Fundamentos Esenciales de Electricidad y Electrónica: Circuitos y Componentes Clave

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Escrito el 15 de Julio de 2025 en español con un tamaño de 12,49 KB

Asociación de Generadores Eléctricos

Los generadores eléctricos son dispositivos que transforman energía mecánica en energía eléctrica. Al asociarlos, es fundamental comprender cómo se combinan sus parámetros.

Fórmulas Fundamentales de Generadores

Ley de Ohm para un Circuito con Generador:
I = E / (R + r_i)
Donde:
- I: Intensidad de corriente (Amperios)
- E: Fuerza electromotriz (f.e.m.) del generador (Voltios)
- R: Resistencia externa del circuito (Ohmios)
- r_i: Resistencia interna del generador (Ohmios)
Tensión de la Fuente de Alimentación (Tensión Generada):
V_fuente = E + r_i * I
Tensión en Bornes (Tensión Disponible en la Carga):
V_bornes = E - r_i * I
Potencia Perdida (Disipada Internamente):
P_perdida = r_i * I²
Potencia Total (Generada por la f.e.m.):
P_total = E * I
También se cumple que: P_total = P_útil + P_perdida
Potencia Útil (Entregada a la Carga):
P_útil = V_bornes * I

Asociación de Generadores

Conexión Serie:
En una conexión en serie, las fuerzas electromotrices (E) se suman y las resistencias internas (r_i) también se suman.
Conexión Paralelo:
En una conexión en paralelo, todas las fuerzas electromotrices (E) deben ser iguales para un funcionamiento óptimo. La resistencia interna total (R_total) se calcula como:
R_total = r_i / N_generadores
Donde N_generadores es el número de generadores en paralelo.

Condensadores Eléctricos

Los condensadores son componentes pasivos que almacenan carga eléctrica entre dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico. Su función principal es almacenar y liberar electricidad de forma controlada en un circuito.

Capacidad de un Condensador (C)

La capacidad de un condensador se define por la relación entre la carga almacenada (Q) y la tensión aplicada (V):

Q = C * V

Donde:

Q: Carga eléctrica (Culombios)
C: Capacidad (Faradios)
V: Tensión (Voltios)

La capacidad de un condensador de placas paralelas depende de sus características físicas:

A mayor superficie de las placas (S), mayor capacidad.
A mayor distancia entre las placas (d), menor capacidad.
Depende de la constante dieléctrica del material entre las placas.

La fórmula para la capacidad de un condensador de placas paralelas es:

C = ε_r * ε₀ * (S / d)

Donde:

ε_r: Constante dieléctrica relativa del material (adimensional)
ε₀: Permitividad del vacío (aproximadamente 8.854 x 10^-12 F/m)
S: Superficie de las placas (metros cuadrados)
d: Espesor del dieléctrico (distancia entre placas en metros)

Carga y Descarga de un Condensador

El proceso de carga y descarga de un condensador en un circuito RC (Resistencia-Condensador) se caracteriza por la constante de tiempo.

Constante de Tiempo (τ):
τ = R * C
Donde:
- R: Resistencia del circuito (Ohmios)
- C: Capacidad del condensador (Faradios)
Tiempo de Carga Completa:
Un condensador se considera completamente cargado (o descargado) después de aproximadamente 5 constantes de tiempo.
Tiempo de carga = 5 * τ

Parámetros de una Onda Eléctrica

Las ondas eléctricas, especialmente las de corriente alterna (CA), se describen mediante varios parámetros clave.

Valores Característicos de Ondas Sinusoidales

Valor Eficaz (V_ef o I_ef): Es el valor equivalente en corriente continua que produciría el mismo efecto térmico.
V_ef = V_max / √2
I_ef = I_max / √2
Valor Máximo o de Pico (V_max o I_max): Es la amplitud máxima de la onda.
V_max = V_ef * √2
I_max = I_ef * √2
Frecuencia (f) y Periodo (T):
La frecuencia es el número de ciclos por segundo, y el periodo es el tiempo que tarda un ciclo completo.
f = 1 / T
T = 1 / f
Donde:
- f: Frecuencia (Hertz, Hz)
- T: Periodo (Segundos, s)

Reactancias en Circuitos de Corriente Alterna

Reactancia Inductiva (X_L): Oposición de una bobina al paso de la corriente alterna.
X_L = 2 * π * f * L
Donde L es la inductancia (Henrios).
Reactancia Capacitiva (X_C): Oposición de un condensador al paso de la corriente alterna.
X_C = 1 / (2 * π * f * C)
Donde C es la capacidad (Faradios).

Es importante recordar que la bobina desfasa la corriente retrasándola respecto a la tensión, mientras que el condensador la adelanta.

Diodos Semiconductores

El diodo es un componente semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección. Está compuesto por dos terminales: el ánodo y el cátodo.

Polarización del Diodo

Conexión Directa (Polarización Directa):
Cuando el ánodo se conecta al polo positivo y el cátodo al negativo de la fuente, el diodo permite el paso de la corriente. Para que esto ocurra, la tensión aplicada debe superar una "tensión de umbral" o "tensión de codo".
Conexión Inversa (Polarización Inversa):
Cuando el cátodo se conecta al polo positivo y el ánodo al negativo, el diodo bloquea el paso de la corriente. Si la tensión inversa supera un valor crítico (tensión de ruptura), el diodo puede dañarse permanentemente.

Materiales y Tensión de Umbral

Los diodos comunes están fabricados principalmente de:

Silicio: Tensión de umbral aproximada de 0.7 V.
Germanio: Tensión de umbral aproximada de 0.3 V.

La corriente solo fluye significativamente cuando la tensión en polarización directa supera este umbral. Si se aplica una tensión inversa excesivamente alta, el diodo entra en la "zona de ruptura" y puede destruirse.

Tipos de Diodos

Diodos Rectificadores:
Diseñados para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), soportando altas corrientes y tensiones.
Diodos de Señal (o de Pequeña Señal):
Funcionan con bajas corrientes y se utilizan para el acondicionamiento y procesamiento de señales en circuitos electrónicos.
Diodos Zener:
Están diseñados para trabajar de forma segura en la zona de ruptura inversa. Se utilizan principalmente para regular y estabilizar la tensión en un circuito.
- Potencia del Diodo Zener (P_Z):
  P_Z = V_Z * I_Z
  Donde V_Z es la tensión Zener e I_Z es la corriente Zener.
- Resistencia de Polarización (R_p):
  R_p = (V_entrada - V_Z) / I_Z
  Donde V_entrada es la tensión de entrada.
Diodos LED (Light Emitting Diode):
Son diodos que emiten luz cuando están polarizados en directa. La tensión de umbral y el color de la luz emitida dependen del material semiconductor.
- Conexión Serie de LEDs: La intensidad de corriente es la misma para todos los LEDs, y las tensiones de umbral se suman.
- Conexión Paralelo de LEDs: La tensión aplicada es la misma para todos los LEDs, y la intensidad de corriente se divide entre ellos.
Fotodiodos:
Son diodos que permiten el paso de corriente en función de la intensidad de la luz que incide sobre ellos. Se utilizan en aplicaciones de detección de luz.

En resumen, los diodos son esenciales para la protección de circuitos y, fundamentalmente, para la rectificación de corriente, tanto de media onda como de onda completa.

Circuitos de Rectificación

Los circuitos de rectificación son fundamentales para convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), un proceso esencial para alimentar la mayoría de los dispositivos electrónicos.

Etapas de un Circuito Rectificador Básico

Transformador: Reduce o aumenta la tensión de CA de entrada al nivel deseado.
Rectificador: Utiliza diodos para eliminar la parte negativa (o positiva) de la onda de CA, convirtiéndola en una señal pulsante unidireccional.
Filtro: Generalmente un condensador, suaviza la señal pulsante del rectificador, acercándola a una tensión continua pura.

Relación de Transformación (m)

La relación entre el número de espiras del primario (N₁) y el secundario (N₂) de un transformador determina la relación de tensión:

m = N₁ / N₂ = V₁ / V₂

Tipos de Rectificación

Rectificación de Media Onda

Utiliza un solo diodo para permitir el paso de solo la mitad de la onda de CA. La tensión continua promedio (V_CC) de salida es:

V_CC = (V_max - V_{umbral_diodo}) / π

Donde V_max es la tensión máxima de la onda de entrada y V_{umbral_diodo} es la tensión de umbral del diodo.

Rectificación de Onda Completa

Aprovecha ambos semiciclos de la onda de CA para producir una salida más eficiente y con menos rizado.

Con Transformador con Toma Intermedia:
Requiere un transformador con una toma central en el secundario y dos diodos. La tensión máxima de cada semiciclo se divide entre 2.
Con Puente de Diodos:
Es el método más común, utilizando cuatro diodos en configuración de puente. La tensión continua promedio (V_CC) de salida es:
V_CC = 2 * (V_max - V_diodos) / π
Donde V_diodos es la suma de las caídas de tensión en los dos diodos que conducen simultáneamente (aproximadamente 2 * 0.7V para diodos de silicio).
La intensidad de corriente que soporta cada diodo en el puente es la mitad de la corriente total de salida:
I_diodo = I_CC / 2

Filtro con Condensador

Un condensador en paralelo con la carga se utiliza para reducir el rizado de la tensión rectificada.

Tensión de Rizado (V_rizado):
V_rizado = I_carga / (f_rizado * C)
Donde:
- I_carga: Corriente de carga (Amperios)
- f_rizado: Frecuencia del rizado. Es igual a la frecuencia de la red (f) para rectificación de media onda, y el doble de la frecuencia de la red (2*f) para rectificación de onda completa.
- C: Capacidad del condensador de filtro (Faradios)
Tensión Continua de Salida con Filtro (V_CC):
La tensión continua de salida es aproximadamente la tensión máxima menos la mitad de la tensión de rizado.
V_CC = V_max - (V_rizado / 2)

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