Sistemas eléctricos y electrónicos

Para entender cualquier circuito, debemos manejar tres magnitudes básicas:

1. Diferencia de potencial o Tensión ($V$): La energía por unidad de carga que impulsa a los electrones. Se mide en Voltios (V).
2. Intensidad ($I$): El caudal de electrones que atraviesa una sección del conductor por unidad de tiempo. Se mide en Amperios (A).
3. Resistencia ($R$): La oposición que presenta un material al paso de la corriente. Se mide en Ohmios ($\Omega$).

La Ley de Ohm relaciona estas magnitudes: $V = I \cdot R$

Por otro lado, la energía eléctrica se disipa en forma de calor, fenómeno conocido como Efecto Joule. La potencia eléctrica ($P$), medida en Watios (W), se calcula como: $P = V \cdot I = I^2 \cdot R$

La resistencia de un material depende de su naturaleza y geometría según la fórmula $R = \rho \cdot \frac{L}{S}$, donde $\rho$ es la resistividad. Además, la resistencia varía con la temperatura: a mayor temperatura, mayor resistencia en los metales, siguiendo la expresión $R_t = R_0 (1 + \alpha \cdot \Delta T)$.

Cuando los circuitos se complican, recurrimos a las Leyes de Kirchhoff:

• Ley de los Nudos (Corrientes): La suma de corrientes que entran en un nudo es igual a la suma de las que salen.
• Ley de las Mallas (Tensiones): La suma algebraica de las caídas de tensión en una malla cerrada es igual a la suma de las fuerzas electromotrices.

En cuanto a la asociación de componentes:

• Serie: La intensidad es la misma para todos. $R_{eq} = R_1 + R_2 + ...$
• Paralelo: La tensión es la misma. $\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ...$

Además de las resistencias fijas, existen las variables o potenciómetros, que permiten ajustar manualmente el valor óhmico.

Un componente crucial es el condensador, capaz de almacenar energía en un campo eléctrico. Su capacidad ($C$) se mide en Faradios (F).

• Carga y descarga: El proceso no es instantáneo; sigue una curva exponencial definida por la constante de tiempo $\tau = R \cdot C$.
• Energía almacenada: $E = \frac{1}{2} C \cdot V^2$.

La tensión alterna sigue una función senoidal: $v(t) = V_{max} \cdot \sin(\omega t + \phi)$.

• Valor Eficaz ($V_{rms}$): Es el valor que produciría el mismo efecto calorífico que una CC equivalente. Para ondas senoidales: $V_{rms} = \frac{V_{max}}{\sqrt{2}}$.
• Frecuencia ($f$): Número de ciclos por segundo (en España, 50 Hz). El periodo es $T = 1/f$.

En CA, no solo las resistencias se oponen al paso de corriente. Aparecen las reactancias:

• Reactancia Inductiva ($X_L$): Producida por bobinas. $X_L = 2\pi f L$.
• Reactancia Capacitiva ($X_C$): Producida por condensadores. $X_C = \frac{1}{2\pi f C}$.

La combinación de resistencia y reactancias se denomina Impedancia ($Z$), que es una magnitud vectorial: $Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2}$

En CA distinguimos tres tipos de potencia que forman el triángulo de potencias:

1. Potencia Activa ($P$): La que realiza trabajo útil. $P = V \cdot I \cdot \cos(\phi)$ (W).
2. Potencia Reactiva ($Q$): La que crean los campos eléctricos y magnéticos. $Q = V \cdot I \cdot \sin(\phi)$ (VAr).
3. Potencia Aparente ($S$): La total entregada. $S = V \cdot I$ (VA).

El factor de potencia ($\cos \phi$) indica la eficiencia. Un factor de potencia bajo penaliza la instalación, por lo que se corrige mediante baterías de condensadores.

Los materiales semiconductores (como el Silicio) se dopan para crear materiales tipo P (huecos) y tipo N (electrones). La unión P-N crea el diodo.

• Funcionamiento: Solo permite el paso de corriente en polarización directa.
• Aplicación: El rectificador de onda completa (puente de Graetz) convierte la CA en una señal pulsante de un solo sentido.

Es el componente estrella de la electrónica. Tiene tres terminales: Base (B), Colector (C) y Emisor (E).

• Zonas de funcionamiento:
  • Corte: No pasa corriente (interruptor abierto).
  • Saturación: Pasa la máxima corriente (interruptor cerrado).
  • Activa: La corriente de colector es proporcional a la de base ($I_C = \beta \cdot I_B$). Aquí funciona como amplificador.

• LDR: Resistencia que varía con la luz.
• NTC/PTC: Resistencias que varían con la temperatura (negativa o positivamente).
• Relé: Permite controlar un circuito de alta potencia mediante una señal débil, usando un electroimán.

El sistema binario es la base de la computación. Para simplificar expresiones lógicas usamos el Álgebra de Boole y las Leyes de De Morgan:

1. $\overline{A \cdot B} = \overline{A} + \overline{B}$
2. $\overline{A + B} = \overline{A} \cdot \overline{B}$

Las puertas lógicas son bloques de construcción básicos:

• AND: Salida 1 solo si todas las entradas son 1.
• OR: Salida 1 si al menos una entrada es 1.
• NOT: Invierte la señal.
• NAND/NOR: Son puertas universales, ya que con ellas se puede construir cualquier otra función.

El proceso de diseño sigue estos pasos:

1. Tabla de verdad a partir del enunciado.
2. Obtención de la función lógica (sumas de productos).
3. Simplificación mediante Mapas de Karnaugh.
4. Implementación con puertas.

Los multiplexores son circuitos que seleccionan una de varias entradas de datos para enviarla a una sola salida.

• Motores de CC: Fáciles de regular en velocidad, pero con mantenimiento costoso (escobillas).
• Motores de CA Asíncronos: Son los más usados en la industria por su robustez y bajo coste. Su velocidad depende de la frecuencia de la red.

Basados en la inducción mutua, permiten elevar o reducir la tensión manteniendo la potencia (idealmente). $\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2} = m$ Gracias a ellos, podemos transportar electricidad a altas tensiones para minimizar las pérdidas por efecto Joule en las líneas de transporte.

La electricidad es peligrosa. La normativa española (REBT) exige:

• Interruptor Magnetotérmico: Protege la instalación contra sobrecargas y cortocircuitos.
• Interruptor Diferencial: Protege a las personas detectando fugas de corriente a tierra.
• Puesta a tierra: Canaliza las corrientes de fuga hacia el suelo para evitar contactos indirectos peligrosos.