Components d'un circuit elèctric
lloc: | Cursos IOC - Batxillerat |
Curs: | Tecnologia industrial (autoformació IOC) |
Llibre: | Components d'un circuit elèctric |
Imprès per: | Usuari convidat |
Data: | dilluns, 6 de maig 2024, 02:57 |
1. Introducció
Qualsevol circuit elèctric està constituït generalment per les següents parts:- Els generadors. Són els elements que transformen una altra energia en energia elèctrica. Els principals són: piles i bateries a partir d'energia química, dinamos i alternadors a partir de energia mecànica, transformadors i inversors que transformen energia elèctrica a elèctrica, cel·les fotovoltaica a partir de la llum...
- Els receptors. Realitzen la transformació al inrevés. Una bombeta dona llum a partir de l'energia elèctrica, un motor energia mecànica, una resistència calor....
- Els conductors elèctrics són els encarregats de transmetre l'energia elèctrica pels circuits i en el transport amb el mínim de pèrdues (cables de coure o alumini). En les aplicacions teòriques considerem que són ideals i no hi ha pèrdues.
- Els mecanismes de control i comandament permeten el pas de l'electricitat per les diferents parts del circuit (interruptors, polsadors, commutadors,..., díodes, transistors,....)
- Els elements de protecció són els encarregats de desconnectar el circuit en cas d'alguna anomalia (fusibles, interruptors automàtics...)
Esquema |
Exemple de circuit elèctric Genrador → pila de corrent continu Receptor → bombeta Control → interruptor Protecció → fusible Conductor → cables elèctrics |
Circuit real
2. Diferència de potencial i intensitat del corrent elèctric. Corrent continu i corrent altern.
El potencial elèctric o la diferència de potencial entre dos punts és el treball necessari per transportar una unitat de carrega entre els dos punts del camp elèctric.La unitat de mesura de la diferencia de potencial és el volt, el símbol de la unitat és correspon a V i la variable s'anomena U.
La diferència de potencial la podem anomenar també diferència de tensió, voltatge o inclús caiguda de tensió quan ho considerem en el circuit.
La intensitat del corrent elèctric és la quantitat de carrega elèctrica que passa per un conductor en una unitat de temps. És a dir el moviment d'electrons a traves del material.
En la realitat els electrons surten del pol negatiu i es desplacen fins el positiu. En la practica s'utilitza el sentit invers anomenat sentit convencional.
La unitat de mesura de la intensitat de corrent elèctric és l'ampere, el símbol de la unitat és correspon a A i la variable s'anomena I.
En electrotècnia s'utilitzen valors instantanis (valor que adopta una variable en un moment donat) i les seves variables s'expresen en minúscules. Així parlaríem de u i i per les variables U i I.
Corrent continu i corrent altern.
En funció del sentit de circulació de les càrregues elèctriques podrem parlar de:
- Corrent continu és aquell en que les càrregues sempre es mouen en un mateix sentit. El corrent continu pot ser constant quan sempre té el mateix valor i variable quan el seu valor varia amb el temps.
- Corrent altern quan les càrregues elèctriques varien el sentit de circulació. La més habitual és el corrent altern sinusoïdal (en funció de la variable sinus).
Continu constant |
Continu variable (arrissat) |
Altern sinusoïdal |
Altern triangular |
3. Diferents elements dins un circuit
Dins els circuits elèctrics podem trobar diversos tipus de components i comportaments. Alguns d'aquest són el següents.- Resistències
- Condensadors
- Bobines
- Mecanismes de control i comandament, i elements de protecció
3.1. Resistencies
La resistència és l'oposició al pas del corrent elèctric que ofereix un conductor.Aquesta oposició depèn de:
- Del material. Concretament de la resistivitat del material.
- De la longitud del conductor. Com més llarg més resistència.
- De la secció del conductor. Com menys pas més resistència
Així la resistència R valdrà.
R = resistència [Ω] |
La unitat de mesura de la resistència elèctrica és l'ohm, el símbol de la unitat és correspon a Ω i la variable s'anomena R.
Com que el valor de la resistivitat depèn del material serà un valor fix per a cada material. El valor de la resistivitat a 20 oC dels materials més utilitzats és:
Coure: ρCu = 1,72· 10-8 Ωm
Alumini: ρAl = 2,82· 10-8 Ωm
Buscarem un material amb una baixa resistivitat quan vulguem evitar aquesta oposició al pas del corrent elèctric i amb una elevada resistivitat si busquem l'efecte contrari.
El valor de la resistivitat no és constant i varia amb la temperatura segons la següent expressió.
ρ(T) = resistivitat a la temperatura T [Ωm] |
El valor del coeficient de temperatura α dels materials mes utilitzats són:
Coure: αCu = 3,8· 10-3 Ωm
Alumini: αAl = 3,9· 10-3 Ωm
Exemple Calcula la resistència elèctrica d'un conductor d'alumini de 100 m de longitud i 1,5 mm2 de secció a 40 °C. Calculem la resistivitat a 40 °C. Calculem la resistència a 40 °C. |
Per la construcció de resistències elèctriques molt cops s'utilitza un conductor enrotllat sobre un suport. En altres, es depositen sobre un suport material com òxids metàl·lics o carbó.
Símbol de la resistència elèctrica |
En funció de si permeten o no el pas del corren elèctric podem classificar els materials com a:
-
- Conductors. Materials que permeten el pas del corrent elèctric.
- Aïllants. Materials que NO deixen passar el corrent elèctric.
- Semiconductors. Materials que permeten el pas de corrent elèctric en determinades condicions.
- Superconductors. Materials que no presenten resistència elèctrica. Aquest material presenten aquestes característiques a temperatures properes al 0 °K (-273 °C)
Conductància i conductivitat
La conductància i la conductivitat elèctrica són les inverses de de la resistència i la resistivitat. Així la conductància és la facilitat de pas del corrent elèctric per un conductor.
G = Conductancia [S] σ = conductivitat [Ω-1m-1] o [1/Ωm] |
La unitat de mesura de la conductància és el siemens, el símbol de la unitat és correspon a S i la variable s'anomena G.
3.2. Condensadors
El condensador és un element que permet emmagatzemar carrega elèctrica per efecte electrostàtic (dos càrregues properes s'atrauen). Constructivament consta de dues plaques metàl·liques (les armadures) separades per un aïllant elèctric (el dielèctric).
La càrrega emmagatzemada en un condensador és directament proporcional a la capacitat de carrega i a la tensió entre les seves armadures.
Q =carga [C] |
La unitat de mesura de la capacitat és es el farad, el símbol de la unitat és correspon a F i la variable s'anomena C.
El farad és una unitat molt petita per aquest motiu la majoria dels cops les veurem com a μF (10-6F), nF (10-9F) o pF (10-12F).
Símbol del condensador |
|
Condensador sense polarització | Condensador amb polarització o electrolític. Aquest condensadors no permeten canviar la polaritat de la connexió |
El comportament d'un condensador és diferent en corrent continu (C.C.) i en corrent altern (C.A.).
En corrent continu el condensador es carrega o descarrega en un temps determinat en funció del corrent que pot absorbir. Aquest corrent depèn de la tensió màxima, la capacitat del condensador i la resistència que limita la carrega segons les expressions:
Carrega Descarrega |
C = capacitat [F] |
Si dividim aquestes expressions per C ens permetrà calcular la tensió instantània entre extrems del condensador.
Carrega Descarrega |
u = tensió instantània [V] |
S'anomena constant de temps (τ) d'un circuit RC a la a la relació:
τ = constant de temps [s] |
Un condensador es considera totalment carregat o descarregat quan a transcorregut 5τ que equival al 99% de la carrega. Algun altres autors ho consideren per 3τ equivalent al 95%. La constant de temps es mesura amb segons [s].
gràfic carrega |
gràfic descarrega |
En el moment inicial hi ha un gran corrent elèctric que carrega o descarrega el condensador i va disminuint a mida que passa el temps. Un cop està carregat no circularà cap corrent elèctric.
Exemple Calcula la constant de temps i el temps que triga a carregar-se un condensador de 150 μF a traves d'una resistència de 220 kΩ Quina serà la carrega del condensador als 10 s de connectar-lo a un potencial de 24 V? i la tensió del condensador? |
L'energia que pot emmagatzemar un condensador ve determinada per:
E = energia [J] |
Exemple Calcula l'energia màxima del condensador de l'exercí anterior a 24 V |
El comportament del condensador en corrent altern s'estudiara en el capítol corresponent.
3.3. Bobines
A la pràctica, en corrent continu, un cop transcorregut els primers instants transitoris és comporta com una resistència. Així en el moment de la connexió o desconnexió com en corrents variables es produeix una FEM (força electró motriu) que s'oposa a l'efecte que la ha creat (llei de Lenz).
La inductància o coeficient d'autoinducció és la constat pròpia de cada bobina en funció de les seves característiques.
Constructivament En funció dels efectes |
L = inductància [L] μ = permeabilitat magnètica del nucli [Wb·m-1·A-1] Φ = flux electromagnètic [Wb] |
La unitat de mesura de la inductància és el henry, el símbol de la unitat és correspon a H i la variable s'anomena L.
Símbol de la inductància |
El nucli sobre el que estan bobinats els conductor afectà notablement en el seu comportament. Així si es precisa un increment notable de la inductància el nucli serà d'un material ferromagnètic que concentra fortament el camp magnètic.
Exemple 1 Quin serà el valor de la inductància d'una bobina de 500 espires de 25 cm2 de superfície que té 22 cm de longitud? Si no es diu el contrari es pren el valor de μ en el vuit μ0 = 4π·10-7 Wb·m-1A-1 |
La FEM generada per la bobina serà:
ε = FEM [V] |
Exemple 2 Quin serà el valor de la fem autoinduïda d'una bobina de 150 mH si el corrent augmenta 1,2 A uniformement durant 20 ms. |
El comportament d'una bobina és diferent en corrent continu (C.C.) i en corrent altern (C.A.).
En el moment de connectar o desconnectar una bobina en un circuit de corrent continu es genera una FEM a causa del flux magnètic creat. A partir de aquesta FEM creada podrem obtenir el corrent que passarà pel circuit a partir de les següents les expressions:
Connexió Desconexió |
L = inductància [L] |
S'anomena constant de temps (τ) d'un circuit RL a la a la relació:
τ = constant de temps [s] |
Es considera que el corrent d'una bobina es estable quan a transcorregut 5τ que equival al 99% del corrent. Algun altres autors ho consideren per 3τ equivalent al 95%. La constant de temps es mesura amb segons [s].
gràfic connexió |
gràfic desconnexió |
En el moment inicial hi ha una forta oposició al canvi del corrent i va disminuint a mida que passa el temps. Un cop transcorregut el temps inicial de transició, el corrent elèctric correspon al de la resistència del conductor.
Exemple Calcula la constant de temps d'un circuit que consta d'una bobina de 220 mH i una resistència de 150 Ω Quin serà el corrent de la bobina 1 ms desprès de haver-la connectat a 24 V? |
L'energia que pot emmagatzemar una bobina ve determinada per:
E = energia [J] |
Exemple En una bobina de 220 mH passa un corrent de 0,1 A durant un temps prolongat. Quin és el valor de l'energia emmagatzemada? |
3.4. Elements de control i comandament i de protecció
Mecanismes de control i comandament
Elements mecànics
Són elements que actuen per acció humana (interruptors, polsadors, commutadors, ...) o mecànicament per acció d'un altre element (finals de cursa, rodets, palpadors, ...). Estan pensats per interrompre o permetre el pas del corrent elèctric d'un circuit o dirigir el corrent per diferents circuits.
Elements electromecànics
Tenen el mateix tipus de funcionament però l'accionament és per efecte electromagnètic a partir d'un corrent elèctric (relés, contactors...).
Elements d'estat sòlid
En aquest cas podem considerar els semiconductors com elements aïllats (díodes, transistors, triacs...) i aparells que a més dels semiconductors incorporen altres elements (detectors òptics, inductius, capacitatius, magnètics, ...)
Elements de protecció
Són elements encarregats de desconnectar els circuits en cas de funcionaments erronis (curtcircuits, sobrecàrreges, corrents de derivació,...). Bàsicament n'hi ha de dos tipus: els fusibles i els interruptors automàtics.
Els fusibles incorporen en el circuit un punt dèbil. Aquest punt dèbil està constituït per un element que té una resistivitat més alta que la resta del circuit i/o un punt de fusió més baix que els altres conductors de forma que és fon en cas de sobrecàrrega o curtcircuit. Els fusibles s'han de substituir un cop han actuat.
Els interruptors automàtics desconnecten el circuit en cas de produir-se el funcionament erroni. Utilitzen diferents efectes físics (tèrmics, magnètics,...) per desconnectar l'interruptor en detectar una anomalia.
Simbologia
La simbologia d'aquests elements és molt variada degut a les diferents opcions que pot tenir cada element. La norma utilitzada és la UNE-EN 60617, a la que haurem de fer referencia per qualsevol dubte. Seguidament trobareu un petit resum dels elements utilitzats més freqüentment i en aquest enllaç trobareu un resum més extens.
Contacte normalment obert (NO) |
Contacte normalment tancat (NT) |
Commutador |
|
Interruptor accionat manualment |
Interruptor manual amb retorn automàtic (Polsador) |
Interruptor de proximitat |
Interruptor sensible al contacte |
Bobina de relé |
Bobina de relé amb desconnexió retardada |
Bobina de relé amb connexió retardada |
Relé amb contactes commutats |
Díode |
Transistor PNP |
Tiristor |
Triac |
Dispositiu detector de proximitat |
Fusible |
Interruptor automàtic |
Interruptor tèrmic commutat |