Electrónica: conceptos, definiciones, leyes, teoremas

Energía y Potencia

Energía: Es la capacidad que se tiene para realizar algo.

Por ejemplo, si se conecta una batería o pila a un foco o bombillo incandescente se observa que esta energía se convierte en luz y también se disipa en calor.

La unidad de la energía es el julio (J) y la rapidez con que se consume esa energía (se deja el bombillo encendido gastando energía en luz y calor) se mide en julios/segundo. A esto se le llama: Potencia.

Entonces, potencia es la velocidad con que se consume energía y la fórmula es:

P = W / T (potencia = energía por unidad de tiempo)

Si se consume un Julio en un segundo se dice que se consumió un Watt (Vatio) de potencia.

Existen varias fórmulas que nos ayudan a obtener la potencia que se consume en un elemento en particular.

Una de las mas conocidas es P = V x I
Donde:
- V es la tensión en los terminales del elemento en cuestión e ..
- I es la corriente que circula por él.

Para el caso de las resistencias, además de fórmula anterior, se pueden utilizar las siguientes fórmulas:

- P = V²/R: Si se conoce el valor de la resistencia y el voltaje entre sus terminales. (aquí no se conoce la corriente)

- P = I²xR: Si se conoce el valor de la resistencia y la corriente que la atraviesa. (aquí no se conoce la tensión)

Ejemplo:
Si se conecta un bombillo incandescenteo foco a la batería (12 Voltios) de un auto y por el bombillo circula una corriente de 2 amperios, entonces la potencia que se consume en esebombillo (en calor y luz) es: P = VxI =12 x 2 = 24 watts (vatios)

Con los mismos datos y con la potencia ya encontrada es posible encontrar el valor en ohmios delbombillo o foco, utilizando cualquiera de las fórmulas: P = V²/R ó P = I²xR

Utilizando la fórmula P = V²/R, y despejando R, se obtiene: R = V²/P = 12²/24 = 6 ohmios

Potencia eléctrica

Cuando se hace el análisis de la potencia que consume una resistencia, cuando es atravesada por una corriente continua (La ley de Joule), sólo era necesario multiplicar la corriente por el voltaje entre los terminales. P = V x I

Lo anterior también es cierto en el caso en que se utilice corriente alterna en una resistencia o resistor, porque en estos casos la corriente y el voltaje están en "fase". Esto significa que la corriente y el voltaje tienen sus valores máximos y mínimos simultáneamente (las formas de onda son iguales. Sólo podrían diferenciarse en su amplitud)

Potencia eléctrica en un circuito con carga reactiva (reactancia)

En este caso la corriente se adelantaría o atrasaría con respecto al voltaje y sus valores máximos y mínimos ya no coincidirían. Lapotencia que se obtiene de la multiplicación del voltaje con la corriente (P= I x V) es lo que se llama una potencia aparente.

La verdadera potencia consumida dependerá en este caso de la diferencia de ángulo entre el voltaje y la corriente. Este ángulo se representa como Θ. Un circuito que tenga reactancia significa que tiene un capacitor (condensador), una bobina (inductor) o ambos.

Si el circuito tiene un capacitor / condensador:

- Cuando la tensión de la fuente va de 0 voltios a un valor máximo, la fuente entrega energía al capacitor, y la tensión entre los terminales de éste, aumenta hasta un máximo. La energía se almacena en el capacitor en forma de campo eléctrico.
- Cuando la tensión de la fuente va de su valor máximo a 0 voltios, es el capacitor el que entrega energía de regreso a la fuente.

Si el circuito tiene un inductor / bobina:

- Cuando la corriente va de 0 amperios a un valor máximo, la fuente entrega energía al inductor. Esta energía se almacena en forma de campo magnético.
- Cuando la corriente va de su valor máximo a 0 amperios, es el inductor el que entrega energía de regreso a la fuente.

Se puede ver que, la fuente en estos casos tiene un consumo de energía igual a "0", pues la energía que entrega la fuentedespués regresa a ella. La potencia que regresa a la fuente es la llamada potencia reactiva. Entonces en un circuito totalmente resistivo no hay regreso de energía a la fuente, en cambio en un circuito totalmente reactivo toda la energía regresa a ella.

Ahora es de suponer que en un circuito que tenga los dos tipos de elementos (reactivo y resistivo), parte de la potencia se consumirá (en la resistencia) y parte se regresará a la fuente (por las bobinas y condensadores). En el gráfico, que se muestra más abajo, la relación entre el voltaje la corriente y la potencia

La potencia que se obtiene de la multiplicación de la corriente y el voltaje en cualquier momento es la potencia instantánea en ese momento

- Cuando el voltaje y la corriente son positivos: La fuente está entregando energía al circuito

- Cuando el voltaje y la corriente son opuestos (uno es positivo y el otro es negativo), la potencia es negativa y en este caso el circuito le está entregando energía a la fuente.

Se puede ver que la potencia real consumida por el circuito, será lapotencia total que se obtiene con la fórmula P = I x V, (potencia entregada por la fuente, llamada potencia aparente) menos lapotencia que el circuito le devuelve (potencia reactiva).

Nota: Es una resta fasorial, no aritmética.

La potencia real se puede calcular con la siguiente fórmula: P = I²R

donde:
- P es el valor de la potencia real en watts (vatios)
- I es la corriente que atraviesa la resistencia, en amperios
- R es el valor de la resistencia en ohmios

¿Cómo se obtiene la corriente en un circuito que tiene resistencia y reactancia?

Se utiliza el concepto de impedancia. En este caso la Impedancia de este circuito es: Z = R + jX

donde:
- R = resistencia
- X = la reactancia = XC - XL ( reactancia capacitiva - reactancia inductiva)

Entonces:
- Z = (R² + X²)^1/2 (ver: Impedancia)
- I = E/Z (tensión entregada por la fuente entre la reactancia total)

Donde:
- I = corriente en amperios
- E = tensión de la fuente
- Z = impedancia calculada anteriormente

¿Qué es factor de potencia?

Factor de potencia es la relación entre la energía que se convierte en trabajo y la energía eléctrica que un circuito o dispositivo se consume

En otras palabras: es el cociente entre la voltaje total aplicado a un circuito y el voltaje en la parte resistiva del mismo.

También se llama factor de potencia al:
- Coseno del ángulo (cos0) entre los vectores de potencia aparente y potencia real.
- Coseno del ángulo (cos0) entre los vectores de Impedancia y resistencial.

Ver los gráficos más abajo:

La potencia en corriente alterna, consumida por una un circuito con elementos resistivos (resistencias) y reactivos (capacitores y/o inductores) se puede obtener con las siguientes fórmulas:

P = I x V x (factor de potencia) ó
P = I_RMS x V_RMS x (factor de potencia)

Nota: RMS se refiere a valores efectivos. Ver: Valor RMS, Valor Pico, Valor Promedio

Ver el siguiente circuito y el correspondiente diagrama fasorial. (a pesar de que el diagrama representa un valor inductivo, el procedimiento es válido en sentido general)

En la resistencia R la corriente está en fase con la tensión en la resistencia V_R y se sabe que lapotencia (potencia real) que se disipa en una impedancia (R + jX), se debe solo a la resistencia.

Entonces: P = I x V_R

Del diagrama fasorial:

V_R = V cos(0) y …

Combinando las dos últimas fórmulas se obtiene: P = I x Vcos(0)

Comparando esta última ecuación con la expresión: P = I x V x factor depotencia, se deduce que:

Factor de potencia = cos(0)

Donde 0 es el ángulo de fase de laimpedancia o lo que es lo mismo el ángulo entre la tensión y la corriente en el circuito.

Entonces:

Factor de potencia = f.p. = cos(0) = V_R / V = R / |Z|

Donde: |Z| significa: el valor absoluto de Z. (El valor de Z es siempre positivo, sin tomar en cuenta el signo)

El valor del ángulo siempre estará entre:

- 0º: Cuando entre V e I no hay desfase (circuito totalmente resistivo).
Cos(0) = 1. Factor de potencia = 1

- 90º: Cuando entre V e I hay un desfase de 90º (circuito totalmente reactivo).
Cos(0) = 0. Factor de potencia = 0

Lo normal es mantener el factor de potencia lo más alto posible donde cos(0) tienda a “1” (lo más resistivo posible).