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la gocha y sus conocimientos electrónicos
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ELECTRONICA BASICA
La electrónica analógica o análoga se encarga del estudio y procesamiento de las señales analógicas.Una señal analógica se puede definir como una función continua en el tiempo, y que puede tomar en un instante dado cualquier valor que este dentro del valor máximo y el mínimo. Los circuitos analógicos trabajan con una amplia variedad de señales que varían en forma continua dentro de valores preestablecidos. Los circuitos analógicos se denominan también circuitos lineales.
Electrónica digitalLa electrónica digital se encarga del estudio y procesamiento de las señales digitales.Una señal digital o discreta se define como aquella señal que solo puede adoptar uno de sus dos valores posibles. Los circuitos digitales o lógicos trabajan con señales que pueden adoptar únicamente uno de dos valores posibles. En un instante dado, las entradas y salidas de un circuito digital están en alto o en bajo, pero no en un valor intermedio.
CORRIENTELa corriente eléctrica se denota con la letra ( I ) y se define como el movimiento de los electrones a través de un conductor cuando se le esta aplicando una diferencia de potencial en sus extremos. Su unidad de medida es el Amper o amperio ( A ). En electrónica un amperio es una cantidad demasiado grande, por lo que se recurre a submúltiplos de esta unidad que son: el miliamperio (mA) que es la milésima parte de un amperio, también esta el microamperio (uA) que es la millonésima parte de un amperio.
La corriente se mide con un amperímetro, el cual siempre se conecta en SERIE.
VOLTAJE
El voltaje es la fuerza electromotriz que mueve a los electrones en un circuito, atrayéndolos y repeliéndolos (produciendo corriente) a través del mismo. El voltaje se denota con la letra ( V ).Su unidad de medida es el volt o voltio ( V ). El volt tiene otras unidades que se emplean para medir voltaje en electrónica que son el milivoltio (mV), que es la milésima parte de un volt y el microvolt (uV) que es la millonésima parte del volt.
Tabla 2.2 Tabla de equivalencias.
El voltaje se mide con un voltímetro y este se conecta en paralelo.
RESISTENCIA
Es el efecto de oposición que presenta una resistencia al paso de la corriente eléctrica, produciéndose a través de esta una caída de tensión. Se denota con la letra ( R ).
Tabla 2.3 Tabla de equivalencias.
La resistencia se mide con el ohmetro, y se conecta en paralelo con la resistencia a medir.NOTA: Para medir la resistencia, esta debe estar sin energía o se dañara el ohmetro.Su unidad de medida es el ohm ( W ). Aquí también se tienen otros submúltiplos que son el kilohm ( KW ) que es igual a 1000 ohms, el megaohm ( MW ) que equivale a un millón de ohms.
RESISTENCIA
RESISTENCIA O RESISTORES.
La resistencia es un dispositivo electrónico que se opone al movimiento de la corriente eléctrica.Su unidad de medida es el ohm ( W ). Sus submúltiplos son el kilohm ( KW ) y el megaohm ( MW ).
Sus símbolos son: Fig. 3.1 Símbolo de la resistencia.
CÓDIGO DE COLORES PARA LAS RESISTENCIAS
Tabla 3.1 Código de colores para las resistencias.
En la tercera franja son factores de multiplicación los siguientes colores:Plateado 0.01Dorado 0.1
Hallar el valor de las siguientes resistencias de acuerdo al código de colores para resistencias.
Ejemplos:1.-
De acuerdo al código de colores, su valor es el siguiente:
Café = 1Negro = 0Rojo = 2Dorado= 5%
NOTA: La tercera franja nos indica el número de ceros que hay que agregar o bien por la cantidad que hay que multiplicar. (Negro x 1, Café x 10, Rojo x 100, Naranja x 1000, Amarillo x 10000, Verde x 100000, y así sucesivamente).
Por tanto el valor de la resistencia es:
10 x 100 = 1000 W con una tolerancia del 5%.
La tolerancia nos indica que tanto puede estar el valor de la resistencia por arriba o por abajo de su valor.
2.-
3.-
RESISTENCIAS EN SERIE
Un circuito serie es aquel que esta formado por dos o más resistencias conectadas formando un camino continuo.
Fig. 3.2 Resistencias en serie.
Para hallar la resistencia total (RT ) del circuito solo basta hallar la suma de todas las resistencias.
RT = R1 + R2 + R3 + R4
RESISTENCIAS EN PARALELO
El valor de la resistencia es de 47,000 W = 47 KW con una tolerancia del 10%.
El valor de la resistencia es de 5.6 W con una tolerancia del 5%.
Cuando se conectan dos o más resistencias a los mismos puntos como se muestra en la siguiente figura, se dicen que están en paralelo.
Fig. 3.3 Resistencias en paralelo.
Para hallar la resistencia total ( RT ) de un circuito paralelo aplicamos la siguiente formula:
Ejemplo: NOTA: Cuando se encuentran conectadas en paralelo varias resistencias del mismo valor, su resistencia equivalente se puede encontrar dividendo el valor de una de las resistencias entre el número que haya de ellas.
RESISTENCIAS EN PARALELO – SERIE
Es cuando se conectan en paralelo varias resistencias en serie.
Fig. 3.4 Resistencias en paralelo-serie.
Resolución de este tipo de circuitos.1.- Se resuelven primero todos los arreglos de las resistencias en serie.2,. Con los equivalentes de los series queda un circuito paralelo.3.- Resolver el circuito paralelo en forma normal.
RESISTENCIAS EN SERIE –PARALELO
Es cuando se conectan en serie varias resistencias en paralelo.
Fig. 3.5 Resistencias en serie-paralelo.
Resolución de este tipo de circuitos.
1.- Se resuelven primero todos los arreglos de los paralelos.2.- Con los equivalentes de los paralelos queda un circuito serie.3.- Resolver el circuito serie en forma normal.
RESISTENCIAS COMBINADAS
Muchas combinaciones de circuitos no son ni sencillos circuitos serie-paralelo, ni paralelo-serie, las resistencias se combinan para formar un circuito combinado.Para resolver este tipo de circuitos es necesario combinar los valores de las resistencias de cada grupo para obtener una sola resistencia equivalente a cada sección.Posteriormente, combinar los valores de las resistencias de todas las secciones para obtener una sola resistencia equivalente a todas las resistencias del circuito.
Fig. 3.6 Resistencias combinadas
POTENCIALa potencia es la capacidad de un dispositivo de soportar el paso de cierta corriente a través de él a un cierto voltaje. Se denota con la letra ( P ).Su unidad de medida es el watt (W), se emplean también submultiplos, como por ejemplo: miliwatt (mW) que es la milésima parte de un watt.
Tabla 2.4 Tabla de equivalencias.
La potencia se mide con voltímetro y amperímetro a la vez, las lecturas obtenidas se multiplican dando como resultado la potencia.
CIRCUITO ELECTRICOUn circuito eléctrico es un camino cerrado para que los electrones que parten de un punto puedan regresar al mismo completando el circuito.Las partes esenciales de un circuito eléctrico son la fuente de alimentación, los conductores empleados para transmitir la corriente eléctrica y el elemento o elementos que han de ser alimentados con la energía eléctrica.
Fig. 2.4 Circuito eléctrico.
CAPACITOREs un dispositivo que tiene la facultad de retener una carga de electrones. El número de electrones que puede almacenar con un determinado voltaje, es una medida de su capacitancia.Su construcción básica consta de dos conductores próximos entre sí, pero separados por un aislante que se denomina dieléctrico. Los conductores se hacen generalmente de hojas delgadas de aluminio, y el dieléctrico es una pieza muy delgada o película de un material aislante.
Su unidad de medida es el Faradio, pero en la práctica se tienen valores muy pequeños del orden de los microfaradios (uF = 10-6 F), nanofaradios (nF = 10-9 F), y picofaradios (pF = 10-12 F).
También es muy importante la característica llamada voltaje de trabajo que es la que determina el voltaje que puede soportar entre sus placas sin dañarse.
Ejemplo: C1 = 100uF/50 volts.
Esto quiere decir que el capacitor tiene una capacidad de almacenamiento de 100 uF y soporta un voltaje hasta de 50 volts. No se puede alimentar con más de 50 volts porque puede dañarse el capacitor (explota).En la práctica los condensadores se deben emplear con una capacidad de voltaje de trabajo al doble, nunca menor.
Fig. 4.2 Símbolos del capacitor.
CAPACITORES EN SERIE
Un circuito serie es aquel en el que están conectados dos o más capacitores formando un camino continuo, como se muestra en la siguiente figura.
Fig. 4.3 Capacitores en serie.
La formula para hallar la capacitancia total en un circuito serie es:
CAPACITORES EN PARALELOCuando se conectan dos o más capacitores a los mismos puntos se dice que se encuentran conectados en paralelo, como se muestra en la siguiente figura.
Fig. 4.4 Capacitores en paralelo.
La formula para hallar la capacitancia total en un circuito paralelo es:
INDUCTOR
También conocido como bobina o choque, es un dispositivo que esta constituido por un alambre arrollado sobre un núcleo, este núcleo puede ser de aire, hierro, carbón, etc. Dependiendo del diámetro del núcleo y del número de espiras, una bobina tiene cierta inductancia; las bobinas se representan en los diagramas con la letra L.
Su unidad de medida es el Henrio, (H) pero en la práctica un Henrio es una unidad demasiado grande, por lo que se tiene el milihenrio (mH) y microhenrio (uH).
Fig. 5.1 Símbolo.
INDUCTORES EN SERIE
En un circuito serie están conectados dos o más inductores formando un camino continuo, es condición que se encuentren suficientemente alejados para que no exista acoplamiento entre ellos.
Fig. 5.2 Inductores en serie.
Su ecuación para hallar la inductancia total es:
LT = L1 + L2 + L3 + L4 + L5
INDUCTORES EN PARALELOCuando se conectan dos o más inductores a los mismos puntos, como se muestra en la siguiente figura, se dice que se encuentran en paralelo.Como en el circuito serie deben estar lo suficientemente alejados para que no exista acoplamiento entre ellos.
Fig. 5.3 Inductores en paralelo.
Su ecuación para hallar la inductancia total es:
TRANSFORMADOR
Es uno de los componentes, o partes, de más frecuente empleo en electricidad y radio. La palabra misma indica que se emplea para transformar, o cambiar algo. En la práctica, puede utilizarse un transformador para elevar o reducir tensiones de ca, para producir una elevada corriente alterna de baja tensión a partir de una fuente de alta tensión y baja corriente, o para cambiar la impedancia de un circuito en otra impedancia que resulte la mejor para transferir energía de un circuito a otro.
TIPOS DE TRANSFORMADORES
Según su aplicación, los principales tipos de transformadores son:
Transformador de poder o potencia. Transformadores para audiofrecuencia. Transformadores para radiofrecuencia. Transformadores para instrumentos. Autotransformadores. Transformadores de pulsos. Transformadores de corriente.
Según el material del núcleo, los transformadores se dividen en tres grupos:
Transformadores con núcleo de aire. Transformadores con núcleo de hierro. Transformadores con núcleo de ferrita.
Fig. 6.1 Símbolos del transformador.
RAZÓN DE VOLTAJES DEL TRANSFORMADOR
Una de las principales aplicaciones de los transformadores es elevar y bajar la tensión, esto se consigue con relación al número de vueltas en el devanado primario y en el secundario.El hecho de que la razón de tensiones sea igual a la razón de vueltas, puede expresarse por la siguiente formula:
donde:
NP = Número de vueltas en el devanado primario.NS = Número de vueltas en el devanado secundario.VP = Voltaje en el devanado primario.VS = Voltaje en el devanado secundario.
CORRIENTE ALTERNA
Conceptos básicos de la corriente alterna.
Un generador que produzca una fuerza electromotriz (f.e.m.) que impulsa alternativamente en un circuito los electrones en una dirección, después los detenga y luego los impulse en dirección opuestas, es un alternador. Produce tensiones alternas, las cuales pueden, a su vez, originar corrientes alternas en el circuito.
Quizá la mayor ventaja de la CA sea la facilidad con que puede ser elevada o reducida por medio de un transformador. Al transportar energía eléctrica a la larga distancia, es mucho menor la perdida de potencia en la línea de transporte en forma de calor si la tensión es alta, pues con tensiones mayores se requieren corrientes menores para producir la misma cantidad de potencia en el extremo lejano de la línea.
Pueden producirse corrientes o tensiones alternas que tengan formas muy diversas.
Fig. 7.1 Onda cuadradaFig. 7.2 Onda en diente de sierra Fig. 7.3 Onda seno
El ciclo de CAEn un circuito de CA la dirección en que se mueven los electrones cambia continuamente. Cada vez que cambia se dice que se produce una alternancia. Dos de estas alternancias producen un ciclo.
Fig. 7.4 Dos ciclos de una onda CA seno, mostrando la amplitud cada 30 grados eléctricos.
La curva representa el valor de la corriente (o tensión) del circuito. Indica que la corriente empieza a circular en un instante señalado como 0º, aumenta hasta llegar al punto 90º y luego disminuye hasta llegar al punto 180º. Esto completa un semiciclo, o una alternancia. A continuación, la dirección de la curva se invierte y su intensidad aumenta hasta llegar al punto 270º, disminuyendo después hasta cero al llegar al punto 360º. Se ha completado un ciclo, 360º, estableciéndose de nuevo las condiciones iniciales.
Voltaje pico (Vp).Es el valor de un semiciclo o alternancia, ya sea la positiva o la negativa.
Voltaje pico a pico (Vpp).Es el doble del valor de pico, es decir, el valor entre el máximo positivo y el máximo negativo de un ciclo.
Voltaje eficaz (VRMS)El voltaje eficaz o raíz medio cuadrático representa lo eficaz que es una onda de CA en comparación con su valor de pico.
Las formulas que relacionan estos tres voltajes son:
Las corrientes alternas, pueden diferir de tres modos, que son:
Amplitud (A).Es la altura relativa de la onda de C.A.
Frecuencia (f).Es el número de ciclos por unidad de tiempo.
Fase.Es el número de grados eléctricos en que se adelanta una onda o se atrasa con respecto a otra.
Algunas otras características de la CA son:
Periodo (T):El periodo es el inverso de la frecuencia, y es el tiempo que tarda en completarse un ciclo completo de la onda.
Longitud de onda (l):La longitud de onda es la distancia que hay entre cresta y cresta en una onda de ca.
CORRIENTE DIRECTA
La corriente directa (CD) se caracteriza principalmente por que tiene un valor constante (no varia su amplitud), tiene polaridad y no tiene frecuencia (f = 0).
Fig. 7.5 Corriente directa.
La corriente directa puede ser positiva o negativa.
Fig. 7.6 Corriente positiva y negativa.
LEYES DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS:
Con estas leyes podemos hallar las corrientes y voltajes en cada una de las resistencias de los diferentes circuitos de CD.
Ley de OHM
La relación matemática entre el voltaje, la intensidad de la corriente eléctrica y la resistencia fue descubierta por George Simon Ohm y se denomina “LEY DE OHM”, esta ley es el pilar en el que se basa el estudio de la electricidad en todas sus ramas.
La ley de OHM se enuncia de la siguiente manera:
“LA CORRIENTE O INTENSIDAD ELECTRICA QUE CIRCULA EN UN CIRCUITO ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL AL VOLTAJE E INVERSAMENTE PORPORCIONAL A LA RESISTENCIA”
Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:
donde:
I = intensidad o corriente eléctrica (A).V = voltaje (V).R = resistencia (W).
Circuito simpleUn circuito simple es aquel en que solo hay una resistencia conectada a una fuente de alimentación como se muestra en la siguiente figura.
Fig.10.1 Circuito simple.
De donde:
Circuito serieUn circuito serie es aquel en el que están conectadas dos o más resistencias formando un camino continuo de manera que la corriente pasa sucesivamente de una o otra.
Fig. 10.2 Circuito serie
Corrientes en un circuito serie. Como solo hay un camino por el que puede pasar la corriente, toda la que sale de la fuente tiene que volver a ella, y por lo tanto pasara la misma corriente por todas las partes del circuito.
IT = i1 = i2 = i3
Voltajes en un circuito serie.
Las caídas de voltaje v1, v2 y v3 indican las tensiones necesarias para obligar a la corriente a pasar por las resistencias r1, r2 y r3 respectivamente. Como VT representa el voltaje total necesario en la fuente de alimentación para hacer pasar la corriente por todo el circuito, el voltaje suministrado por la fuente ha de ser igual a la suma de las caídas de tensión en el circuito.
VT = V1 + V2 + V3
Resistencia de un circuito serie.
La resistencia total ofrecida al paso de la corriente será la suma de todas las resistencias aisladas, o sea: RT = R1 + R2 + R3
Potencia en el circuito serie.
Todas las resistencias absorben potencia y como todas las potencias proceden de la fuente, la potencia total absorbida por el circuito serie tiene que ser igual a la suma de las potencias consideradas aisladamente. PT = P1 + P2 + P3
Características del circuito serie.
1. La corriente es igual en todas las partes del circuito.2. El voltaje aplicado, o voltaje de la fuente es igual a la suma de las caídas de tensión
en el circuito.3. La resistencia del circuito completo es igual a la suma de las resistencias del circuito.4. La potencia total es igual a la suma de las potencias absorbidas en las resistencias.
Circuito paralelo
Cuando se conectan dos o más resistencias de manera que la corriente pueda pasar por dos o más caminos, se tiene un circuito paralelo como se muestra en la siguiente figura.
Fig. 10.3 Circuito paralelo
Corrientes en un circuito paralelo.
Como la corriente se va derivando en cada rama del circuito, tenemos:
IT = i1 + i2 + i3
Voltajes en un circuito paralelo.
El voltaje en cada una de las resistencias eléctricas conectadas en paralelo es igual al voltaje que suministra la fuente, por lo que:
VT = V1 = V2 = V3
Resistencia de un circuito paralelo.
La resistencia de un circuito paralelo se calcula empleando la siguiente formula:
Potencia en el circuito paralelo.La potencia total absorbida por el circuito paralelo ha de ser igual a la suma de las potencias por separado.
PT = P1 + P2 + P3
Características del circuito paralelo.
1. La intensidad de la línea es igual a la suma de las intensidades de las ramas.2. El voltaje aplicado a cada rama es igual al de la línea.3. La resistencia de un circuito paralelo es igual a la reciproca de la suma de las
reciprocas de la resistencia de cada rama. La resistencia total es siempre menor que el valor de la menor de las resistencias.
4. La potencia total es igual a la suma de las potencias de las ramas por separado.
Leyes de KIRCHHOFF
Las leyes de Kirchhoff se emplean para resolver circuitos que no son posibles por la Ley de Ohm, calculando sus valores desconocidos (voltajes, intensidades, resistencias, etc.).
Ley de Kirchhoff de los voltajes:
La suma algebraica de todos los voltajes a lo largo de un camino cerrado de un circuito ha de ser igual a cero.
VT – V1 – V2 – V3 = 0
Ley de Kirchhoff de las corrientes:
La suma algebraica de todas las corrientes en cualquier nudo de un circuito ha de ser igual a cero.
IT – i1 – i2 – i3 = 0
Método de resolución de problemas:
El empleo de las leyes de Kirchhoff para calcular los valores desconocidos de un circuito lleva la resolución de varias ecuaciones simultaneas.
La resolución de problemas de circuitos que lleva el planteamiento de ecuaciones simultaneas puede hacerse mejor empleando el siguiente procedimiento:
1.- Marcar todos los elementos del circuito con un nombre y un valor.
2.- Asignar a cada rama del circuito una dirección de corriente dibujando una flecha a lo largo de la rama que indique la dirección del flujo de electrones.
3.- Marcar todos los puntos de conexión de elementos del circuito con una letra de referencia.
4.- Escribir las ecuaciones de las intensidades para cada unión de tres o más elementos del circuito. Cuando se establezcan estas ecuaciones, las corrientes que entran en la unión se consideran algebraicamente positivas y las que salen negativas.
5.- Escribir las ecuaciones de voltaje para cada camino cerrado del circuito. Indicar los voltajes desconocidos en función de las intensidades y resistencias. Indicar las polaridades de los voltajes. Cuando se establezcan las ecuaciones de los voltajes se deben seguir las siguientes reglas:
El voltaje de una fuente es positivo cuando la dirección de la corriente pasa por ella es del terminal positivo al negativo y negativo en caso contrario.
La polaridad del voltaje en una resistencia dependerá de la dirección del flujo de electrones dentro de ella. Cuando esta dirección es opuesta a la dirección en que se ha trazado el voltaje del lazo, el voltaje de la resistencia es negativo y cuando coincide la dirección del flujo de electrones y la asignada al lazo, el voltaje es positivo.
6.- En las ecuaciones de corriente del paso 4 anotar el número de corrientes desconocidas. Resolver simultáneamente las ecuaciones de voltaje y corrientes.
7.- Los voltajes desconocidos pueden determinarse empleando la ley de Ohm.
8.- Comprobar las respuestas obtenidas sustituyendo sus valores en las ecuaciones de voltaje y corriente no empleadas de manera que todos los valores de las corrientes desconocidas sean empleadas al menos una vez.
CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA.
En los circuitos de corriente alterna es evidente que la corriente y el voltaje alternativos están continuamente cambiando de magnitud. Hay que hacer notar que la corriente sigue su ciclo al mismo tiempo que el voltaje sigue el suyo, se dice entonces que están en fase o que tienen la misma fase (las dos ondas parten de cero y crecen simultáneamente alcanzando cada una su máximo en el mismo instante, descienden a la vez, pasan por cero y cambian su polaridad al mismo tiempo y decrecen hasta cero para completar sus ciclos juntas).
Fig. 11.1 Corriente y voltaje en fase.
Con la corriente y el voltaje en fase, el circuito sigue las mismas leyes que se aplican a los circuitos de corriente directa, es decir, I=V/R, V=IR, R=V/I, P=I2R y P=V2/R.
REACTANCIA.
En los circuitos de ca, se deben considerar dos factores adicionales, que son la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva. Cuando un circuito de ca contiene solamente resistencia, la corriente y el voltaje esta en fase, si un circuito de ca contiene reactancia inductiva, reactancia capacitiva o ambas, la corriente y el voltaje no esta en fase, excepto en le caso de resonancia.
REACTANCIA CAPACITIVA.
Es la oposición que un condensador ofrece al flujo de la corriente alterna , se expresa en ohms y su símbolo es XC.El valor de la reactancia capacitiva depende de la capacitancia del circuito y la velocidad a la que cambia el voltaje (frecuencia).
Su ecuación es:
donde:
XC = Reactancia capacitiva (ohms).f = frecuencia (cps o Hz).C = capacitancia (F).
REACTANCIA INDUCTIVA.
Es la oposición al flujo de la corriente que presenta una bobina o inductor, se expresa en ohms y su símbolo es XL.
El valor de la reactancia inductiva depende de dos factores: uno es la inductancia del circuito y el otra la velocidad a que cambia la corriente (frecuencia).
Su ecuación es:
donde:
XL = Reactancia inductiva (ohms).f = frecuencia (cps o Hz).L = Inductancia (H).
EFECTOS DE LA REACTANCIA INDUCTIVA Y CAPACITIVA.
Reactancia capacitiva.El efecto de una reactancia capacitiva es doble: a) ofrece una oposición al flujo de corriente, b) produce un adelanto de la corriente respecto al voltaje. Con una capacitancia perfecta; esto es, que no tenga ninguna resistencia, la corriente se adelanta 90 grados eléctricos respecto al voltaje y no puede extraerse ninguna energía de la línea porque el condensador almacena energía en el campo electrostático durante un semiciclo y devuelve esta energía a la línea en el siguiente medio ciclo. La corriente tomada por una capacitancia perfecta será igual al voltaje dividido por su reactancia capacitiva, o sea:
La siguiente figura muestra las ondas de corriente y voltaje en una reactancia capacitiva.
Fig. 11.2 Voltaje y corriente en una reactancia capacitiva.
Reactancia inductiva.
El efecto de una reactancia inductiva es doble: a) ofrece una oposición al flujo de corriente,b) produce un retraso de la corriente respecto al voltaje. Con una inductancia perfecta, esto es, que no tenga ninguna resistencia, la corriente se retrasa 90 grados eléctricos respecto al voltaje, y no puede extraerse ninguna energía de la línea, por que la bobina almacena energía en el campo magnético durante un semiciclo y devuelve esta energía a la línea en le siguiente medio ciclo.
La corriente tomada por una inducción perfecta será igual al voltaje dividido por su reactancia inductiva.
La siguiente figura muestra las ondas de corriente y voltaje en una reactancia inductiva.
Fig. 11.3 Voltaje y corriente en una reactancia inductiva.
CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA CONTENIENDO RESISTENCIA, INDUCTANCIA Y CAPACITANCIA EN SERIE.
Impedancia:
Los circuitos de corriente alterna pueden consistir en cualquier combinación de resistencias, reactancias inductivas y reactancias capacitivas. El efecto combinado de resistencia y las reactancias se denomina impedancia (Z) y también se expresa en ohms. Cuando un circuito contiene resistencias y reactancias es necesario combinar su efecto ohmico por un método diferente del usado para resistencias aisladas.
Calculo de la impedancia.
La reactancia de cualquier circuito tendrá una fase de 90 grados respecto a su resistencia, el que sea en adelanto o en retraso respecto a la resistencia dependerá de que la reactancia sea capacitiva o inductiva.
Relaciones entre la resistencia, la reactancia y la impedancia.
Las relaciones existentes entre ellos cuando están conectados en serie pueden ser expresadas por las siguientes ecuaciones.
La impedancia de un circuito conteniendo resistencia y reactancia capacitiva es:
La impedancia de un circuito conteniendo resistencia y reactancia inductiva es:
La impedancia de un circuito conteniendo resistencia, reactancia capacitiva y reactancia inductiva es:
La corriente que pasa por un circuito de ca es igual al voltaje aplicado al circuito dividido por su impedancia.
DISPOSITIVOS DE ESTADO SÓLIDO
SEMICONDUCTORES
El silicio, un material semiconductor.
En el centro del átomo del silicio está el núcleo que consta de catorce cargas positivas (protones), circundando el núcleo en diminutas órbitas hay catorce cargas negativas (electrones). Como el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas del átomo, se dice que esta eléctricamente neutro.
Fig. 12.1 Atomo de silicio.
La órbita externa consta de cuatro cargas negativas. Cuando los átomos de silicio vienen unidos formando núcleos, ellos comparten sus cargas negativas externas y forman una unión firme. Esto los convierte en un buen aislante.
Con la unión firme de las cargas negativas de la órbita externa, tenemos muy pocas cargas negativas libres disponibles para el flujo de la corriente. De esta manera desde el punto de vista eléctrico, el silicio puro sería aislante.
Fig. 12.2 Silicio puro
Dopando el silicio.
Para convertir el silicio puro en un semiconductor, se deben agregar átomos de impureza. A este proceso se le llama dopado y por medio de este el silicio puro se convierte en semiconductor.
DIODOS
Son dispositivos fabricados con material semiconductor y tienen dos elementos llamados ánodo y cátodo.
Fig. 12.3 DiodoTipos de diodos.
DIODO RECTIFICADOR
Los diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductores que solo conducen en polarización directa (arriba de 0.7 V) y en polarización inversa no conducen. Estas características son las que permite a este tipo de diodo rectificar una señal.
Los hay de varias capacidades en cuanto al manejo de corriente y el voltaje en inverso que pueden soportar.
Fig. 12.4 Símbolo diodo rectificador.
DIODO ZENER
Un diodo zener es un semiconductor que se distingue por su capacidad de mantener un voltaje constante en sus terminales cuando se encuentran polarizados inversamente, y por ello se emplean como elementos de control, se les encuentra con capacidad de ½ watt hasta 50 watt y para tensiones de 2.4 voltios hasta 200 voltios.
El diodo zener polarizado directamente se comporta como un diodo normal, su voltaje
permanece cerca de 0.6 a 0.7 V.
Fig. 12.5 Símbolo diodo zener
DIODO EMISOR DE LUZ (LED’s)
Es un diodo que entrega luz al aplicársele un determinado voltaje. Cuando esto sucede, ocurre una recombinación de huecos y electrones cerca de la unión NP; si este se ha polarizado directamente la luz que emiten puede ser roja, ámbar, amarilla, verde o azul dependiendo de su composición.
Fig. 12.6 Símbolo diodo emisor de luz
Los LED’s se especifican por el color o longitud de onda de la luz emitida, la caída de voltaje directa (VF), el máximo voltaje inverso (VR), la máxima corriente directa (IF) y la intensidad luminosa. Típicamente VF es del orden de 4 V a 5 V. Se consiguen LED’s con valores de IF desde menos de 20 mA hasta más de 100 mA e intensidades desde menos de 0.5 mcd (milicandelas) hasta más de 4000 mcd. Entre mayor sea la corriente aplicada, mayor es el brillo, y viceversa. El valor de VF depende del color, siendo mínimo para LED’s rojos y máximo para LED’s azules.
Los LED’s deben ser protegidos mediante una resistencia en serie, para limitar la corriente a través de este a un valor seguro, inferior a la IF máxima.
También deben protegerse contra voltajes inversos excesivos. Un voltaje inverso superior a 5V causa generalmente su destrucción inmediata del LED.
TRANSISTORESEl transistor es un dispositivo de estado sólido que tiene tres terminales o conexiones. Su descubrimiento Los transistores bipolares, se clasifican en transistores NPN y transistores PNP, según el tipo de material empleado en su fabricación.Los transistores bipolares son los más utilizados y se fabrican con tres capas de material semiconductor en forma de emparedado.Cada sección o capa del transistor tiene un terminal conectado a ella. Estas secciones se conocen como: emisor, base y colector y se etiquetan con las letras iniciales E, B y C respectivamente.
Fig. 12.7 Tipos de transistores.
La dirección de la flecha del emisor indica si el transistor es tipo NPN o PNP.
Fig. 12.8 Símbolos de los transistores.
La flecha siempre será el emisor. En el transistor PNP la flecha entra y en el NPN la flecha sale.
Además de su división en transistores NPN y PNP los transistores bipolares se clasifican en transistores de baja señal, de propósito general y de potencia.
Polarización.
Las tres formas de polarizar un transistor son:
Por medio de dos baterías.
Fig. 12.9 Polarización por medio de dos baterías.
Por realimentación.
Fig. 12.10 Polarización por realimentación.
Por divisor de tensión.
Fig. 12.11 Polarización por divisor de tensión.
Por cualquiera de las tres formas anteriores de polarización, siempre debe quedar polarizada directamente la unión base-emisor y polarizada inversamente la unión base-colector, dependiendo del tipo de transistor (NPN o PNP).
Configuraciones de los transistores.
Los transistores se pueden conectar en tres configuraciones diferentes: configuración de colector común, configuración de emisor común y configuración de base común.
Fig. 12.12 Configuración emisor común.
Fig. 12.13 Configuración base común.
Fig. 12.14 Configuración colector común.
TRANSISTORES DE EFECTO DCE CAMPOLos transistores de efecto de campo FET’s, son dispositivos de tres terminales controlados por voltaje constituidos por un material de base tipo N o P, llamado sustrato, dentro del cual se forma una región de tipo opuesto, en forma de U, llamada canal, ligeramente dopada. El sustrato actúa como una compuerta o gate (G), uno de los extremos del canal como fuente o source (S) y el otro como drenador o drain (D). Por tanto se forma una unión PN. Los FET’s con esta estructura se denominan FET’s de unión o JFET’s.
Fig. 12.15 Tipos de JFET’s.
Un JFET posee tres terminales que son: surtidor (Source), compuerta (Gate) y drenador (Drain) que corresponden a los terminales emisor, base y colector respectivamente de cualquier transistor bipolar. Estos terminales se indican en los diagramas con las letras S, G y D respectivamente.
En la mayoría de los casos, el diseño del canal es simétrico y, por tanto, cualquiera de los extremos se puede utilizar como drenador o como fuente. Sin embargo, existen casos especiales en los cuales el canal es asimétrico y, por consiguiente, no se pueden intercambiar estos terminales.
Los JFET’s puede ser de canal tipo N o canal tipo P.
Fig. 12.16 Símbolos del JFET.
Polarización de los FET’s.
Autopolarización.
Fig. 12.17 Polarización por autopolarización.
Por divisor de tensión.
Fig. 12.18 Polarización por divisor de tensión.
Configuraciones del JFET.
Los JFET’s tienen tres configuraciones básicas que son: surtidor común, compuerta común y drenaje común.
Fig. 12.19 Configuración surtidor común.
Fig. 12.20 Configuración compuerta común.
Fig. 12.21 Configuración drenaje común.
Las conexiones de cada configuración son validas para los JFET’s y para los MOSFET’s.
MOSFET
En los transistores FET tipo MOSFET, la compuerta o gate esta aislada eléctricamente de las otras partes del componente.
El nombre de MOSFET viene de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, que significa: transistor de efecto de campo con semiconductores de óxido metálico.
Los transistores MOSFET se pueden considerar como los reemplazos ideales para los tubos de vacío añadiendo las características de los semiconductores: bajo consumo, tamaño muy pequeño, gran solidez y larga vida.
Fig. 12.22 Símbolos del MOSFET
Existe un tipo de MOSFET que tiene dos compuertas llamadas Gate 1 y Gate 2 que se emplea mucho en receptores de radio y televisión.
Fig. 12.23 Símbolo del MOSFET de dos puertas.
TRANSISTORES DE UNION UNICA O UJTEste tipo de transistores es un semiconductor que al igual que los demás esta hecho de silicio.
El UJT posee una placa de silicio tipo N, la cual tiene en cada uno de sus extremos una base y en la mitad, el emisor que es de unión única, por esto su nombre.
Fig. 12.24 Símbolo del UJT.
Entre la base 1 y la base 2 existe una resistencia que corresponde a la resistencia del silicio. De
esta forma se establece un divisor de voltaje y en el punto Emisor-Base 1 hay una parte del voltaje aplicado.
Fig. 12.25 Esquema de construcción del UJT.
TIRISTORES
DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPAS (TIRISTORES).
Un tiristor es un dispositivo construido con cuatro capas de material semiconductor dispuestas de tal forma que producen un efecto de enclavamiento o enganche (latching). Esta característica les permite actuar como interruptores electrónicos de potencia, a diferencia de los transistores bipolares y de los FET’s que actúan esencialmente como amplificadores de señal. Sus principales aplicaciones son en el campo del control y manejo de potencia. Los dos principales tipos de tiristores son el rectificador controlado de silicio (SCR) y el triodo de corriente alterna (TRIAC).
RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR)
El SCR es un diodo, pero con una diferencia. Al igual que un diodo tiene un cátodo y ánodo, y deja pasar la corriente en un solo sentido, además tiene un terminal adicional llamado compuerta o “gate”.
Fig. 12.26 Símbolo del SCR.
La compuerta se utiliza para disparar el SCR al estado de conducción. Solamente cuando la compuerta recibe un voltaje positivo, conduce el SCR. Después, aunque no se le aplique ningún pulso a la compuerta, el SCR continua en conducción y la única manera de suspender la conducción es retirar o cambiar la polaridad del voltaje positivo que hay en el ánodo.
Corriente y voltajes permitidos.
Como todos los dispositivos, los SCR’s están clasificados en términos de su capacidad de manejar corrientes y voltajes.
TRIAC
El TRIAC es un tiristor PNPN de cinco capas que puede conmutar corrientes de carga en ambas direcciones y ser disparado por señales de compuerta tanto positivas como negativas. Se utiliza principalmente para la conmutación de corriente alterna, aunque también puede emplearse para conmutar corriente directa. Sus campos de aplicación incluyen interruptores de potencia, desvanecedores de luces (dimmers), controles de velocidad de motores, controles de temperatura, etc.
Desde el punto de vista de su funcionamiento, un triac es equivalente a la asociación de dos SCR’s conectados en antiparalelo. Sin embargo al contrario de un SCR, un TRIAC puede ser conmutado al estado conductivo mediante pulsos de compuerta positivos o negativos, independientemente de la polaridad del voltaje entre los terminales principales.
Fig. 12.27 Símbolo del TRIAC.
El TRIAC se emplea como un interruptor electrónico, reemplazando con muchas ventajas a los relés y otro tipo de interruptores mecánicos, ya que por no tener partes móviles como los contactos metálicos, no sufre desgaste durante su operación y su operación es muy rápida.
COMPUERTAS LÓGICAS.
Definición.Las compuertas digitales son los bloques básicos de cualquier circuito digital. Todos los aparatos digitales, desde el más simple dispositivo, hasta la más sofisticada computadora, están formados por compuertas conectadas en una gran variedad de configuraciones.
Una compuerta digital es un circuito electrónico con dos o más líneas de entrada y una línea de salida, que tiene la capacidad de tomar decisiones.
La decisión tomada por una compuerta consiste en situar su salida en 0 ó en 1, dependiendo del estado de sus entradas y de la función lógica para la cuál ha sido diseñada.
En electrónica digital existen ocho compuertas lógicas, designadas como AND, OR, NOT, YES, NAND, NOR, XOR y XNOR.
Fig. 5.1 Compuertas lógicas
Como describir la operación de una compuerta.
La operación de una compuerta lógica se puede expresar mediante una tabla de verdad, una ecuación lógica o un diagrama de temporización.
Una tabla de verdad representa ordenadamente todas las posibles combinaciones de estados lógicos que pueden existir en las entradas y el valor que toma la salida en cada caso.La ecuación lógica relaciona matemáticamente la salida con las entradas.Un diagrama de temporización representa gráficamente el comportamiento de una compuerta con señales variables en el tiempo.
COMPUERTA AND.
Fig. 5.2 Compuerta AND.
COMPUERTA OR.
Fig. 5.3 Compuerta OR.
COMPUERTA NOT.
Fig. 5.4 Compuerta NOT.
COMPUERTA YES.
Fig. 5.5 Compuerta YES
COMPUERTA NAND.
Fig. 5.6 Compuerta NANDFig. 5.7 Compuerta NO
COMPUERTA NOR.
Fig. 5.7 Compuerta NOR.
COMPUERTA XOR.
Fig. 5.8 Compuerta XOR
COMPUERTA XNOR.
Fig. 5.9 Compuerta XNOR
IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES CON COMPUERTAS BASICAS
Un diagrama lógico o logigrama se obtiene a partir de una función o expresión lógica.
Un diagrama lógico es la representación en forma de símbolos de las funciones lógicas.
La implementación de funciones consiste en desarrollar el diagrama lógico de una función o expresión lógica dada con compuertas lógicas básicas o con lógica NAND o lógica NOR.
La tabla de verdad nos representa el comportamiento del circuito para cada una de sus posibles combinaciones de entrada.
Para determinar el número de combinaciones se aplica la formula 2n, donde “n” es el número de entradas.
1.- Diagrama lógico de la función F1 y su tabla de verdad:
F1 = A B´C + A´B C´+ B´C´
Fig. 5.16 Logigrama de la función F1
La función lógica requiere para su implementación de tres inversores, tres compuertas AND y dos compuerta OR.
Tabla 5.1 Tabla de verdad de la función F1
Para obtener la tabla de verdad de una función o diagrama lógico:
1) Determinar el número de entradas para poder obtener el número de posibles combinaciones con la formula 2n, donde “n” es el número de entradas (en este caso n=3, por lo tanto hay 8 posibles combinaciones de entrada).
2) En la segunda columna se escriben cada una de las posibles combinaciones de entrada con su valor complementado o negado.
3) En las siguientes columnas (AB’C’, A’BC’, B’C’) se va colocando el resultado de cada uno de los términos de la expresión lógica de acuerdo a la combinación de entrada.
4) En la última columna (F1) se obtiene el estado de la salida de la función que corresponde a cada combinación de entrada.
ABC A'B'C' AB'C A'BC' B'C' F1000 111 0 0 1 1001 110 0 0 0 0010 101 0 1 0 1011 100 0 0 0 0100 011 0 0 1 1101 010 1 0 0 1110 001 0 0 0 0111 000 0 0 0 0
IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES CON LÓGICA NAND Y NOR
En la práctica, una unidad lógica tal como una compuerta NAND o NOR pueden emplearse como únicos elementos lógicos para implementar el diagrama lógico de una función lógica.
Obtención de las funciones NOT, AND, OR y NOR con lógica NAND
Tabla 5.3 Equivalencia de la lógica NAND.
Obtención de las funciones NOT, OR, AND y NAND con lógica NOR.
Tabla 5.4 Equivalencia de la lógica NOR.
En la implementación de funciones con compuertas lógicas NAND o NOR, estas pueden simplificarse cuando quedan dos compuertas conectadas en serie, ya que una doble negación es igual a una afirmación.
Fig. 5.18 Una doble negación es igual a una afirmación.
PROBLEMAS : A) CORRIENTE , B) RESISTENCIA, C) VOLTAGE.
DETERMINAR LA INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELECTRICA ATRAVEZ DE UNA RESISTENCIA DE 30 OHMS AL APLICARLE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL DE 90V.DATOS FORMULA RESULTADOI=? I= V I= 90V I= 3AR= 30OHMS R 30 OHMSV=90V
UN ALAMBRE CONDUCTOR DEJA PASAR 6 AMPERS AL APLICARLE UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL (VOLTAGE) DE 110 VOLT.CUAL ES EL VALOR DE SU RESISTENCIA?
DATOS FORMULA RESULTADOI= 6 AMPERS R= V R= 110V R= 18.33 OHMSV=110V I 6AR=?
CALCULAR LA DIFERENCIA DE POTENCIAL( VOLTAGE) APLICADA A UNA RESISTENCIA DE 30 OHMS SI POR ELLA FLUYEN 5 AMPERS
DATOS FORMULA RESULTADOV=? V= I*R V= 150VI=5 AMPERS V5A* 30OHMSR= 30 OHMS
CIRCUITO EN PARALELO
UNA PLANCHA ELECTRICA DE 60 OHMS SE CONECTA EN PARALELO A UN TOSTADOR ELECTRICO DE 90 OHMS CON UN VOLTAGE DE 120 VOLTS.
CALCULAR LO SIGUIENTE:A) REPRESENTAR EL CIRCUITO ELECTRICOB) RESISTENCIA TOTAL DEL CIRCUITOC) CORRIENTE QUE CIRCULA POR EL CIRCUITOD) CORRIENTE PARA CADA RESISTENCIA
A)
B) I = 1 + 1 = 1 Re: R1 R2 1 + 1 = 37.03 OHMS
1 90
C) I= V = 120V = 3.3 A. R 37.03 OHMS
D) IR1= v= 120v = 2 A R 60A
IR2= V= 120V = 1.3 A R 90A
CIRCUITO MIXTO
ENCONTRAR:A)RESISTENCIA TOTAL B) CORRIENTE C) CORRIENTE EN C/RESISTENCIA
SOLUCION:A) R3 Y R4 ESTAN EN PARALELO
1= 1+1 = 0.25 + 0.2 = 0.45ohms Re= 1 = 2.2 ohms Re 4 5 0.45
RT= R1+R2+R3RT= 3+ 6 + 2.2RT= 11.22 OHMS
B) I = V I= 40 = 3..56 A RT 11.2 OHMS
C) IR1= 40 = 13.3A 3 IR2= 40 = 6.6 A
6 IR3 =40 =18A 2.2
CIRCUITO DE CORRIENTE ALTERNA
UN GENERADOR DE CA QUE PRODUCE UNMA FUERZA ELECTROMOTRIZ DE 110V CON UNA FRECUENCIA DE 60HZ SE CONECTA EN SERIE A UNA RESISTENCIA DE 90 OHMS, A UN INDUCTOR DE 0.5 HENRYS Y AUN CONDENSADOR(CAPACITOR) DE 60 MICROFARADS(MF)ENCONTRAR:
A) ELABORAR CIRCUITOB) REACTANCIA INDUCTIVAC) REACTANCIA CAPACITIVAD) REACTANCIAE) IMPEDANCIAF) CORRIENTE
RESULTADO:
FET
El FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de corriente por un canal semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria
de la corriente.
El FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre
si. Ver la figura
Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source) y el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce. La región
que existe entre el drenador y la fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama "canal". La corriente circula de Drenaje (D) Fuente (S). Ver el
gráfico.
Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al transistor bipolar. El terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la compuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la fuente (-
Vgg).
A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la
que el canal queda cerrado se llama "punch-off" y es diferente para cada FET
El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El FET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta
(gate) a fuente (Vgs) modifican la región de rarefacción y causan que varíe el ancho del canal
La curva característica del FET.
Este gráfico muestra que al aumentar el voltaje Vds (voltaje drenador - fuente), para un Vgs (voltaje de compuerta) fijo, la corriente aumenta rápidamente (se
comporta como una resistencia) hasta llegar a un punto A (voltaje de estricción), desde donde la corriente se mantiene casi constante hasta llegar a un punto B (entra en la región de disrupción o ruptura), desde donde la corriente aumenta
rápidamente hasta que el transistor se destruye.
Si ahora se repite este gráfico para más de un voltaje de compuerta a surtidor (Vgs), se obtiene un conjunto de gráficos. Ver que Vgs es "0" voltios o es una
tensión de valor negativo.Si Vds se hace cero por el transistor no circulará ninguna corriente. (ver gráficos a
la derecha)
Para saber cual es el valor de la corriente se utiliza la fórmula de la curva característica de transferencia del FET.
Ver gráfico de la curva característica de transferencia de un transistor FET de canal tipo P en el gráfico inferior. La fórmula es: ID = IDSS (1 - [Vgs / Vgs (off)] )
Rectificador de onda completa con transformador con derivación centralFuente de alimentación no regulada, rizado
Para poder comprender bien lo que se plantea en este tutorial, es conveniente que haya leído El rectificador de media onda. Si ya lo hizo o considera que no es necesario continúe.
Este tipo de rectificador necesita un transformador con derivación central. La derivación central es una conexión adicional en el bobinado secundario del transformador, que divide la tensión (voltaje) en este bobinado en dos voltajes iguales.
Esta conexión adicional se pone a tierra. Ver gráfico
Durante el semiciclo positivo de la tensión en corriente alterna (ver Vin color rojo) el diodo D1 conduce.
La corriente pasa por la parte superior del secundario del transformador, por el diodo D1 por RL y termina en tierra. El diodo D2 no conduce pues está polarizado en inversa
Durante el semiciclo negativo (ver Vin color azul) el diodo D2 conduce. La corriente pasa por la parte inferior del secundario del transformador, por el diodo D2 por RL y termina en tierra. El diodo D1 no conduce pues está polarizador en inversa.
Ambos ciclos del voltaje de entrada son aprovechados y el voltaje de salida se verá como en el siguiente gráfico
La tensión de rizado
Si a RL se le pone en paralelo un condensador, el voltaje de salida se verá como en la siguiente figura (línea negra).
A la variación del voltaje ( ∆v ) en los terminales del condensador / capacitor debido a la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado. La magnitud de este rizado dependerá del valor de la resistencia de carga y al valor del capacitor.
Si se comparar este diagrama con su correspondiente de rectificación de 1/2 onda, se puede ver que este circuito tiene un rizado de mayor frecuencia (el doble), pero es menor. Ver ∆V en el rectificador de 1/2 onda
En cada semiciclo el transformador entrega corriente (a través de los diodos D1 y D2) al condensador C y a la resistencia RL, Esto sucede mientras las ondas aumentan su valor hasta llegar a su valor pico (valor máximo), pero cuando este valor desciende es el condensador el que entrega la corriente a la carga (se descarga).
Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aún cumpliéndose esta condición, el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es grande)
Nota: Hay que tomar en cuenta que el voltaje máximo que se podrá obtener dependerá del voltaje que haya entre uno de los terminales del secundario del transformador y el terminal de la derivación central
