La materia que se expone en esta serie de libros de electricidad y electrónica constituye los principios fundamentales de la electricidad y de la electrónica general. En ésta 3ª edición del tomo I se explican, de una forma clara, práctica y profesional, los principios básicos de la electricidad: Conceptos sobre corriente eléctrica, voltaje y potencia, resistencias, circuitos eléctricos básicos, ley de Ohm, Kirchhoff, Thevenin, los condensadores y sus aplicaciones, generadores, etc. Todo ello se explica combinando los conceptos teóricos con la utilidad práctica, y apoyado por diversos ejercicios desarrollados. En esta edición, además, se ha hecho una revisión general y se han añadido tres capítulos nuevos donde se tratan, de forma sencilla pero amplia, los condensadores y generadores de electricidad. El nivel técnico es básico-medio, procurando un máximo didactismo y un enfoque práctico. Estas características hacen que esta serie de libros resulte de especial interés en los estudios de formación tecnica profesional, Ciclos Formativos, el reciclaje de profesional y en general a toda persona interesada en las bases de la electricidad y la electrónica.
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Índice
Capítulo 1
Conceptos y análisis de circuitos básicos
en corriente alterna ..................................................................... 1
1.1 Resistencia puramente óhmica ................................................................. 1
1.2 La bobina en corriente alterna. Reactancia inductiva (XL) ...................... 1
1.3 El condensador en corriente alterna. Reactancia capacitiva (XC) ............ 6
1.4 Análisis de los circuitos elementales en corriente alterna ........................ 8
1.4.1 Análisis del circuito puramente resistivo ............................................... 8
1.4.1.1 Potencia eléctrica desarrollada .............................................. 12
1.4.2 Análisis del circuito puramente inductivo ............................................ 15
1.4.2.1 Potencia eléctrica desarrollada .............................................. 17
1.4.3 Análisis del circuito puramente capacitivo .......................................... 21
1.4.3.1 Potencia eléctrica desarrollada .............................................. 23
1.5 Conceptos sobre potencia en corriente alterna (activa, reactiva,
aparente y cos ) ....................................................................................... 27
1.5.1 Potencia activa (P) ............................................................................... 27
1.5.2 Potencia reactiva (Q) ........................................................................... 27
1.5.3 Potencia aparente (S) ........................................................................... 28
1.5.4 Factor de potencia (cos ) ................................................................... 29
1.6 Ejercicios desarrollados ......................................................................... 33
1.6.1 Cálculo de las potencias en el circuito inductivo ................................. 33
1.6.2 Cálculo de las potencias en el circuito capacitivo ............................... 34
1.7 Ejercicios propuestos ............................................................................. 34
Capítulo 2
Introducción al cálculo de circuitos mediante
números complejos .................................................................... 37
2.1 Introducción a los números complejos................................................... 37
2.2 El operador j (unidad imaginaria) .......................................................... 38
2.2.1 El operador j hace girar un vector 90º ................................................ 38
2.3 Concepto de número complejo .............................................................. 41
2.4 Formas de expresión de un número complejo ....................................... 44
2.4.1 Forma binómica ................................................................................... 44
2.4.2 Forma trigonométrica .......................................................................... 44
2.4.3 Forma polar ......................................................................................... 45
2.4.4 Ejercicio de ejemplo: Representación en la forma binómica,
polar y trigonométrica: ........................................................................ 46
2.5 Ejercicios desarrollados ......................................................................... 48
2.6 Operaciones básicas con los números complejos .................................. 51
2.6.1 Aplicación de la calculadora ............................................................... 51
2.6.1.1 Ejemplo de operaciones de conversión
mediante calculadora .............................................................. 51
2.6.2 Suma de números complejos ................................................................ 53
2.6.2.1 Ejercicio de aplicación ........................................................... 55
2.6.3 Resta de números complejos ................................................................ 58
2.6.3.1 Ejemplo de aplicación ............................................................. 59
2.6.4 Operación de multiplicar ..................................................................... 60
2.6.4.1 Multiplicación en la forma binómica ...................................... 61
2.6.4.2 Multiplicación en la forma polar ............................................ 61
2.6.5 Operación de dividir ............................................................................ 62
2.6.5.1 División en la forma binómica ................................................ 62
2.6.5.1.1 Conjugado de un complejo ........................................... 62
2.6.5.2 División en la forma polar ...................................................... 65
2.7 Aplicación de la notación compleja a los circuitos
de electricidad y electrónica ................................................................... 66
2.8 Ejercicios propuestos ............................................................................. 71
Capítulo 3
Circuitos serie con resistencia, inductancia
y capacidad (R - L - C) .............................................................. 73
3.1 Circuito serie R - L ................................................................................ 73
3.1.1 Impedancia ........................................................................................... 76
3.1.2 Potencia ................................................................................................ 81
3.1.3 Ejercicio de ejemplo análisis ............................................................... 84
3.2 Circuito serie R-C .................................................................................. 85
3.2.1 Impedancia ........................................................................................... 89
3.2.2 Potencia ................................................................................................ 89
3.2.3 Ejemplo de ejercicio de análisis ........................................................... 91
3.3 Circuito serie R-L-C............................................................................... 93
3.3.1 Principios básicos generales ................................................................ 93
3.3.2 Ejemplo de cálculo ............................................................................... 98
3.3.3 Circuito R- L - C de carácter inductivo ............................................. 101
3.3.4 Circuito R-C-L de carácter capacitivo ............................................... 101
3.4 Resonancia en el circuito serie ............................................................. 103
3.4.1 Principios básicos .............................................................................. 103
3.4.2 Ejemplo de ejercicio ........................................................................... 106
3.5 Ejercicios desarrollados ....................................................................... 109
3.5.1 Circuito R - L ..................................................................................... 109
3.5.2 Circuito R - C .................................................................................... 114
3.5.3 Circuito R-L-C ................................................................................... 116
3.6 Ejercicios propuestos ........................................................................... 120
Capítulo 4
Circuitos paralelo R-L-C: Principios básicos, resonancia
y compensación de potencia reactiva ..................................... 121
4.1 Introducción ......................................................................................... 121
4.1.1 Generalidades sobre suma de intensidades y potencias .................... 123
4.2 Circuito paralelo R-C ........................................................................... 126
4.2.1 Susceptancia y admitancia ................................................................. 128
4.2.2 Ejemplo de ejercicio de cálculo de un circuito R-C ........................... 132
4.2.3 Ejemplo de aplicación de las admitancias ......................................... 134
4.3 Circuito paralelo R-L ........................................................................... 135
4.3.1 Ejemplo de ejercicio de cálculo de un circuito R-L ........................... 137
4.4 Circuitos paralelo R-L-C ...................................................................... 139
4.4.1 Circuito de carácter capacitivo .......................................................... 139
4.4.2 Circuito de carácter inductivo ........................................................... 142
4.4.3 Impedancia ......................................................................................... 142
4.4.4 Ejemplo de ejercicio de cálculo de un circuito R-L-C ....................... 143
4.5 Resonancia en el circuito paralelo ....................................................... 149
4.6 Factor Q ............................................................................................... 156
4.7 Compensación de la potencia reactiva ................................................. 158
4.7.1 Calculo de los condensadores de compensación ............................... 161
4.8 Ejercicios desarrollados ....................................................................... 167
4.8.1 Montaje paralelo de un motor y una resistencia calefactora ............. 167
4.8.2 Circuito serie - paralelo ................................................................... 171
4.8.3 Compensación de reactiva ................................................................ 176
4.8.4 Cálculo del cos en función del consumo de P y Q .......................... 179
4.9 Ejercicios propuestos .......................................................................... 180
Capítulo 5
Introducción a la electrónica .................................................. 183
5.1 Introducción ......................................................................................... 183
5.2 ¿Qué es la electrónica? ......................................................................... 183
5.3 Los semiconductores ............................................................................ 185
5.4 Termistores........................................................................................... 187
5.4.1 NTC .................................................................................................... 187
5.4.2 PCT .................................................................................................... 188
5.5 Células fotoconductoras. LDR ............................................................. 189
5.6 Varistor (VDR) .................................................................................... 190
5.7 El diodo ................................................................................................ 193
5.7.1 El diodo en polarización inversa ....................................................... 194
5.7.2 El diodo en polarización directa ........................................................ 195
5.7.3 Valores de tensión e intensidad básicos del diodo ............................. 197
Capítulo 6
Circuitos de alimentación ....................................................... 199
6.1 Introducción ......................................................................................... 199
6.2 Partes básicas de una fuente de alimentación ...................................... 199
6.2.1 Transformador ................................................................................... 200
6.2.2 Rectificación ....................................................................................... 200
6.2.3 Filtrado .............................................................................................. 200
6.2.4 Regulación de tensión ........................................................................ 201
6.3 Ejemplo de circuitos rectificadores prácticos ...................................... 202
6.3.1 Circuito rectificador de media onda .................................................. 202
6.3.2 Circuito rectificador de doble onda ................................................... 204
6.3.2.1 Puentes rectificadores ........................................................... 205
6.3.2.2 Circuito práctico rectificador con puente de diodos ............ 206
6.4 Filtrado ................................................................................................. 208
6.4.1 Cálculo práctico del condensador de filtro ........................................ 209
6.4.2 Circuito práctico de un alimentador sencillo. Cálculos prácticos ..... 210
6.5 Diodo zener .......................................................................................... 211
6.5.1 Curva característica típica del zener ................................................. 213
6.5.2 Circuito estabilizador básico ............................................................. 214
6.5.3 Ejemplo práctico de circuito estabilizador ........................................ 215
Capítulo 7
Diodos LED, Displays, fotodiodos .......................................... 219
7.1 El diodo LED ....................................................................................... 219
7.2 Aspectos prácticos sobre los LED ....................................................... 220
7.3 Aplicación práctica del LED ................................................................ 221
7.3.1 Ejemplo de aplicación en un coche .................................................... 221
7.3.2 Diodos LED intermitentes .................................................................. 222
7.3.3 Simulador automático de alarma para coche ..................................... 222
7.4 Displays de 7 segmentos ...................................................................... 224
7.4.1 Ejemplo de montaje práctico .............................................................. 226
7.4.2 Display de cátodo común ................................................................... 226
7.5 El fotodiodo.......................................................................................... 228
7.5.1 Funcionamiento y características ...................................................... 228
7.5.2 Circuito básico de aplicación práctica del fotodiodo ........................ 229
Capítulo 8
Transistores .............................................................................. 231
8.1 Introducción ......................................................................................... 231
8.1.1 El transistor amplifica ........................................................................ 231
8.1.1.1 Concepto de amplificar ......................................................... 232
8.2 Principios básicos ................................................................................. 233
8.2.1 El transistor en la práctica ................................................................. 234
8.2.1.1 Función básica que realiza el transistor ............................... 235
8.2.1.2 Ganancia de corriente (!) ..................................................... 235
8.2.1.3 Ejemplo de circuito práctico. Control de una
carga de potencia .................................................................. 236
8.2.1.4 Polarización del transistor.................................................... 237
8.3 El transistor en conmutación ................................................................ 240
8.3.1 Estado de corte ................................................................................... 242
8.3.2 Estado de saturación .......................................................................... 242
8.3.3 Circuito práctico: Encendido de un LED ........................................... 243
8.3.3.1 Circuito con transistor PNP ................................................. 245
8.3.4 Circuito practico de luz crepuscular .................................................. 246
8.4 El transistor en amplificación lineal..................................................... 248
8.4.1 Circuito práctico de etapa amplificadora .......................................... 248
8.4.1.1 Ganancia de señal del circuito ............................................. 249
8.4.1.2 Circuito de polarización ....................................................... 250
8.4.1.3 Condensadores de acoplo de señal ....................................... 251
8.5 Circuito Darlington .............................................................................. 252
8.6 Transistores de efecto de campo (FET-MOS) ..................................... 253
8.6.1 El transistor FET ................................................................................ 254
8.6.2 el transistor MOSFET ........................................................................ 255
8.7 Transistor UJT...................................................................................... 256
8.8 El Fototransistor ................................................................................... 256
8.8.1 Fototransistor BPW40. Características básicas ................................ 257
8.8.2 Ejemplo de aplicación práctica del fototransistor ............................. 258
8.9 Optoacopladores .................................................................................. 259
8.9.1 Estructura interna y funcionamiento .................................................. 259
8.9.2 El optoacoplador 4N26 ...................................................................... 260
8.9.3 Circuito de aplicación práctica. Señales optoacopladas ................... 260
8.10 Ejemplos de aplicaciones del transistor ............................................. 261
Capítulo 9
Tiristores .................................................................................. 265
9.1 El tiristor (SCR) ................................................................................... 265
9.1.1 Función básica del tiristor ................................................................. 266
9.1.2 Circuito práctico de experimentación del tiristor .............................. 266
9.2 Curvas características del tiristor ......................................................... 269
9.2.1 Datos característicos básicos del tiristor ........................................... 271
9.3 Regulación de potencia por ángulo de fase .......................................... 271
9.3.1 Rectificación controlada .................................................................... 273
9.3.1.1 Calculo de la tensión de salida ............................................. 275
9.3.2 Circuito práctico regulador de potencia en continua ........................ 276
9.3.2.1 Cálculo de la tensión de salida ............................................. 278
9.3.2.2 Montaje práctico de experimentación ................................... 279
9.4 El Triac ................................................................................................. 281
9.4.1 Función básica del Triac .................................................................... 281
9.4.2 Estados de polarización ..................................................................... 282
9.4.3 Interruptor electrónico realizado con Triac ...................................... 283
9.5 El Diac.................................................................................................. 284
9.5.1 Función básica del Diac .................................................................... 284
9.5.2 Circuito regulador en alterna con Triac-Diac ................................... 285
9.5.3 Circuito de luz crepuscular con Triac ................................................ 287
Capítulo 10
Introducción a los circuitos integrados:
Generadores de señal (CI 555) ............................................... 289
10.1 Introducción a los circuitos integrados .............................................. 289
10.2 El circuito integrado 555. Generador de señales ................................ 292
10.2.1 Estructura interna funcional ............................................................ 292
10.2.2 Funciones básicas de sus patillas .................................................... 292
10.3 El 555 en montaje generador de señales ............................................ 295
10.3.1 Diagrama de ondas .......................................................................... 296
10.3.2 Funcionamiento del circuito ............................................................ 297
10.3.3 Circuito práctico generador de ondas asimétricas .......................... 298
10.3.4 Generador de ondas simétricas de f 1 Hz ..................................... 299
10.4 El 555 como monoestable. Temporizador. ........................................ 301
10.4.1 Funcionamiento del circuito ............................................................ 301
10.4.2 Circuito práctico temporizador con el 555 ...................................... 303
Capítulo 11
Circuitos integrados reguladores de tensión ......................... 307
11.1 Introducción ....................................................................................... 307
11.2 Reguladores de tensión serie 78XX/79XX ........................................ 308
11.2.1 Características generales ................................................................. 308
11.2.2 Circuito de aplicación básica .......................................................... 310
11.2.3 Montaje de un alimentador de 12 V con un 7812 ............................ 310
11.2.4 El 79XX. Regulador de salida negativa ........................................... 312
11.2.5 Alimentador con salida simétrica basado en un 7812 y 7912 .......... 313
11.2.6 Reguladores de 3 A. Serie 78TXX .................................................... 314
11.2.6.1 Fuente de alimentación de 5 V y 3 A basada
en un 78T05 ........................................................................ 314
11.2.7 Reguladores de 100 mA. Serie 78LXX ............................................. 315
11.2.8 Estructura y circuito interno de un regulador 7812 ........................ 316
11.3. Reguladores de la serie LM317/337 ................................................. 317
11.3.1 Características generales ................................................................. 317
11.3.2 Circuito básico de aplicación del LM317 ........................................ 318
11.3.2.1 Circuito experimental del LM317 ....................................... 320
11.3.3 Fuente de alimentación de salida variable
basada en el LM 317 ........................................................................ 321
11.3.4 Circuito para ajustar la intensidad de salida máxima ..................... 323
Capítulo 12
Amplificadores operacionales ................................................ 327
12.1 Introducción ....................................................................................... 327
12.2 Características básicas de los amplificadores operacionales ............. 328
12.2.1 Ancho de banda ................................................................................ 329
12.2.2 Amplificación de tensión .................................................................. 330
12.2.3 Impedancia de salida ....................................................................... 331
12.2.4 Impedancia de entrada ..................................................................... 332
12.3 Los amplificadores operacionales son amplificadores
diferenciales ....................................................................................... 333
12.3.1 Alimentación simétrica ..................................................................... 333
12.3.2 Entrada no inversora ....................................................................... 334
12.3.3 Entrada inversora ............................................................................ 335
12.3.4 Curva de respuesta saturación - saturación .................................... 336
12.4 Consideraciones prácticas de cálculo con operacionales ................... 338
12.4.1 El circuito integrado amplificador operacional uA741 ................... 339
12.4.1.1 Características básicas ....................................................... 339
12.4.1.2 Ajuste del Offset .................................................................. 340
12.4.1.3 Ganancia (en lazo abierto) en función de la frecuencia ..... 340
12.5 Circuitos básicos con operacionales. Aplicaciones prácticas ............ 342
12.5.1 Operación en lazo abierto y lazo cerrado. Realimentación ............. 342
12.5.2 La fuente de alimentación debe ser simétrica .................................. 342
12.5.3 Circuitos de ajuste del offset ............................................................ 343
12.5.3.1 Ajuste en lazo abierto .......................................................... 343
12.5.3.2 Ajuste en lazo cerrado ........................................................ 344
12.5.4 Circuito seguidor de tensión ............................................................ 346
12.5.5 Circuito amplificador inversor ......................................................... 347
12.5.5.1 Ejemplo de cálculo y montaje práctico ............................... 349
12.5.5.2 Experimentación con Multisim ........................................... 351
12.5.6 Circuito amplificador no inversor .................................................... 352
12.5.6.1 Ejemplo de cálculo .............................................................. 353
12.5.7 Circuito sumador ............................................................................. 355
12.5.8 Sumador no inversor ........................................................................ 356
12.5.9 Circuito de media aritmética ............................................................ 358
12.5.10 Circuito restador ............................................................................ 359
12.5.10.1 Ejemplo práctico de cálculo ............................................. 360
12.5.11 Circuitos convertidores temperatura - tensión .............................. 361
12.5.11.1 Sensor de temperatura: diodo ........................................... 361
12.5.11.2 Sensor de temperatura: NTC ............................................ 362
12.5.12 Generador de onda cuadrada ........................................................ 363
12.5.13 Amplificador operacional de potencia para
audio (sonido): TDA 2003 .............................................................. 366
12.5.13.1 Circuito práctico amplificador de sonido ......................... 366
Capítulo 13
Introducción a la electrónica de potencia ............................. 371
13.1 Introducción ....................................................................................... 371
13.2 Sistemas Rectificadores trifásicos ...................................................... 373
13.2.1 Rectificadores no controlados .......................................................... 374
13.2.1.1 Rectificador trifásico de media onda .................................. 376
13.2.2 Rectificador trifásico de doble onda ................................................ 381
13.2.3 Rectificadores controlados ............................................................... 383
13.2.3.1 Rectificador controlado bifásico ......................................... 383
13.2.3.2 Puentes rectificadores semi controlados ............................ 386
13.2.3.3 Diodo volante ...................................................................... 387
13.2.3.4 Rectificador trifásico con puente semi controlado ............. 387
13.3 Inversores - Onduladores................................................................... 388
13.4 Control de potencia en alterna ........................................................... 389
13.5 Cicloconvertidores ............................................................................. 390
13.6 Interruptores estáticos ........................................................................ 391
13.7 Convertidores cc/cc. Choppers .......................................................... 392
13.7.1 Características principales .............................................................. 392
13.7.2 Tensión continua de salida ............................................................... 393
13.7.3 Duty cicle ......................................................................................... 394
13.8 Resumen de los tipos básicos de convertidores ................................. 396
13.9 Componentes electrónicos de potencia .............................................. 397
13.9.1 Diodos de potencia ........................................................................... 397
13.9.1.1 Datos de características del diodo ...................................... 398
13.9.2 El tiristor (SCR) ............................................................................... 400
13.9.2.1 Datos característicos del tiristor ........................................ 400
13.9.3 El GTO ............................................................................................. 401
13.9.4 El MCT ............................................................................................. 402
13.9.5 El transistor MOSFET de potencia .................................................. 403
13.9.5.1 Ejemplos de MOSFET de potencia comerciales ................. 403
13.9.6 Transistor IGBT ............................................................................... 404
13.10 Circuitos prácticos............................................................................ 405
13.10.1 Interruptores estáticos. Activación de cargas en alterna
mediante señales digitales .............................................................. 405
13.10.2 Regulador de potencia conmutado basado en MOSFET ............... 407
Respuestas a los ejercicios propuestos ................................... 409
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