CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNALa corriente alterna, representada como CA, o AC segn sus siglas en Ingls ("Alternating current"), est en todos lados en el mundo que nos rodea y es, de hecho, el tipo de circuito que se utiliza de forma abrumadoramente mayoritaria para suministrar la potencia a loscircuitos domsticosy a la industria. Esta situacin hace que sea muy importante conocer sus principios bsicos.

Un circuito de corriente alterna esta formado por una necesaria fuente defem*y uno o varios de los elementos elctricos bsicos, resistores, condensadores o inductores.

*Desde que Alessandro Volta, inventor de la primera pila en 1800, introdujo el trminofuerza electromotriz (fem), se ha convertido en tradicin el uso de tal frase para referirse a lafuente de energaelctrica que causa que lascargasse muevan en los circuitos elctricos, y aunque la palabrafuerzaest fuera de contexto, se sigue utilizando con frecuencia hoy en da.

VALORES INSTANTNEOS Es el valor de la onda en un instante cualquiera t, se representa por v(t) o i(t)Las seales senoidales son aquellas que se pueden expresar a travs de una funcin seno o coseno v(t)=Vmaxsen t i(t)=Imaxsen tSi Dondees la frecuencia angular.

VALOR EFICAZ Para nombrar a un voltaje o corriente alterna se utiliza el llamado valor eficar o RMS. Se determina mediante la expresion:

Para la funcin peridica senoidal, la expresin anterior resulta:Voltaje eficaz: Corriente elctrica eficaz:Valor eficaz=valor efectivo=valor rms

Comenzaremos la descripcin de los circuitos de CA examinando sus caractersticas con la participacin de la fuente defem, cuya representacin en los diagramas de circuitos es, y uno solo de los elementos elctricos bsicos (resistor,condensadoreinductor), despus iremos combinando los otros elementos conectados en serie unos con otros en el circuito.

1. Resistores en el circuito CAFigura 1. Circuito resistivo.

Figura 2. Corriente y voltaje en el circuito resistivo

Un circuito de este tipo,circuito resistivo, con la fuente defemy el resistor se presenta en la figura 1 a la derecha, y en la figura 2 a la izquierda el comportamiento de la corriente y el voltaje con respecto al tiempo del circuito.

Note en la figura 2 que tanto el voltaje como la corriente alcanzan sus valores mximos hacia el lado positivo del eje vertical (ejey) en el punto 1, para luego descender siempre en el lado positivo hasta el punto 2 en el que ambos son cero. A partir del punto 2 los dos comienzan a aumentar de magnitud hacia el lado negativo del eje,y,para volver a alcanzar un mximo en el punto 3. La utilizacin de los trminos "positivo y negativo" resulta en este caso absolutamente arbitraria.

Otra cuestin que puede observarse en la figura 2 es que el voltaje y la corriente suben y bajan de manera sincronizada, ambos se hacen cero, y alcanzan el mximo en una y otra direccin al mismo tiempo, y por ello se dice que estnen fase.

Como la corriente fluye primero en una direccin y luego en la direccin contraria alcanzando la misma magnitud en la misma cantidad de tiempo en un sentido y otro, no puede utilizarse el valor promedio para describirla numricamente, ya que ese valor promedio es cero. Adems la direccin de la corriente no tiene significado alguno en el comportamiento del resistor y su incremento de temperatura depende solo de la magnitud de la corriente y no de la direccin.

Corriente y voltaje alcanzan valores mximos en el mismo instante de tiempo: se dice que estn en faseSe representan con fasoresVectores rotatorios

Lapotencia electricadisipada en un resistor, que no es ms que el ritmo en que se convierte la energa elctrica en calor, responde a la expresin:

P=I2R

Y aqu hay que hacer una diferenciacin importante entre loscircuitos de corriente directa (CD) y los de alterna. En los primeros, la magnitud de la corriente (I) en un circuito resistivo con unafemdeterminada es un valor estable, de modo que la ecuacin 3 es perfectamente utilizable para calcular la energa elctrica que se convierte en calor. Pero en los segundos, es decir en los circuitos de alterna la corriente es variable y la utilizacin de la ecuacin 3 se limita solo a calcular la potencia instantnea como:

P=i2R

Dondeies la corriente en el instante de tiempo considerado.

2. Condensadores en el circuito CAFigura 3. Circuito RC.

Antes de entrar a describir el efecto del condensador en el comportamiento del circuito de corriente alterna recordemos primero el efecto del condensador en el circuito RC de corriente directa. Cuando un condensador de capacidad,C, se instala en un circuito, en serie con una fuente defem(), por ejemplo una pila, y un resistor de resistencia,R, como se muestra en la figura 3, en el instante en el que se cierra el interruptor que maneja la corriente en el circuito no hay carga en las placas del condensador y la corriente se estable relativamente libre solo limitada por el resistor. A medida que se acumula carga en el condensador la diferencia de potencial (voltaje) entre sus terminales crece y se opone a la corriente. Despus que ha transcurrido un cierto intervalo de tiempo que depende de la constante de tiempoRC, la corriente se hace cero. De este anlisis se desprende que el condensador en el circuito RC de directa se convierte en un impedimento a la corriente despus de un lapso de tiempo breve, el que ser cada vez ms corto a medida que la resistencia elctrica del resistor sea menor.

Figura 4. Circuito capacitivo puro

Figura 5. Comportamiento de la corriente y el voltaje en un circuito de CA capacitivo puro.

Veamos ahora lo que sucede si el circuito es de corriente alterna, en el que podemos prescindir del resistor, para formar un circuito capacitivo puro con un generador de corriente alterna y el condenador, como se muestra en la figura 4.

En este circuito el comportamiento de la corriente y el voltaje en funcin del tiempo difieren notablemente del circuito RC de corriente directa. En la figura 5 se presentan unas curvas generales de como se podran comportar ambas magnitudes: corriente contra tiempo, y voltaje contra tiempo.

Observe que la parte de la curva de corriente entre los puntos 1 y 2 indica que la corriente comienza con un valor de corriente muy alto, y esto es razonable ya que en ese momento (t= 0) el condensador est completamente descargado por lo que no hay nada en el circuito que limite el flujo de cargas elctricas (la resistencia de los conductores de conexin se desprecia). Sin embargo, como es de esperarse, a medida que la carga en el condensador aumenta con el paso del tiempo, el voltaje entre sus terminales crece (segmento 3-4 de la curva de voltaje) y la corriente disminuye.

Cuando el voltaje alcanza el punto 4 la corriente pasa por cero y empieza a circular a la inversa para ir aumentando de intensidad en la nueva direccin (de 2 a 5). Durante este tiempo el voltaje entre las placas del condensador comienza a caer ya que est perdiendo la carga ganada anteriormente. La otra mitad del ciclo es anloga a la mitad descrita pero en el lado negativo del ejey. Note que la corriente alcanza su valor mximo en la direccin opuesta en el punto 5 con el voltaje en cero (punto 6) y entonces decrece mientras aumenta el voltaje a la inversa entre las placas del condensador.

En este circuito la corriente y el voltaje no estn en fase como en el circuito resistivo y si nos fijamos en las curvas de la figura 5 podemos concluir que:

El voltaje alcanza su valor mximo un cuarto de ciclo despus que la corriente ha alcanzado su mximo valor y es comn que se diga que el voltaje marcha rezagado con respecto a la corriente 90

Evidentemente, el elemento limitador de la magnitud de la corriente es el condensador ya que no hay ms elementos elctricos en el circuito adems de la fuente de voltaje alterno. La capacidad limitadora del condensador se expresa en trminos de una magnitud conocida comoreactancia capacitivaXCla que se define como:

La reactancia capacitiva juega el mismo rol en los circuitos de CA capacitivos, que la resistencia elctrica de modo que podemos expresar la ley de Ohm en los circuitos capacitivos relacionando la corrientermsy el voltajermscomo:

VC=IXC

SiCest en faradios yfen hertz la unidad deXCes el ohmio.

3. Inductores en el circuito CAFigura 5. Circuito inductivo puro.

Reemplacemos el condensador de la figura 4 por un inductor (figura 5) y consideremos este circuito como inductivo puro despreciando la resistencia elctrica de los alambres de conexin y de la bobina que forma el inductor.

La corriente cambiante del generador produce un voltaje inverso auto-inducido de magnitud:

que limita el valor de la corriente. La oposicin efectiva a la corriente en el circuito inductivo se cuantifica a travs de una magnitud llamadareactancia inductiva, que se define como:

La reactancia inductiva se expresa en ohmios.Para un circuito inductivo la resistencia efectiva al flujo de la corriente se incrementa cuando sube la frecuencia. Fsicamente esto es razonable, debido a que el voltaje de oposicin crece cuando crece la frecuencia, ya que una frecuencia ms alta significa un ritmo de cambio mayor de la corriente con respecto al tiempo y con ello el crecimiento del voltaje auto-inducido.

Figura 6. Voltaje y corriente en el circuito inductivo puro.

Si planteamos la corriente y el voltaje en el inductor en funcin del tiempo (figura 6), de la misma manera que en el circuito capacitivo una sinusoide est desplazada con respecto a la otra por un cuarto de ciclo, si bien la relacin entre ambas curvas es invertida. Ahora el voltaje se adelanta a la corriente.

Tratemos de entender que sucede cuando se aplica voltaje al tiempot= 0. A medida que el voltaje crece desde cero, el inductor resiste a cualquier flujo de corriente e inducir una corriente inversa de modo que durante el incremento del voltaje la corriente en el inductor ser negativa; la corriente siempre se mantiene "por detrs" del voltaje.

Cuando el voltaje en el inductor alcanza el mximo y comienza a disminuir, el inductor ahora se opone a la disminucin del voltaje y lo hace generando una corriente positiva que ayude a mantener el voltaje alto. Por lo que en todo el ciclo la corriente siempre estar 90 fuera de fase con el voltaje.