Material de cortesía
Principios básicos
Explicaciones paso a paso
Dispositivos y símbología
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“Minicurso de
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El tra b a jo e lé ctrico e s u n a d e la s a ctiv id a d e s m á s fá cile s d e re a liz a r e n e l h o g a r o la o fi cin a ; e s s im p le , lim p io y s e g u ro ; n o re q u ie re in s tru m e n to s n i h e rra m ie n ta s d e m a s ia d o e s p e cia le s ; e s tá s u fi cie n te m e n te e s ta n d a riz a d o y re g u la d o ; e tc. S in e m b a rg o , a n te s d e tra b a ja r co n e le ctricid a d y e m p re n d e r la re a liz a ció n d e in s ta la cio n e s o re p a ra cio n e s e lé ctrica s , e s im p o rta n te co m p re n d e r a lg u n o s a s p e cto s b á s ico s re la cio n a d o s co n la p ro p ia e le ctricid a d y la fo rm a d e tra b a ja r co n e lla e fi cie n te m e n te y s in rie s g o s . Co n ta l p ro p ó s ito , e n e l p re s e n te a rtícu lo e xp lica re m o s , a g ra n d e s ra s g o s , q u é e s la e le ctricid a d , có m o s e m a n ifi e s ta , có m o s e p ro d u ce , có m o s e a p ro v e ch a y có m o lle g a a n u e s tra s ca s a s . El p re s e n te a rtícu lo h a s id o e xtra íd o y a d a p ta d o d e la o b ra “Cu rs o Prá ctico d e Ele ctricid a d ”, e d ita d o p o r Ce k it, la p re s tig io s a e m p re s a e d ito ria l co lo m b ia n a , ya d e s p a re cid a . Lo s d e re ch o s d e e s ta o b ra fu e ro n a d q u irid o s p o r M é xico D ig ita l Co m u n ica ció n , la e m p re s a e d ito ra d e Ele ctró n ica y S e rv icio .
MINICURSO DE
ELECTRICIDAD
DOMÉSTICA
Primera parte. Los fundamentos
A rtícu lo e la b o ra d o p o r e l e q u ip o d e
R e d a cció n , co n b a s e e n m a te ria le s d e CEKIT
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LOS FUNDAMENTOS
Qué es la electricidad
La electricidad es una fo rma invisible de energía que se pro duce po r la existencia de unas diminutas par-tículas, llamadas electro nes libres, en lo s áto mo s de cierto s materiales o sustancias. Cuando estas partícu-las se desplazan a través de la materia, co nstituyen lo que se deno mina una co rriente eléctrica (fi gura 1).
En o tras palabras, la electricidad no es un inven-to sino una fuerza natural, co mo el magnetismo y la gravedad. Lo s investigado res estudian las pro piedades eléctricas de la materia, co n el pro pó sito de co no -cer su co mpo rtamiento y desarro llar dispo sitivo s para generar, almacenar o co ntro lar la electricidad o trans-fo rmarla en o tras trans-fo rmas de energía.
Electrones fijos Electrones libres Atomos Corriente Conductor Figura 1
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Actualmente, el número de artefacto s que trans-fo rman la elec tric idad en o tras trans-fo rmas de energía, y viceversa, es impresio nantemente extenso : mo to -res, alternado -res, baterías, lámparas, electro do més-tico s, auto mó viles, co mputado ras, ro bo ts, satélites, etc. (fi gura 2).
Cómo se manifi esta la electricidad
La electricidad puede manifestarse en fo rma estática o dinámica. Expliquemo s esto po r separado .
Electricidad estática
Aparece cuando se fro tan entre sí do s sustancias dife-rentes; po r ejemplo , una varilla de vidrio co n una seda o una varilla de ebo nita co n una piel. En ambo s caso s,
la fro tació n pro po rcio na a cada cuerpo una cierta can-tidad de energía llamada carga eléctrica (fi gura 3).
La carga eléctrica puede ser po sitiva (+) o negativa (-). En nuestro ejemplo , el vidrio adquiere una carga po sitiva y la ebo nita una carga negativa. Lo s cuerpo s co n cargas del mismo signo se repelen entre sí; y lo s cuerpo s co n cargas de diferente signo , se atraen mu-tuamente. Este tipo de fenó meno s estático s so n muy co munes en la vida diaria; pero no tienen mayo r apli-cació n práctica.
Electricidad dinámica
Se pro duce cuando , al aplicar una fuerza externa lla-mada vo ltaje, se estimula en un material una co rrien-te apreciable de electro nes.
Cuando esta co rriente circula a través de la mate-ria, pro duce una gran variedad de efecto s útiles, in-cluyendo luz, calo r, mo vimiento , so nido , etc. Puesto que este es el tipo de electricidad del que vamo s a ha-blar en el presente artículo , es impo rtante co mpren-der su naturaleza.
El átomo
Pues bien, cabe señalar que to das las sustancias están fo rmadas de áto mo s, lo s cuales, a su vez, se co mpo -nen de varias partículas elementales; desde el punto de vista eléctrico , las más impo rtantes so n lo s elec-tro nes, lo s pro to nes y lo s neuelec-tro nes.
Figura 2
Figura 3
Hilo de seda
Varillas de vidrio cargadas p osit ivam ente Fuerza de
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Lo s electro nes so n de carga negativa (), lo s pro to -nes de carga po sitiva (+) y lo s neutro -nes carecen de carga. Lo s pro to nes y neutro nes co nstituyen el núcleo ; y alrededo r de él giran lo s electro nes, en ó rbitas o ni-veles de energía (fi gura 4). Co mo lo s pro to nes atraen a lo s electro nes, ésto s no pueden escapar del áto mo . A su vez, lo s pro to nes se rechazan entre sí; pero estas fuerzas de repulsió n so n co mpensadas po r lo s neutro -nes. Po r esta razó n, la materia no se desintegra.
Los materiales conductores
En alguno s materiales, lo s electro nes de las ó rbitas exterio res so n tan débilmente atraído s po r lo s pro to -nes del núcleo , que, bajo la infl uencia de una fuerza externa, les es muy fácil escapar del áto mo para co n-vertirse en electro nes libres; y ento nces, estamo s ha-blando de materiales co nducto res.
Los materiales aislantes
En o tro s materiales, lo s electro nes so n tan fuertemen-te atraído s po r lo s pro to nes, que les resulta práctica-mente impo sible escapar y co nducir co rrientes eléc-tric as; ento nc es, estamo s hablando de materiales aislantes (fi gura 5).
Entre lo s elemento s c o nduc to res, se c uentan el agua, el o ro , la plata, el aluminio y el co bre; y entre lo s aislantes, el caucho , la madera, el papel, el vidrio , la mica, la po rcelana y lo s plástico s. El co no cimien-to de las pro piedades de lo s co nduccimien-to res y lo s aislan-tes, es clave para utilizar la electricidad en fo rma ra-cio nal, efi ciente y segura.
Los materiales semiconductores
Existe también una catego ría intermedia de materia-les, llamado s semico nducto res; pueden co mpo rtarse indistintamente co mo co nducto res o co mo aislantes, dependiendo del vo ltaje aplicado . Entre este tipo de materiales se cuentan el silicio y el germanio , co n lo s cuales se fabrican lo s dio do s, lo s transisto res, etc.
Lo s materiales semico nducto res se utilizan princi-palmente en electró nica, que es una de las ciencias derivadas de la electricidad y una de las que mayo res pro greso s técnico s ha tenido en lo s último s tiempo s.
Alguno s materiales so n mejo res co nducto res de la electricidad que o tro s; o la co nducen, siempre y cuan-do existan determinadas circunstancias; po r ejemplo , el aire es no rmalmente un buen aislante; pero se vuel-ve co nducto r durante las to rmentas, permitiendo el paso de rayo s y la pro ducció n de relámpago s. Po r su parte, el o ro es mejo r co nducto r que el co bre y el alu-minio ; pero po r razo nes de eco no mía, esto s último s so n más utilizado s en electricidad. Atom o Neut ron Elect ron
+
-Proton Figura 4 Atomos Electrones libres Atomos Electrones libres Figura 5
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Figura 7
Cómo se produce la electricidad
Actualmente existen mucho s méto do s para generar vo ltajes e impulsar co rrientes eléctricas: baterías, al-ternado res, generado res, dínamo s, reacto res, etc. Cada uno de esto s equipo s co nvierte en electricidad algún o tro tipo de energía.
Las baterías, po r ejemplo , co nvierten la energía quí-mica en energía eléctrica (fi gura 6). En su fo rma más elemental (la pila), una batería co nsta de do s electro -do s (+ y -) sumergi-do s en una pasta o so lució n quími-ca llamada electro lito . Y las reaccio nes químiquími-cas entre el electro lito y lo s electro do s, o casio nan la aparició n de cargas eléctricas o puestas en esto s último s; ento n-ces se genera entre ello s un vo ltaje. Este tipo de elec-tricidad se deno mina co rriente co ntinua.
Lo s alternado res, po r su parte, co nvierten la ener-gía mecánica en enerener-gía eléctrica. Co nstan de un ele-mento girato rio (ro to r) accio nado po r una turbina; y cuando este elemento gira dentro de un campo mag-nético , induce en sus terminales de salida un deter-minado vo ltaje. Este tipo de electricidad se deno mi-na co rriente altermi-na.
Lo s alternado res y generado res de co rriente alter-na pro ducen casi un 95% de la energía eléctrica que se co nsume en to do el mundo . En la mayo ría de lo s caso s, esta energía es de o rigen térmico ; es decir, se inicia quemando co mbustibles fó siles co mo el petró -leo , el carbó n y el gas natural. El calo r generado se
emplea para calentar agua y transfo rmarla en vapo r; y este vapo r, a su vez, es utilizado para mo ver eno r-mes turbinas que hacen funcio nar grandes alternado res. Así funcio nan las llamadas centrales termo -eléctricas.
Otras fuentes alternativas de energía so n lo s salto s de agua, la luz so lar, la energía del viento , el mo vi-miento de las o las, el calo r natural de la tierra, la fi sió n ató mica, etc. La dispo nibilidad de fuentes generado ras de electricidad es un elemento clave para el pro -greso industrial, el bienestar del ho mbre y la co nser-vació n del medio ambiente.
Qué es un circuito eléctrico
Para que una co rriente eléctrica pueda realizar un trabajo útil (po r ejemplo , encender una lámpara o accio -nar un mo to r), necesita un camino cerrado en el cual circule de manera permanente. Esta trayecto ria co n-tinua se deno mina circuito eléctrico (fi gura 7). El es-tudio de lo s circuito s es clave para co mprender có mo funcio nan las instalacio nes, lo s aparato s y demás sis-temas eléctrico s.
Un c irc uito eléc tric o básic o se c o mpo ne de una fuente de vo ltaje, uno s co nducto res y una carga. La fuente pro duce la fuerza necesaria para impulsar una co rriente eléctrica a través del circuito ; lo s co nducto -res pro po rcio nan un camino fácil para la circulació n de lo s electro nes; y la carga, co nvierte la energía de esto s último s en luz, calo r, mo vimiento , etc. Lo s cir-cuito s práctico s requieren, además de dicho s elemen-to s, co mpo nentes tales co mo interrupelemen-to res, fusibles, medido res, etc.
Figura 6
Fueza de volt aje Conductores Corriente
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Dependiendo del tipo de fuente de vo ltaje utiliza-da, lo s circuito s pueden ser de co rriente co ntinua o de co rriente alterna (fi gura 8). Una pila o una batería, po r ejemplo , hace que lo s electro nes se muevan siem-pre en una misma direcció n: del electro do negativo al electro do po sitivo . Este tipo de co rriente se deno mina co rriente co ntinua o DC (Direct Current).
Po r o tra parte, cuando el vo ltaje de un alternado r se aplica a un circuito eléctrico , hace que lo s electro -nes se muevan perió dicamente en una direcció n y luego en la direcció n o puesta. Este tipo de co rriente se deno mina co rriente alterna o AC (Alternating Cu-rrent); es la que pro po rcio na cualquier to maco rrien-te do méstico .
La cantidad de veces que se invierte el sentido de circulació n de la co rriente en un segundo , determina la frecuencia de esa co rriente. En la mayo ría de lo s paí-ses, la frecuencia de la red de co rriente alterna es de 50 o 60 hercio s (Hz) o ciclo s po r segundo ; el hercio es la unidad de medida de la frecuencia. Y lo s niveles de vo ltaje utilizado s varían mucho de un país a o tro ; la unidad de medida del vo ltaje es el vo ltio (V).
La fi nalidad de un circuito es, en general, hacer uso de la energía de lo s electro nes en mo vimiento , para medirla o co nvertirla en o tras fo rmas de energía (luz, calo r, mo vimiento , etc.). Así que para que cualquier artefacto eléctrico funcio ne, necesariamente debe es-tar inco rpo rado en un circuito eléctrico . Incluso , den-tro de cada elecden-tro do méstico existen circuito s especia-les que realizan funcio nes bien defi nidas; po r ejemplo , pro po rcio nan diverso s niveles de luz o calo r.
La aparentemente co mpleja jungla de cables y alam-bres que co rren a través de las paredes y techo s de una casa, es, en realidad, un sistema bien o rganiza-do de circuito s; y cada uno de ello s, tiene una funció n muy específi ca. Cada uno de esto s circuito s fo rma un camino cerrado para la circulació n de la co rriente, el cual co mienza en el panel o tablero de entrada del servicio eléctrico (caja de fusibles), atraviesa las cagas co nectadas a lo s distinto s to maco rrientes y reto r-na al panel de entrada.
Qué es una instalación eléctrica
Una instalació n eléctrica en general, puede defi nirse co mo un co njunto de aparato s y circuito s
interrela-cio nado s que sirven para pro ducir, co nvertir, transfo r-mar, transmitir, distribuir o utilizar la energía eléctri-ca. Dependiendo de su uso , las instalacio nes eléctricas se clasifi can en tres grupo s: residenciales o do micilia-rias, industriales y singulares.
Instalaciones residenciales
Se realizan en el interio r de edifi cio s destinado s a la vivienda (casas, departamento s, etc.).
Instalaciones industriales
Se realizan en el interio r de edifi cio s destinado s a la fabricació n de determinado s pro ducto s (textileras, en-samblado ras, etc.).
Carga AC Alternador + + Batería Carga DC Carga AC Alternador + Figura 8
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Instalaciones singulares
Se realizan en el interio r de edifi cio s que tienen funcio -nes especiales (teatro s, ho spitales, escuelas, etc.). En este artículo no s referiremo s principalmente a las ins-talaciones residenciales, que son las más utilizadas.
La instalació n eléctrica de una vivienda representa el eje central del cual dependen to do s lo s demás ele-mento s o cargas que se co nectan a la misma, y que pro po rcio nan a sus habitantes un alto grado de co n-fo rt y co nveniencia. Para ello , la instalació n debe ha-cerse de mo do que su uso no represente peligro algu-no para las perso nas o lo s pro pio s inmuebles.
Cómo llega la electricidad a nuestras casas
La electricidad que llega a nuestro s ho gares, es el re-sultado de un co mplejo pro ceso de transfo rmacio nes de energía que co mienza en una central de genera-ció n (en la cual, o tras fo rmas de energía so n co nver-tidas en energía eléctrica) y termina en la aco metida (que es el punto do nde nuestra casa se empalma o co
-necta co n la red de distribució n pública, o perada po r la co mpañía lo cal de electricidad). Precisamente esta red, es el último eslabó n del llamado sistema eléctri-co nacio nal de un país.
Un sistema eléctrico nacio nal se co mpo ne de tres partes o subsistemas fundamentales, cada uno de lo s cuales cumple funcio nes específi cas; se trata de las centrales de generació n, las líneas de transmisió n y las redes de distribució n (fi gura 9). Enseguida las ex-plicaremo s po r separado .
Centrales o plantas generadoras
Estas centrales so n subsistemas de pro ducció n. Y tal co mo su no mbre lo indica, so n las encargadas de co n-vertir en electricidad o tras fo rmas de energía y pro du-cir la energía eléctrica que el país necesita.
Las centrales mo dernas so n principalmente de tres tipo s: hidro eléc tric as, termo eléc tric as y nuc leares. Más de un 70% de la po tencia eléctrica que se co n-sume en el mundo , es generada en centrales térmi-cas; y el resto , en plantas hidro eléctricas, nucleares y de o tro s tipo s.
Central hidroeléctrica
CENTRALES DE GENERACIÓN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN REDES DE DISTRIBUCIÓN
Transformador de al ta tensión Alternador
Torre de transmisión de muy alto voltaje
Subestación de transformación 400/132kV Postes de distribución de alto voltaje Subestación de distribución 132/20kV Abonados de media tensión Centro de transformación 380/220V Transformador de distribución 380/220V Abonados de baja tensión Central termoeléctrica Alternador Transformador de al ta tensión Torre de transmisión de muy alto voltaje
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En una central hidro eléctrica, po r ejemplo , se apro -vecha la energía de lo s salto s de agua naturales (ca-tarata y cascadas) o lo s creado s po r el ho mbre al es-tanc ar río s y lago s (represas). La fuerz a del agua impulsa lo s alabes o paletas de una turbina hidráuli-ca, la cual, a su vez, hace girar el ro to r de un alterna-do r. Co mo resultaalterna-do , este último pro duce un vo ltaje relativamente alto , del o rden de 10 a 35 kilo vo ltio s o miles de vo ltio s.
Po sterio rmente, mediante transfo rmado res, el vo lta-je de salida del alternado r de la central es incrementa-do , co n el fi n de reducir las pérdidas de energía y me-jo rar el rendimiento del sistema eléctrico en general. Lo s vo ltajes transfo rmado s de esta manera, se co n-ducen a través de cables aéreo s especiales (líneas de transmisió n) desde las distintas centrales hasta una subestació n de transfo rmació n, do nde se reducen a un valo r de entre 34.5 y 13.8 kilo vo ltio s.
Líneas de transmisión
Las anterio res líneas de transmisió n de alto vo ltaje (subsistema de transpo rte) se so po rtan en to rres ele-vadas po r seguridad; co nstituyen el eslabó n entre las centrales generado ras y las subestacio nes de transfo r-mació n. Desde estas últimas, la energía eléctrica se co nduce, a través de líneas de transmisió n de media-no vo ltaje, a las subestacio nes de distribució n.
Redes o subestaciones de distribución
Se encargan de repartir y hacer llegar la electricidad a to do s lo s usuario s o abo nado s del sistema eléctrico .
Inicialmente, una subestació n de distribució n pri-maria co nvierte el vo ltaje de entrada (digamo s 132 kilo vo ltio s) en un vo ltaje más bajo (digamo s 20 kilo -vo ltio s) destinado a abo nado s industriales o de me-dia tensió n.
Esta red también alimenta a lo s subsistemas de dis-tribució n secundario s, fo rmado s po r lo s transfo rma-do res y centro s de distribució n, encargarma-do s de repartir y hacer llegar la energía eléctrica a to do s lo s usuario s fi nales, incluyendo su casa.
Esta ultima parte del sistema, deno minada red pú-blica de distribució n, no rmalmente maneja vo ltajes de entre 110 y 480 vo ltio s. La frecuencia (50 o 60 hercio s) viene defi nida desde la central de generació n.
Las redes de distribució n pueden ser mo no fásicas o trifásicas; y se aco plan a la caja general de pro tec-ció n de un edifi cio , a través de una aco metida aérea o subterránea.
CÓMO TRABAJAR CON LA ELECTRICIDAD
La energía eléctrica es extremadamente útil y fácil de usar; pero también es po tencialmente peligro sa y le-tal. Po r esta razó n, debe ser utilizada racio nalmente y tratada co n precaució n y respeto ; de lo co ntrario , el usuario se expo ne –y expo ne a quienes lo ro dean– a sufrir graves accidentes de o rigen eléctrico , incluyen-do lesio nes perso nales e incendio s.
En este subtema daremo s algunas reco mendacio -nes impo rtantes para realizar trabajo s co n electrici-dad en fo rma segura y efi ciente.
Accidentes de origen eléctrico
To do s hemo s escuchado histo rias de incendio s, ex-plo sio nes, accidentes perso nales y o tro s tipo s de ac-cidentes de o rigen eléctrico : granjas incineradas po r to rmentas eléctricas, casas destruidas debido a fallas en las instalacio nes eléctricas, labo rato rio s dañado s po r un co rto circuito , perso nas electro cutadas en su casa al to car partes metálicas energizadas, etc. La ma-yo ría de esto s accidentes o curren po r imprudencia de lo s pro pio s usuario s o po rque lo s medio s de seguridad previsto s po r lo s diseñado res de las instalacio nes y ar-tefacto s eléctrico s no so n sufi cientes para garantizar la seguridad perso nal (no fuero n co rrectamente apli-cado s; o co n el tiempo , se deterio raro n).
Aunque no es po sible co ntro lar las to rmentas eléc-tricas, ni so mo s ingeniero s eléctrico s para diseñar un sistema de pro tecció n de instalacio nes altamente efi -ciente y perdurable, sí po demo s y debemo s ser cuida-do so s co n la electricidad en nuestro ho gar; so bre to cuida-do para prevenir incendio s, cho ques eléctrico s, co rto cir-cuito s y so brecargas. A co ntinuació n examinaremo s alguno s caso s particulares.
Incendios
Las causas de un incendio de o rigen eléctrico so n muy variadas; la más co mún, es la so brecarga. Un circuito está so brecargado , cuando fl uye demasiada co
rrien-61
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te a través de él; en estas circunstancias, lo s co nduc-to res se calientan hasta el punnduc-to de derretir y quemar el aislante que lo s pro tege; co mo resultado , lo s alam-bres quedan al descubierto , y al entrar en co ntacto , o riginan un co rto circuito .
Un circuito puede so brecargarse, po r ejemplo , al co -nectar demasiado s aparato s a un to maco rriente que no está diseñado para transpo rtar to da la cantidad de co rriente que eso s aparato s demandan (fi gura 10). Co n el fi n de evitar so brecargas po r este mo tivo , cada to -maco rriente do méstico se diseña únicamente co n do s salidas; no o bstante, muchas perso nas pasan po r alto esta medida de seguridad; mediante el uso de exten-sio nes o enchufes múltiples, se atreven a co nectar más de un aparato en una salida de to maco rriente.
El mal uso de las extensio nes y lo s enchufes múl-tiples es una de las principales fuentes de incendio s, sacudidas y o tro s accidentes eléctrico s.
Otra fo rma co mún de o riginar so brecargas, es co -nectar calentado res, estufas y o tro s artefacto s térmico s a circuito s no diseñado s para transpo rtar la co rriente que esto s aparato s demandan. Esta co rriente es, en general, muy superio r a la que exigen o tro s electro -do méstico s. Po r esta razó n, la mayo ría de las instala-cio nes eléctricas pro veen circuito s separado s para lo s electro do méstico s grandes o de gran co nsumo .
Choques eléctricos
Un cho que o sacudida eléctrica es la sensació n física pro ducida po r la reacció n de lo s nervio s cuando cir-cula una co rriente a través del cuerpo . En caso s me-no res, só lo se pro duce un ligero estiramiento de lo s
músculo s; pero en lo s caso s más graves, la respiració n se co rta y lo s músculo s del co razó n se paralizan, lle-gándo se incluso a la muerte (electro cució n).
La cantidad de co rriente que puede pro ducir gra-ves daño s varía de una perso na a o tra y del tiempo que dure la descarga a través del cuerpo . El amperio , que se abrevia co n la letra A, es la unidad de medida de la co rriente eléctrica; pues bien, una co rriente me-no r de 3mA o milésimas de amperio , es prácticamen-te ino fensiva y no representa mayo r riesgo . Pero las co rrientes de entre 5 y 10mA pro vo can co ntraccio nes invo luntarias de lo s músculo s, y pequeñas alteracio -nes del sistema nervio so .
Las co rrientes de entre 10 y 15mA, po r su parte, pueden pro ducir tetanizació n muscular (parálisis) y co ntraccio nes vio lentas de las extremidades. En es-tado de tetanizació n, las perso nas pueden llegar a quedarse pegadas al co nducto r eléctrico generado r de la descarga; no pueden desprenderse po r sus pro -pio s medio s.
Las co rrientes de entre 15 y 30mA alteran el rit-mo cardiaco y pro vo can co ntraccio nes vio lentas de la caja to rácica. Po r último , las co rrientes superio res a 30mA pueden causar fi brilació n ventricular cardia-ca y la muerte po r asfi xia.
Quemaduras
Además de cho ques eléctrico s, el paso de una co rrien-te excesiva a través del cuerpo puede causar quema-duras graves. Estas últimas se deben al calo r que lo s electro nes generan cuando circulan po r lo s tejido s; generalmente suceden en el ámbito interno , a lo lar-go de la trayecto ria seguida po r la co rriente; so n muy do lo ro sas, y difíciles de tratar y sanar.
También se pueden o riginar lesio nes externas po r quemaduras, co mo resultado de la expo sició n de la piel al arco eléctrico que se pro duce durante un co r-to circuir-to .
Conexiones a tierra
En las instalacio nes residenciales, to do s lo s circuito s co mparten una línea de reto rno co mún llamada neu-tro , co nectada físicamente a la tierra.
Cuando usted to ca una tubería de agua o cualquier o bjeto metálico que está en co ntacto co n la tierra, se Figura 10
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co nvierte en parte de un circuito eléctrico y satisface uno de lo s do s requisito s necesario s para recibir un cho que eléctrico ; el o tro requisito es cerrar el circui-to , y lo satisface cuando circui-to ca un alambre o dispo si-tivo “vivo ”; es decir, co n un vo ltaje aplicado . De este mo do , usted o bliga a la fuente a impulsar una co rrien-te eléctrica a través de su cuerpo (fi gura 11).
Co n el fi n de reducir el riesgo anterio r, lo s gabinetes y estructuras metálicas (chasis) de instalacio nes, apa-rato s, herramientas y máquinas eléctricas, siempre de-ben aterrizarse; es decir, co nectarse a tierra mediante co nducto res de co nexió n separado s. De esta manera, se evita el desarro llo de vo ltajes peligro so s entre es-tas partes metálicas y la tierra.
En alguno s caso s, el aterrizaje se realiza co nec-tando directamente lo s gabinetes a tuberías de agua o barras metálicas enterradas (fi gura 12). Tratándo se de aparato s y máquinas eléctricas, la pro tecció n a tie-rra generalmente se hace mediante enchufes po lari-zado s de tres terminales, co nectadas a to maco rrien-tes co n co nexió n a tierra (fi gura 13).
Reglas generales de seguridad
La realizació n de trabajo s eléctrico s, incluso lo s más sencillo s, puede ser un trabajo peligro so si no se ado p-tan las medidas de precaució n adecuadas o si se o mi-ten reglas de seguridad elementales co n el fi n de ga-nar tiempo .
A co ntinuació n se presentan algunas no rmas de se-guridad básicas que deben to marse en cuenta al tra-bajar co n instalacio nes y aparato s eléctrico s.
1. Nunca trabaje so bre circuito s o dispo sitivo s energi-zado s, ni asuma –sin co mpro barlo – que están abier-to s o desco nectado s; co mpruebe esabier-to co n un ins-trumento en buen estado .
El co no cimiento de esta regla fundamental de seguridad puede salvar su vida y la de o tras perso -nas (fi gura 14).
2. Siempre utilice dispo sitivo s y equipo s eléctrico s que tengan lo s sello s de apro bació n de o rganismo s au-to rizado s tales co mo UL, CSA o EIA. Esau-to s sello s ga-rantizan que el pro ducto ha sido fabricado siguien-do estrictas no rmas de seguridad (fi gura 15). 3. Asegúrese de co mprender claramente có mo está
alambrada su casa, antes de realizar mo difi cacio nes o trabajo s en el sistema eléctrico de la misma. 4. No manipule indebidamente dispo sitivo s de pro
tec-ció n co mo fusibles, breakers, interrupto res de fallas a tierra (GFCIs), etc.; y no lo s anule, sin co mpro bar que to do funcio na co rrectamente.
Figura 13 Figura 12
63
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5. No utilice adaptado res que causen co rto circuito o anulen las to mas de tierra; tampo co intercambie lo s co nducto res de fase y pro tecció n de lo s apara-to s e instalacio nes; po dría ser fatal (fi gura 16). 6. Nunca utilice las tuberías de gas co mo to mas de
tie-rra; pueden o riginar explo sio nes e incendio s. Si uti-liza una tubería de agua co mo to ma de tierra, ase-gúrese de que sea co mpletamente metálica y que no tenga tramo s plástico s que anulen su efecto . 7. Sea cuidado so al utilizar extensio nes o cables de
ex-tensió n; su mal uso , puede causar sacudidas, que-maduras e incendio s. En particular, no pase exten-sio nes a través de agujero s practicado s en paredes, piso s, puertas o ventanas, ni debajo de alfo mbras; el tránsito co ntinuo de la gente puede desgastar su aislamiento y o riginar un incendio .
8. Só lo un elec tric ista c alifi c ado , auto riz ado po r la co mpañía lo cal de electricidad, puede realizar tra-bajo s eléctrico s en la aco metida de un edifi cio , el medido r, el sistema de distribució n y la caja de fu-sibles.
9. To das las instalacio nes eléctricas nuevas, adapta-das o ampliaadapta-das, deben cumplir las no rmas de se-guridad vigentes; po r lo tanto , es su o bligació n in-fo rmarse al respecto . En lo s accidentes eléctrico s, se co nsidera respo nsable a la última perso na que ha trabajado en una instalació n o ha reparado un equipo . Si tiene dudas, busque la aseso ría de un electricista.
10. Siempre utilice la info rmació n de seguridad pro po r-cio nada po r lo s fabricantes de equipo s y artefacto s eléctrico s, para prevenir accidentes eléctrico s. 11. Cuando reemplace partes eléctricas o rearme un
artefacto , reinstale lo s cables de co nexió n de acuer-®
do co n el diagrama de alambrado . Asegúrese de que lo s mismo s queden haciendo un co ntacto fi rme y no crucen so bre bo rdes afi lado s, ni pasen entre pane-les o po r partes mó vipane-les que puedan causar un co r-to circuir-to u o tro pro blema eléctrico . Reemplace lo s cables y alambres desgastado s, pellizcado s o mal-tratado s, antes de hacer cualquier reparació n. 12. Siempre utilice un circuito eléctrico separado , co
nvenientemente aterrizado , para alimentar electro -do méstico s grandes. Nunca co necte esto s aparato s a to maco rrientes aso ciado s co n circuito s de pro pó -sito general o a to maco rrientes instalado s para artefacto s pequeño s. Tampo co co necte lo s electro do -méstico s grandes mediante extensio nes.
13. No sustituya arbitrariamente interrupto res, sen-so res y o tro s co mpo nentes eléctrico s de aparato s e instalacio nes po r puentes de alambre o cable, ni lo s altere internamente. Si tiene dudas, co nsulte a un electricista califi cado .
14. Utilice siempre partes de repuesto co n las mismas especifi cacio nes, tamaño y capacidad de las piezas o riginales. ¡ No impro vise po r favo r!
15. En caso de presentarse un incendio de o rigen eléc-trico , utilice so lamente extinto res de anhídrido car-bó nico o de hallo n, debidamente apro bado s. Co mo el agua es co nducto ra de la electricidad, puede au-mentar lo s riesgo s y lo s daño s; evite su uso en es-to s caso s.
16. Mantenga la calma en caso de recibir un cho que leve, y sepárese lo más rápido po sible del punto de co ntacto . Las reaccio nes instintivas de so bresalto y pánico o riginadas al recibir una descarga eléctri-ca, pueden o casio nar que usted caiga o se go lpee (puede sufrir graves lesio nes).
64 ELECTRONICA y servicio No. 104
TEORÍA BÁSICA DE LOS
CIRCUITOS ELÉCTRICOS
Las instalacio nes eléctricas residenciales, co mercia-les, industriamercia-les, etc., están fo rmadas po r circuito s, cada uno de lo s cuales tiene funcio nes muy específi -cas. Po r esta razó n, co n el fi n de co mprender clara-mente có mo funcio nan y se diseñan las instalacio nes eléctricas, es co nveniente estar familiarizado s co n la teo ría básica de circuito s y co no cer lo s parámetro s y reglas que lo s caracterizan.
En este subtema describiremo s la estructura de un circuito eléctrico y defi niremo s fo rmalmente lo s co n-cepto s de co rriente, vo ltaje, resistencia, po tencia y energía, así co mo las unidades utilizadas para medir físicamente estas magnitudes. También veremo s su in-terrelació n matemática, y aprenderemo s a utilizar es-tas sencillas ecuacio nes en fo rma práctica.
Elementos de un circuito eléctrico
Un circuito eléctrico es, tal co mo se dijo anterio rmente, una co mbinació n de elemento s co nectado s de mo do que pro po rcio nen una trayecto ria cerrada co ntinua para la circulació n de una co rriente eléctrica y permi-tan su co nversió n en o tras fo rmas de energía (térmi-ca, lumino sa, magnéti(térmi-ca, mecáni(térmi-ca, etc.).
En su fo rma más simple, un circuito eléctrico se co mpo ne de una carga co nectada a una fuente de vo ltaje a través de uno s co nducto res. En la práctica, además de esto s elemento s básico s, un circuito re-quiere también dispo sitivo s de co ntro l y dispo sitivo s de pro tecció n.
En la fi gura 17 se muestra un ejemplo de circuito eléctrico básico , do nde la carga es una lámpara co nec-tada a una fuente de vo ltaje a través de co nducto res. El interrupto r funcio na co mo dispo sitivo de co ntro l. Tal co mo vemo s en la A, el interrupto r cierra el circuito y ento nces permite que la co rriente circule po r la lám-para; y tal co mo se muestra en B, el interrupto r abre el circuito y ento nces impide dicha circulació n.
Fuentes de voltaje
La fuente de vo ltaje pro duce la fuerza electro mo triz (vo ltaje) necesaria para impulsar a lo s electro nes y
ha-cer que atraviesen un circuito (tal co mo una bo mba hi-dráulica impulsa al agua a través de una tubería). Pero si no se aplica vo ltaje, la co rriente no po drá fl uir a tra-vés de una carga ni realizar un trabajo útil.
Básicamente, existen do s tipo s de fuentes de vo l-taje: las fuentes DC o de co rriente directa, y las fuen-tes AC o de co rriente alterna.
Generalmente, la co rriente directa es pro po rcio na-da po r pilas y baterías; y en alguno s caso s, po r cier-to s tipo s de generado res electro mecánico s. También puede o btenerse a partir de una co rriente alterna, me-diante un pro ceso llamado rectifi cació n. Y aunque las primeras redes de distribució n de energía eléctrica fuero n de co rriente directa, este sistema ya casi no se utiliza en la actualidad po r razo nes eco nó micas, téc-nicas y de seguridad.
La co rriente alterna es pro po rcio nada po r genera-do res electro mecánico s llamagenera-do s alternagenera-do res. Tam-bién puede o btenerse a partir de una co rriente directa, mediante un pro ceso llamado inversió n. Es el tipo de electricidad que entregan las co mpañías de electrici-dad para uso do méstico , co mercial e industrial.
En un circuito alimentado po r una fuente DC, la co -rriente siempre circula en una misma direcció n; pero su magnitud puede ser co nstante o variar co n el tiem-po . Y en un circuito alimentado tiem-po r una fuente AC, la
Circuito cerrado
Circuito abierto A
B
65
ELECTRONICA y servicio No. 104 co rriente circula alternadamente en una direcció n y
luego en la o tra.
Además de cambiar de direcció n, la co rriente al-terna cambia de valo r a cada instante; hace esto últi-mo , siguiendo un patró n co últi-mo el que se muestra en la fi gura 18. En esta representació n, llamada una fo r-ma de o nda, el eje ho rizo ntal representa el tiempo y el eje vertical la magnitud y po laridad del vo ltaje o la co rriente. En lo s punto s do nde la fo rma de o nda co r-ta el eje del tiempo , la co rriente vale cero (0); y en lo s punto s intermedio s ado pta diferentes valo res, po siti-vo s o negatisiti-vo s.
Lo s punto s do nde la fo rma de o nda alcanza su va-lo r máximo , po sitivo o negativo , se deno minan pico s o crestas. La po rció n de la fo rma de o nda co mprendi-da entre do s punto s de cruce po r cero co nsecutivo s, se deno mina semiciclo . Durante lo s semiciclo s po siti-vo s (+), la co rriente circula en una direcció n; y duran-te lo s semiciclo s negativo s (-), lo hace en la direcció n o puesta. Do s semiciclo s co nsecutivo s, co nstituyen un ciclo co mpleto de co rriente alterna.
Lo s ciclo s de una fo rma de o nda AC se repiten co n una determinada perio dicidad llamada frecuencia. La unidad de medida de la frecuencia es el hercio (Hz); se le deno mina así, en ho no r del físico alemán Hein-rich Hertz (1857-1894). La co rriente eléctrica suminis-trada po r las co mpañías de electricidad puede tener una frecuencia de 50 o 60Hz, dependiendo del país; en Co lo mbia, po r ejemplo , las redes eléctricas so n de 60Hz. Una frecuencia co mo ésta, implica que cada ci-clo de la fo rma de o nda se repite exactamente 60 ve-ces en un segundo .
El tiempo que le to ma a una c o rriente c o mple-tar un ciclo se deno mina perio do (T); numéricamente, es igual a 1/ f (la frecuencia está en Hz). El perio
-do de una co rriente de 50Hz, po r ejemplo , es 1/ 50 = 0.020 segundo s.
Conductores
Lo s co nducto res (fi gura 19) pro po rcio nan un cami-no de baja resistencia para la libre circulació n de lo s electro nes a través de un circuito eléctrico (tal co mo las tuberías co nducen el agua a través de un circui-to hidráulico ).
Lo s co nducto res utilizado s en instalacio nes eléctri-cas so n generalmente alambres de co bre o de alumi-nio , desnudo s o recubierto s co n algún tipo de material aislante. Este último mantiene co nfi nado s lo s electro -nes, actuando co mo una pared de pro tecció n e impi-diendo que puedan mo verse fuera de lo s alambres al ser co ntactado s po r o bjeto s co nducto res externo s.
La cantidad de co rriente que un alambre puede ma-nejar co n seguridad, depende del tipo de material uti-lizado en su fabricació n (co bre o aluminio , general-mente), de su tamaño (diámetro o calibre) y del tipo de aislamiento . El calibre de lo s alambres utilizado s en instalacio nes eléctricas, no rmalmente se especifi ca mediante un número estándar (14, 12, 2/ 0, etc.) asig-nado po r la AWG (American Wire Gauge). Entre meno r sea el número AWG de un alambre, mayo res serán su gro so r y su capacidad para transpo rtar co rriente (fi -gura 20); el circuito de una estufa eléctrica, po r ejem-plo , requiere alambres más grueso s (meno r número AWG) que el de una lámpara, puesto que la primera demanda mayo r co rriente.
Lo s alambres de una instalació n eléctrica se enru-tan a través de un edifi cio intro duciéndo lo s en ducto s
1 ciclo
Figura 18
Pico p osit ivo
Pico negat ivo
+ +
66 ELECTRONICA y servicio No. 104
plástico s o metálico s que lo s pro tegen de la humedad y del daño físico (fi gura 21).
Cargas
La carga de un circuito (fi gura 22) co nvierte la ener-gía de lo s electro nes en mo vimiento en o tras fo rmas útiles de energía.
La carga puede estar representada po r una amplia variedad de dispo sitivo s tales co mo lámparas, mo to -res, parrillas eléctricas, lavado ras, licuado ras, plan-chas, etc. En una lámpara, po r ejemplo , la energía de lo s electro nes en mo vimiento se co nvierte en luz (ener-gía lumínica) y calo r (ener(ener-gía térmica); y en un mo to r, se co nvierte en mo vimiento (energía mecánica), mag-netismo (energía magnética) y calo r.
Dispositivos de control
Un dispo sitivo de co ntro l regula el paso de la co rriete a través de un circuito (tal co mo una válvula co n-tro la la cantidad de agua que fl uye a través de una tu-bería).
Uno de lo s dispo sitivo s de co ntro l más utilizado s en instalacio nes eléctricas, es el interrupto r (fi gura 23). En la fi gura 24 se muestra un circuito de co ntro l de una lámpara mediante un interrupto r (tal co mo se usa en una instalació n real).
Dispositivos de protección
Esto s elemento s interrumpen el paso de la co rriente a través de un circuito , cuando se presenta una so -brecarga o co rto circuito (fi gura 25); es decir, actúan co mo interrupto res auto mático s.
Lo s do s tipo s de dispo sitivo s de pro tecció n más co -munes so n lo s fusibles y lo s disyunto res o breakers. También existen dispo sitivo s llamado s interrupto res diferenciales (GFCI), que detectan co rrientes de fuga a tierra y pro tegen a las perso nas del riesgo de un cho -que eléctrico .
Tipos de circuitos
Las cargas de un circuito pueden estar co nectadas en serie, en paralelo o en una co nfi guració n mixta.
18 16 14 12 10 8 6 4 2 1/ 0 2/ 0
Bajo volt aje (term óst atos, t im bres, etc)
120/ 240V (ilum inación, tom acorrientes de pared )
240V (grandes aparatos, ent radas de servicio, subalim ent adores)
Figura 20
Figura 21
Figura 22
67
ELECTRONICA y servicio No. 104 En un circuito serie co mo el que se muestra en la
fi gura 26, lo s elemento s de carga están interco necta-do s en o rden sucesivo , cada uno co n un extremo uni-do al extremo del siguiente. Po r lo tanto , existe só lo un camino o lo o p para la circulació n de la co rriente. En o tras palabras, to das las cargas co mparten la misma co rriente. Si hay una interrupció n en cualquier parte del circuito , el fl ujo de co rriente se suspende y el cir-cuito no funcio na.
Lo s circuito s en serie no so n muy utilizado s en ins-talacio nes eléctricas.
En un circuito paralelo (fi gura 27), las cargas están distribuidas en ramales o bifurques, cada uno de ello s alimentado po r la misma fuente de vo ltaje. Po r lo tan-to , existe más de una trayectan-to ria para la circulació n de
la co rriente. Si hay una ruptura en cualquiera de lo s ramales, só lo se suspende el fl ujo de co rriente a tra-vés de la carga co nectada al mismo . Este es el tipo de circuito más co mún en instalacio nes eléctricas.
En un circuito serie-paralelo o mixto (fi gura 28) al-gunas de las cargas están co nectadas en serie, co m-partiendo la misma co rriente; y o tras están en pa-ralelo , co mpartiendo el mismo vo ltaje. Este tipo de circuito no es muy co mún, y se usa so lamente cuan-do es necesario pro po rcio nar diferentes cantidades de co rriente y vo ltaje a varias cargas alimentadas desde la fuente principal.
Parámetros de los circuitos eléctricos
Para entender adecuadamente lo s circuito s eléctrico s y su termino lo gía, es impo rtante co no cer co ncepto s co mo co rriente, vo ltaje, diferencia de po tencial, resis-tencia, po tencia y energía, así las unidades de medi-Conductor neutro Conductor de fase Interruptor de un polo (dispositivo de control Tuvo de canalización (conduit) Caja de conexión octagonal Lámpara incandescente (carga) Entrada de voltaje Figura 24 Figura 25 FUENTE DE VOL T AJE Figura 26
68 ELECTRONICA y servicio No. 104
da utilizadas para cuantifi carlo s. A co ntinuació n des-cribiremo s esto s término s.
Corriente
La co rriente o intensidad (I) es una medida de la can-tidad de electro nes que pasan po r un punto dado de un circuito durante un tiempo determinado .
La unidad de medida de la co rriente eléctrica es el ampere o amperio (A); se le llama así, en ho no r del sabio francés André Marie Ampére (1775-1836). Otras unidades de medida de la co rriente, derivadas del am-perio , so n el miliamam-perio (mA) y el micro amam-perio (µA), equivalentes a 10-3 A (0.001A) y 10-6 A (0.000001A) res-pectivamente.
Un amperio equivale al paso de apro ximadamen-te 6.28 x 1018 electro nes en un segundo po r un pun-to dado .
La cantidad de co rriente que circula a través de un circuito , determina el calibre de lo s co nducto res a uti-lizar. Si fl uye demasiada co rriente po r un cable delga-do , éste se calienta y puede quemarse el aislamiento que lo pro tege; esto o rigina riesgo s de incendio .
La co rriente también determina lo s tipo s de dispo -sitivo s de co ntro l y pro tecció n a utilizar. Lo s interrup-to res y fusibles deben elegirse de mo do que puedan manejar co n seguridad la máxima co rriente que de-manda el circuito .
Voltaje y diferencia de potencial
El vo ltaje o tensió n (E) es una medida de la fuerza elec-tro mo triz o presió n eléctrica necesaria para impulsar una determinada co rriente a través de un circuito .
La unidad de medida del vo ltaje es el vo ltio (V); se le llama así, en ho no r del físico italiano Alessandro Vo l-ta (1745-1827). Otras unidades de medida del vo ll-taje, derivadas del vatio , so n el kilo vo ltio (kV) y el milivo l-tio (mV), equivalentes a l03V (1000V) y l0-3V (0.00lV) respectivamente.
El vo ltaje aplicado a un circuito determina el tipo de aislamiento que deben tener lo s co nducto res del mis-mo . Si el aislamiento no es lo sufi cientemente grueso para so po rtar el vo ltaje de trabajo , pueden o riginar-se co rto circuito s, fugas de co rriente, calentamiento y o tro s fenó meno s que pueden dañar a las perso nas y a lo s edifi cio s.
Po r lo general, el aislamiento de lo s alambres y ca-bles utilizado s en instalacio nes eléctricas residenciales se especifi ca para una tensió n no minal de 600V.
Una práctica muy frecuente en el trabajo co n circuito s eléctrico s es elegir un punto de referencia co -mún y defi nir, co n respecto a éste, lo s vo ltajes de lo s demás punto s del circuito .
El vo ltaje de cualquier punto co n respecto al de re-ferencia, se deno mina po tencial; y la po rció n de vo lta-je que aparece a través de cada carga o elemento del mismo , se llama diferencia de po tencial.
En las instalacio nes eléctricas se to ma co mo pun-to de referencia la tierra, y se le asigna un po tencial de 0V.
Resistencia
La resistencia (R) es una medida de la capacidad que presenta un elemento de circuito (po r ejemplo un co nducto r o una lámpara) para o po nerse al paso de la co -rriente eléctrica. A mayo r resistencia, mayo r o po si-ció n, y viceversa.
Po r lo general, lo s elemento s resistivo s se represen-tan mediante lo s símbo lo s mo strado s en la fi gura 29. La unidad de medida de la resistencia es el o hm u o hmio (); se le llama así, en ho no r del físico y mate
FUENTE DE VOL T AJE FUENTE DE VOLTAJE Figura 27 Figura 28
69
ELECTRONICA y servicio No. 104 mático alemán Geo rg
Si-m o n O hSi-m (1 7 8 9 - 1 8 5 4 ); él desc ubrió la famo sa ley que lleva su no mbre (ley de
Ohm), que es una de las fó rmulas más utilizadas en electricidad y electró nica.
Otras unidades de medida de la resistencia so n el megao hmio (M), el kilo o hmio (k) y el milio hmio (m), equivalentes a 106, 103 y 10-3 respectiva-mente.
To do s lo s co mpo nentes que se utilizan en lo s cir-cuito s eléctrico s (cargas, co nducto res, elemento s de co ntro l, etc.), tienen alguna resistencia. La resistencia de las cargas está determinada po r el fabricante del artefacto ; y la de un interrupto r, un fusible o un co nducto r, debe ser idealmente igual a 0 en co ndicio -nes no rmales de o peració n.
En la práctica, to do s lo s co nducto res (alambres, ca-bles, etc.) tienen alguna resistencia; po r eso se calien-ta, y o casio nan caídas de vo ltaje que reducen el vo lta-je dispo nible para la carga co nectada al circuito .
Resistencia efectiva
La resistencia to tal que presenta un circuito eléctrico a la fuente de vo ltaje y que determina la cantidad de co rriente que ésta suministra a to das las cargas, se de-no mina co múnmente resistencia efectiva (Reff).
La resistencia efectiva o to tal de un circuito serie, es simplemente la suma de las resistencias individua-les. Esto es:
Ref. = Rl + R2 + R3 + ...
(R1, R2, R3, etc., so n las resistencias de las cargas individuales).
Se asume que la resistencia de lo s co nducto res y de-más elemento s del circuito es igual a O. Po r ejem-plo , la resistencia efectiva de un circuito serie fo rma-do po r una lámpara de 100 y una plancha de 75, es simplemente 100 + 75 = 175.
A medida que aumenta el número de cargas de un circuito serie, también lo hace la resistencia efectiva (y po r supuesto , a medida que disminuye dicho nú-mero , disminuye también la resistencia efectiva). En el caso de un circuito paralelo , la resistencia efectiva se determina a partir de la siguiente fó rmula:
Figura 29
1/ Reff = 1/ R1 + 1/ R2 + 1/ R3 + ...
Nuevamente, se asume que la resistencia de lo s co n-ducto res y demás elemento s del circuito es igual a 0. A medida que aumenta el número de cargas de un cir-cuito paralelo , disminuye la resistencia efectiva; y a medida que dicho número disminuye, aumenta la re-sistencia efectiva.
Co nsidérese, po r ejemplo , un circuito paralelo de co cina fo rmado po r una to stado ra de 10, una cafe-tera de 20 y una parrilla de 25. Para evaluar la re-sistencia efectiva del circuito , pro cedemo s así:
1/ Ref. = 1/ 10 + 1/ 20 + 1/ 25 = 0.1 + 0.05 + 0.04 = 0.19. Po r lo tanto , Ref. = 1/ 0.19 = 5.26
Potencia
La po tencia (P) es una medida del trabajo realizado po r una co rriente al circular a través de una carga. La unidad de medida de la po tencia es el w att o vatio (W); se le llama así, en ho no r del físico esco cés James Watt (1736-1819); es el invento r de la máquina de vapo r.
Otras unidades de medida de la po tencia, deriva-das del vatio , so n el kilo vatio (kW) y el milivatio (mW), equivalentes a 103W (1000W) y 10-3W (0.001W). Para calcular la po tencia aso ciada a un circuito o a una carga resistiva, po r ejemplo una lámpara o una estu-fa eléctrica, se utiliza la relació n:
P = E x I Do nde: E, es el vo ltaje aplicado (V); I, es la co rriente (A).
Si, po r ejemplo , a una carga resistiva se le aplica una tensió n de 220V, y ésta pro duce a través de la misma una co rriente de 2.5A, la po tencia co nsumida po r la carga es simplemente:
P = E x I = 220 x 2.5 = 550.
Otras fo rmas alternativas de expresar la fó rmula de la po tencia so n I = P/ E y E = P/ I. Estas relacio nes se re-sumen gráfi camente en la fi gura 30.
Para circuito s de co rriente alterna que alimentan cargas no resistivas co mo transfo rmado res y mo to -res, la po tencia real co nsumida po r la carga y co
n-70 ELECTRONICA y servicio No. 104
vertida en trabajo eléctrico se determina mediante la fó rmula:
P = E x I x FP
En este caso , FP es un parámetro deno minado fa c
-to r d e p o te n c ia ; es pro pio de la carga, y está fi jado
po r el fabricante de la misma.
Para so ldado res eléctrico s y mo to res que funcio nan en vacío , el facto r de po tencia es muy bajo (entre 0.2 y 0.4); para mo to res que funcio nan a plena carga, es del o rden de 0.8; y para cargas resistivas, es apro ximada-mente igual a 0. En lo sucesivo , mientras no se esta-blezca lo co ntrario , asumiremo s que FP = 1.
Energía
La energía (W) es la po tencia eléctrica co nsumida po r un artefacto o un circuito durante un determinado lap-so . La energía eléctrica se mide en vatio s-ho ra (W-h) o kilo vatio s-ho ra (kW-h); y se calcula, multiplicando la po tencia po r el tiempo de co nsumo :
W = P x t
En este caso , (t) es el tiempo en ho ras (h) y P es la po -tencia. Po r ejemplo , la energía co nsumida po r una lám-para de 250W durante 10 ho ras de uso , es:
W = P x t = 250 x 10
Esto es, 2,500 W-h = 2.5kW-h.
Asumimo s que la tarifa del kilo vatio -ho ra es de vein-te peso s ($20), el co sto po r usar la lámpara duranvein-te dicho tiempo sería de 2.5 x 20 = $50.
El co nsumo de energía eléctrica se mide utilizando co ntado res co mo el mo strado en la fi gura 31. Este tipo de medido res so n instalado s y atendido s po r la em-presa de energía eléctrica lo cal; lo s utiliza para medir el co nsumo de electricidad.
La ley de Ohm
El vo ltaje, la co rriente y la resistencia de un circuito o elemento de circuito se relacio nan mediante una sen-cilla fó rmula deno minada ley de Ohm. De acuerdo co n
lo que ésta indica, la co rriente (I) a través de una car-ga es igual al vo ltaje aplicado (E) dividido po r la resis-tencia (R) de la misma. Esto es:
I = E/ R
Po r ejemplo , si el vo ltaje aplicado es E = 125V, y la re-sistencia es R = 10, la co rriente es I = E/ R = 125/ 10 = 12.5A. Naturalmente, entre mayo r sea el vo ltaje apli-cado , mayo r será el fl ujo de co rriente.
Si a la misma carga se le aplica una tensió n de 220V, la nueva co rriente será I = 220/ 10 = 22A.
Otras fo rmas alternativas de expresar la ley de Ohm, so n R = E/ I y E = I x R.
La ley de Ohm se puede co mbinar co n la fó rmu-la de po tencia suministrada anterio rmente (P = E x I), para inco rpo rar la resistencia en lo s cálculo s de po -tencia. Esta o peració n de sustitució n co nduce a las si-guientes fó rmulas:
P = I2x R , P = E2/ R
En este caso , I es la co rriente (A), E es el vo ltaje (V) y R es la resistencia (). Po r ejemplo , si una lámpara co n una resistencia de 271.6 se co necta a una ten-sió n de 127V, la po tencia disipada po r la misma es simplemente:
P = E2/ R = (127)2/ 271.6 = 60W
Esta po tencia se manifi esta externamente en fo r-ma de luz y calo r. Co n tin ú a e n e l p ró x im o n ú m e ro Figura 30
P
E
I
Figura 311 3
ELECTRONICA y servicio No. 105
El p ro p ó s ito d e u n a in s ta la ció n e s d is trib u ir la e le ctricid a d e n tre to d o s lo s e q u ip o s e lé ctrico s co n e cta d o s a la m is m a , d e la fo rm a m á s e fi cie n te , s e g u ra y o rd e n a d a p o s ib le . Pa ra lo g ra r e s to , lo s e le m e n to s d e u n a in s ta la ció n s e a g ru p a n e n circu ito s in d iv id u a le s lla m a d o s “circu ito s d e riva d o s ”. Es to s circu ito s s o n e l p u n to d e p a rtid a d e l d is e ñ o d e cu a lq u ie r in s ta la ció n e lé ctrica m o d e rn a . Y e n e l p re s e n te a rtícu lo , e xp lica re m o s p re cis a m e n te có m o e s tá e s tru ctu ra d o e l s is te m a e lé ctrico d e u n a ca s a típ ica d e s d e e l p u n to d e v is ta d e s u s circu ito s d e riva d o s ; a d e m á s , p ro p o rcio n a re m o s lo s e le m e n to s co n ce p tu a le s p a ra s u re p re s e n ta ció n g rá fi ca .
MINICURSO DE
ELECTRICIDAD
DOMÉSTICA
Segunda parte: Circuitos derivados y
diagramas eléctricos
A rtícu lo e la b o ra d o p o r e l e q u ip o d e
R e d a cció n , co n b a s e e n m a te ria le s d e CEKIT
A
lt
e
r
n
a
ti
v
a
s
la
b
o
r
a
le
s
Circuitos eléctricos de una casa
A través de líneas aéreas o subterráneas llamadas
a c o m e tid a s o c a b le s a lim e n ta d o re s , las co
mpa-ñías de electricidad suministran la energía eléctrica a lo s ho gares.
Dichas líneas llevan la electricidad desde el trans-fo rmado r de distribució n más cercano , hasta al siste-ma eléctrico de la casa. En la fi gura 1A se muestra la estructura típica de una instalació n residencial co n cable alimentado r aéreo ; y en la fi gura 1B, la de una instalació n co n cable alimentado r subterráneo . El tipo de servicio recibido (aéreo o subterráneo ), depende de facto res técnico s, eco nó mico s y geo gráfi co s.
En la fi gura 2 se muestran lo s elemento s de un sis-tema eléctrico residencial típico co n alimentació n aérea. Co mo puede ver, co nsta básicamente de una aco -metida, un medido r, un panel de entrada del servicio , un centro de distribució n y una serie de circuito s in-dividuales llamado s c irc u ito s d e riv a d o s .
Esto s último s so n lo s que fi nalmente alimentan a lo s elemento s eléctrico s de la vivienda. El centro de distribució n puede ser parte del panel de entrada del servicio ; o , co mo en este caso , uno o más subpane-les separado s que se lo calizan en diferentes partes del edifi cio .
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La parte del sistema que se extiende desde el ex-terio r de la casa hasta las líneas de distribució n más cercanas, generalmente se deno mina ra m a l o lín e a
d e a c o m e tid a . En el caso de un servicio de
distribu-ció n aéreo , lo s co nducto res del ramal de aco metida pro vienen directamente del po ste más pró ximo (fi gu-ra 3) o discurren po r encima de lo s edifi cio s o so bre apo yo s fi jado s en las fachadas; y en el caso del servi-Figura 1 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 7 8 8 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 6 7 8 Acometida Pared de la vivienda Medidor Conduit Panel de servicio Conexión a tierra 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 Poste eléctrico Acometida Pared de la vivienda Medidor Panel de servicio Piso Conexión a tierra Canalización subterránea 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 Instalación con cable
alimentador aéreo
Instalación con cable alimentador subterráneo Ramal de acometida de dos líneas Bucles de goteo Mufa o cabezal de entrada Conductores del cable de entrada Canalización de entrada Contador o medidor de kW-hr Conductores de fase Disruptor o breaker principal Panel de servicio Barra colectora del neutro Conductor neutro Tubería de
agua fría Conductor de tierra Mordazas de tierra Varilla de conexión a tierra 2.40 m Alimentadores Conduit Barras colectoras de las fases Subpanel de distribución Barra colectora del neutro (no conectada a la cabina) Circuitos derivados Circuito para aparatos pequeños Circuito de propósito general Circuitos separados Figura 2
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cio subterráneo , pueden pro venir de un po ste o de un transfo rmado r mo ntado en una base de co ncreto en el piso o en una bó veda bajo tierra.
El número de co nducto res del ramal de aco metida depende del número de fases co ntratadas para la vi-vienda y de las características e impo rtancia del su-ministro .
Actualmente, la mayo ría de las instalacio nes resi-denciales utilizan aco metidas mo no fásicas o trifási-cas. Las primeras co nstan de do s co nducto res (una fase y un neutro ) y las segundas de cuatro co nducto -res (t-res fases y un neutro ).
En la fi gura 4 se co mparan las co nfi guracio nes de vo ltaje típicas de esto s do s sistemas. D e a q u í e n a d e
la n te , s a lv o q u e s e e s p e c ifi q u e o tra c o s a , h a b la -re m o s ú n ic a m e n te d e l s is te m a m o n o fá s ic o d e d o s c o n d u c to re s .
Sistema monofásico de dos conductores
Este sistema se muestra en la fi gura 4A; es el que más se utiliza en las casas, y pro po rcio na la tensió n de ser-vicio no rmal (digamo s, 120 o 220 vo ltio s, dependien-do del país dependien-do nde viva). Observe que para o btener lo s 120V no rmales de la línea de alimentació n do mésti-ca, es necesario to mar só lo una de las fases y el nivel
de neutro ; po r esta razó n, al cable que transpo rta la energía eléctrica se le deno mina “vivo ”.
Esta tensió n se utiliza para alimentar equipo s eléc-trico s de bajo co nsumo co mo televiso res, co mputa-do ras, equipo s de so nimputa-do , electro mputa-do méstico s peque-ño s, etc.
Sistema trifásico de cuatro conductores
El sistema trifásico de cuatro co nducto res (fi gura 4B), muy utilizado en fábricas, ho spitales, etc., suministra también do s tensio nes de servicio diferentes; general-mente, 120 y 208 vo ltio s. Pero es mucho más fl exible que el sistema anterio r.
Un sistema trifásico de cuatro co nducto res puede, po r ejemplo , alimentar circuito s de cuatro co nduc-to res de 120/ 208V, circuinduc-to s de tres co nducnduc-to res de 120/ 208V, circuito s de tres co nducto res de 208V, cir-cuito s de do s co nducto res de 208V y circir-cuito s de do s co nducto res de 120V. Casi to das las redes de distribu-ció n públicas mo dernas so n de este tipo .
En Euro pa y alguno s países de América Latina co mo Argentina y Chile, se utiliza el sistema trifásico de 220/ 380V (fi gura 4C). Este tipo de red pro po rcio
-Líneas de alta tensión Fase (120V) Neutro Fase (120V) Bucles Transformador de distribución Cable de tierra Cabezal de entrada T ransformador de distribución L1 N L2 120V 120V 240V 120V 120V 208V T ransformador de distribución L1 N L3 L2 120V 208V 208V T ransformador de distribución L1 N L3 L2 220V 220V 220V 380V 380V 380V Figura 3 Figura 4 A B C
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na 380 vo ltio s entre cualquier par de fases, y 220 vo l-tio s entre cualquier fase y el neutro . Po r co nsiguien-te, en el interio r de lo s edifi cio s pueden tenerse do s tipo s de vo ltajes de servicio ; el de 220 vo ltio s se utili-za para enchufes e iluminació n, y el de 380 para apa-rato s de gran co nsumo co mo ho rno s, máquinas-he-rramientas, etc.
La mayo ría de las aco metidas aéreas utilizan cable dúplex, co nstituido po r do s co nducto res aislado s (fi -gura 5A). Uno de lo s cables co rrespo nde a la fase (ca-ble “vivo ”), y el o tro es el neutro .
Una vez que la instalació n eléctrica de una casa ha sido co mpletamente alambrada e inspeccio nada, la co mpañía de energía eléctrica co necta la línea de aco metida al cable de entrada, encargado de llevar la electricidad al interio r de la vivienda. En la fi gura 5B se muestra la estructura de un cable de entrada típico .
El cable de entrada ingresa a la vivienda a través de una pieza metálica o plástica en fo rma de U, llamada
m u fa o cabezal de aco metida. La mufa pro tege al
ca-ble de entrada co ntra la humedad, y evita que el agua entre en la instalació n.
Muchas veces, en vez de un cable de entrada co m-pacto co mo el que se muestra en la fi gura 5B, se utili-zan do s co nducto res separado s. De to das fo rmas, lo s cables de entrada deben llegar primero al medido r (lo -calizado dentro o fuera del edifi cio ), el cual registra o cuantifi ca la cantidad de energía eléctrica co nsumi-da en la viviennsumi-da.
En la fi gura 6 se muestran do s tipo s de co ntado res utilizado s no rmalmente en las instalacio nes do mici-liarias. La lectura se realiza de izquierda a derecha.
En el co ntado r que aparece en la fi gura 6A, esta lec-tura es inmediata; y en el co ntado r que se muestra en la fi gura 6B, está dada po r el número que la aguja o puntero ha pasado en cada dial o carátula.
En la fi gura 6C se ejemplifi ca una indicació n de co n-sumo ; en este caso , la lectura es de 89281 kW-h. Ob-serve usted que las agujas de lo s diales 1, 3 y 5 giran en sentido ho rario (CW); y que las de lo s diales 2 y 4 lo hacen en sentido antiho rario (CCW).
Después de pasar po r el medido r, lo s co nducto res del cable de entrada llegan al panel de servicio , que es el “co razó n” y centro de co ntro l del sistema eléctri-co de la vivienda. En esta caja o cabina usted eneléctri-co n-trará siempre el mecanismo principal de desco nexió n, encargado de impedir que lo s daño s en la instalació n eléctrica de su casa afecten la red de distribució n de la co mpañía eléctrica. Co mo mecanismo de desco nexió n, generalmente se utiliza un breaker, especifi -cado para la máxima cantidad de co rriente que pue-de entregar el panel; po r ejemplo , 100A, 125A, 150A, 200A, etc.
Una vez dentro del panel de servicio , lo s do s co n-ducto res del cable de entrada se co nectan al meca-nismo de desco nexió n general. Para las instalacio nes co merciales (e incluso para las residenciales), es co n-veniente co nectar también un tercer cable hacia una varilla metálica larga enterrada físicamente en el sue-lo (co nstituyendo el llamado s is te m a d e p ro te c c ió n
Cables aislados Neutro
Vivo Conductor aislado ("vivo") Conductor desnudo trenzado (neutro) Aislamiento termoresistente Malla interna Cintas impermeables a la humedad Malla externa Figura 5 A B Figura 6 A B C
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ELECTRONICA y servicio No. 105 a tie rra de la instalació n); esto pro po rcio na una pro
-tecció n adicio nal al usuario , co ntra po sibles descar-gas po r parte de sus aparato s eléctrico s.
Para refo rzar el sistema de tierra, la barra co lecto -ra del neutro se co necta en las tuberías metálicas de suministro de agua de la vivienda. En caso de que us-ted desee que su instalació n eléctrica esté pro tegida co n el cable de tierra física, pero no cuente co n la va-rilla enterrada de referencia, la tubería de agua fría es un buen punto para la co nexió n de tierra.
Después del medido r y el panel de servicio , el si-guiente elemento de una instalació n eléctrica es el centro de distribució n. Esta caja co ntiene lo s fusi-bles o breakers que co ntro lan y pro tegen a lo s circui-to s derivado s.
En la fi gura 7 se muestra la fo rma más co mún de co nectar un centro de distribució n. En la fi gura 7A es un subpanel separado , que se lo caliza en cualquier
parte de la instalació n; y en la fi gura 7B, fo rma parte del panel de servicio .
La co nexió n entre el centro de distribució n y el pa-nel de servicio se realiza a través de un cable llama-do a lim e n ta d o r. Observe que en el centro de distri-bució n, el co nducto r de “vivo ” llega hasta las barras co lecto ras. Estas barras, diseñadas para aceptar la máxima cantidad de co rriente admitida po r lo s fusi-bles o breakers principales (digamo s, l00A), permiten que la energía eléctrica pueda ser distribuida efi cien-temente entre lo s circuito s derivado s (fi gura 7B). Tam-bién se dispo ne de una barra co lecto ra para el co n-ducto r neutro .
El panel de servicio y el centro de distribució n co ns-tituyen el llamado c e ntro de c a rg a o ta ble ro g e ne ra l de fusibles del sistema eléctrico de la vivienda.
El cable de alimentació n, o lo s co nducto res que co -nectan el panel de servicio co n el centro de distribu-ció n, llevan el cable “vivo ”, el neutro y, eventualmen-te, la tierra.
El cable “vivo ” transpo rta la co rriente demandada po r lo s equipo s co nectado s al sistema eléctrico de la vivienda; y el neutro , la lleva de reto rno a la red de distribució n pública. El co nducto r de tierra no co ndu-ce co rriente, y só lo sirve de pro tecció n; po r tal mo ti-vo , siempre debe pro curarse utilizar un cable de tierra (aunque no sea abso lutamente indispensable desde el punto de vista eléctrico , co mo sí lo es el neutro ).
Barra para neutro Cable “vivo” Cable neutro Barras para “vivo” Interruptor principal Barra para neutro Cable neutro Barras para “vivo” Cable “vivo” Breaker principal Espacios reservados para futura expansión Cochera y baño 20A (GFCI) Abridor de la cochera 15/20A Sala y cuarto de estudio 15/20A Secadora de ropa 30A Horno 20A Lavadora de ropa 15/20A
Salidas para alcobas 15/20A
Luces de alcobas y pasillo 15/20A
Salidas para la cocina 20A
Salidas para la cocina 20A
Luces de cocina y comedor 15/20A Estufa 50A Calentador de agua 20A Figura 7 A B C
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De acuerdo co n lo que indican las no rmas, las iden-tidades de lo s co nducto res neutro y tierra deben pre-servarse a lo largo de una instalació n. Esto se lo gra utilizando co lo res especiales para ello s. En sistemas de 120/ 240V o 120/ 208 V, el neutro se reco no ce po r ser de co lo r blanco o gris claro ; y la tierra, po r ser de co lo r verde.
En sistemas de 220/ 380V, el neutro debe ser de color azul celeste y la tierra de co lo r verde/ amarillo . Para las fases se utilizan o tro s co lo res, y lo s más co munes so n el ro jo y el negro (sistemas de 120/ 240V o 120/ 208V) o el marró n y el negro (sistemas de 220/ 380V).
Las co nvencio nes anterio res se aplican también a lo s co nducto res que alimentan a lo s circuito s deriva-do s y que permiten identifi car rápidamente la funció n de lo s co nducto res que se encuentran a lo largo de las canalizacio nes. Esto es particularmente impo rtan-te en caso de reparacio nes, ampliacio nes y adecua-ció n de pro teccio nes.
En instalacio nes que só lo utilizan una fase, el co n-ducto r de fase es generalmente negro antes de pa-sar po r un interrupto r; y después de papa-sar po r éste, es ro jo .
Po r seguridad, el co nducto r neutro y el de tierra nunca deben ser interrumpido s.
En instalacio nes improvisadas o realizadas po r per-so nas que igno ran lo s reglamento s eléctrico s, es muy
pro bable que se utilicen co nducto res de co lo res in-adecuado s para alambrar lo s circuito s o que se ins-tale un interrupto r so bre la línea del neutro . En esto s caso s, antes de realizar cualquier reparació n o mo -difi cació n, es impo rtante hacer una prueba inicial del circuito so specho so para identifi car el neutro , la tie-rra y las fases.
Más adelante aprenderemo s alguno s méto do s para verifi car esta situació n; específi camente, en lo s temas de tipo s e identifi cació n de circuito s derivado s.
Circuitos derivados
Lo s circuito s que distribuyen fi nalmente la electricidad a lo s distinto s elemento s eléctrico s de una instalació n residencial, se deno minan c irc u ito s d e riv a d o s . Un circuito derivado se fo rma co n la to talidad de lo s dis-po sitivo s de iluminació n (lámparas o fo co s) y de to ma-co rriente ma-co nectado s a lo s ma-co nducto res de fase, neutro y tierra, pro venientes del centro de distribució n.
En general, cualquier segmento de una instalació n eléctrica que se extiende más allá del centro de dis-tribució n, es un c irc u ito d e riv a d o .
Circuito derivado de lámparas
Circuito derivado de tomacorrientes
Control de distribución Figura 8 Figura 9 Tablero de distribución principal subpanel de distribución principal Alimentadores
