Unidad 2 Componentes Electrónicos Básicos PDF

SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2: COMPONENTES ELECTRÓNICOS BÁSICOS. 1º CICLO GRADO SUPERIOR DE AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA INDUSTRIAL SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 ÍNDICE...

SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2: COMPONENTES ELECTRÓNICOS BÁSICOS. 1º CICLO GRADO SUPERIOR DE AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA INDUSTRIAL SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 ÍNDICE 2.1. INTRODUCCIÓN A LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS................................................... 3 2.2 RESISTENCIAS O RESISTORES................................................................................................... 3 2.2.1. CARACTERÍSTICAS DE UN RESISTOR................................................................................ 4 2.2.2. TIPOS DE RESISTORES...................................................................................................... 8 2.2.3 VALORES ESTÁNDARES PARA COMPONENTES PASIVOS................................................ 14 2.3. CIRCUITOS EQUIVALENTES.............................................................................................. 16 2.3.1 ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS...................................................................................... 17 2.3.1.1. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE................................................................... 17 2.3.1.2. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS EN PARALELO........................................................... 20 2.3.1.3 ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS DE FORMA MIXTA..................................................... 23 2.4. CONDENSADORES........................................................................................................... 29 2.4.1. FUNCIONAMIENTO.................................................................................................. 29 2.4.2. CARACTERÍSTICAS DE UN CONDENSADOR.............................................................. 31 2.4.3 CAPACIDAD DE UN CONDENSADOR DE PLACAS PARALELAS......................................... 33 2.4.4 CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR................................................................. 34 2.4.6. TIPOS DE CONDENSADORES.......................................................................................... 37 2.5. BOBINAS O INDUCTANCIAS............................................................................................. 40 2.5.1. COEFICIENTE DE AUTOINDUCCIÓN......................................................................... 41 2.5.2. CARGA Y DESCONEXIÓN DE UN INDUCTOR.................................................................. 42 2.5.3. TIPOS DE INDUCTORES.................................................................................................. 44 2.6. MEDIDA DE CAPACIDAD E INDUCTANCIA....................................................................... 46 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 2 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.1. INTRODUCCIÓN A LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS En electricidad y electrónica hablaremos de dos tipos de componentes: los componentes pasivos y los generadores estáticos.  Los componentes pasivos se denominan así porque no suministran ganancia ni control al circuito y sirven para modificar alguna magnitud eléctrica en particular. Los componentes pasivos se dividen en resistores, condensadores y bobinas, que presentan resistencia, capacidad e inductancia, respectivamente.  Los generadores estáticos son elementos eléctricos destinados a transformar energía química en energía eléctrica. Los más importantes son las pilas y los acumuladores. 2.2 RESISTENCIAS O RESISTORES Una resistencia es el componente electrónico pasivo fabricado especialmente para ofrecer una determinada oposición al paso de la corriente. Los resistores son uno de los componentes imprescindibles en la construcción de cualquier circuito eléctrico y electrónico, ya que nos permiten distribuir adecuadamente la tensión y la corriente eléctrica a todos los puntos necesarios del mismo. Los símbolos empleados para su representación en esquemas eléctricos y electrónicos se muestran en la figura 2.1. Figura 2.1. Resistores y símbolos más utilizados 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 3 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.2.1. CARACTERÍSTICAS DE UN RESISTOR Las características principales de un resistor son su resistencia nominal ( la tolerancia, la potencia nominal ) y el coeficiente de temperatura (. VALOR O RESISTENCIA NOMINAL El valor nominal de una resistencia o resistencia nominal es el valor teórico esperado de la resistencia del componente al finalizar el proceso de fabricación del mismo. Constituye el parámetro más importante del componente y debe ser proporcionado por el fabricante. TOLERANCIA DE UN RESISTOR Los procesos de fabricación de los componentes no son perfectos. Ningún fabricante puede obtener resistencias con valores exactos. Por tanto, el valor real de una resistencia debe estar muy próximo al valor nominal, aunque se admite un margen de desviación o tolerancia. La tolerancia puede definirse como la diferencia admisible entre la desviación superior y la inferior, respecto al valor nominal del componente. Se expresa en forma porcentual respecto al valor nominal. POTENCIA NOMINAL La potencia nominal o disipación nominal de un resistor es la potencia máxima que el dispositivo puede aguantar (disipar) de una manera continua, sin sufrir deterioro alguno, a la temperatura nominal de servicio (entre 20ºC y 25ºC). Es importante destacar que, cuando se escoge una resistencia en un circuito eléctrico, esta debe ser de una potencia superior a la que disipará en el circuito, de lo contrario, el componente acabaría quemándose. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 4 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 La figura 2.2 muestra las dimensiones relativas de diferentes resistores en función de la potencia máxima que pueden disipar. Para un mismo tipo de resistor, cuanto mayor sea su potencia nominal, mayor será su tamaño. Los valores de potencia nominal también están normalizados. Algunos valores son 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8, y 10 vatios. Figura 2.2. Dimensiones relativas de resistores en función de la potencia máxima que pueden disipar. COEFICIENTE DE TEMPERATURA ( ) El valor de resistencia depende, entre otras factores, de la temperatura a la que trabaja el componente, que dependerá de la temperatura ambiente más el propio calor por efecto del paso de la corriente (efecto Joule) como ya se ha anteriormente. El coeficiente de variación de la temperatura nos indica la variación de la resistencia por cada grado que varía la temperatura. Si la resistencia aumenta al aumentar la temperatura, diremos que el coeficiente de temperatura es positivo. En el caso contrario, diremos que tiene un coeficiente de temperatura negativo. Se expresa habitualmente en partes por millón por cada grado centígrado de variación (ppm/ºC). 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 5 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Resumiendo, las principales características de los resistores son su resistencia nominal (teórica), su tolerancia (desviación máxima permitida del valor real respecto al teórico) y su coeficiente de variación con la temperatura. CODIFICACIÓN DEL VALOR NOMINAL DE RESISTENCIA Y SU TOLERANCIA En algunos tipos de resistores (cerámicos y vitrificados, entre otros) el valor de resistencia nominal y la tolerancia vienen serigrafiados en el mismo cuerpo del componente, como podrás comprobar en el siguiente apartado, en la figura 3.9. En otros muchos casos, se indicará utilizando un código universal de colores (tabla 2.1) Los fabricantes de componentes pasivos representan sobre el cuerpo del componente unas franjas de color que nos indican el valor nominal de la resistencia, con una determinada tolerancia, expresada en tanto por ciento. Color franja Dígito Decimal Ceros a añadir Tolerancia NEGRO 0 --- --- MARRÓN 1 0 ROJO 2 00 NARANJA 3 000 --- AMARILLO 4 0.000 --- VERDE 5 00.000 AZUL 6 000.000 VIOLETA 7 0.000.000 GRIS 8 00.000.000 BLANCO 9 000.000.000 --- ORO 0,1 PLATA 0,01 Tabla 2.1. Código de colores de componentes pasivos 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 6 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 DETERMINACIÓN DEL VALOR DE LA RESISTENCIA NOMINAL DE UN RESISTOR Para la mayoría de los resistores convencionales el valor óhmico del mismo se expresa mediante cuatro franjas a lo largo del componente (figura 2.3). Empezando por la franja más cercana a uno de los terminales del componente, las franjas de colores indican:  1ª franja: el primer dígito del valor óhmico.  2ª franja: el segundo dígito del valor óhmico.  3ª franja: el factor multiplicativo, es decir, el número de ceros a añadir a los dos dígitos anteriores.  4ª franja: la tolerancia del componente, expresada en tanto por ciento. Esta franja suele estar algo más alejada de las otras tres, a fin de saber con certeza cuál de ellas es la primera. Figura 2.3. Ejemplo de codificación de una resistencia estándar mediante cuatro franjas. Este sistema de cuatro franjas se utiliza en resistores con tolerancias del 10 % y del 5 % (que son las más utilizadas), aunque conviene indicar que existen otros códigos más específicos para resistores de precisión como el de cinco y seis franjas EJERCICIO 1: Determinar el valor óhmico nominal de la resistencia de la figura 2.4. Definir el margen de valores entre los cuales estará comprendido el valor real del resistor. Figura 2.4. Ejemplo. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 7 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.2.2. TIPOS DE RESISTORES Se pueden clasificar en tres grandes grupos, atendiendo a la posibilidad de variar o no su valor de resistencia, ya de forma manual o bien en función de otra variable (tensión, temperatura...):  Resistores fijos  Resistores variables  Resistores no lineales RESISTORES FIJOS Como su nombre indica, están fabricados para proporcionar un determinado valor de resistencia que no interesa que varíe. Si lo hace, será como efecto secundario debido al cambio de temperatura, humedad, envejecimiento del componente u otras causas. En todo caso, este cambio de valor no es deseado. Existen diferentes tipos de resistores fijos y los más corrientes son: aglomerados, de película de carbón, de película metálica y bobinados.  Resistores aglomerados están en desuso. Aunque son baratos y robustos tienen tolerancias altas (10% o superior), y su valor varía demasiado con la tensión, humedad o frecuencia.  Resistores de película de carbón  Resistores de película metálica son los más precisos de todos.  Resistores bobinados Figura 2.6. Aspecto externo de resistencias de carbón de diferentes potencias 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 8 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.8. Aspecto externo e interno de una resistencia de película metálica Figura 2.9. Aspecto interno de una resistencia bobinada (20Ω, 10W) con recubrimiento cementado y con cubierta de aluminio (2,7Ω, 50W).  Resistores para montaje superficial (SMD y MELF). Los resistores de película de carbón y de película metálica se fabrican, cada día más, para tecnología de montaje superficial. Esta tecnología permite soldar los componentes sin necesidad de realizar agujeros en las placas por donde pasar los terminales vistos en las fotos anteriores de resistores. Permite reducir mucho el tamaño y peso de los componentes y, por tanto, de los equipos resultantes. La tecnología SMT es la más utilizada actualmente en la producción masiva de equipos electrónicos, pero requiere de sistemas de fabricación tecnológicamente mucho más avanzados (robotizados). 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 9 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.10. Aspecto de resistencias para montaje superficial. De película metálica con tecnología MELF y de película de carbón con tecnología SMD, que tienen forma de cubo. Figura 2.11. Aspecto de resistencias SMD soldada en la placa de un disco duro (izquierda). Resistencia convencional y otro componentes (derecha) RESISTORES VARIABLES Son aquellos especialmente fabricados para permitir una variación o un ajuste del valor de su resistencia dentro de unos valores límite. Esto nos puede servir para ajustar algún parámetro de un circuito o equipo (por ejemplo, el volumen de una radio). El resistor variable de la figura 2.12, habitualmente denominado potenciómetro, posee tres terminales. Entre los terminales a y b, el dispositivo presenta una resistencia característica como la de cualquier resistor fijo. Sin embargo, entre el terminal móvil c (llamado cursor) y cualquiera de los otros dos, existe una resistencia que depende de la posición en la que situemos el cursor. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 10 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.12. Un potenciómetro y sus símbolos más utilizados Figura 2.13. Potenciómetros tipo trimmer (permiten un ajuste más preciso). Los que tienen el encapsulado azul son de tipo multivuelta. Existen dispositivos de dos terminales en los que los terminales a y c está unidos internamente, validando únicamente la resistencia entre c y b, que reciben el nombre de reóstatos. Figura 2.14. a) Fotografía de dos modelos de reóstatos, b) Símbolos utilizados para representar un reóstato, c) Conexión para utilizar un potenciómetro como reóstato 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 11  SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 RESISTORES NO LINEALES Son componentes electrónicos basados en componentes semiconductores fabricados para que su resistencia varíe en función de diferentes magnitudes. En la tabla 2.2 podemos apreciar los tres más habituales. Magnitud de la que Tipo de resistor no Símbolos eléctricos depende la resistencia lineal Termistores PTC Temperatura Termistores NTC Fotorresistores o Intensidad luminosa resistores dependientes de la luz Varistores o resistores Tensión en sus terminales dependientes del voltaje Tabla 2.2. Resistores no lineales. Simbología TERMISTORES Los termistores presentan una resistencia que varía de forma importante con la temperatura. Se pueden dividir en dos grandes grupos:  De coeficiente de temperatura negativo (Negative Temperature Coefficient o NTC). Su resistencia baja rápidamente con el aumento de temperatura.  De coeficiente de temperatura positivo (Positive Temperature Coefficient o PTC). Su resistencia aumenta con la temperatura y ofrecen una sensibilidad muy alta en una zona muy estrecha de temperatura. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 12 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.15. Característica de resistencias/temperatura de un PTC a) y de una NTC b). aspecto externo de un termistor c) Las NTC tienen muchas aplicaciones, entre otras, controlar temperatura de recintos, limitar sobrecorrientes de conexión de los equipos (inrush current), compensar las variaciones de los valores de otros componentes con la temperatura... Las PTC se utilizan de forma habitual en el control de temperatura máxima en motores y transformadores, entre otras aplicaciones. RESISTORES DEPENDIENTES DE LA LUZ También llamados fotorresistores o LDR (Light Dependent Resistors) presentan una resistencia muy elevada con la oscuridad (de 100 kΩ a 1 MΩ, por ejemplo). Esta disminuye rápidamente con la incidencia de la luz en el componente (entre 10Ω y 100Ω). Figura 2.16. Característica de resistencia/iluminancia de una LDR y su aspecto externo. En la foto se aprecia la tira de material fotorresistivo (sulfuro de cadmio, por ejemplo) 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 13 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Son muy utilizados en interruptores crepusculares (encendido automático de iluminación en función de la iluminación ambiente), alarmas, cámaras fotográficas, etc. RESISTORES DEPENDIENTES DEL VOLTAJE Conocidos también como varistores o VDR (Voltage Dependent Resistors) presentan una resistencia muy elevada cuando trabajan a la tensión de referencia (o por debajo) para la cual se han fabricado. Su resistencia baja rápidamente cuando se produce una sobretensión. Se muestra en la figura 3.17, cómo a la tensión nominal para la cual se ha fabricado el varistor, no pasa corriente por el mismo. Es decir, se comporta como un aislante. En cambio, si se produce una sobretensión, su comportamiento se vuelve conductor, protegiendo el circuito que pudiera haber aguas abajo. Figura 2.17. Aspecto de un varistor y característica intensidad/tensión en bornes. Su principal aplicación es la protección de equipos e instalaciones contra las sobretensiones, sean del origen que sean. 2.2.3 VALORES ESTÁNDARES PARA COMPONENTES PASIVOS Cuando vamos a comprar un resistor o un condensador (componente que se estudiará en el siguiente apartado) para un determinado circuito, debemos saber que no existen todos y cada uno de los posibles valores para estos componentes, ya que sería imposible fabricar y almacenar infinidad de valores. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 14  SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Por tanto, los fabricantes se ciñen a una determinada serie de valores, que se va repitiendo conforme el valor de la resistencia va aumentado. Estas series, estándares y universales, son conocidas como E-xx, donde «xx» es un número determinado dependiendo de la serie escogida. Las dos series más utilizadas para componentes pasivos son la E-12 y la E-24.  La serie E-12 generalmente es para resistores con tolerancias del ±10%.  La serie E-24 es para resistores con tolerancias del ±5 %. No obstante, para resistencias de precisión, es muy común utilizar la serie E- 48 (para resistores con tolerancias del ±2%) y la serie E-96 (para resistores con tolerancias del ±1%). Los valores que contienen las series E-12 y E-24 se muestran en la tabla 3.3. E-12 10 - 12 -- 15 -- 18 -- 22 -- 27 -- 33 - 39 - 47 - 56 - 68 - 82 - (±10%) E-24 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91 (±5%) Tabla 2.3. Valores contenidos en las series estándares E-12 y E-24 Para la serie E-12, por ejemplo, tenemos comercialmente disponibles valores nominales de resistencias de 1Ω; 1,2Ω; 1,5Ω; 1,8Ω, etc., hasta llegar a 8,2Ω. El siguiente valor comercializado es el de 10Ω, seguido por 12Ω, 15Ω, 18Ω, etc., hasta llegar a 82Ω. A partir de aquí, la secuencia de valores se vuelven a repetir, pero multiplicando ahora los valores de la tabla por 100 (es decir, 100Ω, 120Ω, 150Ω, 180Ω, etc.). De esta forma, se van completando de década en década los diferentes valores estándares que podemos encontrar en cualquier tienda de componentes eléctricos o electrónicos. La mayoría de los fabricantes comercializan resistores con valores comprendidos, aproximadamente, entre 1 ohmio y algunos megaohmios (en general, alrededor de los 10MΩ). 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 15 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.3. CIRCUITOS EQUIVALENTES En este tema se presentan las diferentes herramientas (leyes y teoremas) necesarias para determinar (calcular) las distintas magnitudes que definen un circuito. Todas estas herramientas se explican con circuitos de corriente continua, ya que su aplicación es más fácil, pero se utilizarán también en los circuitos de corriente alterna. La utilización de circuitos equivalentes es uno de los métodos más usuales de análisis y simplificación de circuitos. Dos o más circuitos eléctricos de dos terminales son equivalentes entre terminales si al aplicar la misma tensión, por ellas circula la misma corriente, o bien, la tensión entre sus terminales es la misma si hacemos pasar a través de ellas la misma corriente. En la figura 2.18, cuando al circuito A, accesible desde dos terminales a y b, se le aplica una tensión de 10V, la corriente es de 1 A. Se aplica la misma tensión de 10 V al circuito B. Si resulta que la corriente que pasa también es de 1 A y, además, sucede que esto se repite para otros valores de tensión que provocan la misma corriente en los dos circuitos, se puede concluir que el circuito A y el circuito B son equivalentes entre los terminales a y b. Figura 2.18. Circuitos equivalentes 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 16 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 En los siguientes apartados se explicará cómo resolver circuitos básicos constituidos por componentes asociados en serie, paralelo o de forma mixta, mediante el cálculo de sus circuitos equivalentes. 2.3.1 ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS En un circuito eléctrico nos podemos encontrar con varias resistencias que pueden aparecer conectadas (asociadas o agrupadas) en serie, en paralelo o de forma mixta. Vamos a ver cómo identificarlos y cómo resolverlos. 2.3.1.1. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE En este tipo de conexión (figura 2.19), las resistencias se colocan una conectada a continuación de la otra, de forma que la corriente que atraviesa cada una de las resistencias es siempre la misma. La intensidad de corriente no se puede acumular en los conductores ni en el componente. Por tanto, la corriente que pasa por una resistencia pasa por la siguiente en serie, y también por la siguiente. Figura 2.19. Circuito serie formado por tres resistencias 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 17 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.20. Circuito equivalente al de la figura 3.19. Cuando se desea simplificar una asociación de resistencias, lo que se pretende es buscar una sola resistencia (Req de la figura 2.19) que se comporte en el circuito de la misma forma. O sea, que conectada a la misma tensión U, absorba la misma corriente l. Se va a analizar, a modo de ejemplo, el circuito formado por tres resistencias en serie de la figura 2.19. Para ello, antes de empezar es muy recomendable dar nombre a las diferentes variables del circuito. Así, se ha denominado U a la tensión suministrada por la fuente; I a la intensidad de corriente que circula por el circuito; R1, R2 y R3 a las resistencias; y U1, U2 y U3 a la respectiva caída de tensión en cada una de las tres resistencias. A la resistencia equivalente de la asociación se le ha llamado Req Las asociaciones de resistencias presentan las siguientes características:  La resistencia equivalente de la asociación es siempre la suma de las resistencias:  La corriente, l, es igual para cada una de las resistencias y, por supuesto, para la resistencia equivalente calculada. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 18 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2  El circuito equivalente permite obtener la corriente I de una forma mucho más fácil. En efecto, si aplicamos la ley de Ohm, nos queda que la corriente puede calcularse como:  Aplicando la ley de Ohm se pueden determinar las caídas de tensión en cada una de las resistencias que forman el circuito serie, ya que la corriente es la misma:  La tensión proporcionada por la fuente o batería, U, es la suma de las tensiones parciales del circuito (es decir, la suma de las tensiones en cada una de las resistencias): En el caso general, con N resistores, la resistencia equivalente Req que presenta el grupo es igual a la suma de las resistencias que lo componen, esto es: Si todas las resistencias del circuito son iguales, de valor R, nos queda: Observa que, en un circuito en serie, la resistencia equivalente siempre es mayor que cualquiera de las resistencias del circuito. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 19 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 EJERCICIO 2: En un circuito como el de la figura 3.19, los valores de los componentes son: U=120 V, R1=10Ω, y R2=20 Ω R3 =30Ω. Se desea encontrar: a) la resistencia total o equivalente del circuito b) la corriente que circula por el mismo c) las tensiones en los bornes de cada componente d) la potencia que proporciona la batería y las potencias consumidas o disipadas por las resistencias. EJERCICIO 3: Calcula la tensión y la corriente suministradas por una batería de 24V con una resistencia interna de 1Ω, cuando alimenta una carga que tiene una resistencia de 5Ω. EJERCICIO 4: Se dispone de cuatro resistencias de 100Ω, 220Ω, 270Ω y 10Ω. Si todas ellas se conectan en serie y el conjunto se alimenta con una pila de 9V, calcula: a) la resistencia equivalente al conjunto b) la corriente que suministrará la pila al circuito c) la caída de tensión en los bornes de cada componente. 2.3.1.2. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS EN PARALELO En esta conexión (figura 2.21), las resistencias tienen sus terminales conectados entre dos puntos a y b. Todas las resistencias así asociadas están sometidas a la misma tensión o diferencia de potencial. La corriente que atraviesa cada resistencia puede ser diferente. Figura 2.21. Circuito serie formado por tres resistencias 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 20 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.22. Circuito equivalente al de la figura 2.21. Para encontrar el valor de la resistencia equivalente, vamos a proceder de forma similar al apartado anterior. Primero, se deberá dar nombre a todas las variables del circuito. Así, se ha denominado U a la tensión suministrada por la fuente; I a la intensidad de corriente que entrega la fuente; R1, R2 y R3 a las resistencias; y I1, I2 e I3 a las respectivas corrientes que atraviesan cada una de las tres resistencias. A la resistencia equivalente de la asociación se le ha llamado Req Las asociaciones de resistencias en paralelo se caracterizan por:  El inverso de la resistencia equivalente de la asociación es siempre la suma de inversos de las resistencias en paralelo.  La tensión, U=Uab, es la misma para cada una de las resistencias y, por supuesto, para la resistencia equivalente calculada.  El circuito equivalente permite obtener la corriente I de una forma mucho más fácil. En efecto, si se aplica la ley de Ohm, queda que la corriente puede calcularse como: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 21 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2  Aplicando la ley de Ohm se pueden determinar las intensidades de corriente por cada una de las resistencias en paralelo, ya que la tensión es la misma:  La intensidad de corriente que proporciona la fuente o batería, l, es la suma de las corrientes de cada una de las resistencias en paralelo:  En el caso general, con N resistores, la inversa de la resistencia equivalente (R) que presenta el grupo es igual a la suma de las inversas de las resistencias que lo componen, esto es: En el caso particular de que tengamos solamente dos resistencias conectadas en paralelo tendremos: Además, en el caso particular de N resistencias idénticas, de valor R, conectas en paralelo, también tendremos: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 22 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Es decir, nos queda una resistencia equivalente igual a: Observa que, en un circuito en paralelo, la resistencia equivalente siempre es menor que cualquiera de las resistencias del circuito. EJERCICIO 5: En un circuito como el de la figura 3.21, los valores de los componentes son: U=120V, R1=10Ω, R2=20Ω y R3=60Ω. Encuentra: a) la resistencia total o equivalente del circuito; b) la corriente total proporcionada por el generador; c) las corrientes parciales que circulan por cada resistencia; d) la potencia que proporciona la batería y las potencias consumidas o disipadas por las resistencias. Además calcula la corriente total proporcionada por el generador y la intensidad que circula por cada resistencia cuando la conexión es en paralelo. 2.3.1.3 ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS DE FORMA MIXTA Las configuraciones de circuitos mixtos pueden ser múltiples y diversas, ya que depende de cómo se conecten los resistores entre sí, y, evidentemente, del número de resistores en el circuito. Sin embargo, existen dos configuraciones básicas que son las más importantes:  Circuito paralelo en serie.  Circuito serie en paralelo. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 23 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 CIRCUITO PARALELO EN SERIE Se trata de un circuito donde se dispone de un conjunto de resistencias en paralelo (enmarcadas con línea discontinua) y este conjunto, a su vez, en serie con una o más resistencias (figura 2.23). Figura 2.23. Asociación paralelo en serie En un circuito paralelo en serie, como el de la figura 3.22, el procedimiento para calcular la resistencia equivalente total, que se llamará Req, es el siguiente:  Se asignan nombres a las variables del circuito: tensiones y corrientes.  Se identifica y resuelve el bloque de resistencias en paralelo (R2 y R3 en nuestro caso), y se le llama, por ejemplo, Ra (figura 3.23). Esta resistencia equivalente puede calcularse a partir de: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 24 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2  Se vuelve a dibujar el circuito: Figura 2.24. Nuevo circuito con la resistencia equivalente de la asociación en paralelo Ra  A continuación, se debe resolver la asociación resultante de R1 en serie con la resistencia equivalente del bloque paralelo Req. La resistencia equivalente total Ra se determina como: Figura 2.25. Circuito equivalente de la asociación paralelo serie  Ahora, de forma muy fácil, se puede aplicar la ley de Ohm para determinar la corriente que entrega la fuente: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 25 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2  A continuación, en el circuito intermedio de la figura 3.23, y utilizando el valor de dicha corriente I, se pueden calcular las caídas de tensión en cada una de las dos resistencias que forman el circuito serie (R1 y Ra):  Una vez calculada Ua considerando el circuito original (figura 3.22) podemos ahora obtener las corrientes por cada una de las dos ramas del bloque en paralelo (es decir, a través de R2 y R3): Se puede verificar que los cálculos son correctos si se cumple que: CIRCUITO SERIE EN PARALELO Se trata de un circuito en el que tenemos un conjunto de resistencias en serie (enmarcadas con la línea a puntos) y este conjunto, a su vez, en paralelo con una o más resistencias (figura 3.25). Figura 2.26. Asociaciones serie en paralelo 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 26 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 En este caso, el procedimiento para analizar este tipo de circuitos es el siguiente:  Se asignan nombres a las variables del circuito: tensiones y corrientes.  Se identifican y agrupan las resistencias en serie (R1 y R2 en nuestro caso). De esta manera, se obtiene circuito intermedio de la figura 3.26.  Se vuelve a dibujar el circuito: Figura 2.27. Nuevo circuito con la resistencia equivalente de la asociación en serie, Ra A continuación, se debe resolver la asociación de la resistencia R3, en paralelo con Ra. El circuito final es el de la figura 3.27. La resistencia equivalente total Req se determina como: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 27 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.28. Circuito equivalente de la asociación serie en paralelo  Se aplica la ley de Ohm para calcular la corriente:  A continuación, utilizando el valor de la tensión de la fuente U, se pueden encontrar las corrientes que circulan por cada una de las dos resistencias que forman el circuito en paralelo de la figura 3.26 (Ra y R3):  Con la corriente I1, y considerando el circuito original (figura 3.25) podemos ahora obtener las tensiones parciales en bornes de cada una de las dos resistencias de la rama superior del bloque paralelo (es decir, tensiones en R1 y R2):  Finalmente, se puede verificar que los resultados obtenidos son correctos si se cumple que: 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 28 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.4. CONDENSADORES El condensador es un componente eléctrico de dos terminales fabricado para ofrecer una determinada capacidad. La capacidad de un condensador permite el almacenamiento de una cierta cantidad de carga eléctrica. Básicamente, está formado por dos placas conductoras metálicas o armaduras aisladas entre sí por una delgada capa de material aislante (mica, papel, plástico, etc.) llamada dieléctrico. Figura 2.29. Condensador de placas paralelas 2.4.1. FUNCIONAMIENTO Las armaduras de un condensador descargado son eléctricamente neutras; es decir, existe la misma carga positiva que negativa. Por otro lado sabemos que los metales tienen gran de cantidad de electrones disponibles para la conducción. Si un condensador se conecta a una fuente de tensión continua, los electrones de la placa metálica A conectada al positivo de la fuente, son atraídos por esta, de modo que un electrón abandona dicha placa y circula a través de la fuente hasta la placa B (conectada al polo negativo de la fuente). 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 29 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.30. Principio de funcionamiento de un condensador. Por cada electrón que abandona la placa izquierda se produce un defecto de carga negativa o, lo que es lo mismo, una carga positiva en esta placa. Por otro lado, por cada electrón que se acumula en la placa derecha se produce un exceso de un electrón; es decir, de una carga negativa. Así pues, durante un periodo corto de tiempo, circula por sus terminales una carga eléctrica procedente de la fuente que da lugar a la aparición momentánea de una corriente eléctrica i (figura 2.30). Consecuentemente, la armadura izquierda y derecha quedan cargadas con la misma carga pero de signo contrario, la izquierda positivamente y la derecha negativamente. El dieléctrico (aislante) impide la neutralización de la carga y, por tanto, la acumulación de carga de distinto signo en las placas genera un campo eléctrico entre ellas. Este proceso finaliza cuando la diferencia de potencial (debido al desequilibrio de carga) en el condensador iguala a la diferencia de potencial de la fuente. Decimos en este caso que el condensador está totalmente cargado y deja de circular corriente. En esta situación, si el condensador se desconecta de la fuente de tensión, mantiene una diferencia de potencial entre sus extremos, de valor igual al de la fuente de la cual obtuvo la carga. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 30 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Figura 2.32. Símbolos de distintos tipos de condensadores 2.4.2. CARACTERÍSTICAS DE UN CONDENSADOR Las características principales que definen un condensador son la capacidad nominal, la tolerancia, la tensión máxima de funcionamiento y el coeficiente de temperatura. CAPACIDAD NOMINAL La capacidad nominal de un condensador ( ) determina la cantidad de carga eléctrica que es capaz de acumular. Para un mismo condensador, la carga que puede acumular depende, de forma proporcional, de la tensión que tiene entre sus placas. Es el principal parámetro del componente y representa el valor teórico de capacidad que presenta un condensador a una determinada temperatura ambiente y frecuencia de trabajo. Depende, por tanto, de ambas variables: temperatura y frecuencia. La unidad de capacidad es el faradio (F) y está relacionada con la carga eléctrica y la tensión eléctrica de la siguiente forma: Donde: C es la capacidad del condensador, expresada en faradios (F). Q es la carga eléctrica, en culombios (C). U es la tensión en bornes del condensador, en voltios (V). 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 31 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 El faradio es una capacidad muy grande, por lo que resulta más adecuado trabajar con los submúltiplos:  milifaradio (1 mF = 10-3 F)  microfaradio (1 F = 10-6 F)  nanofaradio (1 nF = 10-9 F)  picofaradio (pF = 10-12 F) Los valores estándares de los condensadores que podemos encontrar en el mercado suelen ceñirse a los correspondientes a la serie E-12 vista para las resistencias (tabla 2.3). El margen disponible de valores va desde algunos picofaradios (pF) para los condensadores de menor capacidad hasta algún milifaradio en los de mayor capacidad. TOLERANCIA La tolerancia nos indica en porcentaje (%) los valores límite entre los cuales se encuentra el valor real de capacidad. Las tolerancias y capacidades nominales están normalizadas según series de valores, de forma similar a lo visto con los resistores. TENSIÓN MÁXIMA DE FUNCIONAMIENTO La tensión máxima de funcionamiento o de trabajo es la tensión que el condensador puede soportar de forma continua sin sufrir deterioro (ruptura del dieléctrico). COEFICIENTE DE TEMPERATURA De forma similar a lo visto con los resistores, la capacidad de un condensador varía con la temperatura y el modo en que lo hace nos lo indica su coeficiente de temperatura. Se especifica generalmente en partes por millón por grado centígrado (p.p.m./ºC). Por ejemplo, un coeficiente de temperatura negativo iguala -150 p.p.m./ºC para un condensador de 1 F significa que, por cada elevación de un grado en la temperatura, la capacidad disminuye 150 pF (recuerda que en un F hay un millón de pF). 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 32 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.4.3 CAPACIDAD DE UN CONDENSADOR DE PLACAS PARALELAS Vamos a presentar qué relación existe entre la capacidad de un condensador y sus parámetros físicos constructivos. La capacidad de un condensador de placas paralelas (figura 3.18) se puede expresar como: Donde: C es la capacidad del condensador, expresada en faradios (F). es la constante dieléctrica absoluta o permitividad absoluta del material dieléctrico, expresada en faradios/metro (F/m). A es el área o superficie efectiva de las armaduras, expresada en metros cuadrados (m2). d es la distancia o separación entre dichas placas, expresada en metros (m). Fíjate que la capacidad es proporcional al área de las placas enfrentadas. Así, cuanto mayor sea esta área, mayor la capacidad. En cambio, la capacidad es inversamente proporcional a la distancia de separación entre las placas, o sea que, a mayor distancia de separación, menor será la capacidad. Por otro lado, la permitividad absoluta del medio nos indica la capacidad dieléctrica del material colocado entre las placas. Se puede expresar de forma relativa a la permitividad del vacío ( ). Cuanto mejor sea el dieléctrico (mayor ), mayor es la capacidad del condensador. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 33 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.4.4 CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR La figura 2.36 muestra un condensador que se carga cuando el interruptor está en la posición (1) y se descarga cuando está en la posición (2). La carga y la descarga se efectúan siempre a través de la resistencia R. La rapidez de la carga o descarga de un condensador viene determinada por la constante de tiempo, conocida por la letra griega (se lee “tau”), que es igual al producto de la resistencia por la capacidad. La constante de tiempo se expresa en segundos. Figura 2.36. Esquema de carga y descarga de un condensador. Utilizamos la notación de tensión u y corriente i en minúsculas para indicar que ambas varían en función del tiempo CARGA DEL CONDENSADOR En el instante en el que el condensador comienza a cargarse (conmutador en la posición 1, figura 2.36), su tensión en bornes u es cero y la corriente de carga es la máxima que permite la resistencia R. Sin embargo, transcurrido un tiempo t igual a unas tres veces ( ) el condensador se considera prácticamente cargado y la corriente es prácticamente cero. Cuando 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 34 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 comienza a cargarse, el comportamiento de un condensador en continua es similar al de un conductor y, una vez cargado, al de un aislante. Se presenta el proceso de carga en la figura 2.37. Figura 2.37. Curva de carga: tensión en el condensador ( ) y corriente por el circuito. La tensión en bornes del condensador corresponde a la siguiente función Un condensador en continua, pasado el transitorio de carga, se comporta como un circuito abierto. DESCARGA DEL CONDENSADOR Con el condensador cargado, su tensión en bornes es prácticamente la tensión de alimentación U. Si, en estas condiciones, pasamos el conmutador a la posición 2 (figura 3.35), el condensador se descarga con una de sentido contrario al de antes, dando lugar a una tensión en bornes que decrece hasta cero en un tiempo (figura 2.38). Figura 2.38. Curva de descarga: tensión en el condensador ( ) y corriente por el circuito ( ). La tensión en bornes del condensador corresponde a la siguiente función 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 35 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 ENERGÍA ALMACENADA EN UN CONDENSADOR Durante el proceso de carga de un condensador, este almacena una cantidad de energía eléctrica restituida íntegramente en el proceso de descarga. La energía T almacenada viene dada por la expresión: Donde: T es la energía almacenada en el condensador, en julios (J). C es el valor de la capacidad del condensador, en faradios (F). U es la tensión en bornes del condensador, en voltios (V). EJERCICIO 21: Un circuito está formado por una resistencia de 1 kΩ en serie con un condensador de 220 F, conectado a una batería de 12 V a través de un interruptor. Cuando se cierre el interruptor, responde a las siguientes preguntas: (a) ¿con qué constante de tiempo se cargará el condensador?; (b) ¿a partir de cuántos segundos podemos dar por acabado el proceso de carga?; (c) ¿qué tensión existirá en los bornes del condensador cargado?; (d) ¿qué energía acumulará en forma de carga eléctrica? Figura 2.39. Circuito RC 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 36 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.4.5. TIPOS DE CONDENSADORES Los condensadores se pueden clasificar en: fijos, variables y ajustables (trimmers, en inglés). En este apartado vamos a ver diferentes tipos de condensadores fijos. CONDENSADORES DE PAPEL Consisten en un agrupamiento en forma de “sándwich”, formado por dos hojas de aluminio de unas pocas micras de espesor, que hacen de armaduras del condensador, y una o más hojas de papel de celulosa impregnado de alguna sustancia aislante (aceites, ceras o parafinas), que hacen de dieléctrico. El conjunto de hojas son bobinadas, dando al condensador un aspecto cilíndrico. Son condensadores económicos aunque tienen el problema de la falta de precisión, con tolerancias altas, alrededor del 20%. CONDENSADORES DE PLÁSTICO Son condensadores en los que su dieléctrico es algún tipo específico de plástico (poliestireno o poliéster, por ejemplo). Figura 2.40. Aspecto externo de condensadores de plástico En general estos condensadores tienen unas excelentes características eléctricas, siendo los más precisos del mercado, con tolerancias relativamente bajas, alrededor del 5 %. Presentan unas pérdidas mínimas y una buena estabilidad frente a la temperatura. Los valores típicos de capacidad van desde decenas de picofaradios hasta algún microfaradio. Las tensiones máximas de trabajo llegan hasta los 1000 V. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 37 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 CONDENSADORES DE MICA Su dieléctrico se realiza con láminas de mica. Estos condensadores tienen excelentes características eléctricas. Son especialmente aptos para trabajar en aplicaciones de alta frecuencia, aunque presentan el problema de que las capacidades obtenidas son, en general bajas (entre algún picofaradio y algunos nanofaradios). Las tensiones máximas de trabajo llegan hasta los 600 V. CONDENSADORES CERÁMICOS El dieléctrico lo constituyen sustancias cerámicas. Aunque son de peor calidad que los condensadores de plástico o de mica, los condensadores cerámicos son muy populares y ampliamente utilizados en la práctica, por su económico precio y su reducido tamaño, con capacidades que van desde algún picofaradio hasta pocos microfaradios. Figura 2.41. Aspecto externo de condensadores cerámicos CONDENSADORES ELECTROLÍTICOS En cuanto a los condensadores electrolíticos hay dos grupos claramente diferenciados:  Condensadores electrolíticos (o electroquímicos) de aluminio.  Condensadores electrolíticos de tántalo. Estos condensadores se caracterizan porque la tensión aplicada al mismo debe tener una única polaridad y no se admiten corrientes alternas. Su borne positivo 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 38 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 es el ánodo, y el negativo el cátodo. Si se conecta polarizado al revés, el condensador “explota” de forma similar a un petardo. El dieléctrico se obtiene mediante una finísima capa de óxido de aluminio o de tántalo que hace de dieléctrico. La gran ventaja de estos condensadores es la obtención de capacidades realmente elevadas, hasta de algún faradio, en volúmenes relativamente pequeños, comparados con el resto de los condensadores. Sin embargo, presentan una serie de inconvenientes:  Solamente deben emplearse, como ya hemos dicho, con corriente continua (CC) y no en de alterna (CA).  Su comportamiento en media y alta frecuencia es realmente malo.  Con los años sufren un proceso de envejecimiento debido al secado progresivo del dieléctrico. Estos problemas hacen que su uso quede limitado en aplicaciones de baja frecuencia, especialmente como condensadores de filtrado en fuentes de alimentación, donde se requieren valores de capacidad elevadas. Figura 2.42. Aspecto típico de un condensador electrolítico de aluminio (izquierda) y uno de tántalo (derecha). Observa que, en el de aluminio, se indica con un franja blanca y el símbolo «-» qué es el terminal que debe colocarse a potencial más negativo. En el caso del condensador de tántalo, fíjate que se indica el terminal «+». En ambos casos, y si los terminales no se han cortado, el terminal más corto corresponde al «-». 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 39 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 CONDENSADORES PARA MONTAJE SUPERFICIAL (SMD) Actualmente, dada la necesidad de reducir las dimensiones de los equipos eléctricos y electrónicos, tanto resistencias como condensadores se fabrican para realizar montaje superficial y se busca, en la mayoría de casos, la reducción del volumen ocupado. Así, la mayoría de tipos de condensadores vistos anteriormente también se fabrican para montaje superficial (SMD). En la figura siguiente puedes ver varios tipos de condensadores SMD. Figura 2.43. Aspecto típico de condensadores cerámicos (a), de plástico (b); electrolíticos de tántalo (c) y de aluminio (d). Su tamaño real es menor que el que observas en la foto. 2.5. BOBINAS O INDUCTANCIAS Una bobina o inductor es un componente eléctrico de dos terminales fabricado para ofrecer una determinada inductancia. La inductancia que presenta una bobina permite el almacenamiento de una cierta energía eléctrica en forma de campo magnético. El inductor está constituido por un hilo conductor arrollado, en forma de espiral, en torno a un núcleo de material ferromagnético. No obstante, en ocasiones el núcleo no existe y hablamos entonces de un inductor con núcleo de aire. Cuando una corriente circula a través de una bobina, provoca un campo magnético en su seno que da lugar a la creación de un flujo magnético propio (figura 2.45). Cualquier material ferromagnético que se encuentre bajo 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 40 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 el área de influencia del campo magnético intentará situarse de tal forma que facilite la circulación del flujo magnético a través de él. Este es el principio de funcionamiento del electroimán, componente en el que se basan la mayoría de los relés y contactores empleados en electrotecnia. 2.5.1. COEFICIENTE DE AUTOINDUCCIÓN El coeficiente de autoinducción (L) es un parámetro que depende de la geometría del inductor y de las propiedades magnéticas del material que constituye su núcleo. Usualmente, el coeficiente de autoinducción recibe el nombre de inductancia, de ahí uno de los nombres del componente a que da lugar. En un inductor, la corriente I que Io recorre y el flujo magnético generado están relacionados por la expresión: Donde: L es el coeficiente de autoinducción mutua, expresado en henrios (H). es el flujo magnético generado por el inductor, en weber (Wb). I es el valor de la corriente en el inductor, en amperios (A). Figura 2.45. Generación del flujo magnético en un inductor y símbolo del inductor. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 41 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Siempre que varía la corriente que circula por un inductor, aparece una tensión entre sus extremos que se opone al paso de dicha corriente. Si utilizamos la notación para referirnos a un cierto incremento de la corriente y para indicar que este se ha producido en un intervalo de tiempo determinado, podemos expresar la tensión de la siguiente forma: Donde: u es la tensión o fuerza contraelectromotriz, en voltios (V). L es el coeficiente de autoinducción mutua, en henrios (H). es la variación de la corriente en el inductor, en amperios (A). es el tiempo que perdura la variación de corriente, en segundos (s). 2.5.2. CARGA Y DESCONEXIÓN DE UN INDUCTOR El esquema de la figura 2.46 muestra un inductor que se carga, a través de la resistencia R, en el momento que se cierra el interruptor. Figura 2.46. Circuito de carga de una bobina 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 42 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 Con el inductor descargado, en el momento que cerramos el interruptor comienza a circular una corriente , que provoca la carga de la bobina y la aparición de una tensión entre sus extremos que evoluciona en la forma que muestra la figura 2.46. La rapidez con la que evoluciona la intensidad en un inductor viene determinada por la constante de tiempo (se lee «tau»), que es igual al cociente de la inductancia L entre la resistencia R. Transcurrido un tiempo t igual a unas tres veces , el inductor se considera prácticamente cargado y circula por él una corriente máxima que viene limitada únicamente por la resistencia R. Es importante destacar que, cuando comienza a cargarse, el comportamiento de un inductor en continua es similar al de un aislante y, una vez cargado, al de un conductor. Figura 2.47. Curva de carga de un inductor Si tenemos el inductor cargado y abrimos el interruptor, el brusco cambio que se produce en la corriente que lo atraviesa provocará la aparición de una tensión elevada en sus bornes. El signo y magnitud de esta tensión estará en consonancia con lo que reflejaba la fórmula anterior; esto es, de una polaridad 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 43 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 inversa (positivo el punto de masa y negativo en el de la resistencia), y de una magnitud relacionada estrechamente rapidez de variación de la corriente. ENERGÍA ALMACENADA EN UN INDUCTOR Durante el proceso de carga del inductor, este almacena una cantidad de energía eléctrica que es restituida íntegramente en el proceso de descarga. La energía T almacenada viene dada por la expresión: Donde: T es la energía almacenada en el inductor, expresada en julios (J). L es el valor de la inductancia, en henrios (H). I es la corriente que atraviesa el inductor, en amperios (A). 2.5.3. TIPOS DE INDUCTORES Hablando en términos tecnológicos y de modelos comerciales, la bobina o inductancia es, sin duda alguna, el más desconocido de los tres tipos de componentes pasivos lineales. La diversidad de modelos que existen para los resistores y los condensadores no los tenemos para las inductancias. Únicamente disponemos de un pequeño número de tipos clásicos. Según las aplicaciones a las que vayan dedicados, podemos encontrar las siguientes variedades de inductancias:  Inductancias para aplicaciones de baja frecuencia (frecuencias de audio).  Inductancias para aplicaciones de alta frecuencia (frecuencias de radio).  Inductancias para aplicaciones de alta potencia. También existen inductancias variables, donde el elemento que permite el ajuste del valor nominal es el núcleo cilíndrico de la bobina. Este tiene una rosca que permite, mediante un pequeño destornillador, introducirlo más o 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 44 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 menos en el interior de la bobina, con el fin de aumentar o disminuir, respectivamente, el valor de la inductancia. Figura 2.48. Bobina al aire y con núcleo ferroso. Figura 2.49. Bobinas SMD Las bobinas o inductancias tienen una aplicación muy extensa tanto en radiofrecuencia como en aplicaciones de baja frecuencia (motores y transformadores). En este caso, serán objeto de estudio en los temas de trasformadores y máquinas rotativas de este libro. 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 45 SISTEMAS DE MEDIDA Y REGULACIÓN UNIDAD 2 2.6. MEDIDA DE CAPACIDAD E INDUCTANCIA Hoy en día la mayoría de multímetros digitales de gama media y alta cuentan con la función de medición de capacidad de condensadores. En general, es posible medir valores desde decenas o centenas de pF (típicamente desde 100 ó 200 pF), hasta decenas o centenas de mF (normalmente unos 10 o 20 mF). Para medir, simplemente se conecta el condensador en los terminales de prueba del instrumento y se lee directamente el valor de la capacidad en su display de visualización, ajustando la escala a aquella que nos dé la mejor resolución, de forma similar a como se hace con la medida de resistencia eléctrica. Es importante, al igual que sucede con los resistores, que el componente cuya capacidad queremos conocer quede aislado del resto de circuito; por tanto, en el caso de que esté soldado en una placa de circuito impreso, deberemos desoldarlo de donde esté situado. Para la medida de inductancias, generalmente los polímetros de gama baja y media no contemplan esta opción. Sí la incluyen algunos polímetros de gama alta. Sin embargo, existen también los denominados medidores LC que permiten, no solo la medida de capacidades, sino también la de inductancias (de ahí su nombre). Aunque el aspecto de la mayoría de modelos es como el de un polímetro (figura 2.50), son más específicos ya que únicamente permiten medir los valores de estas dos magnitudes eléctricas. Carecen, por tanto, de las funciones de voltímetro, amperímetro, frecuencímetro, etc. Figura 2.50. Medida de inductancia y capacidad mediante un medidor LC 1º Ciclo Formativo Grado Superior de Automatización y Robótica Industrial 46