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La alfabetización promedio de la población en el campo de la electrónica y la ingeniería eléctrica deja mucho que desear. Máximo, suelda un shemka, y cómo funciona es un bosque oscuro. Desafortunadamente, todos los libros de texto en ruso están llenos de fórmulas e integrales, harán que cualquiera tenga sueño. En la literatura inglesa, las cosas son algo mejores. Hay publicaciones bastante interesantes, pero el escollo aquí es el idioma inglés. Trataré de explicar los conceptos básicos en ingeniería eléctrica de la manera más accesible posible, de forma gratuita, no de ingeniero a ingeniero, sino de persona a persona. Un lector experto también puede encontrar algunos puntos interesantes para sí mismo.
Corriente electrica
Las rutas de corriente eléctrica son misteriosas. (c) pensamientos de internet
De hecho, no. De una forma u otra, todo se puede describir con la ayuda de un modelo matemático, modelado e incluso echando un vistazo rápido a una hoja de papel, y algunas personas únicas lo hacen en su cabeza. Para quien es más conveniente. De hecho, el epígrafe de este capítulo nació de la ignorancia de lo que es una corriente eléctrica.
La corriente eléctrica se caracteriza por varios parámetros. Por voltaje U y corriente I. Por supuesto, todos recordamos las definiciones en física, pero pocos entienden sus significados. Comenzaré con el voltaje. La diferencia potencial o el trabajo de mover la carga, como escriben seca y sin interés en los libros de texto. De hecho, el voltaje siempre se mide entre dos puntos. Caracteriza la capacidad de crear una corriente eléctrica entre estos dos puntos. Llamaremos a estos puntos una fuente de voltaje. Cuanto mayor es el voltaje, mayor es la corriente. Menos voltaje significa menos corriente. Pero más sobre eso más tarde.
¿Qué es actual? Imagine que la analogía de un lecho de río (sus cables, corriente eléctrica) es la velocidad del flujo de agua en un río. Entonces el estrés aquí es la diferencia de altura entre el punto de partida del río y el punto final. O el voltaje es una bomba que impulsa el agua si el río fluye en el mismo plano. Tales analogías en las etapas iniciales son muy útiles para comprender lo que está sucediendo en el circuito eléctrico. Pero, al final, es mejor abandonarlos. Es mejor imaginar la corriente como una cierta corriente de electrones. La cantidad de carga movida por unidad de tiempo. Por supuesto, los libros de texto dicen que los electrones se mueven a una velocidad de varios centímetros por minuto y que solo el campo electromagnético importa, pero por ahora, olvídalo. Entonces, por corriente podemos entender el movimiento de la corriente eléctrica, es decir carga Los portadores, los electrones, están cargados negativamente y se mueven de un potencial negativo a uno positivo, la corriente eléctrica tiene una dirección de un potencial positivo a uno negativo, de más a menos, es común por conveniencia y la usaremos en el futuro, olvidando la carga de un electrón.
Por supuesto, la corriente en sí no aparece, necesita crear un voltaje entre dos puntos y necesita algún tipo de carga para que la corriente fluya a través de él, conectada a estos dos puntos. Es muy útil conocer la propiedad de que se necesitan dos conductores para que la corriente fluya: directa, a la carga e inversa, desde la carga a la fuente. Por ejemplo, si los conductores de la fuente de voltaje no están cerrados, entonces no habrá corriente.
¿Qué es una fuente de voltaje? Imagínelo como una caja negra con al menos dos pines para la conexión. Los ejemplos más simples de la vida real: una toma de corriente, una batería, una batería, etc.
Una fuente de voltaje ideal tiene un voltaje constante cuando una corriente fluye a través de ella. ¿Qué sucederá si cierra las pinzas de una fuente de voltaje ideal? Fluirá una corriente infinitamente grande. En realidad, las fuentes de voltaje no pueden emitir una corriente infinitamente grande, porque tienen cierta resistencia. Por ejemplo, los cables en un tomacorriente de 220v desde el tomacorriente a la subestación tienen resistencia, aunque pequeña, pero bastante notable. Los cables de las subestaciones a las centrales eléctricas también tienen resistencia. No debemos olvidar la impedancia de transformadores y generadores. Las baterías tienen una resistencia interna debido a una reacción química interna que tiene un caudal finito.
¿Qué es la resistencia? En general, este tema es bastante extenso. Quizás lo describa en uno de los siguientes capítulos. En resumen, este es un parámetro que conecta corriente y voltaje. Caracteriza qué corriente fluirá a un voltaje aplicado a esta resistencia. En la analogía del "agua", la resistencia es una presa en el camino del río. Cuanto más pequeño es el agujero en la presa, mayor es la resistencia. Esta relación es descrita por la ley de Ohm:
. Como dice el refrán: "No conozco la ley de Ohm, quédate en casa".
Al conocer la ley de Ohm, no estar sentado en casa, tener una fuente de corriente con un voltaje y resistencia dados en forma de carga, podemos predecir con mucha precisión qué corriente fluirá.
Las fuentes de voltaje real tienen algún tipo de voltaje interno y emiten algún tipo de corriente final, llamada corriente de cortocircuito. Al mismo tiempo, las baterías y los acumuladores también se descargan con el tiempo y tienen una resistencia interna no lineal. Pero por ahora, también, olvídalo, y he aquí por qué. En circuitos reales, es más conveniente analizar utilizando valores instantáneos de voltaje y corriente instantáneos, por lo que consideraremos ideales las fuentes de voltaje. Excepto por el hecho de que es necesario calcular la corriente máxima que la fuente es capaz de entregar.
En cuanto a la analogía del "agua" de la corriente eléctrica. Como ya escribí, no es muy cierto, ya que la velocidad del río antes de la presa y después de la presa será diferente, la cantidad de agua antes y después de la presa también será diferente. En circuitos reales, la corriente eléctrica que fluye dentro y fuera de la resistencia será igual entre sí. La corriente a través del cable directo a la carga, y a través del cable de retorno, desde la carga a la fuente, también es igual entre sí. La corriente no proviene de ninguna parte y no desaparece en ninguna parte, cuánto ha "fluido" en el nodo del circuito, tanto "fluirá", incluso si hay varias rutas. Por ejemplo, si hay dos formas para que la corriente fluya desde la fuente, entonces fluirá a lo largo de estos caminos, mientras que la corriente total de la fuente será igual a la suma de las dos corrientes. Y así sucesivamente. Esta es una ilustración de la ley de Kirchhoff. Es muy simple
También hay dos reglas más importantes. Con una conexión paralela de los elementos, el voltaje en cada uno de los elementos es el mismo. Por ejemplo, el voltaje en las resistencias R2 y R3, en la figura anterior, es el mismo, pero las corrientes pueden ser diferentes si las resistencias tienen resistencias diferentes, de acuerdo con la ley de Ohm. La corriente a través de la batería es igual a la corriente en la resistencia R1 y es igual a la suma de las corrientes en las resistencias R2 y R3. Cuando se conectan en serie, los voltajes de los elementos se suman. Por ejemplo, el voltaje que produce la batería, es decir, su EMF es igual al voltaje a través de la resistencia R1 + el voltaje a través de la resistencia R2 o R3.
Como ya escribí, el voltaje siempre se mide entre dos puntos. A veces, en la literatura puedes encontrar: "Tensión en un punto tal y tal". Esto significa el voltaje entre este punto y el punto de potencial cero. Puede crear un punto de potencial cero, por ejemplo, conectando a tierra el circuito. Por lo general, ponen a tierra el circuito en el lugar del potencial más negativo cerca de la fuente de energía, por ejemplo, como en la figura anterior. Es cierto que este no es siempre el caso, y el uso de cero es bastante arbitrario, por ejemplo, si necesitamos una fuente de alimentación bipolar de +15 y -15 voltios, entonces no debemos conectarla a tierra en -15V, sino en el potencial en el medio. Si aterrizas -15v, entonces obtenemos 0, +15, + 30v. Vea las fotos a continuación.
La conexión a tierra también se usa como tierra protectora o de trabajo. La puesta a tierra protectora se llama puesta a tierra. Si el aislamiento del circuito se rompe en alguna otra área que no sea la tierra, entonces una gran corriente fluirá a través del cable cero y la protección funcionará, lo que desconectará parte del circuito. Debemos proporcionar protección por adelantado colocando un disyuntor u otro dispositivo en la ruta del flujo de corriente.
A veces es imposible o imposible "aterrizar" un esquema. En lugar de tierra, se usa el término punto común o cero. Los voltajes en tales esquemas se indican en relación con el punto común. En este caso, todo el circuito es relativo al suelo, es decir. El potencial cero puede ubicarse en cualquier lugar. Ver foto.
Por lo general, Xv está cerca de 0 voltios. Por un lado, tales circuitos sin conexión a tierra son más seguros, porque si una persona toca el circuito al mismo tiempo y la tierra no fluye, porque No hay flujo de corriente de retorno. Es decir el circuito se "conectará a tierra" a través de una persona. Pero, por otro lado, tales esquemas son complicados. Si el aislamiento del circuito de la tierra se rompe en algún momento, entonces no lo sabremos. Lo que puede ser peligroso a altos voltajes Xv.
En general, la tierra es un término bastante amplio y vago. Hay muchos términos y nombres de la tierra, dependiendo de dónde "aterrizar" el esquema. Bajo tierra puede entenderse como una tierra protectora, y la tierra de trabajo (por el flujo de corriente a través de ella durante el funcionamiento normal), como la tierra de señal y la tierra de potencia (por tipo de corriente), tierra analógica y tierra digital (por tipo de señal) . Bajo tierra se puede entender como un punto común, o viceversa, bajo un punto común se entiende como o ser la tierra. Además, todas las tierras pueden estar presentes en el esquema al mismo tiempo. Entonces necesitas mirar el contexto. Incluso hay una imagen tan divertida en la literatura extranjera, ver más abajo. Pero generalmente la tierra es un circuito de 0 voltios y este es el punto desde el cual se mide el potencial del circuito.
Hasta ahora, mencionando la fuente de voltaje, no toqué el tipo de voltaje en sí. La tensión está cambiando con el tiempo y no está cambiando. Es decir Variable y constante. Por ejemplo, el voltaje que cambia de acuerdo con la ley sinusoidal es familiar para todos, este es el voltaje de 220v en los enchufes domésticos. Es muy simple trabajar con voltaje constante, ya lo hicimos arriba cuando consideramos la ley de Kirchhoff. Pero, ¿qué hacer con el voltaje alterno y cómo considerarlo?
La figura muestra varios períodos de tensión alterna 220v 50Hz (línea azul). La línea roja es un voltaje constante de 220V, para comparar.
Determinaremos, primero, cuál es el voltaje de 220v, por cierto, de acuerdo con el nuevo estándar, se supone que debe considerar 230v. Este es el valor de voltaje efectivo. El valor de amplitud estará en la raíz de 2 veces más alto y será aproximadamente 308c. El valor efectivo es el valor de voltaje al que se libera tanto calor en el conductor durante un período de corriente alterna como a un voltaje de corriente constante del mismo voltaje. En términos matemáticos, este es el valor eficaz de la tensión. En la literatura inglesa, se utiliza el término RMS, y los dispositivos que miden el verdadero valor efectivo tienen el signo "verdadero RMS".
A primera vista, esto puede parecer inconveniente, algún tipo de valor efectivo, pero es conveniente para los cálculos de potencia sin la necesidad de conversión de voltaje.
La tensión alterna sigue siendo conveniente considerarla como una tensión constante tomada en cualquier momento. Después de eso, analice el circuito varias veces, cambiando el signo del voltaje constante al opuesto. Primero, considere la operación del circuito con un voltaje positivo constante, luego, cambie el signo, de positivo a negativo.
Para voltaje de CA, también se requieren dos cables. Se llaman fase y cero. A veces el cero está conectado a tierra. Tal sistema se llama monofásico. El voltaje de fase se mide en relación con cero y varía con el tiempo, como se muestra en la figura anterior. Con una media onda positiva de voltaje, la corriente fluye de la fase a la carga activa y regresa de la carga al cable neutro. En una media onda negativa, la corriente fluye a través del cable neutro y regresa en fase.
Una red trifásica es ampliamente utilizada en la industria. Este es un caso especial de sistemas multifásicos. De hecho, todo es lo mismo que un sistema monofásico, solo multiplicado por 3, es decir Aplicación de tres fases y tres tierras simultáneamente. Primero inventado por N. Tesla, posteriormente mejorado por M.O. Dolivo-Dobrovolsky. La mejora fue que para la transferencia de una corriente eléctrica trifásica, era posible tirar cables en exceso, cuatro eran suficientes: tres fases ABC y un cable neutro o incluso tres fases, abandonando el cero. El cable neutro está muy a menudo conectado a tierra. En la figura a continuación, el total es cero.
¿Por qué hay 3 fases, y no más, no menos? Por un lado, se garantiza que 3 fases crearán un campo magnético giratorio, tan necesario para que los motores eléctricos giren u obtengan de generadores de plantas de energía, por otro lado, es económicamente beneficioso desde el punto de vista material. Menos es imposible y más no es necesario.
Para garantizar la creación de un campo rotativo en una red trifásica, es necesario que las fases de voltaje se desplacen entre sí. Si tomamos el período de voltaje completo durante 360 grados, entonces 360/3 = 120 grados. Es decir El voltaje de cada fase se desplaza entre sí en 120 grados. Ver foto abajo.
Aquí hay un gráfico del voltaje de una red trifásica de 380v a lo largo del tiempo. Como se puede ver en la figura, todo es igual que con una red monofásica, solo que hay más voltajes. 380V es el llamado voltaje lineal de la red U, es decir voltaje medido entre dos fases. La figura muestra un ejemplo de cómo encontrar el valor instantáneo de Ul. También cambia según una ley sinusoidal. Además, junto con el voltaje lineal, se distingue la fase Uf. Se mide entre fase y cero. El voltaje de fase en esta red trifásica es de 220V. El voltaje de fase y línea, por supuesto, significa el voltaje efectivo. Relacione el voltaje lineal con el de fase, como la raíz de los tres.
La carga a la red trifásica se puede conectar como desee: al voltaje de fase: entre cualquier fase y cero, o al voltaje de línea: entre dos fases. Si la carga está conectada al voltaje de fase, este esquema de conexión se llama estrella. Ella se muestra arriba. Si a voltaje lineal, entonces la conexión es un triángulo. Si la misma carga está conectada a los voltajes de línea entre las tres fases, entonces dichas redes son simétricas. La corriente a través del cable neutro no fluye en redes balanceadas. Ver foto. abajo Las redes industriales también se consideran condicionalmente simétricas. Como regla, el cero está presente en tales redes, pero solo con fines de protección. A veces puede estar ausente por completo. La pequeña imagen divertida de la wiki ilustra claramente cómo fluye la corriente en tales redes.
Esto concluye una breve descripción de la electricidad y la electricidad. Quizás en el futuro explique con los dedos cómo funcionan el diodo y el transistor, qué es un diodo zener, tiristor y otros elementos. Escribe sobre lo que te interesa leer.
Lista bibliográfica
- El arte de los circuitos, P. Horowitz. 2003.
- MOTIVOS PARA LA CONEXIÓN A TIERRA. Un manual de circuito a sistema, Elya B. Joffe, Kai-Sang Lock.
- Wiki y recursos de internet.