MODULO 2

Conceptos básicosacerca de los

circuitos eléctricos yelectrónicos

Después de que elhombre descubrió la

energía eléctrica y la forma deproducirla en grandes cantidades

quiso emplearla de maneraproductiva, razón por la cual secrearon los llamados circuitoseléctricos. En esta lección nosdedicaremos al estudio de los

circuitos y los elementosque los conforman.

MODULO 2¡Qué es un circuito eléctrico!

Es una combinación de componentes conectadosentre sí de manera que proporcionen una o mástrayectorias cerradas que permitan la circulación de lacorriente y el aprovechamiento de ésta para larealización de un trabajo útil. Si el camino no escontinuo, no hay circulación de la corriente. Dichotrabajo puede implicar:

• La conversión de la energía eléctrica en otrasformas de energía o viceversa.

• La conversión de señales eléctricas de un tipo, enseñales eléctricas de otro tipo.

Todo circuito, por sencillo que parezca, posee trescaracterísticas importantes:

• Posee una fuente de voltaje; sin ésta no puedeestablecerse un flujo de corriente.

• Existe una trayectoria cerrada, por la cual circula lacorriente desde un extremo de la fuente de voltajehasta el otro, pasando por el circuito externo.

• La trayectoria o camino por el cual circula lacorriente, presenta cierta oposición a su paso. Estopuede generar calor o limitar el paso de la

corriente, lo que equivale también a una pérdida deenergía que en la mayoría de los casos no se tieneen cuenta.

Los circuitos eléctricos y electrónicos, aunquepueden estar conformados físicamente por una grancantidad de componentes, lo cual los hace ver muycomplejos, están todos compuestos por tres elementosbásicos. Figura 2.1

La fuente de voltaje

Suministra la fuerza necesaria para impulsar unacorriente de electrones a través de los circuitos. Dichafuerza recibe el nombre de voltaje.

El voltajePara que haya un flujo de corriente a través de uncircuito es necesario aplicar una fuerza capaz demover los electrones libres que se encuentren en elcircuito, llamada voltaje y es proporcionada por unafuente la cual, recordemos, posee una diferencia depotencial entre sus terminales debido a la acumulaciónde cargas eléctricas en ellos. En otras palabras, elvoltaje nace en la fuente. En la figura 2.2 se muestranlos símbolos empleados para representar algunos tipos

Figura 2.1 Estructura básica de un circuito. El circuito eléctrico es un camino cerrado por el cual viaja la corriente eléctrica. Si elcomino no es continuo, no hay flujo de corriente

MODULO 2

Figura 2.2. Simbologia de los fuentes de voltaje comunes

de fuentes comunes. Los voltajes en un circuito sedesignan en varias formas dependiendo de sunaturaleza, asi:

• El voltaje entre los terminales de la fuente dealimentacion se denomina fuerza electromotriz(FEM)

• El voltaje entre los terminales de una carga, esllamado caída de voltaje.

• El voltaje entre dos puntos cualesquiera de uncircuito, se llama diferencia de potencial.

El voltaje o fuerza aplicada a los circuitos puede serbásicamente de dos formas:

• Si los electrones se impulsan siempre en la mismadirección, es decir, que la fuente conserva siemprela misma polaridad, el voltaje es continuo (VCC).

• Si por el contrario, los electrones se impulsanprimero en una dirección y luego en la otraalternando continuamente la dirección de la fuerzaes decir, cambiando alternativamente de polaridad,el voltaje es alterno (VCA).

Tanto la corriente como los componentes queconforman los circuitos reaccionan de manera di-ferente ante las dos formas de voltaje; esto lo es-tudiaremos en una próxima lección.

embargo en electricidad y electrónica se manejanvoltajes mayores y menores que el voltio, por lo cual esnecesario disponer, además de la unidad fundamental,de otras unidades secundarias de medidadenominadas múltiplos y submúltiplos.

• Los múltiplos, son unidades mayores que la unidadfundamental, y contienen a ésta varias vecesexactamente.

• Los submúltiplos, por el contrario, son unidades demedida más pequeñas que la unidad fundamental yse encuentran contenidos en ésta varias vecesexactamente.

En la Tabla 2.1 se muestra un resumen de losmúltiplos y submúltiplos del voltio.

Conversión de unidadesPara hacer los cálculos necesarios para la aplicaciónde fórmulas matemáticas en electricidad y electrónica,necesitaremos con frecuencia convertir una unidaddada en otra más grande o más pequeña. Paraconvertir pequeñas unidades en grandes y viceversa,se siguen las siguientes reglas prácticas:

• Para convertir de voltios a milivoltios se multiplica por mil (1.000) el número de voltios dados, lo que equivale a correr el punto decimaltres lugares a la derecha en la cantidad de voltios. Ejemplos:

Convierta 0,532 voltios en milivoltios. Multiplicamospor 1.000 los voltios dados:

Unidad de medidaLa unidad empleada para medir el trabajorealizado por la fuente al mover los electro-nes, recibe el nombre de voltio (V). El nú-mero de voltios representa la cantidad defuerza aplicada a un circuito; a mayor voltaje,mayor será la fuerza aplicada al circuito y porlo tanto habrá mayor corriente. Sin Tabla 2.1. Múltiplos y submúltiplos del voltio

Es decir, 0,532 voltios equivalen a 532 mV.

MODULO 2Para convertir milivoltios en voltios se divide elnúmero de milivoltios dados entre mil (1.000). Estoequivale a correr el punto decimal tres lugares a laizquierda en la cantidad de milivoltios. Ejemplos:

Convierta 12 milivoltios en voltios. Dividimos entre1.000 los milivoltios dados:

Figura 2.4. Simbologia de los cargas comunes

Es decir, 12 milivoltios equivalen a 0,012 voltios.

¿Con qué se mide?El voltaje o fuerza electromotriz puede ser medido:para ello se emplea un instrumento llamadovoltímetro. Éste debe conectarse en paralelo con elelemento en el cual desea hacerse la medición, talcomo se muestra en la figura 2.3. Antes de usar esteinstrumento es necesario tener en cuenta la polaridady seleccionar un rango o escala superior al voltajemáximo que se desea medir. Su manejo se trata conmayor profundidad en la sección de electrónicapráctica.

La carga o receptor de energía

Ésta convierte la energía de los electrones en movi-miento en señales eléctricas u otras formas de energía.En la figura 2.4 se muestran los símbolos empleadospara representar algunos tipos de carga comunescomo una resistencia, una lámpara, un motor o unparlante. El hecho de que un material por el cual estácirculando corriente se caliente, demuestra que elvoltaje aplicado efectúa un trabajo para mover elec-trones contra cierta oposición. Esta oposición al pasode la corriente se denomina resistencia Dicho con-cepto se estudiará más adelante.

Los conductores

Éstos proporcionan un camino fácil o de baja resis-tencia para la circulación de la corriente hacia y desdela carga. A este grupo pertenecen todos los materialesen los cuales la corriente eléctrica pasa con sumafacilidad,como son los metales y el agua,entre otros.La habilidad de un material para conducir depende dela abundancia de electrones libres que haya en él. Serepresentan mediante lineas rectas, debido a que elgrado de oposición que éstos presentan al paso de lacorriente es tan pequeño (aproximadamente cero), quepuede despreciarse.

Por el contrario, existe otro tipo de materiales queofrecen mucha oposición al paso de la corriente y portanto, se les utiliza para bloquear o aislar el paso deellas. Se llaman también malos conductores oaislantes, debido a que poseen muy pocos electroneslibres en sus átomos, por esto el paso de la corrientees tan pequeño que se considera equivalente a cero.El vidrio, la cerámica, los plásticos y las fibrassintéticas en general, son sustancias aisladoras.Figura 2.3. Medición del voltaje

MODULO 2Conductores más usadosEn el modulo 1 aprendimos que los mejores con-ductores son aquellos que en la órbita de valenciaposeen menos de cuatro (4) electrones; en conclusión,podemos afirmar que el cobre, el oro, la plata y elaluminio son los metales mejores conductores. Elhierro.aunque es un metal no es tan buen conductorcomo los anteriores debido a que posee dos electronesde valencia, lo que lo hace más estable.

¿Con qué se prueban?La prueba de los conductores se estudia en la secciónde electrónica práctica. Pero aquí mostramos unaforma sencilla de hacerlo que no requiere de ningúnconocimiento previo sobre el manejo de equipos.Consiste en conectar el conductor con una pila y unalámpara como se muestra en la figura 2.5. S¡ lalámpara se enciende, podemos afirmar que elconductor se encuentra en buen estado, lo contrariosignifica que no lo está.

Los conductores pueden probarse tambiénmediante el óhmetro. empleado para medir re-sistencias, o mediante un probador de continuidad.Como ya lo habíamos mencionado, la resistencia delos conductores es casi cero, por lo tanto, al conectarlos dos extremos del conductor con el óhmetro, talcomo se muestra en la figura 2.6 éste debe marcaruna lectura muy baja o igual a cero; lo contrario, símarca una lectura muy alta,

esto nos indicará que el conductor se encuentra roto oabierto. Para emplear el óhmetro no debe circularcorriente por el elemento en el cual se desea hacer lamedición. Para mayor información acerca de la pruebade conductores, consulte en la sección de electrónicapráctica.

ResistenciaTodos los materiales conductores o aisladores ofrecencierta oposición al paso de la corriente, propiedad quese llama resistencia La facilidad de movimiento de loselectrones en un material depende del tipo de átomosque lo constituyen. Así, los cuerpos aislantes sonpobres en electrones libres, mientras que losmateriales conductores son ricos en electrones libres.Se dice entonces que los aisladores tienen unaresistencia muy alta y que los conductores unaresistencia muy baja. Por lo tanto, no existe ningúnconductor o aislador perfecto pues todos los materialestienen resistencia. Por ello, la resistencia se definecomo el grado de oposición que ofrece un material alpaso de la corriente eléctrica. La resistencia se repre-senta con el símbolo que aparece en la figura 2.7.

Figura 2.7. Símbolo de la resistencia

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Tabla 2.2. Múltiplos del ohmio

Unidad de medidaLa unidad empleada para medir la resistencia de losmateriales recibe el nombre de ohmio y se representacon la letra griega omega (Ω). El número de ohmiosrepresenta la cantidad de oposición que presenta unmaterial al paso de la corriente. A mayor número deohmios, mayor será el grado de oposición al paso de lacorriente y por lo tanto habrá menos corriente. Enelectricidad y electrónica se manejan, al igual quesucede con el voltaje, valores de resistencia mayoresque el ohmio, por lo cual es necesario disponer tam-bién de otras unidades secundarias de medida. Losvalores grandes de resistencia se nombran utilizandolos prefijos kilo (1.000) y mega (1.000.000). En la tabla2.2, se muestra un resumen de los múltiplos del ohmio.

Conversión de unidadesPara convertir una unidad de medida en otra se sigueel mismo procedimiento que con el voltaje, asi:

• Para convertir ohmios en kilohmios, se divide entremil (1.000) el número de ohmios dados, lo que esequivalente a correr el punto decimal tres lugares ala izquierda en la cantidad de ohmios. Ejemplos:

convierta 4.700 ohmios en kilohmios.Dividimos entre 1.000 los ohmios dados:

lohmios dados. Ejemplo: convierta 220 kilohmiosen ohmios. Para hacerlo multiplicamos por1.000 los kilohmios dados:

Es decir, 220 kΩ equivalen a 220.000 Ω .

Para convertir ohmios en megohmios.se divideentre un millón (1.000.000) el número de ohmiosdados, lo que es equivalente a correr el puntodecimal seis lugares a la izquierda en la cantidadde ohmios. Ejemplo: convierta 1.000.000 ohmios enmegohmios. Para hacerlo dividimos entre1.000.000 los ohmios dados:

Es decir 1.000.000 Ω equivalen a 1 MΩ.

Para convertir megohmios en ohmios, semultiplica el número de ohmios dados por un millón(I '000.000); esto equivale a correr el punto decimalseis lugares a la derecha en la cantidad demegohmios dados. Ejemplo:convierta 2.2megohmios en ohmios. Para hacerlo, multiplicamospor 1.000.000 los ohmios dados:

Es decir 2.2 MΩ equivalen a 2.200.000 Ω

En la tabla 2.3 se recuerda, en forma sencilla, laforma de convertir una unidad de medida en otra.

Es decir, 4.700 Ω equivalen a 4,7 KΩ

Para convertir kilohmios en ohmios se multiplica elnúmero de kilohmios dados por mil (1.000); estoequivale a correr el punto decimal tres lugares a laderecha en la cantidad de ki- Tabla2.3. Resumen conversión deunidades

MODULO 2¿Con qué se miden?En la práctica las resistencias son medidas con uninstrumento llamado óhmetro, el cual debe serconectado con la resistencia que se quiere medir sinimportar la polaridad, tal como se observa en la figura2.8.

Nunca debemos medir la resistencia en un circuitopor el cual está circulando corriente. La forma correctade manejar el óhmetro se trata con detalle en lasección de electrónica práctica.

Circuito abierto (open circuito)Como lo hemos venido mencionando, para que hayaflujo de corriente en el circuito es indispensable queexista una trayectoria continua, es decir, un caminocerrado. Cuando cualquier parte de la trayectoria seabre, decimos que el circuito se encuentra abiertopuesto que no hay continuidad en la trayectoria deconducción y por consiguiente el flujo de electrones sedetiene. La resistencia de un circuito abierto esinfinitamente alta. Un circuito abierto puede producirse por una co-

nexión suelta, porque la resistencia de carga está que-mada, por uniones mal hechas, por contactos flojos oroturas en el conductor. Si se están usando dispositivosde protección, posiblemente ellos esténquemados.AIgunos de estos casos se observan en lafigura 2.9. Dichas fallas se detectan generalmente asimple vista Además cada vez que abrimos uninterruptor, estamos produciendo un circuito abierto. Enla figura 2.10 se muestra la manera como se representaun circuito abierto.Cortocircuito (short circuit)Ya vimos como un circuito abierto impide el flujo decorriente. Estudiemos ahora el caso contrario, los cor-tocircuitos. En este caso existe una trayectoria cerradaentre los terminales de la fuente, pero la resistencia deesta trayectoria es prácticamente igual a cero, lo cualhará circular un flujo de corriente mayor al normal. Enla figura 2.11 se muestra la forma de representar estasituación. Generalmente el cortocircuito se produce poruna derivación a través de la resistencia de carga, esdecir, por instalar un alambre entre los dos bordes delreceptor, cuando se tocan dos conductores desnudos,o cuando se conectan directamente los terminales dela fuente. Figura 2.12

MODULO 2

¿Qué puede suceder si se ocasiona uncortocircuito?Al aumentar la corriente en forma excesiva, se produceen el circuito un calentamiento de los conductores quedeteriora los aislamientos y produce chispas quepueden ocasionar incendios y daños en losequipos.Analicemos el ejemplo de la figura 2.13. Uncortocircuito a través de los alambres que llevan lacorriente a la lámpara, provocará que por éstos fluya

una corriente muy grande, pero ninguna a través de lalámpara. En este caso decimos que la lámpara está encortocircuito, ésta no sufre ningún daño, pero losconductores pueden calentarse hasta quemarse. Paraevitar esto se pueden usar unos dispositivos que pro-tejan al circuito contra el flujo excesivo de corriente,llamados fusibles, los cuales se estudian detallada-mente en la sección de componentes. Figura 2.14

Queda entonces claro que para que haya circu-lación de corriente el circuito debe estar cerrado yademás, debe existir una carga que controle el flujo decorriente. Figura 2.15

La corriente eléctrica

Sabemos que el electrón es la unidad básica de laelectricidad, pero como su carga es tan pequeña, esnecesario mover millones de ellos para producir unacorriente que sea apreciable. Como dichos númerosson tan grandes sería muy difícil expresarlos con pa-labras. Por ello se ha creado una unidad más prácticallamada culombio (C) que equivale a 6.28 millones demillones de millones (6.28x10'8). El culombio re-presenta el número de electrones que se hayan enreposo o en movimiento a través de un conductor.

MODULO 2Intensidad de la corrienteEs la cantidad de electrones que pasan o circulan porun conductor en una determinada unidad de tiempo.Se representa con una flecha, se nombra con la letra ió I y se mide en amperios (A). Para medirla debemosubicarnos en un punto del conductor y establecer lacantidad de electrones que pasan por éste en unsegundo.

Como el número de electrones (carga eléctrica) semide en culombios, un amperio representa el paso deun culombio en un segundo a través de un circuito; esdecir, el movimiento de 6,28x1018 electrones en unsegundo. Esta unidad de medida se ha llamadoamperio en honor de André M Ampere (1775 - 1836),científico francés que contribuyó en forma importantecon sus investigaciones al conocimiento de losfenómenos eléctricos y magnéticos.

Es importante notar que la corriente siempre partirádel polo negativo de la batería, circulará a través detodo el circuito externo y volverá a entrar a la fuentepor el polo positivo. A esta corriente se le llamacorriente electrónica, porque los electrones libressiempre se mueven del polo negativo al positivo. Antesde que naciera la "teoría electrónica" se creía que lacorriente circulaba del polo positivo al negativo, lo cualrealmente es erróneo pero se ha aceptado porconvención y en muchos circuitos encontrará elllamado "sentido convencional de la corriente". En eldesarrollo del curso manejaremos el sentidoconvencional para representar la corriente eléctrica.Figura 2.16.

Conversión de unidadesLa unidad fundamental de la corriente y la másempleada en electricidad es el amperio (A). Sinembargo, en los circuitos electrónicos se manejannormalmente corrientes menores a un amperio encuyo caso se emplea otra unidad llamada miliamperio(mA) la cual es equivalente a la milésima parte de unamperio.es decir un amperio dividido en 1.000 partes.Para corrientes mucho más pequeñas se emplea elmicro amperio (mA) que equivale a la millonésimaparte de un amperio, es decir un amperio dividido enun millón de partes.

Para convertir unidades pequeñas de corriente agrandes y viceversa, se siguen los mismos pasos quepara el voltaje y la resistencia. En la Tabla 2.4 serecuerda, en forma sencilla, la forma de convertir unaunidad de medida en otra.

Como se mide la corrienteLa intensidad de la corriente a través de un circuito semide con un instrumento llamado amperímetro. Paraconectar éste, lo primero que debemos tener encuenta es que el amperímetro SIEMPRE se conectaen serie con la línea que suministra corriente alcircuito, tal como se muestra en la figura 2.17; de estamanera obligamos a la corriente a circular a través delamperímetro y nos aseguraremos de que la medidasea la correcta.

La teoría y el manejo del amperímetro se estudiadetalladamente en la sección de Electrónica Práctica.

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Una vez conocidos cada uno de los elementos queconforman el circuito eléctrico, analicemos sufuncionamiento mediante el siguiente ejemplo. Figura2.18

El circuito, en este caso formado por los conductores,es el medio por el cual circula la corriente que lleva laenergía de la fuente de voltaje al filamento de labombilla, donde se emplea para hacer un trabajo útil,en este caso ge-

nerar luz y calor. La resistencia de dicho filamentodetermina la cantidad de corriente que la fuenteproporcionará al circuito.