1

CIRCUITOS ELÉCTRICOS

CORRIENTE CONTINUA

En la actualidad, gracias al avanzado estado de la tecnología, disponemos de un

gran número de máquinas que nos facilitan los trabajos y mejoran nuestra calidad de

vida. Basta pensar en ascensores, automóviles, trenes, electrodomésticos, computadores,

etc., para darnos cuenta de esta realidad.

Todas estas máquinas y sistemas, para funcionar, necesitan energía que, por lo

general, se producirá en un lugar alejado del de consumo.

La transmisión de energía eléctrica desde un lugar a otro se realiza mediante una

serie de elementos que forman un circuito eléctrico.

1. CIRCUITOS ELÉCTRICOS. GENERALIDADES.

Los circuitos eléctricos deben entenderse siempre como cerrados; es decir, los

electrones, como partículas portadoras e carga eléctrica, deben recorrer un camino de

ida desde el generador (o centro de producción de corriente) hasta el receptor (o centro

de consumo); y otro de retorno, desde éste a aquél.

Entre todos los componentes de un circuito eléctrico, los generadores se

encargan de transformar la energía de entrada al circuito para poner en movimiento las

cargas eléctricas, por lo que se consideran elementos activos del circuito. Los demás

componentes del circuito son elementos pasivos: receptores, elementos de control y

protección.

En este tema, se estudiarán detenidamente las características de los componentes

de un circuito eléctrico básico.

2. GENERADORES ELÉCTRICOS.

Por generador se entiende la máquina capaz de transformar una energía en

energía eléctrica, es por tanto, el elemento activo del circuito.

Dependiendo de cómo generen la energía eléctrica se dividen en:

o Estáticos:

Pilas.

Baterías.

Células fotovoltaicas.

o Dinámicos:

Dinamos.

Vamos a describir cada uno de los generadores a continuación.

2.1. PILAS Y BATERÍAS

Generan corriente continua, y su fundamento consiste en la reacción química

que tiene lugar en su interior. Esta reacción química por medio del electrolito,

desprende electrones de la placa positiva que caminan hacia la placa negativa. De esta

forma, se establece un flujo de electrones que da como resultado una corriente eléctrica.

2

El comportamiento de una batería es el mismo que el de

una pila, con la diferencia de que ésta permite, una vez agotada,

ser recargada de nuevo. El material con que se fabrican las placas

de una batería es, generalmente, peróxido de plomo para las

placas positivas y plomo para las placas negativas. Estas placas,

entrelazadas y separadas por un aislante, se introducen en la caja de la batería y se

sumergen en un electrolito compuesto a base de ácido sulfúrico.

CARACTERÍSTICAS

Las características más importantes de las pilas y baterías son:

Resistencia interna: Las pilas internamente transportan electrones desde

el polo positivo hasta el negativo (a través del electrolito), gracias a su

energía interna. Este electrolito ofrece, una resistencia al paso de la

corriente, que se denomina resistencia interna (r). Este valor es constante

para cada pila o batería.

Capacidad: Es la cantidad de electricidad que puede suministrar la pila o

la batería en una descarga completa. Se mide en amperios hora (Ah) o

miliamperios hora (mAh). La capacidad depende de las dimensiones y

materiales con los que esté fabricada.

Fuerza electromotriz (e): Es el voltaje que hay entre sus bornes cuando

está en circuito abierto. Cuando el circuito al que está conectada está

cerrado, la tensión en los bornes (V) disminuye y es igual a:

V = e - (r · I), donde I = e / (R + r).

2.2. CÉLULA FOTOELÉCTRICA

La célula fotoeléctrica constituye un elemento de generación de corriente

continua muy utilizado en aquellos sitios donde no existen líneas eléctricas.

La célula está formada por silicio cristalino con un alto grado de pureza. Cuando

recibe el impacto de un rayo de luz (fotón), los electrones de sus últimas capas se ponen

en movimiento y, como consecuencia, originan una corriente eléctrica.

Esta técnica está en constante investigación para conseguir abaratar la tecnología

de fabricación de las células, a la vez que el voltaje que se consigue es más grande. Hoy

en día una célula de 10 cm de diámetro alcanza un voltio en corriente continua.

La agrupación de varias células forma un panel fotovoltaico. Suelen estar

acopladas en serie, para obtener la suma de sus voltajes.

2.3. GENERADORES DE C.C. ELECTROMAGNÉTICOS. DINAMOS.

Los dos principios fundamentales de todo generador dinámico son:

Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo

magnético se mueve de tal forma que corta líneas de flujo magnético, se

genera en él una fuerza electromotriz (f.e.m.).

Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro

de un campo magnético, se produce una fuerza mecánica que tiende a

mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo

magnético.

3

El generador de corriente continua más conocido recibe el

nombre de dinamo. Estos generadores son máquinas eléctricas

rotativas que transforman la energía mecánica de rotación de un

eje en energía eléctrica, siendo la corriente obtenida continua. Se

basan en el fenómeno conocido como inducción

electromagnética, que consiste en la aparición de una corriente

(inducida) en un conductor que se mueve en el interior de un

campo magnético cortando líneas de fuerza.

2.4. ACOPLAMIENTOS

A veces suele ocurrir que en un mismo circuito hay acoplado más de generador.

El resultado final dependerá de la forma del acoplamiento. En un circuito eléctrico

sencillo, los generadores se pueden acoplar de tres formas:

En serie: El polo positivo de un generador se conecta con el negativo del

siguiente. La fuerza electromotriz de la agrupación de generadores es la

suma de las fuerzas electromotrices de cada uno. Si alguno está al revés,

se resta. V = V1 + V2 + V3

En paralelo: Todos los positivos se unen entre sí, por un lado, y todos los

negativos se unen, también por el otro. Solamente se pueden acoplar

generadores que produzcan la misma fem. el voltaje del conjunto es igual

al voltaje de uno de ellos. V = V1 = V2 = V3

Mixto: La fuerza electromotriz de cada una de las series debe ser igual al

resto. Su valor será igual al que proporcione una cualquiera de las series.

2.5. GENERADORES DE CORRIENTE

Además de los generadores de tensión, existen también generadores de corriente.

Suministran corriente eléctrica de una determinada intensidad.

3. RESISTENCIAS ELÉCTRICAS.

En los circuitos eléctricos se utilizan conductores de baja resistencia para evitar

el efecto Joule.

Pero, en ocasiones, es necesario aumentar la dificultad al paso de la corriente en

alguna rama del circuito o crear resistencias adicionales para proteger un receptor de

sobrecargas.

Para ello, se intercalan en el circuito componentes denominados genéricamente

resistencias.

Según el tipo de dificultad que oponen al paso de la corriente, las resistencias se

clasifican en tres tipos: fijas, variables y dependientes.

3.1. RESISTENCIAS FIJAS

Las resistencias fijas tienen un valor constante, dentro de unos márgenes de

tolerancia. Tanto su valor como la tolerancia se indican mediante un código de colores

impreso sobre la cápsula de protección.

Según su forma de construcción, distinguimos las siguientes:

Aglomeradas: Están constituidas por una mezcla de grafito, resina y talco en

proporciones adecuadas. A la mezcla se le da forma cilíndrica y en sus extremos

4

se colocan unos casquillos a los que van soldados los

terminales. El conjunto se recubre de una capa

plastificada de protección. Suelen ser resistencias de

valores altos y térmicamente inestables; es decir, si se calientan demasiado

puede cambiar el valor de su resistencia de forma permanente.

De película de carbón: Se construyen a partir de un

pequeño cilindro cerámico aislante que se recubre de una

película de carbón. Sobre esta película se practican unos

surcos de forma helicoidal, con lo que se consigue una

pista de longitud y anchura determinadas para conseguir el valor de resistencia

deseado. El conjunto también va recubierto de una película protectora. Son las

más empleadas en la actualidad debido a su gran estabilidad térmica.

De película metálica: Se fabrican del mismo modo que las

de película de carbón, sólo que ésta se sustituye por una

aleación a base de cromo. De gran estabilidad térmica, se

emplean cuando se necesita una gran seguridad de funcionamiento.

Bobinadas: Sobre un soporte aislante, habitualmente de

porcelana, se enrolla un hilo conductor de una aleación de

alta resistividad, como el nicrom o el constantán. El

conjunto se recubre de una capa de esmalte. Se utilizan en circuitos de gran

potencia.

3.2. RESISTENCIAS VARIABLES.

Las resistencias variables se caracterizan porque en ellas se puede regular su

valor óhmico dentro de los márgenes previstos. Se las denomina también

potenciómetros o reostatos y pueden ser de película de carbón o bobinadas:

De película de carbón: La película de carbón se deposita en un

soporte circular sobre el que se desliza un cursor. Al variar la

posición del cursor, se modifica el valor de la resistencia.

Bobinadas: Se arrolla el hilo conductor alrededor de un soporte cerámico y se

vitrifica el conjunto, excepto la zona por donde se desliza el

cursor. Cuando éste se mueve, intercepta más o menos

espiras y se modifica así el valor de la resistencia.

3.3. RESISTENCIAS DEPENDIENTES.

Las resistencias dependientes están constituidas por materiales semiconductores

cuyo valor óhmico varía en función de diferentes características. Según éstas, se

distinguen las siguientes:

Dependientes de la luz: Conocidas como LDR. Su resistencia

aumenta en la oscuridad y disminuye al incidir sobre ellas la luz.

Dependientes de la temperatura: Pueden ser de dos tipos:

NTC y PTC. En las NTC, la resistencia disminuye al

aumentar la temperatura. En las PTC, la resistencia aumenta

al ascender la temperatura.

Dependientes de la tensión: Se conocen bajo las siglas VDR. Su

resistencia disminuye al aumentar la tensión a la que están

sometidas.

5

3.4. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS

CONEXIÓN EN SERIE

Dos o más resistencias están

conectadas en serie cuando el final de

cada una de ellas va unido al principio

del siguiente. Las características

fundamentales son:

La intensidad de corriente (I) es la misma en todas las resistencias.

La diferencia de potencial entre los extremos (V) es la suma de las

tensiones parciales de cada uno de los elementos: V = V1 + V2 + V3

Si aplicamos la ley de Ohm, tendremos:

V = V1 + V2 + V3 = I·R1 + I·R2 + I·R3 = I · (R1 + R2 + R3)

En consecuencia, la resistencia equivalente (Req) de un conjunto de resistencias

conectadas en serie es igual a la suma de las resistencias individuales:

Req = R1 + R2 + R3

CONEXIÓN EN PARALELO

Dos o más resistencias de un circuito

están conectadas en paralelo cuando todos

sus orígenes se conectan a un mismo punto y

todos sus finales a otro.

Las características de las magnitudes

fundamentales de este tipo de circuitos son

las siguientes:

La intensidad de corriente (I) que recorre el circuito es la suma de las

intensidades parciales de cada una de las resistencias: I = I1 + I2 + I3

La diferencia de potencial entre los extremos (V) es la misma entre los

extremos de cada resistencia.

Si aplicamos la ley de Ohm, tendremos:

I = I1 + I2 + I3= (V/R1) + (V/R2)+ (V/R3)= V · [(1/R1) + (1/R2) + (1/R3)]

En consecuencia, la inversa de la resistencia equivalente (Req) es igual a la suma

de las resistencias individuales:

1/Req = (1/R1) + (1/R2) + (1/R3)

CONEXIÓN MIXTA

Este tipo de circuitos está constituido por resistencias conectadas entre sí de

diferentes formas, en serie y en paralelo.

El análisis de un circuito mixto requiere distinguir las partes conectadas en serie

y las conectadas en paralelo. En cada caso, deberán aplicarse las características descritas

en los apartados anteriores.

V

R1 R2 R3

V1 V2 V3

I

R1

R2

R3

V

I

I1 I2

I3

6

4. CONDENSADOR ELÉCTRICO

Por condensador se entiende un dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica

en superficies relativamente pequeñas. Consta de dos placas metálicas, o armaduras,

separadas por una sustancia no conductora (dieléctrico). Una de las armaduras se

conecta a uno de los bornes de un generador (armadura inductora), y la otra (armadura

inducida) a masa.

Conviene saber que un condensador, estudiado globalmente, es un elemento

eléctricamente neutro. Quiere esto decir que las dos armaduras poseen el mismo valor

de carga: una de ellas positiva, y la otra negativa.

Se llama carga de un condensador a la que existe en cualquiera de sus

armaduras.

La carga almacenada en un condensador es directamente proporcional al valor

de la tensión que existe entre sus armaduras, cumpliéndose:

Q = C · V

Donde C representa la llamada capacidad del condensador, cuyo valor se

expresa en faradios (F).

Un condensador tiene la capacidad de 1 faradio cuando, al someter sus

armaduras a la tensión de 1 voltio, en cada una de ellas se almacena una carga de 1

culombio.

4.1. TIPOS DE CONDENSADORES

Condensador de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas

paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Sólo permite valores de

capacidad muy pequeños. Se utiliza en radio y radar, pues carecen de pérdidas y

polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas.

Condensador de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen

adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas

finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre

una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan

varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los

terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan

tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos.

Condensador electrolítico. El dieléctrico es una disolución

electrolítica que ocupa una cuba electrolítica. Con la tensión adecuada,

el electrolito deposita una capa aislante muy fina sobre la cuba, que

actúa como una armadura y el electrolito como la otra. Consigue

capacidades muy elevadas, pero tienen una polaridad determinada, por

lo que no son adecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa

destruye el óxido, produciendo una corriente en el electrolito que aumenta la

temperatura, pudiendo hacer arder o estallar el condensador. Existen de varios tipos: de

aluminio, de aluminio seco y de tantalio.

Condensador de poliéster. Está formado por láminas delgadas

de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras.

Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos.

7

Condensador styroflex. Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado

en radio, por responder bien en altas frecuencias y ser uno de los primeros tipos de

condensador de plástico.

Condensador cerámico. Utiliza cerámicas de varios tipos para

formar el dieléctrico. Existen tipos formados por una sola lámina de

dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas.

Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las

microondas.

Condensador variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que

gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El

perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al

logaritmo del ángulo que gira el eje.

Condensador de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las

armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando

así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las

aprieta.

4.2. ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES

Al igual que las resistencias, los condensadores pueden asociarse en serie,

paralelo o de forma mixta.

En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en

serie:

1/Ceq = (1/C1) + (1/C2) + (1/C3)

Y para la asociación en paralelo:

Ceq = C1 + C2 + C3

4.3. EFECTO DEL CONDENSADOR EN CORRIENTE CONTINUA.

Cuando un condensador se carga conectándolo a un generador, o una vez

cargado se descarga a través de una resistencia, se modifica la tensión en sus armaduras;

lo que conlleva a una recepción o a una cesión de carga.

Ahora bien, si la tensión entre armaduras es constante no se producirá carga o

descarga alguna, es decir, no habrá paso de corriente.

Entonces: En los circuitos de corriente continua, al existir una tensión constante

en las armaduras del condensador, no habrá paso de corriente y, por lo tanto, el

condensador actúa como un elemento de resistencia infinita (circuito abierto).

5. BOBINA ELÉCTRICA.

Una bobina o solenoide consiste en un conductor arrollado en espiral sobre un

núcleo neutro (no conductor), frecuentemente de material magnético.

8

Es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la

autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

La bobina o inductor al ser recorrido por una corriente eléctrica provoca una

fuerza electromotriz opuesta a la que ha generado esa corriente, llamada fuerza

contraelectromotriz, y cuyo valor se define:

f.c.e.m. (e) = - L · I

donde, L es la inductancia, e es la fuerza contraelectromotriz e I la intensidad de

corriente que circula.

La inductancia o coeficiente autoinductor (L) se mide en Henrios (H).

La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando

aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye.

Matemáticamente se puede demostrar que la energía, E, almacenada por una bobina con

inductancia L, que es recorrida por una corriente de intensidad I, viene dada por:

E = ½ L · I2

5.1. ASOCIACIÓN DE BOBINAS

Al igual que las resistencias, las bobinas pueden asociarse en serie, paralelo o

de forma mixta.

En estos casos, y siempre que no exista acoplamiento magnético, la

inductancia equivalente que resulta ser para la asociación en serie:

Leq = L1 + L2 + L3

Y para la asociación en paralelo:

1/Leq = (1/L1) + (1/L2) + (1/L3)

5.3. EFECTO DE LA BOBINA EN CORRIENTE CONTINUA.

Al permanecer constante la tensión en los extremos de la bobina (que actúa

como un conductor de resistencia nula) no tienen lugar en ella fenómenos de

autoinducción y, en consecuencia, se comporta como un cortocircuito.

6. LEYES DE KIRCHHOFF.

Para resolver circuitos complicados, en los que resulta imposible la aplicación de

la Ley de Ohm, se recurre a dos leyes deducidas por el físico alemán Gustav Robert

Kirchhoff, que simplifican enormemente el cálculo.

Ante todo conviene establecer las siguientes definiciones:

Red: Es un conjunto de conductores, resistencias y generadores, unidos

entre sí de forma arbitraria, de manera que por ellos circulan corrientes

de distintas intensidades.

Nudo: Es un punto de la red donde concurren más de dos conductores.

Un nudo no tiene por qué ser necesariamente un punto geométrico. Más

9

bien podríamos decir que es aquella porción de la red cuyos puntos

tienen el mismo potencial.

Rama: Es la parte de la red comprendida entre dos nudos consecutivos y

recorrida por la misma intensidad de corriente.

Malla: Es todo circuito conductor cerrado que se obtiene partiendo de un

nudo y volviendo a él, sin pasar dos veces por una misma rama.

La primera ley de Kirchhoff se aplica a los

nudos y la segunda a las mallas; de esta forma se

obtiene un sistema de tantas ecuaciones independientes

como número de ramas compongan la red, cuya

resolución, si conocemos las fuerzas electromotrices

(tensiones generadas) y las resistencias, nos da las

intensidades de corriente en las distintas ramas.

6.1. PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF

La suma algebraica de las intensidades de corriente que concurren en un nudo es

igual a cero:

Σ Ii = 0

Esta ley surge como consecuencia de que en los nudos no puede haber

acumulación de cargas eléctricas. Por lo tanto, la suma de las intensidades de corriente

que llegan a un nudo ha de ser igual a la suma de las que salen; y si consideramos unas

como positivas y otras como negativas se obtiene la expresión anterior, que no es otra

cosa que el principio de conservación de la carga eléctrica.

6.2. SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF

La suma algebraica de las tensiones en los elementos pasivos de una malla es

igual a la suma algebraica de las fuerzas electromotrices que en ella se encuentran.

Dicho de otro modo: En todo circuito cerrado, la suma algebraica de las fuerzas

electromotrices (tensiones que producen los generadores) es igual a la suma algebraica

de las caídas de tensión (debido a los receptores existentes). Es decir:

Σ e = Σ R · I

6.3. APLICACIÓN DE LAS LEYES DE KIRCHHOFF

Previo a la resolución de cualquier ejercicio siempre es necesario definir, de

manera arbitraria, dos sentidos:

Sentido de la intensidad de la corriente (I). Se elige al azar. Si al final el valor de

alguna intensidad sale negativo, quiere decir que tiene sentido contrario. Una

vez elegido el sentido de la corriente, se escribe al lado de cada receptor su

polaridad, mediante un signo más por donde entra la intensidad y un signo

menos por donde sale.

Sentido del recorrido. Se elegirá en sentido horario o antihorario. No tiene por

qué coincidir con el sentido de la corriente. Diremos que un generador tiene una

fem positiva si el sentido elegido va del borne negativo al positivo. Se

considerará caída de tensión positiva cuando recorramos el receptor del polo

positivo al polo negativo.

10

Para aplicar correctamente las leyes de Kirchhoff en la resolución de circuitos de

corriente continua, debemos seguir los siguientes pasos:

Si en una red existen n nudos, se aplica la primera ley de Kirchhoff a n-1 nudos

cualesquiera, pues si la aplicamos al nudo enésimo la ecuación obtenida no es

independiente. Se pueden considerar como positivas las intensidades de

corriente que llegan al nudo, y negativas las que salen; aunque también se puede

seguir el criterio contrario sin que el resultado se vea afectado, pues ello no

equivale sino a un cambio de signo en la ecuación correspondiente.

Se aplica la segunda ley de Kirchhoff a todas las mallas independientes de la

red. El número de mallas independientes es igual al número de ramas menos el

de nudos disminuido en una unidad, o sea: M = R – (n-1). En la práctica, las

mallas independientes a las que se aplica la segunda ley de Kirchhoff se

determinan descomponiendo la red en las mallas más sencillas posibles, como

las piezas de un rompecabezas.