clase 8
TEMA: CORRIENTE ALTERNA
Habíamos mencionado que los generadores de energía eléctrica mas sencillos, no nos entregan el mismo tipo de corriente que proveen las pilas y las baterías, sino una corriente que variaba en forma sucesiva ó alternadamente según el giro de la pieza magnética frente a la bobina o inductor que recoge la variación del campo magnético transformándola en corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica que varía sucesivamente recibe entonces el nombre de CORRIENTE ALTERNA o Corriente Alternada.
Hay diversos tipos de corriente alternada, según la forma en que varían sus valores durante esa alternación, para ver esas diferencias recurrimos a los gráficos que resultan de exponer sobre un medio visible una o más variaciones que se repiten regularmente. En los estudios de los gráficos vimos la forma que previene de la carga y descarga de un capacitor y lo que ocurre al aplicar corriente en una bobina ó inductancia.
Ahora analizaremos la forma de onda o gráfico resultante del giro de una pieza polar frente a una inductancia, que es la forma de onda de la corriente eléctrica que nos provee la red domiciliaria. Este recibe el nombre de SINUSOIDE, y acá detallaremos las características de esta figura.
Su nombre y su forma, corresponde al recorrido de un punto sobre el perímetro en un círculo, que es el efecto que se produce al girar una pieza magnética. Este dibujo nos muestra una "onda" ó "Ciclo", compuesta por dos mitades de onda, una positiva ( por encima del eje) y una negativa (por debajo del eje) llamados también: Semiciclos, positivo ó negativo respectivamente. Esta onda se repite tantas veces demos vueltas al eje que soporta la pieza polar, y al aplicar movimiento en forma continua, se repetirá tanta veces por segundo como vueltas por segundo demos al eje. La cantidad de veces que este fenómeno se repite en el tiempo, recibe el nombre de FRECUENCIA, y para las ondas eléctricas se habla de: CICLOS POR SEGUNDO, ó HERTZ. La corriente eléctrica en nuestro país tiene una FRECUENCIA de 50 Hertz, habiendo otros países que han adoptado otra FRECUENCIA DE LÍNEA, por ejemplo, EE.UU. que tiene 60 Hertz.
El valor de la frecuencia, tiene importancia para el cálculo en el tamaño y el rendimiento de los transformadores, y se han elegido para que las variaciones de intensidad de las lámparas incandescente y de descarga gaseosa tubos de luz fluorescente, lámparas de gas mercurio Etc.) no sea perceptibles a nuestros ojos.
En la forma de onda graficada, podemos ver algunas anotaciones que ahora pasaremos a explicar. En la corriente continua, desde que se conectaba el circuito hasta que se desconectaba o se descargaba la fuente de energía usada, temimos un valor de voltaje permanente y un amperaje que se podía calcular de acuerdo a las características del circuito. Pero en la corriente alterna, el voltaje va variando continuamente, hasta un punto máximo, luego desciende, se invierte de signo y crece en ese nuevo sentido hasta un valor máximo a partir del cual retorna nuevamente y recorre nuevamente el camino inicial.
En la corriente continua, se había establecido una potencia, en base al rendimiento de una energía fija, pero ahora tenemos energía que varía en voltaje y amperaje. Entonces se determinó un VALOR EFICAZ, valor éste que equivale al rendimiento en corriente continua. Los 220 Volts. de la corriente alternada de línea, corresponden éste valor eficaz o sea el equivalente en energía a su valor de 200 V. en corriente continua.
Este valor eficaz, está en una relación con el valor máximo que alcanza la onda, al que se le llama valor PICO o MÁXIMO tanto para los voltajes como para los amperajes. Para el Valor Eficaz, se usan las letras v. Ef. ó solo Ef. después del nombre abreviando de la medida. Ej.: V. Ef. = Voltaje Eficaz; Lef. = Intensidad eficaz (en amperes). Para los valores máximos ó picos se utilizan m ó p; Ejemplo: V.m. = voltaje máximo; V.p =voltaje Pico.
Además tenemos un voltaje entre un máximo negativo y el máximo positivo de la misma onda, lo que recibe el nombre de VALOR PICO A PICO y se abrevia p.p.; Ejemplo I.p.p. = Intensidad pico a pico ( en amperes )
Para la forma de onda SINUSOIDE, el valor eficaz está relacionado con el valor pico a pico por la fórmula.
V. P. =. Ef. x % 2 (valor pico, es igual al valor eficaz por la raíz cuadrada de dos). La raíz cuadrada de dos, es aproximadamente: 1,41. Luego para el valor eficaz sería: V. Ef. = @ fórmula que es poco práctica para el cálculo por lo que se utilizan equivalentes prácticos que dan resultados aproximados que son útiles para la mayoría de los casos.
V. Ef. = V. p. x 0,7 V. p. = V. Ef. x 1,4 V. p. p = V. p. x 2
Ya tenemos una noción sobre la forma de onda de la corriente que se usa en la red domiciliara, y asimismo podemos aplicar estas características a la corriente eléctrica que entra y la que sale de un transformador.
El transformador, es un elemento que utilizando el principio de transformación de la energía eléctrica, permite variar las magnitudes de la diferencia de potencial y de intensidad, conservando la potencia.
En el transformador, tenemos que conocer primero los requerimientos de voltaje y amperaje que necesitamos, luego se calcula la potencia que resulta de éstos datos. Luego se elige el material con que se va a construir el transformador, desde el grueso de los alambres hasta el material del cual va a ser usado como núcleo magnético, ya que tiene que estar adecuado para soportar las variaciones y la intensidad de las variaciones de campo magnético sin saturarse (se llama saturación, cuando a un incremento de la corriente eléctrica que se le aplica al electroimán, no corresponde un incremento de la corriente eléctrica de campo magnético, sino que la potencia se disipa en temperatura). De los cual se deduce, que de acuerdo a la potencia transformada, depende el tamaño y la calidad del material magnético usado como núcleo. Podemos afirmar que un núcleo de los usados en radio-grabadores, manejan potencias potencias de 5 a 15 Watts. según su tamaño, y para los transformadores usados en televisión a lámparas, se manejan potencias de 120 a 150 Watts. En los casos de muy altas corrientes de trabajo, como la que requiere una soldadura de arco, los núcleos manejan corrientes de 200Amp. con una potencia aproximada de 6.000 á 8.000 Watts., en las soldaduras portátil y mucho mayores en máquinas industriales.
Debemos tener en cuenta, de que estamos hablando de valores eficaces, y que sobre éstas características tenemos que aplicar si es necesario, los valores pico y pico a pico.
Así ocurre cuando hacemos el proceso de RECTIFICACIÓN, lo cual explicaremos a continuación.
Los diodos usados en rectificación, tienen dos terminales, el CÁTODO (emisor de los electrones) y el ÁNODO (recolector de los electrones). El diodo se comporta como una llave, que permanece abierta cuando el CÁTODO, (se abrevia K) CÁTODO ( K ), se hace negativo con respecto al ÁNODO ( A ).
Lo primero que vemos a ver, es la simbología con que se presenta al diodo en un circuito.
Luego, representaremos como se comporta un diodo aplicándole corriente alternada en uno de los extremos, y que es lo que podemos sacar del otro.
En resúmenes anteriores, habíamos mencionado la función y como en general se comportan los circuitos rectificadores. En ésta oportunidad haremos un estudio detallado de como es el proceso de rectificación en los diodos semiconductores, (diodos de estado sólido). Se llama semiconductores porque se utiliza ésta tecnología que ésta basada en la propiedad de ciertas sustancias como el Germanio, el Silencio Etc. de comportarse de de una manera distinta a la que lo hacen los conductores y los aislantes. Esta tecnología incluye el estudio de transistores y de circuitos integrados, pero por ahora nosotros veremos el comportamientos de los diodos bajo diversas condiciones.
Habíamos dicho, que cuando el Cátodo es negativo con respecto al Ánodo el diodo se comporta como una llave cerrada, dejando pasar prácticamente toda la corriente (se debe deducir de aquí, que hay pequeñas pérdidas por resistencia propia del material semiconductores, y un umbral de inicio de conducción en sentido directo, que es de 0,7 Volts aprox. para el Silicio y de Volts. para el Germanio aprox.) En el sentido inverso. cuando el Cátodo que a igual o es positivo con respecto al Ánodo, se comporta como una llave abierta.
Veremos ahora que pasaría si le aplicamos al diodo una corriente alterna es uno de sus extremos, y que recogemos del otro.
En éste primer caso, la corriente alterna está aplicada al Ánodo y recolectada la resultante en el Cátodo.
En éste segundo caso, la corriente alterna está aplicada al Cátodo y recolectada la resultante en el Ánodo.
En ambos casos, se obtiene una corriente con las características de polaridad como la corriente continua, pero no es constante sino que se presta como PULSANTE, es decir como pulsos de corriente continua, lo que aún es posible usar en los equipos que trabajaban con la corriente continua. Para semejante en todo a la electricidad provista por una pila ó batería, ha agregarle un circuito de filtrado de los pulsos. Esto se hace agregando capacitor electrolítico o FILTRO, que cumple como función, retener la cara entre pulso y pulso y así corregir ésta diferencia.
Veremos como se corrige mediante un capacitor, la onda pulsante hasta transformarla en una corriente continua perfecta.
En éste dibujo, vemos la zona cuadricula, que representa cuando el capacitor se carga hasta un próximo pulso, eliminando los efectos pulsantes. Lo que de un proceso de filtrado, se denomina "RIPLE" ó Ruido ó zumbido de rectificación. Para un uso general, un "Riple residual", para lo cual se hacen circuitos especiales de filtrado usando accesorios electrónicos.
Hasta ahora hemos visto como se comporta un diodo en un circuito rectificador y habremos visto que hay una parte de la onda de corriente alterna que no se aprovecha, estos circuitos reciben entonces el nombre de RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA.
Para el aprovechamiento de las dos opciones de la onda, se han hecho circuitos con más de un diodo rectificador, que reciben el nombre de "RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETA". El primero que veremos, usa un transformador de doble bobinado, lo que permite obtener dos corrientes de igual valor pero opuestas en fase.
Vemos que en la corriente pulsante resultante, los pulsos están mucho más cerca unos de otros, lo que permite un mejor rellenado con el capacitor de filtro; permitiendo de ésta manera mejorar el nivel de pureza (menor Riple) ó disminuir la capacidad y por lo tanto el tamaño del filtro. En un circuito de éste tipo, se considera que para cada Amp. de consumo de corriente continua de salida, hace falta un capacitor de 2.200 Uf. (Micro-faradios) para un Riple de un 10%. Con un capacitor de 4.700 Uf. por cada Amp. de consumo de salida, tenemos un Riple de 5%.
Hay usos, como en la alimentación de motorcitos en los secadores de pelo y cuando se usan los circuitos rectificadores para cargar baterías, en que no es necesario un filtrado. Por lo que por una cuestión económica se elimina el capacitor, no quitando que el circuito funcionaría, mejor si lo tuviera.
Otro circuito rectificador de onda completa, es el que usa la configuración PUENTE DE DIODOS ó SIMPLEMENTE CONFIGURACIÓN PUENTE.
Para poder entender como funciona el puente de Diodos, deberemos considerar a la entrada de la corriente alterna que se desea rectificar, como flotante, esto es equivalente a decir que no tiene un neutro fijo, sino que ambos conductores son considerados como si fueran vivos, y el restante conductor como contraparte del que se está analizando. Con ésta forma de representar la corriente alterna de entrada, cuando uno de los polos es derivado a masa ó en el caso que estudiaremos a negativo, el otro terminal provee la corriente que se ha de rectificar.
Por lo que estudiaremos por separado a cada uno de los semiciclos de la corriente alterna y como se rectifica la onda completa.
En el semiciclo que llamaremos "A", el diodo D3 queda polarizado en directo (como una llave cerrada) porque el ánodo es positivo con respecto al cátodo. Entonces actúa como una llave que envía el terminal de entrada "2" a masa (en este caso el negativo del filtro) y así el diodo "D1" rectifica el semiciclo correspondiente.