CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

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CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

Este capitulo del la investigación trata de los antecedentes presentes para

nuestra investigación que son muy importantes porque sirven de soporte y

base en esta área de estudio y conjuntamente se realizó el estudio valga la

redundancia de los fundamentos teóricos necesarios para este proyecto.

También se definen los términos básicos que es especie de un glosario

técnico en el que se explica brevemente algunas definiciones para que se

entienda con mayor claridad el lenguaje utilizado en la investigación, y

finalmente se habla del sistema de variables donde se aclara la definición

conceptual y operacional de un sistema digital y de un analizador de

potencia.

E.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION

Se encontraron varias investigaciones afines a este estudio, debido a sus

características de medición o corrección del factor de potencia o de

obtención digital de las magnitudes físicas de tensión, corriente y potencia.

Galue A. y Prieto E. (1997) realizaron el “Diseño de un prototipo de

interfaz para medir valores de resistencia DC, y señales de corriente y voltaje

que permitan obtener valores de potencia en un circuito eléctrico, por medio

de puerto paralelo de un PC”. Esta investigación realizó con la finalidad de

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lograr establecer la transferencia de data entre el computador y el circuito

eléctrico, este proyecto plantea el diseño de una tarjeta de interfaz de

medición entre el computador y el circuito eléctrico que permite la captura de

señales de corriente, voltaje para medir potencia así como la obtención de

valores de resistencia en un circuito eléctrico a través del puerto paralelo del

computador. Según la metodología de investigación es aplicada, no

experimental y descriptiva por cuanto se basó en la aplicación de

conocimientos ya existentes. La estructura metodologíca seguida para el

desarrollo del proyecto fue la del Análisis y Diseño de Sistemas de

Información propuesta por James A. Senn.

Los resultados obtenidos cumplieron con los objetivos propuestos al

comienzo de la investigación obteniéndose una interfaz de medición de

valores de resistencia, de corriente, de voltaje y potencia en un circuito

eléctrico. Este proyecto es de gran alcance por cuanto proporciona un medio

automatizado de medición de fenómenos análogos de bajo costo, alto

rendimiento, fácil manejo y confiabilidad.

Se puede considerar este trabajo de investigación como buen antecedente

en el uso de microcontroladores para la medición y procesamiento de las

variables físicas asociadas al análisis de potencia. Además de esto sirvió

como material para recabar información necesaria para esta investigación

puesto que se realiza la medición de voltaje y corriente que son las variables

necesarias para la medición de la potencia.

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Cabe destacar que, Geer R. y Tortolani D. (2002) lograron el “Desarrollo

de un equipo Analizador de Potencia Basado en Microcontroladores PIC”.

Esta investigación fue dirigida al desarrollo de un analizador de potencia

digital basado en microcontroladores PIC, para poder obtener el valor de las

magnitudes físicas relacionadas con la potencia eléctrica. Se considera que

es del tipo descriptiva ya que se orienta a recolectar información relacionada

con el estado real de los objetos, situaciones o fenómenos tal como se

presentaron en el momento de su recolección.

Para este estudio se utilizaron diferentes medios de recolección de datos,

entre los cuales se pueden mencionar trabajos, proyectos y aplicaciones

relacionadas con microcontroladores, publicaciones esencialmente

electrónicas sobre microcontroladores PIC así como textos que explican la

esencia sobre la teoría de potencia eléctrica para el caso específico de la

corriente alterna. La metodología empleada para la construcción del equipo

es propia de los autores de la investigación, y permite que el prototipo sea

ensamblado finalmente luego de una serie de etapas que incluyen pruebas y

depuraciones, con lo que se obtiene un prototipo formado por una unidad

principal a la cual se conecta una pinza amperimétrica y un par de contactos

para la medición de los valores de corriente y voltaje respectivamente.

La unidad principal es capaz de obtener y procesar las variables de

potencia eléctrica, mientras que muestra al usuario en una pantalla LCD, o

bien a través del uso de comunicación serial con un computador personal el

resultado de la medición y análisis de estas variables. El resultado obtenido

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con esta investigación demuestra que el equipo desarrollado tiene

prestaciones comparables con un equipo comercial, siendo además capaz de

medir en sistemas de media y baja potencia donde un equipo industrial

resulta impreciso, adicionalmente se obtiene un equipo de calidad cuyo costo

es una fracción de un analizador de potencia disponible en el mercado. Esta

investigación aporta mucho más que el estudio de la medición de potencia

con PIC, puesto que en esta también se utiliza una pantalla LCD para

mostrar información mediante esta, ya que en la presente investigación de

desea utilizar también ese estudio servirá de base para la realización de este

proyecto.

Aditivo a esto, Pirela K. y Guerere N. (2003) desarrollaron un “Prototipo de

un Medidor Digital de Consumo de Energía Eléctrica Residencial”. Este

proyecto se realizo con la finalidad de logra la disminución de los costos de

fabricación y adquisición, dando de esta manera una reducción en los gastos

operativos de lasa empresas de producción y distribución de energía

eléctrica en Venezuela. La investigación fue de tipo tecnológico, la

metodología se sustento en Angulo (1996), y su desarrollo consta de nueve

fases: definición de las especificaciones, esquema general del hardware,

organigrama general, organigramas modulares y codificación de programas,

implementación del hardware, depuración del software, integración del

hardware con el software y construcción del prototipo definitivo y pruebas

finales.

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Obteniendo como resultado un equipo para la medición de consumo de

energía eléctrica basado en el microcontrolador PIC 16F877, y logrando de

esta manera un equipo de calidad cuyo costos resultan bastantes accesibles

en consideración con los del mercado actual. Por lo que se demuestra que el

equipo desarrollado es eficaz comparado con los utilizados en la actualidad,

en el cual se verifico la operación de monitoreo de los sensores tanto de

voltaje como de corriente y también la salida de datos a través de la pantalla

LCD. Este antecedente al igual que el mencionado anteriormente aporta

información tanto para el estudio de la medición mediante microcontroladores

PIC de voltaje y corriente, sino que también ayuda en el estudio y uso de

pantallas LCD.

F.- BASES TEÓRICAS

1.- Corriente Alterna:

La corriente continua (CC) fluye siempre a través del conductor en una

única dirección, para la corriente alterna (CA) invierte su sentido

constantemente, como resultado de inversión de la fuerza electromotriz.

Una inversión completa es conocida como un ciclo, y el número de ciclos

por segundo es la frecuencia de la corriente alterna. La frecuencia estándar

en los Estados Unidos de América, así como el resto de Norteamérica y

buena parte de los países de centro y sur América, incluida Venezuela, es de

60 Hz donde 1Hz (Hertz) equivale a 1 ciclo por segundo. En Europa la

frecuencia común es de 50 Hz. Inicialmente, solo se generaba CC para uso

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público. Las enormes ventajas presentes en la utilización de CA eran

desconocidas hasta que George Westing House inventó el

TRANSFORMADOR a finales del siglo XIX Buffalo, NY., fue la primera

ciudad norteamericana en ser iluminada con el uso de corriente alterna.

El transformador hizo posible cambiar el voltaje (e implícitamente la

corriente) de la energía alterna mediante el uso de un dispositivo estático

simple; cosa que no era posible en la corriente continua. Cuando la

electricidad es transmitida, la disipación de potencia es minimizada mediante

la elevación del voltaje que es reducido luego cuando este llega al usuario

final. Cuando se requiere corriente directa, se puede obtener fácilmente

mediante la rectificación. Sin embargo, convertir CC a CA requiere el empleo

de un INVERSOR, el cual es un dispositivo mucho mas complejo en general

los motores y alternadores (generadores CA) tienden a ser mucho mas

eficientes que sus equivalentes de CC, especialmente por que no requieren

el uso de conmutadores.

Si la amplitud del voltaje de CA es graficada en función del tiempo, la

curva resultante es una onda senoidal. Esta es una característica muy

importante en las áreas de física e ingeniería, pues permite que las

características físicas de la CA puedan deducirse a través de las propiedades

matemáticas de las ondas senoidales. El valor máximo que alcanza el voltaje

se conoce como Voltaje Pico, pero es el voltaje efectivo, o raíz media

cuadrática (RMS, por Root Mean Square, sus siglas en ingles) es el valor

utilizado prácticamente siempre en la práctica.

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El valor RMS de la corriente o del voltaje es el valor equivalente de CC

necesario para obtener el mismo efecto de calentamiento obtenido por nivel

presente de CA; y que para propósitos matemáticos, es el 70% del valor

pico. Conocido esto se puede remitir al caso de Venezuela, donde el

suministro normal de energía es de 110 voltios RMS, lo que implica que el

suministro es de un voltaje pico de 156 voltios. Los circuitos de CA obedecen

la Ley de Ohm tal que V=I*R; siempre y cuando R se constituya únicamente

de elementos resistivos. Cuando en el circuito se presentan elementos

reactivos, la ley de Ohm toma forma V=I*Z, donde Z es la impedancia. En

este caso, las formas donde la onda de la corriente y el voltaje son

desplazados, de manera que cada uno de ellos alcanza su pico en un

momento diferente.

Esta diferencia es denotada por el ángulo de fase, y a su vez designado

por la letra griega minúscula phi (?), que se mide en grados (un ciclo

completo de 360º). Además la formula de potencia, que para el caso de

circuitos de CC tiene la forma P = E*I, toma en CA la forma de P = E*I cos

(?), donde el término cos (?) es conocido como el FACTOR DE POTENCIA.

El valor de ? depende de la combinación particular de resistencias,

capacitares e inductores presentes en el circuito.

2.- Corriente DC

La corriente continua (CC o DC) se genera a partir de un flujo continuo de

electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido, el cual es desde

el polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este sentido

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los electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo

hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo.

Por convenio, se toma como corriente eléctrica al flujo de cargas positivas,

aunque éste es a consecuencia del flujo de electrones, por tanto el sentido

de la corriente eléctrica es del polo positivo de la fuente al polo negativo y

contrario al flujo de electrones y siempre tiene el mismo signo.

La corriente continua se caracteriza por su tensión, porque, al tener un

flujo de electrones prefijado pero continuo en el tiempo, proporciona un valor

fijo de ésta (de signo continuo), y en la gráfica V-t (tensión tiempo) se

representa como una línea recta de valor V.

3.- Fase y Desfasaje

Según Belloso y Guerrero (2003) fase es cuando “Dos señales alternas

sinusoidales alcanzan sus valores máximos positivos y negativos en el

mismo periodo de tiempo, es decir cuando las dos viajan a la misma

frecuencia y coinciden una encima de la otra de tal forma que al momento de

observarlas parece que se ve una sola cuando en realidad una esta encima

de la otra”.

En base a esto, la fase de la corriente alterna es el valor que toma en un

momento dado en ángulo (?) en las ecuaciones que describen la intensidad

y el voltaje de una corriente alterna. En consecuencia, dos señales

sinusoidales están en fase sí, siendo de la misma frecuencia, alcanzan su

valor nulo, así como sus máximos positivos y negativos en un mismo

instante.

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4.- Impedancia y su relación con la fase

La Ley de Ohm empleada para el análisis de circuitos de CC puede ser

extendía también al análisis de circuitos alimentados con la energía alterna

mientras que los elementos presentes de este circuito sean netamente

resistivos.

Cuando en un circuito alimentado con CA se encuentran elementos

inductivos y/o capacitivos entra en juego un nuevo parámetro, como es la

impedancia. Esta siendo conocida también como la Ley de Ohm en notación

fasorial, es definida por el Dorf (1995, p 562) como: “La razón del voltaje

fasorial a la corriente fasorial”. La impedancia se denota con la letra Z, y se

define matemáticamente como se muestra en las ecuaciones nº 1 y 2

Ecuación N° 1

Ecuación N° 2

βϕβ

φ −== /ImImVm

VmZ

O lo que es lo mismo, la impedancia tiene una magnitud IZI y un ángulo ? ,

donde:

Ecuación N° 3

ImVm

Z = y βφθ −=

IV

Z =

19

En CA, la impedancia desempeña un papel similar al de la resistencia

en los circuitos de CC y por tratarse de una relación de voltios a amperes,

tiene unidades de ohmios. Es importante destacar que aunque la impedancia

es la razón de dos fasores no es en sí misma un fasor.

Lo anteriormente mencionado da pie a la interpretación de la impedancia

como la resistencia obtenida por la suma vectorial de las componentes de

resistencia ohmica, reactivas inductivas y capacitativas presentes en el

circuito alimentado con CA, matemáticamente:

Ecuación N° 4

( ) ( )22 XCXlRZ −+=Ω

5.- Reactancia

El término reactancia según Serway (1997. p 946) “Es utilizado para no

crear confusión con la resistencia, debido a que distinguen por la diferencia

de fase que se evidencia entre las señales de voltaje y corriente”. Se

distinguen reactancias posibles.

6.- Reactancia Inductiva

Es la oposición que presenta una bobina al paso de la energía eléctrica y

que depende de la autoinductancia de la bobina y de la frecuencia de la

corriente con la que se alimenta. Al igual que la resistencia tiene como

unidad el Ohmio. Sus características principales son la capacidad para

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retrasar la señal de corriente respecto a la señal de tensión en 90º, y de no

absorber energía.

7.- Cargas inductivas

Las cargas inductivas son encontradas en cualquier lugar donde haya

bobinados involucrados, por ejemplo en los equipos del tipo

electromecánicos como los motores, balastros, transformadores, entre otros;

además de consumir potencia activa, requieren potencia reactiva para su

propio funcionamiento, por lo cual trabajan con un factor de potencia menor a

1.0. Precisamente las cargas inductivas, son el origen del bajo factor de

potencia. En un circuito puramente inductivo la corriente no está en fase con

el voltaje ya que va retrasada en 90 grados eléctricos. En la Figura N° 1 se

presenta el diagrama fasorial correspondiente a las cargas inductivas.

I

V

Figura N° 1: Diagrama del vector de potencia Fuente:Irwin (1997)

8.- Relación del factor de potencia y tipos de cargas en los circuitos

eléctricos

En términos generales pueden distinguirse tres tipos de cargas eléctricas

al conectar un equipo a una red, por la cual, circula corriente eléctrica

expresada en amperes (A) y voltaje expresado en voltios (V).

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9.- Cargas resistivas

Tales cargas son referidas como si tuvieran una resistencia eléctrica

designada con la letra R y expresada en Ohm (Ω). Las cargas resistivas

pueden encontrarse en equipos como lámparas incandescentes, planchas y

estufas eléctricas, en donde la energía que requieren para funcionar es

transformada en energía lumínica o energía calorífica, en cuyo caso el factor

de potencia toma el valor de 1.0. En un circuito puramente resistivo, la

corriente está en fase con el voltaje y es función inmediata del voltaje. Por lo

tanto, si el voltaje y la corriente están en fase, tenemos que:

RV

I =

En la Figura N” 2 se presenta el diagrama fasorial correspondiente a las

cargas resistivas.

IV

Figura N° 2: Diagrama del vector de un circuito resistivo Fuente: Irwin (1997)

La resistencia eléctrica absorve potencia en watts igual a:

RV

RIVIP2

2 ===

22

10.- Reactancia Capacitiva

Es la oposición que presenta un capacitor o una carga de tipo capacitiva al

paso de la energía eléctrica. Esta reactancia es proporcional a la frecuencia

de la corriente con la que se alimenta, así como el valor de la capacitancia.

También tiene como unidad el Ohmio y consume potencia promedio en el

circuito.

11.- Frecuencia

Según Hayt (1993. p 306), “El número de periodos por segundo es la

frecuencia, se le designa por F” la unidad de frecuencia es el Hertzio (Hz)

cuyo múltiplo más usual el kilohertzio (Khz).

12.- Mediciones y errores

La medición es el proceso de obtener información cuantitativa acerca del

mundo físico. Los métodos para la recolección de datos numéricos y para la

determinación de errores de precisión están asociados íntimamente con el

desarrollo de la tecnología.

Patrones, estándares, unidades y sistemas de unidades

Cualquier medición tiene que involucrar necesariamente la comparación

de la cantidad medida con una unidad estándar conocida o patrón. En las

mediciones absolutas, la unidad puede ser la unidad oficial para la cantidad

en cuestión, tal como lo son el metro para la distancia o el ampere para la

corriente eléctrica. En cambio, en una medición reactiva, una unidad especial

de frecuencia es escogida para una medición dada; por ejemplo, la

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intensidad del brillo de una estrella se expresa en función del brillo de otra

estrella.

Un largo de tres metros quiere decir que la longitud medida es tres veces

mayor que una estándar o patrón, en este caso, el metro. Hasta 1960, el

metro estándar era menor a la longitud de una barra de prototipo que se

mantenía en París. Luego fue redefinido como 1650763,73 veces la longitud

de onda de radiación emitida a un nivel de energía especificado por el

criptón-86. Luego, en 1983, fue redefinido como una longitud recorrida por la

luz en el vació durante el tiempo de 299792458

1 segundos. El empleo de

esta definición está basada en cantidades físicas presenta la gran ventaja de

poder ser reproducible en cualquier laboratorio bien equipado, en vez de

depender de un objeto patrón que puede alternarse por las condiciones de

temperatura o presión, sufrir deformaciones, vandalismo. Por esta razón la

gran mayoría de las unidades actualmente en uso se basan en cantidades

físicas.

El sistema de unidades actualmente utilizado para el trabajo científico en

muchos países es conocido como sistema internacional, o simplemente SI, y

está basado en el sistema MKS (Metro, Kilogramo, Segundo), y contiene 7

unidades base, siendo estas además de longitud, masa, y tiempo unidades

de temperatura (grados kelvin), intensidad luminosa (candela), cantidad de

sustancia (Mol) y corriente eléctrica (ampere). A excepción del Mol, todas

estas magnitudes pueden ser medidas directamente.

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Mediciones de longitud

Las mediciones de longitud tienen una importancia especial en la

tecnología y los procesos de medición, por que prácticamente casi cualquier

medición analógica (más no del tipo paso a paso, como el presente en un

monitoreo digital) se puede reducir a mediciones de longitud.

La medición de cantidades como ángulos también dependen de la

medición precisa de longitudes, pues las mediciones angulares pueden

derivarse de las mediciones de longitud si se utiliza una regla circular.

En caso contrario, se hace necesario converti r los valores utilizados

mediante funciones trigonométricas. El procedimiento más preciso para

medir ángulos, utiliza espejos en los que los haces de luz son reflejos en

escalas.

Similarmente, la deformación de un objeto por una fuerza puede también

ser medida como un desplazamiento, o el cambio de longitud. Un ejemplo

muy conocido es el principio del resorte presionado, utilizando en muchos

tipos de instrumentos de medición de agujas, en especial instrumentos

analógicos de medición eléctrica (galvanómetro, voltímetro, amperímetro o

vatímetro)

La aguja descansa siempre en un punto donde se equilibran la fuerza

ejercida por el resorte y la fuerza actuante, objeto de medición.

Como la aguja esta colocada sobre una escala, la longitud del

desplazamiento, que en este punto redujo la medición en una magnitud

eléctrica a una simple medición de distancia.

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Mediciones de tiempo

Invariablemente, las mediciones de tiempo se basan en contra la

ocurrencia de fenómenos periódicos tales como las oscilaciones de átomos o

moléculas, osciladores electromagnéticas y sonidos o vibraciones

mecánicas. La utilización de estos estándares de tiempo resulta a su vez en

la utilización de una variedad de relojes entre los que se incluyen los relojes

atómicos, de péndulo y los populares relojes de cuarzo. La exactitud de esta

medición de tiempo depende entonces de qué tan precisas son las

oscilaciones tomadas como patrón para realizar el conteo.

Medición de cantidades eléctricas

La medición analógica de la corriente eléctrica está basada principalmente

en el descubrimiento hecho en el siglo XIX por Hans Christian Oersted y

Michael Faraday sobre la relación entra la electricidad y el magnetismo. La

asociación principal entre estos fenómenos fue descrita por primera vez en

1820 por Orestes cuando reportó el fenómeno de que una corriente eléctrica

que atraviesa un conductor produce un campo magnético que a su vez ejerce

fuerzas entre ellas (Ley de Biot y Savart) y, que la medición de la fuerza

ejercida por una corriente resulta en la medición de la corriente. Este hecho

también es empleado en la definición de la unidad de corriente, y así un

ampere es la corriente que genera la fuerza de 2x10-7 newton entre dos

conductores perfectos de longitud infinita en el vació, separados entre sí por

un metro de distancia.

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En los instrumentos prácticos de medición que hacen uso de este

fenómeno, los conductores consisten en dos bobinas con un elevado número

de vueltas. Mediante la conexión de estas bobinas de diferente manera se

puede obtener diferentes eloectrodinamómetros como el amperímetro, el

voltímetro y el vatímetro. La medición con un electrodinamómetro se basa en

la determinación de la fuerza que actúa en las dos bobinas a través de las

cuales circula la corriente, y esto se logra midiendo la desviación del

equilibrio de una bobina montada con un giro libre, la cual se opone un

resorte.

En este tipo de instrumentos el campo magnético es débil cuando la

corriente es débil, por lo que estos instrumentos tienden a ser un poco

sensibles, sin embargo, son capaces de medir corrientes tanto en CC como

en CA. Otro tipo de electrodinamismo muy utilizado en el medidor de bobina

móvil o galvanómetro, en el que la corriente a medir fluye a través de una

bobina montada sobre un fuerte campo magnético inducido por un imán

permanente, en vez de inducirse por la corriente misma, este solo es capaz

de medir únicamente corriente continua.

En la actualidad la tendencia es la de realizar mediciones digitales, utilizan

técnicas de muestreo, retención y cuantificación. De esta manera las

cantidades físicas de la electricidad, de la naturaleza analógica, son

transformadas en códigos digitales que puede ser comprendido por un

sistema digital, de manera que puede ser procesado y representado en un

medio diferente al tradicional indicador de agujas. La consecuencia directa de

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la medición digital es la eliminación de la posibilidad de contener el error de

paralaje; además de que un instrumento digital es más fácil de calibrar, y a

su vez menos susceptible a descalibración por efectos de mal manejo.

Errores de Medición

El resultado de una medición y el valor real de la cantidad medida resultan

a menudo diferentes. Esta deferencia puede deberse tanto a errores

aleatorios como a errores sistemáticos. Los errores aleatorios son aquellos

que ocurren en la acción misma de realizar una medición, mientras que los

errores sistemáticos se dan como resultado y errores en la calibración.

Errores Aleatorios

Siempre que se realiza una medición que se espera sea útil se debe

especificar la precisión con la que se ha hecho, es decir, los limites entre los

cuales se encuentra la cantidad medida. El intervalo en el cual el verdadero

valor medido se encuentra y determina el error absoluto de la medición. El

error relativo es igual al error absoluto dividido entre el valor medido, y

usualmente se expresa como un porcentaje.

Para el caso de errores aleatorios se pueden establecer dos aspectos, a

saber:

1. La repetición de las mediciones provee información sobre la magnitud

de los errores aleatorios

2. Repetir la medición reduce el error en el resultado final

proporcionalmente a la raíz cuadrada del número de repeticiones tomada.

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Esto implica que el error aleatorio se reduce prácticamente al principio,

pero luego la hace mas lentamente, sin embargo llegando el momento en el

que el error sistemático comienza a predominar, el error aleatorio no puede

reducirse más.

Error Sistemático

Resulta más difícil estimar y reducir la magnitud del error sistemático. El

proceso de medición tiene que ser analizado exhaustivamente en cada caso.

Cada tipo de medición tiene sus propios errores sistemáticos característicos,

pero algunos de los más predominantes son:

1. Error Punto Cero: Originado por un error de medición de la condición

nula o de referencia, o por una puesta a cero inapropiada del equipo de

medición, que origina un desplazamiento constante para todos los valores

medidos resulta bastante común en las mediciones tomadas con osciloscopio

o con instrumentos analógicos de medición eléctrica.

2. Errores de calibración: Resultante cuando las condiciones bajo los

cuales se efectuaron las mediciones de referencia (calibración) no se

aproximan a las condiciones presentes a la medición real en la medida de lo

posible.

3. La inversión del mismo instrumento de medición tiende a influir en la

magnitud de la señal a medir. Esto es particularmente notorio para las

mediciones eléctricas, y así, por ejemplo, medir una diferencia de potencial

efectuando la lectura a tomar, pues la inserción del instrumento implica una

carga para la fuente de voltaje del circuito.

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4. La Histéresis: Es un fenómeno de los materiales ferromagnéticos en los

cuales la magnetización inducida no depende exclusivamente del campo

magnético aplicando, si no también de magnetizaciones previas, y para el

caso de un instrumento de medición hace que la lectura dependa de las

lecturas previas.

5. Errores de paralaje, que resulta del hecho de que la aguja apuntadora

en la mayoría de los instrumentos que la usan están localizada a una

pequeña distancia de la escala por lo que la lectura tomada dependa del

ángulo en que es tomada.

Los métodos utilizados para tratar con los errores aleatorios son más

fáciles de implementar que los empleados para tratar los errores

sistemáticos. Entonces, la mejor manera de tratar con errores sistemáticos es

tratar de convertirlos en errores aleatorios, esto puede lograrse tratando de

introducir tantas variaciones en cuanto sea posible en el método e

instrumento utilizado para la medición.

13.- Potencia

Según Serway (1997, p 943) la potencia P se puede interpretar como “la

razón por la cual la energía eléctrica se convierte en calor en la resistencia”

matemáticamente se expresa como IVP •= , donde i es la corriente

instantánea en la resistencia, siendo el efecto de calentamiento proporcional

al cuadrado de la corriente. No hay diferencia si la corriente es alterna o

directa, sin embargo, como la corriente solo alcanza su valor máximo en un

instante, su efecto calorífico no es el mismo que puede producir una corriente

30

directa de la misma magnitud, por lo que lo importante en circuito de

corriente alterna es el valor promedio de la corriente o valor RMS.

Potencia en CA

Uno de los factores más influyentes en el diseño y mantenimiento de un

circuito, es el de la potencia.

Figura N° 3 Circuito Pasivo Fuente: Irwin (1997)

Cuando se tiene un generador de c.a. aplicado, que hace que circule una

corriente i(t), es decir, dependiente del tiempo.

En todo instante, el producto de la tensión por la intensidad se llama

potencia instantánea y viene dada por IVP •=

La potencia P, puede tomar valores positivos o negativos según el instante

en que se considere.

En general si

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La gráfica de la potencia será la resultante de las dos gráficas "v" e "i"; y

será distinta según se trate de un circuito resistivo, inductivo o capacitivo.

En la corriente alterna en estado se distingue en dos tipos de potencia:

Potencia instantánea

La potencia instantánea según Dorf (1995, p. 628) “Es el producto, en el

dominio del tiempo del voltaje y la corriente asociado con una o más elementos

del circuitos”. La potencia instantánea permite calcular el valor máximo de la

potencia en función del tiempo y su unidad es el Watt.

Potencia promedio

Es una cantidad muy importante, pues mide la capacidad de un dispositivo

electrónico para entregar o absorber energía. Matemáticamente se expresa el

valor promedio de cualquier forma de forma periódica mediante la ecuación

Ecuación N° 5

( )∫+

=Tto

to

dttFT

P1

Por lo que si aplica un procedimiento análogo para la potencia eléctrica en

CA, que en efecto una señal periódica y estable se tienen:

( )∫+

=Tto

to

dttPT

P 1, y desarrollando

Ecuación N° 6

( ) ( )dtiWtCosvWtCosVmT

PTto

to

θθ +•+••= ∫+

Im1

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En estas expresiones To es un tiempo cualquiera, T es un periodo de la

función que describe a la señal de CA, que siendo de tipo senoidal, tiene en

periodo de dos P. Además, es la frecuencia angular (2PF) y P es la potencia

promedio resultante, que se mide en Watts.

Tomando las ecuaciones anteriores y aplicando procedimientos matemáticos

se puede reducir hasta la forma:

Ecuación N° 7

( )ivCosVmP θθ −•••= Im21

Donde la utilización de (? V - ? i) o de (? i - ? V) es indiferente (debido a que

es el argumento de una función coseno) y el ángulo de la impedancia del

circuito. Esta da pie a dos casos especiales:

1. El circuito es totalmente resistivo: en este caso el ángulo de la impedancia

es cero, con lo que la ecuación de potencia se simplifica

Im21

••= VmP

2. El circuito es totalmente reactivo: lo que origina un ángulo de impedancia

de +/- 90° la consecuencia de esto es que el término cos (?) anula la ecuación.

De aquí se desprende una importante conclusión según Irwin (1997, p. 460).

“La impedancia reactiva no absorbe potencia promedio” .

Valores RMS

Es una forma de onda periódica, se define el valor efectivo como “un valor

constante o de CD, que entrega la misma potencia promedio a una resistencia

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R”. El valor efectivo se encuentra determinado primero el cuadrado de la señal,

calculando después el valor promedio y finalmente extrayendo la raíz cuadrada

por la que resulta una lectura de raíz cuadrada media (RMS por sus siglas en

ingles).

Potencia Compleja

Matemáticamente se define la potencia compleja (S), como:

Ecuación N° 8

rmsIVrmsS ∗•=

Donde rmsI ∗ se define como el complejo conjugado de Irms . La potencia es

entonces :

Ecuación N° 9

S = Vrms / ? v • Irms / - ?i = V rms • I rms / ?v - ?i

Entonces:

Ecuación N° 10

S = Vrms • Irms • Cos (?v - ?i) + jVrms • I rms • Sen (?v N° 10

Donde ?v - ?i es el ángulo de la impedancia o ?z. de la anterior ecuación, la

parte real de la potencia compleja es llamada potencia promedio o real (P),

mientras que la pare imaginaria el de la potencia cuadratura o reactiva (Q).

Esto da pie a expresar la formula de la potencia compleja en la forma:

Ecuación N° 11

S = P + j•Q

Donde:

34

Ecuación N° 12

P = RE (s) = Vrms • Irms • Cos (?v - ?i)

Ecuación N° 13

Q = IM (s) = Vrms • Irms • Sen (?v - ?i)

Entonces la magnitud de la potencia compleja es la que se denomina

potencia aparente, y su ángulo de fase es el ángulo factor de potencia. La

potencia compleja y la aparente se miden en voltios ampere y el real en voltios

o watt, a fin de distinguir a Q de otras cantidades que tienen las mismas

dimensiones y se mide en voltios ampere reactivo o VAR. A partir de estas

ecuaciones y mediante procesos matemáticos se lleva a la relación

Ecuación N° 14

( )PQ

ivTan =−θθ

Con la que se establece una correspondencia de FP a P y Q en lo que se

llama triángulo de potencia y de acuerdo a la figura N° 4 que se muestra a

continuación:

Figura N° 4 Triangulo de Potencia

Fuente: Irwin (1997)

S

S

?x - ? y P

+Q

-Q

Im

R

35

Si Q es positiva, la carga es inductiva el factor de potencia está retrasado y

el número complejo S está en el primer cuadrante, en caso contrario la carga

es capacitiva, el factor de potencia está adelantado y el número complejo S

está en el cuarto cuadrante. Si Q es cero no existe potencia reactiva, la carga

es netamente resistiva, el factor de potencia es igual a uno y el número

complejo S se encuentra en el eje positivo.

Medición de potencia

Para la medición de potencia se utiliza un instrumento llamado vatímetro que

se constituye de una bobina de corriente (de baja impedancia) para ser

conectado en seria a la carga, y una bobina de alta impedancia conectada en

paralelo de la misma carga, de la manera que se ilustra:

+-

V(t)

I(t)

CARGAvl

il

Figura N° 5 Circuito Inductivo Fuente: Irwin (1997)

Para el caso de las señales alternas de la energía eléctrica, el voltaje y la

corriente son periódicas, por lo que la conexión anteriormente descrita hará que

la lectura del vatímetro sea:

Ecuación N° 15

( ) ( )dttItVT

PT

•= ∫0

1

36

Con una correcta elección de V e I se obtendrá la lectura de la potencia con

la conexión descrita en la figura anterior, la lectura tomada será la de la

potencia entregada a la carga. Pero hay que tener cuidado de seleccionar la

posición adecuada para colocar las bobinas del instrumento debido a que

estas son independiente entre ellas, lo que hace que puedan ser colocadas en

cualquier parte del circuito, lo que a su vez origina la posibilidad de la lectura

pueda o no tener significado.

Debido a la constitución de los vatímetros la terminal positivo y negativo de

la bobina de potencia del instrumento debe conectarse siempre de la misma

línea de la bobina de corriente.

14.- Factor de Potencia (cos(? ))

Según Dorf (1995, p 643) “El factor de potencia es la razón de la potencia

promedio P a la potencia aparente V • I “. Esta es una cantidad muy

importante debido al impacto económico que tiene usuarios industriales de

grandes cantidades de potencia, así como en las empresas generadoras de

potencia. El ángulo del factor de potencia es equivalente al ángulo de fase de

la impedancia de carga (xv – xi), que se hace cero, se tiene que cos(0) = 1, es

decir un factor de potencia 1, típico de una carga puramente resistiva, o de

una carga que contiene elementos RLC con valores tales que hace posible

obtener un ángulo de fase cero en la frecuencia de operación debido a la

propiedad del coseno que cos (x) = cos (-x), puede surgir confusión al

momento de identificar el tipo de carga resultante en un sistema.

37

Para evitar este problema se dice el factor de potencia esta en adelanto o

en retraso, donde estos dos términos se refieren a la fase de la corriente con

respecto al voltaje. En el caso de una carga capacitiva, la carga tiene un

factor de potencia adelantado; mientras que una carga inductiva tiene un

factor de potencia retrasado.

Corrección del Factor de Potencia

Una vez ya establecido lo que es un factor de potencia, conviene discutir

los tres métodos de corrección posibles, por naturaleza, las cargas de

potencia son en general de tipo inductivo por lo que poseen un factor de

potencia retrasado; y esta lleva a que las técnicas que se utilizan en la

actividad para la corrección del factor de potencia de manera económica y

efectiva sea por medio de bancos de capacitores y la corrección por el 3°, 5°,

7°, armónico. De ellos el método mas difundido es precisamente el de la

utilización de capacitores en paralelo a la carga, tal como se muestra en la

figura N° 6

V

+

-60 Hz

C1

L1

R1

Figura N° 6 Muestra de la Corrección del Factor Fuente: Irwin (1997)

La potencia compleja original de la carga Z (Sz) es:

38

Ecuación N° 16

Sz = Pz + j • Qz ó Xz

Sz

Mientras que la potencia del capacitor queda expresada como:

Ecuación N° 17

Sc = 0 + j • Qc ó Xc

Sc

Por lo que al sumar estas potencies se obtiene una potencia compleja

resultante Sr que se expresa:

Ecuación N° 18

Sz + Sc = Sr = Pz + Qr = Xr

Sr

Donde xr es el factor de potencia requerido. Recordando que el capacitor

es puramente reactivo (no consume potencia promedio) se tiene que:

Ecuación N° 19

Sc = j • Qc = -j • X• C • V2rms

Y despejando se tiene que:

Ecuación N° 20

C = 2rmsVw

Qc•

39

Lo que nos permite obtener el valor de la capacitancia necesaria para

llevar el factor de potencia hasta un valor predeterminado. El triángulo de

potencies que expresa los cambios en S y F (xv – xi) se muestra en la

siguiente figura N° 7:

Figura N° 7 Triangulo de Potencia Corregido Fuente: Belloso y Guerrero (2003)

Amarillo: Factor de Potencia de Carga Capacitiva Verde: Factor de Potencia de Carga Inductiva

Azul: Factor de Potencia Rectificado

Donde se puede observar la diferencia entre el ángulo del factor de

potencia original y el ángulo del factor de potencia corregido.

15.- Amplificador Operacional (Op-Amp)

Para Boylestad (1997, p 628) “Un amplificador operacional u opamp, es un

amplificador diferencial con una ganancia muy alta, con una elevada

impedancia de entrada y una impedancia de salida baja”. Para la

40

construcción de amplificadores operacionales se utilizan varias etapas que

permiten obtener una ganancia de voltaje muy alto.

Este dispositivo posee dos entradas generalmente conocidas como

inversora y no inversora. La entrada no inversora proporciona una salida en

la misma fase que la entrada, mientras que la entrada inversora proporciona

una salida de polaridad opuesta a la presente en la entrada (desfasada 180°)

las configuraciones básicas a utilizar en el desarrollo de esta investigación

son: Inversora, No Inversora, Rectificador de Precisión de Media Onda y

Comparador.

El diagrama esquemático de las conexiones necesarias para estas

configuraciones se muestra a continuación:

Configuración de Amplificador Inversor:

ViVo

Rf

R1U1

Figura N° 8 Amplificador Inversor Fuente: Boylestad (1997)

La ganancia de voltaje se expresa como

Ecuación N° 21

ViVo

= Av = 1RRf−

41

Configuración de Amplificador No Inversor:

ViVo

Rf

R1

U1

Figura N° 9 Amplificador No Inversor Fuente: Boylestad (1997)

La ganancia de voltaje se expresa como

Ecuación N° 22

ViVo = Av = 1 +

1RRf

Op-Amp como Rectificador de Precisión de Media Onda:

El funcionamiento es el siguiente: cuando Vi es positivo, la salida del

operacional hará que el diodo conduzca, estableciendo retroalimentación

negativa (buffer), el voltaje de encendido del diodo deberá ser bajo en

comparación con la amplitud de la señal de entrada. En el semiciclo negativo

el diodo se apaga, ya que la salida del operacional tratará de halar corriente

del cátodo al ánodo del diodo, determinando así la función mostrada en la

figura N° 10 siguiente:

42

Figura N° 10 Amplificador Inversor Fuente:http://apollo.cps.unizar.es/~te/Docencia_archivos/eatelc_archivos/pract.pdf (1998)

Op-Amp como Comparador

Es una configuración de Op-Amp con el comportamiento de un circuito

lineal-digital y que se encarga, como bien indica su nombre, de comparar dos

voltajes. Para esto se hace necesario tener un voltaje de referencia y un

voltaje a comparar. Aplicando el voltaje de referencia a la entrada no

inversora y el voltaje a comparar en la entrada inversora se obtendrá en la

salida un pulso positivo P+ cuando el voltaje a comparar sea menor que el

voltaje de referencia; y un pulso negativo P- en caso contrario. P+ y P- tienen

la misma magnitud, siendo |P| aproximadamente el 80% del voltaje de

polarización a tierra.

A continuación se presenta un ejemplo en la figura N° 11 y N° 12 de la

utilización del Op-Amp 741 a modo de comparador en sus dos formas tanto

con la entrada inversora como con la entrada no inversora, para de esta

manera lograr un comparación con valores positivos o negativos

dependiendo de la necesidad del usuario o bien sea de los requerimientos

del sistema

43

10k

LED

470

+12V

+U1

-12V

10k

Figura N° 11 Comparador Tipo A Fuente: Boylestad (1997)

10k

LED

470

+12V

+U1

-12V

10k

Figura N° 12 Comparador Tipo B Fuente: Boylestad (1997)

16.- Conversión Analógica - Digital

Un convertidor analógico digital según Boylestad (1997, p 748) “Es un

dispositivo capaz de obtener el valor digital que representa un voltaje

analógico en la entrada que varia continuamente entre un rango de valores.

A su salida solo se obtiene uno de dos niveles, representando los valores

44

binarios 1 ó 0. De esta manera se hace posible que un sistema digital sea

capaz de manejar la magnitud analógica requerida”.

17.- Corriente Eléctrica

Es un movimiento de cargas eléctricas a través de un conductor.

Puede ser corriente continua si los electrones se mueven en un único

sentido o corriente alterna si existe una oscilación o vibración de los

electrones en el conductor.

Corriente Eléctrica Continua

Se mide en (A) Amperios y para circuitos electrónicos se mide en mA

(miliamperios) o (uA) microamperios. Ver la tabla N° 1para conversiones.

Tabla N° 1 Corriente Eléctrica Conversión

1 mA (miliamperio) =

1 uA (microamperio) =

0.001 A (Amperios)

0,000001 A (Amperios)

Fuente: Boylestad (1997)

18.- Carga Eléctrica

Para poder definir que es una carga eléctrica se debe de tener claro que

una carga es una unidad fundamental de una materia la cual es responsable

de los fenómenos eléctricos. Dichas carga se pueden dividir en dos tipos un

primer tipo conformado por cargas pasivas como lo son los elementos

resistivos (resistencias). Un segundo tipo que lo conforman son las cargas

45

activas como lo son los elementos almacenadotes de energía (capacitores e

inductores).

19.- Resistencias Industriales

Las resistencias industriales se usan como fuentes de calor, por ejemplo

en estufas, calentadores de agua, marmitas, acondicionadores de aire, el

voltaje aplicado es normalmente el de la red de distribución de energía

eléctrica 120 VAC o 220 VAC y la corriente que consumen es normalmente

de decenas de amperios. Se identifican por el voltaje aplicado y la potencia

que disipan, ejemplo una resistencia de 220 VAC y 2 Kw. Otras

características son la forma, tamaño, si tienen o no recubrimientos que

permitan sumergirlas en líquidos.

Figura N° 13 Tipos de Resistencia Fuente: http://electronred.iespana.es/electronred/ELRE LE.html (1999 )

20.- Electrónica de Potencia

La electrónica de potencia es una de las ramas de la electrónica como

ciencia, donde se emplean dispositivos capaces de controlar grandes

cantidades de corriente y voltaje los cuales son factores de vital impor tancia

presentes en la electrónica industrial.

46

Uno de los tantos dispositivos que se utilizan en la electrónica de potencia

no son mas que tiristores (SCR, TRIAC, SBS, etc.) los son responsables del

manejo de las cargas ya que pueden trabajar con alto voltaje y alto amperaje,

los cuales son factores que conforman la potencia de una carga parámetro

importante para esta tan importante rama de la electrónica.

Dispositivos Semiconductores de Potencia

Desde que se desarrolló el primer tiristor rectificador de silicio (SCR), a

fines de 1957, ha habido grandes adelantos en los dispositivos

semiconductores de potencia. Hasta 1970 los tiristores convencionales se

habían utilizado en forma exclusiva para el control de energía en aplicaciones

industriales.

A partir de 1970, se desarrollaron varios tipos de dispositivos

semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial.

Estos se pueden dividir en cinco tipos principales: diodo de potencia,

tiristores, transistores bipolares de juntura de potencia (BJT), MOSFET de

potencia y transistores de compuerta aislada (IGBT) y transistores de

inducción estáticos (SIT). Los transistores se pueden dividir subdividir en

ocho tipos: tiristor de conmutación forzada, tiristor conmutado por línea,

tiristor desactivado por compuerta (GTO), tiristor de conducción inversa

(RCT), tiristor de inducción estática (SITH), tiristor desactivado con asistencia

de compuerta (GATT), rectificador controlado de silicio fotoactivado (LASCR),

y tiristor controlado por MOS (MCT). Los tiristores de inducción estática

también están disponibles en forma comercial.

47

Un tiristor tiene tres terminales: ánodo, cátodo y compuerta. Cuando una

pequeña corriente pasa a través de la compuerta hacia el cátodo, el tiristor

conduce, siempre y cuando el terminal del ánodo esta a un potencial mas

alto que el cátodo. Una vez el tiristor esta en modo de conducción, el circuito

de la compuerta no tiene ningún control y el tiristor continua conduciendo.

Cuando un tiristor esta en un modo de conducción, la caída de potencial en

directa es muy pequeña, típicamente 0.5 a 2 voltios. Un tiristor que conduce

se puede desactivar haciendo que el potencial del ánodo sea igual o menor

que el potencial del cátodo. Los tiristores conmutados en líneas se

desactivan en razón de la naturaleza sinusoidal del voltaje de entrada y los

tiristores conmutados en forma forzada se desactivan mediante un circuito

adicional conocido como circuiteria de conmutación.

Características de Control de los Dispositivos

Los dispositivos semiconductores de potencia se pueden operar como

interruptores mediante la aplicación de señales de control a la terminal de

compuerta de los tiristores (y a la base de los transistores bipolares).

La salida requerida se obtiene mediante la variación del tiempo de

conducción de estos dispositivos de conmutación. Una vez que un tiristor

esta en modo de conducción, la señal de compuerta ya sea positiva o

negativa no tiene efecto.

Cuando un dispositivo semiconductor de potencia esta en modo de

conducción normal existe una pequeña caída de voltaje a través del mismo

por lo general despreciable.

48

Tipos de Circuitos Electrónicos de Potencia

Para el control de la potencia eléctrica o del acondicionamiento de la

misma es necesario convertir la potencia de una forma a otra, las

características de interrupción de los dispositivos de potencia permiten dicha

conversión. Los convertidores de potencia estáticos llevan a cabo estas

funciones de conversión de potencia. Un convertidor se puede considerar

como una matriz de conmutación. Los circuitos electrónicos de potencia se

pueden clasificar en seis tipos:

a) Rectificadores: Un circuito rectificador por diodos convierte el voltaje

AC a voltaje fijo DC. El voltaje de entrada puede ser monofásico o trifásico.

b) Convertidores AC-DC: Un convertidor monofásico con dos tiristores de

conmutación natural controla al valor promedio de voltaje de salida, variando

el tiempo de conducción de los tiristores o el ángulo de retraso de disparo. La

entrada puede ser una fuente monofásica o trifásica. Estos convertidores

también se conocen como rectificadores controlados.

c) Convertidores DC-AC: Un convertidor de DC a AC también se conoce

como inversor. El voltaje de salida puede ser controlado variando el tiempo

de conducción de los transistores.

d) Convertidores AC-AC: Estos convertidores se utilizan para obtener un

voltaje de salida de corriente alterna variable a partir de una fuente de

corriente alterna fija. El voltaje de salida se controla mendiante la variación

del tiempo de conducción de un TRIAC o el ángulo de retraso de disparo.

49

Estos dispositivos convertidores también se conocen como rectificadores de

voltaje de DC.

e) Convertidores DC-DC: Un convertidor de DC a DC también se conoce

como un pulsador o un regulador de conmutación. El voltaje promedio de

salida se controla mediante la variación del tiempo de conducción.

f) Interruptores Estáticos: Dado que los dispositivos de potencia pueden

ser operados como interruptores estáticos o contactores, la alimentación a

estos interruptores puede ser de AC o de DC y se conocen como

interruptores estáticos de AC o interruptores estáticos de DC.

21.- Microcontroladores

Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el

gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el

funcionamiento de un horno dispone de un censor que mide constantemente

su temperatura interna y, cuando traspasa los límites prefijados, genera las

señales adecuadas que accionan los efectores que intentan llevar el valor de

la temperatura dentro del rango estipulado.

Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del

tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres

décadas, los controladores se construían exclusivamente con componentes

de lógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que

se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito

impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido

incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente

50

consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazón

(chip) de un circuito integrado.

Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración

que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:

• Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).

• Memoria RAM para Contener los datos.

• Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.

• Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.

• Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores,

Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA:

Conversores Digital/Analógico, etc.).

• Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de

todo el sistema.

Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador

disponen de las siguientes ventajas:

• Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado

elemento representa una mejora considerable en el mismo.

• Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un

elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan

menos ajustes.

51

• Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del

microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los

stocks.

• Mayor flexibilidad: las características de control están programadas

por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de

instrucciones.

El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos

los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible

montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el

controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded

controller).

Diferencia entre Microprocesador y Microcontrolador.

Microprocesador es un circuito integrado que contiene la Unidad Central

de Proceso (UCP), también llamada procesador, de un computador. La UCP

está formada por la Unidad de Control, que interpreta las instrucciones, y el

Camino de Datos, que las ejecuta.

Los pines de un microprocesador sacan al exterior las líneas de sus buses

de direcciones, datos y control, para permitir conectarle con la Memoria y los

Módulos de E/S y configurar un computador implementado por varios

circuitos integrados. Se dice que un microprocesador es un sistema abierto

porque su configuración es variable de acuerdo con la aplicación a la que se

destine.

52

22.- Microcontroladores de la serie PIC

Los PIC tienen "algo" que fascina a los diseñadores, puede ser la

velocidad, el precio, la facilidad de uso, la información, las herramientas de

apoyo... Quizás un poco de todo eso es lo que produce esa imagen de

sencillez y utilidad.

Microcontrolador PIC 16F877

Este microcontrolador dispone de memoria de tipo flash lo que permite

una fácil actualización del firmware tantas veces como sea necesario. La

grabación del programa puede realizarse con el µC montado en placa “in

circuit” mediante en conector previsto al efecto en el circuito impreso.

Figura N° 14 PIC 16F877 Fuente: www.microchip.com (2000)

53

El programa puede ser cargado desde el puerto serie de cualquier

ordenador personal mediante el kit MPLAB-ICD. El PIC 16F877 dispone de

33 pines de I/O que serán utilizadas según la siguiente tabla:

Tabla N° 2 Pines utilizados para Programar el PIC

Fuente: www.mcrochip.com (2000)

54

23.- Relé Es un dispositivo que consta de dos circuitos diferentes: un circuito

electromagnético (electroimán) y un circuito de contactos, al cual aplicaremos

el circuito que queremos controlar.

En la siguiente figura se puede ver su simbología así como su constitución

(relé de armadura).

Símbolo del relé de un circuito

Símbolo del relé de dos circuitos Partes de un relé de armaduras

Figura N° 15 El Relé

Fuente: http://electronred.iespana.es/electronred/ELRELE.html (1998)

Su funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la

corriente atraviesa la bobina, produce un campo magnético que magnetiza

un núcleo de hierro dulce (ferrita).

Este atrae al inducido que fuerza a los contactos a tocarse. Cuando la

corriente se desconecta vuelven a separarse.

Los símbolos que aparecen en las figuras poseen solo 1 y dos circuitos,

pero existen relés con un mayor número de ellos.

55

Características Técnicas

Parte electromagnética

Corriente de excitación – Intensidad que circula por la bobina necesaria

para activar un relé.

Tensión nominal - Tensión de trabajo para la cual el relé se activa.

Tensión de trabajo - Margen entre la tensión mínima y máxima,

garantizando el funcionamiento correcto del dispositivo.

Consumo nominal de la bobina.- Potencia que consume la bobina cuando

el relé está excitado con la tensión nominal a 20ºC.

Contactos o Parte mecánica

Tensión de conexión: es la tensión entre contactos antes de cerrar o

después de abrir.

Intensidad de conexión: esta se puede describir como la intensidad

máxima que un relé puede conectar o desconectarlo.

Intensidad máxima de trabajo: se puede definir como la Intensidad máxima

que puede circular por los contactos cuando se han cerrado.

Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y

aleaciones de plata que pueden ser con cobre, níquel u óxido de cadmio. El

uso del material que se elija en su fabricación dependerá de su aplicación y

vida útil necesaria de los mismos debido a este existe diferentes tipos de

reles en la actualidad y logrando muchas diferencias entre si para los

propósitos requeridos.

56

Relés más utilizados

De Armadura

El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los

contactos dependiendo de si es normalmente abierto o normalmente cerrado.

De Núcleo Móvil

Tienen un émbolo en lugar de la armadura. Se utiliza un solenoide para

cerrar los contactos. Se suele aplicar cuando hay que manejar grandes

intensidades.

Relé de armaduras Relé de armaduras Relé Reed

Relé en encapsulado tipo DIP

Relé en encapsulado tipo DIP

Aplicación de los relés como módulos de interfase

Figura N° 16 Tipos de Relés

Fuente: http://electronred.iespana.es/electronred/ELRELE.html (1998)

Las aplicaciones de este tipo de componentes son múltiples: en

electricidad, en automatismos eléctricos, control de motores industriales; en

electrónica: sirven básicamente para manejar tensiones y corrientes

57

superiores a los del circuito propiamente dicho, se utilizan como interfaces

para PC, en interruptores crepusculares, en alarmas, en amplificadores, entre

otros.

G.- DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BASICÓS

Ampere: Es la unidad para la medición de corriente eléctrica que equivale

a la intensidad de corriente. Un ampere equivale a un Coulomb por segundo.

Según Boylestad (1998, p. 160) se define ampere como “La intensidad que

debe circular por dos conductores rectilíneo, paralelos y de longitud infinita,

separados por la distancia de un metro, para que se produzca entre dichos

conductores una fuerza de atracción o de repulsión de 2x10-7 Newtons por

metro de longitud”.

Amperímetro: es un aparato de medición que sirve para determinar el

numero de amperios que fluyen a través de un circuito por el que circula una

corriente eléctrica.

Capacitores o Condensadores: Los condensadores son dispositivos

electrónicos que se usan para almacenar la energía en forma de campos

electrostáticos. Un condensador está formado por dos placas conductoras

separadas por un material aislante o dieléctrico, unos terminales unidos a las

placas permiten la conexión del condensador a otros elementos de circuito.

Corriente: Es la cantidad de carga que pasa a través de la sección

transversal total de un conductor en el tiempo.

58

Electrodinamómetro: también es conocido como instrumento

electrodinámico, comprende la familia de instrumentos analógicos, en los

cuales el cuadro es móvil y el imán permanente es reemplazado por una

bobina fija que se alimenta por la misma corriente objeto de medición. Según

Hayt (1993, p 330) “Como la corriente cambia de sentido en ambas bobinas a

la vez, la orientación del cuadro se realiza siempre en el mismo sentido, y el

instrumento sirve para hacer mediciones tanto en CC como en CA”.

Inductor: Una BOBINA es un dispositivo electrónico que se usa para

almacenar la energía en forma de campo magnético. Una bobina está

formada por un arrollamiento de alambre de forma que el campo magnético

generado por una espira afecte a las espiras vecinas de forma que los

campos magnéticos de todas las espiras se sumen o contrarresten para

formar una distribución espacial de campo magnético alrededor de la bobina

y que depende de su forma, número de espiras y de capas y del material en

el núcleo de la bobina.

Tensión: según Serway (1997, p 697). “es la diferencia de potencial

existente entre el punto P y un punto en el infinito”.

Vatímetro: es un instrumento que se utiliza para medir directamente la

potencia eléctrica de un circuito. Los hay registradores e integradores.

Voltímetro: es cualquiera de los muchos instrumentos utilizados para

medir en voltios la diferencia de potencial existente entre dos conductores.

Existen dos tipos básicos de voltímetro, el clásico construido a partir de un

galvanómetro modificado de manera tal que mida la diferencia de potencial

59

en vez del flujo de corriente, y los modernos que poseen calibración

automática y que utilizan técnicas de muestreo especialmente cuando se

utilizan en baja frecuencia.

Voltio : es la unidad de medida en el sistema internacional para la

diferencia de potencial, que equivale a un Joule de trabajo por Coulomb.

Watt o Vatio: en contexto de electromagnetismo se puede considerar

como la potencia calorífica que irradia una resistencia de un ohmio por la que

circula un amperio.

H.- SISTEMAS DE VARIABLES

Las variables presentes en este estudio son:

Sistema Digital

Definición Conceptual: Las cantidades físicas que representan la

información sólo pueden tomar una serie de valores discretos. Ej.: Sistema

Binario: sólo pueden tomar dos valores, “0” o “1”.

Definición Operacional: Son circuitos TTL, es decir, que operan con un

máximo de 0 a 5V tomando esto 5V como un 1 en valor binario y el cero

como un cero en binario.

Analizador de Potencia

Definición Conceptual: “Es un equipo capaz de medir las variables físicas

involucradas con la potencia en la corriente alterna, tales como tensión,

corriente, ángulo de fase, así como los valores de potencia activa, reactiva y

aparente, además de la frecuencia de trabajo”. Geer y Tortolani (2002).

60

Definición Operacional: Es un equipo electrónico de medición que obtiene

mediante procesos de muestreo y digitalización el valor de las variables

físicas asociadas al análisis de potencia (tensión, corriente, ángulo de fase y

frecuencia) de una manera digital, de forma que pueda ser procesada por el

microcontrolador PIC.