T. Cap. II

CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
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CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
Este capitulo del la investigación trata de los antecedentes presentes para
nuestra investigación que son muy importantes porque sirven de soporte y
base en esta área de estudio y conjuntamente se realizó el estudio valga la
redundancia de los fundamentos teóricos necesarios para este proyecto.
También se definen los términos básicos que es especie de un glosario
técnico en el que se explica brevemente algunas definiciones para que se
entienda con mayor claridad el lenguaje utilizado en la investigación, y
finalmente se habla del sistema de variables donde se aclara la definición
conceptual y operacional de un sistema digital y de un analizador de
potencia.
E.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION
Se encontraron varias investigaciones afines a este estudio, debido a sus
características de medición o corrección del factor de potencia o de
obtención digital de las magnitudes físicas de tensión, corriente y potencia.
Galue A. y Prieto E. (1997) realizaron el “Diseño de un prototipo de
interfaz para medir valores de resistencia DC, y señales de corriente y voltaje
que permitan obtener valores de potencia en un circuito eléctrico, por medio
de puerto paralelo de un PC”. Esta investigación realiz ó con la finalidad de
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lograr establecer la transferencia de data entre el computador y el circuito
eléctrico, este proyecto plantea el diseño de una tarjeta de interfaz de
medición entre el computador y el circuito eléctrico que permite la captura de
señales de corriente, voltaje para medir potencia así como la obtención de
valores de resistencia en un circuito eléctrico a través del puerto paralelo del
computador. Según la metodología de investigación es aplicada, no
experimental y descriptiva por cuanto se basó en la aplicación de
conocimientos ya existentes. La estructura metodologíca seguida para el
desarrollo del proyecto fue la del Análisis y Diseño de Sistemas de
Información propuesta por James A. Senn.
Los resultados obtenidos cumplieron con los objetivos propuestos al
comienzo de la investigación obteniéndose una interfaz de medición de
valores de resistencia, de corriente, de voltaje y potencia en un circuito
eléctrico. Este proyecto es de gran alcance por cuanto proporciona un medio
automatizado de medición de fenómenos análogos de bajo costo, alto
rendimiento, fácil manejo y confiabilidad.
Se puede considerar este trabajo de investigación como buen antecedente
en el uso de microcontroladores para la medición y procesamiento de las
variables físicas asociadas al análisis de potencia. Además de esto sirvió
como material para recabar información necesaria para esta investigación
puesto que se realiza la medición de voltaje y corriente que son las variables
necesarias para la medición de la potencia.
12
Cabe destacar que, Geer R. y Tortolani D. (2002) lograron el “Desarrollo
de un equipo Analizador de Potencia Basado en Microcontroladores PIC”.
Esta investigación fue dirigida al desarrollo de un analizador de potencia
digital basado en microcontroladores PIC, para poder obtener el valor de las
magnitudes físicas relacionadas con la potencia eléctrica. Se considera que
es del tipo descriptiva ya que se orienta a recolectar información relacionada
con el estado real de los objetos, situaciones o fenómenos tal como se
presentaron en el momento de su recolección.
Para este estudio se utilizaron diferentes medios de recolección de datos,
entre los cuales se pueden mencionar trabajos, proyectos y aplicaciones
relacionadas
con
microcontroladores,
publicaciones
esencialmente
electrónicas sobre microcontroladores PIC así como textos que explican la
esencia sobre la teoría de potencia eléctrica para el caso específico de la
corriente alterna. La metodología empleada para la construcción del equipo
es propia de los autores de la investigación, y permite que el prototipo sea
ensamblado finalmente luego de una serie de etapas que incluyen pruebas y
depuraciones, con lo que se obtiene un prototipo formado por una unidad
principal a la cual se conecta una pinza amperimétrica y un par de contactos
para la medición de los valores de corriente y voltaje respectivamente.
La unidad principal es capaz de obtener y procesar las variables de
potencia eléctrica, mientras que muestra al usuario en una pantalla LCD, o
bien a través del uso de comunicación serial con un computador personal el
resultado de la medición y análisis de estas variables. El resultado obtenido
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con esta investigación demuestra que el equipo desarrollado tiene
prestaciones comparables con un equipo comercial, siendo además capaz de
medir en sistemas de media y baja potencia donde un equipo industrial
resulta impreciso, adicionalmente se obtiene un equipo de calidad cuyo costo
es una fracción de un analizador de potencia disponible en el mercado. Esta
investigación aporta mucho más que el estudio de la medición de potencia
con PIC, puesto que en esta también se utiliza una pantalla LCD para
mostrar información mediante esta, ya que en la presente investigación de
desea utilizar también ese estudio servirá de base para la realización de este
proyecto.
Aditivo a esto, Pirela K. y Guerere N. (2003) desarrollaron un “Prototipo de
un Medidor Digital de Consumo de Energía Eléctrica Residencial”. Este
proyecto se realizo con la finalidad de logra la disminución de los costos de
fabricación y adquisición, dando de esta manera una reducción en los gastos
operativos de lasa empresas de producción y distribución de energía
eléctrica en Venezuela. La investigación fue de tipo tecnológico, la
metodología se sustento en Angulo (1996), y su desarrollo consta de nueve
fases: definición de las especificaciones, esquema general del hardware,
organigrama general, organigramas modulares y codificación de programas,
implementación del hardware, depuración del software, integración del
hardware con el software y construcción del prototipo definitivo y pruebas
finales.
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Obteniendo como resultado un equipo para la medición de consumo de
energía eléctrica basado en el microcontrolador PIC 16F877, y logrando de
esta manera un equipo de calidad cuyo costos resultan bastantes accesibles
en consideración con los del mercado actual. Por lo que se demuestra que el
equipo desarrollado es eficaz comparado con los utilizados en la actualidad,
en el cual se verifico la operación de monitoreo de los sensores tanto de
voltaje como de corriente y también la salida de datos a través de la pantalla
LCD. Este antecedente al igual que el mencionado anteriormente aporta
información tanto para el estudio de la medición mediante microcontroladores
PIC de voltaje y corriente, sino que también ayuda en el estudio y uso de
pantallas LCD.
F.- BASES TEÓRICAS
1.- Corriente Alterna:
La corriente continua (CC) fluye siempre a través del conductor en una
única dirección, para la corriente alterna (CA) invierte su sentido
constantemente, como resultado de inversión de la fuerza electromotriz.
Una inversión completa es conocida como un ciclo, y el número de ciclos
por segundo es la frecuencia de la corriente alterna. La frecuencia estándar
en los Estados Unidos de América, así como el resto de Norteamérica y
buena parte de los países de centro y sur América, incluida Venezuela, es de
60 Hz donde 1Hz (Hertz) equivale a 1 ciclo por segundo. En Europa la
frecuencia común es de 50 Hz. Inicialmente, solo se generaba CC para uso
15
público. Las enormes ventajas presentes en la utilización de CA eran
desconocidas
hasta
TRANSFORMADOR
que
George
Westing
House
inventó
el
a finales del siglo XIX Buffalo, NY., fue la primera
ciudad norteamericana en ser iluminada con el uso de corriente alterna.
El transformador hizo posible cambiar el voltaje (e implícitamente la
corriente) de la energía alterna mediante el uso de un dispositivo estático
simple; cosa que no era posible en la corriente continua. Cuando la
electricidad es transmitida, la disipación de potencia es minimizada mediante
la elevación del voltaje que es reducido luego cuando este llega al usuario
final. Cuando se requiere corriente directa, se puede obtener fácilmente
mediante la rectificación. Sin embargo, convertir CC a CA requiere el empleo
de un INVERSOR, el cual es un dispositivo mucho mas complejo en general
los motores y alternadores (generadores CA) tienden a ser mucho mas
eficientes que sus equivalentes de CC, especialmente por que no requieren
el uso de conmutadores.
Si la amplitud del voltaje de CA es graficada en función del tiempo, la
curva resultante es una onda senoidal. Esta es una característica muy
importante en las áreas de física e ingeniería, pues permite que las
características físicas de la CA puedan deducirse a través de las propiedades
matemáticas de las ondas senoidales. El valor máximo que alcanza el voltaje
se conoce como Voltaje Pico, pero es el voltaje efectivo, o raíz media
cuadrática (RMS, por Root Mean Square, sus siglas en ingles) es el valor
utilizado prácticamente siempre en la práctica.
16
El valor RMS de la corriente o del voltaje es el valor equivalente de CC
necesario para obtener el mismo efecto de calentamiento obtenido por nivel
presente de CA; y que para propósitos matemáticos, es el 70% del valor
pico. Conocido esto se puede remitir al caso de Venezuela, donde el
suministro normal de energía es de 110 voltios RMS, lo que implica que el
suministro es de un voltaje pico de 156 voltios. Los circuitos de CA obedecen
la Ley de Ohm tal que V=I*R; siempre y cuando R se constituya únicamente
de elementos resistivos. Cuando en el circuito se presentan elementos
reactivos, la ley de Ohm toma forma V=I*Z, donde Z es la impedancia. En
este caso, las formas donde la onda de la corriente y el voltaje son
desplazados, de manera que cada uno de ellos alcanza su pico en un
momento diferente.
Esta diferencia es denotada por el ángulo de fase, y a su vez designado
por la letra griega minúscula phi (?), que se mide en grados (un ciclo
completo de 360º). Además la formula de potencia, que para el caso de
circuitos de CC tiene la forma P = E*I, toma en CA la forma de P = E*I cos
(?), donde el término cos (?) es conocido como el FACTOR DE POTENCIA.
El valor de ? depende de la combinación particular de resistencias,
capacitares e inductores presentes en el circuito.
2.- Corriente DC
La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de
electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido, el cual es desde
el polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este sentido
17
los electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo
hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo.
Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas,
aunque éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido
de la corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y
contrario al flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo.
La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un
flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor
fijo de ésta (de signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se
representa como una línea recta de valor V.
3.- Fase y Desfasaje
Según Belloso y Guerrero (2003) fase es cuando “Dos señales alternas
sinusoidales alcanzan sus valores máximos positivos y negativos en el
mismo periodo de tiempo , es decir cuando las dos viajan a la misma
frecuencia y coinciden una encima de la otra de tal forma que al momento de
observarlas parece que se ve una sola cuando en realidad una esta encima
de la otra”.
En base a esto, la fase de la corriente alterna es el valor que toma en un
momento dado en ángulo (?) en las ecuaciones que describen la intensidad
y el voltaje de una corriente alterna. En consecuencia, dos señales
sinusoidales están en fase sí, siendo de la misma frecuencia, alcanzan su
valor nulo, así como sus máximos positivos y negativos en un mismo
instante.
18
4.- Impedancia y su relación con la fase
La Ley de Ohm empleada para el análisis de circuitos de CC puede ser
extendía también al análisis de circuitos alimentados con la energía alterna
mientras que los elementos presentes de este circuito sean netamente
resistivos.
Cuando en un circuito alimentado con CA se encuentran elementos
inductivos y/o capacitivos entra en juego un nuevo parámetro, como es la
impedancia. Esta siendo conocida también como la Ley de Ohm en notación
fasorial, es definida por el Dorf (1995, p 562) como: “La razón del voltaje
fasorial a la corriente fasorial”. La impedancia se denota con la letra Z, y se
define matemáticamente como se muestra en las ecuaciones nº 1 y 2
Ecuación N° 1
Z =
V
I
Ecuación N° 2
Vm
φ Vm
Z=
=
/ϕ − β
Im
Im
β
O lo que es lo mismo, la impedancia tiene una magnitud IZI y un ángulo ? ,
donde:
Ecuación N° 3
Z =
Vm
Im
y θ =φ −β
19
En CA, la impedancia desempeña un papel similar al de la resistencia
en los circuitos de CC y por tratarse de una relación de voltios a amperes,
tiene unidades de ohmios. Es importante destacar que aunque la impedancia
es la razón de dos fasores no es en sí misma un fas or.
Lo anteriormente mencionado da pie a la interpretación de la impedancia
como la resistencia obtenida por la suma vectorial de las componentes de
resistencia ohmica, reactivas inductivas y capacitativas presentes en el
circuito alimentado con CA, matemáticamente:
Ecuación N° 4
Z (Ω ) = R 2 + ( Xl − XC )
2
5.- Reactancia
El término reactancia según Serway (1997. p 946) “Es utilizado para no
crear confusión con la resistencia, debido a que distinguen por la diferencia
de fase que se evidencia entre las señales de voltaje y corriente”. Se
distinguen reactancias posibles.
6.- Reactancia Inductiva
Es la oposición que presenta una bobina al paso de la energía eléctrica y
que depende de la autoinductancia de la bobina y de la frecuencia de la
corriente con la que se alimenta. Al igual que la resistencia tiene como
unidad el Ohmio. Sus características principales son la capacidad para
20
retrasar la señal de corriente respecto a la señal de tensión en 90º, y de no
absorber energía.
7.- Cargas inductivas
Las cargas inductivas son encontradas en cualquier lugar donde haya
bobinados
involucrados,
por
ejemplo
en
los
equipos
del
tipo
electromecánic os como los motores, balastros, transformadores, entre otros;
además de consumir potencia activa, requieren potencia reactiva para su
propio funcionamiento, por lo cual trabajan con un factor de potencia menor a
1.0. Precisamente las cargas inductivas, son el origen del bajo factor de
potencia. En un circuito puramente inductivo la corriente no está en fase con
el voltaje ya que va retrasada en 90 grados eléctricos. En la Figura N° 1 se
presenta el diagrama fasorial correspondiente a las cargas inductivas.
V
I
Figura N° 1: Diagrama del vector de potencia
Fuente:Irwin (1997)
8.- Relación del factor de potencia y tipos de cargas en los circuitos
eléctricos
En términos generales pueden distinguirse tres tipos de cargas eléctricas
al conectar un equipo a una red, por la cual, circula corriente eléctrica
expresada en amperes (A) y voltaje expresado en voltios (V).
21
9.- Cargas resistivas
Tales cargas son referidas como si tuvieran una resistencia eléctrica
designada con la letra R y expresada en Ohm (Ω). Las cargas resistivas
pueden encontrarse en equipos como lámparas incandescentes, planchas y
estufas eléctricas, en donde la energía que requieren para funcionar es
transformada en energía lumínica o energía calorífica, en cuyo caso el factor
de potencia toma el valor de 1.0. En un circuito puramente resistivo, la
corriente está en fase con el voltaje y es función inmediata del voltaje. Por lo
tanto, si el voltaje y la corriente están en fase, tenemos que:
I=
V
R
En la Figura N” 2 se presenta el diagrama fasorial correspondiente a las
cargas resistivas.
V
I
Figura N° 2: Diagrama del vector de un circuito resistivo
Fuente: Irwin (1997)
La resistencia eléctrica absorve potencia en watts igual a:
P = VI = RI
2
V2
=
R
22
10.- Reactancia Capacitiva
Es la oposición que presenta un capacitor o una carga de tipo capacitiva al
paso de la energía eléctrica. Esta reactancia es proporcional a la frecuencia
de la corriente con la que se alimenta, así como el valor de la capacitancia.
También tiene como unidad el Ohmio y consume potencia promedio en el
circuito.
11.- Frecuencia
Según Hayt (1993. p 306), “El número de periodos por segundo es la
frecuencia, se le designa por F” la unidad de frecuencia es el Hertzio (Hz)
cuyo múltiplo más usual el kilohertzio (Khz).
12.- Mediciones y errores
La medición es el proceso de obtener información cuantitativa acerca del
mundo físico. Los métodos para la recolección de datos numéricos y para la
determinación de errores de precisión están asociados íntimamente con el
desarrollo de la tecnología.
Patrones, estándares, unidades y sistemas de unidades
Cualquier medición tiene que involucrar necesariamente la comparación
de la cantidad medida con una unidad estándar conocida o patrón. En las
mediciones absolutas, la unidad puede ser la unidad oficial para la cantidad
en cuestión, tal como lo son el metro para la distancia o el ampere para la
corriente eléctrica. En cambio, en una medición reactiva, una unidad especial
de frecuencia es escogida para una medición dada; por ejemplo, la
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intensidad del brillo de una estrella se expr esa en función del brillo de otra
estrella.
Un largo de tres metros quiere decir que la longitud medida es tres veces
mayor que una estándar o patrón, en este caso, el metro. Hasta 1960, el
metro estándar era menor a la longitud de una barra de prototipo que se
mantenía en París. Luego fue redefinido como 1650763,73 veces la longitud
de onda de radiación emitida a un nivel de energía especificado por el
criptón-86. Luego, en 1983, fue redefinido como una longitud recorrida por la
luz en el vació durante el tiempo de
1
299792458
segundos. El empleo de
esta definición está basada en cantidades físicas presenta la gran ventaja de
poder ser reproducible en cualquier laboratorio bien equipado, en vez de
depender de un objeto patrón que puede alternarse por las condiciones de
temperatura o presión, sufrir deformaciones, vandalismo. Por esta razón la
gran mayoría de las unidades actualmente en uso se basan en cantidades
físicas.
El sistema de unidades actualmente utilizado para el trabajo científico en
muchos países es conocido como sistema internacional, o simplemente SI, y
está basado en el sistema MKS (Metro, Kilogramo, Segundo), y contiene 7
unidades base, siendo estas además de longitud, masa, y tiempo unidades
de temperatura (grados kelvin), intensidad luminosa (candela), cantidad de
sustancia (Mol) y corriente eléctrica (ampere). A excepción del Mol, todas
estas magnitudes pueden ser medidas directamente.
24
Mediciones de longitud
Las mediciones de longitud tienen una importancia especial en la
tecnología y los procesos de medición, por que prácticamente casi cualquier
medición analógica (más no del tipo paso a paso, como el presente en un
monitoreo digital) se puede reducir a mediciones de longitud.
La medición de cantidades como ángulos también dependen de la
medición precisa de longitudes, pues las mediciones angulares pueden
derivarse de las mediciones de longitud si se utiliza una regla circular.
En caso contrario, se hace necesario converti r los valores utilizados
mediante funciones trigonométricas. El procedimiento más preciso para
medir ángulos, utiliza espejos en los que los haces de luz son reflejos en
escalas.
Similarmente, la deformación de un objeto por una fuerza puede también
ser medida como un desplazamiento, o el cambio de longitud. Un ejemplo
muy conocido es el principio del resorte presionado, utilizando en muchos
tipos de instrumentos de medición de agujas, en especial instrumentos
analógicos de medición eléctrica (galvanómetro, voltímetro, amperímetro o
vatímetro)
La aguja descansa siempre en un punto donde se equilibran la fuerza
ejercida por el resorte y la fuerza actuante, objeto de medición.
Como la aguja esta colocada sobre una escala, la longitud del
desplazamiento, que en este punto redujo la medición en una magnitud
eléctrica a una simple medición de distancia.
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Mediciones de tiempo
Invariablemente, las mediciones de tiempo se basan en contra la
ocurrencia de fenómenos periódicos tales como las oscilaciones de átomos o
moléculas,
osciladores
electromagnéticas
y
sonidos
o
vibraciones
mecánicas. La utilización de estos estándares de tiempo resulta a su vez en
la utilización de una variedad de relojes entre los que se incluyen los relojes
atómicos, de péndulo y los popular es relojes de cuarzo. La exactitud de esta
medición de tiempo depende entonces de qué tan precisas son las
oscilaciones tomadas como patrón para realizar el conteo.
Medición de cantidades eléctricas
La medición analógica de la corriente eléctrica está basada principalmente
en el descubrimiento hecho en el siglo XIX por Hans Christian Oersted y
Michael Faraday sobre la relación entra la electricidad y el magnetismo. La
asociación principal entre estos fenómenos fue descrita por primera vez en
1820 por Orestes cuando reportó el fenómeno de que una corriente eléctrica
que atraviesa un conductor produce un campo magnético que a su vez ejerce
fuerzas entre ellas (Ley de Biot y Savart) y, que la medición de la fuerza
ejercida por una corriente resulta en la medición de la corriente. Este hecho
también es empleado en la definición de la unidad de corriente, y así un
ampere es la corriente que genera la fuerza de 2x10-7 newton entre dos
conductores perfectos de longitud infinita en el vació, separados entre sí por
un metro de distancia.
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En los instrumentos prácticos de medición que hacen uso de este
fenómeno, los conductores consisten en dos bobinas con un elevado número
de vueltas. Mediante la conexión de estas bobinas de diferente manera se
puede obtener diferentes eloectrodinamómetros como el amperímetro, el
voltímetro y el vatímetro. La medición con un electrodinamómetro se basa en
la determinación de la fuerza que actúa en las dos bobinas a través de las
cuales circula la corriente, y esto se logra midiendo la desviación del
equilibrio de una bobina montada con un giro libre, la cual se opone un
resorte.
En este tipo de instrumentos el campo magnético es débil cuando la
corriente es débil, por lo que estos instrumentos tienden a ser un poco
sensibles, sin embargo, son capaces de medir corrientes tanto en CC como
en CA. Otro tipo de electrodinamismo muy utilizado en el medidor de bobina
móvil o galvanómetro, en el que la corriente a medir fluye a través de una
bobina montada sobre un fuerte campo magnético inducido por un imán
permanente, en vez de inducirse por la corriente misma, este solo es capaz
de medir únicamente corriente continua.
En la actualidad la tendencia es la de realizar mediciones digitales, utilizan
técnicas de muestreo, retención y cuantificación. De esta manera las
cantidades físicas de la electricidad, de la naturaleza analógica, son
transformadas en códigos digitales que puede ser comprendido por un
sistema digital, de manera que puede ser procesado y representado en un
medio diferente al tradicional indicador de agujas. La consecuencia directa de
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la medición digital es la eliminación de la posibilidad de contener el error de
paralaje; además de que un instrumento digital es más fácil de calibrar, y a
su vez menos susceptible a descalibración por efectos de mal manejo.
Errores de Medición
El resultado de una medición y el valor real de la cantidad medida resultan
a menudo diferentes. Esta deferencia puede deberse tanto a errores
aleatorios como a errores sistemáticos. Los errores aleatorios son aquellos
que ocurren en la acción misma de realizar una medición, mientras que los
errores sistemáticos se dan como resultado y errores en la calibración.
Errores Aleatorios
Siempre que se realiza una medición que se espera sea útil se debe
especificar la precisión con la que se ha hecho, es decir, los limites entre los
cuales se encuentra la cantidad medida. El intervalo en el cual el verdadero
valor medido se encuentra y determina el error absoluto de la medición. El
error relativo es igual al error absoluto dividido entre el valor medido, y
usualmente se expresa como un porcentaje.
Para el caso de errores aleatorios se pueden establecer dos aspectos, a
saber:
1. La repetición de las mediciones provee información sobre la magnitud
de los errores aleatorios
2.
Repetir
la
medición
reduce
el
error
en
el
resultado
final
proporcionalmente a la raíz cuadrada del número de repeticiones tomada.
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Esto implica que el error aleatorio se reduce prácticamente al principio,
pero luego la hace mas lentamente, sin embargo llegando el momento en el
que el error sistemático comienza a predominar, el error aleatorio no puede
reducirse más.
Error Sistemático
Resulta más difícil estimar y reducir la magnitud del error sistemático. El
proceso de medición tiene que ser analizado exhaustivamente en cada caso.
Cada tipo de medición tiene sus propios errores sistemáticos característicos,
pero algunos de los más predominantes son:
1. Error Punto Cero: Originado por un error de medición de la condición
nula o de referencia, o por una puesta a cero inapropiada del equipo de
medición, que origina un desplazamiento constante para todos los valores
medidos resulta bastante común en las mediciones tomadas con osciloscopio
o con instrumentos analógicos de medición eléctrica.
2. Errores de calibración: Resultante cuando las condiciones bajo los
cuales se efectuaron las mediciones de referencia (calibración) no se
aproximan a las condiciones presentes a la medición real en la medida de lo
posible.
3. La inversión del mismo instrumento de medición tiende a influir en la
magnitud de la señal a medir. Esto es particularmente notorio para las
mediciones eléctricas, y así, por ejemplo, medir una diferencia de potencial
efectuando la lectura a tomar, pues la inserción del instrumento implica una
carga para la fuente de voltaje del circuito.
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4. La Histéresis: Es un fenómeno de los materiales ferromagnéticos en los
cuales la magnetización inducida no depende exclusivamente del campo
magnético aplicando, si no también de magnetizaciones previas, y para el
caso de un instrumento de medición hace que la lectura dependa de las
lecturas previas.
5. Errores de paralaje, que resulta del hecho de que la aguja apuntadora
en la mayoría de los instrumentos que la usan están localizada a una
pequeña distancia de la escala por lo que la lectura tomada dependa del
ángulo en que es tomada.
Los métodos utilizados para tratar con los errores aleatorios son más
fáciles de implementar que los empleados para tratar los errores
sistemáticos. Entonces, la mejor manera de tratar con errores sistemáticos es
tratar de convertirlos en errores aleatorios, esto puede lograrse tratando de
introducir tantas variaciones en cuanto sea posible en el método e
instrumento utilizado para la medición.
13.- Potencia
Según Serway (1997, p 943) la potencia P se puede interpretar como “la
razón por la cual la energía eléctrica se convierte en calor en la resistencia”
matemáticamente se expresa como P = V • I , donde i es la corriente
instantánea en la resistencia, siendo el efecto de calentamiento proporcional
al cuadrado de la corriente. No hay diferencia si la corriente es alterna o
directa, sin embargo, como la corriente solo alcanza su valor máximo en un
instante, su efecto calorífico no es el mismo que puede producir una corriente
30
directa de la misma magnitud, por lo que lo importante en circuito de
corriente alterna es el valor promedio de la corriente o valor RMS.
Potencia en CA
Uno de los factores más influyentes en el diseño y mantenimiento de un
circuito, es el de la potencia.
Figura N° 3 Circuito Pasivo
Fuente: Irwin (1997)
Cuando se tiene un generador de c.a. aplicado, que hace que circule una
corriente i(t), es decir, dependiente del tiempo.
En todo instante, el producto de la tensión por la intensidad se llama
potencia instantánea y viene dada por P = V • I
La potencia P, puede tomar valores positivos o negativos según el instante
en que se considere.
En general si
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La gráfica de la potencia será la resultante de las dos gráficas "v" e "i"; y
será distinta según se trate de un circuito resistivo, inductivo o capacitivo.
En la corriente alterna en estado se distingue en dos tipos de potencia:
Potencia instantánea
La potencia instantánea según Dorf (1995, p. 628) “Es el producto, en el
dominio del tiempo del voltaje y la corriente asociado con una o más elementos
del circuitos”. La potencia instantánea permite calcular el valor máximo de la
potencia en función del tiempo y su unidad es el Watt.
Potencia promedio
Es una cantidad muy importante, pues mide la capacidad de un dispositivo
electrónico para entregar o absorber energía. Matemáticamente se expresa el
valor promedio de cualquier forma de forma periódica mediante la ecuación
Ecuación N° 5
P=
1
T
to +T
∫ F (t )dt
to
Por lo que si aplica un procedimiento análogo para la potencia eléctrica en
CA, que en efecto una señal periódica y estable se tienen:
P=
1
T
to+T
∫ P(t )dt , y desarrollando
to
Ecuación N° 6
P=
1
T
to +T
∫Vm • Im• Cos(Wt + θv ) • Cos(Wt + θi )dt
to
32
En estas expresiones To es un tiempo cualquiera, T es un periodo de la
función que describe a la señal de CA, que siendo de tipo senoidal, tiene en
periodo de dos P. Además, es la frecuencia angular (2PF) y P es la potencia
promedio resultante, que se mide en Watts.
Tomando las ecuaciones anteriores y aplicando procedimientos matemáticos
se puede reducir hasta la forma:
Ecuación N° 7
P=
1
• Vm • Im• Cos (θv − θi )
2
Donde la utilización de (? V - ? i) o de (? i - ? V) es indiferente (debido a que
es el argumento de una función coseno) y el ángulo de la impedancia del
circuito. Esta da pie a dos casos especiales:
1. El circuito es totalmente resistivo: en este caso el ángulo de la impedancia
es cero, con lo que la ecuación de potencia se simplifica
P=
1
• Vm • Im
2
2. El circuito es totalmente reactivo: lo que origina un ángulo de impedancia
de +/- 90° la consecuencia de esto es que el término cos (?) anula la ecuación.
De aquí se desprende una importante conclusión según Irwin (1997, p. 460).
“La impedancia reactiva no absorbe potencia promedio” .
Valores RMS
Es una forma de onda periódica, se define el valor efectivo como “un valor
constante o de CD, que entrega la misma potencia promedio a una resistencia
33
R”. El valor efectivo se encuentra determinado primero el cuadrado de la señal,
calculando después el valor promedio y finalmente extrayendo la raíz cuadrada
por la que resulta una lectura de raíz cuadrada media (RMS por sus siglas en
ingles).
Potencia Compleja
Matemáticamente se define la potencia compleja (S), como:
Ecuación N° 8
S = Vrms • I ∗ rms
Donde I ∗ rms se define como el complejo conjugado de Irms . La potencia es
entonces :
Ecuación N° 9
S = Vrms / ? v • Irm s / - ?i = V rms • I rms / ?v - ?i
Entonces:
Ecuación N° 10
S = Vrms • Irms • Cos (?v - ?i) + jVrms • I rms • Sen (?v N° 10
Donde ?v - ?i es el ángulo de la impedancia o ?z. de la anterior ecuación, la
parte real de la potencia compleja es llamada potencia promedio o real (P),
mientras que la pare imaginaria el de la potencia cuadratura o reactiva (Q).
Esto da pie a expresar la formula de la potencia compleja en la forma:
Ecuación N° 11
S = P + j•Q
Donde:
34
Ecuación N° 12
P = RE (s) = Vrms • Irms • Cos (?v - ?i)
Ecuación N° 13
Q = IM (s) = Vrms • Irms • Sen (?v - ?i)
Entonces la magnitud de la potencia compleja es la que se denomina
potencia aparente, y su ángulo de fase es el ángulo factor de potencia. La
potencia compleja y la aparente se miden en voltios ampere y el real en voltios
o watt, a fin de distinguir a Q de otras cantidades que tienen las mismas
dimensiones y se mide en voltios ampere reactivo o VAR. A partir de estas
ecuaciones y mediante procesos matemáticos se lleva a la relación
Ecuación N° 14
Tan (θv − θi ) =
Q
P
Con la que se establece una correspondencia de FP a P y Q en lo que se
llama triángulo de potencia y de acuerdo a la figura N° 4 que se muestra a
continuación:
Im
+Q
S
?x - ? y
P
R
S
-Q
Figura N° 4 Triangulo de Potencia
Fuente: Irwin (1997)
35
Si Q es positiva, la carga es inductiva el factor de potencia está retrasado y
el número complejo S está en el primer cuadrante, en caso contrario la carga
es capacitiva, el factor de potencia está adelantado y el número complejo S
está en el cuarto cuadrante. Si Q es cero no existe potencia reactiva, la carga
es netamente resistiva, el factor de potencia es igual a uno y el número
complejo S se encuentra en el eje positivo.
Medición de potencia
Para la medición de potencia se utiliza un instrumento llamado vatímetro que
se constituye de una bobina de corriente (de baja impedancia) para ser
conectado en seria a la carga, y una bobina de alta impedancia conectada en
paralelo de la misma carga, de la manera que se ilustra:
il
I(t)
+
-
vl
V(t)
CARGA
Figura N° 5 Circuito Inductivo
Fuente: Irwin (1997)
Para el caso de las señales alternas de la energía eléctrica, el voltaje y la
corriente son periódicas, por lo que la conexión anteriormente descrita hará que
la lectura del vatímetro sea:
Ecuación N° 15
T
1
P = ∫ V (t ) • I (t )dt
T 0
36
Con una correcta elección de V e I se obtendrá la lectura de la potencia con
la conexión descrita en la figura anterior, la lectura tomada será la de la
potencia entregada a la carga. Pero hay que tener cuidado de seleccionar la
posición adecuada para colocar
las bobinas del instrumento debido a que
estas son independiente entre ellas, lo que hace que puedan ser colocadas en
cualquier parte del circuito, lo que a su vez origina la posibilidad de la lectura
pueda o no tener significado.
Debido a la constitución de los vatímetros la terminal positivo y negativo de
la bobina de potencia del instrumento debe conectarse siempre de la misma
línea de la bobina de corriente.
14.- Factor de Potencia (cos(? ))
Según Dorf (1995, p 643) “El factor de potencia es la razón de la potencia
promedio P a la potencia aparente V • I “. Esta es una cantidad muy
importante debido al impacto económico que tiene usuarios industriales de
grandes cantidades de potencia, así como en las empresas generadoras de
potencia. El ángulo del factor de potencia es equivalente al ángulo de fase de
la impedancia de carga (xv – xi), que se hace cero, se tiene que cos(0) = 1, es
decir un factor de potencia 1, típico de una carga puramente resistiva, o de
una carga que contiene elementos RLC con valores tales que hace posible
obtener un ángulo de fase cero en la frecuencia de operación debido a la
propiedad del coseno que cos (x) = cos (-x), puede surgir confusión al
momento de identificar el tipo de carga resultante en un sistema.
37
Para evitar este problema se dice el factor de potencia esta en adelanto o
en retraso, donde estos dos términos se refieren a la fase de la corriente con
respecto al voltaje. En el caso de una carga capacitiva, la carga tiene un
factor de potencia adelantado; mientras que una carga inductiva tiene un
factor de potencia retrasado.
Corrección del Factor de Potencia
Una vez ya establecido lo que es un factor de potencia, conviene discutir
los tres métodos de corrección posibles, por naturaleza, las cargas de
potencia son en general de tipo inductivo por lo que poseen un factor de
potencia retrasado; y esta lleva a que las técnicas que se utilizan en la
actividad para la corrección del factor de potencia de manera económica y
efectiva sea por medio de bancos de capacitores y la corrección por el 3°, 5°,
7°, armónico. De ellos el método mas difundido es precisamente el de la
utilización de capacitores en paralelo a la carga, tal como se muestra en la
figura N° 6
+
R1
C1
V
60 Hz
L1
Figura N° 6 Muestra de la Corrección del Factor
Fuente: Irwin (1997)
La potencia compleja original de la carga Z (Sz ) es:
38
Ecuación N° 16
Sz = Pz + j • Qz ó
Sz
Xz
Mientras que la potencia del capacitor queda expresada como:
Ecuación N° 17
Sc = 0 + j • Qc ó
Sc
Xc
Por lo que al sumar estas potencies se obtiene una potencia compleja
resultante Sr que se expresa:
Ecuación N° 18
Sz + Sc = Sr = Pz + Qr =
Sr
Xr
Donde xr es el factor de potencia requerido. Recordando que el capacitor
es puramente reactivo (no consume potencia promedio) se tiene que:
Ecuación N° 19
Sc = j • Qc = -j • X • C • V2rms
Y despejando se tiene que:
Ecuación N° 20
C=
Qc
2
w • V rms
39
Lo que nos permite obtener el valor de la capacitancia necesaria para
llevar el factor de potencia hasta un valor predeterminado. El triángulo de
potencies que expresa los cambios en S y F (xv – xi) se muestra en la
siguiente figura N° 7:
Figura N° 7 Triangulo de Potencia Corregido
Fuente: Belloso y Guerrero (2003)
Amarillo: Factor de Potencia de Carga Capacitiva
Verde: Factor de Potencia de Carga Inductiva
Azul: Factor de Potencia Rectificado
Donde se puede observar la diferencia entre el ángulo del factor de
potencia original y el ángulo del factor de potencia corregido.
15.- Amplificador Operacional (Op- Amp)
Para Boylestad (1997, p 628) “Un amplificador operacional u opamp, es un
amplificador diferencial con una ganancia muy alta, con una elevada
impedancia de entrada y una impedancia de salida baja”. Para la
40
construcción de amplificadores operacionales se utilizan varias etapas que
permiten obtener una ganancia de voltaje muy alto.
Este dispositivo posee dos entradas generalmente conocidas como
inversora y no inversora. La entrada no inversora proporciona una salida en
la misma fase que la entrada, mientras que la entrada inversora proporciona
una salida de polaridad opuesta a la presente en la entrada (desfasada 180°)
las configuraciones básicas a utilizar en el desarrollo de esta investigación
son: Inversora, No Inversora, Rectificador de Precisión de Media Onda y
Comparador.
El diagrama esquemático de las conexiones necesarias para estas
configuraciones se muestra a continuación:
Configuración de Amplificador Inversor:
Rf
Vi
R1
U1
Vo
Figura N° 8 Amplificador Inversor
Fuente: Boylestad (1997)
La ganancia de voltaje se expresa como
Ecuación N° 21
Vo
− Rf
= Av =
Vi
R1
41
Configuración de Amplificador No Inversor:
U1
Vi
Vo
Rf
R1
Figura N° 9 Amplificador No Inversor
Fuente: Boylestad (1997)
La ganancia de voltaje se expresa como
Ecuación N° 22
Vo
Rf
= Av = 1 +
Vi
R1
Op-Amp como Rectificador de Precisión de Media Onda:
El funcionamiento es el siguiente: cuando Vi es positivo, la salida del
operacional hará que el diodo conduzca, estableciendo retroalimentación
negativa (buffer), el voltaje de encendido del diodo deberá ser bajo en
comparación con la amplitud de la señal de entrada. En el semiciclo negativo
el diodo se apaga, ya que la salida del operacional tratará de halar corriente
del cátodo al ánodo del diodo, determinando así la función mostrada en la
figura N° 10 siguiente:
42
Figura N° 10 Amplificador Inversor
Fuente:http://apollo.cps.unizar.es/~te/Docencia_archivos/eatelc_archivos/pract.pdf (1998)
Op-Amp como Comparador
Es una configuración de Op-Amp con el comportamiento de un circuito
lineal-digital y que se encarga, como bien indica su nombre, de comparar dos
voltajes. Para esto se hace necesario tener un voltaje de referencia y un
voltaje a comparar. Aplicando el voltaje de referencia a la entrada no
inversora y el voltaje a comparar en la entrada inversora se obtendrá en la
salida un pulso positivo P+ cuando el voltaje a comparar sea menor que el
voltaje de referencia; y un pulso negativo P- en caso contrario. P+ y P- tienen
la misma magnitud, siendo |P| aproximadamente el 80% del voltaje de
polarización a tierra.
A continuación se presenta un ejemplo en la figura N° 11 y N° 12 de la
utilización del Op-Amp 741 a modo de comparador en sus dos formas tanto
con la entrada inversora como con la entrada no inversora, para de esta
manera
logr ar
un comparación
con
valores
positivos
o
negativos
dependiendo de la necesidad del usuario o bien sea de los requerimientos
del sistema
43
+12V
10k
U1
+
470
10k
LED
-12V
Figura N° 11 Comparador Tipo A
Fuente: Boylestad (1997)
+12V
10k
U1
+
470
10k
LED
-12V
Figura N° 12 Comparador Tipo B
Fuente: Boylestad (1997)
16.- Conversión Analógica - Digital
Un convertidor analógico digital según Boylestad (1997, p 748) “Es un
dispositivo capaz de obtener el valor digital que representa un voltaje
analógico en la entrada que varia continuamente entre un rango de valores.
A su salida solo se obtiene uno de dos niveles, representando los valores
44
binarios 1 ó 0. De esta manera se hace posible que un sistema digital sea
capaz de manejar la magnitud analógica requerida”.
17.- Corriente Eléctrica
Es un movimiento de cargas eléctricas a través de un conductor.
Puede ser corriente continua si los electrones se mueven en un único
sentido o corriente alterna si existe una oscilación o vibración de los
electrones en el conductor.
Corriente Eléctrica Continua
Se mide en (A) Amperios y para circuitos electrónicos se mide en mA
(miliamperios) o (u A) microamperios. Ver la tabla N° 1para conversiones.
Tabla N° 1
Corriente Eléctrica Conversión
1 mA (miliamperio) = 0.001 A (Amperios)
1 uA (microamperio) = 0,000001 A (Amperios )
Fuente: Boylestad (1997)
18.- Carga Eléctrica
Para poder definir que es una carga eléctrica se debe de tener claro que
una carga es una unidad fundamental de una materia la cual es responsable
de los fenómenos eléctricos. Dichas carga se pueden dividir en dos tipos un
primer tipo conformado por cargas pasivas como lo son los elementos
resistivos (resistencias). Un segundo tipo que lo conforman son las cargas
45
activas como lo son los elementos almacenadotes de energía (capacitores e
inductores).
19.- Resistencias Industriales
Las resistencias industriales se usan como fuentes de calor, por ejemplo
en estufas, calentadores de agua, marmitas, acondicionadores de aire, el
voltaje aplicado es normalmente el de la red de distribución de energía
eléctrica 120 VAC o 220 VAC y la corriente que consumen es normalmente
de decenas de amperios. Se identifican por el voltaje aplicado y la potencia
que disipan, ejemplo una resistencia de 220 VAC y 2 Kw. Otras
características son la forma, tamaño, si tienen o no recubrimientos que
permitan sumergirlas en líquidos.
Figura N° 13 Tipos de Resistencia
Fuente: http://electronred.iespana.es/electronred/ELRE LE.html (1999 )
20.- Electrónica de Potencia
La electrónica de potencia es una de las ramas de la electrónica como
ciencia, donde se emplean dispositivos capaces de controlar grandes
cantidades de corriente y voltaje los cuales son factores de vital impor tancia
presentes en la electrónica industrial.
46
Uno de los tantos dispositivos que se utilizan en la electrónica de potencia
no son mas que tiristores (SCR, TRIAC, SBS, etc.) los son responsables del
manejo de las cargas ya que pueden trabajar con alto voltaje y alto amperaje,
los cuales son factores que conforman la potencia de una carga parámetro
importante para esta tan importante rama de la electrónica.
Dispositivos Semiconductores de Potencia
Desde que se desarrolló el primer tiristor rectificador de silicio (SCR), a
fines
de
1957,
ha
habido
grandes
adelantos
en
los
dispositivos
semiconductores de potencia. Hasta 1970 los tiristores convencionales se
habían utilizado en forma exclusiva para el control de energía en aplicaciones
industriales.
A
partir
de
1970,
se
desarrollaron
varios
tipos
de
dispositivos
semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial.
Estos se pueden dividir en cinco tipos principales: diodo de potencia,
tiristores, transistores bipolares de juntura de potencia (BJT), MOSFET de
potencia y transistores de compuerta aislada (IGBT) y transistores de
inducción estáticos (SIT). Los transistores se pueden dividir subdividir en
ocho tipos: tiristor de conmutación forzada, tiristor conmutado por línea,
tiristor desactivado por compuerta (GTO), tiristor de conducción inversa
(RCT), tiristor de inducción estática (SITH), tiristor desactivado con asistencia
de compuerta (GATT), rectificador controlado de silicio fotoactivado (LASCR),
y tiristor controlado por MOS (MCT). Los tiristores de inducción estática
también están disponibles en forma comercial.
47
Un tiristor tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta. Cuando una
pequeña corriente pasa a través de la compuerta hacia el cátodo, el tiristor
conduce, siempre y cuando el terminal del ánodo esta a un potencial mas
alto que el cátodo. Una vez el tiristor esta en modo de conducción, el circuito
de la compuerta no tiene ningún control y el tiristor continua conduciendo.
Cuando un tiristor esta en un modo de conducción, la caída de potencial en
directa es muy pequeña, típicamente 0.5 a 2 voltios. Un tiristor que conduce
se puede desactivar haciendo que el potencial del ánodo sea igual o menor
que el potencial del cátodo. Los tiristores conmutados en líneas se
desactivan en razón de la naturaleza sinusoidal del voltaje de entrada y los
tiristores conmutados en forma forzada se desactivan mediante un circuito
adicional conocido como circuiteria de conmutación.
Características de Control de los Dispositivos
Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como
interruptores mediante la aplicación de señales de control a la terminal de
compuerta de los tiristores (y a la base de los transistores bipolares).
La salida requerida se obtiene mediante la variación del tiempo de
conducción de estos dispositivos de conmutación. Una vez que un tiristor
esta en modo de conducción, la señal de compuerta ya sea positiva o
negativa no tiene efecto.
Cuando un dispositivo semiconductor de potencia esta en modo de
conducción normal existe una pequeña caída de voltaje a través del mismo
por lo general despreciable.
48
Tipos de Circuitos Electrónicos de Potencia
Para el control de la potencia eléctrica o del acondicionamiento de la
misma es necesario convertir la potencia de una forma a otra, las
características de interrupción de los dispositivos de potencia permiten dicha
conversión. Los convertidores de potencia estáticos llevan a cabo estas
funciones de conversión de potencia. Un convertidor se puede considerar
como una matriz de conmutación. Los circuitos electrónicos de potencia se
pueden clasificar en seis tipos:
a) Rectificadores: Un circuito rectificador por diodos convierte el voltaje
AC a voltaje fijo DC. El voltaje de entrada puede ser monofásico o trifásico.
b) Convertidores AC-DC: Un convertidor monofásico con dos tiristores de
conmutación natural controla al valor promedio de voltaje de salida, variando
el tiempo de conducción de los tiristores o el ángulo de retraso de disparo. La
entrada puede ser una fuente monofásica o trifásica.
Estos convertidores
también se conocen como rectificadores controlados.
c) Convertidores DC-AC: Un convertidor de DC a AC también se conoce
como inversor. El voltaje de salida puede ser controlado variando el tiempo
de conducción de los transistores.
d) Convertidores AC-AC: Estos convertidores se utilizan para obtener un
voltaje de salida de corriente alterna variable a partir de una fuente de
corriente alterna fija. El voltaje de salida se controla mendiante la variación
del tiempo de conducción de un TRIAC o el ángulo de retraso de disparo.
49
Estos dispositivos convertidores también se conocen como rectificadores de
voltaje de DC.
e) Convertidores DC-DC: Un convertidor de DC a DC también se conoce
como un pulsador o un regulador de conmutación. El voltaje promedio de
salida se controla mediante la variación del tiempo de conducción.
f)
Interruptores Estáticos: Dado que los dispositivos de potencia pueden
ser operados como interruptores estáticos o contactores, la alimentación a
estos interruptores puede ser de AC o de DC y se conocen como
interruptores estáticos de AC o interruptores estáticos de DC.
21.- Microcontroladores
Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el
gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el
funcionamiento de un horno dispone de un censor que mide constantemente
su temperatura interna y, cuando traspasa los límites prefijados, genera las
señales adecuadas que accionan los efectores que intentan llevar el valor de
la temperatura dentro del rango estipulado.
Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del
tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres
décadas, los controladores se construían exclusivamente con componentes
de lógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que
se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito
impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido
incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente
50
consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazón
(chip) de un circuito integrado.
Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración
que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.
Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:
•
Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).
•
Memoria RAM para Contener los datos.
•
Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.
•
Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
•
Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores,
Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA:
Conversores Digital/Analógico, etc.).
•
Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de
todo el sistema.
Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador
disponen de las siguientes ventajas:
•
Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado
elemento representa una mejora considerable en el mismo.
•
Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un
elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan
menos ajustes.
51
•
Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del
microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los
stocks.
•
Mayor flexibilidad: las características de control están programadas
por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de
instrucciones.
El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos
los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible
montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el
controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded
controller).
Diferencia entre Microprocesador y Microcontrolador.
Microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central
de Proceso (UCP), también llamada procesador, de un computador. La UCP
está formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el
Camino de Datos, que las ejecuta.
Los pines de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses
de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los
Módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios
circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto
porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se
destine.
52
22.- Microcontroladores de la serie PIC
Los PIC tienen "algo" que fascina a los diseñadores, puede ser la
velocidad, el precio, la facilidad de uso, la información, las herramientas de
apoyo... Quizás un poco de todo eso es lo que produce esa imagen de
sencillez y utilidad.
Microcontrolador PIC 16F877
Este microcontrolador dispone de memoria de tipo flash lo que permite
una fácil actualización del firmware tantas veces como sea necesario. La
grabación del programa puede realizarse con el µC montado en placa “in
circuit” mediante en conector previsto al efecto en el circuito impreso.
Figura N° 14 PIC 16F877
Fuente: www.microchip.com (2000)
53
El programa puede ser cargado desde el puerto serie de cualquier
ordenador personal mediante el kit MPLAB-ICD. El PIC 16F877 dispone de
33 pines de I/O que serán utilizadas según la siguiente tabla:
Tabla N° 2
Pines utilizados para Programar el PIC
Fuente: www.mcrochip.com (2000)
54
23.- Relé
Es un dispositivo que consta de dos circuitos diferentes: un circuito
electromagnético (electroimán) y un circuito de contactos, al cual aplicaremos
el circuito que queremos controlar.
En la siguiente figura se puede ver su simbología así como su constitución
(relé de armadura).
Símbolo del relé de un Símbolo del relé de dos
circuito
circuitos
Partes de un relé de armaduras
Figura N° 15 El Relé
Fuente: http://electronred.iespana.es/electronred/ELRELE.html (1998)
Su funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la
corriente atraviesa la bobina, produce un campo magnético que magnetiza
un núcleo de hierro dulce (ferrita).
Este atrae al inducido que fuerza a los contactos a tocarse. Cuando la
corriente se desconecta vuelven a separarse.
Los símbolos que aparecen en las figuras poseen solo 1 y dos circuitos,
pero existen relés con un mayor número de ellos.
55
Características Técnicas
Parte electromagnética
Corriente de excitación – Intensidad que circula por la bobina necesaria
para activar un relé.
Tensión nominal - Tensión de trabajo para la cual el relé se activa.
Tensión de trabajo - Margen entre la tensión mínima y máxima,
garantizando el funcionamiento correcto del dispositivo.
Consumo nominal de la bobina.- Potencia que consume la bobina cuando
el relé está excitado con la tensión nominal a 20ºC.
Contactos o Parte mecánica
Tensión de conexión: es la tensión entre contactos antes de cerrar o
después de abrir.
Intensidad de conexión: esta se puede describir como la intensidad
máxima que un relé puede conectar o desconectarlo.
Intensidad máxima de trabajo: se puede definir como la Intensidad máxima
que puede circular por los contactos cuando se han cerrado.
Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y
aleaciones de plata que pueden ser con cobre, níquel u óxido de cadmio. El
uso del material que se elija en su fabricación dependerá de su aplicación y
vida útil necesaria de los mismos debido a este existe diferentes tipos de
reles en la actualidad y logrando muchas diferencias entre si para los
propósitos requeridos.
56
Relés más utilizados
De Armadura
El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los
contactos dependiendo de si es normalmente abierto o normalmente cerrado.
De Núcleo Móvil
Tienen un émbolo en lugar de la armadura. Se utiliza un solenoide para
cerrar los contactos. Se suele aplicar cuando hay que manejar grandes
intensidades.
Relé de armaduras
Relé de armaduras
Relé Reed
Relé en encapsulado tipo
DIP
Relé en encapsulado tipo
DIP
Aplicación de los relés
como módulos de interfase
Figura N° 16 Tipos de Relés
Fuente: http://electronred.iespana.es/electronred/ELRELE.html (1998)
Las aplicaciones de este tipo de componentes son múltiples: en
electricidad, en automatismos eléctricos, control de motores industriales; en
electrónica: sirven básicamente para manejar tensiones y corrientes
57
superiores a los del circuito propiamente dicho, se utilizan como interfaces
para PC, en interruptores crepusculares, en alarmas, en amplificadores, entre
otros.
G.- DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BASICÓS
Ampere: Es la unidad para la medición de corriente eléctrica que equivale
a la intensidad de corriente. Un ampere equivale a un Coulomb por segundo.
Según Boylestad (1998, p. 160) se define ampere como “La intensidad que
debe circular por dos conductores rectilíneo, paralelos y de longitud infinita,
separados por la distancia de un metro, para que se produzca entre dichos
conductores una fuerza de atracción o de repulsión de 2x10-7 Newtons por
metro de longitud”.
Amperímetro: es un aparato de medición que sirve para determinar el
numero de amperios que fluyen a través de un circuito por el que circula una
corriente eléctrica.
Capacitores o Condensadores: Los condensadores son dispositivos
electrónicos que se usan para almacenar la energía en forma de campos
electrostáticos. Un condensador está formado por dos placas conductoras
separadas por un material aislante o dieléctrico, unos terminales unidos a las
placas permiten la conexión del condensador a otros elementos de circuito.
Corriente: Es la cantidad de carga que pasa a través de la sección
transversal total de un conductor en el tiempo.
58
Electrodinamómetro:
también
es
conocido
como
instrumento
electrodinámico, comprende la familia de instrumentos analógicos, en los
cuales el cuadro es móvil y el imán permanente es reemplazado por una
bobina fija que se alimenta por la misma corriente objeto de medición. Según
Hayt (1993, p 330) “Como la corriente cambia de sentido en ambas bobinas a
la vez, la orientación del cuadro se realiza siempre en el mismo sentido, y el
instrumento sirve para hacer mediciones tanto en CC como en CA”.
Inductor: Una BOBINA es un dispositivo electrónico que se usa para
almacenar la energía en forma de campo magnético. Una bobina está
formada por un arrollamiento de alambre de forma que el campo magnético
generado por una espira afecte a las espiras vecinas de forma que los
campos magnéticos de todas las espiras se sumen o contrarresten para
formar una distribución espacial de campo magnético alrededor de la bobina
y que depende de su forma, número de espiras y de capas y del material en
el núcleo de la bobina.
Tensión: según Serway (1997, p 697). “es la diferencia de potencial
existente entre el punto P y un punto en el infinito”.
Vatímetro: es un instrumento que se utiliza para medir directamente la
potencia eléctrica de un circuito. Los hay registradores e integradores.
Voltímetro: es cualquiera de los muchos instrumentos utilizados para
medir en voltios la diferencia de potencial existente entre dos conductores.
Existen dos tipos básicos de voltímetro, el clásico construido a partir de un
galvanómetro modificado de manera tal que mida la diferencia de potencial
59
en vez del flujo de corriente, y los modernos que poseen calibración
automática y que utilizan técnicas de muestreo especialmente cuando se
utilizan en baja frecuencia.
Voltio : es la unidad de medida en el sistema internacional para la
diferencia de potencial, que equivale a un Joule de trabajo por Coulomb.
Watt o Vatio: en contexto de electromagnetismo se puede considerar
como la potencia calorífica que irradia una resistencia de un ohmio por la que
circula un amperio.
H.- SISTEMAS DE VARIABLES
Las variables presentes en este estudio son:
Sistema Digital
Definición Conceptual: Las cantidades físicas que representan la
información sólo pueden tomar una serie de valores discretos. Ej.: Sistema
Binario: sólo pueden tomar dos valores, “0” o “1”.
Definición Operacional: Son circuitos TTL, es decir, que operan con un
máximo de 0 a 5V tomando esto 5V como un 1 en valor binario y el cero
como un cero en binario.
Analizador de Potencia
Definición Conceptual: “Es un equipo capaz de medir las variables físicas
involucradas con la potencia en la corriente alterna, tales como tensión,
corriente, ángulo de fase, así como los valores de potencia activa, reactiva y
aparente, además de la frecuencia de trabajo”. Geer y Tortolani (2002).
60
Definición Operacional: Es un equipo electrónico de medición que obtiene
mediante procesos de muestreo y digitalización el valor de las variables
físicas asociadas al análisis de potencia (tensión, corriente, ángulo de fase y
frecuencia) de una manera digital, de forma que pueda ser procesada por el
microcontrolador PIC.