1 Índice CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE ELECTRICIDAD
1.1. Magnitudes eléctricas y unidades 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos 1.3. Señales 1.4. Leyes de Kirchhoff
2 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades Magnitud es una propiedad medible de un objeto o suceso. Propiedad medible: se le puede asignar un valor numérico basado en la experimentación. Ej.: tiempo, masa, carga, corriente, tensión, potencia … Valor de una magnitud es el producto de un valor numérico y de una unidad.Unidad es una cantidad conocida del mismo tipo que se toma como referencia. Ej.: t = 9,82 s q = 7,5 µC i = 3,6 mA v = 9 V p = 60 W Magnitudes eléctricas fundamentales Carga, campo eléctrico, corriente, tensión, potencia …
3 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades Carga eléctrica Algunos objetos ejercen fuerzas a distancia sobre otros después de frotarlos. Se dice que están electrificados o cargados con electricidad (????????, elektron, ámbar en griego). Experimento: al frotar un bolígrafo atrae pedacitos de papel.
4 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades Existen dos clases de carga llamadas positiva (+) y negativa (-). Experimento: frotamos dos trozos de plástico y los acercamos.
5 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades La relación cuantitativa que relaciona la fuerza, las cargas y la distancia se llama ley de Coulomb (Gp:) q1
(Gp:) qp
6 Si hay N cargas podemos aplicar el principio de superposición: 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades …….. (Gp:) qp
(Gp:) q1
(Gp:) q2
(Gp:) qN
7 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades Campo eléctrico El campo Ep es la fuerza por unidad de carga que actúa sobre qp. Suponemos que el campo eléctrico existe aunque no esté qp
8 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades Tensión o diferencia de potencial La tensión eléctrica vAB en un punto A respecto a otro punto B es el trabajo por unidad de carga que hay que realizar para trasladar una carga de B a A. wAB es independiente del camino (Gp:) 2
(Gp:) 1
(Gp:) vAB (Gp:) + (Gp:) _
Voltio [V] Trabajo wAB que hay que realizar: (Gp:) vBA (Gp:) + (Gp:) _
(Gp:) B
(Gp:) A
(Gp:) qp
9 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades Corriente Intensidad de corriente eléctrica es la carga eléctrica que pasa por unidad de tiempo a través de una sección. (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) S
(Gp:) Corriente instantánea
(Gp:) Corriente media en
(Gp:) Unidad: amperio (A)
(Gp:) Conductores: cargas libres, hay corriente al aplicar Aislantes: cargas fijas, no hay corriente
10 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades Potencia La potencia, p, que entrega una corriente al circular entre A y B es la energía que entrega por unidad de tiempo. (Gp:) A (Gp:) B (Gp:) vAB (Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) i (Gp:) q
Energía que entrega (si wAB > 0) o absorbe (si wAB < 0) la carga q al pasar de A a B: En un circuito esta potencia es absorbida (si p > 0) o entregada (si p < 0) por un elemento. (Gp:) Unidad: vatio (W)
11 1.1 Magnitudes eléctricas y unidades Unidades y símbolos
12 Índice 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
1.1. Magnitudes eléctricas y unidades 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos 1.3. Señales 1.4. Leyes de Kirchhoff
13 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos Introducción Ingeniería es la ciencia y el arte de aplicar los conocimientos científicos en beneficio de la humanidad. Ingeniería Electrónica es la ciencia y el arte de diseñar componentes y circuitos en beneficio de la humanidad. Componente o dispositivo es un objeto físico que presenta unas relaciones determinadas de tensión y corriente. Circuito es un sistema de componentes interconectados. Elemento de circuito es un modelo matemático sencillo que relaciona la corriente con la tensión. Un componente se modela mediante uno o varios elementos. Puede haber varios modelos diferentes del mismo componente. El modelo del circuito se obtiene sustituyendo los componentes por sus modelos.
14 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos Ejemplo Modelos (Gp:) Componente (Gp:) Pila de 9 V
(Gp:) Modelo ideal
(Gp:) Modelo más aproximado
15 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos ¿Cómo se determina el modelo de un componente? (Gp:) 9,10 V
Como los instrumentos no son exactos en realidad sólo se que la tensión de la pila está entre 9,04 V y 9,16 V (Gp:) Modelo
16 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos (Gp:) Circuito formado por una pila y una resistencia
(Gp:) Modelo
VR = 9,10 V (calculado) VR = 8,75 V (medido) (Gp:) Si es necesaria más exactitud modelo más aproximado
(Gp:) 9,10 V (Gp:) VR (Gp:) + (Gp:) _
17 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos Supongamos que añadiendo una resistencia podemos obtener un modelo más aproximado de la pila. (Gp:) modelo pila
VF = 9,10 V R = 100 ? VR = 8,75 V RF = ? (Gp:) Modelo más aproximado de la pila (Gp:) 9,10 V (Gp:) 4 ?
(Gp:) VF (Gp:) RF (Gp:) R (Gp:) VR (Gp:) + (Gp:) _
18 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos Conductor ideal Mantiene la misma tensión en todos sus puntos (resistencia 0). (Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) v (Gp:) i
v = 0 (Gp:) i (Gp:) v
Componente: conductor real Se utiliza para interconectar componentes
19 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos Interruptor ideal Tiene dos estados: abierto (OFF) y cerrado (ON) Cuando está abierto no puede circular corriente. Cuando está cerrado equivale a un conductor. (Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) v (Gp:) i (Gp:) Abierto OFF
(Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) v (Gp:) i (Gp:) Cerrado ON
(Gp:) i (Gp:) v (Gp:) v = 0
(Gp:) i (Gp:) v (Gp:) i = 0
20 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos Generador o fuente independiente de tensión ideal Mantiene entre sus terminales una tensión determinada independientemente de la corriente que la atraviesa. (Gp:) vg(t) (Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) v (Gp:) i
(Gp:) i (Gp:) v (Gp:) vg(t)
(Gp:) VG (Gp:) i (Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) v
(Gp:) t (Gp:) vg(t) (Gp:) v
(Gp:) t (Gp:) v (Gp:) VG
(Gp:) i (Gp:) VG (Gp:) v
21 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos Generador o fuente independiente de corriente ideal Mantiene entre sus terminales una corriente determinada independientemente de la tensión entre ellos. (Gp:) i (Gp:) v (Gp:) ig(t)
(Gp:) t (Gp:) ig(t) (Gp:) i
(Gp:) t (Gp:) i (Gp:) IG
(Gp:) i (Gp:) IG (Gp:) v
(Gp:) ig(t) (Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) v (Gp:) i
(Gp:) IG (Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) v (Gp:) i
22 Índice 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
1.1. Magnitudes eléctricas y unidades 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos 1.3. Señales 1.4. Leyes de Kirchhoff
23 1.3. Señales Introducción Una señal es una magnitud física cuyo valor contiene información. Los circuitos electrónicos procesan señales eléctricas (tensión o corriente). Si la señal no es eléctrica se convierte en eléctrica mediante un sensor. Después de procesada puede convertirse otra vez en una señal no eléctrica mediante un actuador. (Gp:) SENSOR (Gp:) CIRCUITO (Gp:) ACTUADOR (Gp:) Señal no eléctrica (Gp:) Señales eléctricas (Gp:) Señal no eléctrica
24 (Gp:) Forma de onda (Gp:) Tensión (Gp:) tiempo
1.3. Señales Ejemplo: señal eléctrica del corazón (ECG) Ruido es toda señal no deseada que enmascara la información.
25 1.3. Señales Ejemplo: señal de voz (Gp:) MICROFONO (Gp:) CIRCUITO (Gp:) ALTAVOZ PANTALLA
(Gp:) Señal al decir 3 veces hola
26 1.3. Señales Señal escalón (Gp:) Escalón unidad
(Gp:) t (Gp:) u(t)
(Gp:) v(t) (Gp:) A (Gp:) t0 (Gp:) t
27 1.3. Señales Señal pulso (Gp:) t1 (Gp:) t2 (Gp:) A
Señal rampa (Gp:) r(t) (Gp:) t
Rampa de pendiente unidad (Gp:) t0 (Gp:) 1 (Gp:) B (Gp:) t (Gp:) v(t)
28 1.3. Señales Señal exponencial ? = constante de tiempo (Gp:) A (Gp:) t (Gp:) ?1 (Gp:) ?2 (Gp:) v(t)
29 1.3. Señales Señal sinusoidal (Gp:) A = amplitud o valor de pico 2·A = valor de pico a pico = frecuencia angular (rad/s) ? = ángulo de fase (rad)
(Gp:) f = frecuencia (Hz) T = periodo (s)
(Gp:) A (Gp:) -A (Gp:) T (Gp:) v(t) (Gp:) t
(Gp:) función periódica
Sumando sinusoides de diferentes frecuencias se puede aproximar cualquier señal (análisis de Fourier)
30 1.3. Señales Valor medio y valor eficaz T = intervalo de tiempo en el que se calcula el valor medio o eficaz. En las señales periódicas T es el el periodo. Ejemplo: señal sinusoidal
31 Índice 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES
1.1. Magnitudes eléctricas y unidades 1.2. Componentes, dispositivos y circuitos 1.3. Señales 1.4. Leyes de Kirchhoff
32 1.4. Leyes de Kirchhoff Leyes de Kirchhoff Son la aplicación a circuitos de los principios de conservación de la carga y de la energía. Nudo es el punto de interconexión de dos o más componentes. Malla es todo camino cerrado que contiene dos o más nudos. Mediante la aplicación de las leyes de Kirchhoff y las relaciones corriente-tensión de los elementos se puede analizar cualquier circuito.
33 1.4. Leyes de Kirchhoff Ley de Kirchhoff de corrientes (KCL) La suma de corrientes que entran en una superficie cerrada es igual a la suma de corrientes que salen (conservación de la carga). (Gp:) A (Gp:) B (Gp:) C (Gp:) D (Gp:) E (Gp:) iE (Gp:) iD (Gp:) iC (Gp:) iB (Gp:) iA (Gp:) iR
(Gp:) nudo A
(Gp:) nudo B
(Gp:) nudo C
iB=iA iE=iD+iC iA+iC+iD=iB+iE iR=0
34 1.4. Leyes de Kirchhoff Ley de Kirchhoff de tensiones (KVL) La suma algebraica de diferencias de tensión a lo largo de una malla es nula (conservación de la energía). (Gp:) vA (Gp:) A (Gp:) B (Gp:) C (Gp:) D (Gp:) E (Gp:) vB (Gp:) vD (Gp:) vC (Gp:) vE (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) + (Gp:) _ (Gp:) _ (Gp:) _ (Gp:) _ (Gp:) _
vA – vB= 0 -vC – vD= 0 vD + vE= 0 (Gp:) A
(Gp:) B
(Gp:) C
35 1.4. Leyes de Kirchhoff Nudo de referencia Es el nudo al que se asigna arbitrariamente una tensión de 0 V. Se suele escoger el nudo que tiene más elementos conectados. También recibe el nombre de masa del circuito y se identifica por alguno de los siguientes símbolos: Para simplificar se pone el símbolo de masa en todos los terminales que están a 0 V y no se dibuja el conductor de masa. (Gp:) A (Gp:) B (Gp:) C
(Gp:) A (Gp:) B (Gp:) C
(Gp:) El mismo circuito