Módulo 3: Fundamentos de electricidad

Módulo 3: Fundamentos Eléctricos — Material de Estudio EASA Part-66 B1.3

1. Resumen del Módulo

El Módulo 3, "Fundamentos Eléctricos", constituye la piedra angular de todos los conocimientos de sistemas eléctricos de aeronaves para la licencia EASA Part-66 B1.3 (Helicópteros). Este módulo proporciona los principios físicos esenciales, las relaciones matemáticas y las aplicaciones prácticas necesarias para mantener, solucionar problemas y certificar de forma segura los sistemas eléctricos de helicópteros. El temario cubre una progresión lógica desde la teoría atómica básica hasta la generación de CA compleja y los dispositivos semiconductores, todo contextualizado para el entorno de mantenimiento aeronáutico.

El módulo está estructurado para construir la comprensión de forma progresiva: comenzando con la teoría de electrones y la electrostática, avanzando por el análisis de circuitos de CC y CA, luego hacia las máquinas prácticas (generadores, motores, transformadores) y finalmente hacia los dispositivos de estado sólido que forman la electrónica moderna de las aeronaves. En todo momento, el énfasis está en la aplicación de la teoría a escenarios reales de mantenimiento: comprender por qué falla un componente, cómo medir sus parámetros correctamente y qué precauciones de seguridad son obligatorias.

2. Conceptos Clave Explicados en Detalle

2.1 Teoría de Electrones y Magnitudes Eléctricas (Temario 3.1–3.3)

Estructura de la Materia y la Carga

Toda la materia está compuesta por átomos que contienen protones con carga positiva, neutrones neutros y electrones con carga negativa. En los materiales conductores (notablemente cobre y aluminio), los electrones más externos están débilmente unidos y pueden moverse libremente entre átomos. Este "mar de electrones" constituye la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial.

Ley de Ohm

La relación fundamental que rige los circuitos de CC: V = I × R

Esta ley es la base de prácticamente todos los cálculos de circuitos. Puede reorganizarse para resolver cualquier variable: I = V/R o R = V/I. Un ejemplo práctico del contexto del examen: una luz de aterrizaje de 250 W en un bus de CC de 28 V consume I = P/V = 250/28 = 8,93 A.

Potencia Eléctrica

La fórmula de potencia P = V × I puede combinarse con la Ley de Ohm para derivar formas alternativas: P = I²R y P = V²/R. Para cálculos de protección de circuitos, la potencia máxima que un circuito puede manejar es simplemente el voltaje del bus multiplicado por la clasificación del disyuntor. Un disyuntor de 5 A en un bus de 28 V permite un máximo de 140 W.

Características de las Baterías

Las baterías de aeronaves se clasifican en amperios-hora (Ah) , lo que representa la capacidad total de carga. Una batería de 20 Ah puede teóricamente suministrar 1 A durante 20 horas, o 20 A durante 1 hora. Sin embargo, la clasificación práctica se basa en una tasa de descarga estándar (típicamente la tasa de 20 horas para plomo-ácido, 1 hora para Ni-Cd).Una batería de plomo-ácido de 24 V completamente cargada mostrará una tensión de circuito abierto de aproximadamente 25,2 V (2,1 V por celda) después de que se disipe la carga superficial. Esto es normal e indica carga completa, no sobrecarga. Una batería de Ni-Cd de 24 V en estado completamente cargado normalmente muestra aproximadamente 25,5 V.

2.2 Circuitos de CC y Análisis de Circuitos (Programa 3.4–3.5)

Circuitos en Serie

Los componentes conectados de extremo a extremo comparten la misma corriente. Resistencia total: R_total = R₁ + R₂ + R₃ + ... La tensión de alimentación se divide entre los componentes proporcionalmente a su resistencia (regla del divisor de tensión).

Circuitos en Paralelo

Los componentes conectados entre los mismos dos puntos comparten la misma tensión. Resistencia total: 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + ... La corriente total es la suma de las corrientes de las ramas.

Leyes de Kirchhoff

Puente de Wheatstone

Un dispositivo de medición de resistencia de precisión que consta de cuatro resistencias dispuestas en configuración de diamante. Cuando el puente está equilibrado (el galvanómetro lee cero), la relación de las resistencias conocidas es igual a la relación de la resistencia desconocida con el estándar ajustable: R₁/R₂ = Rₓ/R₃. En equilibrio, la resistencia desconocida es igual al estándar conocido en el brazo correspondiente.

Localización de Fallas en Circuitos de CC

Comprender el comportamiento del circuito es esencial para la resolución de problemas:

2.3 Capacitancia e Inductancia (Programa 3.6–3.7)

Capacitancia

Un condensador almacena energía en un campo electrostático entre dos placas conductoras separadas por un dieléctrico. Características clave:

Inductancia

Un inductor almacena energía en un campo magnético alrededor de una bobina. Características clave:

Filtrado CapacitivoEn una unidad transformadora-rectificadora (TRU), el condensador de filtro está conectado en paralelo con la salida. Se carga al voltaje pico y se descarga lentamente entre picos, reduciendo el rizado y proporcionando una salida de CC más suave. No aumenta el voltaje ni limita la corriente.

2.4 Generadores y Motores de CC (Programa 3.7–3.8)

Principios del Generador de CC

Un generador de CC convierte energía mecánica en energía eléctrica mediante inducción electromagnética. El conmutador actúa como un rectificador mecánico, convirtiendo el voltaje de CA inducido en el inducido rotatorio en CC en las escobillas.

Funcionamiento del Generador-Arrancador

Durante el arranque del motor, el generador-arrancador funciona como motor. En reposo, no hay fuerza contraelectromotriz, por lo que la corriente está limitada únicamente por la baja resistencia del inducido, lo que resulta en una corriente de irrupción muy alta. A medida que aumenta la velocidad, la fuerza contraelectromotriz aumenta, reduciendo el consumo de corriente.

Tipos de Motores de CC

Generadores de CC sin Escobillas

Los helicópteros modernos utilizan cada vez más generadores de CC sin escobillas. Estos emplean un conjunto rectificador rotativo y un excitador, eliminando el conmutador y las escobillas. La principal ventaja es la reducción del desgaste y del mantenimiento.

Protección del Generador

El relé de corriente inversa (RCR) o cortacircuitos de corriente inversa es una protección esencial. Si el voltaje del generador cae por debajo del voltaje de la batería, la corriente fluiría de la batería al generador, haciendo que este "motrice" (funcione como motor). El RCR detecta esta corriente inversa y abre el contactor del generador, protegiendo tanto al generador como al bus de CC.

Regulación de Voltaje

El regulador de voltaje mantiene la salida del generador dentro de los límites especificados. Un diodo Zener se utiliza comúnmente como referencia de voltaje en los reguladores, operando en la región de ruptura inversa donde el voltaje permanece casi constante en un rango de corrientes.

2.5 Teoría de CA y Generadores de CA (Programa 3.9–3.10)

Sistemas Trifásicos

Los sistemas de CA de aeronaves utilizan generación trifásica. Las tres fases están separadas por 120 grados de ángulo eléctrico. Esto proporciona una entrega de energía equilibrada y continua.

Secuencia de Fases

La secuencia de fases (o rotación) es el orden en que las fases alcanzan sus valores máximos positivos (A-B-C o A-C-B). La secuencia correcta es esencial para:

La secuencia de fases invertida generalmente indica que el generador está girando en la dirección incorrecta o que tiene conexiones mal cableadas.

Frecuencia

Los sistemas de CA de aeronaves operan a 400 Hz en lugar de los 50/60 Hz terrestres. Esta frecuencia más alta reduce significativamente el tamaño y el peso de transformadores, motores y otros componentes magnéticos, algo crítico para aplicaciones aeroespaciales.

Voltaje Generado y Frecuencia

El voltaje generado es proporcional a la frecuencia: E ∝ f. Probar un generador de 400 Hz a 350 Hz produciría un voltaje de salida proporcionalmente menor. La reactancia interna (X_L = 2πfL) también disminuye con la frecuencia, afectando la regulación.

Unidad de Velocidad Constante (CSD)El CSD mantiene una velocidad constante del generador independientemente de la velocidad del motor, asegurando una salida constante de 400 Hz. Una frecuencia de 420 Hz (5% por encima) indica que el CSD está funcionando mal: el generador está girando demasiado rápido.

2.6 Transformadores (Programa 3.11)

Principio del Transformador

Un transformador opera mediante inducción electromagnética y solo funciona con CA. Transfiere energía entre circuitos a través de un campo magnético mutuo, proporcionando:

Relación de Vueltas

La relación entre el primario y el secundario es: V_p/V_s = N_p/N_s

Para un transformador reductor con 200 vueltas en el primario y 50 vueltas en el secundario, alimentado con 115 V CA: V_s = 115 × (50/200) = 28,75 V.

Limitación Crítica

Los transformadores no funcionan con CC. Para la reducción de voltaje en CC (por ejemplo, de 24 V a 12 V), se requiere un convertidor CC-CC o un divisor resistivo.

2.7 Instrumentos de Medición Eléctrica (Programa 3.4, 3.12)

Voltímetro

Conectado en paralelo a través del componente para medir la diferencia de potencial. Tiene una alta resistencia interna para minimizar la carga del circuito.

Amperímetro

Conectado en serie con el circuito. Tiene una resistencia interna muy baja.

Amperímetro de Pinza

Mide la corriente detectando el campo magnético alrededor de un solo conductor. Consideraciones críticas:

Megger (Comprobador de Resistencia de Aislamiento)

Se utiliza para medir la resistencia de aislamiento de devanados y cables. Requisito de seguridad obligatorio: El componente debe estar sin tensión y aislado de todas las fuentes de alimentación y otros equipos antes de la prueba. Aplicar alto voltaje a un sistema conectado es peligroso y puede dañar la electrónica sensible.

Osciloscopio

Muestra el voltaje en función del tiempo. Para una fuente de CC con rizado, la traza muestra una línea horizontal con una pequeña variación de CA superpuesta. El voltaje de rizado pico a pico se mide directamente desde la pantalla.

Puente de Wheatstone

Proporciona una medición precisa de la resistencia. En equilibrio, la resistencia desconocida es igual al estándar conocido en el brazo correspondiente.

2.8 Dispositivos Semiconductores (Programa 3.13)

Diodo Zener

Un diodo diseñado específicamente para operar en la región de ruptura inversa (ruptura Zener o por avalancha). El voltaje a través de él permanece casi constante en un rango de corrientes, lo que lo hace ideal como referencia de voltaje en reguladores.

Diodos Rectificadores

En una TRU, los diodos convierten CA en CC. Un diodo en circuito abierto reduce el voltaje de salida porque se rectifican menos fases, lo que resulta en un voltaje promedio de CC más bajo.

Relés de Estado Sólido

Para cargas de CC, un MOSFET de potencia se utiliza comúnmente como interruptor de estado sólido debido a su alta capacidad de corriente y baja resistencia en conducción. Los tiristores (SCR) y triacs se utilizan típicamente para cargas de CA.

Termopares

Operan según el efecto Seebeck: se genera un voltaje (FEM) cuando dos uniones de metales diferentes están a temperaturas distintas. Este es el principio fundamental detrás de los sistemas de detección de incendios basados en termopares.

2.9 Sistemas Eléctricos de Aeronaves (Programa 3.14)

Barra Eléctrica

Un punto de conexión común donde la energía de las fuentes (generadores, baterías) se distribuye a múltiples cargas. Los tipos incluyen:- Bus esencial (cargas críticas)

Desconexión de Cargas

Durante una falla de un solo motor, el generador restante puede sobrecargarse. La desconexión automática de cargas de los buses no esenciales protege al generador y mantiene la energía esencial.

Descargadores de Electricidad Estática

Diseñados con alta resistencia (típicamente 1–10 MΩ) para permitir que la carga estática se disipe lenta y suavemente, reduciendo la descarga de corona y la interferencia de radio. Una baja resistencia causaría una descarga repentina y chispas.

Cintas de Unión (Bonding)

Proporcionan caminos de baja resistencia entre componentes y estructura. Una alta resistencia (por ejemplo, 3.8 mΩ frente a un límite de 2.5 mΩ) se debe típicamente a corrosión o película de óxido. La acción correcta es limpiar y volver a medir antes de considerar el reemplazo.

Protección contra Sobretensión

En sistemas de 28 V CC, el relé de sobretensión (OVR) desconecta el campo del generador si el voltaje excede los límites (por ejemplo, 30.5 V ± 0.5 V). Si el OVR falla, una sobretensión sostenida puede dañar la aviónica y las cargas sensibles.

3. Fórmulas y Relaciones Importantes

4. Relaciones Comunes entre Conceptos

El Triángulo de Potencia: La potencia aparente (VA), la potencia real (W) y la potencia reactiva (VAR) se relacionan a través del factor de potencia (cos φ) en circuitos de CA.

Frecuencia y Tamaño de Componentes: Una frecuencia más alta (400 Hz vs 50 Hz) permite componentes magnéticos más pequeños porque la densidad de flujo magnético alcanza su pico con más frecuencia, requiriendo menos material de núcleo para la misma transformación de voltaje.

Velocidad del Generador y Frecuencia: En generadores de CA, la frecuencia es directamente proporcional a la velocidad de rotación y al número de pares de polos: f = (N × P)/120, donde N es RPM y P es el número de polos.

FEM Inversa y Corriente del Motor: La corriente consumida por un motor de CC es (V_suministro - E_inversa)/R_inducido. En reposo, E_inversa = 0, dando la corriente máxima. A medida que aumenta la velocidad, la FEM inversa aumenta, reduciendo la corriente.

Caída de Voltaje y Resistencia de Contacto: La caída de voltaje a través de una conexión = I × R_contacto. La corrosión aumenta R_contacto, incrementando la caída de voltaje bajo carga—incluso cuando la corriente está dentro de la clasificación del componente.

Voltaje de Batería y Estado de Carga: El voltaje de circuito abierto proporciona una indicación aproximada del estado de carga para baterías de plomo-ácido (2.1 V/celda cargada, 1.95 V/celda descargada). Las baterías de Ni-Cd requieren métodos de evaluación diferentes (la gravedad específica no es confiable).

5. Puntos Típicos de Enfoque para el Examen

Basado en las preguntas de examen analizadas, los candidatos deben enfocarse en:1. Frecuencias específicas de aeronave: Sistemas de CA de 400 Hz; por qué difieren de los sistemas terrestres.

6. Referencias Reglamentarias

Este módulo se alinea con:

Niveles de conocimiento según el programa de estudios:

Los candidatos deben demostrar competencia en el nivel apropiado para cada tema del programa de estudios, con especial énfasis en la aplicación práctica en el entorno de mantenimiento de helicópteros.