Tecnología de la electricidad

Tecnología de la electricidad
• OPERADORES ELÉCTRICOS
1.1 EL CIRCUITO ELÉCTRICO
• Generador
• Receptor
• Elemento de control y protección
• Hilos conductores
1.2 LA CORRIENTE ELÉCTRICA
• La detección de la corriente eléctrica
1.3 LA RESISTENCIA ELÉCTRICA
1.4 LA RELACIÓN ENTRE MAGNITUDES ELÉCTRICAS
• La ley de Ohm
• Potencia eléctrica
• Energía eléctrica
• Transformación de energía eléctrica en calor
• Rendimiento de un circuito
2. INSTALACIONES ELÉCTRICAS
2.1 LAS CENTRALES ELÉCTRICAS
• Generación
• Elevación de tensión
• Fase de transporte
• Reducción de tensión
• Distribución
2.2 OPERADORES PRODUCTORES DE ELECTRICIDAD
• Alternador monofásico
• Alternador trifásico
• Células fotovoltaicas
• Las dinamos
2.3 OPERADORES QUE TRANSFORMAN LA ELECTRICIDAD
• Motores eléctricos
• Transformador
2.4 OPERADORES DE CONTROL
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• Térmicos
• Magnéticos
• Magnetotérmicos
• Diferenciales
• Toma de tierra
2.5 SISTEMAS DE ILUMINACIÓN
• Lámparas incandescentes
• Lámparas halógenas
• Tubos fluorescentes
• Otras
2.6 DETECCIÓN Y CONTROL DE SEÑALES
• Célula fotoeléctrica ( LDR )
• Resistencias NTC y PTC
• Relés
• Microrruptores
• COMPONENTES Y CIRCUITOS ELÉCTRICOS
• COMPONENTES ELÉCTRICOS FUNDAMENTALES
• Diodos
• Transistores
• Puertas lógicas
• Circuitos integrados
• Amplificadores
• Resistencias
• Resistencias variables
• Condensadores
• TÉCNICAS DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS
• COMPONENTES DE UNA DISTRIBUCIÓN
• Línea de acometida
• Caja general de protección
• Línea repartidora
• Central de contadores
• Derivaciones individuales
• Caja de control de potencia
• CONEXIONES ELÉCTRICAS
• Diseño de instalación
• Colocación de componentes básicos
• Cableado de los circuitos
• Colocación de los mecanismos
• Comprobación de la instalación
• Comprobación del funcionamiento de la instalación
• OPERADORES ELECTRICOS
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1.1 EL CIRCUITO ELECTRICO
Componentes: Los circuitos eléctricos son sistemas por los que circula una corriente. El circuito eléctrico
queda caracterizado por diferentes elementos:
• Generador: proporciona una tensión U continua o alterna de un determinado valor. Pueden ser de
corriente alterna (DA) o continua (DC).
• Receptor: caracterizado por su resistencia óhmica R, consume una cierta energía eléctrica aportada
por el generador, y la transforma en otra forma de energía para producir un efecto útil, como puede
ser luz, calor, etc.
• Elemento de control y protección: permiten la conexión y desconexión del circuito, así como su
protección.
• Hilos conductores: son elementos por los que circulan las cargas eléctricas.
• LA CORRIENTE ELECTRICA
La corriente eléctrica es un fenómeno físico que se desarrolla, bajo determinadas condiciones, en ciertas
sustancias sólidas, líquidas o gaseosas. Consiste en el desplazamiento de los electrones situados en las órbitas
más alejadas de los núcleos de los átomos de que están compuestas las sustancias. Los electrones son
partículas de pequeña masa que poseen la unidad más elemental de carga eléctrica negativa. Van siempre en
una dirección concreta.
A las sustancias que permiten este desplazamiento de cargas se denominan conductores que suelen ser
principalmente metálicos.
A las sustancias que no permiten el paso de la corriente se las denomina sustancias aislantes. Los aislantes
más comunes son los siguientes:
• Sólidos: vidrio, madera, papel, caucho, plástico, amianto, porcelana y mica.
• Líquidos: aceites, alcoholes, asfaltos, ceras y parafina.
• Gases: aire.
Se define como cantidad de electricidad (Q) el número total de cargas que atraviesa una sección de conductor
durante un tiempo (t) determinado. Se utiliza como unidad de cantidad de electricidad el culombio (C). 1C =
6,24 · 1018e.
Se define como intensidad de corriente (I) la cantidad de electricidad que atraviesa una sección de conductor
en un segundo. Su unidad en el Sistema Internacional es el amperio (A).
I = Q / t ; 1 A = 1C / 1s
La densidad de corriente (ð es el valor de la intensidad de corriente por unidad de sección (S). Si se usa como
unidad de sección el mm2 , la unidad de densidad que resulta es el A/mm2 .
=I/S
La detección de la corriente eléctrica:
Se puede detectar por los efectos que produce como el calentamiento del conductor, la alteración química en
determinadas sustancias o la formación de un campo magnético.
• LA RESISTENCIA ELECTRICA
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La oposición que presentan los materiales a que a través de ellos se desplacen libremente las cargas eléctricas
se conoce como resistencia eléctrica. Esta característica depende de tres variables: la longitud (l) y la sección
(S) del material y la característica física de cada material conocido como resistividad (). R se mide en ohmios,
l en metros y S en mm2.
R= l/S
1.4 LA RELACION ENTRE MAGNITUDES ELECTRICAS
Ley de Ohm: la ley de Ohm expresa la relación existente entre la diferencia de potencial que aplicamos a los
extremos de un receptor y la corriente que circula por éste. Se expresa mediante estas fórmulas:
I=V/R;V=R·I;R=V/I
Potencia eléctrica: (P)es la cantidad de trabajo o energía desarrollada por un sistema en la unidad de tiempo.
La unidad de potencia es el vatio (W). Su valor viene dado por:
P=V·I
Referida al generador, éste suministra una potencia eléctrica Pg que viene dada por la siguiente expresión:
Pg = U · I
Referida al receptor, éste consumirá una potencia eléctrica Pr.
Pr = V · I
Energía eléctrica: (E) es la cantidad de trabajo desarrollada por un sistema eléctrico y viene dado por la
siguiente expresión:
E=P·t
La energía eléctrica viene expresada en julios (J), pero como el julio es una unidad pequeña, se suele emplear
el kilovatio hora.
( 1 kw/h = 3,6 · 106 J )
Transformación de energía eléctrica en calor: es cuando la energía eléctrica consumida por un receptor se
transforma en calor a causa del efecto Joule. El calor se expresa en calorías y la energía en julios. Ésta es la
ley de Joule:
Q = 0,24 · E
Rendimiento de un circuito: viene dado por la relación existente entre la potencia consumida por el receptor
y la suministrada por el generador. Suele usarse porcentajes.
ð = Pr / Pg · 100
• INSTALACIONES ELECTRICAS
2.1. LAS CENTRALES ELECTRICAS
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Las centrales eléctricas son instalaciones que proporcionan energía eléctrica a partir de otras fuentes
energéticas. Según la fuente primaria de energía, las centrales se clasifican en térmicas, hidroeléctricas,
solares, nucleares, eólicas, etc. Las características más significativas de la energía eléctrica son las siguientes:
• Pueden transformarse en otras formas de energía.
• Pueden transportarse a grandes distancias.
• Se consume cuando se necesita; no puede almacenarse.
• Es una energía no contaminante.
El sistema de aprovisionamiento de electricidad se divide en las siguientes fases:
• Generación: se realiza en las centrales obteniendo unas tensiones de salida hasta 20 kV.
• Elevación de tensión: la tensión de salida de las centrales es muy baja para el transporte de energía con
pequeñas pérdidas, por lo cual mediante transformadores se consigue elevar la tensión hasta 480 kV.
• Fase de transporte: se enlaza con la red general de transporte y se distribuye la energía.
• Reducción de tensión: las líneas de alta tensión llegan hasta subestaciones transformadoras situadas
próximas a los lugares de consumo. La tensión se rebaja hasta alcanzar los valores de consumo (220−380
V).
• Distribución: mediante redes de distribución, se lleva hasta las acometidas de los edificios o de las
industrias.
2.2 OPERADORES PRODUCTORES DE ELECTRICIDAD
Alternador monofásico: es una maquina eléctrica que proporciona una diferencia de potencial entre sus
bornes cuyo valor no es constante, sino que varía continuamente según una función sinusoidal.
Alternador trifásico: es una máquina eléctrica que proporciona un sistema de tres fuerzas electromotrices
que se traducen en tres diferencias de potencial. Uno de los terminales de cada generador se une en un punto
común formando lo que se denomina la conexión en estrella.
Células fotovoltaicas: las células fotovoltaicas transforman la energía luminosa en energía eléctrica. Están
compuestas por una fina capa de silicio que capta los fotones. Su rendimiento (ð) está relacionado con la
potencia eléctrica (P) suministrada por la célula y con la cantidad de energía lumínica (E) recogida por la
misma.
ð=P/E
Las dinamos: las dinamos son máquinas eléctricas que proporcionan una diferencia de potencial constante
entre sus bornes mediante una transformación de energía mecánica en electricidad. Para ello se hace girar un
carrete de hilo conductor entre dos imanes, de manera que se induce una corriente. Cuando deja de girar el
carrete, desaparece la corriente.
2.3 OPERADORES QUE TRANSFORMAN LA ELECTRICIDAD
Motores eléctricos: son máquinas que permiten transformar energía eléctrica en energía mecánica. Al aplicar
una tensión en sus bornes de entrada, produce un movimiento de giro en el eje de salida suministrando un par
de fuerzas y velocidad. Sus partes principales son:
• Estator: parte fija que produce el campo magnético.
• Rotor: parte móvil que gira al aplicar la tensión.
La tensión de entrada U y la velocidad del eje (N) están relacionadas por una constante K que toma un valor u
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otro en función de las características del motor.
N ( r.p.m.) = U (V) · K
Transformador: es una máquina eléctrica estática que sirve para modificar el valor de la tensión aplicada a
su entrada. El transformador consta de un circuito magnético y de dos devanados independientes, uno
primario que es por donde se aplica la tensión de entrada que se desea modificar, y otro secundario que es
donde se obtiene la tensión de salida modificada.
2.4 OPERADORES DE CONTROL
Los interruptores automáticos pueden clasificarse según su función que realicen:
• Térmicos: detectan el sobrecalentamiento continuado producido por un consumo excesivo.
Funcionan mediante una lámina bimetálica que sufre una deformación por sobrecargas accionando los
contactos y abriendo el circuito.
• Magnéticos: detectan intensidades de valor muy superior al nominal producidas por un cortocircuito.
• Magnetotérmicos: detectan las dos funciones anteriores en un mismo aparato.
• Diferenciales: detectan mediante un circuito magnético la diferencia existente entre la corriente que
circula por los conductores. Cuando la corriente supera un determinado valor, las protecciones
desconectan el circuito.
• Toma de tierra: (T.T.) protección complementaria que permite derivar directamente la corriente a
tierra en caso de producirse una derivación en el circuito.
2.5 SISTEMAS DE ILUMINACION
Lámparas incandescentes: son lámparas formadas por una ampolla de vidrio rellena de gas y un
filamento de tungsteno que se pone incandescente con el paso de la corriente eléctrica.
Lámparas halógenas: son lámparas que funcionan a baja tensión (12−14 V).
Tubos fluorescentes: constan de dos partes principales:
• Reactancia: limita la corriente y crea un pico de tensión necesario para encender el tubo.
• Cebador: permite el paso de la corriente por los electrodos de manera que éstos se caldeen y permitan
la emisión de electrones y el encendido del tubo.
Otras: pueden ser de vapor de mercurio, sodio, etc., que son de gran aplicación en la iluminación de naves,
comercios, industrias, alumbrado público, etc.
2.6 DETECCION Y CONTROL DE SEÑALES
Los elementos de detección sirven para captar señales de distinto tipo que las acústicas.
Célula fotoeléctrica (LDR): es una resistencia cuyo valor varía en función de la cantidad de energía luminosa
que recibe. Esto es debido a que los fotones van arrancando electrones de los átomos presentes en la célula
(efecto fotoeléctrico).
Resistencias NTC y PTC: son resistencias cuyos valores cambian en función de la temperatura que las rodea
(termistores).
• El valor de las resistencias NTC disminuye al aumentar la temperatura del ambiente.
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• El valor de las resistencias PTC aumenta cuando se eleva la temperatura ambiental.
Relés: son componentes de conmutación que permite el control de la salida en función de la señal que se
aplique en su entrada. Básicamente existen dos tipos de relés:
• Electromagnéticos: funcionan al aplicar una señal eléctrica a una bobina. Estos elementos tienen un
electroimán y una pieza móvil que puede accionar varios contactos.
• Electrónicos: igual que el anterior solo que sin piezas móviles.
Microrruptores: son operadores de control que funcionan como un conmutador, pero que se diseñan de tal
forma que sobre ellos puedan actuar elementos mecánicos. Se presentan bajo diversas formas y terminaciones
según la aplicación a la que se les destine. Pueden estar dotados con: palanca capaz de detectar el paso de un
objeto, roldana que permite que un objeto se deslice sobre ellos o presión que los hace funcionar.
3. COMPONENTES Y CIRCUITOS ELECTRICOS
3.1 COMPONENTES ELECTRONICOS FUNDAMENTALES
Los componentes electrónicos pueden ser discretos, cundo se presentan en forma de unidades elementales, o
integrados que se presentan como unidades funcionales en las que se encuentran asociados de forma
indivisible un gran número de componentes discretos.
Diodos: Son componentes discretos compuestos por diferentes materiales semiconductores. Tienen aplicación
tanto en circuitos analógicos como digitales. Presentan dos terminales, el ánodo y el cátodo. Existen tres tipos
básicos de diodos:
• Diodo semiconductor
• Diodo zener
• Diodo LED (Light Emitting Diode)
Transistores: Son componentes discretos formados con diferentes tipos de materiales y se emplean en
circuito para amplificar su corriente de entrada obteniendo una ganancia de tensión. Los transistores están
formados por tres terminales: emisor, base y colector.
Puertas lógicas: son los componentes electrónicos, presentados en forma de circuito integrado, mediante los
cuales pueden realizarse las funciones lógicas elementales. Toda función lógica puede quedar definida de tres
formas diferentes: por su expresión matemática, por un símbolo lógico, y por una tabla que define su
comportamiento. Tipos de puertas lógicas y su expresión matemática:
− INVERT: invierte el estado de la señal aplicada a su entrada.
S=ð
− NO INVERT: se utiliza para el acoplamiento de circuitos sin inversión de señal.
S=E
− OR: puede presentar dos o más entradas obteniendo el estado 1 a la salida si una o varias de sus entradas
toman este estado.
S=A+B
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− AND: pude tener dos o más entradas, obteniendo el estado 1 en su salida únicamente si todas sus entradas se
encuentran en este estado.
S=A·B
− NOR: tiene dos o más entradas. A su salida se obtiene la negación de la puerta OR.
_____
S=A+B
− NAND: tiene dos o más entradas. A su salida se obtiene la negación de la puerta AND.
_____
S=A·B
− EXOR: es una puerta de dos entradas que presenta el estado 1 a su salida siempre que las entradas presenten
diferente estado.
S=AðB
− EXNOR: es una puerta de dos entradas que presenta el estado 1 a su salida siempre que exista coincidencia
de estos en las entradas.
_____
S=AðB
Circuitos integrados: son componentes electrónicos formado por silicio en el cual, mediante un proceso de
fabricación, se integran de forma indivisible un conjunto de componentes con sus interconexiones de forma
que realiza una determinada función. Sus ventajas son que ocupan poco espacio, menos peso, mejor
mantenimiento y mayor fiabilidad.
Amplificadores: son circuitos electronicos analógicos formados por circuitos integrados cuya función es
aumentar el nivel de una señal eléctrica, manteniendo su forma de onda, mediante el incremento de la
magnitud que la defina. Los amplificadores se clasifican de este modo: de audio, de radiofrecuencias y
operacionales.
Resistencias: son componentes eléctricos cuya función es limitar la corriente eléctrica por un circuito, a la
vez que permiten realizar un reparto en la tensión. Existe una amplia gama de valores que se diferencian
mediante un código de cuatro valores que se expresan en la tabla
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Resistencias variables: permiten variar el valor de la resistencia entre cero y el valor máximo, tomando como
referencia un extremo de los mismos y obteniendo la variación en el cursor o punto medio.
Condensadores: son dispositivos que acumulan carga eléctrica entre las placas que los componen,
comportándose como un cortocircuito cuando están descargados y como un circuito abierto cuando adquieren
la máxima carga. La capacidad de un condensador indica la cantidad de carga que puede almacenar con una
tensión dada. Su unidad es el Faradio (F).
C=Q/V
4. TECNICAS DE INSTALACIONES ELECTRICAS
4.1 COMPONENTES DE UNA DISTRIBUCION
Línea de acometida: conecta la red de distribución con la caja general de protección. Tanto la línea de
acometida como la red de distribución pertenecen a las compañías eléctricas.
Caja general de protección: es el principal elemento de seguridad de un edificio. Los elementos de
protección que se encuentran en su interior protegen el conjunto de la instalación. En el caso de edificios de
viviendas, los elementos de protección son los fusibles que protegen la instalación contra intensidades altas.
Línea repartidora: conecta la caja general con el cuarto destinado a la centralización de contadores.
Central de contadores: es el lugar destinado dentro de un edificio a la colocación de los contadores de
medida de energía. En ella se encuentran la caja de barras de entrada, los contadores individuales con una
protección para y un embarrado para la salida individual
Derivaciones individuales: conectan la salida del contador con el cuadro de distribución.
Caja de control de potencia: es una caja instalada lo más cerca posible del cuadro de mando y protección. La
caja de control está formado por los siguientes elementos:
• Interruptor general automático (IGA). Protege la instalación contra intensidades altas y cortocircuitos.
• Interruptor diferencial (ID). Protege de posibles derivaciones a tierra a través del cuerpo, por contacto
directo con la red o por contacto mediante un aparato derivado.
• Pequeños interruptores automáticos (PIA). Protegen una parte de la instalación contra intensidades
altas y cortocircuitos.
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• Regleta de conexión: conecta con la toma de tierra que desvía a tierra las derivaciones producidas en
los aparatos o por contacto directo.
4.2 CONEXIONES ELECTRICAS
Para realizar las conexiones presentes en una instalación eléctrica, se siguen una serie de pasos:
• Diseño de instalación: se realizan los planos y esquemas necesarios para la instalación.
• Colocación de componentes básicos: se empotran la caja general de mando y protección, las cajas de
derivación y los tubos de conexión.
• Cableado de los circuitos: Se introducen por los tubos de conexión los conductores necesarios para cada
parte de la instalación.
• Colocación de los mecanismos: se conecta cada mecanismo con los conductores correspondientes y se
introduce el componente en su caja de mecanismos.
• Comprobación de la instalación: se comprueba si puede existir algún cortocircuito en la instalación. Se
suele usar un óhmetro.
• Comprobación del funcionamiento de la instalación.
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