Módulo 3: Fundamentos de electricidad

Módulo 3: Fundamentos Eléctricos – EASA Part-66 B2

1. Resumen del Módulo

El Módulo 3, "Fundamentos Eléctricos", constituye la piedra angular de todos los conocimientos de sistemas eléctricos y electrónicos de aeronaves para la licencia EASA Part-66 B2. Este módulo proporciona la base teórica esencial necesaria para comprender, solucionar problemas y mantener los complejos sistemas eléctricos que se encuentran en las aeronaves modernas. El temario cubre un amplio espectro de temas, que van desde la teoría atómica básica y el análisis de circuitos de corriente continua hasta la teoría de corriente alterna, dispositivos semiconductores y sistemas de protección eléctrica.

El módulo está estructurado para construir el conocimiento de forma progresiva, comenzando con conceptos fundamentales y avanzando hacia aplicaciones más complejas. Para la categoría B2, los niveles de conocimiento requeridos son predominantemente Nivel 2 (conocimiento general) y Nivel 3 (teoría detallada), lo que refleja la profundidad de comprensión necesaria para el personal certificador que trabaja en sistemas aviónicos y eléctricos.

2. Conceptos Clave Explicados en Detalle

2.1 Teoría del Electrón y Materiales Eléctricos

Estructura Atómica y Portadores de Carga

Toda la materia está compuesta por átomos que contienen protones (carga positiva), neutrones (neutros) y electrones (carga negativa). En los conductores metálicos, los electrones más externos (electrones de valencia) están débilmente unidos y pueden moverse libremente, formando un "mar de electrones". Este movimiento libre de electrones constituye una corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial.

Conductores, Aislantes y Semiconductores

Dopaje de Semiconductores

Importante: En el material tipo P, los huecos se mueven en la misma dirección que la corriente convencional. Esto se debe a que la corriente convencional se define como el flujo de carga positiva, y los huecos son portadores de carga positiva.

2.2 Teoría de Circuitos de Corriente Continua

Ley de Ohm y Potencia

La ley de Ohm establece que la corriente (I) a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje (V) entre los dos puntos e inversamente proporcional a la resistencia (R):

V = I × R

Donde:

P = V × I = I² × R = V² / R

Resistencias y Código de Colores

Las resistencias se identifican mediante un sistema de código de colores. El código estándar utiliza cuatro o cinco bandas:

Valores de colores: Negro = 0, Marrón = 1, Rojo = 2, Naranja = 3, Amarillo = 4, Verde = 5, Azul = 6, Violeta = 7, Gris = 8, Blanco = 9.

Ejemplos:

Resistencias en Serie y en Paralelo

Para dos resistencias en paralelo, la fórmula simplificada es: R_total = (R₁ × R₂) / (R₁ + R₂)

Resistencia Interna y Tensión en Terminales

Las fuentes de tensión reales (baterías, generadores) tienen resistencia interna (r). Cuando circula corriente, se produce una caída de tensión en esta resistencia interna:

V_terminal = FEM - (I × r)

Donde FEM es la fuerza electromotriz (tensión en circuito abierto).

Ejemplo: Una batería de 24 V con resistencia interna de 0.5 Ω conectada a una carga de 5.5 Ω:

Una mayor resistencia interna provoca una mayor caída de tensión bajo carga, reduciendo la tensión en terminales.

Fuente de Tensión Ideal: Una fuente de tensión ideal mantiene una tensión en terminales constante independientemente de la corriente de carga, lo que requiere resistencia interna cero.

2.3 Capacitancia y Condensadores

Principios Básicos

Un condensador almacena energía eléctrica en un campo electrostático. La capacitancia (C) se mide en faradios (F), donde 1 F = 1 culombio por voltio. Las aplicaciones aeronáuticas utilizan típicamente microfaradios (µF = 10⁻⁶ F) y picofaradios (pF = 10⁻¹² F).

Almacenamiento de Carga: Q = C × V (carga en culombios)

Condensadores en Serie y en Paralelo

Distribución de Carga (Conservación de la Carga)

Cuando un condensador cargado se conecta a un condensador descargado, la carga se conserva:

Q_inicial = Q_final

Ejemplo: Un condensador de 10 µF cargado a 200 V se conecta en paralelo con un condensador descargado de 30 µF:

Reactancia Capacitiva

En circuitos de CA, un condensador ofrece oposición al flujo de corriente denominada reactancia capacitiva:

X_C = 1 / (2πfC)

Donde:

Ejemplo: Condensador de 20 µF en una fuente de 100 V, 50 Hz:

X_C = 1 / (2π × 50 × 20 × 10⁻⁶) = 159.15 Ω

Relación de Fase: En un circuito puramente capacitivo, la corriente adelanta a la tensión en 90°. Esto ocurre porque el condensador se carga y descarga, permitiendo que la corriente fluya antes de que la tensión se acumule entre las placas.

2.4 Inductancia e Inductores

Principios Básicos

Un inductor almacena energía en un campo magnético. La inductancia (L) se mide en henrios (H). Cuando la corriente a través de un inductor cambia, se induce una fuerza electromotriz inversa que se opone al cambio (ley de Lenz).

Reactancia Inductiva

X_L = 2πfLLa reactancia inductiva es directamente proporcional a la frecuencia. A medida que la frecuencia aumenta, la reactancia inductiva aumenta.

Ejemplo: Inductor de 50 mH en una fuente de 200 V, 400 Hz:

X_L = 2π × 400 × 0.05 = 125.66 Ω

Relación de fase: En un circuito puramente inductivo, la corriente se retrasa respecto a la tensión en 90°.

Constante de tiempo (circuito RL)

La constante de tiempo (τ) representa el tiempo necesario para que la corriente alcance aproximadamente el 63.2% de su valor final:

τ = L / R

Donde:

Ejemplo: R = 50 Ω, L = 0.5 H:

τ = 0.5 / 50 = 0.01 s (10 ms)

Potencia en circuitos puramente inductivos: El ángulo de fase es de 90°, por lo que el factor de potencia (cos φ) es cero. La potencia real P = V × I × cos φ = 0. Toda la energía se almacena alternativamente en el campo magnético y se devuelve a la fuente—no se disipa potencia real.

2.5 Teoría de CA

Formas de onda sinusoidales

La tensión y la corriente de CA varían sinusoidalmente con el tiempo. Parámetros clave:

Relaciones RMS-Pico (para formas de onda sinusoidales):

Ejemplo: Valor eficaz de 115 V:

V_pico = 115 × 1.414 = 162.6 V

Valor medio: El valor medio de una onda senoidal simétrica durante un ciclo completo es cero porque los semiciclos positivo y negativo se cancelan. Durante un semiciclo, el valor medio es 0.637 × valor de pico.

Relaciones de fase en circuitos de CA

Impedancia en circuitos RLC en serie

La impedancia (Z) es la oposición total a la corriente en un circuito de CA:

Z = √(R² + (X_L - X_C)²)

Ejemplo: R = 30 Ω, X_L = 50 Ω, X_C = 20 Ω:

Z = √(30² + (50 - 20)²) = √(900 + 900) = √1800 = 42.43 Ω

Resonancia en circuitos RLC

La resonancia ocurre cuando X_L = X_C. La frecuencia de resonancia es:

f = 1 / (2π√(LC))

En resonancia:

Potencia en CA

Ejemplo: Potencia aparente = 5 kVA, FP = 0.8 en retraso:

Potencia real = 5 kVA × 0.8 = 4 kW

2.6 Transformadores

Principio de funcionamiento

Un transformador transfiere energía eléctrica entre circuitos mediante inducción electromagnética. Consiste en un devanado primario y un devanado secundario sobre un núcleo magnético común. Los transformadores funcionan solo con CA porque dependen de un flujo magnético cambiante para inducir tensión. Con CC, se produce un campo magnético constante y no se induce tensión en el secundario (después del transitorio inicial).

Relación de vueltas

V_s / V_p = N_s / N_p

Donde:

Ejemplos:

2.7 Sistemas Trifásicos

Configuración básica

Los sistemas trifásicos constan de tres tensiones de CA separadas por 120° eléctricos. Esta configuración proporciona una transmisión de potencia más eficiente y un funcionamiento más suave de los motores.

Conexión en estrella (Y)

Ejemplo: Tensión de línea = 200 V:

V_ph = 200 / √3 = 200 / 1.732 = 115.47 V

Conexión en delta

Medición de potencia (método de los dos vatímetros)

Para una carga trifásica equilibrada:

Ejemplo: P₁ = 4000 W, P₂ = 1500 W:

P_total = 5500 W

tan φ = √3 × (4000 - 1500) / 5500 = 0.787

φ = 38.2°, cos φ = 0.786

Frecuencia del generador de CA

La frecuencia de la salida de un generador depende del número de polos y de la velocidad de rotación:

f = (P × N) / 120

Donde:

Ejemplo: Generador de 4 polos, salida de 400 Hz:

N = (120 × 400) / 4 = 12,000 RPM

2.8 Dispositivos Semiconductores

Diodo de unión PN

Un diodo es un dispositivo de dos terminales que conduce corriente en la dirección de polarización directa y la bloquea en la dirección de polarización inversa. Este comportamiento unidireccional hace que los diodos sean esenciales para la rectificación.

Diodo Zener

Un diodo Zener está diseñado específicamente para operar en la región de ruptura inversa. En esta región, la tensión a través del diodo permanece casi constante en un rango de corrientes. Esta propiedad hace que los diodos Zener sean ideales para:

Transistor de Unión Bipolar (BJT)

Un BJT tiene tres terminales: emisor, base y colector. Existe en dos tipos: NPN y PNP.

Regiones de funcionamiento:

Varistor (resistencia dependiente de la tensión)

Un varistor tiene una resistencia que disminuye significativamente cuando la tensión a través de él supera un umbral. Se utiliza para limitar sobretensiones transitorias y proteger equipos electrónicos sensibles contra picos de tensión.

2.9 Motores de CC

Principio de funcionamiento

Un motor de CC convierte energía eléctrica en energía mecánica. La interacción entre el campo magnético y los conductores del inducido que transportan corriente produce el par motor.

Fuerza contraelectromotriz (FEM)

Cuando el inducido gira, genera una fuerza contraelectromotriz (E_b) que se opone a la tensión aplicada:

V = E_b + (I × R_a)

Donde:

Ejemplo: V = 28 V, I = 4 A, R_a = 2 Ω:

E_b = 28 - (4 × 2) = 20 V

Función del conmutador

El conmutador invierte la dirección de la corriente en los devanados del inducido a medida que gira el rotor. Esto asegura que el par motor permanezca en la misma dirección, permitiendo una rotación continua.

2.10 Protección Eléctrica y Seguridad**Disyuntores**

Un disyuntor es un dispositivo de protección diseñado para interrumpir automáticamente el circuito cuando la corriente supera un valor predeterminado. Esto evita daños al cableado y a los componentes. Principios clave:

Ejemplo: Un disyuntor de 5 A protegiendo un cable de 10 A—si una falla causa que fluyan 15 A, el disyuntor se dispara, protegiendo el cable.

Cintas de Unión

Las cintas de unión aseguran la continuidad eléctrica entre partes metálicas, proporcionando:

Reguladores de Voltaje

Un regulador de voltaje asegura que el voltaje de salida de un generador o alternador permanezca estable bajo condiciones variables de carga y velocidad. Esto es crítico para proteger equipos de aviónica sensibles.

Rectificación

3. Fórmulas y Relaciones Importantes

4. Relaciones Comunes Entre Conceptos

Resistencia vs. Reactancia vs. Impedancia

Efectos de la Frecuencia

Relaciones de Fase

Conservación de la Carga

Relaciones del Transformador

5. Puntos Clave Típicos del Examen

Basándose en el programa de estudios del Módulo 3 B2 de EASA Part-66 y en los patrones típicos de examen, los candidatos deben centrarse en:

Temas de Nivel 2 (Conocimiento General)

Temas de Nivel 3 (Teoría Detallada)

Errores Comunes en el Examen

Aplicaciones Prácticas