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  • 1. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1
  • 2. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.1 SISTEMA DE UNIDADES  Convenciones:   En Ingeniería se tienen en cuenta convenciones internacionales que conciernen a todo lo referente a normas, metodologías, pruebas, etc. Dentro de estas convenciones se tiene la utilización de sistemas de unidades estándar.   Entre estos sistemas existen dos muy utilizados:    Esto generaliza el lenguaje utilizado y evita errores. Sistema Internacional de unidades (abreviado S.I.). Sistema Inglés de Unidades. En este curso se utilizará el S.I.  Es el mas utilizado en nuestro medio.  Facilidad de uso mediante el sistema decimal para relacionar unidades con su unidad básica. Ventajas del S.I. 2
  • 3. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.1.1 UNIDADES UTILIZADAS EN ELECTRICIDAD Cantidad Nombre Símbolo Frecuencia Hertz Hz Fuerza Newton N Presión Pascal Pa Energía, trabajo, cantidad de calor Joule J Potencia Watt W Carga Eléctrica Coulomb C Diferencia de Potencial, fuerza electromotriz Voltio V Capacitancia Faradio F Resistencia Ohmio Ω Conductancia Siemens S Flujo Magnético Weber W Corriente Amperio A Inductancia Henry H 3
  • 4. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.1.2 ECUACIONES DE MAXWELL  Conjunto de Ecuaciones de Maxwell   Son 4 (originalmente 20) que describen por completo los fenómenos electromagnéticos. Su gran contribución:  Reunir en estas ecuaciones los resultados experimentales debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday, Etc, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto:  El campo electromagnético. James Clark Maxwell 1831-1879 4
  • 5. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.2 DEFINICIONES  Un circuito eléctrico es un grupo de elementos eléctricos conectados de una manera especifica que interactúan entre sí para procesar información o energía en forma eléctrica.   Puede describirse matemáticamente por medio de ecuaciones diferenciales ordinarias, que pueden ser lineales o no lineales y que varían o no en el tiempo. Para definir correctamente un elemento eléctrico se necesita tener en cuenta dos cantidades eléctricas:   Voltaje [V]. Corriente [A]. 5
  • 6. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.2.1 REPRESENTACIÓN DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS  Para representar e interpretar los circuitos eléctricos se utilizan diagramas donde los elementos se encuentran dispuestos horizontal o verticalmente (en la medida de lo posible).  En la figura podemos apreciar que ambos circuitos son exactamente iguales: Fuente de Energía Conectores Carga 6
  • 7. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.3 CARGA Y CORRIENTE ELÉCTRICA  La carga es la unidad fundamental de la energía eléctrica y es indivisible.  Existen dos tipos de carga:    Negativa, la cual se denomina electrón. Positiva que se denomina protón. También existe un elemento neutro el cual se llama neutrón.   En la naturaleza se pueden encontrar electrones libres como cargas negativas (no así protones libres), la carga positiva en forma natural se denomina ión y es un átomo al cual le falta uno o varios electrones. En condiciones normales la materia es eléctricamente neutra, esto cambia cuando las partículas empiezan a ceder o ganar electrones, cargándose positivamente en el primer caso y negativamente en el segundo. 7
  • 8. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.3.1 UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA  El símbolo de la carga es “Q” (cuando la carga es constante) o “q” (cuando varía en el tiempo).  La unidad de carga es el coulomb denotado por la letra C.  El electrón es la unidad de carga elemental y tiene un valor de:   e- = 1.602 x 10-19 C El propósito fundamental de un circuito eléctrico es mover o transferir cargas a lo largo de trayectorias específicas.  Este movimiento constituye una corriente eléctrica.  Cuando cargas (electrones libres) se mueven a través de los átomos que componen la red cristalina de un elemento desde un punto hasta otro, se dice que a través de este elemento esta pasando una corriente eléctrica.  La corriente eléctrica es el flujo o movimiento de partículas cargadas en una dirección determinada, si la carga es transferida a razón de 1 coulomb por segundo se dice que la intensidad de la corriente es de 1 amperio.  En forma general la intensidad instantánea de corriente es igual a:  i(t) = dq/dt Corriente eléctrica = flujo de electrones 8
  • 9. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.3.2 CONVENCIÓN DE SIGNOS  El sentido positivo de la corriente  sentido de las cargas positivas.  Esto se debe a que al principio de las investigaciones sobre electricidad se pensaba que la corriente viajaba de lo positivo hacia lo negativo, ahora sabemos que en los conductores metálicos la corriente es el movimiento de los electrones que son atraídos fuera de sus órbitas, contrario a lo que se había establecido, pero se optó por esta convención por ser la aceptada en los textos de análisis de circuitos.  Observemos la imagen donde se muestran dos corrientes equivalentes:    Izquierda: corriente que tiene sentido contrario al de la convención ya que las cargas tienen un movimiento que parte de un terminal positivo a uno negativo, esta es la forma en que se mueven los electrones, por lo tanto esta corriente tiene un valor negativo. Derecha: se tiene una corriente que va de un terminal positivo a uno negativo por lo tanto esta corriente cumple con la convención y tiene un valor positivo. La corriente se representa por una letra:   i (variable en el tiempo). I (constante en el tiempo). además se debe trazar una flecha que identifique el sentido de la corriente 9
  • 10. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.3.3 TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA 10
  • 11. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.4 ENERGÍA, VOLTAJE Y POTENCIA  Para mover las cargas en un conductor como una corriente eléctrica es necesario aplicar una fuerza externa llamada fuerza electromotriz (F.E.M.), así se ejerce un trabajo sobre las cargas.  La diferencia de potencial o voltaje en un campo eléctrico es el trabajo o energía necesaria para mover una carga eléctrica de un punto a otro en contra o a favor de las fuerzas del campo donde esta se encuentra:  Tensión o voltaje = trabajo/unidad de carga = joules/coulombs = voltios  Para representar un voltaje se tomará la letra V o v de la misma manera que se tomo para las cargas (V para voltajes constantes y v para los que varíen en el tiempo), tomándose también una convención de polaridad.  Se puede decir que la terminal positiva son v voltios mayor que la terminal negativa.  También se puede decir que ocurre una caída de voltaje cuando la carga se mueve del terminal positivo al negativo y una elevación en caso contrario. Voltaje Ξ Presión Ξ Fuerza 1 voltio es el trabajo de 1 joule al desplazar 1 coulomb de carga de un punto a otro 11
  • 12. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.4.1 ENERGÍA  Para poder mover la carga a través de un elemento se necesita suministrar energía.    Para saber si el elemento en cuestión es el que esta suministrando la energía o la esta absorbiendo del circuito, es necesario saber la polaridad del voltaje sobre el elemento y la dirección de la corriente que pasa a través de el. A partir de estos dos parámetros podemos decir que un elemento suministra energía cuando la corriente entra por el terminal negativo y esta absorbiendo energía cuando entra por el terminal positivo. Considerando la energía que el elemento entrega o absorbe del circuito, se puede decir que si tenemos un voltaje v sobre un elemento y que a través de este, cruza o se mueve una carga ∆q desde la terminal positiva hacia la negativa, entonces la energía absorbida por el elemento, seria definida como:  ∆ w=v*∆q Fuente Carga Medidor de Energía: kW-hr 12
  • 13. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.4.2 POTENCIA  Si el tiempo transcurrido es ∆t, entonces el cambio con respecto al tiempo de la energía absorbida por este se puede expresar de la siguiente forma:  O bien:  Dado que la definición de la razón de cambio del consumo de energía es la potencia, entonces podemos decir que la potencia p es igual a:  Las cantidades v e i son comúnmente funciones del tiempo, por lo tanto la potencia también es una cantidad variante en el tiempo.   La potencia instantánea es la que se tiene el instante en que se miden v e i. Si cambia ya sea la polaridad del voltaje o la dirección de la corriente, el elemento estaría entregando potencia en vez de recibirla. Potencia [Watts] = Voltaje [Voltios] * Corriente [Amperios] 13
  • 14. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.5 CONVENCIÓN PASIVA DE SIGNOS  El comportamiento de un elemento por el flujo de energía, depende de la clase de elemento de que se trate.   Como ejemplo las resistencias devuelven al instante esta potencia en forma de calor que es liberado al aire, algunas fuentes como las baterías, transforman esta potencia en energía química que es almacenada. Si el valor de potencia asociado a algún elemento resulta negativo, indica que este elemento esta entregando energía al circuito al cual se encuentra conectado.  Ejemplo, un auto al momento de arrancar.   La batería se encuentra entregando energía al circuito eléctrico de arranque, la potencia es negativa. La potencia asociada al motor eléctrico es positiva. 14
  • 15. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.5.1 EJEMPLO DE CONVENCIÓN DE SIGNOS  En la imagen se puede observar cuatro tipos diferentes de relaciones corriente – voltaje.   En (a), el elemento esta absorbiendo energía, una corriente esta entrando por la terminal positiva, o lo que es lo mismo, una corriente esta saliendo por una terminal negativa. En (b) una corriente esta entrando por una terminal negativa o saliendo por una terminal positiva, este elemento está entregando energía en ambos casos: 15
  • 16. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.6 ELEMENTOS DE LOS CIRCUITOS  Un circuito eléctrico posee básicamente 2 tipos de elementos:  Elementos activos:     Un elemento es activo, si es capaz de generar o entregar energía. Dentro de las fuentes más conocidas de energía se encuentran las baterías y los generadores. Matemáticamente un elemento activo debe cumplir la siguiente relación: Elementos pasivos:    Un elemento es pasivo, si es capaz de recibir o absorber potencia. El mejor ejemplo es la resistencia. Matemáticamente un elemento pasivo debe cumplir con la siguiente relación: Elemento activo  Genera energía…Elemento pasivo  Absorbe energía 16
  • 17. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.6.1 FUENTES INDEPENDIENTES  Una fuente es un elemento activo que suministra energía, por lo tanto una fuente ideal es aquella que es independiente de cualquier otra variable.  Una fuente verdaderamente independiente no es físicamente realizable, pero su modelo es de gran utilidad.  Existen 2 tipos de fuentes independientes:   Fuentes de voltaje. Fuentes de corriente. 17
  • 18. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.6.1.1 FUENTE INDEPENDIENTE DE VOLTAJE  En este elemento, el voltaje es independiente de la corriente que pasa por sus terminales.  La terminal superior es V0 voltios positivo respecto a la inferior, en teoría entrega potencia infinita. Las fuentes de voltaje son las de mayor uso 18
  • 19. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.6.1.2 FUENTE INDEPENDIENTE DE CORRIENTE  En este elemento, la corriente que circula a través de la fuente, es completamente independiente del voltaje.  La flecha indica la dirección de la corriente, y en teoría entregará una potencia infinita. 19
  • 20. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.6.2 FUENTES DEPENDIENTES  Su valor esta determinado por un voltaje o corriente, presente en algún otro lugar del circuito eléctrico.  Este elemento se encuentra en muchos circuitos electrónicos.  Son elementos activos ya que pueden entregar potencia. 20
  • 21. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.6.2.1 FUENTE DEPENDIENTE DE VOLTAJE  Una fuente dependiente de voltaje es una fuente en la que el voltaje entre sus terminales esta determinado por un voltaje o una corriente que existe en otro lugar del circuito.  Fuente de voltaje controlada por voltaje: (FVCV).  Fuente de voltaje controlada por corriente: (FVCC).  La variable controlante x, puede ser tanto una corriente como un voltaje. 21
  • 22. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.6.2.2 FUENTE DEPENDIENTE DE CORRIENTE  Una fuente dependiente de corriente es una fuente en la que la corriente entre sus terminales, esta determinada por una corriente o un voltaje que existe en otro lugar del circuito.  Fuente de corriente controlada por voltaje: (FCCV).  Fuente de corriente controlada por corriente: (FCCC). 22
  • 23. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.6.3 RESUMEN FUENTES No dependendientes y dependientes de otros elementos activos 23
  • 24. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.6.4 EQUIVALENCIA ENTRE FUENTES DE TENSIÓN Y CORRIENTE  Es posible convertir una fuente de tensión real a una fuente de corriente real, mediante la siguiente relación:  Voltaje de la “fuente de tensión”:   Vft = Ifc * R Corriente de la “fuente de corriente”:  Ifc = Vft / R Transformación de fuente de tensión a fuente de corriente y viceversa Para simplificación de circuitos se puede transformar de un tipo de fuente a otro 24
  • 25. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.7 APLICACIONES PRÁCTICAS oJo con el conector!! Generación de Electricidad  Electrónica  Analógica y Digital 25
  • 26. Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. Circuitos Eléctricos 1.8 RECOMENDACIONES  Cualquier conocimiento de un sistema eléctrico es incompleto si se desconocen los peligros físicos que el mismo puede representar para las personas y las instalaciones.  La energía eléctrica es muy útil y fácil de manipular, pero también es peligrosa y potencialmente letal.   Una persona recibe una descarga eléctrica cuando se convierten el eslabón que cierra un circuito eléctricamente vivo.   La mayoría de los accidentes de origen eléctrico es por imprudencia o ignorancia de las reglas de seguridad elementales. Esto puede suceder por ejemplo, cuando toca los polos positivo y negativo de una fuente DC, el vivo y el neutro de la línea de nuestros hogares, el vivo y cualquier elemento conductor que permita el paso de la corriente. Este tipo de situaciones se pueden prevenir adoptando, entre otras, las siguientes medidas de seguridad:     Nunca trabaje sobre dispositivos energizados, ni asuma a priori que están desconectados. Si necesita trabajar sobre un circuito energizado, utilice siempre herramientas de mango aislado, así como equipos de protección apropiados al ambiente eléctrico en el cual está trabajando. El calzado que usted use, debe garantizar que sus pies queden perfectamente aislados del piso. No trabaje en zonas húmedas o mientras usted mismo o su ropa estén húmedos.  La humedad reduce la resistencia de la piel y favorece la circulación de corriente eléctrica. 26
  • 27. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9 SIMBOLOGÍA  Para poder representar los circuitos eléctricos (también los electrónicos), se tiene una simbología perteneciente a estándares internacionales, de tal forma que puedan interpretarse los circuitos y planos adecuadamente.  La simbología que emplearemos corresponde a la norma DIN:  DIN es el acrónimo de Deutsches Institut für Normung ("Instituto Alemán de Normalización", en idioma alemán).  El DIN establecido en 1917 y con sede en Berlín es el organismo nacional de normalización de Alemania. Elabora, en cooperación con el comercio, la industria, la ciencia, los consumidores e instituciones públicas, estándares técnicos (normas) para la racionalización y el aseguramiento de la calidad. El DIN representa intereses de las organizaciones internacionales de normalización (ISO, CEI, etc.).  A través de la metodología empleada en la elaboración de las normas se pretende garantizar que sus contenidos correspondan con el "estado de la ciencia". 27
  • 28. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.1 RESISTENCIAS 28
  • 29. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.2 PILAS Y GENERADORES 29
  • 30. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.3 CONDENSADORES 30
  • 31. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.4 BOBINAS 31
  • 32. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.5.1 DIODOS 32
  • 33. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.5.2 DIODOS 33
  • 34. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.6.1 TRANSISTORES 34
  • 35. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.6.2 TRANSISTORES 35
  • 36. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.7.1 TRANSFORMADORES 36
  • 37. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.7.2 TRANSFORMADORES 37
  • 38. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.8 FUSIBLES 38
  • 39. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.9 INTERRUPTORES 39
  • 40. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.10 INSTRUMENTACIÓN 40
  • 41. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.11.1 LÍNEAS Y CONDUCTORES 41
  • 42. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.11.2 LÍNEAS Y CONDUCTORES 42
  • 43. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.12.1 VARIOS 43
  • 44. Circuitos Eléctricos Docente: Ing. Carlos J. Archondo O. 1.9.12.2 VARIOS 44

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