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guias:iniciacion_a_la_electronica

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guias:iniciacion_a_la_electronica [2019/08/03 21:03]
Jose Manuel Mariño Mariño [2.- La Ley de Ohm (no, no vamos a hacer meditación).]
guias:iniciacion_a_la_electronica [2020/04/12 17:34] (actual)
Jose Manuel Mariño Mariño [6.7.- Comportamiento de un condensador en continua.]
Línea 223: Línea 223:
  
 ===== 3.- Energía y potencia eléctrica. ===== ===== 3.- Energía y potencia eléctrica. =====
 +
 +La definición que se da en física a la energía es "la capacidad para realizar un trabajo"​. Debido a ello, los términos trabajo y energía se confunden a veces, ya que se miden en las mismas unidades. El trabajo realizado sobre un sistema equivale siempre a la energía que se aporta al sistema. Si es el sistema el que realiza un trabajo, significa que cede energía al entorno.
 +
 +Las unidad de energía del sistema internacional es el **julio (J)**.
 +
 +En cuanto a la potencia, no es más que la cantidad de energía que se aporta o que se recibe de un sistema por unidad de tiempo. Energía y potencia están relacionados,​ pero no son lo mismo. Podemos tener mucha potencia durante un breve periodo de tiempo, con lo que la energía total será pequeña, y podemos tener una potencia baja pero durante mucho tiempo, en cuyo caso la energía total no será despreciable. Si subimos nuestro Arduino muy poco a poco, estaremos desarrollando una potencia baja. Si lo hacemos rápidamente la potencia será mayor. Pero en ambos casos la energía aportada al Arduino será la misma.
 +
 +La expresión matemática para la potencia será entonces:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +P = E / t
 +</​WRAP>​
 +
 +, siendo **E** la variación de energía de un sistema, o bien el trabajo realizado sobre él.
 +
 +La unidad de potencia del sistema internacional es el **vatio (W)**.
 +
 +
 +Vamos a ver qué es la energía en un escenario de mecánica clásica. ¿Recordáis ese Arduino UNO que se caía desde lo alto del armario? Pues ese Arduino pierde energía potencial durante su caída, que se va convirtiendo en energía cinética (velocidad). Al llegar al suelo, esa energía cinética se emplea en realizar un trabajo: seguramente el Arduino haya sufrido alguna fractura, o alguna pieza se habrá deformado, e incluso una parte de la energía se habrá disipado en forma de calor.
 +
 +Podemos decir que la energía potencial perdida por el Arduino se ha empleado en realizar un trabajo (romper algo, doblar un pin, etc...).
 +
 +De la misma forma, cuando cogemos el Arduino del suelo y lo subimos de nuevo al armario estamos realizando un trabajo sobre él. Este trabajo que realizamos sobre el Arduino le aporta energía al mismo. ¿Qué tipo de energía? Pues energía potencial, ya que lo estamos trasladando desde el suelo hasta una posición más elevada. Más concretamente,​ la energía que le hemos aportado equivale al peso del Arduino (en Newtons) multiplicado por la altura a la que lo subamos.
 +
 +Resumiendo:
 +  * Realizamos un trabajo sobre el Arduino -> El Arduino aumenta su energía.
 +  * El Arduino realiza un trabajo (al caer) -> El Arduino reduce su energía.
 +
 +Si hablamos de la electricidad,​ lo que tenemos son cargas eléctricas moviéndose entre dos puntos de diferente potencial, pero la analogía es la misma. Una carga libre se moverá hacia el punto donde su potencial sea menor, y durante el proceso cederá energía al entorno. Si lo que queremos es que las cargas se muevan a puntos donde su energía potencial sea mayor, lo que hay que hacer es aportarles esa energía realizando un trabajo sobre ellas.
 +
 +Cuantas más cargas se muevan de un punto a otro, más energía liberarán (o más energía habrá que aportarles, dependiendo de en qué sentido queremos que se muevan).
 +Dicho de otro modo, la cantidad de energía implicada en un lapso de tiempo concreto será directamente proporcional a la cantidad de cargas que se muevan en ese intervalo de tiempo, y también será directamente proporcional al salto de potencial que experimenten dichas cargas.
 +
 +Mmmmm.... Analicemos con un poco más de calma lo que acabamos de decir:
 +  * La cantidad de energía por intervalo de tiempo no es más que la definición de **potencia**.
 +  * La cantidad de cargas por intervalo de tiempo no es más que la definición de **intensidad eléctrica**.
 +  * El salto de potencial que experimentan dichas cargas no es más que el **voltaje** o diferencia de potencial que experimentan las cargas.
 +
 +Por lo tanto, la expresión de la potencia eléctrica que nos queda es así de simple:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +P = V · I
 +</​WRAP>​
 +
 +Las unidades en las que se mide la energía, como ya hemos dicho antes, son los **vatios (W)**. Si lo que queremos es conocer la cantidad de energía, necesitamos saber la cantidad de tiempo durante la cual se desarrolla esa potencia, y no tenemos más que realizar la multiplicación:​
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +E = P · t
 +</​WRAP>​
 +
 +Esta última fórmula es la misma que hemos dado antes para la potencia, pero ahora hemos despejado el término de la energía. Si la potencia era la energía por unidad de tiempo, la energía se puede definir como la potencia multiplicada por el tiempo.
 +
 +En electricidad,​ lo más habitual es hablar de energía no en julios, sino en **vatios·hora (W·h, o Wh)**. O más bien en su múltiplo, los **kilovatios·hora (KW·h, o KWh)**.
 +
 +Fijémonos muy bien en estas unidades, porque es muy frecuente interpretarlas mal:
 +  * Se leen como "​vatios hora" o "​kilovatios hora", y no "​vatios por hora" o "​kilovatios por hora".
 +  * Se escriben con un signo de multiplicación (W·h, KW·h) -aunque se puede omitir-, y no de división (W/h, KW/h).
 +
 +Insistimos:
 +  * "​kilovatios hora": BIEN
 +  * "​kilovatios por hora": MAL
 +  * "​KWh":​ BIEN
 +  * "​KW/​h":​ MAL
  
  
Línea 228: Línea 291:
  
 ===== 4.- La resistencia. ===== ===== 4.- La resistencia. =====
 +
 +Ya hemos hablado antes de la resistencia eléctrica, así que no vamos a contar aquí nada nuevo. El fenómeno de la resistencia eléctrica es la oposición que muestran los diferentes materiales al paso de la corriente eléctrica.
 +
 +Una resistencia convierte la energía eléctrica en calor. Así de simple. Hay ocasiones en las que eso es precisamente lo que queremos: calor. Pensemos en una estufa, o una plancha, o una cocina. Seguro que se os ocurren más casos.
 +
 +Las resistencias,​ como componentes de un circuito electrónico,​ son elementos destinados a ofrecer la oposición necesaria para conseguir que la intensidad que recorre el circuito sea la que nosotros queramos o necesitemos. Energéticamente son un desastre, ya que no obtenemos de ellas ningún rendimiento (todo se pierde en calor). Pero las resistencias son algo necesario, ya que nos permite polarizar (veremos qué significa esto más adelante) correctamente los componentes activos (como los transistores) que necesitan funcionar bajo una intensidad de corriente determinada. Y sí, lo habéis adivinado: nosotros conseguimos la intensidad necesaria eligiendo la resistencia adecuada.
 +
 +Pero no adelantemos acontecimientos y veamos cómo se comportan las resistencias,​ y sobre todo, cómo se comportan los grupos de resistencias cuando las conectamos entre sí.
  
  
 ==== 4.1.- Resistencia equivalente en serie. ==== ==== 4.1.- Resistencia equivalente en serie. ====
  
 +[poner aquí un circuito serie con dos resistencias]
  
 +En la figura de arriba podemos ver un circuito serie de dos resistencias. ¿Por qué se llama "en serie"?​ Pues porque una resistencia está conectada a continuación de la otra, en cadena (en otras palabras: en serie). Tampoco hay que ser muy listo, vamos.
 +
 +Veamos qué podemos deducir de este tipo de circuitos:
 +  * La corriente que atraviesa una resistencia es la misma que atraviesa la otra. Efectivamente,​ si un extremo de la primera resistencia está unido solamente a la segunda, la corriente que sale de ese extremo no tiene más sitios por donde circular y el resultado es que la intensidad que atraviesa ambas resistencias será la misma.
 +  * La suma de las tensiones de cada resistencia es igual a la tensión total aplicada al circuito. Como podemos ver en el esquema, la tensión de la batería se aplica a los extremos de la cadena, luego la suma de tensiones parciales de cada una de las resistencias tiene que ser igual a la tensión que estamos aplicando al conjunto.
 +
 +Tenemos claro que la intensidad es la misma en las dos resistencias,​ ¿no?.
 +Pues entonces podemos decir que:
 +
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +I = I<​sub>​A</​sub>​ = I<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +, o dicho de otra forma, que la intensidad que recorre el circuito es la que recorre cualquiera de las dos resistencias.
 +
 +¿Cuál será la tensión presente en cada una de las resistencias?​ No tenemos más que aplicar la Ley de Ohm:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +V<​sub>​A</​sub>​ = I<​sub>​A</​sub>​ · R<​sub>​A</​sub>​
 +
 +V<​sub>​B</​sub>​ = I<​sub>​B</​sub>​ · R<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +, pero hemos dicho que la intensidad es la misma para las dos resistencias,​ luego:
 +
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +V<​sub>​A</​sub>​ = I · R<​sub>​A</​sub>​
 +
 +V<​sub>​B</​sub>​ = I · R<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +
 +, y además sabemos que la suma de las tensiones parciales debe ser igual a la tensión total, luego podemos decir que:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +V = V<​sub>​A</​sub>​ + V<​sub>​B</​sub>​
 +
 +V = I · R<​sub>​A</​sub>​ + I · R<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +, y si sacamos factor común de la expresión anterior, nos queda que:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +V = I · (R<​sub>​A</​sub>​ + R<​sub>​B</​sub>​)
 +</​WRAP>​
 +
 +
 +Supongamos ahora que ese conjunto de dos resistencias en serie lo sustituimos por una sola resistencia equivalente. Cuando hablamos de resistencia equivalente nos referimos a que si la conectamos a la misma batería, circulará la misma corriente. Por eso se llama equivalente,​ porque se comporta igual.
 +
 +En ese caso, tendríamos que al aplicar la Ley de Ohm a nuestra resistencia equivalente:​
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +V = I · R<​sub>​E</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +
 +Así que ahora no tenemos más que igualar las dos expresiones:​
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +V = I · R<​sub>​E</​sub>​ = I · (R<​sub>​A</​sub>​ + R<​sub>​B</​sub>​)
 +</​WRAP>​
 +
 +
 +, y si de la segunda igualdad eliminamos la intensidad que aparece multiplicando a ambos lados, nos queda:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +R<​sub>​E</​sub>​ = R<​sub>​A</​sub>​ + R<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +, que es la expresión que nos da la resistencia equivalente de dos resistencias en serie.
 ==== 4.2.- Resistencia equivalente en paralelo. ==== ==== 4.2.- Resistencia equivalente en paralelo. ====
  
 +[poner aquí un circuito paralelo con dos resistencias]
 +
 +En la figura de arriba podemos ver un circuito paralelo de dos resistencias. ¿Por qué se llama "en paralelo"?​ Pues porque todas las resistencias están conectadas a los bornes de la batería. Sus bornes están unidos y todas ellas están colocadas paralelamente entre sí. La corriente que sale de la batería se divide en las conexiones y entra en todas las resistencias. De ahí lo de "en paralelo"​.
 +
 +Veamos qué podemos deducir de este tipo de circuitos:
 +  * La tensión o voltaje aplicado a cada una de las resistencias es la misma para todas, que además es la misma que la de la batería. Esto lo podemos deducir directamente del esquema: todas las baterías están conectados a los dos polos o bornes de la batería.
 +  * La intensidad que circula por el circuito es igual a la suma de las intensidades que circulan por cada una de las resistencias. Aunque nos estamos adelantando un poco y aún no hemos hablado de Kirchoff, se puede deducir también del esquema que la corriente que llega desde el polo positivo de la batería al punto de conexión superior se reparte entre las conexiones de las dos resistencias. Luego, a la salida de las resistencias,​ en el punto de conexión inferior, las intensidades se vuelven a sumar y parten hacia el polo negativo de la batería.
 +
 +Tenemos claro que el voltaje es el mismo en las dos resistencias,​ ¿no?.
 +Pues entonces podemos decir que:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +V = V<​sub>​A</​sub>​ = V<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +¿Cuál será la intensidad que circula por cada una de las resistencias?​ No tenemos más que aplicar la Ley de Ohm:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +I<​sub>​A</​sub>​ = V<​sub>​A</​sub>​ / R<​sub>​A</​sub>​
 +
 +I<​sub>​B</​sub>​ = V<​sub>​B</​sub>​ / R<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +, pero hemos dicho que el voltaje es el mismo para las dos resistencias,​ luego:
 +
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +I<​sub>​A</​sub>​ = V / R<​sub>​A</​sub>​
 +
 +I<​sub>​B</​sub>​ = V / R<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +
 +, y además sabemos que la suma de las intensidades de ambas resistencias es igual a la intensidad total que sale de la batería, luego podemos decir que:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +I = I<​sub>​A</​sub>​ + I<​sub>​B</​sub>​
 +
 +I = V / R<​sub>​A</​sub>​ + V / R<​sub>​B</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +, y si sacamos factor común de la expresión anterior, nos queda que:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +I = V / (R<​sub>​A</​sub>​ + R<​sub>​B</​sub>​)
 +</​WRAP>​
 +
 +
 +Supongamos ahora que ese conjunto de dos resistencias en paralelo lo sustituimos por una sola resistencia equivalente.
 +
 +En ese caso, tendríamos que al aplicar la Ley de Ohm a nuestra resistencia equivalente:​
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +I = V / R<​sub>​E</​sub>​
 +</​WRAP>​
 +
 +
 +Así que ahora no tenemos más que igualar las dos expresiones:​
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +I = V / R<​sub>​E</​sub>​ = V / (R<​sub>​A</​sub>​ + R<​sub>​B</​sub>​)
 +</​WRAP>​
 +
 +
 +, y si de la segunda igualdad eliminamos la intensidad que aparece multiplicando a ambos lados, nos queda:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +1 / R<​sub>​E</​sub>​ = 1 / (R<​sub>​A</​sub>​ + R<​sub>​B</​sub>​)
 +</​WRAP>​
 +
 +, que es la expresión que nos da la resistencia equivalente de dos resistencias en paralelo.
  
 ---- ----
Línea 240: Línea 455:
 ===== 5.- Dijimos POCAS matemáticas,​ pero no NINGUNA. Kirchhoff, Thévenin y Norton. ===== ===== 5.- Dijimos POCAS matemáticas,​ pero no NINGUNA. Kirchhoff, Thévenin y Norton. =====
  
-==== 5.1.- Ley de corrientes ​de Kirchhoff. ====+==== 5.1.- Ley de Corrientes ​de Kirchhoff. ====
  
 +Esta es muy fácil. No os preocupéis. A la Ley de Corrientes de Kirchhoff se la conoce también como Ley de Nodos de Kirchhoff, o simplemente Primera Ley de Kirchhoff
  
-==== 5.2.- Ley de tensiones ​de Kirchhoff====+¿Y qué dice esta ley? Pues algo muy fácil de entender: **la suma de las corrientes que entran o salen de un nodo es cero**.
  
 +Dicho de otra forma, aún más fácil de entender: **la suma de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de ese nodo**.
  
 +Cuando hablamos de nodo, nos referimos a una conexión eléctrica. Cuando tenemos varios conductores unidos en un punto, en algunos de ellos la corriente fluirá hacia el punto de unión, y en otros lo hará en sentido contrario, alejándose del punto de unión. Lo que nos dice Kirchhoff es algo que a lo mejor nos parece obvio: el ese nodo o punto de unión no se puede acumular carga, así que la suma de las corrientes que entran al nodo (que viene a ser como una suma de flujos de partículas portadoras de carga) debe ser igual a la suma de las corrientes que salen.
 +
 +Que puede parecer que no tenga mucho mérito esta Ley, pero oye, Kirchhoff se lo curró.
 +==== 5.2.- Ley de Tensiones de Kirchhoff. ====
 +
 +Aaaaaamigoooss... Esta ya no va a ser tan fácil, aunque si lo pensáis un poco también es fácil de entender.
 +
 +La Ley de Tensiones de Kirchhoff, o simplemente Segunda Ley de Kirchhoff (seguramente fue la segunda porque le costó un poco más deducirla), **nos dice que la suma de las tensiones en un circuito cerrado es cero**.
 +
 +A ver, no os asustéis. Ya qué que muchos de vosotros habéis jugado a encender bombillas con pilas y cosas así, y tenéis claro lo que es un circuito cerrado, y las bombillas se encendían cuando se cerraba el circuito, con lo cual la tensión no puede ser cero.
 +
 +Vamos a ver qué es lo que quería decir Kirchhoff con esto de las tensiones que suman cero.
 +
 +¿Os acordáis cuando usábamos la analogía de la altura para explicar lo que era la diferencia de potencial? Pues vamos a volver a ese modelo.
 +Supongamos que somos un pequeño primate en la selva africana, hambriento y a los pies de un platanero. La altura inicial a la que estamos es la del suelo, que podemos equiparar a cero.
 +Ahora vamos a realizar unos cuantos saltos:
 +  * Pegamos un brinco de 2 metros y nos encaramamos al tronco del platanero. Nuestra altura (potencial) se ha incrementado en +2 metros.
 +  * Luego, desde donde estamos, saltamos a la rama más cercana, que está a 3 metros de distancia. Nuestra altura (potencial) ha sufrido una variación de +3 metros, con lo que ahora estamos a 5 metros.
 +  * Después de zamparnos un par de plátanos, vemos otro manojo con mejor pinta en una rama que está cerca, a metro y medio más arriba, y allí que nos vamos. Nuestra altura ha aumentado en +1.5 metros, y ahora estamos a 6.5 metros de altura.
 +  * Una vez satisfechos,​ es hora de bajar del platanero, pero no lo vamos a hacer por donde subimos porque hemos visto una rama que nos viene mejor, y que está 2.5 metros por debajo. Nos descolgamos hasta esa rama con lo cual nuestra altura (recordemos:​ nuestro potencial) ha cambiado en -2.5 metros, y ahora estamos a 4 metros de altura.
 +  * Luego vemos que nos hemos equivocado al elegir la bajada, y que no tenemos otra opción para seguir que descender todo lo que nos queda de un salto, así que bajamos al suelo descendiendo de golpe esos 4 metros. Nuestra altura ha sufrido un incremento de -4 metros, y ahora volvemos a estar a 0 metros del suelo. Es decir, en el mismo punto donde estábamos.
 +
 +Si sumamos todos los incrementos,​ tenemos que 2 + 3 + (-1.5) + (-2.5) + (-4) = 0, o lo que es lo mismo, dado que salimos del suelo y hemos vuelto al suelo, la suma de los incrementos parciales forzosamente tiene que ser cero.
 +
 +(Vale, en este momento estáis pensando que Kirchhoff era una reencarnación del Capitán Obvio. Paciencia)
 +
 +Traslademos ahora el ejemplo al circuito eléctrico de la figura siguiente:
 +
 +[[[[[PONER IMAGEN AQUI DE UN CIRCUITO CON VARIAS RESISTENCIAS EN SERIE]]]]]]]
 +
 +Supongamos que somos un electrón que sale del borne negativo de la batería. Nuestra posición inicial, por lo tanto, es una en la que nuestro potencial es de 0 voltios. En el circuito circula una corriente determinada,​ dado que es un circuito cerrado, y en cada resistencia habrá una diferencia de potencial entre sus extremos.
 +  * Pues bien, comenzamos a circular por el circuito y cruzamos la primera resistencia,​ llegando al punto A. Como entre los terminales de la resistencia R<​sub>​1</​sub>​ hay una diferencia de potencial de V<​sub>​1</​sub>​ voltios, nuestro potencial ha sufrido un aumento de precisamente esos V<​sub>​1</​sub>​ voltios.
 +  * Seguimos circulando por el circuito y atravesamos la segunda resistencia,​ llegando al punto B. Como entre los extremos de la resistencia R<​sub>​2</​sub>​ hay una diferencia de potencial de V<​sub>​2</​sub>​ voltios, nuestro potencial ha sufrido un incremento idéntico, y ahora estamos a un potencial de V<​sub>​1</​sub>​+V<​sub>​2</​sub>​.
 +  * Seguimos caminando, porque somos un electrón al que le gusta el senderismo, y cruzamos la tercera resistencia. Nuestro potencial sufre otro incremento y ahora estamos a V<​sub>​1</​sub>​+V<​sub>​2</​sub>​+V<​sub>​3</​sub>​.
 +  * Ya está, ¿no? Hemos llegado a lo mas alto del circuito. Ya estamos al potencial más alto, que es el de la batería. ¿Qué dices ahora, eh, Kirchhoff? ¿Dónde está tu dios?
 +  * No tan rápido, amigüitos. La Ley de Tensiones de Kirchhoff dice que debemos recorrer un circuito cerrado, y nosotros no lo hemos hecho.
 +  * Debemos seguir caminando y atravesar la batería. En este caso, cruzamos la batería entrando por el polo positivo (de mayor potencial) y saliendo por el negativo, con lo que nuestro incremento de potencial esta vez es negativo. Ahora nuestro potencial será de V<​sub>​1</​sub>​+V<​sub>​2</​sub>​+V<​sub>​3</​sub>​-V<​sub>​bat</​sub>​.
 +Ahora sí que hemos llegado al punto de partida. Aquí es donde podemos aplicar la Segunda Ley de Kirchhoff, con lo que nos queda:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +V<​sub>​1</​sub>​ + V<​sub>​2</​sub>​ + V<​sub>​3</​sub>​ - V<​sub>​bat</​sub>​ = 0
 +</​WRAP>​
 +
 +Y a esto es a lo que se refería el bueno de Kirch.
 ==== 5.3.- Teorema de Thévenin. ==== ==== 5.3.- Teorema de Thévenin. ====
 +
 +Mientras vamos redactando este minicurso, no tenemos muy claro si realmente es necesario explicar este teorema, pero lo dejamos por aquí por si acaso.
 +
 +El amigo Thévenin nos dice que dado un circuito lineal (se refiere a que sus componentes tienen un comportamiento lineal, no que a estén conectados en línea) que esté conectado entre dos puntos A y B, se puede sustituir por un circuito simple formado tan solo por una fuente de tensión constante y una resistencia en serie.
 +
 +Dicho de otra forma, podemos sustuir un circuito entre dos puntos A y B, por enrevesado que sea, y usar un modelo simplificado que conste tan solo de una fuente de tensión y una resistencia. De puertas afuera, es decir, visto desde esos dos puntos A y B, el circuito simplificado se comportará exactamente igual que el circuito original.
 +
 +
 +¿De qué nos sirve esto? Pues para muchas cosas, pero lo mejor es que lo veáis con un ejemplo. Cuando alguien diseña un amplificador y desea dar sus características,​ nos dice cuál es su impedancia de entrada y su impedancia de salida. Con esos datos ya sabemos cómo se comportará el amplificador cuando le conectemos un micrófono concreto y un altavoz concreto. No es necesario que nos den el detalle de cómo es el circuito interno, sino que aplicando el Teorema de Thévenin, nos basta con saber cuál es la resistencia que "se ve" desde la conexión de entrada y desde la conexión de salida.
 +
 +El Teorema de Thévenin no se limita a resistencias,​ aunque puede que lo veamos más adelante. En un circuito con resistencias,​ bobinas y/o condensadores,​ su equivalente Thévenin tendrá una fuente de tensión constante y una impedancia en serie (aún no hemos visto lo que es una impedancia, pero es la resistencia equivalente de un circuito que tenga bobinas y/o condensadores).
  
  
 ==== 5.4.- Teorema de Norton. ==== ==== 5.4.- Teorema de Norton. ====
  
 +El Teorema de Norton es el complemento del Teorema de Thévenin, solo que el amigo Norton asegura que **un circuito se puede sustituir por otro equivalente que esté compuesta por una fuente de corriente constante y una resistencia en paralelo**.
 +
 +Ambos teoremas dicen lo mismo: que cualquier circuito lineal puede ser reducido a un circuito equivalente y simplificado. A Thévenin le gustaban más las fuentes de tensión constante, y a Norton le iban más las fuentes de corriente constante. Nada más.
  
 ---- ----
Línea 258: Línea 533:
  
 ==== 6.1.- ¿Qué es un condensador?​ ==== ==== 6.1.- ¿Qué es un condensador?​ ====
 +
 +Un **condensador** es un dispositivo pasivo eléctrico que es capaz de **almacenar energía eléctrica en forma de campo eléctrico**. Se dice que los condensadores almacenan carga eléctrica aunque si nos ponemos exquisitos eso no es cierto, ya que el condensador en conjunto siempre va a tener una carga total neutra. A pesar de ello, se usa muchísimo la expresión de "​almacenar carga" ya que sirve para entender su funcionamiento en un circuito eléctrico.
 +
 +Un condensador se compone simplemente de dos conductores en forma de placa enfrentados y aislados entre sí por un material dieléctrico. Cuando conectamos los terminales del condensador a una batería, entre sus placas se establece un campo eléctrico, con cargas negativas y positivas concentradas en cada uno de sus electrodos (pero ojo, que la carga total del condensador sigue siendo neutra). Cuando hablamos de la carga o de la descarga de un condensador no estamos diciendo que el condensador pase a contener carga eléctrica ya que su carga siempre será neutra. Lo que ocurre es que el condensador se carga de energía haciendo que sus electrodos se carguen ambos con la misma carga pero de signo contario. La suma de la carga de ambos electrodos siempre será cero.
 +
 +La capacidad de un condensador depende directamente de la superficie de sus dos electrodos, e inversamente a la distancia que los separa. Para aumentar la capacidad de un condensador podemos aumentar dicha superficie, reducir su separación,​ o ambas cosas. Además, también influye el material usado como dieléctrico. Un condensador que utilice como dieléctrico láminas de polietileno tendrá 2,25 veces la capacidad que tendría si sólo utilizase el aire como aislante.
 +
 +La unidad de capacidad de los condensadores es el **Faradio (F)**, aunque esta es una unidad muuuuuy grande para los condensadores que podemos utilizar normalmente,​ y lo más habitual es trabajar con condensadores cuya capacidad sea una fracción de la misma:
 +
 +  * 1 milifaradio (mF) = 0.001 F = 10<​sup>​-3</​sup>​ F
 +  * 1 microfaradio (μF) = 0.001 mF = 10<​sup>​-6</​sup>​ F
 +  * 1 nanofaradio (nF) = 0.001 μF = 10<​sup>​-9</​sup>​ F
 +  * 1 picofaradio (pF) = 0.001 nF = 10<​sup>​-12</​sup>​ F
 +
 +Dependiendo de la tecnología de fabricación,​ existen condensadores **no polarizados**,​ esto es, cuyos terminales se pueden conectar indistintamente a la parte positiva o a la negativa de un circuito; mientras que otros tipos de condensadores (los electrolíticos son los principales) son **polarizados**,​ o dicho de otra forma, uno de sus terminales debe ir conectado a la parte positiva y el otro a la negativa y no pueden ser intercambiados si no queremos destruir el condensador (y disfrutar de un bonito "​¡¡¡pop!!!"​).
 +
 +Pero vamos al meollo.
 +
 +==== 6.2.- Carga de un condensador. ====
 +
 +¿Qué ocurre cuando conectamos un condensador a una batería?
 +
 +En la siguiente figura podemos ver un circuito básico RC donde un condensador C (previamente descargado) se conecta a una batería mediante una resistencia R y un interruptor.
 +
 +[[[[ PONER AQUI EL ESQUEMA RC ]]]]
 +
 +Veamos ahora qué ocurre cuando cerramos el interruptor:​
 +
 +Como el condensador está descargado, la diferencia de potencial entre sus terminales es de 0 voltios.
 +Por lo tanto, en el mismo instante en que cerramos el interruptor,​ la corriente que comienza a circular es de V/R amperios.
 +
 +Pero las placas del condensador están aisladas. ¿Cómo puede circular corriente?
 +Lo que ocurre es que la placa superior va acumulando carga positiva, mientras que la placa inferior acumula carga negativa. Por lo tanto, no es que la corriente atraviese el condensador,​ sino que la misma cantidad de carga en una placa, se genera en forma de carga opuesta en la otra.
 +Esto quizás se comprenda mejor si pensamos en los electrones: los electrones salen del negativo de la batería y llegan a la placa inferior, haciendo que acumule carga negativa. En la placa superior los electrones salen del condensador hacia el positivo de la batería, dejando a la placa donde estaban con carga positiva (la placa era neutra, y al perder electrones se vuelve positiva). Vemos que el efecto es como si circulase corriente a través del condensador,​ aunque realmente lo que hay es un //quito de aquí y pongo allá//.
 +Bueno, prosigamos con lo que estábamos haciendo.
 +
 +  * Habíamos dicho que tras cerrar el interruptor comenzaba a circular una corriente de valor V/R amperios.
 +  * Habíamos dicho también que al circular corriente por el circuito, el condensador se iba cargando.
 +  * Cuando el condensador se carga, un electrodo acumula cargas positivas y el otro cargas negativas, con lo que aparece una diferencia de potencial entre las placas del condensador. Es decir, entre los terminales del condensador aparecerá una tensión V<​sub>​C</​sub>​ que irá creciendo.
 +  * Al aparecer esta diferencia de potencial en el condensador,​ nuestro amigo Krichhoff nos dice que la tensión que habrá en la resistencia será ahora de ( V - V<​sub>​C</​sub>​ ) / R.
 +  * Como podéis ver, la corriente después de un instante es menor que la que había en el momento inicial en que se cerró el interruptor.
 +  * A medida que transcurre el tiempo, la carga en los electrodos del condensador va aumentando, y la tensión entre ellos irá aumentando.
 +  * A medida que el voltaje del condensador aumenta, el de la resistencia disminuye.
 +  * A medida que el voltaje de la resistencia disminuye, la intensidad que circula disminuye.
 +  * A medida que la intensidad disminuye, el condensador sigue cargándose,​ pero **más lentamente**.
 +  * Este comportamiento se repetirá indefinidamente hasta que la tensión en el condensador sea igual que en la batería, o dicho de otra forma, V = V<​sub>​C</​sub>​.
 +  * En ese momento, la intensidad será cero, y el condensador habrá terminado de cargarse.
 +
 +
 +Si representamos la evolución de la tensión e intensidad, nos queda una gráfica tal que así:
 +
 +[[[ PONER AQUÍ UNA GRÁFICA DE CARGA RC ]]]
 +
 +No vamos a entrar en matemáticas demasiado complejas, pero si os fijáis en la gráfica resulta fácil adivinar que la intensidad va disminuyendo indefinidamente pero en realidad nunca llega a desaparecer del todo.
 +
 +Sí, sí, habéis leído bien; la intensidad nunca desaparece del todo. Esto implica que el condensador **nunca acaba de cargarse realmente**. Esto es así porque se trata de una curva exponencial,​ que disminuye indefinidamente pero sin acercarse nunca a su límite. Sin embargo, a efectos prácticos se da por hecho que el condensador está cargado cuando han transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** (no seáis impacientes,​ ya veremos después qué es la constante de tiempo).
 +
 +Una vez desconectemos el condensador ya cargado del circuito, conservará indefinidamente su carga ya que ambos electrodos están aislados eléctricamente entre sí. Bueno, lo de indefinidamente aplicaría si se tratase de un condensador ideal. En la práctica (lo veremos más adelante), los condensadores se van descargando poco a poco debido a las características de los materiales de los que están hechos. Sin embargo, nos pueden dar algún susto si manipulamos condensadores que hace poco que se hayan cargado y que posean un potencial elevado, como los que podemos encontrar en los circuitos de alta tensión de los televisores antiguos (los que usan tubo de rayos catódicos).
 +
 +
 +==== 6.3.- Descarga de un condensador. ====
 +
 +Ahora toca ver qué es lo que ocurre cuando descargamos el condensador. Supongamos que el condensador anterior, bien cargadito a una tensión V, nos lo llevamos a otro circuito como el siguiente:
 +
 +[[[[ PONER AQUI EL CIRCUITO DE DESCARGA RC ]]]]
 +
 +Las condiciones iniciales de nuestro circuito son:
 +V<​sub>​C</​sub>​ = V (porque hemos cargado antes el condensador)
 +I = 0 (porque tenemos el interruptor abierto)
 +
 +Así que accionamos el interruptor,​ y:
 +  * El voltaje en la resistencia en el momento inicial es el que tenía el condensador.
 +  * Por la resistencia comienza a circular una corriente de V/R amperios.
 +  * Al circular corriente por el circuito, las cargas de ambas placas del condensador se van cancelando.
 +  * La energía del condensador disminuye, y por lo tanto la diferencia de potencial que hay entre sus terminales.
 +  * Dado que la tensión en el condensador disminuye, también lo hace el voltaje en la resistencia porque está conectada al condensador.
 +  * Al bajar el voltaje en la resistencia,​ también disminuye la intensidad que circula por ella.
 +  * Al bajar la intensidad que circula por la resistencia,​ el condensador se va descargando cada vez más lentamente.
 +  * Este comportamiento se repetirá indefinidamente hasta que la tensión y la intensidad desaparezcan totalmente, momento en el que el condensador se habrá descargado del todo.
 +
 +Las gráficas de este proceso de descarga serán similares a éstas:
 +
 +
 +[[[ PONER AQUÍ UNA GRÁFICA DE DESCARGA RC ]]]
 +
 +Nuevamente vemos que la curva de descarga tiende a cero, pero matemáticamente nunca llega a ella. En teoría, el condensador nunca se descargará del todo. A efectos prácticos, la descarga estará completa cuando hayan transcurrido 5 veces la **constante de tiempo** del circuito.
 +
 +
 +==== 6.4.- Costante de tiempo de un circuito RC. ====
 +
 +¿Pero qué demonios es eso de la constante de tiempo?
 +
 +La **constante de tiempo de un circuito RC** se conoce como **τ** (letra griega tau) y **equivale al tiempo que tardaría en cargarse/​descargarse el condensador si la intensidad fuese en todo momento la inicial**.
 +Dado que, como ya hemos visto, la intensidad no permanece constante sino que decrece exponencialmente,​ **el tiempo de carga/​descarga de un circuito RC se considera que es de 5τ**, a efectos prácticos (matemáticamente la carga/​descarga no termina nunca).
 +
 +
 +==== 6.5.- Energía almacenada en un condensador. ====
 +
 +Vamos a hablar ahora de la energía. Decíamos al principio que los condensadores no realmente no almacenan carga porque su carga total siempre es neutra, sino que almacenan energía separando las cargas entre sus dos electrodos y estableciendo un campo eléctrico entre ellos. ¿Cuánta energía es capaz de almacenar un condensador?​
 +
 +A medida las placas del condensador se van cargando, se va estableciendo una diferencia de potencial. Debido a esta diferencia de potencial, resulta más difícil seguir cargando el condensador ya que su potencial se opone al sentido de la corriente. Y cuanto más cargado está, mayor es el potencial y más cuesta seguir cargándolo.
 +
 +Seguro que no lo habéis entendido, así que vamos con las analogías, que hace tiempo que no usamos ninguna. Cargar un condensador es como apilar cajas: ponemos la primera en el suelo y apenas nos cuesta trabajo, porque su potencial es cero (está en el suelo), cuando vamos a poner la segunda caja tenemos que colocarla a unos centímetros de altura, así que hemos tenido que realizar una cantidad de trabajo para trasladar esa caja desde el suelo hasta la parte superior de la primera caja. Y sucesivamente,​ conforme vamos aumentando la cantidad de cajas apiladas, cada vez nos cuesta más subir una nueva caja porque la altura a la que tenemos que subirla es mayor. En esta analogía las cajas son la carga eléctrica de cada una de las placas del condensador,​ la altura de la pila es la tensión o voltaje entre placas del condensador,​ y la energía que hemos empleado en apilar las cajas corresponde con la energía almacenada en el condensador.
 +
 +Vamos con otra analogía, que además la usaremos en más ocasiones: el condensador es un depósito de agua, la carga de sus placas es la cantidad de agua que contiene, y el potencial o tensión entre sus terminales es la altura que alcanza el agua contenida. Imaginemos que estamos llenando ese depósito mediante una toma colocada en su extremo inferior. Cuando el depósito está vacío resulta muy fácil meter agua, porque no encontramos resistencia. Pero a medida que el agua va llenando el depósito y a alcanzar cierta altura, genera una presión en la parte inferior que se opone a que sigamos llenándolo,​ o dicho de otra forma, nos cuesta más seguir llenando el depósito cuanto más lleno se encuentre.
 +
 +En esta analogía podemos ver también otra característica de los condensadores que no era tan visible con el ejemplo de las cajas: la anchura del depósito. Para una misma cantidad de agua, la altura de la misma será diferente en función de si el depósito es ancho o estrecho, y la altura que alcance será diferente. La anchura (más concretamente,​ la superficie de su base) equivaldría a la capacidad del condensador.
 +
 +Y podemos decir lo siguiente:
 +A mayor anchura/​capacidad para una misma cantidad de agua/carga la altura/​voltaje es menor, y la cantidad de energía que nos ha costado llenarlo es menor.
 +A mayor anchura/​capacidad para una misma altura/​voltaje,​ la cantidad de agua/carga es mayor, y también es mayor la cantidad de energía que nos ha costado llenarlo.
 +
 +¿Y cuánta energía almacena un condensador?​
 +
 +La cantidad de carga en las placas de un condensador,​ el voltaje presente entre ellas, la capacidad del condensador y la cantidad de energía almacenada se relacionan mediante estas fórmulas:
 +
 +<WRAP center round box 20%>
 +C = Q / V
 +
 +E = 1/2 · C · V<​sup>​2</​sup>​ = 1/2 · Q · V = 1/2 · Q<​sup>​2</​sup>​ / C
 +</​WRAP>​
 +
 +Como podemos deducir de estas expresiones,​ la capacidad de un condensador es directamente proporcional a la carga en sus placas, e inversamente proporcional al potencial entre ellas. Además, la energía acumulada aumenta con el cuadrado del voltaje: un mismo condensador tendrá cuatro veces más energía acumulada si lo cargamos al doble del voltaje.
 +
 +
 +==== 6.6.- El condensador real. ====
 +
 +Como no hay nada perfecto en este mundo, tampoco lo son los condensadores reales. Como ya avisábamos en el capítulo sobre el proceso de carga, si nuestro condensador fuese ideal podríamos guardar el condensador una vez cargado de forma indefinida, y éste conservaría su energía. Pero esto en realidad no es así.
 +
 +Veamos cómo es el circuito equivalente de un condensador real:
 +
 +[[ PONER EL ESQUEMA DE UN CONDENSADOR REAL CON RESISTENCIA SERIE Y RESISTENCIA PARALELO ]]
 +
 +El primer desengaño es que los dos electrodos del condensador no están completamente aislados. Siempre tendremos presente una resistencia parásita conectada entre ellos, que los irá descargando poco a poco. Esto se debe a que el dieléctrico utilizado para mantener separados los electrodos nunca va a ser un aislante perfecto. Aunque muy pequeña, siempre habrá una pequeña corriente eléctrica circulando entre los dos terminales del condensador debido al dieléctrico. Normalmente podemos obviar esta resistencia parásita, ya que como hemos dicho es de valores muy altos y por regla general no es necesario tenerla en cuenta al diseñar nuestros circuitos.
 +
 +La otra resistencia que podemos ver en nuestro condensador real es la resistencia equivalente en serie, o **ESR (Equivalent Series Resistance)**. Esta resistencia sí puede tener cierta relevancia en según qué circuitos. Los electrodos de un condensador no dejan de ser conductores eléctricos,​ y como tales ofrecen una resistencia al paso de la corriente eléctrica. Si bien esta resistencia es baja, a veces puede no ser despreciable. Otras veces no se trata de si la ESR es alta o no, sino de si es comparable a la resistencia que ofrece el propio condensador (esto lo tendremos que ver más adelante, cuando veamos la corriente alterna).
 +
 +Tanto la resistencia parásita en paralelo como la ESR dependen de cómo esté fabricado el condensador. El tipo de dieléctrico,​ el tamaño del condensador,​ la superficie de los electrodos, etc...
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 +Otro aspecto a tener en cuenta, no ya al diseñar, sino al elegir el tipo de condensador que necesitamos,​ es la **tensión de trabajo**. En un condensador real no podemos aplicar la tensión que queramos a los terminales de un condensador,​ porque todo material tiene una tensión de ruptura dieléctrica límite. Dicho de otra forma, más tarde o más temprano, si vamos subiendo la tensión en un condensador llegará un momento en el que saltará una chispa entre ambos electrodos. Eso se debe a que el dieléctrico ya no es capaz de soportar el intenso campo eléctrico que se genera, y sus moléculas se ionizan permitiendo que circule la corriente eléctrica por ellos. Es lo mismo que ocurre cuando cae un rayo durante una tormenta: la tierra y las nubes son los electrodos de un gran condensador,​ y el dieléctrico es el aire; cuando la tensión entre ambos extremos es tan alta que el dieléctrico ya no es capaz de seguir manteniéndolos aislados, salta una chispa (el rayo). En función del tipo de condensador,​ la ruptura del dieléctrico puede suponer la destrucción por completo del componente.
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 +==== 6.7.- Comportamiento de un condensador en continua. ====
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 +Resulta un poco redundante hablar por separado del comportamiento en continua y del comportamiento en alterna de un condensador,​ porque su comportamiento es siempre el mismo. Sin embargo, suele resultar útil asociar alguna analogía que nos ayude a interiorizar la función que cumple el condensador en nuestros circuitos,
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 +Cuando hablamos del comportamiento en continua de un condensador nos referimos a aquellos circuitos en los que su misión es acumular <​del>​carga</​del>​ energía. ¿Y de qué circuitos hablamos? pues por regla general, cuando el condensador va conectado directamente a la alimentación de un circuito.
 +
 +Cuando un condensador está conectado directamente a las líneas de alimentación,​ suele ser por dos razones:
 +  * Porque la alimentación sufre fluctuaciones y necesitamos que el condensador aporte la energía cuando la tensión de alimentación disminuye.
 +  * Porque queremos evitar interferencias o picos rápidos de tensión, y que el condensador estabilice estas fluctuaciones rápidas. Este segundo motivo va muy en línea con el siguiente apartado, donde hablamos del comportamiento en alterna.
 +
 +En cuanto al primero de los motivos anteriores, el uso más típico son los condensadores de filtrado en un circuito de alimentación. Sin pretender adelantar temario, vamos a ver un circuito de rectificación básico, la llamada **rectificación de media onda**:
 +
 +[[ PONER ESQUEMA RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA ]]
 +
 +En el circuito anterior, la misión del condensador es la de almacenar energía en los periodos en los que el diodo conduce, para liberarla en los periodos en los que el diodo no conduce. El condensador hace las veces de "​depósito"​ para que nunca baje el voltaje en el circuito y que la corriente circule siempre. Cuanto mayor sea la capacidad del condensador,​ menor será la bajada de tensión en los periodos en los que el diodo está en **off**. O volviendo al símil del depósito de agua, cuanto mayor sea nuestro depósito, menos bajará el nivel de agua hasta que el diodo vuelva a abrir el grifo.
 +
 +La segunda de las razones que exponíamos antes podrían corresponder con este circuito:
 +
 +[[ PONER ESQUEMA DE UNA FUENTE DE TENSIÓN CON UNA RESISTENCIA EN SERIE, ALIMENTANDO A UN CIRCUITO PERO SIN CONDENSADOR DE FILTRADO ]]
 +
 +En este circuito, la fuente de tensión y la resistencia que tiene conectada en serie pretende representar a un sistema de alimentación cuya capacidad de suministrar corriente es limitada. Decimos que es limitada, porque si aumenta mucho la demanda de corriente, la tensión en sus bornes baja debido a la caída de tensión que origina la resistencia serie.
 +
 +Ahora supongamos que el circuito al que alimentamos tiene un comportamiento por el cual en ciertos momentos se producen picos de corriente elevados. Durante estos picos de corriente la tensión en el circuito bajará considerablemente,​ y eso seguramente hará que nuestro circuito no se comporte correctamente. En estos casos lo que se suele hacer es poner condensadores no ya para estabilizar la tensión, que de por sí podría ser ya estable, sino para poder hacer frente a estos picos de demanda de corriente.
 +
 +El circuito anterior, con el correspondiente condensador,​ quedaría así:
 +
 +[[ PONER ESQUEMA DE UNA FUENTE DE TENSIÓN CON UNA RESISTENCIA EN SERIE, ALIMENTANDO A UN CIRCUITO CON UN CONDENSADOR DE FILTRADO ]]
 +
 +Ahora, cada vez que se produzca un pico de corriente, será el condensador el encargado de suministrarla. La tensión en el condensador bajará, claro, pero lo hará en menor medida que cuando no teníamos ningún condensador. El tiempo entre que ocurre un pico de corriente y el siguiente también deberá ser suficiente para que el condensador recupere la energía perdida, o de lo contrario no serviría de mucho.
  
  
-==== 6.2.- Comportamiento de un condensador en continua. ==== 
  
 +Así que quedémonos con la idea de que usamos los condensadores en continua como reservas de energía, para "​suavizar"​ las fluctuaciones en la tensión de alimentación o para poder hacer frente a picos de corriente que el sistema de alimentación no podría satisfacer.
  
-==== 6.3.- Comportamiento de un condensador en alterna. ====+==== 6.8.- Comportamiento de un condensador en alterna. ====
  
  
-==== 6.4.- Condensador equivalente en serie. ====+==== 6.9.- Condensador equivalente en serie. ====
  
  
-==== 6.5.- Condensador equivalente en paralelo. ====+==== 6.10.- Condensador equivalente en paralelo. ====
  
  
guias/iniciacion_a_la_electronica.1564866221.txt.gz · Última modificación: 2019/08/03 21:03 por Jose Manuel Mariño Mariño