre de refrigeracin como en una
central trmica comn. Adems, se puede obtener la cogeneracin en este tipo de
plantas, al alternar entre la generacin por medio de gas natural o carbn. Este
tipo de plantas est en capacidad de producir energa ms all de la limitacin de
uno de los dos insumos y pueden dar un paso a la utilizacin de fuentes de
energa por insumos diferentes. Las centrales trmicas que usan combustibles
fsiles liberan a la atmsfera dixido de carbono (CO2), considerado el principal
gas responsable del calentamiento global. Tambin, dependiendo del combustible
utilizado, pueden emitir otros contaminantes como xidos de azufre, xidos de
nitrgeno, partculas slidas (polvo) y cantidades variables de residuos slidos.
Las centrales nucleares pueden contaminar en situaciones accidentales (vase
accidente de Chernbil) y tambin generan residuos radiactivos de diversa ndole.
Centrales Trmicas Solares
Una central trmica solar
o central termo solar es
una instalacin industrial
en la que, a partir del
calentamiento de un
fluido mediante radiacin
solar y su uso en un ciclo
termodinmico
convencional, se produce
la potencia necesaria
Muriel C. Snchez Laguna 23
Tecnologa Elctrica
para mover un alternador para generacin de energa elctrica como en una
central trmica clsica. En ellas es necesario concentrar la radiacin solar para
que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 C hasta 1000 C, y
obtener as un rendimiento aceptable en el ciclo termodinmico, que no se podra
obtener con temperaturas ms bajas. La captacin y concentracin de los rayos
solares se hacen por medio de espejos con orientacin automtica que apuntan a
una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos ms pequeos de
geometra parablica. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de
orientacin se denomina heliostato. Su principal problema medioambiental es la
necesidad de grandes extensiones de territorio que dejan de ser tiles para otros
usos (agrcolas, forestales, etc.).
Central Hidroelctrica
Una central hidroelctrica es aquella
que se utiliza para la generacin de
energa elctrica mediante el
aprovechamiento de la energa
potencial del agua embalsada en una
presa situada a ms alto nivel que la
central. El agua se lleva por una tubera
de descarga a la sala de mquinas de la
central, donde mediante enormes
turbinas hidrulicas se produce la
electricidad en alternadores. Las dos
caractersticas principales de una
central hidroelctrica, desde el punto de
vista de su capacidad de generacin de
electricidad son: La potencia, que es
funcin del desnivel existente entre el
nivel medio del embalse y el nivel medio
de las aguas debajo de la central, y del
caudal mximo turbinable, adems de
las caractersticas de la turbina y del generador. * La energa garantizada en un
lapso determinado, generalmente un ao, que est en funcin del volumen til del
embalse, de la pluviometra anual y de la potencia instalada. La potencia de una
central hidroelctrica puede variar desde unos pocos MW, hasta varios GW. Hasta
10 MW se consideran mini centrales. En China se encuentra la mayor central
Muriel C. Snchez Laguna 24
Tecnologa Elctrica
hidroelctrica del mundo (la Presa de las Tres Gargantas), con una potencia
instalada de 22.500 MW. La segunda es la Represa de Itaip (que pertenece a
Brasil y Paraguay), con una potencia instalada de 14.000 MW en 20 turbinas de
700 MW cada una.
Esta forma de energa posee problemas medioambientales al necesitar la
construccin de grandes embalses en los que acumular el agua, que es sustrada
de otros usos, incluso urbanos en algunas ocasiones.
Actualmente se encuentra en desarrollo la explotacin comercial de la conversin
en electricidad del potencial energtico que tiene el oleaje del mar, en las llamadas
centrales mareomotrices. Estas utilizan el flujo y reflujo de las mareas. En general
pueden ser tiles en zonas costeras donde la amplitud de la marea sea amplia, y
las condiciones morfolgicas de la costa permitan la construccin de una presa
que corte la
Entrada y salida de la marea en una baha. Se genera energa tanto en el
momento del llenado como en el momento del vaciado de la bobina
Centrales Mareomotrices
Las centrales mareomotrices utilizan el flujo y reflujo de las mareas. En general, puede ser til en zonas costeras donde la amplitud de la marea sea amplia y las condiciones morfolgicas de la costa permitan la construccin de una presa que corte la entrada y salida de la marea en una baha. Se genera energa tanto en el momento del llenado como en el momento del vaciado de la baha.
Actualmente se encuentra en desarrollo la explotacin comercial de la conversin en electricidad del potencial energtico que tiene el oleaje del mar, en las llamadas centrales undimotrices.
Centrales Elicas
La energa elica se obtiene mediante el movimiento del aire, es decir, de la energa cintica generada por efecto de las corrientes de aire o de las vibraciones que el dicho viento
Muriel C. Snchez Laguna 25
Tecnologa Elctrica
produce. Los molinos de viento se han usado desde hace muchos siglos para moler el grano, bombear agua u otras tareas que requieren una energa. En la actualidad se usan aerogeneradores para generar electricidad, especialmente en reas expuestas a vientos frecuentes, como zonas costeras, alturas montaosas o islas. La energa del viento est relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de reas de alta presin atmosfrica hacia reas adyacentes de baja presin, con velocidades proporcionales al gradiente de presin.2
El impacto medioambiental de este sistema de obtencin de energa es relativamente bajo, pudindose nombrar el impacto esttico, porque deforman el paisaje, la muerte de aves por choque con las aspas de los molinos o la necesidad de extensiones grandes de territorio que se sustraen de otros usos. Adems, este tipo de energa, al igual que la solar o la hidroelctrica, estn fuertemente condicionadas por las condiciones climatolgicas, siendo aleatoria la disponibilidad de las mismas.
Centrales fotovoltaicas
Se denomina energa solar fotovoltaica a la obtencin de energa elctrica a travs de paneles fotovoltaicos. Los paneles, mdulos o colectores fotovoltaicos estn formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiacin solar, se excitan y provocan saltos electrnicos, generando una pequea diferencia de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtencin de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeos dispositivos electrnicos. A mayor escala, la corriente elctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna e inyectar en la red elctrica. Alemania es en la actualidad el segundo
Muriel C. Snchez Laguna 26
Tecnologa Elctrica
Pilas o Bateras
productor mundial de energa solar fotovoltaica tras Japn, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de colectores de sol, aunque slo representa el 0,03% de su produccin energtica total. La venta de paneles fotovoltaicos ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la dcada de los noventa. En la Unin Europea el crecimiento medio anual es del 30%, y Alemania tiene el 80% de la potencia instalada de la Unin.3
Los principales problemas de este tipo de energa son su elevado coste en comparacin con los otros mtodos, la necesidad de extensiones grandes de territorio que se sustraen de otros usos, la competencia del principal material con el que se construyen con otros usos (el slice es el principal componente de los circuitos integrados), o su dependencia con las condiciones climatolgicas. Este ltimo problema hace que sean necesarios sistemas de almacenamiento de energa para que la potencia generada en un momento determinado, pueda usarse cuando se solicite su consumo. Se estn estudiando sistemas como el almacenamiento cintico, bombeo de agua a presas elevadas, almacenamiento qumico, entre otros.
Pilas cidas y alcalinas de xido de manganeso de uso comn y generalizado en diferentes artefactos, algunas de ellas riesgosas por su
contenido de mercurio. Se encuentran en el mercado en distintos formatos
tales como A, AA, AAA. Categora: Y29, Y34, Y35.
Muriel C. Snchez Laguna 27
Tecnologa Elctrica
Pilas de nquel-cadmio recargables, contenidas en parte de las bateras usadas para telfonos celulares, son particularmente
dainos para el medio ambiente debido principalmente a su
contenido de cadmio. Categora: Y26recargables, contenidas en
parte de las bateras usadas para telfonos celulares, son
particularmente dainos para el medio ambiente debido
principalmente a su contenido de cadmio. Categora: Y26
Bateras de plomo cido utilizadas mayormente en automotores. Categora: Y34, Y31
Pilas de xido de mercurio principalmente de formato botn, utilizadas en equipos especiales (por ejemplo cmaras fotogrficas,
relojes). Categora: Y29
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Tecnologa Elctrica
Resistores
CAPTULO 3: RESISTORES
Se denomina resistor o
resistencia al componente
electrnico diseado para
introducir una resistencia
elctrica determinada entre
dos puntos de un circuito.
Son conocidos simplemente
como resistencias.
Es un material formado por
carbn y otros elementos
resistivos para disminuir la corriente que pasa.
Se opone al paso de la corriente. La
corriente mxima en un resistor viene
condicionada por la mxima potencia que
pueda disipar su cuerpo. Esta potencia se
puede identificar visualmente a partir del
dimetro sin que sea necesaria otra
indicacin. Los valores ms comunes son
0,25 W, 0,5 W y 1 W.
Existen resistencias de valor variable, que
reciben el nombre de potencimetros. Los
resistores se utilizan en los circuitos para limitar el valor de la corriente o para fijar
el valor de la tensin. A diferencia de otros componentes electrnicos, los
resistores no tienen polaridad definida.
Muriel C. Snchez Laguna 29
Tecnologa Elctrica
Tipos de Resistores
En general, los resistores se pueden clasificar en tres diferentes categoras o clases:
Resistores Fijos: Un resistor fijo es aquel en que el valor de su resistencia no puede cambiar.
Resistores Variables: Un resistor variable es un resistor cuyo valor se puede ajustar al girar una perilla o deslizar un control. Son conocidos tambin como potencimetros o
restatos.
Resistores No Lineales: Un resistor no lineal es un resistor que tiene una resistencia que vara de manera significativa con el voltaje aplicado, temperatura o luz. Algunos ejemplos de resistores no lineales son los termistores y los foto resistores.
Muriel C. Snchez Laguna 30
Tecnologa Elctrica
Por su montaje, los resistores se pueden clasificar en dos categoras:
Resistor tipo "through-hole" o con terminales: Es el tipo de resistor ms popular en el ambiente estudiantil, por su facilidad de manejo y compatibilidad con tablillas de experimentacin. Estos resistores se fabrican a partir de diferentes materiales.
Las principales tecnologas son: resistores de composicin de carbn (prcticamente obsoletos), resistores de pelcula de carbn, resistores de pelcula metlica, resistores de xidos metlicos y resistores de alambre. Los resistores de pelcula de carbn son los ms fciles de encontrar y tambin son los de menor costo. Para cada tecnologa encontramos muchas formas y tamaos diferentes del componente. La figura 1 muestra el aspecto de cuatro familias comunes de resistores through-hole.
Resistores de montaje superficial: El uso de resistores de montaje superficial ayuda a reducir las dimensiones del circuito ensamblado y a reducir en parte los efectos de inductancia parsita. Estos resistores vienen en una variedad de dimensiones y son fabricados en diferentes tecnologas, siendo las ms importantes los resistores de pelcula gruesa y de pelcula delgada.
Muriel C. Snchez Laguna 31
Tecnologa Elctrica
En el caso de resistores de montaje superficial, existe un trade-off entre la dimensin del resistor y su capacidad de potencia y voltaje. Por ejemplo, un resistor ms largo tendr una mayor especificacin de voltaje, debido a que tendr un voltaje de ruptura mayor.
Clasificacin de los resistores
Aplicaciones de los resistores.
Resistencias de cartucho de alta densidad
Resistores
Con Terminales
peliculas de carbn
Propsito General
(+ - 5%)
pelcula metlica
Mayor desempeo
(+ - 1%)
xido metlico
Alta potencia
(2w)
alambre
Alta potencia
(2W)
SMT
Pelcula gruesa
Propsito General
(+ - 5%)
pelcula degradada
Especiales
(+ - 1%)
Muriel C. Snchez Laguna 32
Tecnologa Elctrica
Aplicaciones tpicas
Principalmente para ser introducidas en un barreno en un metal slido, para
calefaccin localizada en los procesos que exigen control riguroso de
temperaturas tales como: moldes, cilindros, etiquetado, estampado en caliente,
sellado de bolsas, equipo de empaque y medicinales, extrusoras e inyectoras para
plsticos As mismo para calentar gases y lquidos.
Caractersticas
Las Resistencias de Alta Densidad (Compactadas), para aplicaciones de alta
temperatura donde la reducida durabilidad de los cartuchos, son un problema
constante. Los cartuchos de alta densidad duran hasta 15 veces ms en la misma
aplicacin que las resistencias de cartucho comunes. Son tambin capaces de
brindar hasta 5 veces mayores densidades de potencia elctrica con temperaturas
de hasta 1500 F (820C). Varias terminaciones para proteger los cables contra la
flexin, humedad, abrasin, contaminacin y para aplicaciones especiales.
Resistencias de cartucho de baja densidad
Aplicaciones tpicas
Principalmente para ser introducidas en un barreno en un metal slido, conductor
de calor para calefaccin localizada en los procesos que exigen control riguroso
de temperaturas, tales como: mquinas de empaque en caliente y etiquetado,
equipos de estampado, pistolas de adhesivo para plsticos inyectados y ceras. As
mismo para calentar gases y lquidos y otras aplicaciones de baja temperatura.
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Tecnologa Elctrica
Caractersticas
Las Resistencias de Cartucho de Baja Densidad son econmicas para
aplicaciones de bajas y medianas temperaturas, con temperatura mxima de 1200
F (650 C) y densidades de potencia de 30 a 45 W/pulg2. Varias terminaciones
para proteger los cables contra la flexin, humedad, abrasin, contaminacin y
aplicaciones especiales. Muchos tamaos o potencias nominales en existencia o
hechos a la medida.
Resistencias de banda aislada con mica
Aplicaciones Tpicas
Utilizada en operaciones que requieren calefaccin de superficies cilndricas tales
como: caones de los extrusores de plstico, mquinas inyectoras y de soplado de
plsticos, tanques de almacenamiento, barriles, envases de calentar alimentos,
autoclaves y equipos de moldeo por soplado.
Caractersticas
El mecanismo de fijacin de las resistencias de cinta aisladas es una caracterstica
exclusiva que consiste en una abrazadera incorporada de baja expansin trmica
a la que se sujeta mejor que las abrazaderas separadas o bridas dobladas
(orejas). El diseo de las resistencias sirve para aplicaciones de hasta 1200 F
(650 C) y densidades de potencia de hasta 45W/pulg2 7W/cm2. Los diseos
bsicos de construccin son unidades de una o dos abrazaderas expandibles con
varios arreglos para las terminales atornillados y cables flexibles. Barrenos o
cortes hechos a pedido. Muchos tamaos y potencias nominales en existencia o
hechos a la medida.
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Tecnologa Elctrica
Resistencias tubulares
Aplicaciones tpicas
La resistencia ms verstil y ampliamente utilizada en aplicaciones industriales,
comerciales, cientficas y militares, tales como calefactores combinados de
radiacin y conveccin, introduccin en agujeros taladrados o en ranuras fresadas
en placas o moldes, fundidos en metales y sujetados a oleoductos. Igualmente
para la calefaccin de lquidos por inmersin directa.
Caractersticas
El diseo de las resistencias tubulares produce un calefactor robusto y durable
inigualable en su resistencia contra choque, vibraciones, corrosin y altas
temperaturas. Pueden ser formadas en una variedad ilimitada de figuras a piezas
soldadas con plata y acero, latn, acero inoxidable o cualquier pieza de metal
extico, as como fundidas en metales. Los materiales estndar del tubo son el
cobre, acero inoxidable e incoloro y con varios dimetros y arreglos de tornillo o
cables flexibles con sellos, conexiones y bridas.
Calcular la resistencia en conductores metlicos.
El conductor es el encargado de unir elctricamente cada uno de los componentes
de un circuito, el ms utilizado es el de cobre, (Ver tabla con algunos materiales
conductores en Imagen). Dado que tiene resistencia hmica, puede ser
considerado como otro componente ms con caractersticas similares a las de la
resistencia elctrica.
Muriel C. Snchez Laguna 35
Tecnologa Elctrica
De este modo, la resistencia de un conductor
elctrico es la medida de la oposicin que presenta
al movimiento de los electrones en su seno, es decir
la oposicin que presenta al paso de la corriente
elctrica. Generalmente su valor es muy pequeo y
por ello se suele despreciar, esto es, se considera
que su resistencia es nula (conductor ideal), pero
habr casos particulares en los que se deber tener
en cuenta su resistencia (conductor real).
La resistencia de un conductor depende de la
longitud del mismo ( ) en m, de su seccin ( ) en
m, del tipo de material y de la temperatura. Si
consideramos la temperatura constante (20 C), la
resistencia viene dada por la siguiente expresin:
,
Donde es la resistividad (una caracterstica propia
de cada material).
Alambres Conductores
Los conductores elctricos son hilos de
metal (cobre o aluminio) que se utilizan para conducir la corriente elctrica. Los tipos de conductores ms utilizados son: alambres, cables, cordones, conductores
Muriel C. Snchez Laguna 36
Tecnologa Elctrica
con cubierta protectora. Los conductores se utilizan en:
Instalaciones elctricas en general (vivienda, industria, comercio, etc.) Instalaciones elctricas de automviles Construccin de bobinas
Generalmente cuenta con aislamiento en el orden de 500 m hasta los 5 cm; dicho
aislamiento es plstico, su tipo y grosor depender del nivel de tensin de trabajo,
la corriente nominal, de la temperatura ambiente y de la temperatura de servicio
del conductor. Las partes generales de un cable elctrico son:
Conductor: Elemento que conduce la corriente elctrica y puede ser de diversos materiales metlicos. Puede estar formado por uno o varios hilos.
Aislamiento: Recubrimiento que envuelve al conductor, para evitar la circulacin de corriente elctrica fuera del mismo.
Capa de relleno: Material aislante que envuelve a los conductores para mantener la seccin circular del conjunto.
Cubierta: Est hecha de materiales que protejan mecnicamente al cable. Tiene como funcin proteger el aislamiento de los conductores de la accin
de la temperatura, sol, lluvia, etc.
Los cables elctricos se pueden subdividir en seis tipos:
1. Nivel de tensin
cables de muy baja tensin (hasta
50 V).
cables de baja tensin (hasta
1000 V).
cables de media tensin (hasta 30
kV).
cables de alta tensin (hasta 66
kV).
cables de muy alta tensin (por
encima de los 770 kV).
2. Componentes
Conductores (cobre, aluminio u otro
metal).
Aislamientos (materiales plsticos,
elastomricos, papel impregnado
en aceite viscoso o fluido).
Protecciones (pantallas, armaduras
y cubiertas).
Muriel C. Snchez Laguna 37
Tecnologa Elctrica
3. Aislamiento del conductor
Aislamiento termoplstico:
PVC - (poli cloruro de
vinilo).
PE - (polietileno).
PCP - (poli
cloropreno),
neopreno o plstico.
Aislamiento termoestable:
XLPE - (polietileno
reticulado).
EPR - (etileno-
propileno).
MICC Cabe cobre-
revestido Mineral-
aislado
4. Nmero de conductores
Unipolar: Un solo
conductor.
Bipolar: 2 conductores.
Tripolar: 3 conductores.
Tetra polar: 4 conductores.
5. Materiales empleados
Cobre.
Aluminio.
Almelec (aleacin de
Aluminio, Magnesio).
6. Flexibilidad del conductor
Conductor rgido.
Conductor flexible.
Muriel C. Snchez Laguna 38
Tecnologa Elctrica
Estos cables se pueden clasificar por colores, normalmente es
as:
Calcular la resistencia a distintas temperaturas
La variacin de la temperatura produce una variacin en la resistencia. En la
mayora de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el
contrario, en otros elementos, como el carbono o el germanio la resistencia
disminuye.
Como ya se coment, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer
cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de
superconductores.
Experimentalmente se comprueba que para temperaturas no muy elevadas, la
resistencia a cierta temperatura ( ), viene dada por la expresin:
Muriel C. Snchez Laguna 39
Tecnologa Elctrica
Donde
= Resistencia de referencia a la temperatura inicial
= Coeficiente de temperatura. Para el cobre .
= Temperatura de referencia en la cual se conoce .
Fallas comunes de los resistores
En el 99 % de los casos las resistencias elctricas se "abren", es decir dejan de
presentar resistencia; son aislantes.
Las causas pueden ser varias, aunque la ms frecuente es el haber alcanzado
una temperatura de trabajo excesiva debido a un exceso de disipacin de
potencia, que ha fundido o quemado parte de su longitud.
En resistencias de valor muy elevado utilizadas en Electrnica, y que estn
formadas por una fina capa de una especie de pintura conductora, la humedad
puede descomponerla y tambin "abrirse".
Cmo se reconoce un resistor defectuoso?
Los resistores son componentes elctricos bsicos que se encuentran en casi
todos los circuitos. Todos los componentes elctricos tienen niveles de tolerancias
de energa especficos y superar dichos ndices puede producir que un
componente se queme y falle en su funcionamiento. Si excedes el ndice de
voltaje de un condensador electroltico, ste puede en verdad explotar. En el mejor
de los casos, un componente defectuoso har que un circuito funcione de forma
impredecible y an peor provocar un fallo en cascada que destruye otros
componentes sensibles. Puedes probar un resistor utilizando un dispositivo
llamado multmetro o un ohmmetro.
Para comprobar si el resistor est defectuosos hay unos cuantos pasos a seguir:
Muriel C. Snchez Laguna 40
Tecnologa Elctrica
1. Determina el valor nominal del resistor (en unidades "ohm") examinando las bandas de color en el resistor.
2. Configura el multmetro o el ohmmetro para comprobar el rango de resistencia ms alto que sea ms mayor que el valor del resistor
3. Apaga el dispositivo y desconctalo fsicamente del enchufe o qutale las pilas, si el resistor todava se encuentra en el circuito.
4. Toca las sondas del medidor con los cables del resistor. Los resistores no estn polarizados, as que no importa qu sonda se conecta a cada cable.
5. Compara la lectura del medidor con el valor esperado del resistor. Si la lectura no coincide con el valor esperado, el resistor es defectuoso.
Cdigo de Colores
Para caracterizar un resistor hacen falta tres valores: resistencia elctrica,
disipacin mxima y precisin o tolerancia. Estos valores se indican normalmente
en el encapsulado dependiendo del tipo de ste; para el tipo de encapsulado axial,
el que se observa en la imagen, dichos valores van rotulados con un cdigo de
franjas de colores.
Estos valores se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del
elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia
(normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La
Muriel C. Snchez Laguna 41
Tecnologa Elctrica
ltima raya indica la tolerancia (precisin). De las restantes, la ltima es el
multiplicador y las otras indican las cifras significativas del valor de la resistencia.
Para saber el valor de la resistencia vemos las primeras 3 franjas y la franja
siguiente ser la tolerancia (El coeficiente de temperatura nicamente se aplica en
resistencias de alta precisin o tolerancia menor del 1%.):
La primera lnea representa el dgito de las decenas. La segunda lnea representa el dgito de las unidades. La tercera lnea representa la potencia de 10 por la cual se
multiplica el nmero.
Color de la
banda
Valor de la
1cifra
significativa
Valor de la
2cifra
significativa
Multiplicador Tolerancia
Coeficiente
de
temperatura
Negro
0 0 1 - -
Marrn
1 1 10 1% 100ppm/C
Rojo
2 2 100 2% 50ppm/C
Naranja
3 3 1 000 - 15ppm/C
Amarillo
4 4 10 000 4% 25ppm/C
Verde
5 5 100 000 0,5% 20ppm/C
Azul
6 6 1 000 000 0,25% 10ppm/C
Morado
7 7 10000000 0,1% 5ppm/C
Gris
8 8 100000000 0.05% 1ppm/C
Blanco
9 9 1000000000 - -
Dorado
- - 0,1 5% -
Plateado
- - 0,01 10% -
Ninguno
- - - 20% -
Muriel C. Snchez Laguna 42
Tecnologa Elctrica
Ley de Ohm
La ley de Ohm dice que la intensidad que circula entre dos puntos de un circuito
elctrico es proporcional a la tensin elctrica entre dichos puntos. Esta constante
es la conductancia elctrica, que es lo contrario a la resistencia elctrica.
La intensidad de corriente que circula por un circuito dado, es directamente
proporcional a la tensin aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del
mismo. Cabe recordar que esta ley es una propiedad especfica de ciertos
materiales y no es una ley general del electromagnetismo como la ley de Gauss,
por ejemplo.
La ecuacin matemtica que describe esta relacin es:
Donde, I es la corriente que pasa a travs del objeto en amperios, V es la
diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la
conductancia en siemens y R es la resistencia en ohmios (). Especficamente, la
ley de Ohm dice que R en esta relacin es constante, independientemente de la
corriente.
Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no
tienen cargas inductivas ni capacitivas (nicamente tiene cargas resistivas), o bien
han alcanzado un permanente. Tambin debe tenerse en cuenta que el valor de la
resistencia de un conductor puede ser influido por la temperatura.
Cmo calcular la potencia, eficiencia y energa
consumida en equipos elctricos?
Clculo de potencia
La potencia elctrica es la relacin de paso de energa de un flujo por unidad de
tiempo (la cantidad de energa entregada o absorbida por un elemento en un
Muriel C. Snchez Laguna 43
Tecnologa Elctrica
tiempo determinado). La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es
el vatio (watt).
La energa consumida por un dispositivo elctrico se mide en vatios-hora (Wh), o
en kilovatios-hora (kWh).
Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia elctrica desarrollada en un
cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia
de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a travs
del dispositivo. Por esta razn la potencia es proporcional a la corriente y a la
tensin. Esto es,
Donde
I es el valor instantneo de la corriente
V es el valor instantneo del voltaje.
Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R se puede calcular
la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia tambin puede calcularse
como,
Cuando se trata de corriente alterna (AC) senoidal o cosenoidal, el promedio de
potencia elctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una funcin
de los valores eficaces o valores cuadrticos medios, de la diferencia de potencial
entre los terminales y de la intensidad de corriente que pasa a travs del
dispositivo.
La potencia se expresara como:
Y sustituyendo los valores del pico por los eficaces:
Muriel C. Snchez Laguna 44
Tecnologa Elctrica
Capacitores
Se obtiene as para la potencia un valor constante, y otro variable con
el tiempo. . Al primer valor se le denomina potencia activa y al
segundo potencia fluctuante.
Eficiencia Elctrica
Dado el elevado coste de la energa elctrica y las dificultades que existen para
cubrir la demanda mundial de electricidad y el efecto nocivo para el medio
ambiente que supone la produccin masiva de electricidad se impone la necesidad
de aplicar la mxima eficiencia energtica posible en todos los usos que se haga
de la energa elctrica.
La eficiencia energtica es la relacin entre la cantidad de energa consumida de
los productos y los beneficios finales obtenidos. Se puede lograr aumentarla
mediante la implementacin de diversas medidas e inversiones a nivel
tecnolgico, de gestin y de hbitos culturales en la comunidad. Tambin se
denomina ahorro de energa.
CAPTULO 4: CAPACITORES
Los capacitores o condensadores son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energa basndose en fenmenos relacionados con campos elctricos.
Bsicamente, todo capacitor se construye enfrentando dos placas conductoras. El medio que las separa se denomina dielctrico y es un factor determinante en el
Muriel C. Snchez Laguna 45
Tecnologa Elctrica
valor de la capacidad resultante. Adems de depender del dielctrico, la capacidad es directamente proporcional a la superficie de las placas e inversamente proporcional a la distancia de separacin.
Los capacitores ideales no disipan energa como lo hacen los resistores. En cambio, los capacitores reales normalmente presentan una resistencia asociada en paralelo. Esta resistencia proporciona una trayectoria de conduccin entre placas. Es a travs de esta resistencia que el capacitor se descarga lentamente.
Un capacitor est formado por dos terminales que son placas conductoras separadas por un elemento no conductor, y que tienen como objetivo introducir en un circuito elctrico capacitancia. Existen varios de ellos segn sus cualidades fsicas
Tipos de Capacitores
Los capacitores son clasificados de diversas formas. Algunos son agrupados de
acuerdo con el material empleado como dielctrico (capacitores de pelcula, de
cermica, etc.). Otros son clasificados de acuerdo con el material empleado en
sus electrodos (capacitores de aluminio, de tantalio, etc.). Tambin son agrupados
segn la aplicacin en que se utilizan (capacitores de ajuste, de arranque para
motores, para microondas, etc.).
Muriel C. Snchez Laguna 46
Tecnologa Elctrica
Los capacitores fijos, tienen valores de capacitancia que no puede ser ajustada fsicamente. Los Capacitores fijos se clasifican de la siguiente manera:
Capacitores
Fijos Variables
Muriel C. Snchez Laguna 47
Tecnologa Elctrica
CAPACITORES ELECTROSTTICOS: Usan un
material aislante entre las placas metlicas que acta como dielctrico. Tienen bajos valores de capacitancia comparados con los Capacitores Electrolticos, y no son dispositivos polarizados.
CAPACITORES ELECTROLTICOS
Son construidos empleando un electrolito slido o lquido. Tienen altos valores de capacitancia y ofrecen los valores ms altos de densidad de energa. Los capacitores electrolticos son dispositivos polarizados debido a los materiales empleados en su
construccin, pero existen tambin capacitores electrolticos no polarizados. Un capacitor polarizado, slo puede manejar el flujo de la corriente en una sola direccin.
Muriel C. Snchez Laguna 48
Tecnologa Elctrica
CAPACITORES ELECTROQUMICOS O DE DOBLE CAPA
Son tipos relativamente nuevos en el mercado. Tambin son conocidos como ultra capacitores o sper capacitores debido a que sus valores de capacitancia pueden alcanzar rangos de varios Faradios. Estn siendo empleados en conjunto con bateras en sistemas tales como telfonos celulares, y vehculos elctricos.
En algunas aplicaciones se requiere la habilidad de cambiar la capacitancia que presenta el capacitor. Durante muchos aos capacitores variables se han utilizado en los receptores de radio para efectuar la sintona. Tambin se emplean en transmisores y equipos de medicin, pero en han sido reemplazados en la mayora de las aplicaciones por varactores o varicaps.
El cambio en la capacitancia de un capacitor variable, puede ser obtenido de dos formas bsicas: Variando la distancia entre las placas, o variando el rea efectiva de carga de las placas.
Los Capacitores variables
se clasifican de la
siguiente manera:
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Tecnologa Elctrica
Algunas imgenes de Capacitores
Muriel C. Snchez Laguna 50
Tecnologa Elctrica
Cmo pueden utilizarse como sensores? Existen diversos sensores que se basan en los principios de los capacitores para su funcionamiento. A estos se les llama sensores capacitivos. Dichos sensores consisten en un capacitor que tiene a los parmetros que definen su capacidad como variables. En otras palabras, varan en su rea afectiva, distancia entre sus dos placas y permisividad de su material dielctrico. Los sensores capacitivos (KAS) reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexin respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto ms elevada sea su constante dielctrica. Estos sensores se emplean para la identificacin de objetos, para funciones
contadoras y para toda clase de controles de nivel de carga de materiales slidos
o lquidos. Tambin son utilizados para muchos dispositivos con pantalla tctil,
como telfonos mviles o computadoras ya que el sensor percibe la pequea
diferencia de potencial entre membranas de los dedos elctricamente polarizados
de una persona adulta.
Deteccin de nivel En esta aplicacin, cuando un objeto (lquidos, granulados, metales, aislantes,
etc.) penetra en el campo elctrico que hay entre las placas sensor, vara
el dielctrico, variando consecuentemente el valor de capacitancia.
Sensor de humedad El principio de funcionamiento de esta aplicacin es similar a la anterior. En esta
ocasin el dielctrico, por ejemplo el aire, cambia su permisividad con respecto a
la humedad del ambiente.
Deteccin de posicin Esta aplicacin es bsicamente un condensador variable, en el cual una de las
placas es mvil, pudiendo de esta manera tener mayor o menor superficie efectiva
entre las dos placas, variando tambin el valor de la capacitancia, y tambin
puede ser usado en industrias qumicas. Pero como sabemos este tipo de
aplicacin no suele ser lo correcto.
Muriel C. Snchez Laguna 51
Tecnologa Elctrica
Cules son los de mayor valor de capacitancia?
Los sper condensadores tambin conocidos como condensadores
electroqumicos de doble capa, sper capacitores, pseudo capacitores, ultra
condensadores, ultra capacitores o simplemente EDLC por sus siglas en ingls,
son dispositivos electroqumicos capaces de sustentar una densidad de energa
inusualmente alta en comparacin con los condensadores normales, presentando
una capacitancia miles de veces
mayor que la de los condensadores
electrolticos de alta capacidad.
Mientras que un tpico condensador
electroltico D-Cell tiene una
capacitancia de decenas de mili
Faradios (mF), la de un EDLC del
mismo tamao ser de
varios Faradios, o sea alrededor de
dos o tres rdenes de
magnitud mayor, pero generalmente
con una menor tensin de trabajo.
Los EDLC comerciales de mayor
tamao cuentan con capacitancias tan elevadas como 5000 F, alcanzando
densidades de energa de hasta 30 Wh/kg.
Los sper condensadores actualmente se clasifican de acuerdo
con los materiales de los que se encuentran elaborados.
Actualmente se distinguen de acuerdo con Zhou y Dinh Nguyen principalmente
cuatro tipos:
1. Sper condensadores electrolticos de entre caras de carbono de doble capa
Los principales son los que utilizan hidrxido de sodio y potasio o cido sulfrico.
En ellos la disolucin se disocia en iones positivos de sodio o potasio, que ante la
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presencia de voltaje por aumento de la atraccin entre cargas se acumula una
mayor energa elctrica.
2. Sper condensadores no electrolticos de entre caras de carbono de doble capa
Los principales son los que son elaborados como aerogeles, soles, los
de nanotubos de carbono y carbn activado.
Los soles son dispersiones de partculas slidas en lquido que se encuentran
indefinidamente en movimiento browniano. En cambio un gel es un slido que
posee una gran cantidad de lquido y una estructura que permite que se
encuentren ambas fases combinadas. Para la formacin de soles para
condensadores se forma el xido de metal elegido en agua, sea a altas
temperaturas o con un exceso de base para formar el sol. Posteriormente el sol es
gelado por deshidratacin o aumento de pH. Tambin se pueden formar soles
orgnicos con resorcinol enformaldehdo. El resultado de los procesos es la
formacin de un material homogneo muy poroso que permite una alta
capacitancia. Si el sol es combinado con la interfaz de carbono se calcula que
puede alcanzarse una capacitancia de 400 faradios por gramo.
3. Sper condensadores acuosos de xido de doble capa con pseudocapacitancia redox
Los principales son los de xido de litio, bixido de rutenio, bixido de iridio, xido
de cobalto y bixido de manganeso.
Los sper condensadores pueden fabricarse siguiendo la metodologa de la
seccin anterior para elaborar un sol. Otra forma de obtenerlo es por la deposicin
de un xido metlico por medio de un procedimiento de electrlisis. Se han hecho
investigaciones donde se han alcanzado capacitancias de 400 F/g con xido de
rutenio. Sper condensadores ms rentables de alrededor de 50 F/g se han
logrado con xido de nquel. Una forma alternativa para generar la estructura
porosa es la adicin de xido de litio a un metal como el platino; este material se le
agrega cido para retirar el litio y mantener la estructura porosa de escala
nanomtrica.
4. Sper condensadores de polmeros conductores
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Se define como polmero conductor como una sustancia orgnica que conduce la
electricidad de manera parecida a la de un metal, buena reversibilidad entre
estado conductor y no conductor y flexibilidad mecnica. Los principales son los
de politiofeno, polipirrol y polianilina. Tienen una densidad de energa mayor a 500
Watts por kilogramo, y an se estudian sus propiedades de capacitancia.
Aplicaciones de Sper condensadores
La investigacin en sper condensadores se encuentra motivada por las enormes
ventajas que su uso representa para el desarrollo de circuitos elctricos.
1. Gran perodo de operacin 2. Capacidad de manejar altos valores de corriente 3. Valor de carga fcil de monitorear 4. Alta eficiencia 5. Gran rango de tensin 6. Gran rango de temperatura 7. Ciclos de funcionamiento largos 8. Facilidad de mantenimiento
La vida til de un sper condensador disminuye conforme aumenta su
capacitancia, pero actualmente contamos con dispositivos que superan una vida
til de veinte aos con prdidas en la tensin suministrado de alrededor de un
voltio. Debido a estas propiedades de vida til y manejo de tensin y corriente los
sper condensadores han sido utilizados en diversas aplicaciones y prometen
llenar la brecha entre los condensadores y bateras.
Los EDLCs tienen una variedad de aplicaciones comerciales, especialmente en
"suavizacin de energa" y los dispositivos de carga momentnea. Dentro de sus
primeros usos cabe destacar como fuente de energa para el arranque de motores
en grandes tanques de guerra y submarinos. Debido a que se ha reducido el coste
de produccin, han comenzado a aparecer en los camiones disel y
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en locomotoras. Ms recientemente se han convertido en un tema de gran inters
en la llamada Energa verde, pues su capacidad de absorber energa rpidamente
los hace particularmente adecuados para aplicaciones de freno regenerativo.
Mientras que las pilas, por otro lado, tienen dificultades en esta tarea debido su
lenta velocidad de carga. Por su tamao y peso reducido, los EDLCs, se estn
adaptando para almacenar electricidad en vehculos elctricos.
Un condensador de alta capacidad tiene un gran rendimiento (el 98% de la carga
se devuelve); almacena mucha energa en relacin a su peso (4Wh/kg), aunque
no tanto como una batera; no presentan efecto memoria y tienen una gran
capacidad de carga y descarga rpida (5kW/kg).
Ecuaciones de carga y descarga de un capacitor en un
circuito RC serie.
Carga de un capacitor
Para cargar un capacitor es necesario comprobar que la fuente de energa
elctrica que se encuentra en el circuito tenga fem constante y resistencia
interna nula (r = 0), y no se tiene en cuenta la resistencia de todos los conductores
de conexin. Cabe anotar que inicialmente el capacitor esta descargado, despus
en un tiempo inicial (t = 0) se cierra el interruptor para completar el circuito y
permitir que la corriente alrededor de la malla comience a cargar el capacitor. Para
toda consideracin prctica, la corriente comienza en el mismo instante en todas
las partes conductoras del circuito, y en cada instante la corriente es la misma en
todas partes.
Como inicialmente el capacitor esta descargado, la diferencia de potencial entre
los extremos de este (supongamos es Vab) es cero (t = 0). En este momento de
acuerdo a la regla mallas de Kirchhoff, el voltaje entre los extremos del resistor R
(supongamos es Vbc) es igual a la fem de la fuente de energa elctrica. La
corriente inicial (I0) a travs del resistor est dada por la ley de Ohm
.
A medida que el capacitor se carga, su voltaje Vab aumenta y la diferencia de
potencial Vbc entre los extremos de resistor disminuye, lo que corresponde a una
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reduccin de la corriente. La suma de estos dos voltajes es constante e igual a la
fem . Al cabo de un tiempo el capacitor se carga totalmente, la corriente
disminuye a cero y la diferencia de potencial Vbc entre los extremos del resistor se
hace cero. En ese momento aparece la totalidad de la fem de la fuente de
energa elctrica entre los bornes del capacitor, y la diferencia de potencial entre
los extremos del capacitor es igual al valor de la fem.
Si se establece a q como la carga del capacitor e i la corriente en el circuito al
cabo de cierto tiempo t luego de cerrar el interruptor. Las diferencias de potencial
instantneas Vab y Vbc son Vab= q/C Vbc = iR.
Utilizando estas en la regla de mallas de Kirchhoff, se obtiene - q/C- iR = 0
(ecuacin 1). El potencial cae una cantidad q/C al pasar de a b e iR al pasar de b
a c. Resolviendo para i de la ecuacin 1 se tiene i = ( /R)-(q/RC) (ecuacin 2).
Como se haba mencionado anteriormente en el tiempo t = 0, cuando se cierra
inicialmente el interruptor, el capacitor esta descargado, y por tanto, q = 0.
Sustituyendo q = 0 en la ecuacin 2 resulta la corriente inicial I0 = /R. Si el
capacitor no estuviera en el circuito, el ltimo trmino de la ecuacin 2 estara
ausente, entonces la corriente seria constante e igual a /R. Conforme la carga q
aumenta, el termino q/RC crece y la carga del capacitor tiene a su valor final, al
que llamaremos Qf. La corriente disminuye y termina por desaparecer. Cuando i =
0, la ecuacin 2 se convierte en lo siguiente /R = Qf /RC, es decir, Qf = C
(ecuacin 3). En esta ecuacin claramente se nota que Qf no depende de R.
Figura 1 (i vs. t) Figura 2 (q vs. t)
Para la figura 1 y 2 se muestra la corriente y la carga del capacitor
respectivamente en funcin del tiempo. En el instante en el que se cierra el
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interruptor (t = 0), la corriente salta de cero a su valor inicial ; a partir de
ese punto, se aproxima gradualmente a cero.
La carga del capacitor comienza en cero y poco a poco se aproxima al valor final
Qf = C .
Se pueden deducir expresiones generales de la carga q y la corriente i es funcin
del tiempo. Por tanto, . Haciendo esto en la ecuacin 2 se obtiene
( )
Esto se puede reordenar a
Para luego integrar en ambos lados. Se cambian las variables de integracin a q y
t para poder fijar q y t como limites superiores. Los limites inferiores son q=0 y
t=0:
Despus de integrar se obtiene
(
)
Exponenciando ambos lados (es decir, tomando el logaritmo inverso) y
resolviendo para q se encuentra que
Para luego obtener la definicin matemtica del circuito RC para un capacitor en
carga
( ) ( )
La corriente instantnea i es simplemente la derivada de la ecuacin anterior con
respecto al tiempo:
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Tanto la carga como la corriente son funciones exponenciales del tiempo.
Descarga de un capacitor
Cuando el capacitor ya ha adquirido una carga Q0, se quita la fuente de energa
elctrica del circuito RC y se conectan a dos puntos cualesquiera en este caso a y
c que contiene tanto al resistor como capacitor a un interruptor abierto. En seguida
cerramos el interruptor y en el mismo instante reajustamos nuestro cronometro a
t=0; en ese momento q=Q0. Por lo que el capacitor se descarga a travs del
resistor, y su carga disminuye finalmente a cero. Sean una vez ms i y q la
corriente y la carga que varan con el tiempo, en cierto instante despus de
efectuar la conexin. En estas condiciones la regla de mallas de Kirchhoff de la
ecuacin 2, aunque con = 0, es decir,
Ecuacin 3.
Ahora la corriente i es negativa; esto se debe a que sale carga positiva q de la
placa izquierda del capacitor. En el tiempo t=0 cuando q=Qo la corriente inicial es
.
Para hallar q en funcin del tiempo, debemos reordenar la ecuacin 3, cambiar de
nuevo a los nombres de las variables a q y t e integrar. Esta vez los lmites de q
son Qo a q. Se obtiene
Ecuacin 4.
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Figura 3 (i vs. t) Figura 4 (q vs. t)
En las figura 3 y 4 se han graficado la corriente y la carga; ambos magnitudes tienden
exponencialmente a cero con el tiempo. La carga del capacitor tiende de manera asinttica
a cero en la ecuacin
En tanto, que en la ecuacin
( ) ( )
La diferencia entre q y Q tiene asintticamente a cero. Las consideraciones
energticas nos ofrecen una visin ms clara del comportamiento de un circuito
RC. Cuando se est cargando el capacitor, la rapidez instantnea a la que la
fuente de energa elctrica entrega energa al circuito es . La rapidez
instantnea a la que se disipa energa en el resistor i2R, y la rapidez a la que se
almacena energa en el capacitor es ivbc=iq/C. Multiplicando la ecuacin 1 por i se
obtiene i = i2R+iq/C. Esto significa que de la potencia suministrada por la
fuente de energa elctrica, una parte (i2R) se disipa en el resistor, y otra (iq/C) se
almacena en el capacitor. La energa total suministrada por la batera durante la
carga del capacitor es igual al producto de la fem de la batera por la carga total
Qf, o . La energa total almacenada en el capacitor, es . De este modo el
capacitor, y la otra mitad se disipa en la resistencia. Resulta poco sorprendente
que esta divisin de la energa por mitades no dependa de C, R ni .
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Reconocimiento de capacitor defectuoso
Todos los capacitores tienen "corriente de fuga", es decir, no son perfectos. Esta
corriente aumenta a medida que el aislante "envejece". Debera considerarse
como "defectuoso", cuando la corriente de fuga llega a un valor tal que sobrecarga
la fuente de alimentacin aplastando el voltaje e impidiendo la operacin correcta.
Para saber si un capacitor est defectuoso, se puede probar si ste da
continuidad. (Est en corto) Si es as, el capacitor est daado y hay que
cambiarlo.
Una prueba adicional se hace la ayuda de un multmetro analgico (con aguja)
conectndolo en paralelo con el capacitor.
Estando el capacitor inicialmente descargado (0 voltios en sus terminales), este se
cargar con la corriente que le suministra el multmetro y se podr ver como la
aguja se mueve conforme el capacitor se carga. Ver carga de un capacitor.
Esquemas de rotulado
Hay que descargar el capacitor antes de
hacer esta prueba. Hacerlo
con cuidado en capacitores de gran
valor (electrolticos) o descargarlo a
travs de un resistor
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A causa de un reducido tamao de algunos capacitores, se han adoptado distintos
esquemas de rotulado para presentar el nivel de capacitancia, la tolerancia, y si es
posible el voltaje mximo de
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