Fundamentos de Acumuladores de Energía y Componentes de Control Eléctrico

Acumuladores de Energía Eléctrica

Los acumuladores de energía eléctrica son dispositivos diseñados para almacenar energía eléctrica y liberarla cuando sea necesario. Los más empleados en diversas aplicaciones son los condensadores, las pilas y las baterías.

Condensadores

Los condensadores, también conocidos como capacitores, constan de dos placas conductoras separadas por un material aislante (dieléctrico). Cuando se cargan, se comportan como un receptor: la placa conectada al polo negativo del generador se carga de electrones y la otra, conectada al polo positivo, de cationes.

Cuando se descargan, se comportan como generadores; sin embargo, la corriente cesa muy rápidamente debido a que el condensador tiene un aislante en su interior y no permite un circuito cerrado para la descarga continua. Es importante destacar que los condensadores no permiten el paso de la corriente continua (CC), solo de la corriente alterna (CA).

Existen condensadores de diversos tipos y características:

Capacidad de un Condensador

Es la capacidad de carga eléctrica que puede almacenar un condensador. La unidad de medida de la capacidad en el Sistema Internacional es el faradio (F). El faradio es una unidad de capacidad excesivamente grande para la mayoría de las aplicaciones prácticas, por lo que se emplean comúnmente submúltiplos como el microfaradio (µF), el nanofaradio (nF) o el picofaradio (pF).

Acoplamientos de Condensadores

Los condensadores pueden acoplarse de tres maneras principales para obtener una capacidad equivalente deseada:

• Serie: En un acoplamiento en serie, la capacidad equivalente (C_eq) es menor que la capacidad de cualquiera de los condensadores individuales y se calcula mediante la siguiente fórmula:

  1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...

  O, para dos condensadores: Ceq = (C1 * C2) / (C1 + C2)

• Paralelo: En un acoplamiento en paralelo, la capacidad equivalente (C_eq) es igual a la suma de las capacidades individuales de cada uno de los condensadores:

  Ceq = C1 + C2 + C3 + ...

• Mixto: En un acoplamiento mixto, se combinan configuraciones en serie y en paralelo. Para calcular la capacidad equivalente, se resuelven primero los acoplamientos en serie y luego los resultantes en paralelo, o viceversa, según la configuración específica del circuito.

Pilas y Baterías

Las pilas y baterías son acumuladores electroquímicos que transforman la energía química en energía eléctrica mediante reacciones reversibles. También tienen la cualidad de funcionar como generadores de corriente eléctrica, transformando la energía química almacenada en energía eléctrica. Su rendimiento en la conversión de energía puede superar el 90%.

Características de las Pilas y Baterías

Las principales características que definen el comportamiento y la utilidad de pilas y baterías son:

• Resistencia Interna: Internamente, las pilas y baterías transportan electrones desde el polo positivo hasta el polo negativo (a través del electrolito) debido a las reacciones químicas que generan su energía interna. Este electrolito ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica, lo que se conoce como resistencia interna (R_i). Este valor es característico para cada pila o batería y puede variar ligeramente con la temperatura y el estado de carga.
• Capacidad: Es la cantidad total de electricidad que una pila o batería puede suministrar durante una descarga completa. Se mide comúnmente en amperios-hora (Ah) o en miliamperios-hora (mAh). La capacidad depende de las dimensiones físicas y de los materiales químicos con los que esté fabricada la pila o batería.
• Fuerza Electromotriz (FEM): Es el voltaje o diferencia de potencial que se mide entre sus bornes cuando la pila o batería se encuentra en circuito abierto (sin carga conectada). Se representa como ε o E. Cuando el circuito al que está conectada está cerrado (bajo carga), la tensión en los bornes disminuye debido a la caída de tensión interna (I * R_i).

Acoplamiento de Pilas y Baterías

Como acumuladores de energía, el acoplamiento de pilas y baterías (en serie, paralelo o mixto) sigue principios similares a los de los condensadores para lograr una tensión o capacidad total deseada. Sin embargo, las fórmulas específicas para la tensión y corriente resultantes son diferentes y dependen de si se busca aumentar la tensión (serie) o la capacidad/corriente (paralelo).

Elementos de Control y Maniobra en Circuitos Eléctricos

Estos elementos permiten la apertura y el cierre de un circuito eléctrico a voluntad del usuario, así como la modificación de su estado. Los más empleados en instalaciones y dispositivos eléctricos son los interruptores, conmutadores, pulsadores y relés.

• Interruptor: Dispositivo diseñado para abrir o cerrar un circuito eléctrico de forma permanente hasta que se accione de nuevo. Puede ser unipolar (que abre o cierra un circuito por un solo punto de contacto) o bipolar (que abre o cierra el circuito por dos puntos de contacto simultáneamente).
• Conmutador: Permite controlar un mismo receptor eléctrico desde dos o más puntos distantes y distintos, alternando la trayectoria de la corriente.
• Pulsador: Un tipo de interruptor que solo mantiene su estado (abierto o cerrado) mientras se mantiene presionado, volviendo a su posición original al soltarlo. Existen pulsadores normalmente abiertos (NA) y normalmente cerrados (NC).
• Relé: Esencialmente, es un conmutador electromagnético. Consta de dos circuitos: el de alimentación de la bobina del relé (circuito de control) y el de salida (circuito de potencia), que puede operar con un generador de igual o diferente voltaje. Permite controlar grandes corrientes o voltajes con una pequeña señal de control.