Comportamiento de los componentes pasivos en A.C

El componente más pasivo de los que hemos visto hasta ahora es la resistencia y al pasar una corriente  alterna a través de ella sus variaciones de polaridad no influyen demasiado en el comportamiento electrónico de la misma.

No sucede así con los otros elementos pasivos como los condensadores y las bobinas; ya que estos elementos presentan también una cierta oposición al paso de la corriente, sí que en circuitos de AC no podemos hablar de efectos de resistencia, inductancia y capacidad puros, sino mas bien de efectos simultáneos. A la hora de enfrentarnos a la corriente alterna tenemos que empezar a considerar seriamente que una bobina no es sólo una inductancia sino que también posee cierta cantidad de resistencia óhmica. Por esta razón, y a partir de ahora, cuando veamos una “L” en un circuito debemos pensar que estamos ante un componente que en realidad debe presentarse como “L+R”. El mis criterio rige para los condensadores. Cada vez que tengamos un condensador delante debemos acostumbrarnos a ver un “C+R”.

Para circuitos de corriente alterna como veremos a continuación, a la resistencia que ofrece un condensador al paso de la corriente se le denomina reactancia capacitiva, mientras que a la resistencia que ofrece una bobina a la corriente alterna se le denomina reactancia inductiva. Su representación es, respectivamente, XC y XL.

Resistencias:

Como dijimos anteriormente, estos son los únicos elementos pasivos para los cuales la respuesta es la misma tanto para AC como para CC.

dibujo resis ca

Se dice que en una resistencia la tensión y la corriente están en fase.

comp.res.ac

¿Qué significa fase?

En la imagen anterior podemos ver (R) una resistencia (pura) alimentada a partir de una corriente alterna. Nos imaginamos el sistema vectorial donde debemos colocar la tensión (V) y la intensidad (I). En nuestro sistema vectorial ambos vectores (V) e (I) serían coincidentes. El hecho de que en un circuito resistivo puro alimentado por una corriente alterna la tensión y la corriente están en fase.

En esta imagen también vemos como las magnitudes de la tensión y la corriente son distintas, pero las frecuencias son iguales, ademas evolucionan en el sentido del tiempo de forma sincronizada, esto es, en fase. Todo ellos se puede entender mejor con solo observar que parten de cero y pasan por cero en el mismo instante y, además, alcanzan sus respectivos máximos y mínimos en idéntico momento.

En la siguiente figura podemos ver el ejemplo de dos señales S1 y S2 que también pasan por cero de forma simultánea y son de idéntica frecuencia pero a diferencia de lo que ocurría con las anteriores, cuando una alcanza su máximo la otra llega a su respectivo mínimo y viceversa.

desfase1

De este tipo de señales se puede decir que son de diferente magnitud, idéntica frecuencia y no están en fase, e decir, las dos señales están desfasadas entre sí.

El desfase entre dos señales se puede medir. La unidad que se utiliza para ellos suele ser el grado(aunque los radianes también están muy extendidos). En la siguiente figura podemos ver tres señales cuya fase es diferente. En (A) las dos señales están desfasadas 90º; la posición relativa de una de ellas con respecto a la misma posición en la otra se da transcurridos 90º. En (B) las dos señales están desfasadas 180º, una es máxima cuando la otra alcanza su valor mínimo(lo que pasaba en la imagen anterior). Por último en la figura (C) vemos dos señales en fase donde tanto sus máximos y mínimos como el paso por el valor cero suceden en el mismo instante.

fases

Inductancia:

Si a un generador de corriente alterna le conectamos una bobina en serie no podremos estudiarla de forma coherente si consideramos a esta como inductancia pura. La siguiente ilustración nos permite ver como podrá ser el esquema de distribución de las señales V e I en el casi de que la bobina dibujada se comportara como una inductancia pura.

fases bobina

Esto no es tan estricto en la práctica pero sirve para afirmar que en todo circuito de carácter inductivo la corriente está retrasada con respecto a la tensión.

En el caso comentado, inductancia pura, se origina un desfase de 90º entre tensión V y corriente I. Esta última puede camcularse con la formula de Ohm pero sustituyendo la “R” por la XL, es decir, la resistencia por la reactancia inductiva anteriormente comentada. El valor de la reactancia inductiva depende: tanto de la frecuencia que ataca a la bobina como de la inductancia de la misma.

Por tanto:

formula Intensidad bobina1

I -> Intensidad.(A)

V -> Tensión(V)

f -> Frecuencia.(Hz)

L -> Inductacia(Henrios)

 

Como vemos, se suele simplificar el producto 2*π*f por ω. A la expresión ω se le suele denominar pulsación. También observamos en la formula que la reactancia inductiva aumenta con la frecuencia.

XL

Circuito RL serie:

Si ahora consideramos un circuito de alterna en el que tengamos colocados en serie una resistencia y una bobina, y aplicamos la base de la ley de Ohm, podemos deducir que la intensidad que atraviesa ambos componentes será de igual magnitud, tal y como ocurría con los circuitos serie de continua, pero a la hora de trabajar con alterna el cálculo de las caídas de tensión en cada componente deberá hacerse atendiendo al carácter del mismo (tipo resistivo, capacitivo, inductivo, etc).

En el circuito de la siguiente figura se puede ver la resistencia y la bobina que son alimentadas por la fuente de corriente alterna.

fases RL

También podemos apreciar este desfase existente en caídas de tensión entre uno y otro componente. Debido a que las tensiones en bornes de cada componente se puede calcular, por la Ley de Ohm, aplicando que V=I*R, y a que las intensidades que circulan por la bobina y la resistencia están desfasadas entre sí 90º, la forma de calcular la tensión total que alimenta el circuito serie es aplicando la representación vectorial que vemos en la figura y calculando con la formula pitagórica también indicada el valor Vca.

formula VAC

Impedancia:

Debido a que toda la bobina “real” no puede considerarse pura, se hace necesario definir un nuevo parámetro que englobe la resistencia debida al componente resistivo, valga la redundancia, de la bobina y el componente de resistencia debido a la característica inductiva de la misma. Este nuevo parámetro es la impedancia. La forma de representar en los circuitos la magnitud descrita es con la letra Z. Su unidad de medida también es el Ohmio y, al igual que ocurre con otras magnitudes sometidas a la corriente alterna, su cálculo requiere que apliquemos de nuevo la representación vectorial.

En el esquema siguiente vemos la representación vectorial de la impedancia (Z) que, como podemos comprobar, se obtiene de la suma vectorial de R y X. También podemos comprobar la formula a aplicar para su cálculo, la cual es mera aplicación de la trigonométrica mas clásica.

Zl

Circuito RL paralelo:

Otra posibilidad que nos encontramos en las diferentes combinaciones de resistencias y bobinas es la de que ambas estén conectadas en paralelo a una fuente de tensión alterna. Esto es lo que quiere representar la siguiente figura.

RL paralelo

Aquí podemos observar que la intensidad que llega al nudo de donde parten ambas ramas se bifurca en dos intensidades distintas, al igual que ocurría con circuitos paralelo en corriente continua, pero esta vez la intensidad total que circula por ambas ramas no es tan sencilla de calcular. Para ellos tendremos que recurrir, de nuevo, a la representación vectorial y a la suma trigonométrica. Como podemos ver, la intensidad que circula por la rama resistiva (I*R) está en fase con la tensión, pero la intensidad que recorre la bobina (L*I) está, como ya hemos indicado, atrasada con respecto a la tensión( en el supuesto partimos de la idea de que la bobina es una inductancia pura, es decir, sin resistencia, por lo que el comentado desfase será de 90º).

Por tanto teneos que:

intensidad RL

Capacidad:

Al igual que ocurre con las bobinas, los condensadores también presentan especiales características a la hora de lidiar con la corriente alterna. En la siguiente imagen podemos observar como evolucionan la intensidad y la tensión alterna al ponerse en contacto con la corriente alterna.

circuito C1 condensador en CA

Tal y como ocurre con las bobinas se origina un desfase de 90º entre tensión e intensidad pero, a diferencia de lo que ocurría con aquellas, en este caso la corriente (I) es la que está adelantada con respecto a la tensión (V). Si la capacidad es pura, en un sistema vectorial se tiene también ese desfase de 90º entre tensión y corriente.

Pero la resistencia que ofrece el condensador se puede calcular tal y como hemos explicado en el caso de las bobinas. La fórmula a emplear es idéntica a la usada para calcular la de un circuito inductivo pero utilizando la reactancia capacitiva en lugar de la inductiva, esto es sustituimos XL por XC.

Por tanto tendremos que:

Xc

f -> frecuencia

C -> Capacidad (Faradios)

Circuito RC serie:

Respecto a la formula en que se comportan tensión-intensidad en un circuito capacitivo podemos comenzar estudiando el caso de resistencia y condensador conectados en serie. Las caídas de tensión que tendremos, bornes del condensador y la resistencia estarán desfasados 90º. Para calcular la tensión total deberemos hacer uso de nuevo del cálculo vectorial. Como vemos, la tensión que cae en bornes de la resistencia se encuentran en fase con la intensidad y, por el contrario, la tensión que cae en extremos del condensador está desfasada 90º con respecto a la anterior.

Circuito RC paralelo:

Otra forma de conectar y estudiar un conjunto resistencia y condensador es en montaje paralelo. La intensidad total It se calculará mediante la suma vectorial de la intensidad de la resistencia y la que circula por el condensador. Como sabemos circulación por el condensador no es tal ya que si recordamos en corriente continua estos no hacen sino que cargarse a determinado potencial. El cambio constante de sentido de la corriente inherente a la corriente alterna hace que el condensador desarrolle ciclos de carga y descarga continuos, lo cual en efecto es una circulación de electrones.

Circuitos RLC:

RLC

Por último veremos el caso en el que están presentes en un circuito de C.A. los 3 tipos de componentes pasivos (R, L, C).

La impedancia (Z) se calcula como ya hemos visto.

En el diagrama vectorial de las tensiones en el circuito vemos VC atrasada 90º a la corriente, VR en fase con ella y VL adelantada 90º. Nótese que en la figura no se dibujó la tensión resultante total dado que ésta será función de las tres tensiones presentes, resultando la tensión total (VT) adelantada a la corriente si XL>XC, atrasada si XC>XL y estará en fase si XC=XL.

XL>XC VT Adelantada a la corriente
XC>XL VT Atrasada a la corriente
XC=XL VT y Corriente en fase

De todo lo visto hasta el momento  podemos sacar unas conclusiones bastante claras que nos ayudarán posteriormente a simplificar circuitos que combinen elementos R, L y C.

  • – En una resistencia conectada a una fuente de voltaje de tipo alterno la caída de tensión en sus extremos estará en fase con la corriente.
  • – En una inductancia conectada a una fuente de voltaje de tipo alterno la caída de tensión en sus extremos estará 90 grados en desfase (adelantado) con respecto a la corriente.
  •  – En un condensador conectado a una fuente de voltaje de tipo alterno la caída de tensión en sus extremos estará 90 gradis en desfase (retraso) con respecto a la corriente.

Los circuitos que combinan elementos resistivos, capacitivos e inductivos, casi todos los circuitos electrónicos se basan en estos componentes principales, se resuelven aplicando combinaciones de formulas anteriormente descritas. En la práctica, la ley de Ohm no puede utilizarse con precisión en circuitos de  A.C. Es por ellos por lo que debemos hacer uso de representaciones y cálculos de tipo vectorial como los anteriormente descritos.

 

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