Tabla de contenido
Introducción
En corriente continua (CC), el flujo de carga es unidireccional. En CC, el voltaje y la corriente mantienen una polaridad y dirección constantes. La fuente de corriente continua es la batería. Por otro lado, en corriente alterna (CA), el flujo de carga invierte periódicamente la dirección. En CA, el voltaje cambia de polaridad de positivo a negativo y viceversa durante un período de tiempo. Este cambio en la polaridad del voltaje se debe a un cambio en la dirección de la corriente. La CA es una fuente de energía que se utiliza para alimentar hogares, oficinas, industrias, etc. Las ondas sinusoidales son la forma más común de alimentación de CA, pero algunas aplicaciones utilizan una variedad de formas de onda, como ondas triangulares, ondas cuadradas y ondas de diente de sierra.
La forma más común de fuente de alimentación de CA es una onda sinusoidal. La función matemática que describe un voltaje de CA típico se ve así:
V
V
t es un tiempo variable en segundos.
VMax es el valor máximo en el que una onda sinusoidal puede alcanzar direcciones positivas y negativas. VMax para ciclos positivos y -VMax para ciclos negativos.
ω es la frecuencia angular. ω = 2πf.
f es la frecuencia de la onda sinusoidal.
En los circuitos de corriente continua, el cálculo de corriente, tensión y potencia se realiza mediante la ley de Ohm. Se supone que la polaridad tanto del voltaje como de la corriente es constante.
Para circuitos de CA resistivos puros, los valores de inductancia y capacitancia son insignificantes. Por lo tanto, el cálculo de la corriente, el voltaje y la potencia sigue el mismo principio que la ley de Ohm y la ley del circuito de Kirchhoff. La diferencia radica en el uso de valores instantáneos de pico a pico o rms.
Resistencias de alimentación de CC y CA
Las resistencias son dispositivos pasivos. No consume ni genera energía. La energía aquí es energía eléctrica. Pero las resistencias disipan la energía eléctrica en forma de calor.
Las resistencias de la fuente de alimentación de CC se muestran a continuación
En los circuitos resistivos de CC, la resistencia, que es la relación entre el voltaje y la corriente, es lineal.
Las resistencias para la fuente de alimentación de CA se muestran a continuación
En los circuitos de CA, la relación tensión-corriente depende principalmente de la frecuencia de potencia f y del ángulo de fase o la diferencia de fase φ. Por lo tanto, el término impedancia se usa en circuitos de CA para describir la resistencia porque tiene amplitud y fase, a diferencia de la resistencia en los circuitos de CC, que solo tienen amplitud. El símbolo de impedancia es Z.
Relación de fase V-I en un circuito de CA de resistencia pura.
Los valores de resistencia de las resistencias en los circuitos de CA y CC son los mismos independientemente de la frecuencia de la tensión de alimentación de CA. Los cambios en la dirección actual de la fuente de alimentación de CA no afectan el funcionamiento de la resistencia. Por lo tanto, la corriente en la resistencia sube y baja dependiendo del voltaje, a medida que el voltaje sube y baja.
El voltaje y la corriente del circuito de resistencia de CA alcanzan el máximo, luego caen a cero y, al mismo tiempo, alcanzan el mínimo. Suben y bajan exactamente al mismo tiempo, por lo que se dice que están “desfasados”.
Considere el siguiente circuito de CA:
Aquí, la corriente es I
Voltaje V
Dado que el circuito es puramente resistivo, el efecto de la inductancia y la capacitancia es insignificante y la diferencia de fase es 0.
Por lo tanto, la relación entre el voltaje y la corriente en las resistencias, que forman parte de un circuito de CA de resistencia,
Los valores instantáneos de corriente y voltaje están “en fase” a lo largo del eje x de la curva. Suben y bajan al mismo tiempo, alcanzando el máximo y el mínimo exactamente al mismo tiempo. Esto significa que su ángulo de fase es θ = 00. A continuación se muestra un diagrama vectorial que muestra este ángulo de fase con una comparación de los valores máximo y mínimo de voltaje y corriente.
Cálculo de potencia, voltaje y corriente de CA
Los valores instantáneos de la corriente y el voltaje en el circuito de resistencia de CA se pueden usar para dar la resistencia en forma óhmica usando la ley de Ohm.
Considere el siguiente circuito de resistencia con alimentación de CA:
Sea el voltaje de la fuente de alimentación V
El Tor que pasa el voltaje instantáneo al regis es VR.
Déjame oírR Es la corriente instantánea que fluye a través de la resistencia.
Dado que el circuito anterior es de naturaleza de resistencia pura, se puede aplicar el principio de Ohm.
A partir de la ley de Ohm, el voltaje a través de la resistencia en una t instantánea viene dado por:
VR =VMáximo sin ωt.
De manera similar, la corriente que fluye a través de una resistencia a una t instantánea se puede determinar usando la ley de Ohm de la siguiente manera:
YoR =VR /R (R)
Sin embargo, VR =VMáximo sin ωt.
Por lo tanto,R = (VMáximo * sin ωt) / R
Sin embargo, el valor VMáximo /R no es más que la corriente máxima en el circuito representada por I.Máximo..
Por lo tanto,R = IMáximo sin ωt.
En un circuito de CA en serie resistiva pura, el voltaje de todo el circuito es igual a la suma de los voltajes de las resistencias individuales, ya que en un circuito resistivo puro los voltajes individuales están todos en fase. De manera similar, la corriente total de un circuito de CA paralelo resistivo puro es la suma de las corrientes de derivación individuales de todas las ramas resistivas paralelas.
Para calcular la potencia de un circuito de CA, el factor de potencia juega un papel importante. El factor de potencia se define como el coseno del ángulo de fase entre la corriente y el voltaje. El ángulo de fase se indica con el símbolo φ.
Si P es la potencia activa del circuito medida en vatios y S es la potencia aparente del circuito medida en voltios-amperios, entonces la relación entre la potencia activa y la potencia aparente viene dada por:
P = S Cos φ。
Para un circuito de CA resistivo puro, el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje es 00Por lo tanto, φ = 00. Por lo tanto, el factor de potencia Cos φ es Cos00 = 1.
Por lo tanto, la potencia activa es igual a la potencia aparente, que es el producto del voltaje y la corriente.
En un circuito de CA resistivo puro, la potencia de cualquier momento en el circuito se puede encontrar calculando el producto del voltaje y la corriente en ese momento.
La potencia disipada por el circuito anterior se puede calcular con la siguiente ecuación:
P = VRMS *YoRMS * Cos φ。
φ = 00 En este caso, la potencia es
P = VRMS *YoRMS
El poder de la resistencia pura
En el caso de un circuito de CA resistivo puro, no hay ángulo de fase entre la corriente y el voltaje, por lo que la potencia disipada en el circuito es simplemente el producto del voltaje y la corriente.
A continuación se muestra la forma de onda de potencia de un circuito de CA de resistencia pura.
La forma de onda de potencia consiste en una serie de pulsos positivos. Esto se debe a que si tanto el voltaje como la corriente son positivos en la primera mitad del ciclo, entonces el producto, que es la potencia, también es positivo. Y si en la segunda mitad del ciclo tanto el voltaje como la corriente son negativos, entonces sus fuerzas productivas volverán a ser positivas (-V x -I = + P). Por lo tanto, el valor de la potencia siempre es mayor o igual que cero.
A partir de la forma de onda anterior, podemos ver que cuando tanto el voltaje como la corriente aumentan, la potencia aumenta, y cuando tanto el voltaje como la corriente alcanzan su máximo, alcanzan su máximo. Posteriormente, cuando el voltaje y la corriente caen a cero, se convierte en cero. Cuando cambia la polaridad del voltaje y la corriente, cuando el voltaje y la corriente alcanzan un pico negativo, el valor de la potencia vuelve a aumentar y alcanza un máximo. Cuando el voltaje y la corriente son cero, el valor de la potencia es cero.
En el caso de un circuito resistivo puro de una fuente de alimentación de CA RMS, el consumo de energía es el mismo que cuando una resistencia está conectada a una fuente de alimentación de CC.
P = VRMS * IRMS = I2RMS * R = V2RMS/R.
VRMS e IRMS son los valores rms de voltaje y corriente, respectivamente.
P es la potencia en vatios.
R es la resistencia (ohmios) (Ω)
Para comparar los efectos de calentamiento causados por la CA y la CC, la corriente continua debe compararse con el valor RMS de la corriente alterna, pero no con la corriente máxima o la corriente máxima IMAX.
Ejemplos de resistencias en circuitos de CA
Ejemplo 1
Considere el siguiente circuito:
El elemento calefactor, que es inherentemente resistivo, está conectado a una fuente de alimentación de 240 V CA. El elemento calefactor consume 1,2 K vatios de potencia. Su valor de resistencia se puede calcular de la siguiente manera
La corriente que fluye a través del elemento calefactor es
I = P/V
P = 1.2K vatios = 1200 vatios.
V = 240 V.
Por lo tanto, I = 1200 / 240 = 5 amperios.
El valor de resistencia del elemento calefactor se puede calcular utilizando la ley de Ohm de la siguiente manera:
R = V / I
R = 240 / 5 = 48 Ω.
[Ejemplo 2]
Considere el siguiente circuito:
Una resistencia con una resistencia de 47 Ω se conecta a una fuente de alimentación de 120 V.
El valor de la corriente que fluye a través de la resistencia y la potencia que disipa se puede calcular de la siguiente manera:
La corriente que fluye a través de la resistencia se puede calcular utilizando la ley de Ohm
I = V/R
I = 120 / 47 = 2,55 amperios.
La potencia disipada por la resistencia viene dada por:
P = I2 * R = V2 / R
P = 1202 / 47 = 306 vatios.