CIRCUITOS Y MAQUINAS ELÉCTRICAS

Ing° Saúl Montalván Apolaya

C.I.P. 72943

saulmontalvanapolaya@yahoo.es

“Una máquina puede hacer el trabajo de 50 hombres corrientes. Pero no existe ninguna máquina que pueda hacer el trabajo de un hombre extraordinario”

Elbert Hubbard

“Nunca consideres el estudio como una obligación sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber”

Albert Einstein

“No te preguntes qué puede hacer tu país por ti, pregúntate que puedes hacer tú por tu país”

John F. Kennedy

“El conocimiento es la mejor inversión que se puede hacer”

Abraham Lincoln

CAMISEA

Gaseoducto Camisea – Planta Melchorita

Planta Melchorita

Planta Melchorita

Planta de fraccionamiento – Pisco

CIRCUITO ELECTRICO

MAQUINA ELECTRICA

TRANSMISION ELECTRICA

Ejemplos de circuitos

Ejemplo de circuito

Ejemplo de circuito

Circuito eléctrico de un receptor de radio. Reproducido con autorización de QST, agosto de 1995, p. 23

Conceptos fundamentales de cd

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Introducción

1.2 El sistema SI de unidades

1.3 Conversión de unidades

1.4 Notación de potencias de diez

1.5 Prefijos, notación de ingeniería y resultados numéricos

1.6 Diagramas de circuitos

1.7 Análisis de circuitos mediante computadoras y calculadoras

Conceptos fundamentales de cd La teoría de circuitos proporciona las herramientas y conceptos que se requieren para entender y analizar los circuitos eléctricos y electrónicos. Las bases de esta teoría fueron establecidas a lo largo de varios cientos de años atrás por varios investigadores pioneros.

En 1780, el italiano Alessandro Volta desarrolló una celda eléctrica (batería) que proporciono la primera fuente de lo que hoy se conoce como voltaje de cd. Al mismo tiempo se desarrolló el concepto de corriente (aun cuando no se sabría nada sobre la estructura atómica de la materia sino hasta mucho tiempo después).

1. Introducción.

2. Voltaje y corriente

3. Resistencia

4. Ley de Ohm, potencia y energía.

Conceptos fundamentales de cd En 1826, el alemán George Simón Ohm conjuntó ambas ideas y determinó de manera experimental la relación entre voltaje y corriente en un circuito resistivo. Ese resultado, conocido como la Ley de Ohm, estableció el escenario para el desarrollo de la teoría de circuitos moderna. En la parte I se examinaran las bases de esta teoría. Se consideran conceptos como voltaje, corriente, potencia, energía y la relación entre ellos. Las ideas que se desarrollan en este capitulo se usaran a lo largo de todo el curso y en la práctica. Constituyen las ideas fundamentales sobre las que está construida la teoría de circuitos eléctricos y electrónicos.

1. Introducción. 2. Voltaje y

corriente 3. Resistencia 4. Ley de Ohm,

potencia y energía.

TERMINOS CLAVE Base Caballo de potencia Diagrama de bloques Diagrama esquemático Diagrama pictográfico Exponente Factor de conversión Joule Lenguaje de programación Newton Notación científica Notación de ingeniería Notación de potencias de diez Paquetes de aplicación Prefijos Resistencia Sistema SI SPICE Teoría de circuitos Watt

PLAN GENERAL Introducción El sistema SI de unidades Conversión de unidades Notación de potencias de diez Prefijos, notación de ingeniería y resultados numéricos Diagramas de circuitos Análisis de circuitos mediante computadoras y calculadoras

OBJETIVOS Después de estudiar este capitulo el estudiante será capaz de: • Describir el sistema SI de medidas • Hacer conversiones entre varios

tipos de unidades • Usar la notación de potencias de

diez para simplificar el manejo de números grandes y pequeños

• Expresar las unidades eléctricas usando la notación de prefijos estándares tales como μA, kV, mW, etc.

• Usar un número apreciable de cifras significativas en los cálculos

• Describir que son los diagramas de bloques y por que se usan

• Convertir un circuito pictográfico sencillo en una representación esquemática

• Describir en general cual es el papel de las computadoras y las calculadoras en el análisis de los circuitos eléctricos y electrónicos.

Introducción Un circuito eléctrico es un sistema interconectado de componentes como resistores, capacitores, inductores, fuentes de voltaje, etc. El comportamiento eléctrico de estos componentes se describe por medio de algunas leyes básicas experimentales.

Dichas leyes y los principios, conceptos, relaciones matemáticas y métodos de análisis que se han desarrollado a partir de ellos son conocidos como la teoría de circuito.

La mayor parte de la teoría del circuito tiene que ver con la resolución de problemas y con el análisis numérico.

RESUMEN DEL CAPITULO

Introducción Cuando se analiza un problema o se diseña un circuito, por ejemplo, se necesita calcular valores para voltaje, corriente y potencia.

Además del valor numérico, la respuesta debe incluir la unidad.

El sistema de unidades que se utiliza para este propósito es el sistema SI (Sistema Internacional), un sistema unificado de medición métrica que abarca no sólo las unidades de longitud, masa y tiempo, los conocidos MKS (metros, kilogramos y segundos), sino también unidades de cantidades eléctricas y magnéticas.

RESUMEN DEL CAPITULO

Introducción Sin embargo, es frecuente que las unidades del SI produzcan números muy grandes o muy pequeños para usarse de manera practica. Para manejar esto se ha desarrollado la notación de ingeniería y un conjunto de prefijos estándar. Su uso en representación y computación se describe e ilustra. Dado que la teoría del circuito es algo abstracta, los diagramas se usan para ayudar a representar ideas. Se consideran varios tipos – esquemáticos, pictográficos y de bloque – y se muestra como usarlos para representar circuitos y sistemas. El capitulo concluye con un breve vistazo al uso de computadoras y calculadoras en el análisis de circuitos. Se describen varios paquetes de software populares, incluidos el Electronics Workbench’s Multisim®, Orcad’s Pspice® y Mathsoft’s Mathcad®.

RESUMEN DEL CAPITULO

Introducción Sugerencias para la resolución de problemas Durante el análisis de circuitos eléctricos y electrónicos, nos encontraremos resolviendo bastantes problemas. Un enfoque organizado ayuda. A continuación se enlistan algunas guías útiles: 1. Elabore un bosquejo(es decir, un diagrama de

circuito), marque lo que conoce e identifique qué es lo que está tratando de determinar. Ponga atención en los datos “implícitos” como la frase “al inicio el capacitor esta descargado”. (Como se encontrará mas adelante, esto significa que el voltaje inicial en el capacitor es cero). Asegúrese de convertir todos los datos involucrados en datos explícitos, esto es, V0 = 0V.

2. Piense en el problema para identificar los principios que involucra, después observe las relaciones que asocian las cantidades conocidas con las desconocidas.

PERSPECTIVA HISTÓRICA

Introducción 3. Sustituya la información conocida en las ecuaciones

seleccionadas y resuelva para encontrar las variables desconocidas. (Para problemas complejos, la solución puede requerir una serie de pasos que involucren varios conceptos. Si no puede identificar el conjunto completo de pasos antes de iniciar, empiece de cualquier forma. Conforme surja cada pieza de la solución, estará un paso mas cerca de la respuesta. Considere que puede tener inicios en falso, sin embargo, incluso las personas con experiencia no suelen hacer las cosas de la manera correcta al primer intento. Observe también que rara vez hay una manera “correcta” de resolver un problema. Por lo que usted puede plantear un método de solución correcto completamente diferente al que los autores proponen.)

4. Verifique la respuesta para ver si es correcta, es decir, ¿está en el “campo de juego apropiado”?¿Tiene el signo correcto?¿Las unidades corresponden?

PERSPECTIVA HISTÓRICA

1–1 Introducción La tecnología ha cambiado de manera

sorprendente la forma en que hacemos las cosas; ahora se cuenta con computadoras y complicados sistemas electrónicos de entretenimiento en nuestras casas, sistemas de control electrónicos en nuestros vehículos, teléfonos celulares que pueden usarse en cualquier lugar, robots que ensamblan productos en la línea de producción, etcétera.

Un primer paso para entender estas tecnologías es la teoría de circuitos eléctricos, la cual proporciona el conocimiento de los principios básicos que se requieren para entender el comportamiento de los dispositivos, circuitos y sistemas eléctricos y electrónicos.

1–1 Introducción Ejemplos de tecnología que trabaja

Un sistema de teatro en casa

Este sistema depende de circuitos eléctricos y electrónicos, circuitos magnéticos y tecnología láser para operar. Por ejemplo, los resistores, capacitores y circuitos integrados se usan para controlar los voltajes y las corrientes que operan sus motores y para amplificar sus señales de audio y video. El sistema de bocinas depende de circuitos magnéticos para operar, mientras que otros circuitos magnéticos (los transformadores de potencia) reducen el voltaje de CA del contacto de la pared de 220 V a los niveles más bajos que se requieren para alimentar el sistema.

1–1 Introducción Ejemplos de tecnología que trabaja

Patrón de flujo magnético generado por computadora para un motor de CD de armadura excitada.

La foto de una imagen generada en computadora del patrón de flujo magnético de un motor eléctrico. Ilustra el uso de las computadoras en la investigación y diseño. Programadas para aplicar los fundamentos de los circuitos magnéticos básicos a formas complejas, los paquetes de software ayudan a hacerlo posible para desarrollar motores mas eficientes y con mejor desempeño, unidades de disco de computadora, sistemas de bocinas de audio y otros dispositivos similares.

1–1 Introducción Ejemplos de tecnología que trabaja

FIGURA 1–3 Centrado con láser y verificación óptica en un proceso de manufactura (Cortesia de Vansco Electronics Ltd.)

Muestra otra aplicación, una fábrica donde los componentes de montaje superficial (SMT, por sus siglas en ingles) se colocan en tarjetas de circuito impreso a altas velocidades usando centrado laser y verificación óptica.

1–1 Introducción Ejemplos de tecnología que trabaja

FIGURA 1–4 Algunos componentes electronicos comunes. Los dispositivos pequeños en la parte inferior son partes para montaje superficial que la maquina que se muestra en la FIGURA 1–3 instala en las tarjetas de circuito impreso.

Muestran cuan pequeños son estos componentes. El control por computadora proporciona la alta precisión que se requiere para colocar partes tan pequeñas como estas.

1–2 El sistema SI de unidades La solución de problemas técnicos requiere el uso de

unidades. Actualmente se usan dos sistemas principales, el inglés (que se acostumbra en EE.UU) y el métrico. Para propósitos científicos y técnicos, el sistema inglés ha sido casi totalmente remplazado. En su lugar se usa el sistema SI. La tabla 1.1 muestra algunas cantidades con unidades expresadas en ambos sistemas.

Tabla 1-1 Cantidades comunes

1 metro = 100 centímetros = 39,37 pulgadas 1 milímetro = 39,37 milésimas de pulgada 1 pulgada = 2,54 centímetros 1 pie = 0,3048 metros 1 yarda = 0,9144 metros 1 milla = 1,609 kilómetros 1 kilogramo = 1 000 gramos = 2,2 libras 1 galón (EE.UU) = 3,785 litros

1–2 El sistema SI de unidades El SI combina las unidades métricas MKS y las unidades

eléctricas en un sistema unificado; veamos la tabla 1.2 y 1.3; no nos preocupemos por las unidades eléctricas, las definiremos después. Notemos que algunos símbolos y abreviaturas usan letras mayúsculas mientras que otras usan letras minúsculas.

TABLA 1.2 Algunas unidades básicas del SI

Cantidad Símbolo Unidad Abreviatura

Longitud Masa Tiempo Corriente eléctrica Temperatura

l

m

t

I, i

T

metro

kilogramo

segundo

amperio

kelvin

m

kg

s

A

K

1–2 El sistema SI de unidades

TABLA 1.3 Algunas unidades derivadas del SI

Cantidad Símbolo Unidad Abreviatura

Fuerza Energia Potencia Voltaje Carga Resistencia Capacitancia Inductancia Frecuencia Flujo magnético Densidad de flujo magnético

F

W

P, p

V, v,

Q, q

R

C

I

f

Φ

ẞ

newton

joule

watt

voltio

coulomb

ohm

faraday

henry

hertz

weber

tesla

N

J

W

V

C

Ω

F

H

Hz

Wb

T

1–2 El sistema SI de unidades Algunas unidades que no son del SI aún se usan, por ejemplo,

la potencia de los motores eléctricos se específica por lo común en caballos de potencia, y los alambres con frecuencia se especifican en tamaños AWG (las siglas en ingles de Calibre de Alambre Estadounidense). En ocasiones se necesitara convertir unidades del sistema inglés al sistema SI. La tabla 1–4 puede utilizarse para este propósito.

TABLA 1.4 Conversiones

Cuando se conoce Multiplique por Para encontrar

Longitud

Fuerza

Potencia

Energía

pulgadas (in)

pies (ft)

millas (mi)

libras (lb)

caballos de potencia (hp)

kilowatts–hora (kWh)

pie–lb (ft–lb)

0,0254

0,3048

1,609

4,448

746

3,6 x 106

1,356

metros (m)

metros (m)

kilómetros (km)

newtons (N)

watts (W)

joule* (J)

joule* (J)

*1 joule = 1 Newton–metro

1–2 El sistema SI de unidades Definición de unidades

Cuando el sistema métrico nació en 1792, el metro se definió como una diezmillonésima parte de la distancia desde el polo norte hasta el Ecuador y el segundo como 1/60 x 1/60 x 1/24 del medio día solar. Después fueron adoptadas definiciones más exactas basadas en leyes físicas de la matemática.

El metro se define ahora como la distancia que viaja la luz en el vacío en 1/299 792 458 de segundos, mientras que el segundo se define en términos del periodo de un reloj atómico de cesio. La definición del kilogramo es la masa de cierto cilindro de platino–iridio (el prototipo internacional) que se conserva en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Francia.