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Electrónica de potencia y accionamientos didácticos
La electrónica de potencia es la tecnología de conmutación y transformación de la energía eléctrica de
alta potencia. Para ello, hoy en día, se emplean semiconductores de potencia tales como diodos, tiristores
e IGBTs. El principal campo de aplicación de la electrónica de potencia es la tecnología de
accionamientos. El sistema modular de entrenamiento lo llevará de la tecnología de transformadores de
corriente hasta los accionamientos regulados, ofreciéndole la posibilidad de abordar con exactitud el tema
que considere relevante. El sistema de unidades de montaje provisto de paneles experimentales, además
de una consecuente asistencia de software, abre paso a la modernización, y se puede complementar o
ampliar de acuerdo con las diferentes necesidades tecnológicas.
Las metas de aprendizaje abarcan los siguientes temas:
Introducción
Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia,
el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS,
transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley.
Existen tiristores de características especiales como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el
tiristor bloqueable por puerta (GTO).
Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva característica que nos relaciona la
intensidad que los atraviesa con la caída de tensión entre los electrodos principales.
El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos :
•
•
•
•
Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja
impedancia (conducción).
Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia.
Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de
bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de
conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.
Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.
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El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación
de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.
Ahora veremos los tres bloques básicos de semiconductores de potencia y sus aplicaciones
fundamentales:
Semiconductores de alta potencia
Dispositivo
Intensidad máxima
Rectificadores estándar o rápidos 50 a 4800 Amperios
Transistores de potencia
5 a 400 Amperios
Tiristores estándar o rápidos
40 a 2300 Amperios
GTO
300 a 3000 Amperios
Aplicaciones :
•
•
Tracción eléctrica: troceadores y convertidores.
Industria:
o Control de motores asíncronos.
o Inversores.
o Caldeo inductivo.
o Rectificadores.
o Etc.
Módulos de potencia
Dispositivo
Intensidad máxima
Módulos de transistores
5 a 600 A. 1600 V.
SCR / módulos rectificadores 20 a 300 A. 2400 V.
Módulos GTO
100 a 200 A. 1200 V.
IGBT
50 a 300A. 1400V.
Aplicaciones :
•
•
•
•
Soldadura al arco.
Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI).
Control de motores.
Tracción eléctrica.
Semiconductores de baja potencia
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Dispositivo
Intensidad máxima
SCR
0'8 a 40 A. 1200 V.
Triac
0'8 a 40 A. 800 V
Mosfet
2 a 40 A. 900 V.
Aplicaciones :
•
•
•
•
•
•
Control de motores.
aplicaciones domésticas.
Cargadores de baterías.
Control de iluminación.
Control numérico.
Ordenadores, etc.
Aplicaciones generales: evolución práctica
El diodo de potencia
Uno de los dispositivos más importantes de los circuitos de potencia son los diodos, aunque tienen, entre
otras, las siguientes limitaciones : son dispositivos unidireccionales, no pudiendo circular la corriente en
sentido contrario al de conducción. El único procedimiento de control es invertir el voltaje entre ánodo y
cátodo.
Los diodos de potencia se caracterizan porque en estado de conducción, deben ser capaces de soportar
una alta intensidad con una pequeña caída de tensión. En sentido inverso, deben ser capaces de soportar
una fuerte tensión negativa de ánodo con una pequeña intensidad de fugas.
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El diodo responde a la ecuación:
La curva característica será la que se puede ver en la parte superior, donde:
VRRM: tensión inversa máxima
VD: tensión de codo.
A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, las cuales podemos
agrupar de la siguiente forma:
•
•
•
•
•
Características estáticas:
o Parámetros en bloqueo (polarización inversa).
o Parámetros en conducción.
o Modelo estático.
Características dinámicas:
o Tiempo de recuperación inverso (trr).
o Influencia del trr en la conmutación.
o Tiempo de recuperación directo.
Potencias:
o Potencia máxima disipable.
o Potencia media disipada.
o Potencia inversa de pico repetitivo.
o Potencia inversa de pico no repetitivo.
Características térmicas.
Protección contra sobreintensidades.
Características estáticas
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Parámetros en bloqueo
•
•
•
•
•
Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de
forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha.
Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms,
repetidos cada 10 ms de forma continuada.
Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez
durante 10ms cada 10 minutos o más.
Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede
destruirse o degradar las características del mismo.
Tensión inversa contínua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo.
Parámetros en conducción
•
•
•
•
Intensidad media nominal (IF(AV)): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos
sinusuidales de 180º que el diodo puede soportar.
Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquella que puede ser soportada cada 20 ms , con una
duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º).
Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez
cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.
Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado
de conducción.
Modelos estáticos del diodo
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Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura
superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo
adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.
Estos modelos se suelen emplear para cálculos a mano, reservando modelos más complejos para
programas de simulación como PSPICE. Dichos modelos suelen ser proporcionados por el fabricante, e
incluso pueden venir ya en las librerías del programa.
Características dinámicas
Tiempo de recuperación inverso
El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo
se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores
mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una
tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del
paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento
y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo
y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los
portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía
tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un valor de pico negativo (IRRM) a un valor
despreciable mientras van desapareciedo el exceso de portadores.
•
•
•
ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la
intensidad hasta llegar al pico negativo.
tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que
ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la
práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste.
trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb.
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•
•
•
Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la
característica de recuperación inversa del diodo.
di/dt: es el pico negativo de la intensidad.
Irr: es el pico negativo de la intensidad.
La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF".
Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo :
De donde :
Para el cálculo de los parámetros IRRM y Qrr podemos suponer uno de los dos siguientes casos:
•
•
Para ta = tb trr = 2ta
Para ta = trr tb = 0
En el primer caso obtenemos:
Y en el segundo caso:
Influencia del trr en la conmutación
Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable :
•
•
Se limita la frecuencia de funcionamiento.
Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa.
Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida.
Factores de los que depende trr :
•
•
A mayor IRRM menor trr.
Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será la capacidad
almacenada, y por tanto mayor será trr.
Tiempo de recuperación directo
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tfr (tiempo de recuperación directo): es el tiempo que transcurre
entre el instante en que la tensión ánodo-cátodo se hace positiva
y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor VF.
Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y
no suele producir pérdidas de potencia apreciables.
Disipación de potencia
Potencia máxima disipable (Pmáx)
Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que
disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo.
Potencia media disipada (PAV)
Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se
desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas.
Se define la potencia media (PAV) que puede disipar el dispositivo, como :
Si incluimos en esta expresión el modelo estático, resulta :
y como :
es la intensidad media nominal
es la intensidad eficaz al cuadrado
Nos queda finalmente :
Generalmente el fabricante integra en las hojas de características tablas que indican la potencia disipada
por el elemento para una intensidad conocida.
Otro dato que puede dar el fabricante es curvas que relacionen la potencia media con la intensidad media
y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media).
Potencia inversa de pico repetitiva (PRRM)
Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo.
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Potencia inversa de pico no repeptitiva (PRSM)
Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.
Características térmicas
Temperatura de la unión (Tjmáx)
Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si
queremos evitar su inmediata destrucción.
En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen
de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un
intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo.
Temperatura de almacenamiento (Tstg)
Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El
fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura.
Resistencia térmica unión-contenedor (Rjc)
Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este
dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula:
Rjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx
siendo Tc la temperatura del contenedor y Pmáx la potencia máxima disipable.
Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd)
Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se
supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).
Protección contra sobreintensidades
Principales causas de sobreintensidades
La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga,
debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en el caso de
alimentación de motores, carga de condesadores, utilización en régimen de soldadura, etc.
Estas sobrecargas se traducen en una elevación de temperatura enorme en la unión, que es incapaz de
evacuar las calorias generadas, pasando de forma casi instantánea al estado de cortocircuito (avalancha
térmica).
Organos de protección
Los dispositivos de protección que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso
los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo "ultrarrápidos" en la mayoría de los
casos.
Los fusibles, como su nombre indica, actúan por la fusión del metal de que están compuestos y tienen sus
caracterísitcas indicadas en función de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de un fusible
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no se da sólo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su I t y su tensión.
Parámetro I2t
La I2t de un fusible es la caracterísitca de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en
segundos y la corriente I en amperios.
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Debemos escoger un fusible de valor I t inferior al del diodo, ya que así será el fusible el que se destruya
y no el diodo.
El transistor de potencia
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El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de los transistores normales,
teniendo como características especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por
tanto, las altas potencias a disipar.
Existen tres tipos de transistores de potencia:
•
•
•
bipolar.
unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
IGBT.
Parámetros
MOS
Bipolar
Impedancia de entrada
Alta (1010 ohmios)
Media (104 ohmios)
Ganancia en corriente
Alta (107)
Media (10-100)
Resistencia ON (saturación)
Media / alta
Baja
Resistencia OFF (corte)
Alta
Alta
Voltaje aplicable
Alto (1000 V)
Alto (1200 V)
Máxima temperatura de operación
Alta (200ºC)
Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo
Alta (100-500 Khz)
Baja (10-80 Khz)
Coste
Alto
Medio
El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad de carga en corriente de los
transistores bipolares:
•
•
•
Trabaja con tensión.
Tiempos de conmutación bajos.
Disipación mucho mayor (como los bipolares).
Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal:
•
•
•
•
•
•
Pequeñas fugas.
Alta potencia.
Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia de funcionamiento.
Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del semiconductor.
Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima elevada).
Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).
Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y concretamente de los transistores
bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que
siempre hay un retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las capacidades
asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos de difusión y recombinación de los
portadores.
Principios básicos de funcionamiento
La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el modo de actuación sobre el
terminal de control. En el transistor bipolar hay que inyectar una corriente de base para regular la corriente
de colector, mientras que en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta
y fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos dispositivos, que son
substancialmente distintas.
Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que consume el terminal de
control (base o puerta) es siempre más pequeña que la potencia manejada en los otros dos terminales.
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En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:
•
•
•
En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC.
En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID.
En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra bastante mayor.
Tiempos de conmutación
Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en
cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de
potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que
la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia
de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de
un estado a otro.
Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez,
cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.
Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la
señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor
final.
Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el
90% de su valor final.
Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de
entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final.
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Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el
10% de su valor final.
Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :
Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre mayor que el tiempo de
encendido (ton).
Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia máxima a la cual puede conmutar el
transistor:
Otros parámetros importantes
Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. ICAV, corriente
media por el colector).
Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de colector (ICM) o de drenador (IDM). Con este valor
se determina la máxima disipación de potencia del dispositivo.
VCBO: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto.
VEBO: tensión entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto.
Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor
con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET).
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Estado de saturación: queda determinado por una caída de tensión prácticamente constante. VCEsat entre
colector y emisor en el bipolar y resistencia de conducción RDSon en el FET. Este valor, junto con el de
corriente máxima, determina la potencia máxima de disipación en saturación.
Relación corriente de salida - control de entrada: hFE para el transistor bipolar (ganancia estática de
corriente) y gds para el FET (transconductancia en directa).
Modos de trabajo
Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de
polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser :
•
•
•
•
Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una
polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del
transistor para amplificación.
Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una
polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente.
Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en
ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor
actúa como un interruptor abierto (IC 0).
Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación
en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el
transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0).
Avalancha secundaria. Curvas SOA.
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Si se sobrepasa la máxima tensión permitida entre colector y base con el emisor abierto (VCBO), o la
tensión máxima permitida entre colector y emisor con la base abierta (VCEO), la unión colector - base
polarizada en inverso entra en un proceso de ruptura similar al de cualquier diodo, denominado avalancha
primaria.
Sin embargo, puede darse un caso de avalancha cuando estemos trabajando con tensiones por debajo
de los límites anteriores debido a la aparición de puntos calientes (focalización de la intensidad de base),
que se produce cuando tenemos polarizada la unión base - emisor en directo. En efecto, con dicha
polarización se crea un campo magnético transversal en la zona de base que reduce el paso de
portadores minoritarios a una pequeña zona del dispositivo (anillo circular).La densidad de potencia que
se concentra en dicha zona es proporcional al grado de polarización de la base, a la corriente de colector
y a la VCE, y alcanzando cierto valor, se produce en los puntos calientes un fenómeno degenerativo con el
consiguiente aumento de las pérdidas y de la temperatura. A este fenómeno, con efectos catastróficos en
la mayor parte de los casos, se le conoce con el nombre de avalancha secundaria (o también segunda
ruptura).
El efecto que produce la avalancha secundaria sobre las curvas de salida del transistor es producir unos
codos bruscos que desvían la curva de la situación prevista (ver gráfica anterior).
El transistor puede funcionar por encima de la zona límite de la avalancha secundaria durante cortos
intervalos de tiempo sin que se destruya. Para ello el fabricante suministra unas curvas límites en la zona
activa con los tiempos límites de trabajo, conocidas como curvas FBSOA.
Podemos ver como existe una curva para corriente continua y una serie de curvas para corriente
pulsante, cada una de las cuales es para un ciclo concreto.
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Todo lo descrito anteriormente se produce para el ton del dispositivo. Durante el toff, con polarización
inversa de la unión base - emisor se produce la focalización de la corriente en el centro de la pastilla de
Si, en un área más pequeña que en polarización directa, por lo que la avalancha puede producirse con
niveles más bajos de energía. Los límites de IC y VCE durante el toff vienen reflejado en las curvas RBSOA
dadas por el fabricante.
Efecto producido por carga inductiva. Protecciones.
Las cargas inductivas someten a los transistores a las condiciones de trabajo más desfavorables dentro
de la zona activa.
En el diagrama superior se han representado los diferentes puntos idealizados de funcionamiento del
transistor en corte y saturación. Para una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación. Para
una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación por la recta que va desde A hasta C, y de
saturación a corte desde C a A. Sin embargo, con una carga inductiva como en el circuito anterior el
transistor pasa a saturación recorriendo la curva ABC, mientras que el paso a corte lo hace por el tramo
CDA. Puede verse que este último paso lo hace después de una profunda incursión en la zona activa que
podría fácilmente sobrepasar el límite de avalancha secundaria, con valor VCE muy superior al valor de la
fuente (Vcc).
Para proteger al transistor y evitar su degradación se utilizan en la práctica varios circuitos, que se
muestran a continuación :
a) Diodo Zéner en paralelo con el transistor (la tensión nominal zéner ha de ser superior a la tensión de la
fuente Vcc).
b) Diodo en antiparalelo con la carga RL.
c) Red RC polarizada en paralelo con el transistor (red snubber).
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Las dos primeras limitan la tensión en el transistor durante el paso de saturación a corte, proporcionando
a través de los diodos un camino para la circulación de la intensidad inductiva de la carga.
En la tercera protección, al cortarse el transistor la intensidad inductiva sigue pasando por el diodo y por el
condensador CS, el cual tiende a cargarse a una tensión Vcc. Diseñando adecuadamente la red RC se
consigue que la tensión en el transistor durante la conmutación sea inferior a la de la fuente, alejándose
su funcionamiento de los límites por disipación y por avalancha secundaria. Cuando el transistor pasa a
saturación el condensador se descarga a través de RS.
El efecto producido al incorporar la red snubber es la que se puede apreciar en la figura adjunta, donde
vemos que con esta red, el paso de saturación (punto A) a corte (punto B) se produce de forma más
directa y sin alcanzar valores de VCE superiores a la fuente Vcc.
Para el cálculo de CS podemos suponer, despreciando las pérdidas, que la energía almacenada en la
bobina L antes del bloqueo debe haberse transferido a CS cuando la intensidad de colector se anule. Por
tanto :
de donde :
Para calcular el valor de RS hemos de tener en cuenta que el condensador ha de estar descargado
totalmente en el siguiente proceso de bloqueo, por lo que la constante de tiempo de RS y CS ha de ser
menor (por ejemplo una quinta parte) que el tiempo que permanece en saturación el transistor :
Cálculo de potencias disipadas en conmutación con carga resistiva
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La gráfica superior muestra las señales idealizadas de los tiempos de conmutación (ton y toff) para el
caso de una carga resistiva.
Supongamos el momento origen en el comienzo del tiempo de subida (tr) de la corriente de colector. En
estas condiciones (0 t tr) tendremos :
donde IC más vale :
También tenemos que la tensión colector - emisor viene dada como :
Sustituyendo, tendremos que :
Nosotros asumiremos que la VCE en saturación es despreciable en comparación con Vcc.
Así, la potencia instantánea por el transistor durante este intervalo viene dada por :
La energía, Wr, disipada en el transistor durante el tiempo de subida está dada por la integral de la
potencia durante el intervalo del tiempo de caída, con el resultado:
De forma similar, la energía (Wf) disipada en el transistor durante el tiempo de caída, viene dado como:
La potencia media resultante dependerá de la frecuencia con que se efectúe la conmutación:
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Un último paso es considerar tr despreciable frente a tf, con lo que no cometeríamos un error apreciable si
finalmente dejamos la potencia media, tras sustituir, como:
Cálculo de potencias disipadas en conmutación con carga inductiva
Arriba podemos ver la gráfica de la iC(t), VCE(t) y p(t) para carga inductiva. La energía perdida durante en
ton viene dada por la ecuación:
Durante el tiempo de conducción (t5) la energía perdida es despreciable, puesto que VCE es de un valor
ínfimo durante este tramo.
Durante el toff, la energía de pérdidas en el transistor vendrá dada por la ecuación:
La potencia media de pérdidas durante la conmutación será por tanto:
Si lo que queremos es la potencia media total disipada por el transistor en todo el periodo debemos
multiplicar la frecuencia con la sumatoria de pérdidas a lo largo del periodo (conmutación + conducción).
La energía de pérdidas en conducción viene como:
Ataque y protección del transistor de potencia
Como hemos visto anteriormente, los tiempos de conmutación limitan el funcionamiento del transistor, por
lo que nos interesaría reducir su efecto en la medida de lo posible.
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Los tiempos de conmutación pueden ser reducidos mediante una modificación en la señal de base, tal y
como se muestra en la figura anterior.
Puede verse como el semiciclo positivo está formado por un tramo de mayor amplitud que ayude al
transistor a pasar a saturación (y por tanto reduce el ton) y uno de amplitud suficiente para mantener
saturado el transistor (de este modo la potencia disipada no será excesiva y el tiempo de almacenamiento
no aumentará). El otro semiciclo comienza con un valor negativo que disminuye el toff, y una vez que el
transistor está en corte, se hace cero para evitar pérdidas de potencia.
En consecuencia, si queremos que un transistor que actúa en conmutación lo haga lo más rápidamente
posible y con menores pérdidas, lo ideal sería atacar la base del dispositivo con una señal como el de la
figura anterior. Para esto se puede emplear el circuito de la figura siguiente.
En estas condiciones, la intensidad de base aplicada tendrá la forma indicada a continuación:
Durante el semiperiodo t1, la tensión de entrada (Ve) se mantiene a un valor Ve (máx). En estas
condiciones la VBE es de unos 0.7 v y el condensador C se carga a una tensión VC de valor:
debido a que las resistencias R1 y R2 actúan como un divisor de tensión.
La cte. de tiempo con que se cargará el condensador será aproximadamente de:
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Con el condensador ya cargado a VC, la intensidad de base se estabiliza a un valor IB que vale:
En el instante en que la tensión de entrada pasa a valer -Ve(min), tenemos el condensador cargado a VC,
y la VBE=0.7 v. Ambos valores se suman a la tensión de entrada, lo que produce el pico negativo de
intensidad IB (mín):
A partir de ese instante el condensador se descarga a través de R2 con una constante de tiempo de valor
R2C.
Para que todo lo anterior sea realmente efectivo, debe cumplirse que:
con esto nos aseguramos que el condensador está cargado cuando apliquemos la señal negativa. Así,
obtendremos finalmente una frecuencia máxima de funcionamiento :
Un circuito más serio es el de Control Antisaturación:
El tiempo de saturación (tS)será proporcional a la intensidad de base, y mediante una suave saturación
lograremos reducir tS :
Inicialmente tenemos que:
En estas condiciones conduce D2, con lo que la intensidad de colector pasa a tener un valor:
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Si imponemos como condición que la tensión de codo del diodo D1 se mayor que la del diodo D2,
obtendremos que IC sea mayor que IL:
En lo que respecta a la protección por red snubber, ya se ha visto anteriormente.
Tecnología Smart Power
La expresión smart power se refiere a la tecnología de integración en un dispositivo monolítico de uno o
varios componentes de potencia y de componentes lógicos o analógicos de tratamiento de señal.
Campos de aplicación :
•
•
•
•
•
•
•
Sistemas basados en microprocesador.
Motores (CC, CA y paso a paso).
Pantallas planas.
Telecomunicaciones.
Cabezales de impresora.
Fuentes de alimentación.
Lámparas (automóvil).
Estos circuitos integrados disipan una potencia apreciable (2 - 4 A). Algunos pueden incluso llevar la
etapa de control (circuitos integrados inteligentes).
Para integrar en una pastilla la parte de potencia y la parte de control, se han usado dos tecnologías : la
bipolar y la mixta.
La tecnología bipolar consiste en la utilización de soluciones bipolares para cada uno de los elementos de
potencia y de control. La tecnología mixta se basa en la realización de la parte de potencia y de la parte
de control mediante procesos diferentes.
Según el tipo de uso que necesitemos escogeremos una tecnología de fabricación, optando por CMOS
cuando la parte de control del circuito smart power ha de incluir funciones digitales. Ello se debe a un
menor consumo de potencia y al hecho de no presentar dependencias entre la ganancia y la corriente.
Con estos circuitos obtenemos un mayor rendimiento y una mayor facilidad de implementación, ya que los
circuitos de control no hay que diseñarlos, los tenemos hechos. Esto hace que su implantación en el
mercado vaya creciendo con el paso de los años, al proporcionar soluciones a múltiples necesidades, con
un bajo costo y sencillez.
Tipos de relés
Un relé es un sistema mediante el cuál se puede
controlar una potencia mucho mayor con un
consumo en potencia muy reducido.
Tipos de relés:
•
Relés electromecánicos:
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A) Convencionales.
B) Polarizados.
C) Reed inversores.
•
•
Relés híbridos.
Relés de estado sólido.
Estructura de un relé
En general, podemos distinguir en el esquema general de un relé los siguientes bloques:
•
•
•
Circuito de entrada, control o excitación.
Circuito de acoplamiento.
Circuito de salida, carga o maniobra, constituido por:
- circuito excitador.
- dispositivo conmutador de frecuencia.
- protecciones.
Características generales
Las características generales de cualquier relé son:
•
•
•
•
El aislamiento entre los terminales de entrada y de salida.
Adaptación sencilla a la fuente de control.
Posibilidad de soportar sobrecargas, tanto en el circuito de entrada como en el de salida.
Las dos posiciones de trabajo en los bornes de salida de un relé se caracterizan por:
- En estado abierto, alta impedancia.
- En estado cerrado, baja impedancia.
Para los relés de estado sólido se pueden añadir :
•
•
•
•
•
•
Gran número de conmutaciones y larga vida útil.
Conexión en el paso de tensión por cero, desconexión en el paso de intensidad por cero.
Ausencia de ruido mecánico de conmutación.
Escasa potencia de mando, compatible con TTL y MOS.
insensibilidad a las sacudidas y a los golpes.
Cerrado a las influencias exteriores por un recubrimiento plástico.
Relés electromecánicos.
Están formados por una bobina y unos contactos los cuales pueden conmutar corriente continua o bien
corriente alterna. Vamos a ver los diferentes tipos de relés electromecánicos.
Relés de tipo armadura
Son los más antiguos y también los más utilizados. El esquema siguiente nos explica prácticamente su
constitución y funcionamiento. El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los
contactos dependiendo de si es N.O ó N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado).
22
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Relés de Núcleo Móvil
Estos tienen un émbolo en lugar de la armadura anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus
contactos, debido a su mayor fuerza atractiva (por ello es útil para manejar altas corrientes).
Relé tipo Reed o de Lengüeta
Formados por una ampolla de vidrio, en cuyo interior están situados los contactos (pueden se múltiples)
montados sobre delgadas láminas metálicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitación de
una bobina, que está situada alrededor de dicha ampolla.
Relés Polarizados
Llevan una pequeña armadura, solidaria a un imán permanente. El extremo inferior puede girar dentro de
los polos de un electroimán y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al electroimán, se mueve
la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad es la opuesta girará en sentido contrario, abriendo los
contactos ó cerrando otro circuito( ó varios)
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Relés de estado sólido
Un relé de estado sólido SSR (Solid State Relay), es un circuito eléctrónico que contiene en su interior un
circuito disparado por nivel, acoplado a un interruptor semiconductor, un transistor o un tiristor. Por SSR
se entenderá un producto construido y comprobado en una fábrica, no un dispositivo formado por
componentes independientes que se han montado sobre una placa de circuito impreso.
Estructura del SSR:
•
Circuito de Entrada o de Control:
Control por tensión continua: el circuito de entrada suele ser un LED ( Fotodiodo), solo o con una
resistencia en serie, también podemos encontrarlo con un diodo en antiparalelo para evitar la
inversión de la polaridad por accidente. Los niveles de entrada son compatibles con TTL, CMOS,
y otros valores normalizados ( 12V, 24V, etc.).
Control por tensión Alterna: El circuito de entrada suele ser como el anterior incorporando un
puente rectificador integrado y una fuente de corriente continua para polarizar el diodo LED.
•
Acoplamiento.
El acoplamiento con el circuito se realiza por medio de un optoacoplador o por medio de un
transformador que se encuentra acoplado de forma magnética con el circuito de disparo del
Triac.
•
Circuito de Conmutación o de salida.
El circuito de salida contiene los dispositivos semiconductores de potencia con su
correspondiente circuito excitador. Este circuito será diferente según queramos conmutar CC,
CA.
Optoacopladores
Un optoacoplador combina un dispositivo semiconductor formado por un fotoemisor, un fotoreceptor y
entre ambos hay un camino por donde se transmite la luz. Todos estos elementos se encuentran dentro
de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP.
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Funcionamiento del Optoacoplador
La señal de entrada es aplicada al fotoemisor y la salida es tomada del fotoreceptor. Los optoacopladores
son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volver a convertirla en
una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento eléctrico que puede
establecerse entre los circuitos de entrada y salida.
Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos que emiten rayos
infrarrojos (IRED) y los fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.
Cuando aparece una tensión sobre los terminales del diodo IRED, este emite un haz de rayos infrarrojo
que transmite a través de una pequeña guia-ondas de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía
luminosa que incide sobre el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida. Este
responde a las señales de entrada, que podrían ser pulsos de tensión.
Diferentes tipos de Optoacopladores
Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un transistor BJT.
Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un triac
Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se encuentra un triac de cruce por
cero. El circuito interno de cruce por cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente
alterna.
COMPUTACION
Lenguaje de programación
Los lenguajes de alto nivel logran la independencia del tipo de máquina y se aproximan al lenguaje
natural. Se puede decir que el principal problema que presentan los lenguajes de alto nivel es la gran
cantidad de ellos que existen actualmente en uso.
Los lenguajes de alto nivel, también denominados lenguajes evolucionados, surgen con posterioridad a
los anteriores, con los siguientes objetivos, entre otros:
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ƒ
ƒ
ƒ
Lograr independencia de la máquina, pudiendo utilizar un mismo programa en diferentes equipos
con la única condición de disponer de un programa traductor o compilador, que lo suministra el
fabricante, para obtener el programa ejecutable en lenguaje binario de la máquina que se trate.
Además, no se necesita conocer el hardware específico de dicha máquina.
Aproximarse al lenguaje natural, para que el programa se pueda escribir y leer de una forma más
sencilla, eliminando muchas de las posibilidades de cometer errores que se daban en el lenguaje
máquina, ya que se utilizan palabras (en inglés) en lugar de cadenas de símbolos sin ningún
significado aparente.
Incluir rutinas de uso frecuente como son las de entrada/salida, funciones matemáticas, manejo
de tablas, etc, que figuran en una especie de librería del lenguaje, de tal manera que se pueden
utilizar siempre que se quieran sin necesidad de programarlas cada vez.
Se puede decir que el principal problema que presentan los lenguajes de alto nivel es la gran cantidad de
ellos que existen actualmente en uso (FORTRAN, LISP, ALGOL, COBOL, APL, SNOBOL, PROLOG,
MODULA2, ALGOL68, PASCAL, SIMULA67, ADA, C++, LIS, EUCLID, BASIC), además de las diferentes
versiones o dialectos que se han desarrollado de algunos de ellos.
FORTRAN
Abreviatura de Fórmula Translator (traductor de fórmulas), fue definido alrededor del año 1955 en los
Estados Unidos por la compañía IBM. Es el más antiguo de los lenguajes de alto nivel, pues antes de su
aparición todos los programas se escribían en lenguaje ensamblador o en lenguaje máquina.
Es un lenguaje especializado en aplicaciones técnicas y científicas, caracterizándose por su potencia en
los cálculos matemáticos, pero estando limitado en las aplicaciones de gestión, manejo de archivos,
tratamiento de cadenas de caracteres y edición de informes.
A lo largo de su existencia han aparecido diferentes versiones, entre las que destaca la realizada en 1966
por ANSI (American National Standard Institute) en la que se definieron nuevas reglas del lenguaje y se
efectuó la independencia del mismo con respecto a la máquina, es decir, comenzó la transportabilidad del
lenguaje. Esta versión se denominó FORTRAN IV o FORTRAN 66. En 1977, apareció una nueva versión
más evolucionada que se llamó FORTRAN V o FORTRAN 77, esta versión está reflejada en el
documento «ANSI X3.9-1978: Programming Language FORTRAN» y define dos niveles del lenguaje
denominados FORTRAN 77 completo y FORTRAN 77 básico, siendo el segundo un subconjunto del
primero. Esta última versión incluye además instrucciones para el manejo de cadenas de caracteres y de
archivos, así como otras para la utilización de técnicas de programación estructurada. Estas
características hacen que el lenguaje también sea válido para determinadas aplicaciones de gestión.
COBOL
Es el lenguaje más usado en las aplicaciones de gestión, creado en 1960 por un comité denominado
CODASYL, patrocinado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, a fin de disponer de un
lenguaje universal para aplicaciones comerciales como expresa su nombre (COmmon Business Oriented
Language).
Entre sus características se pueden citar su parecido al lenguaje natural (inglés), es auto- documentado y
tiene gran capacidad en el manejo de archivos, así como en la edición de informes escritos. Entre sus
inconvenientes están sus rígidas reglas de formatos de escritura, la necesidad de describir todos los
elementos al máximo detalle, la extensión excesiva en sus sentencias e incluso duplicación en algunos
casos, la inexistencia de funciones matemáticas y, por último, su no adecuación a las técnicas de
programación estructurada. a
PL/1
Fue creado a comienzos de los años 60 por IBM para ser usado en sus equipos del sistema 360. El PL/I
(Programming Language 1) se desarrolló inspirándose en los lenguajes ALGOL, COBOL y FORTRAN,
tomando las mejores características de los anteriores y añadiendo algunas nuevas, con el objetivo de
obtener un lenguaje lo más general posible, útil para aplicaciones técnico-científicas, comerciales, de
proceso de textos, de bases de datos y de programación de sistemas.
Entre sus novedades está su gran libertad en el formato de escritura de los programas, soportar la
programación estructurada y el diseño modular. No obstante, no ha superado a sus progenitores en sus
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aplicaciones específicas debido en parte a su amplitud y por ello, al tamaño de su compilador, que hasta
ahora sólo se podía instalar en grandes equipos.
BASIC
Fue diseñado por los profesores John G. Kemeny y Thomas E. Kurtz del Dartmouth College en 1965 con
el objetivo principal de conseguir un lenguaje fácil de aprender para los principiantes, como se indica en
su nombre Benginner’s All-purpose Symbolic Instruction Code (Código de instrucción simbólico de
propósito general para principiantes).
Entre sus principales novedades están las de ser un lenguaje interpretado y de uso conversacional, útil
para aplicaciones técnicas y de gestión. Estas características, unidas a la popularización de las
microcomputadoras y computadoras personales, ha hecho que su utilización se haya extendido
enormemente, a la vez que ha propiciado el surgimiento de una gran diversidad de versiones que
extienden y adaptan a necesidades particulares el lenguaje original. Existen multitud de intérpretes y
compiladores del lenguaje.
PASCAL
Fue creado por el matemático suizo Niklaus Wirth en 1970, basándose en el lenguaje AL-GOL, en cuyo
diseño había participado en los años 60. Su nombre proviene del filósofo y matemático francés del siglo
xvii Blaise Pascal, que inventó la primera máquina de tipo mecánico para sumar.
Aunque en principio la idea del diseñador era proporcionar un lenguaje adecuado para la enseñanza de
los conceptos y técnicas de programación, con el tiempo ha llegado a ser un lenguaje ampliamente
utilizado en todo tipo de aplicaciones, poseyendo grandes facilidades para la programación de sistemas y
diseño de gráficos.
Aporta los conceptos de tipo de datos, programación estructurada y diseño descendente, entre otros,
además de haberse convertido en predecesor de otros lenguajes más modernos, como MODULA-2 y
ADA.
C
Fue creado en 1972 por Dennis Ritchie a partir del trabajo elaborado por su colega de los laboratorios Bell
Telephone, Ken Thompson. Estos habían diseñado con anterioridad el sistema operativo UNIX, y su
intención al desarrollar el lenguaje C fue la de conseguir un lenguaje idóneo para la programación de
sistemas que fuese independiente de la máquina con el cual escribir su sistema UNIX.
Aunque fue diseñado inicialmente para la programación de sistemas, posteriormente su uso se ha
extendido a aplicaciones técnico-científicas, de bases de datos, de proceso de textos, etc.
La utilización óptima de este lenguaje se consigue dentro de su entorno natural, que es el sistema
operativo UNIX. Entre sus características destaca el uso de programación estructurada para resolver
tareas de bajo nivel, así como la amplia librería de rutinas de que dispone.
ADA
Es el último intento de obtener un único lenguaje para todo tipo de aplicaciones e incluye los últimos
avances en técnicas de programación. Su diseño fue encargado por el Departamento de Defensa de los
Estados Unidos a la empresa Honeywell-Bull después de una selección rigurosa entre varias propuestas
realizadas sobre una serie de requerimientos del lenguaje y de haber evaluado negativamente veintitrés
lenguajes existentes. De éstos se seleccionaron como base para la creación del nuevo lenguaje el
PASCAL, el ALGOL y el PL/I. La estandarización del lenguaje se publicó en 1983 con el nombre de ADA
en honor de la considerada primera programadora de la historia Augusta Ada Byron, condesa de
Lovelace.
Entre las características del lenguaje se encuentran la compilación separada, los tipos abstractos de
datos, programación concurrente, programación estructurada, libertad de formatos de escritura, etc.,
presentando como principal inconveniente su gran extensión.
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Es un conjunto de símbolos junto a un conjunto de reglas para combinar dichos símbolos que se usan
para expresar programas. Constan de un léxico, una sintaxis y una semántica.
¿Qué conoces tu por léxico, sintaxis y semántica?
Léxico : Conjunto de símbolos permitidos o vocabulario
Sintaxis : Reglas que indican cómo realizar las construcciones del lenguaje
Semántica: Reglas que permiten determinar el significado de cualquier construcción del lenguaje.
Tipos de lenguajes: Atendiendo al número de instrucciones necesarias para realizar una tarea específica
podemos clasificar los lenguajes informáticos en dos grandes bloques:
· bajo nivel
· alto nivel
Lenguaje de bajo nivel
Es el tipo de lenguaje que cualquier computadora es capaz de entender. Se dice que los programas
escritos en forma de ceros y unos están en lenguaje de máquina, porque esa es la versión del programa
que la computadora realmente lee y sigue.
Lenguajes de alto nivel
Son lenguajes de programación que se asemejan a las lenguas humanas usando palabras y frases fáciles
de entender.
· En un lenguaje de bajo nivel cada instrucción corresponde a una acción ejecutable por el ordenador,
mientras que en los lenguajes de alto nivel una instrucción suele corresponder a varias acciones.
· Características de los lenguajes de alto nivel:
Son independientes de la arquitectura física de la computadora. Permiten usar los mismos programas en
computadoras de diferentes arquitecturas (portabilidad), y no es necesario conocer el hardware específico
de la máquina. La ejecución de un programa en lenguaje de alto nivel, requiere de una traducción del
mismo al lenguaje de la computadora donde va a ser ejecutado. Una sentencia en un lenguaje de alto
nivel da lugar, al ser traducida, a varias instrucciones en lenguaje entendible por el computador. Utilizan
notaciones cercanas a las usadas por las personas en un determinado ámbito. Se suelen incluir
instrucciones potentes de uso frecuente que son ofrecidas por el lenguaje de programación.
Generaciones de Lenguajes :
1. lenguajes de máquina
2. lenguajes ensambladores
3. lenguajes de procedimientos
4. lenguajes orientados a problemas
5. lenguajes naturales
1. Lenguaje de máquina (Primera Generación)
Es el lenguaje que la computadora entiende, su estructura está totalmente adaptada a los circuitos de la
máquina y la programación es tediosa porque los datos se representan por ceros y unos. Es de bajo nivel.
Es un conjunto de instrucciones codificadas en binario que son capaces de relacionarse directamente con
los registros y circuitería del microprocesador de la computadora y que resulta directamente ejecutable
por éste, sin necesidad de otros programas intermediarios. Los datos se referencian por medio de las
direcciones de memoria donde se encuentran y las instrucciones realizan operaciones simples. Estos
lenguajes están íntimamente ligados a la CPU y por eso no son transferibles. (baja portabilidad). Para los
programadores es posible escribir programas directamente en lenguaje de máquina, pero las
instrucciones son difíciles de recordar y los programas resultan largos y laboriosos de escribir y también
de corregir y depurar.
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2. Lenguaje ensamblador (Segunda Generación)
Es otro lenguaje de programación de bajo nivel, pero simbólico porque las instrucciones se construyen
usando códigos de tipo mnemotécnico, lo cual facilita la escritura y depuración de los programas pero no
los acorta puesto que para cada acción se necesita una instrucción. El programa ensamblador va
traduciendo línea a línea a la vez que comprueba la existencia de errores. Si localiza alguno da un
mensaje de error. Algunas características que lo diferencian del lenguaje de máquina son que permite el
uso de comentarios entre las líneas de instrucciones; en lugar de direcciones binarias usa identificadores
como total, x, y, etc. Y los códigos de operación se representan por mnemotécnica siempre tienen la
desventaja de repertorio reducido de instrucciones, rígido formato para las instrucciones, baja portabilidad
y fuerte dependencia del hardware. Tiene la ventaja del uso óptimo de los recursos hardware, permitiendo
la obtención de un código muy eficiente. Ejemplo de algunos códigos mnemónicos son: STO para guardar
un dato, LOA para cargar algo en el acumulador, ADD para adicionar un dato, INP para leer un dato, STO
para guardar información, MOV para mover un dato y ponerlo en un registro, END para terminar el
programa, etc. Con la tercera generación avanzamos a los lenguajes de alto nivel, muchos de los cuales
se consideran exportables. Esto es, pueden correr en más de un tipo de computadoras, se les puede
exportar de una máquina a otra.
3. Lenguaje de procedimientos (Tercera Generación)
Son lenguajes de alto nivel similares al habla humana pero requieren cierta capacitación para su uso.
Ventajas :
a. Independencia de la arquitectura física de la computadora (portabilidad), esto significa que un mismo
lenguaje puede funcionar (al menos en teoría) en distintos computadores, por lo que tanto el lenguaje
como los programas escritos con él serán transportables de un computador a otro. En la práctica, esta
característica resulta limitada por la gran diversidad de versiones y dialectos que se constituyen para cada
lenguaje.
b. una sentencia en un lenguaje de alto nivel da lugar, al ser traducida, a varias instrucciones en lenguaje
máquina. Se llaman de procedimientos porque están diseñados para expresar la lógica capaz de resolver
problemas generales. Entre estos tenemos:
Basic
Pascal
Cobol
C
Fortran
Para que el lenguaje de procedimientos pueda funcionar debe traducirse a lenguaje de máquina a fin de
que la computadora lo entienda. Para ello se han de usar programas traductores que realicen dicho
proceso. Tienen la capacidad de soportar programación estructurada.
4. Lenguajes orientados a problemas (4GL)
Resultan más eficaces para la resolución de un tipo de problemas a costa de una menor eficiencia para
otros. Requieren poca capacitación especial de parte del usuario Son considerados de muy alto nivel
Diseñados para resolver problemas específicos
Incluye: lenguajes de consulta y generador de aplicaciones
Lenguajes de consulta:
Permiten a no programadores usar ciertos comandos de fácil comprensión para la búsqueda y generación
de reportes a partir de una base de datos.
Generador de aplicaciones:
Quiere decir que cuando se diseña uno de estos lenguajes, se tiene en cuenta que su finalidad es la
resolución de problemas, prescindiendo de la arquitectura del computador. Contiene varios módulos que
han sido preprogramados para cumplir varias tareas.
5. Lenguajes naturales
Lenguajes orientados a aplicaciones en inteligencia artificial, como lisp y prolog. Dentro de este campo
destacan las aplicaciones en sistemas expertos, juegos, visión artificial (Jurasic Park) y robótica. Lisp es
un lenguaje para procesamiento de listas y manipulación de símbolos. Prolog es un lenguaje basado en la
lógica, para aplicaciones de bases de datos e Inteligencia Artificial.
Podemos decir entonces, que los lenguajes de alto nivel, tienen las ventajas de mayor legibilidad de los
programas, portabilidad, facilidad de aprendizaje y facilidad de modificación.
PARA ANALIZAR:
1. ¿Cuál es la diferencia fundamental entre los lenguajes de alto nivel y bajo nivel?
2. Investigar analogías y diferencias entre el código máquina y el lenguaje ensamblador.
3. Buscar información que permita decidir cuáles serían los lenguajes de programación más apropiados
para realizar: aplicaciones para gestión de oficinas, complejos cálculos científicos, un sistema experto en
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medicina, un simulador de vuelo, manipulación de bases de datos, control de un robot industrial.
Sugerencias de ampliación:
Clasificación de los lenguajes de alto nivel
Lenguajes de propósito general:
TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES
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CERÁMICOS
Vulgar: son aquellos que reciben un tratamiento térmico.
Técnica: cualquier material compuesto por átomos electronegativos y electropositivos, es decir, materiales
con enlaces iónicos (tb. Pueden ser covalentes).
Estructura:
La estructura cristalina de los cerámicos es muy compleja. Según su estructura pueden clasificarse en:
Cerámicos Cristalinos: incluyen a los silicatos tradicionales y muchos compuestos oxídicos y no
oxídicos.
Cerámicos NO Cristalinos: Son los vidrios y su ausencia de cristalinidad es obtenida mediante técnicas
especiales de procesado que le confieren grandes propiedades ópticas y mecánicas.
Tipos de Materiales Cerámicos:
Cerámicos de Cocción: Son materiales que mediante un cierto tratamiento térmico adquieren
suficiente resistencia mecánica. El producto mas usado es la arcilla(Si O2), es barato y se encuentra de
forma natural en abundancia. El proceso de conformado es el moldeo de la arcilla con agua para luego
recibir el tratamiento térmico. La producción de estos materiales está orientada a la loza, ladrillería,
porcelana, ... .
Vidrios: Son productos que se obtienen por fusión completa, para conformarlos sin permitir que
cristalicen.
Conformado: estos materiales se conforman mediante un tratamiento térmico. La técnica es calentar el
material por encima de la Tª fusión y luego mantener la estructura líquida a baja Tª, en ese estado
viscoso es cuando se le da la forma deseada. La diferencia entre un vidrio y otro (aparte de las materias
primas) es la temperatura a la que se trabaje, cuanta mayor sea, mejores propiedades obtendrá.
Propiedades: las mejores propiedades son su transparencia óptica y su sencilla fabricación.
œ Propiedades Ópticas: el elevado coeficiente de refracción que tiene el vidrio le asegura una nítida
transparencia.
œ Propiedades Mecánicas: El vidrio es un material poco poraz, sus átomos están fuertemente unidos, y
es de ahí de donde obtiene su gran resistencia mecánica, pero también su alta fragilidad, puesto que
la tenacidad de un vidrio es muy pequeña. Esta es su gran limitación.
œ Propiedades Térmicas: El vidrio es un buen material para soportar altas temperaturas, pero el
problema es que los materiales vidrios están compuestos de otros materiales que con el calor pueden
dilatar de diferente manera al vidrio lo que puede provocar fuertes tensiones y romper el sistema.
Procedimientos para Aumentar la Tenacidad de los Vidrios:
Temple: La pieza se calienta hasta una cierta temperatura, entonces se enfría hasta temperatura
ambiente mediante un chorro de aire. Debido a este chorro de aire frío la pieza enfría a distintas
velocidades en el interior y en la superficie. Llegará un momento en el que la superficie ya adquiera
rigidez mientras que en el interior se producen movimientos de contracción que generan tensiones en la
superficie. Como consecuencia esta pieza soporta esfuerzos de compresión en la superficie con
esfuerzos de tracción en el interior. Cuando este vidrio rompe, lo hace en mil pedazos.
Laminado: También denominado composite, consiste en aplicar una lámina de poliéster entre los vidrios.
De esta manera si el vidrio rompe, éste se queda pegado al polímero y el sistema permanece estable.
Dilatación Térmica:
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La dilatación térmica lleva consigo un aumento de superficie, longitud y volumen lo que trae consigo
tensiones que pueden provocar la rotura. Los materiales tienen un coeficiente de dilatación térmica ( ),
que es una propiedad que indica el grado de dilatación de un material cuando es calentado.
Existe también una ley de dilatación, que se expresa mediante una función no lineal, pero puede
considerarse como tal, puesto que el error es despreciable. l = l0 ( 1 + t ).
Cementos:
Son materiales que sirven para sellar, unir, como conglomerantes..., son materiales muy funcionales. Hoy
en día sus prestaciones están muy avanzadas. La idea es conseguir un material barato que mezclado con
otro se endurezca. Existen muchos tipos de cementos, el más importante es el cemento Portland.
Cemento Portland: El cemento Portland se fabrica a partir de materiales calizos, por lo general piedra
caliza, junto con arcillas.
Proceso de Fabricación: Las materias primas se trituran y reciben un tratamiento térmico entorno a los
1600º C en un horno rotatorio, mediante este tratamiento térmico se producen cambios químicos y el
producto resultante se denomina clinker. El clinker obtenido se tritura hasta conseguir un polvo muy fino y
se mezcla con yeso para retardar el proceso de fraguado.
Fraguado: El cemento cuando se mezcla con agua forma una pasta y luego se endurece, este proceso
de fraguado y posterior endurecimiento ocurre debido a las reacciones químicas que se suceden entre
sus constituyentes. La reacción de fraguado es exotérmica.
La resistencia a la compresión suele ser hasta 10 veces más alta que la resistencia a la tracción. Por ello,
resulta habitual que se presente con estructuras de metal para reforzar sus esfuerzos. Modificando su
composición mineralógica se puede obtener diversos cementos, según las necesidades, que endurezcan
más rápido, que sean mas resistentes... .
Materiales Aislantes
Aplicaciones de los Aislantes:
Los materiales aislantes tienen múltiples aplicaciones:
Aislar a los conductores, es necesario para transportar energía.
Para crear condensadores. En ellos se acumula y modula la energía eléctrica.
Para fabricar transductores: materiales en los que podemos encontrar una diferencia de potencial
producida por una distensión mecánica.
Condensadores:
Su utilidad es la de almacenar energía. Un condensador es cualquier sistema con un electrodo cargado +
y otro electrodo cargado - en donde se establece un campo eléctrico.
C = Q / V Energía Almacenada = ½ C V2
Condensador Plano: Es el más básico y su capacidad sólo depende de su superficie y distancia de
separación.
C=
(S / D)
= constante de proporcionalidad, permitividad del dieléctrico
= es debido a la atmósfera (dieléctrico) que haya entre las dos pacas y condiciona la capacidad del
condensador.
o = permeabilidad del vacío
r=
/
o
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r = permitividad relativa
Polarización:
La polarización es el proceso de alineamiento de los dipolos. Un dipolo es un sistema de cargas
eléctricas iguales, contrarias y separadas Al dieléctrico cuando se le aplica un campo eléctrico se polariza
( se separan las cargas + y - ) y estas se alinean con el campo externo aplicado.
Mecanismos que actúan en la Polarización:
Electrónica: Los electrones son los primeros afectados dada su escasa masa. Esto quiere decir que
con un pequeño campo eléctrico se moverán rápidamente y se separarán del protón. Este mecanismo de
polarización se presenta en todos los materiales dieléctricos.
Iónica: Afecta a los materiales cerámicos, dada su gran cantidad de enlaces iónicos y separa los
cationes en una dirección y los aniones en otra.
Orientación: Se encuentra en sustancias con momentos dipolares permanentes. En el dieléctrico ya
está formados los dipolos y ahora se orientan en el sentido del campo eléctrico.
Desplazamiento de Cargas: Dado que ningún aislante presenta resistencia infinita (excepto el vacío),
existen algunas cargas (aunque pocas) y estas cargas se desplazan formando dipolos.
Dependencia de la Constante Dieléctrica a Alta Frecuencia:
En corriente alterna, el campo eléctrico cambia continuamente de dirección con el tiempo. Con cada
inversión de la dirección, los dipolos intentan reorientarse; un proceso que requiere un tiempo finito. Para
cada tipo de polarización existe un tiempo mínimo de reorientación, el cual depende de la facilidad de los
dipolos para realinearse. La frecuencia de Relajación es el recíproco de este tiempo mínimo de
reorientación.
Cuando la frecuencia del campo aplicado excede la frecuencia de relajación de los dipolos (al dipolo no le
da tiempo a reorientarse) la constante Dieléctrica disminuye. Se produce el denominado fenómeno de
Perdida Dieléctrica.
Cuando un mecanismo de polarización cesa
de funcionar se produce una brusca disminución de
la constante dieléctrica.
Campo eléctrico Máximo:
Cuando aplicamos un campo eléctrico, los materiales pueden ser ionizados (arrancados electrones), esto
se manifiesta mediante la chispa eléctrica. Este fenómeno implica que halla que determinar el campo
eléctrico máximo que puede soportar el material. A esta característica del material se le denomina
Rigidez Dieléctrica.
Materiales Piezoeléctricos:
La piezoelectricidad es un propiedad inusual que presentan algunos materiales cerámicos. El más
conocido se en cuarzo y los más eficaces son los titanatos.
En estos materiales se establece un campo eléctrico y se induce la polarización bajo la aplicación de una
fuerza mecánica, o viceversa. Los materiales piezoeléctricos se usan en transductores, otras
aplicaciones más familiares son: cabezal de tocadiscos, micrófonos, detectores sonar, ...
Materiales Conductores
Tipos de materiales:
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Según su capacidad para transportar cargas eléctricas se dividen en:
Conductores: su valor de conductividad es muy alto. La plata es el mejor conductor y su valor de
conductividad está entorno a 6,1 107
Aislantes: su capacidad para transportar energía es prácticamente nula. Sus valores de conductividad
son se 10-10 a 10-20
Semiconductores: tienen valores intermedios de conductividad, según su composición, pueden ser de
dos tipos: Intrínsecos o Extrínsecos. Son de infinita utilidad en la rama de la electrónica. Su conductividad
es del orden de 10-6 a 104
La capacidad de transportar energía depende de la composición química y metalúrgica del conductor.
Ley de Ohm:
Según la ley de Ohm, la cantidad de corriente que fluye por un conductor es directamente proporcional a
la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. I
=V/R
Conductividad eléctrica es la capacidad de un conductor para transportar energía.
Resistencia eléctrica (R), está ligada a la conductividad, es la capacidad que posee un material para
oponerse al transporte de energía. Es directamente proporcional a la longitud (l) e inversamente
proporcional a la sección (S) del conductor. R = ( l / S )
Resistividad eléctrica (), depende de la composición química y metalúrgica del material.
Movilidad de los Electrones:
Cuando se aplica un campo eléctrico, se ejerce una fuerza sobre los electrones libres; por tanto,
experimenta una aceleración. Todos los electrones libres deben acelerarse si se mantiene el campo
eléctrico, lo cual produciría una corriente que aumenta continuamente con el tiempo. Sin embargo,
sabemos que la corriente adquiere un valor constante, lo cual indica que debe existir una “fuerza de
fricción” que contrarreste la aceleración. Esta fuerza de fricción resulta de la interacción de los electrones
con los defectos de la red cristalina (impurezas, vacantes, átomos intersticiales e incluso vibraciones
térmicas). Casa vez que se produce una dispersión el electrón pierde energía cinética y cambia de
dirección. Sin embargo, existe un movimiento neto de electrones y este flujo es la corriente eléctrica.
El fenómeno de la dispersión se presenta como una resistencia al paso de la corriente eléctrica.
Conductividad Relativa:
Para establecer la conductividad de un material con respecto a otro, se necesita un patrón. Para ello
surgió la I.A.C.S. “International Annealed Coprer Standar ”: Esta prueba fue realizada a 20º C con cobre
recocido y al valor de su conductividad se le asignó un 100 % de conductividad. Al partir de esta prueba
se experimentó con otros materiales para establecer una tabla comparativa.
El cobre es el conductor por excelencia, cuánto mayor sea su pureza mayor será su conductividad. El
cobre refinado térmicamente no es apto para la conductividad eléctrica sino que para la conductividad
térmica. (tubos de calefacción).
Resistividad Eléctrica (sólo metales):
Los defectos cristalinos actúan como centros de dispersión de los electrones en la conducción, por lo
tanto, al aumentar los defectos aumenta también la resistividad. La concentración se estas imperfecciones
depende e la temperatura, la composición y el grado de acritud de la muestra metálica.
Experimentalmente se ha demostrado que la resistividad de un metal es la suma de las contribuciones de
las vibraciones térmicas, de las impurezas y del grado de deformación plática. Los mecanismos de
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dispersión actúan de manera independiente (unos de otros) y de forma aditiva. Esta el la ley de
Matthiessen.
Ley de Matthiessen: T = t + i + d
La Temperatura: hace variar la resistividad de una forma aproximadamente lineal. Un aumento de la Tª
supone un aumento de la resistividad.
Las Impurezas: La composición del material influye en su resistividad, un aumento de impurezas supone
un aumento de la resistividad
La Deformación Plástica: El aumento de las dislocaciones aumenta la dispersión de los electrones.
Efectos de Temperatura:
Efecto Joule: con energía eléctrica se consigue calor. ( W = R I2 = V I )
Lo importante de estos materiales (usados en procesos térmicos) es que a altas temperaturas no se
fundan, no se oxiden, ...
Efecto Termoeléctrico o Efecto Seebeck: nos permite disponer de un dispositivo para medir altas
temperaturas, este dispositivo es eléctrico y sumamente estable, se le llama termopar.
El efecto Seebeck dice que si tenemos un conductor con diferentes temperaturas en sus extremos, pues
entonces existe también una diferencia de potencial
Efecto Termoiónico o Efecto Ericsson: cuando calentamos un objeto metálico, se desprenden
electrones que quedan alrededor del objeto calefactado. Es el denominado tubo de rayos catódicos.
Materiales Ferromagnéticos
Parámetros Magnéticos:
H: es el campo magnético externamente aplicado. Intensidad magnético.
B: inducción magnética, representa el campo magnético dentro de un material sometido a un campo H.
: Permeabilidad magnética, es una propiedad especifica del material, indica la medida con que un
material puede ser magnetizado, es decir, la facilidad de inducirle un campo B mediante un campo H.
M : vector de magnetización, indica la facilidad con que un objeto puede ser imantado.
: Susceptibilidad magnética.
Momento Magnéticos:
Las propiedades microscópicas magnéticas de un material son consecuencia de las momento magnéticos
asociados a los electrones.
En cada átomo, los electrones tienen momentos magnéticos que se originan de 2 maneras distintas:
Mediante el movimiento orbital del electrón, es decir, el electrón gira alrededor del núcleo describiendo
una órbita. Este movimiento alrededor de la órbita genera un momento magnético. (espira)
Mediante el giro del electrón sobre sí mismo, generando un momento dipolar en el eje del spin.
Por lo tanto, cada electrón puede considerarse como un diminuto imán que tiene momentos magnéticos
orbitales y de spin.
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En cada átomo, los momento de un electrón pueden anularse con los momentos de otro electrón, así, el
momento magnético neto es el resultado de la suma de los momento magnéticos de los diferentes
electrones.
Clasificación se los Materiales:
Los materiales pueden tener distintos tipos de magnetismo. Todos los materiales presentan, al menos,
uno de los estados de magnetismo y su clasificación depende de la respuesta de los dipolos magnéticos
bajo la aplicación de un campo magnético externo.
Diamagnetismo: Es una forma muy débil de magnetismo y persiste sólo mientras el campo externo está
presente. El momento magnético inducido es muy pequeño y en la dirección opuesta a la del campo
externo aplicado. Está presente en todos los materiales, pero no puede ser observado en presencia de
otro tipo de magnetismo.
(Cu) B " B0 < 1
Paramagnetismo: Cada átomo posee un momento magnético permanente, pero su orientación es al
azar. En presencia de un campo magnético externo, los dipolos se orientan formando un campo
magnético relativamente pequeño. Este tipo de magnetización sólo dura cuando el campo externo está
aplicado.
(Ag) B " B0 > 1
Ferromagnetismo: Es una propiedad que tienen ciertos materiales metálicos, que poseen un momento
magnético permanente en ausencia de un campo externo aplicado y manifiestan magnetizaciones
permanentes muy fuertes. Estos momentos magnéticos permanentes resultan principalmente de los
movimientos de spin.
(Fe) B >> B0 >> 1
Cuanto menos campo magnético externo(H) necesitemos para inducir un campo magnético interno(B)
mejor, por ello los ferromagnéticos son los más apropiados en el campo del magnetismo. Tanto los
materiales diamagnéticos como los paramagnéticos son considerados no magnéticos.
Magnetización de Saturación:
Si aplicamos un campo H llegará un momento en el que la magnetización será máxima y en ese
momento todos los dipolos estarán alineados con el campo externo, consiguiendo así un campo
inducido(B) también máximo. Esto es la magnetización por Saturación.
Histéresis Magnética:
El fenómeno de la histéresis magnética se produce en los materiales ferromagnéticos pero de diferente
manera en cada material.
Suponiendo que iniciamos con el material desmagnetizado, le aplicamos un campo H hasta llegar a un
Hmax. A continuación vamos reduciendo progresivamente H, de tal manera que B adquiera una cierta
remanencia(Br, magnetismo remanente, indica el valor de la inducción sin H), es decir, realiza un
camino de bajada de su magnetización distinto al de subida, así es como el material se va a quedar
magnetizado sin la aplicación de un campo H. Se convierte en un imán permanente.
Ahora seguimos aplicando un H pero negativo, es decir, en el otro sentido, hasta que lleguemos a -Hmax ;
mientras estamos aplicando este campo negativo llegará un momento en el que la inducción sea nula, la
fuerza magnetomotriz(H) que se necesita para anular la inducción se llama fuerza coercitiva(Hc).
Ahora volveremos a reducir el -Hmax hasta volver a poder aplicar un Hmax / Bmax. Como veremos
volverá a realizar otro camino de regreso.
Si volvemos a repetir el ciclo, volverán a repetirse los caminos, como si fuera una corriente senoidal. Ciclo
de Histéresis.
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Este fenómeno genera pérdidas; pérdidas por calor y pérdidas por histéresis. La magnitud de esta
pérdida es el resultado del área descrita por los 2 caminos. La pérdida por calor es debido al
rozamiento de las partículas cuando se mueven para reorientarse con el campo magnético.
No sólo hay un ciclo de histéresis, el mismo material tiene varios ciclos y dependen del campo Hmax que
le apliquemos, de tal manera que reduciendo progresivamente el Hmax aplicado se reducirá también el
área hasta conseguir una pérdida de nula
Corrientes de Foucault:
Los materiales magnéticos pueden tener pérdidas de energía producidas por unas corrientes eléctricas
que se inducen en el material magnético aplicando un campo magnético externo que varía en magnitud y
dirección con el tiempo. Estas corrientes se denominan corrientes parásitas o corrientes de Foucault.
Es deseable minimizar estas pérdidas de energía en materiales magnéticos blandos aumentando su
resistividad.
Materiales Ferromagnéticos Blandos y Duros:
Todos los materiales ferromagnéticos y ferromagnéticos se clasifican en duros o blando en base a su
característica de histéresis.
Blandos: Un material magnético blando debe tener alta permeabilidad inicial y una baja fuerza coercitiva.
Un material que posea estas propiedades puede alcanzar la saturación con un campo aplicado
relativamente pequeño(fácilmente magnetizable o desmagnetizable) y tener pocas pérdidas de
histéresis. Se usan en dispositivos sometidos a campos magnéticos alternantes en los cuales las pérdidas
deben ser pequeñas (transformadores, generadores, motores, circuitos conmutados).
Duros: Un material magnéticos duro tiene una remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturación
elevadas, así como un permeabilidad inicial baja y altas pérdidas de histéresis; de tal manera que es
necesario un campo magnético externo aplicado muy grande para magnetizarlo o desmagnetizarlo.
Su principal utilidad está en la fabricación de imanes permanentes(cintas magnéticas).
METALES
Tipos de materiales metálicos:
PUROS: Todos los átomos son iguales. Los metales puros se usan cuando necesitamos alguna
propiedad singular (un material tenaz y blando, alta conductividad, alta resistividad a la corrosión...)
ALEACIONES: Es una mezcla de átomos en la cual se conservan las propiedades del metal.
Estructura:
Los átomos de los materiales metálicos se presentan de manera ordenada, formando redes cristalinas
según formas geométricas regulares, los metales suelen cristalizar en tres redes cristalinas típicas:
Cúbica centrada en el cuerpo
Cúbica centrada en las caras
Hexagonal compacta
Aleaciones:
Hay cuatro tipos de aleaciones por su naturaleza:
Compuestos Químicos: los elementos que se alean tienen distinto potencial eléctrico.
Compuestos Intermetálicos: los aleantes son capaces de reaccionar entre sí formando una estructura
cristalina propia inmersa en la base del metal base
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Soluciones Sólidas: los átomos del metal aleantes se sitúan en la red cristalina del metal base. Las
soluciones sólidas incrementan enormemente la resistencia mecánica del metal base, se conocen 2 tipos:
Soluciones Sólidas de Sustitución: los átomos del metal base y de los aleantes son similares
Soluciones Sólidas Intersticiales: los átomos de los aleantes son pequeños y se alojan en los intersticios
de le la red cristalina del metal base.
Aleación Eutéctica: los átomos del metal base y del aleante son muy distintos y no cristalizan en el
mismo sistema.
Tratamientos:
Básicamente son 3 los procesos para su conformado:
I. FUSIÓN: Fundimos el metal hasta conseguir el metal líquido y después lo echamos en un molde, esto
es lo que se conoce como colada. Una característica común a este procedimiento es que todas las
fundiciones obtenidas tienen poros. Se utilizan varios moldes:
Cera Perdida: se hace la figura en cera, luego se hace el molde sobre la figura en cera y por último se
echa el líquido metálico (obras artísticas).
Molde de Arena: está formado por arcilla, arena,... , se usa sobre todo en alcantarillas, bloques de
motor... . Este procedimiento también se llama moldeo por gravedad.
Molde Metálico: el denominado coquilla, es un moldeo por presión y se usa para metales con bajo punto
de fusión.
II. DEFORMACIÓN: Existen muchos tipos de deformación.
La deformación se puede realizar en frío o en caliente y sus propiedad varían mucho según la
temperatura a la que los trabajemos.
Frío: Se considera que trabajamos en frío dependiendo de la temperatura de fusión del metal. A esta Tª
se le conoce como temperatura de recristalización.( Tª REC = 0.4 Tª F ) 0.33 Tª F < Tª REC < Tª F.
Una estructura trabajada en frío obtiene acritud (adquiere más resistencia mecánica), pero pierde
tenacidad (necesita menos energía para romperse).
III. MECANIZADO: Es un proceso de desgaste que consiste en eliminar el metal que sobra para obtener
la pieza. No es un método demasiado efectivo porque deja mucha viruta, la herramienta es cara, es un
trabajo lento y la productividad se muestra mermada, es mas bien un sistema de acabados.
En general, las piezas por fusión son las que menos resistencia mecánica tienen y también las más
homogéneas. Las piezas realizadas por deformación son las que mas resistencia mecánica tienen.
Formas de Endurecer un Metal o una Aleación
Son principalmente 6 métodos:
Tamaño del Grano Cristalino: Cuanto mas pequeño sea el tamaño del grano la aleación será más
resistente (y viceversa).
Constitución de Disoluciones Sólidas:
Por Deformación: Dándole acritud.
Obtención en la aleación de precipitados submicroscópicos:
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Temple: Consiste en el enfriamiento rápido de una aleación férrea, con suficiente carbono,
sumergiéndola en un medio refrigerante (agua). El material adquiere una gran resistencia mecánica pero
se vuelve más frágil. Después del temple hay que calentar ligeramente, esto se conoce como revenido.
La finalidad del temple no es enfriar rápidamente sino obtener martensita.
Supered: consiste en una reordenación de los átomos.
PLÁSTICOS
Son materiales orgánicos y poliméricos.
Estructura del Polímero:
El Polietileno (PE) es el más famoso de todos ellos. El etileno es un gas a Tª y presión ambientales pero
en presencia de un catalizador y en las condiciones apropiadas se transforma en polietileno. Está formado
por átomos de carbono e hidrógeno y su construcción es en zig-zag.
Estructura Molecular:
Polímeros lineales: se forman cadenas sencillas.
Polímero Ramificados: la cadena principal está conectada a otras cadenas secundarias.
Polímeros Entrecruzados: las cadenas se unen transversalmente.
Polímeros Reticulados: están compuestos por unidades trifuncionales (3 enlaces activos) y por ello son
muy resistentes.
Cristalinidad de los Polímeros:
La Cristalinidad polimérica consiste en una disposición molécular ordenada. Las ramificaciones
dificultan la cristalización. El grado de Cristalinidad del polímero puede variar de prácticamente amorfo a
totalmente cristalino. Los polímeros cristalinos son más resistentes a la disolución y al ablandamiento
térmico.
Polímeros Termoplásticos y Termoestables:
Una forma de clasificar los polímeros es según su respuesta mecánica frente a temperaturas elevadas.
Termoplásticos: se ablandan al calentarse y se endurecen al enfriarse. Se fabrican con aplicación
simultánea de presión y calor. Su fabricación es sencilla y barata y su uso está muy extendido. Son
relativamente blandos y dúctiles. A este grupo pertenecen los lineales y ramificados
Termoestables: se endurecen al calentarse y no se ablandan al continuar calentando. Su fabricación
resulta cara y compleja. Son más resistentes a la corrosión y mecánicamente pero más frágiles que los
termoplásticos. A este grupo pertenecen los entrecruzados y reticulados.
Polimerización:
Es la síntesis de polímeros, transcurre mediante dos reacciones.
Polimerización por Adición: consiste en añadir moléculas de forma aditiva formando una cadena (sin
más, uno de tras de otro).
Polimerización por Condensación: se forman los polímeros mediante reacciones químicas.
Polímeros Elastómeros:
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Son polímeros susceptibles de experimentar deformaciones elásticas grandes y reversibles. Su estructura
molécular es entrecruzada y el proceso de entrecruzamiento se denomina vulcanización.
Pinturas y Barnices:
Las pinturas están compuestas, básicamente, por:
Vehículo: aporta la resistencia mecánica, de naturaleza polimérica.
Pigmento: son partículas inorgánicas responsables del color, la opacidad y de proteger frente agentes
externos.
Disolvente: homogeniza la mezcla y aporta fluidez.
Agentes Secantes: facilitan las reacciones químicas durante el proceso de secado.
Propiedades de los Polímeros:
La resistencia mecánica de los materiales poliméricos es relativamente baja y también son muy
susceptibles a los cambios de temperatura. Su tenacidad es elevada pero no se aprovecha eficazmente
dada su falta de resistencia.
Respecto a las propiedades químicas: los polímeros son muy débiles (radiación, corrosión, ...). Se
degradan con cierta facilidad.
Respecto a las propiedades eléctricas: la mayoría de los polímeros son aislantes, aunque su capacidad
como aislantes vuelve a estar condicionada por su resistencia mecánica, térmica y química.
Aplicaciones:
Sus utilidades están muy extendidas: industria textil, recubrimientos, adhesivos, películas, canalizaciones,
... .
+
En la soldadura, se utilizan ciertos signos en los planos sé ingeniería para indicar al soldador ciertas
reglas que deben seguir, aunque no tenga conocimientos de ingeniería. Estos signos gráficos se llaman
símbolos de soldadura. Una vez que se entiende el lenguaje de estos símbolos, es muy fácil leerlos.
Símbolos de soldadura
Los símbolos de soldadura se utilizan en la industria para representar detalles de diseño que ocuparían
demasiado espacio en el dibujo si estuvieran escritos con todas sus letras. Por ejemplo, el ingeniero o el
diseñador desea hacer llegar la siguiente información al taller de soldadura:
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El punto en donde se debe hacer la soldadura.
Que la soldadura va ser de filete en ambos lados de la unión.
Un lado será una soldadura de filete de 12 mm; el otro una soldadura de 6mm.
Ambas soldaduras se harán un electrodo E6014.
La soldadura de filete de 12mm se esmerilará con máquina que desaparezca
Para dar toda esta información, el ingeniero o diseñador sólo pone el símbolo en el lugar correspondiente
en el plano para trasmitir la información al taller de soldadura
Los símbolos de soldadura son tan esenciales en el trabajo del soldador como correr un cordón o llenar
una unión. La American Welding Society (AWS) ha establecido un grupo de símbolos estándar utilizados
en la industria para indicar e ilustrar toda la información para soldar en los dibujos y planos de ingeniería.
Partes del símbolo de soldadura
1) La línea de referencia siempre será la misma en todos los símbolos. Sin embargo, si el símbolo de
soldadura está debajo (sig figura) de la línea de referencia, la soldadura se hará en el lado de la unión
hacia el cual apuntara la flecha. Si el símbolo de la soldadura está encimada de la línea de referencia, la
soldadura se hará en el lado de la unión, opuesto al lado en que apunta la flecha
2) La flecha puede apuntar en diferentes direcciones y, a veces, puede ser quebrada (Sig. figura)
3) Hay muchos símbolos de soldadura, cada uno correspondiente a una soldadura en particular.
4) Se agregan acotaciones (dimensionales) adicionales a la derecha del símbolo si la unión se va a soldar
por puntos en caso de la soldadura de filete. La primera acotación adicional en la (Sig. fig.) indica la
longitud de la soldadura; la segunda dimensional indica la distancia entre centros de la soldadura.
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5) La cola quizá no contenga información especial y a veces, se pueda omitir.
6) Hay una gran variedad de símbolos complementarios, cada uno un signo deferente.
Combinación de símbolos y resultados
Algunos símbolos son muy complicados o parecen serlo a primera vista; pero si se estudian punto por
punto, no son difíciles de entender. El primer punto que se observa en la figura (sig figura) es la parte del
símbolo que indica doble chaflán (bisel) o doble V. Los chaflanes dobles, o doble V, se preparan en una
sola de las piezas de metal, de modo que el trabajo se hará como se muestra a continuación:
A continuación está el símbolo de soldadura de filete en ambos lados de la línea de referencia. Pero antes
de poder aplicar una soldadura de filete, debe haber una superficie vertical. Por tanto, se rellena el chaflán
con soldadura como se ve en la sigiente figura.
Después de rellenar los chaflanes, se aplica la soldadura.. Esta combinación es poco común y rara vez se
usa. Sólo se aplica en donde se requiere resistencia y penetrancia del 100%. Sin embargo, se ha utilizado
como ejemplo para mostrar los pasos en la lectura de símbolos.
Hay gran número de combinaciones que se pueden utilizar, pero los símbolos básicos de soldadura y los
símbolos completamente mostrados en la sig. figura. acabaron la mayor parte de ellas.
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APLICACIONES DE LOS SÍMBOLOS DE SOLDADURA
En las figuras anteriores se muestran los símbolos muy básicos para soldar y sus aplicaciones. Pero se
debe recordar que son simples ilustraciones y que probablemente incluirá mucha más información si fuera
parte de un plano real.
PUNTOS QUE DEBEMOS RECORDAR
Los símbolos de soldadura en los dibujos y planos de ingeniería representan detalles de diseño.
Los símbolos de soldadura se utilizan en lugar de repetir instrucciones normales.
La línea de referencia no cambia.
La flecha puede apuntar en diferentes direcciones.
En ocasiones, se puede omitir la cola del simbolito
Hay muchos símbolos, dimensiones (acotaciones) y símbolos complementarios.
Los símbolos no son complicados si se estudian punto por punto.
Los símbolos de soldadura.
Las normas A.W.S también incluyen una serie de símbolos para información técnica que no
siempre es necesaria, pero que en algunos casos si la es, estos símbolos suplementarios se
entregan en la siguiente tabla.
Denominación
Símbolo
Significado
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PERIFERICA
Soldar completamente alrededor de la junta
OBRA
Soldar en montaje o terreno.
PLANA
Soldar a ras de la pieza, si recurrir a medios mecánicos.
CONVEXA
El cordón debe quedar reforzado.
CONCAVA
El cordón debe ser acanalado
CINCELADO
El acabado debe ser a cincel.
ESMERILADO
El acabado debe ser a esmeril.
MAQUINADO
El acabado debe ser a maquina.
NOTA: Los símbolos de acabado, indican el método y no el grado de terminación.
El símbolo de soldadura
Para utilizar los símbolos anteriormente nombrados se dibuja un símbolo de soldadura que este
compuesto de una línea de referencia, una flecha y una cola, en la que se entrega la información
técnica necesaria para realizar la unión.
1* =
-Distancia mínima de la superficie a la raíz del cordón.
-Diámetro en sold, por puntos y tapón (d).
-Ancho en sold, puntos en continua y canal (c)
-Lado y altura en sold, de filete (z a a).
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Con el objeto de simplificar en la mayor medida posible los dibujos, se recomienda que las
instrucciones sobre la preparación de los bordes a soldar y/o los procedimientos de soldadura,
sean materia de especificaciones particulares anexas, en lugar de que se presenten sobre los
dibujos de los elementos soldados.
En caso de no disponer de estas instrucciones, las dimensiones relativas a la preparación de
bordes y/o los procedimientos de soldadura, deben colocarse cerca del símbolo.
Simbolos elementales
Las diversas categorías de soldadura, se caracterizan por un símbolo, que en general, es similar a
la forma de soldadura a ejecutar.
El símbolo no sugiere el proceso de soldadura a ejecutar. Los símbolos elementales se muestran
en la siguiente tabla.
N°
Designación
1
Soldadura de tope con bordes lavantados (bordes completamente
fundidos) *
2
Soldadura de tope a escuadra
3
Soldadura de tope en V
4
Soldadura de tope con bisel simple
5
Soldadura de tope en Y
Símbolo
* = La soldadura de tope con bordes levantados (simbolo 1) no completament penetradas, se
deben simbolizar con las soldaduras de tope a escuadra (simbolo 2), indicando la dimensión
principal "s".
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N° Designación
Simbolo
Soldadura
de tope en Y
6
con bisel
simple.
7
Soldadura
de tope en
U
8
Soldadura
de tope en J
9
Cordón de
revés
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10
Soldadura
de filete
Soldadura
de tapón
11
Soldadura
en canal
12
Soldadura
por puntos
13
Soldadura
continua
por puntos
Combinación de los símbolos elementales
Si es necesario, pueden utilizarse combinaciones de los símbolos elementales.
Símbolos suplementarios
Los símbolos elementales pueden ser completados con un símbolo que caracterice la forma de la
superficie externa de la soldadura.
Los símbolos suplementarios recomendados, se indican en la tabla n°1.
La ausencia de un símbolo suplementario, significa que no se necesita precisar la forma de la
superficie de la soldadura.
NOTA: Aunque no se prohíbe asociar varios símbolos, es mejor representar la soldadura en un
dibujo por separado, cuando la simbología se hace demasiado dificultosa.
Símbolos suplementarios
FORMA DE LA SUPERFICIE
SIMBOLO
a) plana
b) convexa
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c) cóncava
Ejemplos de aplicación de los simbolos suplementarios
DESIGNACIÓN ILUSTRACIÓN
SIMBOLO
Soldadura de
tope en V
plana
Soldadura de
tope en doble
V convexa
Soldadura de
filete cóncava
Soldadura de
tope en V
plana con
cordón de
revés plano
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Ley De Lenz
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Imagen animada
Si en lugar de un imán permanente el flujo magnético es creado por una corriente alterna sinusoidal, la variación
de flujo producida por esta corriente es sinusoidal. Entonces teniendo en cuenta esto y comparándolo con el caso
anterior tendremos:
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En todos los casos el valor de la f. e. m. inducida vale:
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Bornes homólogos
El esquema de encima es equivalente al de debajo, pues solo se ha desplazado la bobina 2 hacia el lado izquierdo. Al circular una corriente
alterna i por la bobina AB se crea una fem autoinducida debida a las variaciones de i cuyo sentido, de acuerdo a la Ley de Lenz, es oponerse
con sus efectos a la causa que la produce (e1 = - v1)
Se dice que el terminal A, de la bobina 1, tiene igual polaridad que el terminal A', de la bobina 2, si la tensión entre A-B está en fase con la
tensión entre A'-B'.
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El Transformador ideal
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Analogía
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Aquí, calcula la potencia S necesaria de un transformador
El Transformador real
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El Transformador real. Diagrama vectorial
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El Transformador real. Circuito equivalente
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Impedancia nominal
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El Diagrama de Kapp
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Caída de tensión
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Ensayo en cortocircuitro
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Tensión de cortocircuito
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Cortocircuito accidental
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Ensayo en vacio
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Balance de potencias
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Rendimiento
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En la figura siguiente vemos la curva del rendimiento de un transformador con diferentes cargas y cos fi.
En la tabla siguiente vemos valores típicos de diferentes transformadores
Índice de Carga: Caída de Tensión y Rendimiento
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Lo visto para el transformador monofásico es aplicable a cada fase del trifásico
Transformación mediante tres transformadores monofásicos
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Un sistema trifásico se puede transformar empleando 3
transformadores monofásicos. Los circuitos magnéticos son
completamente independientes, sin que se produzca reacción o
interferencia alguna entre los flujos respectivos.
Otra posibilidad es la de utilizar un solo transformador trifásico
compuesto de un único núcleo magnético en el que se han
dispuesto tres columnas sobre las que sitúan los arrollamientos
primario y secundario de cada una de las fases, constituyendo
esto un transformador trifásico como vemos a continuación.
Transformador trifásico
Si la transformación se hace mediante un transformador trifásico, con un núcleo común, podemos ver que la columna central (fig. A) está recorrida
por un flujo que, en cada instante, es la suma de tres flujos sinusoidales, iguales y desfasados 120º. El flujo será pues siempre nulo. En
consecuencia, se puede suprimir la columna central (fig. B). Como esta disposición (fig. b) hace difícil su construcción, los transformadores se
construyen con las tres columnas en un mismo plano (fig. C). Esta disposición crea cierta asimetría en los flujos y por lo tanto en las corrientes en
vació. En carga la desigualdad de la corriente es insignificante, y además se hace más pequeña aumentando la sección de las culatas con relación al
núcleo central.
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En un transformador trifásico cada columna está formada por un transformador monofásico, entonces toda la teoría explicada en la sección de los
transformadores monofásicos es válida para los trifásicos, teniendo en cuenta que las magnitudes que allí aparecen hace referencia ahora a los
valores por fase.
Conexiones
Para relacionar las tensiones y las corrientes primarias con las secundarias, no basta en los sistemas trifásicos con la relación de transformación,
sino que se debe indicar los desfases relativos entre las tensiones de una misma fase entre el lado de Alta Tensión y el de Baja Tensión. Una
manera de establecer estos desfases consiste en construir los diagramas fasoriales de tensiones y corrientes, conociendo: la conexión en baja y alta
tensión (estrella, triángulo o zig-zag), las polaridades de los enrollados en un mismo circuito magnético o fase, y las designaciones de los bornes.
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Los tres arrollamientos, tanto del primario como del secundario, se pueden conectar de diversas formas, siendo las siguientes algunas de las
más frecuentes:
Formas de Conexión
Conexiones en Triángulo (D)
Conexiones en Estrella (Y)
Conexiones en Zig-zag (Z)
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La tensión Van tiene un valor de:
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Índice Horario
s los arrollamientos montados sobre una misma columna abrazan en cada instante el mismo flujo común y con el fin de precisar el sentido de
s f.e.m. suponemos que el sentido de arrollamiento de las bobinas primarias y secundarias es el mismo. Si designamos con la misma letra los
erminales homólogos en cuanto a polaridad instantánea de dos cualesquiera de estos arrollamientos montados sobre la misma columna, los
vectores representativos de las f.e.m. respectivos se presentaran como se indica a continuación.
ependiendo del tipo de conexión, las tensiones simples del primario y del secundario pueden no estar en fase, cosa que siempre ocurre en los
ansformadores monofásicos. Para indicar el desfase existente entre las tensiones simples, se suele utilizar el llamado índice horario (ángulo
rmado por la aguja grande y la pequeña de un reloj cuando marca una hora exacta), expresado en múltiplos de 30º (ángulo entre dos horas
consecutivas, 360º/12=30º ). El conocimiento del desfase (índice horario) es muy importante cuando se han de conectar transformadores en
aralelo, dado que entonces, todos los transformadores deben tener el mismo índice horario, para evitar que puedan producirse corrientes de
circulación entre los transformadores cuando se realice la conexión.
A continuación veremos algunas de las formas más frecuentes de conexión (el desfase se obtiene multiplicando el numero que acompaña la
denominación por 30, ejemplo: en Yy6 el desfase es 6*30=180º):
Conexión
VFP = Tensión fase primario; VFS = tensión fase secundario;
Relación de transformación
VLP = Tensión línea primario;
VLS = tensión línea secundario
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VFP / VFS = m
VLP / VLS = ( 3 * VFP) / ( 3 * VFS) = m
VFP / VFS = m
VLP / VLS = ( 3 * VFP) / ( 3 * VFS) = m
VFP / VFS = m
VLP = VFP
VLS = VFS
VLP / VLS = VFP / VFS = m
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VFP / VFS = m
VLP / VLS = ( 3 * VFP) / VFS
VLP / VLS = ( 3 * m)
VFP / VFS = m
VLP / VLS = VFP / ( 3 * VFS)
VLP / VLS = m / 3
El gráfico siguiente demuestra la justificación del índice horario para esta conexión DY11
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VFP / VFS = m
VLP / VLS =
3 VFP / ( 3
3 VFS/2)
VLP / VLS = 2 m / 3
Tabla de índices horarios
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Aquí, calcula la potencia S necesaria de un transformador
Rendimiento
En la figura siguiente vemos la curva del rendimiento de un transformador con diferentes cargas y cos fi:
En la tabla siguiente vemos valores típicos de diferentes transformadores
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Datos de Diferentes Transformadores
REDES DE DISTRIBUCIÓN
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Las redes de distribución están formadas por conductores que, procedentes de centros de
transformación (C.T.), tienen la finalidad de ir alimentando las distintas acometidas que van encontrando a
su paso.
Se denomina acometida a la parte de instalación comprendida entre la red de distribución y la caja
general de protección C.G.P. De la caja general de protección se deriva la línea o líneas repartidoras, que
van a parar al cuarto o cuartos de contadores, desde donde parten las derivaciones individuales a cada
una de las viviendas o locales, en cuya entrada se halla el interruptor de control de potencia máxima,
I.C.P.M.
Todo este conjunto, cuya finalidad no es otra que la de suministrar la potencia eléctrica contratada por
cada uno de los abonados, debe reunir ciertos requisitos en lo que a caída de tensión se refiere, ya que
ésta deberá estar comprendida dentro de los límites establecidos del ± 7%; es decir, que si la tensión
nominal contratada es de 220V., los límites de variación máximos admitidos serán:
220 + 7% = 235,4 V
y
220 - 7% = 204.6 V
Para poder cumplir esta exigencia, las caídas de tensión máxima admitidas en los distintos tramos de la
línea se hallan especificadas en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, para su obligado
cumplimiento. Así, tendremos que:
* Acometidas derivadas de una red de distribución: 0.5%
* Acometidas derivadas directamente de un centro de transformación: 5%
* Líneas repartidoras destinadas a contadores instalados en forma individual o
concentrados en planta: 1%
* Líneas repartidoras destinadas a contadores totalmente concentrados: 0.5%
* Derivaciones individuales con contadores instalados en forma individual o
concentrados por plantas: 0.5%
* Derivaciones individuales con contadores totalmente concentrados: 1%
Una red de distribución alimentada por uno solo de sus extremos tiene el inconveniente de que, si por
algún motivo, fallara la alimentación al centro de transformación, el propio centro de transformación, o la
red de distribución, todos los abonados del sector afectado se quedarían sin suministro eléctrico.
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Por motivos de seguridad en el suministro, las redes de distribución se hallan interconexionadas unas
con otras, formando complejas redes que dejan conectados en paralelo todos los centros de
transformación. Por otra parte, la interconexión de redes de distribución favorece el reparto de las
intensidades según las cargas de cada momento, aprovechando mejor las secciones de los conductores,
con la consiguiente disminución de las caídas de tensión.
Esta idea de la formación de mallas cerradas no solamente se aplica a redes de distribución en baja,
220/380V., sino que también se utiliza en media y alta tensión. Así, las subestaciones de trasformación
primaria, S.E.T., a 132 ó 220 kV., se hallan unidas entre sí formando una red cerrada que contornea la
ciudad que pretende alimentar; a su vez, estas subestaciones alimentan a las estaciones transformadoras
de distribución, E.T.D., a 45 kV., que también forman una red subterránea cerrada, unidas por las
llamadas arterias o feeders. Finalmente las salidas de estas estaciones transformadoras, a 10 ó 15 kV.,
alimentan a los centros de transformación, C.T., de donde salen las redes de distribución a 220/380V.
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Esta compleja red de distribución que se extiende a lo largo y ancho de las ciudades, tiene como
principal objetivo conseguir una gran seguridad en el servicio, así como también obtener una mínima
variación en la caída de tensión y un gasto mínimo de cobre y aluminio.
red de distribución de la energía eléctrica es un escalón del sistema de suministro eléctrico que es
responsabilidad de las compañías distribuidoras de electricidad. La distribución de la energía eléctrica
desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas.
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La primera está constituida por la red de reparto que, partiendo de las subestaciones de transformación,
reparte la energía, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta
llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas entre
25 y 132 kV. Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución,
encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión.
La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento
de 3 a 30 kV y con una característica muy mallada. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de
consumo (población, gran industria, etc.) uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los
centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que las tensiones
1
a la salida de estos centros es de baja tensión (125/220 ó 220/380 V ).
La líneas que forman la red de distribución se operan de forma radial, sin que formen mallas, al contrario
que las redes de transporte y de reparto. Cuando existe una avería un dispositivo de protección situado al
principio de cada red lo detecta y abre el interruptor que alimenta esta red.
La localización de averías se hace por el método de "prueba y error", dividiendo la red que tiene la avería
en dos mitades y energizando una de ellas; a medida que se acota la zona con avería, se devuelve el
suministro al resto de la red. Esto ocasiona que en el transcurso de localización se puede producir varias
interrupciones a un mismo usuario de la red.
Sistema de suministro eléctrico
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El sistema de suministro eléctrico comprende el conjunto de medios y elementos útiles para la
generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Este conjunto está dotado de
mecanismos de control, seguridad y protección.
Constituye un sistema integrado que además de disponer de sistemas de control distribuido, está
regulado por un sistema de control centralizado que garantiza una explotación racional de los recursos de
generación y una calidad de servicio acorde con la demanda de los usuarios, compensando las posibles
incidencias y fallas producidas.
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Con este objetivo, tanto la red de transporte como las subestaciones asociadas a ella pueden ser
propiedad, en todo o en parte y, en todo caso, estar operadas y gestionadas por un ente independiente de
las compañías propietarias de las centrales y de las distribuidoras o comercializadoras de electricidad.
Asimismo, el sistema precisa de una organización económica centralizada para planificar la producción y
la remuneración a los distintos agentes del mercado si, como ocurre actualmente en muchos casos,
existen múltiples empresas participando en las actividades de generación, distribución y comercialización.
En la figura siguiente, se pueden observar en un diagrama esquematizado las distintas partes
componentes del sistema de suministro eléctrico:
Figura 1: Diagrama esquematizado del Sistema de suministro eléctrico
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MAQUINAS ROTANTES
MAQUINAS ROTANTES
2.1 GENERALIDADES.
Las máquinas eléctricas rotantes tienen la particularidad de convertir energía eléctrica
en mecánica o viceversa, eventualmente también pueden transformar energía eléctrica
de un tipo en otro aprovechando el movimiento.
Frente a los problemas de utilización se representa la máquina desde el punto de vista
circuital, y frecuentemente se utiliza un modelo puramente eléctrico, donde la carga
mecánica corresponde a un resistor en el que se disipa energía, o una fuerza
electromotriz (o contraelectromotriz).
En cambio para la construcción, para el proyecto, es necesario considerar modelos más
próximos a la realidad física, no son aceptables drásticas simplificaciones o
esquematizaciones generales como se indican en el párrafo anterior.
Para proyectar una máquina se deben tener muy en cuenta sus características físicas,
es entonces necesario hacer cierta clasificación de las máquinas rotantes para
identificar condiciones de similitud que permitan extender los criterios de diseño entre
máquinas semejantes.
Una primera clasificación que puede hacerse es por su función:
generador, máquina que produce energía eléctrica por transformación de la
energía mecánica.
motor, máquina que produce energía mecánica por transformación de la
energía eléctrica.
convertidor rotativo que convierte energía eléctrica de una forma a otra
(cambiando frecuencia, convirtiendo corriente alterna en continua etc.)
máquina muy utilizada en el pasado.
Si se clasifican por la fuente de energía que las alimenta o que representan se tiene:
máquinas de corriente continua
máquinas de corriente alterna
y algunas de estas últimas por las características de su velocidad se clasifican en:
máquinas asincrónicas
máquinas sincrónicas
A partir de este capítulo nos ocuparemos de tres máquinas rotantes en las que se
reúnen todos los conceptos principales de proyecto de cualquier otra, y en el siguiente
orden:
iniciaremos con el alternador como ejemplo de máquina sincrónica,
continuaremos con el motor asincrónico,
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y finalmente la máquina de corriente continua (generador o motor).
Las máquinas rotantes utilizadas en los sistemas eléctricos tienen características que
son objeto primero de especificación, luego de garantías y finalmente de comprobación
mediante ensayos.
El proyecto que se debe realizar parte de las condiciones de especificación, las
condiciones de servicio y operación y una vez materializado se lo somete a ensayos
que tienen por objeto demostrar que se satisfacen las condiciones de garantía.
2.2 PARAMETROS NOMINALES.
Son datos que en base a las condiciones de servicio definen las prestaciones que
puede entregar la máquina en condiciones especificadas.
Se presentan como el conjunto de valores numéricos de las magnitudes eléctricas y
mecánicas asociadas con su duración y secuencia asignadas a la máquina por el
constructor e indicadas en la chapa de características.
El comprador tiene la responsabilidad de especificar con toda precisión cuando
corresponde, las condiciones de servicio a las cuales estará sometida la máquina.
2.2.1 Potencia nominal
Valor numérico de la potencia indicada en las características nominales.
Este valor establece las bases de diseño, de construcción y de garantías.
Generalmente cuando no se especifica otra cosa se supone que la máquina es de
servicio continuo, es decir, funciona con carga constante hasta alcanzar el equilibrio
térmico.
Para las máquinas rotantes se establecen dos regímenes extremos de funcionamiento,
en vacío y a plena carga.
Funcionamiento en vacío es la condición de funcionamiento de una máquina con carga
nula (el resto de condiciones de operación son las nominales).
Funcionamiento a plena carga es cuando se tiene el mayor valor de carga indicada para
una máquina funcionando a la potencia nominal.
2.2.2 Servicio
La indicación del valor (fracción de la potencia nominal en por ciento) de las cargas a
las cuales la máquina está sometida indicando la duración y la secuencia en el tiempo.
Como este tema es de aplicación casi exclusivamente para motores será tratado en el
capítulo de máquinas asincrónicas.
2.2.3 Momento de inercia
El momento de inercia (dinámico) de un cuerpo alrededor de un eje es la suma (integral)
de los productos de sus masas elementales por el cuadrado de sus distancias radiales
al eje.
Esta es una característica de importancia fundamental para el estudio de los transitorios
mecánicos a los que estará sometida la máquina.
2.2.4 Constante de tiempo térmica equivalente
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La constante de tiempo térmica equivalente es la constante de tiempo que, en
reemplazo de otras individuales, determina aproximadamente la evolución de la
temperatura en un arrollamiento a consecuencia de una variación de corriente en
escalón.
Este parámetro es distinto según como se enfríe la máquina, manteniéndose la
ventilación correspondiente a las condiciones normales de funcionamiento será igual
tanto en calentamiento como en enfriamiento.
Esta constante describe aproximadamente, la evolución de la temperatura en función de
la carga. Generalmente se la determina a partir de la curva de enfriamiento.
2.3 CONDICIONES NORMALES DE SERVICIO.
Una máquina en una instalación cualquiera está sometida a ciertas condiciones
impuestas por el ambiente, y que se denominan condiciones de servicio.
Las normas fijan condiciones normales de servicio e indican que criterios utilizar cuando
la instalación se aparta de ellas y en particular se refieren a:
altitud de instalación
temperatura del ambiente en que la máquina funciona.
El calor generado por las pérdidas que se producen en la máquina es cedido al
ambiente.
Para cada estado térmico de la máquina el calor disipado depende de la temperatura
ambiente y de la densidad del aire refrigerante, y ambas varían con la altura siendo
entonces muy importante el estudio de las condiciones que no son las normales.
Por otra parte a cada estado térmico de la máquina corresponden distintas
temperaturas para cada uno de sus puntos internos, los elementos más sensibles a la
temperatura son los aislamientos que por lo tanto fijan la máxima temperatura admisible
(en estado transitorio y permanente).
Las normas fijan para cada parte de la máquina en función de la clase de aislamiento
las máximas sobreelevaciones de temperatura admisibles (diferencia entre la máxima
temperatura de la parte que se observa y la temperatura ambiente).
2.4 REFRIGERACION.
Refrigeración es la operación por la cual el calor proveniente de las pérdidas producidas
en la máquina es cedido a un medio refrigerante incrementando su temperatura.
En una máquina con refrigeración a circuito abierto el fluido refrigerante se renueva en
forma permanente, entra fluido a temperatura menor y se devuelve al ambiente a una
temperatura mayor.
Se denomina fluido de refrigeración a un líquido o gas por medio del cual se extrae el
calor.
En las máquinas con refrigeración a circuito cerrado, donde este fluido no se envía al
exterior, es necesario un intercambiador de calor y la presencia de un segundo fluido a
menor temperatura que recibe el calor del primer fluido.
Cuando la máquina arranca partiendo de fría inicia un proceso transitorio de
calentamiento, inicialmente el calor generado se acumula en los materiales que
constituyen la máquina, la temperatura se incrementa hasta que se alcanza el equilibrio
térmico (régimen permanente) en el cual todo el calor generado es disipado.
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Equilibrio térmico es la condición alcanzada convencionalmente (de acuerdo con las
normas) cuando las temperaturas de las distintas partes de la máquina sometida a un
ensayo de calentamiento no varían más de 2 grados centígrados durante una hora.
2.4.1 Modos de refrigeración de las máquinas rotativas.
Según el circuito en que se encuentra el fluido de refrigeración se denomina:
Fluido primario, líquido o gas que estando a menor temperatura que una
parte de la máquina y en contacto con ella, retira el calor producido.
Fluido secundario, líquido o gas que estando a menor temperatura que el
fluido primario, retira el calor cedido por este último por medio de un
intercambiador de calor.
Fluido final, entendiéndose como tal aquel al cual se transfiere finalmente el
calor (en máquinas abiertas o autoventiladas, el fluido final es también el fluido
primario).
Se denomina medio remoto al líquido o gas separado de la máquina del cual se
conduce el refrigerante y/o al cual se descarga por medio de caños o conductos de
entrada y/o salida, o en el cual se instala un intercambiador de calor externo.
Un intercambiador de calor es un componente que transfiere calor de un medio
refrigerante a otro manteniendo ambos medios separados.
Sistema de refrigeración de emergencia (stand-by) es un dispositivo de refrigeración
que se provee adicionalmente con el sistema de refrigeración normal y que se utiliza
cuando no está disponible el sistema normal.
Componente integral es aquella parte del circuito de refrigeración que está presente en
la parte interna de la máquina y que para ser reemplazado se debe desarmar
parcialmente la máquina.
Componente montado de un sistema refrigerante es la parte que se monta en la
máquina y forma parte de ella, pero que puede ser reemplazado sin actuar sobre la
parte principal de la máquina.
Componente separado de un sistema de refrigeración es aquel que está asociado con
la máquina pero que no está montado integralmente con ella (puede estar ubicado en el
medio envolvente o remoto de la máquina).
Componente de circulación dependiente es aquel que su funcionamiento está
supeditado o ligado con la rotación del rotor de la máquina principal (ventilador o bomba
conducido por esta máquina).
Componente de circulación independiente es aquel que no está vinculado con la
rotación del rotor de la máquina principal (tiene un motor de impulsión propio).
La norma IEC 34-6 que se refiere a máquinas eléctricas rotantes define los métodos de
refrigeración y establece una designación para los distintos circuitos utilizados.
La designación consiste en las letras IC seguidas por números y letras que representan
respectivamente la disposición del circuito, el refrigerante utilizado y el modo de mover
el medio refrigerante.
El número que indica la disposición del circuito es válido para los circuitos primario y
secundario.
Cada circuito está designado por una letra que indica el tipo de refrigerante seguido por
un número que indica como se realiza el movimiento del mismo.
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La letra y el número para el circuito primario se ubican en primer lugar, en segundo
lugar para el circuito secundario.
Se definen dos formas de designación, una simplificada, la otra completa. La
designación completa se utiliza principalmente cuando no tiene aplicación la
simplificada.
Se denomina disposición del circuito la forma como el fluido circula para extraer el calor
de la máquina.
La forma más simple es aquella en que el fluido es guiado desde el medio que rodea la
máquina a su interior y vuelve al medio que la rodea (circuito abierto).
Otro modo consiste en que el fluido primario circula en un circuito cerrado de la máquina
y cede el calor a través de la superficie externa de la máquina (lisa o con nervaduras).
Otra disposición es aquella en que el fluido primario circula en un circuito cerrado y cede
el calor a través de un intercambiador que puede ser integral, montado o separado de la
máquina.
La naturaleza del fluido de refrigeración está identificada por una de las siguientes
letras:
Letra característica
Refrigerante
A
Aire
F
Freón
H
Hidrógeno
N
Nitrógeno
C
Dióxido de carbono
W
Agua
U
Aceite
S
Otro refrigerante
Y
No definido
Cuando se adopta la designación simplificada y se utiliza como refrigerante el aire, la
letra característica puede omitirse.
Se utiliza la letra "S" cuando el refrigerante se define en otro lugar, por ejemplo en la
documentación técnica o comercial.
Cuando no está definido el fluido se utiliza temporariamente la letra "Y" que finalmente
debe ser reemplazada por la letra correspondiente.
En ciertos turbogeneradores de gran potencia donde los problemas de refrigeración se
tornan críticos, los arrollamientos son refrigerados en modo directo haciendo circular el
fluido dentro de los conductores que son huecos.
En otros casos se utilizan tubos o canales que forman parte integral del arrollamiento en
el interior de la aislación principal.
Normalmente los arrollamientos se refrigeran en forma indirecta, es decir, el flujo
térmico se establece desde las fuentes de calor (arrollamientos) hacia las superficies en
contacto con el fluido.
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MÉTODOS DE MUESTREO
I. Introducción.
Denominamos población o universo conceptual al conjunto de unidades sobre las que
pretendamos obtener cierta información. Esas unidades pueden ser individuales (como, por ejemplo,
mujeres de Andalucía, personas de la Tercera Edad, etcétera), compuestas (como, por ejemplo, escuela,
ayuntamientos, etcétera), o una serie de objetos (como, por ejemplo, editoriales de un periódico, artículos,
etcétera).
Como característica de cualquier población hay que destacar:
-
Una correcta delimitación de la misma, de manera que se pueda definir sin
problemas si una unidad pertenece o no.
Que esté constituida por unidades de la misma naturaleza.
En la mayoría de las ocasiones, y debido a la complejidad de la recogida y clasificación de
análisis de los datos, es prácticamente imposible que el estudio abarque a todas las unidades que
comprendan la población, salvo que ésta sea muy pequeña.
En esos casos se toma una parte representativa de la población, que debe reducir de la forma
más exacta posible las características de la población. A esa parte de la población se le llama muestra.
Así, pues, una muestra es una parte representativa de la población. Los elementos principales de una
muestra son:
-
El marco o base de la muestra. Conjunto de unidades que constituyen la
población. Por ejemplo, españoles de ambos sexos que viven en la península y son
mayores de edad. Lo ideal sería tener un registro de la población en el que
aparecieran todas sus unidades, pero hay ocasiones en que ese registro no existe,
pues hay poblaciones que no están censadas. En la práctica suelen utilizarse
bases ya formadas como los censos de población o los padrones municipales,
etcétera.
-
Unidades muestrales. Cada uno de los elementos que constituyen la base o
marco de la muestra. Esas unidades pueden ser individuales o colectivas. Si la
unidad es colectiva, al número de individuos que la componen se le llama talla de la
muestra.
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►
FRACCIÓN DE MUESTREO.- Es el porcentaje que representa la muestra sobre el total de la
población (n/N·100).
Ejemplo.N = 580.000 (población)
n = 2.000 (muestra)
►
(2.000/580.000)·100= 0’35
COEFICIENTE DE ELEVACIÓN.- Es el número de veces que el tamaño de la población contiene
al tamaño de la muestra (N/n).
Ejemplo.N = 200.000 (población)
n = 1.000 (muestra)
200.000/1.000=200
2. Métodos de muestreo.
Existen distintos métodos para obtener muestras:
►
PROBABILÍSTICOS.- Si cada elemento de la población tiene una probabilidad, conocida y
distinta de 0, de ser elegido dentro de la población, al formar parte de la muestra.
La gran ventaja que presentan las muestras probabilísticas es que permiten la
inferencia estadística. Es decir, permiten trasladar los datos de la muestra al conjunto de la
población mientras que las no probabilísticas no.
Para que un muestreo sea probabilístico han de seguirse determinadas normas en el
proceso de elección de los individuos (o unidades muestrales). Esas normas dan origen a los 4
métodos básicos de muestreo probabilístico. De los 4 métodos, los 3 primeros son
monoetápicos, las unidades muestrales se eligen en una sola etapa.
El muestreo por conglomerados suele ser polietápico, y esas unidades muestrales no
son individuales, sino conglomerados de elementos.
1.
Muestreo aleatorio simple.- Los elementos de la muestra se eligen al azar,
directamente y en una sola etapa. En la práctica, equivale en sacar al azar del
censo de la población objeto del estudio, los elementos que van a formar parte
de la muestra. Para esa selección al azar, se usan las tablas de números
aleatorios. El muestreo aleatorio simple se aplica fundamentalmente en
poblaciones pequeñas y plenamente identificables.
2.
Muestreo aleatorio sistemático.- Es una variante del anterior. Sistematiza la
elección de los componentes de la muestra. Se calcula el coeficiente de
elevación (número de veces que el tamaño de población tiene al de muestra).
Se elige al azar un número igual o menor a ese coeficiente. El individuo al que
corresponde ese número forma parte de la muestra. Los restantes se obtienen
sumando sucesivamente el coeficiente de elevación al número obtenido.
Ejemplo.N = 5.000
n = 100
Coeficiente de elevación=5.000/100=50
El peligro de esta elección es que si en el listado hay algún tipo de
ordenación, se corre el riesgo que la elección no sea tan neutra.
93
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3.
Muestreo estratificado.- Si el universo no es homogéneo, sino que está
formado por estratos diferentes que constituyen categorías importantes para la
investigación, la elección de la muestra no debe hacerse globalmente para
todos los estratos a la vez, ya que nos expondríamos a que unos estratos
estuvieran más representados que lo que proporcionalmente les corresponde.
En estos casos se debe elegir una muestra para cada estrato por
alguno de los procedimientos anteriores. No es aconsejable elevar la división
en estratos demasiado lejos, ya que los estratos muy pequeños complican el
diseño al aparecer estratos vacíos. Para determinados estratos se suele
recurrir a variables espaciales (comunidades, provincias, municipios, por
ejemplo), o subdivisiones inherentes al universo en estudio (enseñanza
pública/privada, etcétera, por ejemplo).
El muestreo estratificado es el más utilizado en la práctica. Una vez
definidos los estratos, dentro de cada uno de ellos se lleva a cabo un muestreo
aleatorio simple o sistemático para elegir la submuestra correspondiente al
mismo: la determinación del número de elementos que ha de tener cada una
de estas submuestras se le denomina afijación de la muestra.
Para hallar la afijación proporcional se extrae de cada estrato el
número necesario de individuos para que la distribución de la población y de la
muestra coincidan.
Respecto a la afijación de la muestra, se dice que la afijación es
simple si en cada estrato elegimos el mismo número de individuos. Por
ejemplo, si se quiere elegir una muestra de 500 individuos y tengo 4 estratos,
cada estrato tendrá 125 individuos (500/4). Así:
Ejemplo.-
AFIJACIÓN SIMPLE: Presenta una dificultad: en la muestra no
está representada la población en realidad.
n = 500
E1→mujeres de menos de 30 años
E2→mujeres de más de 30 años
E3→hombres de menos de 30 años
E4→hombres de más de 30 años
-
AFIJACIÓN PROPORCIONAL: Pretende que cada estrato tenga
la misma proporción en la muestra que en la población. Por
ejemplo, si en la muestra, en el E1 la proporción de mujeres es de
un 40%, en la población también tiene que ser la misma
proporción.
n = 100
Coeficiente de elevación = 5.000/100=50 (se
elige
N = 5.000 1 de cada 50 miembros de la población para la
muestra)
5000
3000 (60%)
2000(40%)
94
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2000
1000 1500
M<30
500
M≥30
H<30
20%
30%
H≥30
40%
10%
Observamos que hay una proporción entre la
muestra y la población. La ventaja es que la muestra
representa mejor a la población. En la población hay más
mujeres, por lo que la muestra también ofrece una mayor
proporción de mujeres. El inconveniente es que no siempre
se conoce la distribución para hallar la proporción.
Otro concepto importante es la afijación óptima, que consiste en
elegir pocos individuos de los estratos que sean muy homogéneos y, por el
contrario, elegir muchos individuos de aquellos estratos que sean
heterogéneos. El problema, al ser óptima, es que no se sabe si es homogéneo
o heterogéneo en la práctica.
4.
Muestreo aleatorio conglomerado.- En este muestreo, las unidades
muestrales no son simples, sino que son colectivos. Por ejemplo, las escuelas,
los hospitales, etcétera. Cada uno de estos colectivos reciben el nombre de
conglomeraciones.
Pongamos como ejemplo una urna electoral, la elección de los
conglomerados puede hacerse por cualquiera de los procedimientos
anteriores, aunque es más utilizado el estratificado.
Una vez elegidos los conglomerados:
-
Si son pequeños, el estudio de realiza con todas las unidades
que lo componen.
Si son grandes, es imposible realizar el estudio con todos los
elementos. Hay que recurrir a la elección de una muestra de ese
conglomerado.
Se pretende que los conglomerados sean homogéneos entre sí; sin
embargo, que las unidades que las componen sean heterogéneas. Por
ejemplo, la Facultad de Ciencias Políticas y la Facultad de Derecho, como
conglomerados son homogéneos, en cambio, dentro de ellos, dentro del
conglomerado hay heterogeneidad porque hay alumnos, profesores,
secretarios, etcétera. La diversidad se encuentra dentro del conglomerado.
►
NO PROBABILÍSTICOS.- Pueden ser de tres tipos:
1.
Muestreo accidental.- Es un muestreo no probabilístico donde el investigador
elige a aquellos individuos que están a mano. Por ejemplo, un periodista que
va por la calle preguntando a las personas que salen a su paso, sin atender
ningún criterio especial de elección. No es probabilístico porque aquellas
personas que no pasan por ese sitio no tiene la posibilidad de entrar en la
muestra.
2.
Muestreo por cuotas.- Se aplica en la última fase del muestreo, y consiste en
facilitar al entrevistador el perfil de las personas que tiene que entrevistar
dejando su criterio, la elección de las mismas, siempre y cuando cumplan con
el perfil.
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3.
Muestreo intencionado.- Se basa en una buena estrategia y el buen juicio del
investigador. Se puede elegir las unidades del muestreo. Un caso frecuente es
tomar elementos que se juzgan típicos o representativos de la población, y
suponer que los errores en la selección se compensarán unos con otros. El
problema que plantea es que sin una comprobación de otro tipo, no es posible
saber si los casos típicos lo son en realidad, y tampoco se conoce como afecta
a esos casos típicos los posibles cambios que se producen.
96