Download Entrenamiento básico Electricidad

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Bases de la electricidad
La electricidad es una forma de energía con efectos térmicos, luminosos,
magnéticos o químicos.
El ser humano siempre tuvo problemas en entender la naturaleza de la
electricidad a pesar de que la energía eléctrica es utilizada de las más
diversas formas en máquinas y equipos.
Todos utilizamos diariamente de una u otra manera, alguna forma de
electricidad o de electrónica al encender una lampara o una radio, al usar una
calculadora de bolsillo o un automóvil.
Lo importante es disponer de la electricidad dándonos igual si proviene de
una batería, de una pila o de una central eléctrica de cualquier tipo.
Todo está compuesto de átomos, cada átomo tiene un núcleo alrededor del
cual giran electrones.
Los átomos son extraordinariamente pequeños, por lo que no los podemos
distinguir a simple vista.
Su diámetro es aproximadamente 1/100000000 mm.
El núcleo, por su parte, tiene un diámetro 10000 veces más pequeño que el
diámetro del átomo.
El diámetro de un electrón es 1/10 del diámetro del núcleo.
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Fig. 1.1
Los electrones tienen una carga eléctrica negativa. Los electrones giran
alrededor del núcleo del átomo en diversas órbitas. El núcleo del átomo esta
compuesto de protones y neutrones. Los protones tienen una carga eléctrica
positiva, mientras que los neutrones son eléctricamente neutros (no tienen
carga eléctrica ). Todos los cuerpos simples son determinados por la cantidad
de sus electrones. Un cuerpo simple está conformado por átomos iguales.
Juntándose átomos diferentes se obtienen cuerpos de propiedades nuevas;
dichos cuerpos son denominados cuerpos compuestos.
Si el núcleo del átomo tiene tantos protones como electrones que giran a su
alrededor, entonces el átomo es neutro, es decir, no tiene carga eléctrica que
actúe hacia fuera. Son neutros, por ejemplo, los átomos de litio, aluminio y
sicilio, tal como lo muestran las siguientes gráficas.
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Esquemas simplificados.
Fig. 1.2
Si alrededor del núcleo del átomo giran más electrones que la cantidad de
protones que tiene el núcleo, el átomo tiene una carga negativa. Si, por lo
contrario, giran menos electrones alrededor del núcleo que la cantidad de
protones que éste tiene, entonces el átomo tiene una carga positiva.
Los átomos que muestran estas características son calificados de iones.
Iono (griego)=migrar
Dado que los electrones giran en diversas órbitas y a alta velocidad en torno
al núcleo, es necesario que actúe una fuerza de atracción para que los
electrones se mantengan en sus órbitas.
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En consecuencia, se aplica el siguiente principio:
Fig. 1.3
Fig. 1.4
TENSIÓN ELÉCTRICA
En un circuito de agua son necesarias una bomba y tuberías. La bomba se
encarga de conducir el agua hacia las tuberías mediante presión. Ello significa
que para que el agua avance por las tuberías es necesario que exista una
presión. La calefacción mediante agua caliente, por ejemplo, es un sistema
de esa índole: la bomba transporta el agua siempre en la misma dirección.
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Fig. 1.4
Al comparar la presión hidráulica o el circuito de agua con la tensión o el
circuito eléctrico, puede constatarse que en el caso del circuito eléctrico
también es necesario que actúe una determinada presión. Una batería es un
ejemplo para ello.
Existen diversas posibilidades para generar una tensión eléctrica.
1. - Generación de tensión por inducción.
2. - Generación de tensión por proceso electro-químico.
3. - Generación de tensión por calor.
4. - Generación de tensión por luz.
5. - Generación de tensión por deformación de cristales (piezo-electricidad).
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Todas las formas de generación de tensión se basan en el principio de la
separación de cargas.
Fig. 1.5
La tensión eléctrica (símbolo empleado en las formulas = U) puede medirse
con un voltímetro. La unidad de la tensión eléctrica es el voltio (símbolo de la
unidad = V). Se le da el nombre de voltio en honor al físico italiano Volta
(1745-1827).
La magnitud de la tensión generada depende principalmente de cuatro
factores:
1.
2.
3.
4.
Velocidad media del conductor.
Densidad del flujo magnético.
Longitud efectiva del conductor.
Cantidad de conductores.
La magnitud de la tensión puede calcularse de la siguiente manera:
Uo = B * L * v * z
Donde:
Uo = tensión generada (V, volts).
B = densidad del flujo magnético Vs/m2
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V = velocidad media expresada en m/seg.
L = longitud del conductor expresada en m.
Z = cantidad de conductores.
Ejemplo:
¿Cuál es la tensión si la densidad del flujo magnético es de 1 Vs/m2, la
longitud del conductor es de 0.75 m, la velocidad media es de 1.5 m7s y la
cantidad de conductores es de 150?
Uo = B * L * v * z
Uo = 1 Vs/m2 * 0.75m * 1.5m/s * 150 = 16.8 V
GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR INDUCCION
Si se mueve un conductor en un campo magnético, se induce una tensión de
corriente alterna. La generación de tensión eléctrica con un imán se
denomina inducción (tensión inducida). Este tipo de generación de tensión
eléctrica se aplica, por ejemplo, en los dínamos (automóviles, bicicletas) y en
los generadores (centrales eléctricas).
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Fig. 1.6
GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR ELECTROLISIS
Si se sumergen dos placas de materiales diferentes (por ejemplo: placa de
zinc = electrodo negativo; placa de cobre = electrodo positivo) en un líquido
conductor, se obtiene un elemento galvánico. El líquido conductor, como
puede ser por ejemplo agua salina, es denominada electrolito.
Al sumergir las placas en el electrólito, los metales se cargan, con lo que se
genera una tensión eléctrica. Tal tipo de generador de tensión es
denominado “elemento galvánico”.
Entre dos electrodos diferentes en un electrolito producen una tensión
continua.
Al conectar una unidad receptora se cierra el circuito a través del líquido
conductor. Los electrones fluyen en la línea exterior del polo negativo
(excedentes de electrones) hacia el polo positivo (deficiencia de electrones).
La magnitud de la tensión es determinada por el material de los electrones.
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Fig. 1.7
GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR CALOR
Al unir en un extremo un cable de cobre con uno de constatan y al
calentarlos, se produce una tensión de corriente continúa. La tensión
producida se sitúa en el margen de milivoltios (mV).
Este tipo de generador de tensión eléctrica es denominado termoelemento.
En la práctica los termo elementos son utilizados para mediciones de
temperatura, por ejemplo en hornos industriales.
Con este fin es necesario calibrar el voltímetro respectivo en Kelvin o grados
centígrados.
Fig.1.8
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En la siguiente tabla se indican algunos valores de temperatura de diversos
termoelemntos:
Combinaciones
de
metales
Cobre - constantán
Hierro - constantán
Níquel – cromo - níquel
Níquel - platino
Tensión térmica
MV / 373 K
4.1
5.6
4.1
0.9
Límite superior de la
Temperatura
773 K (500 C)
973 K (700 C)
1173 K (900 C)
573 K (300 C)
Fig. 1.9
GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR LUZ
Si sobre determinadas materiales cae luz o rayos X, se desprenden
electrones. Las fotoceldas se basan en este fenómeno.
Cuando incide luz sobre un elemento fotoeléctrico se genera una tensión de
corriente continua.
Fig. 1.10
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GENERACION DE TENSION ELECTRICA POR DEFORMACION DE CRISTALES
Al ejercer una presión o tracción sobre un cristal, se producen diferencias de
cargas eléctricas entre determinadas superficies de cristal. La tensión
resultante puede tomarse en superficies conductoras. Si la presión y la
tracción se alternan, la tensión de la corriente eléctrica será alterna. Un
ejemplo de este tipo es el micrófono de cristales.
Fig. 1.11
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Para medir la tensión eléctrica se recurre a un voltímetro (medidor de
tensión eléctrica).
El voltímetro siempre es conectado en paralelo en relación con la fuente o la
unidad receptora.
Si se mide una tensión de corriente continua tiene que ponerse atención en
no confundir los polos.
Fig. 1.12
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CORRIENTE ELECTRICA
Sabemos que la tensión eléctrica es una característica que distingue, por
ejemplo a una pila.
Para que pueda fluir una corriente eléctrica es necesario crear un circuito
compuesto de las siguiente partes: fuente, cables, interruptor y unidad
consumidora.
Fig. 1.13
Los electrones se desplazan del polo negativo hacia el polo positivo cuando
se cierra el circuito. Esta es la dirección en la que se desplazan los electrones.
No obstante, aparte de los portadores de carga negativa también hay
portadores de carga positiva. La dirección del movimiento de los portadores
de carga positiva es el polo positivo a polo negativo, por ejemplo en un
acumulador.
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Sin embargo la corriente como es un flujo se enfrenta a diversa resistencias
en un circuito, como pueden ser la resistencia del conductor, resistencia de la
unidad consumidora, etc.
En consecuencia, la magnitud de la corriente eléctrica es determinada por el
valor de la resistencia y por la tensión eléctrica.
La corriente eléctrica es expresada en amperios (A), el símbolo de la corriente
eléctrica = I
1 A = 1000 Ma
1 kA = 100 A
Para medir la corriente eléctrica se utiliza amperímetros, el amperímetro
deberá conectarse en serie en relación con la unidad consumidora.
La corriente eléctrica es de diversos tipos y tiene varios efectos que son
detallados en las tablas incluidas en las siguientes tablas.
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TIPOS DE CORRIENTE ELECTRICA
Fig. 1.14
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EFECTOS DE LA CORRIENTE ELECTRICA
Fig. 1.15
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PELIGOROS DE LA CORRIENTE ELECTRICA
El cuerpo del ser humano y animales son conductores eléctricos. La corriente
eléctrica puede causar quemaduras y espasmos musculares. Si la corriente
fluye a través del corazón, provoca una así llamada “fibrilación cardíaca”, lo
que puede tener como consecuencia un paro cardíaco e interrupción de
respiración.
Ello significa que en la práctica tienen que acatarse las normas de seguridad
correspondientes para evitar accidentes.
TABLA DE LA CORRIENTE ELECTRICA EN EL CUERPO HUMANO
CORRIENTE ELECTRICA
0.3 mA
1 mA
10 mA
30 mA
50 mA
EFECTO
Límite de detección
Susto
Espasmo muscular
Pérdida del conocimiento
Muerte
Fig. 1.16
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RESISTENCIA ELECTRICA
Para transportar la energía hacia la unidad consumidora, tiene que
producirse la corriente eléctrica desde el generador hacia la unidad
consumidora a través de un sistema de conductores (líneas de corriente).
Se trata, pues, de tres factores que influyen la corriente eléctrica. La unidad
de resistencia es el ohm, su símbolo de la unidad = , y su símbolo en las
formulas = R.
Haciendo una analogía con un circuito hidráulico, podemos constar que la
resistencia varía en función al diámetro y la longitud de la tubería por que
fluye el caudal del agua.
En los conductos eléctricos se observan procesos similares. La resistencia es
mayor cuanto menor es el diámetro y mayor es la longitud del conductor.
Fig. 1.16
Diversos materiales de dimensiones idénticas ofrecen resistencias diferentes
a la corriente eléctrica.
Un conductor de poca resistencia es un buen conductor de corriente
eléctrica. En ese caso se aplica el concepto de buena conductancia. Y
viceversa, un conductor de gran resistencia tiene una mala conductancia.
El oro, la plata, el cobre y el aluminio tienen un valor de resistencia bajo, por
lo que su conductancia es buena.
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RESISTENCIA DE LAS UNIDADES CONSUMIDORAS
Esta resistencia depende del rendimiento de la consumidora. En este tipo de
Vidrio, betún, aceite, goma, PVC, cartón, porcelana, baquelita, etc.
LEY DE OHM
Ya familiarizado con los conceptos de tensión, corriente y resistencia. Estas
tres magnitudes están relacionadas entre sí en un circuito, de una manera
determinada.
Según la ley de Ohm, en un circuito eléctrico la intensidad de la corriente
aumenta en la misma proporción que la tensión. Si aumenta la tensión o
disminuye la resistencia, la corriente aumenta en la misma proporción; si
disminuye la tensión o aumenta la resistencia, la corriente disminuye
correspondientemente en la misma proporción.
Ejemplo 1:
Si se tiene una bombilla de 220V, con una resistencia 500, calcular la
intensidad de corriente.
I=U/R=222V/500=0.45 A
Ejemplo 2:
¿Cuál es la resistencia de una estufa que trabaja a 220 V de tensión eléctrica
y consume 10 A?
R=V/I=220/10=22
Ejemplo 3:
¿Qué tensión deberá aplicarse a un taladro eléctrico si consume 2.73 A y la
resistencia de la misma es de 80.8 ?
U=I*R=2.73*80.8=220.58V
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Además, la ley de Ohm también indica lo siguiente:
Si aumenta la resistencia R y se mantiene constante la tensión U, la
intensidad I disminuye proporcionalmente.
Ejemplo:
Un aparato tiene que ser alimentado con una intensidad invariable de 100
mA a pesar de que la tensión oscila entre U1 = 20 V, U2 = 25 V y U3 = 28 V.
En consecuencia, deberán hallarse las resistencias que mantengan invariable
la intensidad de corriente eléctrica.
R1= U1/I = 20/0.100 = 200 
R2= U2/I = 25/0.100 = 250 
R3= U3/I = 28/0.100 = 280 
Este cálculo nos indica lo siguiente:
Si la tensión y la resistencia aumentan en la misma proporción, la
intensidad de corriente no varía.
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POTENCIA ELECTRICA
Tal como observamos en la corriente de agua, constamos que una bomba se
encarga de transportar un caudal determinado a través de la red de tuberías.
Si en vez de una bomba se recurre a una turbina, entonces puede
transformar la energía cinética de la corriente de agua en un movimiento
giratorio.
Un ejemplo de esto son las centrales hidráulicas, donde el agua cae por un
tubo donde hace que giren las paletas de una turbina. Este movimiento es
transmitido por un eje, el que a su vez acciona un generador. La potencia de
la central hidráulica depende de la cantidad de agua y de su presión. Esto
significa que se realiza un proceso de transformación de energía mecánica en
energía eléctrica.
Todos los aparatos eléctricos están provistos de una placa o etiqueta de
identificación, la cual indica, entre otros, la intensidad, la tensión y los tipos
de protección.
Tratándose de corriente continua, la potencia eléctrica se obtiene según la
siguiente ecuación
Potencia = tensión * intensidad
La potencia eléctrica se expresa en watios, La potencia mecánica se expresa
en C.V. (caballo de vapor). No obstante, la norma establece desde el año de
1978 que la potencia de los motores incluyendo motores de automóviles
tiene que expresarse en kW.
1W
= 1000 mW
1000 W = 1 kW
1 CV
= 736 W
1 kW
= 1.36 CV
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Fórmula para calcular la potencia:
P=U*I
P = I2 * R
P = U2/R
Ejemplo 1:
Una estufa está diseñada para 220 V y consume 10 A. ¿ Cuál es la potencia
total del aparato?
P = U * I = 220 V * 10 A = 2200 W = 2.2 kW
Ejemplo 2:
Una calculadora de bolsillo está prevista para U=3V y consume I = 0.00011 A.
¿ Qué potencia consume la calculadora?
P = U * I = 3 V * 0.00011 A = 0.00033 W
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MAGNETISMO
El magnetismo es un efecto esencial e importante de la corriente eléctrica. El
funcionamiento de los relés y de los contactos magnéticos, usados con
frecuencia en la práctica, se basan en el magnetismo eléctrico; el
electromagnetismo es influenciado por 3 fundamentos:
1. Todo conductor por el que fluye una corriente eléctrica crea un campo
magnético.
2. La dirección de la corriente en el conductor define la dirección de las
líneas de fuerza.
3. La intensidad de la corriente en el conductor define la intensidad del
campo magnético.
Fig. 1.17
En una bobina, por ejemplo, existe una corriente eléctrica, la cual produce un
campo magnético, el cual puede actuar otras partes, realizando la función
conmutadora en relés y contactos electromagnéticos.
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CONVERSIÓN DE CORRIENTE ALTERNA A DIRECTA
Rectificador de media onda. Fuente no regulada
La corriente y voltaje que las compañías distribuyen a nuestras casas,
comercios u otros es corriente alterna.
Para que los artefactos electrónicos que allí tenemos puedan funcionar
adecuadamente, la corriente alterna debe de convertirse en corriente
continua.
Para realizar esta operación se utilizan diodos semiconductores que
conforman circuitos rectificadores. Inicialmente se reduce el voltaje de la red
(110 / 220 voltios AC u otro) a uno más bajo como 12 o 15 Voltios AC con
ayuda de un transformador. A la salida del transformador se pone el
circuito rectificador.
La tensión en el secundario del transformador es alterna, y tendrá un
semiciclo positivo y uno negativo
POLARIZACIÓN DEL DIODO EN SENTIDO DIRECTO
Durante el semiciclo positivo el diodo queda polarizado en directo,
permitiendo el paso de la corriente a través de él. Ver gráfico.
Si el diodo es considerado como ideal, este se comporta como un
cortocircuito, (ver gráfico), entonces toda la tensión del secundario aparecerá
en la resistencia de carga.
POLARIZACIÓN DEL DIODO EN SENTIDO INVERSO
Durante el semiciclo negativo, la corriente entregada por
el transformador querrá circular en sentido opuesto a la flecha del diodo. Si
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el diodo es considerado ideal entonces este actúa como un circuito abierto y
no habrá flujo de corriente.
La forma de onda de salida de un rectificador de 1/2 onda será como se
muestra en la siguiente figura.
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Rectificador de media onda. Filtro y rizado
La tensión de salida del rectificador de 1/2 onda anterior (una onda pulsante)
muestra con claridad un voltaje en corriente continua que se pueda
aprovechar (no es constante).
Pero si incluimos a la salida de este y antes de la carga un condensador
(capacitor), este ayudará a aplanar la salida.
Cuando el diodo conduce (semiciclo positivo) el capacitor se carga al valor
pico del voltaje de entrada.
En el siguiente semiciclo, cuando el diodo está polarizado en inversa y no hay
flujo de corriente hacia la carga, es el condensador el que entrega corriente a
la carga (el condensador se descarga a través de la resistencia de carga).
El condensador al entregar corriente a la carga se descarga (disminuye el
voltaje en sus terminales). Ver la figura anterior y la siguiente, donde se
puede ver con claridad la carga del condensador y descarga del
condensador. (La línea roja)
LA TENSIÓN DE RIZADO
A la variación del voltaje (∆v) en los terminales del condensador
(capacitor)debido a la descarga de este en la resistencia de carga se le
llama tensión de rizado. La magnitud de este rizado dependerá del valor de
la resistencia de carga y al valor del capacitor.
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En el semiciclo positivo el transformador entrega corriente (a través del
diodo) al condensador C y a la resistencia RL, en el semiciclo negativo es
el capacitor el que entrega corriente a la resistencia (se descarga).
Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aun cumpliéndose esta
condición, el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy
pequeña (corriente en la carga es grande).
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Rectificador de onda completa con transformador de derivación central
FUENTE DE ALIMENTACIÓN NO REGULADA, RIZADO
Este tipo de rectificador necesita un transformador con derivación central. La
derivación central es una conexión adicional en el bobinado secundario
del transformador, que divide la tensión (voltaje) en este bobinado en dos
voltajes iguales.
Esta conexión adicional se pone a tierra. Ver gráfico
Durante el semiciclo positivo de la tensión en corriente alterna (ver Vin color
rojo) el diodo D1 conduce.
La corriente pasa por la parte superior del secundario del transformador, por
el diodo D1 por RL y termina en tierra. El diodo D2 no conduce pues está
polarizado en inversa
Durante el semiciclo negativo (ver Vin color azul) el diodo D2 conduce. La
corriente pasa por la parte inferior del secundario del transformador, por el
diodo D2 por RL y termina en tierra. El diodo D1 no conduce pues está
polarizador en inversa.
Ambos ciclos del voltaje de entrada son aprovechados y el voltaje de salida se
verá como en el siguiente gráfico:
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TENSIÓN DE RIZADO
Si a RL se le pone en paralelo un condensador, el voltaje de salida se verá
como en la siguiente figura (línea negra).
A la variación del voltaje (∆v) en los terminales del condensador / capacitor
debido a la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de
rizado. La magnitud de este rizado dependerá del valor de
la resistencia descarga y al valor del capacitor.
Si se comparar este diagrama con su correspondiente de rectificación de 1/2
onda, se puede ver que este circuito tiene un rizado de mayor frecuencia (el
doble), pero es menor. Ver ∆V en el rectificador de 1/2 onda
En cada semiciclo el transformador entrega corriente (a través de
los diodos D1 y D2) al condensador C y a la resistencia RL, Esto sucede
mientras las ondas aumentan su valor hasta llegar a su valor pico (valor
máximo), pero cuando este valor desciende es el condensador el que entrega
la corriente a la carga (se descarga).
Si se compara este diagrama con su correspondiente de rectificación de 1/2
onda, se puede ver que este circuito tiene un rizado de mayor frecuencia (el
doble), pero es menor. Ver ∆V en el rectificador de 1/2 onda
En cada semiciclo el transformador entrega corriente (a través de
los diodos D1 y D2) al condensador C y a la resistencia RL, Esto sucede
mientras las ondas aumentan su valor hasta llegar a su valor pico (valor
máximo), pero cuando este valor desciende es el condensador el que entrega
la corriente a la carga (se descarga).
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Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aun cumpliéndose esta
condición, el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy
pequeña (corriente en la carga es grande)
Nota: Hay que tomar en cuenta que el voltaje máximo que se podrá obtener
dependerá del voltaje que haya entre uno de los terminales del secundario
del transformador y el terminal de la derivación central.
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Rectificador de onda completa con puente de diodos
FUENTE DE ALIMENTACIÓN NO REGULADA
El circuito rectificador de onda completa de la primera figura más abajo, es
el que se utiliza si lo que se desea es utilizar todo el voltaje del secundario
del transformador (en el caso de un transformador con derivación central).
Cuando se utiliza la derivación puesta a tierra, en el circuito con
transformador de derivación central, la tensión de salida depende de la mitad
de la tensión del secundario.
En este circuito el transformador es alimentado por una tensión en corriente
alterna. Los diodos D1 y D3 son polarizados en directo en el semiciclo
positivo, los diodos D2 y D4 son polarizados en sentido inverso. Ver que
la corriente atraviesa la resistencia de carga RL.
En el semiciclo negativo, la polaridad del transformador es el inverso al caso
anterior y los diodos D1 y D3 son polarizados en sentido inverso y D2 y D4 en
sentido directo.
La corriente como en el caso anterior también pasa por la carga RL en el
mismo sentido que en el semiciclo positivo.
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La salida tiene la forma de una onda rectificada completa.
Esta salida es pulsante y para "aplanarla" se pone un condensador
(capacitor) en paralelo con la carga.
Este capacitor se carga a la tensión máxima y se descargará por RL mientras
que la tensión de salida del secundario del transformador disminuye a cero
("0") voltios, y el ciclo se repite. Ver las figuras.
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