Embed Size (px)
Citation preview
CAPÍTULO
I EL PROBLEMA
Planteamiento del problema
A través de los tiempos el hombre se ha valido de múltiples servicios que le
han proporcionado confort a su subsistencia, tal es el caso de la energía
eléctrica que ha tenido un papel preponderante en el desarrollo de la
sociedad porque permite el avance de la tecnología en la vida moderna, y
ofrece equipos cada vez más sofisticados que brindan recreación,
entretenimiento y comodidades, demandando mayor cantidad de energía,
como lo son los electrodomésticos, los aires acondicionados, etc., que en el
ámbito residencial representan un papel primordial, ya que cada día son más
necesarios para facilitar las labores tanto en el hogar como en el trabajo.
Estos adelantos han hecho que el consumo de energía eléctrica en las
grandes ciudades haya tenido un aumento paulatino en los últimos años,
caracterizándose principalmente en que la sociedad moderna es creciente
además de altamente tecnificada e igualmente continúa en la búsqueda de la
comodidad, el desarrollo también el crecimiento en todos los aspectos: La
ciencia, las guerras, las medicinas, el trabajo, el hogar, etc. Esto se
constituye en un factor bastante preocupante hoy en día, ya que es vital para
la sociedad moderna, porque representa la sangre que hace mover los
brazos de la tecnología y el desarrollo del mundo.
1
Por otro lado, el excesivo uso de la energía eléctrica genera una serie de
efectos secundarios, como son la contaminación ambiental, bajones de
energía, pérdidas económicas, entre otros.
Actualmente existen métodos de obtención de energía alterna, la cual es
generada “limpiamente” (no libera CO2 y no implican La quema de
combustibles fósiles), el termino de energía alterna se puede relacionar con
el de Energía Renovable (Se denomina energía renovable a la energía que
se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, unas por la
inmensa cantidad de energía que contienen, y otras porque son capaces de
regenerarse por medios naturales) también llamada energía verde.
Una de estas fuentes de energía alterna es la luz solar, esta energía es
captada mediante paneles fotovoltaicos que convierten la energía lumínica
en electricidad, una parte se almacena en baterías para ser utilizada en la
noche, y el resto se usa consume durante el transcurso del día, esto
presenta un gran ahorro tanto energético como económico.
En el Presente Trabajo de investigación se pretende implementar un
dispositivo que detecte los cambios de luminosidad en el ambiente,
mediante una celda fotovoltaica que permitirá encender y apagar una
lámpara sin la interacción humana, a fin de tener un ahorro energético y por
ende economico.
2
Preguntas de Investigación
Según lo mencionado anteriormente el investigador se plantea las siguientes
preguntas:
¿La implementación del censor foto voltaico, reducirá el problema de
la mermada de energía en el pais?
¿Cuál son las ventajas y desventajas de este interruptor crepuscular
en contraposición del sistema estándar de interruptores?
¿Cómo será la Construcción del dispositivo con una celda fotovoltaica
encenderá y apagara las luces?
3
Objetivo General.
Diseñar un dispositivo con celda foto receptora que coordine el encendido y
apagado, a fin de disminuir el consumo de energía eléctrica y a su vez
generar un ahorro económico.
Objetivos Específicos.
1. Determinar la factibilidad, técnica y económica de la elaboración de un
interruptor por celda foto voltaica.
2. Diseñar un circuito electrónico para la creación del interruptor
crepuscular
3. Construir el prototipo del interruptor fotoeléctrico para el encendido y
apagado de un sistema de iluminacion.
4. Comprobar la factibilidad del circuito eléctrico del interruptor en un
ambiente controlado
5. implementar e instalación del dispositivo.
4
Justificación de la Investigación.
El hombre siempre busca avanzar en materia científica y tecnológica con el
objetivo de solucionar los problemas que le acontecen en la actualidad para
que así las generaciones subsecuentes tengan un mejor mundo para poder
vivir.
Esta investigación fue elegida pues va acorde a las problemáticas actuales
tanto de Venezuela como del mundo, tras años de desaprovechar la
electricidad y aumentar su demanda. Dicho requerimiento con el tiempo ha
traído problemas consecuentes como lo son el déficit energético y la
contaminación ambiental.
Este proyecto es de interés personal, no solo por la idea de adquirir
conocimientos nuevos en materia de electricidad y electrónica, sino también
por ser una posible solución a él alto consumo de energía eléctrica y la
contaminación ambiental, los cuales son problemas que presenta la
población de Venezuela actualmente.
5
Limitaciones.
El proyecto de investigación no está exento de limitaciones, estas derivan del
hecho de que los investigadores poseen pocos conocimientos de electrónica
y electricidad.
Además de ello el proyecto se ve limitado por el hecho de que el interruptor
crepuscular solo es funcional con la luz, por ello no se puede utilizar como
interruptor principal pues no permitiría encender y apagar luces a voluntad.
6
Capítulo II
Marco Teórico.
ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION
Las celdas fotovoltaicas son el motor de cualquier sistema solar, es que sin
ellas no podríamos contar actualmente con paneles solares o cualquier otro
dispositivo que funcione a base de esta energía.
muchas de ellas cuentan con una propiedad conocida como efecto
fotoeléctrico lo cual hace que los fotones de luz sean absorbidos para luego
irradiar electrones; cuando dichos electrones libres son capturados el
resultado que obtenemos es una corriente eléctrica que luego, mediante su
conversión, es empleada como electricidad.
ANTECEDENTES DE LA CELDA FOTOVOLTAICA
Las celdas fotovoltaicas tuvieron su nacimiento gracias a un físico francés
llamado Edmundo Bequerel, fue éste quien notó que ciertos materiales
producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando los mismos
eran expuestos hacia la luz, es así como el principio del aprovechamiento de
la energía solar surgiría.
Luego, Albert Einstein describió lo que era el efecto fotoeléctrico, en el cual
se basa hoy la tecnología fotovoltaica, por dicho trabajó consiguió el premio
Nobel de física. Con toda esta información, conocimientos y avances, los
Laboratorios Bell crearon el primer módulo fotovoltaico en 1954 apareciendo
allí las primeras celdas fotovoltaicas; como su fabricación era bastante
costosa y en aquella época el precio resultaba algo injustificado, la
7
producción de celdas fotovoltaicas decayó hasta 1960. Fue en este año en
donde la industrial espacial comenzó a hacer uso de esta tecnología para
conseguir energía eléctrica y distribuirlas luego a bordo de sus naves; fue a
través de los programas espaciales que los científicos y técnicos pusieron
énfasis en la energía solar y sus beneficios; cuando su uso alcanzó un alto
grado de confiabilidad, se pudo lograr una reducción en los costos
En 1883 el inventor norteamericano Charles Fritts construye la primera celda
solar con una eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construida
utilizando como semiconductor el Selenio con una muy delgada capa de oro.
Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a la
generación de electricidad. Las aplicaciones de la celda de Selenio fueron
para sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas.
La celda de Silicio que hoy día utilizan proviene de la patente del inventor
norteamericano Russell Ohl. Fue construida en 1940 y patentada en 1946.
La época moderna de la celda de Silicio llega en 1954 en los Laboratios
Bells. Accidentalmente experimentando con semiconductores se encontró
que el Silicio con algunas impurezas era muy sensitivo a la luz.
8
Bases Teóricas
La Luz
Se llama luz (del latín lux, lucis) a la radiación electromagnética que puede
ser percibida por el ojo humano. En física, el término luz se usa en un sentido
más amplio e incluye el rango entero de radiación conocido como el espectro
electromagnético, mientras que la expresión luz visible denota la radiación en
el espectro visible.
La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus
características y sus manifestaciones
Características, efectos y propiedades de la luz
Velocidad finita
Se ha demostrado teórica y experimentalmente que la luz tiene una
velocidad finita. La primera medición con éxito fue hecha por el
astrónomo danés Ole Roemer en 1676 y desde entonces numerosos
experimentos han mejorado la precisión con la que se conoce el dato.
Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de la luz en el vacío
es de 299.792.458 m/s.1
La velocidad de la luz al propagarse a través de la materia es menor que a
través del vacío y depende de las propiedades dieléctricas del medio y de la
energía de la luz. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un
medio se denomina índice de refracción del medio:
9
Refracción
La refracción es el cambio brusco de dirección que sufre la luz al
cambiar de medio. Este fenómeno se debe al hecho de que la luz se
propaga a diferentes velocidades según el medio por el que viaja. El
cambio de dirección es mayor, cuanto mayor es el cambio de velocidad,
ya que la luz prefiere recorrer las mayores distancias en su
desplazamiento por el medio que vaya más rápido. La ley de
Snell relaciona el cambio de ángulo con el cambio de velocidad por
medio de los índices de refracción de los medios.
Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace
pasar luz blanca o policromática a través de un medio no paralelo, como
un prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes
componentes (colores) según su energía, en un fenómeno
denominado dispersión refractiva. Si el medio es paralelo, la luz se
vuelve a recomponer al salir de él.
Ejemplos muy comunes de la refracción son la ruptura aparente que se
ve en un lápiz al introducirlo en agua o el arco iris.
10
Propagación y difracción
Una de las propiedades de la luz más evidentes a simple vista es que se
propaga en línea recta. Lo podemos ver, por ejemplo, en la propagación
de un rayo de luz a través de ambientes polvorientos o de atmósferas
saturadas. La óptica geométrica parte de esta premisa para predecir la
posición de la luz, en un determinado momento, a lo largo de su
transmisión.
De la propagación de la luz y su encuentro con objetos surgen
las sombras. Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y
a continuación una pantalla, obtendremos sobre ella la sombra del
cuerpo. Si el origen de la luz o foco se encuentra lejos del cuerpo, de tal
forma que, relativamente, sea más pequeño que el cuerpo, se producirá
una sombra definida. Si se acerca el foco al cuerpo surgirá una sombra
en la que se distinguen una región más clara denominada penumbra y
otra más oscura denominada umbra.
Sin embargo, la luz no siempre se propaga en línea recta. Cuando la luz
atraviesa un obstáculo puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo se
curva ligeramente. Este fenómeno, denominado difracción, es el
responsable de que al mirar a través de un agujero muy pequeño todo
se vea distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un
número de aumentos máximo.
11
Reflexión y dispersión
Al incidir la luz en un cuerpo, la materia de la que está constituido retiene
unos instantes su energía y a continuación la reemite en todas las
direcciones. Este fenómeno es denominado reflexión. Sin embargo, en
superficies ópticamente lisas, debido a interferencias destructivas, la
mayor parte de la radiación se pierde, excepto la que se propaga con el
mismo ángulo que incidió. Ejemplos simples de este efecto son
los espejos, los metales pulidos o el agua de un río (que tiene el fondo
oscuro).
La luz también se refleja por medio del fenómeno denominado reflexión
interna total, que se produce cuando un rayo de luz, intenta salir de un
medio en que su velocidad es más lenta a otro más rápido, con un
determinado ángulo. Se produce una refracción de tal modo que no es
capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose
completamente. Esta reflexión es la responsable de los destellos en
un diamante tallado.
Cuando la luz es reflejada difusa e irregularmente, el proceso se
denomina dispersión. Gracias a este fenómeno podemos seguir la
trayectoria de la luz en ambientes polvorientos o en atmósferas
saturadas. El color azul del cielo se debe a la luz del sol dispersada por
la atmósfera. El color blanco de las nubes o el de la lechetambién se
debe a la dispersión de la luz por el agua o por el calcio que contienen
respectivamente.
12
Luz Solar
La Luz solar, en el más amplio sentido, es el espectro total de radiación
electromagnética proveniente del Sol.
Esto es usualmente durante las horas consideradas como día. Cerca de
los polos geográficos durante el verano, la luz solar también ocurre en las
horas que definen la noche y en los inviernos en estas zonas la luz solar
podría simplemente no llegar. La radiación térmica producida directamente
por la radiación del sol es diferente del incremento en la temperatura
atmosférica debido al calentamiento radiativo de la atmósfera por la radiación
solar. La luz solar puede ser "grabada" usando un heliógrafo.
La Organización Meteorológica Mundial define la luz solar como la irradiación
directa proveniente del sol medida en el suelo de al menos 120 W·m-2.
La luz solar directa proporciona alrededor de 93 lumenes de iluminación
por vatio de potencia electromagnética, incluyendo infrarrojo, visible y ultra-
violeta.
Luz solar brillante proporciona iluminación de aproximadamente
100,000 candelas por metro cuadrado en la superficie terrestre.
La luz solar hasta un factor fundamental en el proceso de fotosíntesis, tan
importante para la vida.
13
Calculo
Para calcular la cantidad de luz solar que alcanza el suelo se deben tomar en
cuenta tanto la órbita elíptica de la tierra como su atmósfera. La iluminación
solar extraterrestre (Eext), corregida para la órbita elíptica usando el número
de día del año, conocido como la fecha Juliana, es: Eext=Esc(1 + 0.034
* cos(2pi(Jd − 2) / 365))
La constante de iluminancia solar (Esc), es equivalente a 128 Klux. La
iluminancia directa normal, (Edn), corregida para los efectos atenuantes de la
atmósfera están dados por: Edn=Eext*e-cm
Donde c es el coeficiente de extinción atmosférica y m es la masa óptica de
aire relativa.
Composición de la luz solar
El espectro de radiación electromagnética golpea la Atmósfera terrestre es
de 100 a 106 nm. Esto puede ser dividido en cinco regiones en orden
creciente de longitud de onda:1
Ultravioleta C o rango (UVC), que se expande en el rango de 100 a 280
nm. El término ultravioleta se refiere al hecho de que la radiación está en
una frecuencia mayor a la luzs violeta (y, por lo tanto, es invisible al ojo
humano). Debido a la absorción por la atmósfera solo una pequeña
cantidad llega a la superficie de la Tierra (Litósfera). Este espectro de
radiación tiene propiedades germicidas, por lo que algunos equipos
denominadosesterilizadores ultravioleta la utilizan para la purificación de
aire, agua o de superficies; estos dispositivos contienen lámparas que
emiten esta luz, a la cual se expone el elemento a esterilizar.
La radiación de las lámparas de luz ultravioleta también se aprovecha en
14
diversos dispositivos para conseguir efectos ópticos especiales en las
superficies.
Ultravioleta B o rando (UVB) se extiende entre 280 y 315 nm. Es también
absorbida en gran parte por la atmósfera, y junta a la UVC es
responsable de las reacciones fotoquímicas que conllevan la producción
de la capa de ozono.
Ultravioleta A o (UVA) se extiende entre los 315 y 400 nm. Ha sido
tradicionalmente considerado menos dañino para el ADN, por lo que es
usado al broncearse y terapia PUVA para psoriasis.
Rango visible o luz se extiende entre los 400 y 700 nm. Como el nombre
indica, es el rango que es visible al ojo humano naturalmente.
Rango Infrarrojo que se extiende entre 700 nm y 1 mm (106 nm). Es esta
radiación la principal responsable del calentamiento o calor que
proporciona el sol. Está a su vez subdividido en tres tipos en función de la
longitud de onda:
Infrarrojo-A: 700 nm a 1400 nm
Infrarrojo-B: 1400 nm a 3000 nm
Infrarrojo-C: 3000 nm a 1 mm.
15
Energía Solar.
La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el
calor emitidos por el Sol.
La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del
calor que produce a través de la absorción de la radiación, por ejemplo en
dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías
renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como
energía limpia oenergía verde. Si bien, al final de su vida útil, los
paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente
reciclable al día de hoy.
La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones
atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas
condiciones de irradiación el valor es de aproximadamente 1000 W/m² en la
superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como irradiancia.
La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la
suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco
solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la
bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y
refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos
atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y
concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz
difusa que proviene de todas las direcciones.
La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la
atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de
1354W/m² (que corresponde a un valor máximo en el perihelio de
1395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m²).
16
La Electricidad
Es un fenómeno físico que se origina por cargas eléctricas bien estáticas o
bien en movimiento y por su interacción. Cuando una carga se encuentra en
reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se
desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de cargas
eléctricas, llamadas positivas y negativas. La electricidad está presente en
algunas partículas subat6micas. La partícula fundamental más ligera que
lleva carga eléctrica es el electr6n, que transporta una unidad de carga. Los
átomos en circunstancias normales contienen electrones, y a menudo los
que están mas alejados del núcleo se desprenden con mucha facilidad. En
algunas sustancias, como los metales, proliferan los electrones libres. De
esta manera un cuerpo queda cargado eléctricamente gracias a la
reordenación de los electrones. Un átomo normal tiene cantidades iguales de
carga eléctrica positiva y negativa, por lo tanto es eléctricamente neutro. La
cantidad de carga eléctrica transportada por todos los electrones del átomo,
que por convenci6n son negativas, está equilibrada por la carga positiva
localizada en el núcleo. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones
quedara cargado negativamente. Por lo contrario, con la ausencia de
electrones un cuerpo queda cargado positivamente, debido a que hay mas
cargas eléctricas positivas en el núcleo.
17
Voltaje.
El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una
fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre
las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que
se establezca el flujo de una corriente eléctrica.
A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM
sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor
será el voltaje o tensi6n existente en el circuito al que corresponda ese
conductor-La f6rmula para calcular el voltaje en un circuito o la diferencia de
potencial (d.d.p) es la siguiente según la ley de OHM: V=R*I
Amperaje:
El amperio o ampere (símbolo A), es la unidad de intensidad de corriente
eléctrica. El amperio es la intensidad de una corriente constante que
manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita,
de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno
de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10-7 newton por metro de
longitud.
El amperio es una unidad básica, junto con el metro, el segundo, y
el kilogramo:3 es definido sin referencia a la cantidad de carga eléctrica. La
unidad de carga, el culombio, es definido, como una unidad derivada, es la
cantidad de carga desplazada por una corriente de un amperio en el tiempo
de un segundo.
Como resultado, las corrientes eléctricas también son el tiempo promedio de
cambio o desplazamiento de cargas eléctricas. Un amperio representa el
promedio de un culombio de carga por segundo.
18
Conductores eléctricos
Un conductor eléctrico es aquel cuerpo que puesto en contacto con un
cuerpo cargado de electricidad transmite esta a todos los puntos de su
superficie. Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con
electrones libres que permiten el movimiento de cargas.
Son los elementos capaces de conducir la electricidad cuando son sometidos
a una diferencia de potencial eléctrico. Los más comunes son los metales,
siendo el cobre el más usado de entre todos ellos, otro metal utilizado es el
aluminio y en aplicaciones especiales, debido a su baja resistencia y dureza
a la corrosión, se usa el oro. Aunque todos los metales son conductores
eléctricos existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la
propiedad de conducir la electricidad como son el grafito, las soluciones
salinas (El agua de mar) y cualquier material en estado de plasma.
Potencial Eléctrico.
El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza
eléctrica (ley de Coulomb) para mover una carga positiva "q" desde el infinito
(donde el potencial es cero) hasta ese punto. Dicho de otra forma, es el
trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria "q"
desde el infinito hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica.
19
Conductividad Eléctrica
La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo o medio para
conducir la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de él de
partículas cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de carga
en conductores metálicos o semimetálicos, o iones, los que transportan la
carga en disoluciones de electrolitos.
La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto , y su unidad
es el S/m (siemens por metro) o Ω-1·m-1. Usualmente la magnitud de la
conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico y la
densidad de corriente de conducción :
Conductividad en diferentes Medios.
Los mecanismos de conductividad difieren entre los tres estados de la
materia. Por ejemplo en los sólidos los átomos como tal no son libres de
moverse y la conductividad se debe a los electrones. En los metales existen
electrones cuasi-libres que se pueden mover muy libremente por todo el
volumen, en cambio en los aislantes, muchos de ellos son sólidos iónicos,
apenas existen electrones libres y por esa razón son muy malos
conductores.
Conductividad en medios líquidos
La conductividad en medios líquidos (Disolución) está relacionada con la
presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y
negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido
a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se
denominan electrolitos o conductores electrolíticos.20
Las determinaciones de la conductividad reciben el nombre de
determinaciones conductométricas y tienen muchas aplicaciones como, por
ejemplo:
En la electrólisis, ya que el consumo de energía eléctrica en este proceso
depende en gran medida de ella.
En los estudios de laboratorio para determinar el contenido de sales de
varias soluciones durante la evaporación del agua (por ejemplo en el
agua de calderas o en la producción de leche condensada).
En el estudio de las basicidades de los ácidos, puesto que pueden ser
determinadas por mediciones de la conductividad.
Para determinar las solubilidades de electrólitos escasamente solubles y
para hallar concentraciones de electrólitos en soluciones por titulación.
La base de las determinaciones de la solubilidad es que las soluciones
saturadas de electrólitos escasamente solubles pueden ser consideradas
como infinitamente diluidas. Midiendo la conductividad específica de
semejante solución y calculando la conductividad equivalente según ella, se
halla la concentración del electrólito, es decir, su solubilidad.
Un método práctico sumamente importante es el de la titulación
conductométrica, o sea la determinación de la concentración de un electrólito
en solución por la medición de su conductividad durante la titulación. Este
método resulta especialmente valioso para las soluciones turbias o
fuertemente coloreadas que con frecuencia no pueden ser tituladas con el
empleo de indicadores.
La conductividad eléctrica se utiliza para determinar la salinidad (contenido
de sales) de suelos y substratos de cultivo, ya que se disuelven éstos en
agua y se mide la conductividad del medio líquido resultante. Suele estar
referenciada a 25 °C y el valor obtenido debe corregirse en función de la
21
temperatura. Coexisten muchas unidades de expresión de la conductividad
para este fin, aunque las más utilizadas son dS/m (deciSiemens por metro),
mmhos/cm (milimhos por centímetro) y según los organismos de
normalización europeos mS/m (miliSiemens por metro). El contenido de
sales de un suelo o substrato también se puede expresar por la resistividad
(se solía expresar así en Francia antes de la aplicación de las normas INEN).
Conductividad en medios sólidos
Según la teoría de bandas de energía en sólidos cristalinos, son materiales
conductores aquellos en los que las bandas de valencia y conducción se
superponen, formándose una nube de electroneslibres causante de la
corriente al someter al material a un campo eléctrico. Estos medios
conductores se denominan conductores eléctricos.
La Comisión Electrotécnica Internacional definió como patrón de la
conductividad eléctrica:
Un hilo de cobre de 1 metro de longitud y un gramo de masa, que da
una resistencia de 0,15388 Ω a 20 °C al que asignó una conductividad
eléctrica de 100% IACS (International Annealed Cooper Standard, Estándar
Internacional de Cobre no Aleado). A toda aleación de cobre con una
conductividad mayor que 100% IACS se le denomina de alta conductividad
(H.C. por sus siglas inglesas).
22
Resistividad
Todas las sustancias se oponen en mayor o menor grado al paso de
la corriente eléctrica, esta oposición es a la que llamamos resistencia
eléctrica. Los materiales buenos conductores de laelectricidad tienen una
resistencia eléctrica muy baja, los aislantes tienen una resistencia muy alta.
Se le llama Resistividad eléctrica al grado de dificultad que encuentran
los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho
minúscula (ρ) y se mide en ohm-metros (Ω•m).1
Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de
corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es.
Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras
que uno bajo indicará que es un buen conductor.
Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura,
mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el
aumento de la temperatura.
23
Conductores Eléctricos
Son materiales cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Los
mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones, aunque
existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de
conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y
soluciones salinas(por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material
en estado de plasma.
Para el transporte de energía eléctrica, así como para cualquier instalación
de uso doméstico o industrial, los mejores conductores son el oro y la plata,
pero debido a su elevado precio, los materiales empleados habitualmente
son el cobre (en forma de cables de uno o varios hilos), o el aluminio; metal
que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% inferior es,
sin embargo, un material tres veces más ligero, por lo que su empleo está
más indicado en líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica en
las redes de alta tensión
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión
Electrotécnica Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta
magnitud, estableciendo el International Annealed Copper
Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según esta
definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a 58.0
MS/m.2 A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la conductividad del
resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La
mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100%
IACS pero existen excepciones como la plata o los cobres especiales de muy
alta conductividad designados C-103 y C-110.
24
Componentes eléctricos
- Resistencias.
Propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga at
paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico
determina según la llamada ley de Ohm cuanta corriente fluye en el circuito
cuando se le aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el
ohmio, que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente
de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura
habitual para la resistencia eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra
griega omega, Q. En algunos cálculos eléctricos se emplea el inverso de la
resistencia, 1/R, que se denomina conductancia y se representa por G. La
unidad de conductancia es Siemens, cuyo símbolo es S.
Resistencias en Serie:
Resistencias en Paralelo:
- Condensador
Es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo.
Está formado por un par de superficies conductoras en situaci6n de
influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten
de una van a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o
laminas, separados por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un
condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante)
25
o por el vacio, que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p.)
adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y
negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).
La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de
potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad
la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de
unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un
condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio,
estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.
La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los
condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en
micro- uF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12-faradios. Los
condensadores obtenidos a partir desupercondensadores (EDLC) son la
excepci6n. Están hechos de carb6n activado para conseguir una gran área
relativa y tienen una separación molecular entre fas "placas". Así se
consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de
estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una
capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está
utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.
El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente
fórmula:
26
- Pulsador
Elemento que permite el paso o interrupci6n de la corriente mientras es
accionado. Cuando ya no se actúa sobre el vuelve a su posición de reposo.
Puede ser el contacto normalmente cerrado en reposo NC, o con el contacto
normalmente abierto Na. Consta del botón pulsador; una lamina conductora
que establece contacto con los dos terminales al oprimir el bot6n y un muelle
que hace recobrar a la lamina su position primitiva al cesar la presión sobre
el botón pulsador
- Circuitos Integrados (CI).
Un circuito integrado es un circuito formado por elementos tales como
diodos, transistores, resistencias y condensadores, los cuales están
interconectados y ubicados en una pastilla de silicio Es de unas dimensiones
muy reducidas y sus elementos no se pueden separar. Es decir, el sistema
electrónico está formado por circuitos completos y cada uno de ellos contiene
centenas de elementos, todos ellos situados en el cristal de silicio. Los
circuitos integrados surgieron en 1959, con el fin de ahorrar dinero en el
empaquetamiento individual de cada componente, en mano de obra y
espacio. Las conexiones entre los distintos elementos suelen hacerse
evaporando películas metálicas sobre el cristal; todos los componentes se
fabrican conjuntamente.
27
Circuito Integrado 555 (C-555).
El 555 es un circuito integrado que incorpora dentro de sí dos comparadores
de voltaje, un flip flop, una etapa de salida de corriente, divisor de voltaje
resistor y un transistor de descarga. Dependiendo de cómo se interconecten
estas funciones utilizando componentes externos es posible conseguir que
dicho circuito realiza un gran número de funciones tales como la del
multivibrador astable y la del circuito monoestable.
El 555 tiene diversas aplicaciones, como: Control de sistemas secuenciales,
divisor de frecuencias, modulación por ancho de pulso, generación de
tiempos de retraso, repetición de pulsos, etc.
Funcionamiento:
Se alimenta de una fuente externa conectada entre sus terminales 8 (+Vcc) y
1(GND) tierra; el valor de la fuente de esta, va desde 5 V hasta 15 V de
corriente continua, la misma fuente exterior se conecta a un circuito pasivo
RC exterior, que proporciona por medio de la descarga de su capacitor una
serial de voltaje que está en función del tiempo, esta señal de tensi6n es de
1/3 de Vcc y se compara contra el voltaje aplicado extremamente sobre la
terminal 2 (TRIGGER) que es la entrada de un comparador.
Comparador, en la cual se compara a 2/3 de la Vcc contra la amplitud de
serial externa que le sirve de disparo
La terminal 5(CONTROL VOLTAGE) se dispone para producir modulaci6n
por anchura de pulsos, la descarga del condensador exterior se hace por
medio de la terminal 7 (DISCHARGE), se descarga cuando el transistor
(NPN) T1, se encuentra en saturación, se puede descargar prematuramente
el capacitor por medio de la polarización del transitor (PNP) T2.
28
Se dispone de la base de T2 en la terminal 4 (RESET) del circuito integrado
555, si no se desea descargar antes de que se termine el periodo, esta
terminal debe conectarse directamente a Vcc, con esto se logra mantener
cortado al transistor T2 de otro modo se puede poner a cero la salida
involuntariamente, aun cuando no se desee.
La salida está provista en la terminal (3) del microcircuito y es además la
salida de un amplificador de corriente (buffer), este hecho le da más
versatilidad al circuito de tiempo 555, ya que fa corriente máxima que se
puede obtener cuando la terminal (3) sea conecta directamente al nivel de
tierra es de 200
mA.
La salida del comparador "A" y la salida del comparador "B" están
conectadas al Reset y Set del FF tipo SR respectivamente, la salida del FF-
SR actúa como sefial de entrada para el amplificador de corriente (Buffer),
mientras que en la terminal 6 el nivel de tensión sea más pequeño que el
nivel de voltaje contra el que se compara la entrada Reset del FF-SR no se
activara, por otra parte mientras que el nivel de tensión presente en la
terminal 2 sea más grande que el nivel de tensión contra el que se compara
la entrada Set del FF-SR no se activara.
29
Funcionamiento
LDR
Una LDR (fotorresistencia) es un componente
electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad
de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor,
célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas, LDR, se
originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Su cuerpo está
formado por una célula o celda y dos patillas. En la siguiente imagen se
muestra su símbolo eléctrico.
El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo
en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras
(varios megaohmios).
Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como
el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de
alta frecuencia, losfotones son absorbidos por la elasticidad
del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar
la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado,
conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los
valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz
brillante.
Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de
variar su resistencia según la cantidad de luz que incide la célula. Cuanto
más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces
30
de reaccionar a una amplia gama de frecuencias,
incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).
La variación del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se
pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los
LDR en aplicaciones en las que la señal luminosa varía con rapidez. El
tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de
segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran
variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor (ej.
tubo fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras aplicaciones
(saber si es de día o es de noche) la lentitud de la detección no es
importante.
Se fabrican en diversos tipos y pueden encontrarse en muchos artículos de
consumo, como por ejemplo en cámaras, medidores de luz, relojes con radio,
alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de
calles.
También se fabrican fotoconductores de Ge:Cu que funcionan dentro de la
gama más baja "radiación infrarroja".
31
Potenciómetro
Un potenciómetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De
esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente
que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de
potencial al conectarlo en serie.
Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente.
Para circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reostatos, que pueden
disipar más potencia.
(Europa)
(USA)
Construcción:
Existen dos tipos de potenciómetros:
Potenciómetros impresos, realizados con una pista de carbón o
de cermet sobre un soporte duro como papel baquelizado, fibra, alúmina,
etc. La pista tiene sendos contactos en sus extremos y un cursor
conectado a un patín que se desliza por la pista resistiva.
Potenciómetros petados. Consiste en un arrollamiento toroidal de un hilo
resistivo (por ejemplo, constantán) con un cursor que mueve un patín
sobre el mismo.
Según su aplicación se distinguen varios tipos:
Potenciómetros de mando. Son adecuados para su uso como elemento
de control en los aparatos electrónicos. El usuario acciona sobre ellos
32
para variar los parámetros normales de funcionamiento. Por ejemplo, el
volumen de una radio.
Potenciómetros de ajuste. Controlan parámetros preajustados,
normalmente en fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo
que no suelen ser accesibles desde el exterior. Existen tanto
encapsulados en plástico como sin cápsula, y se suelen distinguir
potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro es vertical, y
potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al circuito
impreso.
Según la ley de variación de la resistencia R = ρ(θ):
Potenciómetros lineales. La resistencia es proporcional al ángulo de giro.
Logarítmicos. La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de
giro.
Senoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos
potenciómetros senoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y
el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no.
Antilogarítmicos...
En los potenciómetros impresos la ley de resistencia se consigue variando la
anchura de la pista resistiva, mientras que en los bobinados se ajusta la
curva a tramos, con hilos de distinto grosor.
Potenciómetros multivuelta. Para un ajuste fino de la resistencia existen
potenciómetros multivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo
desmultiplicador, de modo que para completar el recorrido necesita varias
vueltas del órgano de mando.
33
Tipos de potenciómetros de mando:
Potenciómetros rotatorios. Se controlan girando su eje. Son los más
habituales pues son de larga duración y ocupan poco espacio.
Potenciómetros deslizantes. La pista resistiva es recta, de modo que el
recorrido del cursor también lo es. Han estado de moda hace unos años y
se usa, sobre todo, en ecualizadores gráficos, pues la posición de sus
cursores representa la respuesta del ecualizador. Son más frágiles que
los rotatorios y ocupan más espacio. Además suelen ser más sensibles al
polvo.
Potenciómetros múltiples. Son varios potenciómetros con sus ejes
coaxiales, de modo que ocupan muy poco espacio. Se utilizaban en
instrumentación, autorradios, etc.
Potenciómetros digitales
Se llama potenciómetro digital a un circuito integrado cuyo funcionamiento
simula el de un potenciómetro Analógico. Se componen de un divisor
resistivo de n+1 resistencias, con sus n puntos intermedios conectados a
un multiplexor analógico que selecciona la salida. Se manejan a través de
una interfaz serie (SPI, I2C, Microwire, o similar). Suelen tener una tolerancia
en torno al 20% y a esto hay que añadirle la resistencia debida a los switches
internos, conocida como Rwiper. Los valores mas comunes son de 10K y
100K aunque varia en función del fabricante con 32, 64, 128, 512 y 1024
posiciones en escala logarítmica o lineal. Los principales fabricantes son
Maxim, Intersil y Analog Devices. Estos dispositivos poseen las mismas
limitaciones que los conversores DAC como son la corriente máxima que
pueden drenar, que esta en el orden de los mA, la INL y la DNL, aunque
generalmente son monotónicos.
34
Reley (Rele o Relevador)
El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un
interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de
una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos
que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue
inventado por Joseph Henry en 1835.
Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor
potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como
un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la
función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente
procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se
les llamaba "relevadores" De ahí "relé".
Se denominan contactos de trabajo aquellos que se cierran cuando la bobina
del relé es alimentada y contactos de reposo a los cerrados en ausencia de
alimentación de la misma. De este modo, los contactos de un relé pueden
ser normalmente abiertos, NA o NO, Normally Open por sus siglas en inglés,
normalmente cerrados, NC, Normally Closed, o de conmutación. La lámina
central se denomina lámina inversora o de contactos inversores o de
conmutación que son los contactos móviles que transmiten la corriente a los
contactos fijos.
Los contactos normalmente abiertos conectan el circuito cuando el relé es
activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo
de contactos es ideal para aplicaciones en las que se requiere conmutar
fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos.
Los contactos normalmente cerrados desconectan el circuito cuando el
relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos
35
contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el
circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado.
Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto NA y
uno NC con una terminal común.
Tipos de Rele
Existen multitud de tipos distintos de relés, dependiendo del número de
contactos, de la intensidad admisible por los mismos, tipo de corriente de
accionamiento, tiempo de activación y desactivación, etc. Cuando controlan
grandes potencias se les llama contactores en lugar de relés.
Relés electromecánicos
Relés de tipo armadura: pese a ser los más antiguos siguen siendo lo
más utilizados en multitud de aplicaciones. Un electroimán provoca la
basculación de una armadura al ser excitado, cerrando o abriendo los
contactos dependiendo de si es NA o NC.
Relés de núcleo móvil: a diferencia del anterior modelo estos están
formados por un émbolo en lugar de una armadura. Debido su mayor
fuerza de atracción, se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos. Es
muy utilizado cuando hay que controlar altas corrientes.
Relé tipo reed o de lengüeta: están constituidos por una ampolla de vidrio,
con contactos en su interior, montados sobre delgadas láminas de metal.
Estos contactos conmutan por la excitación de una bobina, que se
encuentra alrededor de la mencionada ampolla.
36
Relés polarizados o biestables: se componen de una pequeña armadura,
solidaria a un imán permanente. El extremo inferior gira dentro de los
polos de un electroimán, mientras que el otro lleva una cabeza de
contacto. Al excitar el electroimán, se mueve la armadura y provoca el
cierre de los contactos. Si se polariza al revés, el giro será en sentido
contrario, abriendo los contactos ó cerrando otro circuito.
Relé de estado sólido
Se llama relé de estado sólido a un circuito híbrido, normalmente compuesto
por un optoacoplador que aísla la entrada, un circuito de disparo, que detecta
el paso por cero de la corriente de línea y un triac o dispositivo similar que
actúa de interruptor de potencia. Su nombre se debe a la similitud que
presenta con un relé electromecánico; este dispositivo es usado
generalmente para aplicaciones donde se presenta un uso continuo de los
contactos del relé que en comparación con un relé convencional generaría
un serio desgaste mecánico, además de poder conmutar altos amperajes
que en el caso del relé electromecanico destruirian en poco tiempo los
contactos. Estos relés permiten una velocidad de conmutación muy superior
a la de los relés electromecánicos.
37
Relé de corriente alterna
Cuando se excita la bobina de un relé con corriente alterna, el flujo
magnético en el circuito magnético, también es alterno, produciendo una
fuerza pulsante, con frecuencia doble, sobre los contactos. Es decir, los
contactos de un relé conectado a la red, en algunos lugares, como varios
países de Europa y latinoamérica oscilarán a 50 Hz y en otros, como en
Estados Unidos lo harán a 60 Hz. Este hecho se aprovecha en
algunos timbres y zumbadores, como un activador a distancia. En un relé de
corriente alterna se modifica la resonancia de los contactos para que no
oscilen.
Relé de láminas
Este tipo de relé se utilizaba para discriminar distintas frecuencias. Consiste
en un electroimán excitado con la corriente alterna de entrada que atrae
varias varillas sintonizadas para resonar a sendas frecuencias de interés. La
varilla que resuena acciona su contacto; las demás, no. El desarrollo de
la microelectrónica y los PLL integrados ha relegado estos componentes al
olvido.
Los relés de láminas se utilizaron en aeromodelismo y otros sistemas de
telecontrol.
38
Condensador
En electricidad y electrónica, un condensador (del latín "condensare") es un
dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está
formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia
total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van
a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas,
separadas por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un
condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante)
o por el vacío, que, sometidas a unadiferencia de potencial (d.d.p.) adquieren
una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en
la otra (siendo nula la carga total almacenada).
La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de
potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad
la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de
unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un
condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio,
éstas adquieren una carga eléctrica de 1culombio.
La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los
condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en
micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los
condensadores obtenidos a partir de supercondensadores(EDLC) son la
excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área
relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se
consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de
estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una
capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está
utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos .
39
El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente
fórmula:
en donde:
C: Capacitancia
Q1: Carga eléctrica almacenada en la placa 1.
V1 − V2: Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2.
Nótese que en la definición de capacidad es indiferente
que se considere la carga de la placa positiva o la de la
negativa, ya que
Aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.
En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras
como la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen
condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas
por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido
de aluminio obtenido por medio de la electrólisis.
40
Resistencia (Resistor)
Se denomina resistor al componente electrónico diseñado para introducir
una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. En el
propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos simplemente
como resistencias. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc.,
los resistores se emplean para producir calor aprovechando el efecto Joule.
Es un material formado por carbón y otros elementos resistivos para
disminuir la corriente que pasa. Se opone al paso de la corriente.
Lacorriente máxima en un resistor viene condicionado por la
máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede
identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra
indicación. Los valores más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.
Existen resistencias de valor variable, que reciben el nombre
de potenciómetros.
Los resistores se utilizan en los circuitos para limitar el valor de la corriente o
para fijar el valor de la tensión.
41
Transformador
Se denomina transformador o trafo (abreviatura), a un dispositivo
eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico
decorriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al
equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual
a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño
porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna
de un cierto nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por
medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más
bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general
enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La
única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que
se establece en el núcleo.
Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la
inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por
dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro
silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según
correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente.
También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede
existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
42
Funcionamiento
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las
variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo
magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo
magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de
una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.
Relación de transformación
La relación de transformación nos indica el aumento ó decremento que sufre
el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto
quiere decir, por cada volt de entrada cuántos volts hay en la salida del
transformador.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al
devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el
secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los
devanados primario (Np) y secundario (Ns) .
La razón de la transformación (m) del voltaje entre el bobinado primario
y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga
cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del
primario, en el secundario habrá el triple de tensión.
43
Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs)
es la tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la
corriente en el devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente
en el devanado secundario ó corriente de salida.
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al
poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se
disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los
conductores.
Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que
el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se
obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior,
como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o
espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del
transformador o relación de transformación.
Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un
transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario, el
producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser
constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el
primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una
centésima parte).
44
Diodo
Un diodo es un dispositivo de dos terminales que permite el paso de
la corriente en una sola dirección. Este término generalmente se usa para
referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad. Este es una
pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricas.
El diodo de alto vacío (actualmente ya no se usa excepto para tecnologías de
alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina
como ánodo y un cátodo.
De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos
regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un
circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado
con una resistencia eléctrica muy pequeña.Debido a este comportamiento,
se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de
suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir
una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento
está basado en los experimentos de Lee De Forest.
Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también
llamados válvulas termoiónicas constituídos por dos electrodos rodeados de
vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas
incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose
Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones
realizadas por Thomas Alva Edison.
45
Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen
un filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por
efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al
calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos
electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada
positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente,
si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los
circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las
válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban
con mucha facilidad.
46
Transistor
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple
funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término
"transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de
transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los
aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras,
reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras,
automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo,
computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de
rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.
Tipos De Transistores
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple
funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término
"transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de
transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los
aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras,
reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras,
automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo,
computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de
rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.
47
Transistor de contacto puntual
Llamado también transistor de punta de contacto, fue el primer transistor
capaz de obtener ganancia, inventado en 1947 por J. Bardeen y W. Brattain.
Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor
conocido que la combinación cobre-óxido de cobre, sobre la que se apoyan,
muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La
corriente de base es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el
colector, de ahí el nombre de "transfer resistor". Se basa en efectos de
superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se
ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin
embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su
mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.
Transistor de unión bipolar
El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica
básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de galio,
que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio
entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre
el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos
de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos
uniones NP.
La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la
zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se
utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In),Aluminio (Al) o Galio (Ga)
y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo (P).
48
La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o
NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la
base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y
de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por
lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).
El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá
de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología
de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento
cuántico de la unión.
Transistor de unión unipolar o de efecto de campo
El transistor de unión unipolar, también llamado de efecto de campo de unión
(JFET), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma
una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los
terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un
transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden
dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre
sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor
y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y
conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que
llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial
negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la
conducción en el canal.
El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla
la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.
49
Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una
unión PN.
Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la
compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.
Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa
Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y
está separada del canal semiconductor por una capa de óxido.
Fototransistor
Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética en
frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente
puede ser regulado por medio de la luz incidente. Un fototransistor es, en
esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2
maneras diferentes:
- Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común).
- Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las
veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).
50
Referencias Bibliográficas.
Roberto, V. (2002) Programa de ahorro de energía eléctrica.[Documento En Línea] Disponible en:
http://www.monografias.com/trabajos13/anaco/anaco2.shtml [Consulta: 2010, Noviembre]
Jorge, Flores. V. (2009) Detector de oscuridad para encender luces [Documento En Línea] Disponible en:http://jorgefloresvergaray.blogspot.com/2009/10/detector-de-oscuridad-para-encender.html [Consulta: 2010, Noviembre]
García, J. (2004), Aplicación Del Circuito integrado 555. Disponible en: http://juanfmunoz.wordpress.com/2008/08/04/practical-aplicacion-del-circuito-inteqrado-555-semaforo/ [2009, noviembre 14]
Ernesto H. (2009), Transistores BJT como interruptores.. Disponible www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_electrica_y_electronica/transist ores/default4.asp [2011, febrero16]
Alfonso. (2007), HISTORIA DE LA ELECTRICIDAD, mundo eléctrico. (Documento). Disponible: http://vizzioelectric.bloaspot.com/2007/08/historia-de-la-electricidad.html [consulta: 2011, marzo 13]
Graf R. (2009), Funcionamiento RELE (Documento): http://es.wikipedia.org/wiki/Relé [consulta: 2011, febrero 10]
Edgar S. (2009 ) Curso Electrónica elemental ( Documento) http://eurekasa.com/elektronitutoriales/electrE.htm [ Consulta: 2011- 04-03]
51
Anexos.
Planos Del Dispositivo:
52
