Módulo 3: Fundamentos Eléctricos

1. Resumen del Módulo

El Módulo 3 del programa de estudios EASA Part-66 (Apéndice I) establece los principios fundamentales de la electricidad y la electrónica que son esenciales para todo el personal certificado de mantenimiento de aeronaves. Este módulo es la base sobre la cual se construye todo el conocimiento de los sistemas eléctricos y aviónicos. Cubre el comportamiento de los circuitos de CC y CA, las características de los componentes pasivos esenciales (resistencias, condensadores, inductores), los principios del magnetismo y los transformadores, los fundamentos de los dispositivos semiconductores y el uso de instrumentos de medición eléctrica.

Los niveles de conocimiento para este módulo van desde una visión general (Nivel 1) hasta una comprensión teórica detallada (Nivel 3), lo que requiere que los candidatos no solo recuerden hechos, sino que también apliquen leyes fundamentales (por ejemplo, la Ley de Ohm, las Leyes de Kirchhoff) para resolver problemas prácticos encontrados en el mantenimiento. El contenido es directamente aplicable a tareas como la resolución de fallos en el cableado, la verificación del rendimiento de los componentes y la comprensión del funcionamiento de los sistemas de generación y distribución de energía eléctrica de las aeronaves.

2. Conceptos Clave Explicados en Detalle

_S = 12 V R1 4 Ω R2 6 Ω R3 2 Ω I = 1 A Propiedades clave: • La misma corriente fluye a través de todos los componentes: I = I₁ = I₂ = I₃ • El voltaje de alimentación se divide: V = V₁ + V₂ + V₃ Fórmulas: R_total = R₁ + R₂ + R₃ R_total = 4 + 6 + 2 = 12 Ω Ley de Ohm: I = V / R I = 12 V / 12 Ω = 1 A Caída de voltaje en R1: V₁ = I × R₁ = 1 × 4 = 4 V CIRCUITO EN PARALELO V_S = 12 V R1 4 Ω I₁=3A R2 6 Ω I₂=2A R3 12 Ω I₃=1A I_total = 6 A Propiedades clave: • El mismo voltaje en todas las ramas: V = V₁ = V₂ = V₃ • La corriente total es la suma de las corrientes de rama: I = I₁ + I₂ + I₃ Fórmulas: 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ 1/R_total = 1/4 + 1/6 + 1/12 = 6/12 → R_total = 2 Ω Ley de Ohm: I = V / R I₁ = 12/4 = 3 A, I₂ = 12/6 = 2 A, I₃ = 12/12 = 1 A Total: I = 3 + 2 + 1 = 6 A

2.1 Circuitos de CC (Ref. del Programa: 3.2, 3.3, 3.4)

Esta sección cubre las leyes fundamentales que rigen los circuitos de Corriente Continua (CC).

Ley de Ohm: Esta es la relación más fundamental en la ingeniería eléctrica. Establece que la corriente (I) que fluye 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) del conductor.

Fórmula: I = V / R

Unidades SI: Corriente (I) en amperios (A), Voltaje (V) en voltios (V), Resistencia (R) en ohmios (Ω).

Aplicación: Si el voltaje se duplica y la resistencia permanece constante, la corriente también se duplicará. Esta ley se utiliza para calcular cualquiera de los tres parámetros si se conocen los otros dos.

Potencia Eléctrica: La potencia (P) es la velocidad a la que la energía eléctrica se convierte en otra forma de energía (por ejemplo, calor, luz, trabajo mecánico).

Fórmula: P = V × I

Fórmulas Derivadas (usando la Ley de Ohm): P = I² × R y P = V² / R

Unidad SI: El vatio (W).

Aplicación: Para calcular la potencia disipada por una bobina, use P = V² / R. Por ejemplo, una bobina de solenoide de 28 V con una resistencia de 80 Ω disipa P = 28² / 80 = 9.8 W. Si el voltaje se duplica y la resistencia se reduce a la mitad, la potencia aumenta en un factor de ocho: P_nueva = (2V)² / (R/2) = 8 × (V²/R) = 8P.

Resistencia en Circuitos:

Circuitos en Serie: La resistencia total es la suma de las resistencias individuales. R_total = R1 + R2 + R3 + ... La misma corriente fluye a través de todos los componentes, y el voltaje de alimentación se divide entre ellos. Por ejemplo, dos lámparas idénticas de 24 V, 5 W en serie a través de una alimentación de 24 V recibirán cada una 12 V, funcionando por debajo de su voltaje nominal y produciendo menos luz.

Circuitos en Paralelo: El recíproco de la resistencia total es la suma de los recíprocos de las resistencias individuales. 1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... El mismo voltaje aparece en todas las ramas, y la corriente total es la suma de las corrientes de las ramas. Por ejemplo, para resistencias de 4 Ω, 6 Ω y 12 Ω en paralelo: 1/R_total = 1/4 + 1/6 + 1/12 = 6/12, por lo tanto R_total = 2 Ω.- Coeficiente de Temperatura de la Resistencia: La resistencia de un material cambia con la temperatura.

Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC): La resistencia aumenta con la temperatura. Esta es una característica de la mayoría de los metales, incluidos el cobre y el aluminio. El cambio se calcula mediante la fórmula: R_T = R_0 [1 + α(T - T_0)], donde R_T es la resistencia a la temperatura T, R_0 es la resistencia a la temperatura de referencia T_0 (generalmente 20°C), y α (alfa) es el coeficiente de temperatura de la resistencia (para el cobre, α ≈ 0.00393 por °C).

Aplicación: Un cable de cobre que mide 0.5 Ω a 20°C medirá aproximadamente 0.54 Ω a 40°C (un aumento de 20°C, con un incremento del 8%). Esto es crítico al comparar mediciones de resistencia con especificaciones que se definen a una temperatura de referencia estándar (por ejemplo, 20°C). Una medición tomada en un hangar cálido debe corregirse a la temperatura de referencia antes de la comparación.

2.2 Capacitancia y Condensadores (Ref. del Plan de Estudios: 3.6, 3.13)

La capacitancia es la capacidad de un componente (un condensador) para almacenar una carga eléctrica.

Principio Básico: Un condensador consiste en dos placas conductoras separadas por un material aislante (dieléctrico). Cuando se aplica un voltaje, se establece un campo eléctrico y se almacena carga.

Comportamiento Clave en Circuitos de CC: Un condensador bloquea la corriente continua (CC) en estado estacionario. Cuando se aplica un voltaje de CC, se carga hasta el voltaje de alimentación. Una vez completamente cargado, no fluye más corriente en el circuito. Un condensador completamente descargado tiene cero voltios entre sus placas.

Capacitancia (C): La cantidad de carga (Q) almacenada por unidad de voltaje (V).

Fórmula: C = Q / V

Unidad del SI: El faradio (F). En los sistemas de aeronaves, los condensadores están típicamente en microfaradios (µF = 10⁻⁶ F), nanofaradios (nF = 10⁻⁹ F) o picofaradios (pF = 10⁻¹² F).

Almacenamiento de Energía: Un condensador almacena energía en su campo eléctrico.

Fórmula: E = ½ × C × V²

Unidad del SI: El julio (J).

Aplicación: Un condensador de 100 µF cargado a 50 V almacena E = 0.5 × 100×10⁻⁶ × 50² = 0.125 J.

Constante de Tiempo RC (τ): El tiempo que tarda un condensador en cargarse hasta aproximadamente el 63.2% del voltaje de alimentación o descargarse hasta aproximadamente el 36.8% de su voltaje inicial.

Fórmula: τ = R × C

Unidades del SI: Resistencia (R) en ohmios (Ω), Capacitancia (C) en faradios (F), Constante de tiempo (τ) en segundos (s).

Aplicación: Un condensador de 10 µF que se descarga a través de una resistencia de 5 kΩ tiene una constante de tiempo de τ = 5000 Ω × 10×10⁻⁶ F = 0.05 s = 50 ms.

Marcas de los Condensadores: Los condensadores a menudo están marcados con un código. Por ejemplo, un condensador de disco cerámico marcado '104' tiene un valor de 10 × 10⁴ pF = 100,000 pF = 100 nF. Es crucial considerar la tolerancia del condensador (a menudo ±20% para este tipo), lo que significa que un valor medido de 95 nF está dentro de los límites aceptables.

Seguridad: Los condensadores grandes pueden almacenar una carga peligrosa. Antes del mantenimiento, deben descargarse de manera segura utilizando una resistencia adecuada para limitar la corriente de descarga y prevenir arcos eléctricos o daños. El cortocircuito directo es inseguro y puede dañar el componente.

2.3 Inductancia e Inductores (Ref. del Plan de Estudios: 3.7, 3.13)

La inductancia es la propiedad de un circuito que se opone a un cambio en la corriente.- Principio básico: Un inductor es típicamente una bobina de alambre. Cuando la corriente fluye a través de él, se crea un campo magnético. Un cambio en la corriente provoca un cambio en el campo magnético, lo que induce un voltaje (Fuerza Electromotriz, FEM) en la bobina que se opone al cambio de corriente (Ley de Lenz). Esta FEM autoinducida es la base de la inductancia.

FEM autoinducida:

Fórmula: E = L × (di/dt)

Unidades del SI: Inductancia (L) en henrios (H), tasa de cambio de la corriente (di/dt) en amperios por segundo (A/s), FEM (E) en voltios (V).

Aplicación: Si la corriente a través de un inductor de 5 H aumenta a una tasa de 2 A/s, la FEM autoinducida es E = 5 H × 2 A/s = 10 V.

Comportamiento en circuitos de CC: Un inductor se opone al flujo inicial de corriente cuando se conecta una fuente de CC. Una vez que la corriente alcanza un estado estacionario, el inductor actúa como un cortocircuito (un trozo de alambre con resistencia despreciable).

2.4 Magnetismo y transformadores (Ref. del programa de estudios: 3.8, 3.14)

Densidad de flujo magnético (B): Una medida de la concentración de las líneas de campo magnético.

Unidad del SI: El tesla (T). 1 T = 1 weber por metro cuadrado (Wb/m²).

Principio del transformador: Un transformador es un dispositivo estático que transfiere energía eléctrica entre dos o más circuitos mediante inducción electromagnética. Funciona solo con CA y puede aumentar o disminuir el voltaje manteniendo la frecuencia. Su propósito principal en una aeronave es cambiar los niveles de voltaje para los diferentes requisitos del sistema.

Ecuación del transformador: La relación de voltajes es igual a la relación de vueltas.

Fórmula: Vp / Vs = Np / Ns

Aplicación: Un transformador que reduce 240 V a 24 V con 1000 vueltas en el primario tiene Ns = (Vs/Vp) × Np = (24/240) × 1000 = 100 vueltas.

Relación de corriente y potencia (transformador ideal): Un transformador ideal es 100% eficiente, lo que significa que la potencia de entrada es igual a la potencia de salida (Vp × Ip = Vs × Is). Por lo tanto, la relación de corrientes es la inversa de la relación de voltajes.

Fórmula: Ip / Is = Ns / Np

Aplicación: Para un transformador elevador de 1:10 (primario:secundario) con 115 V en el primario y una carga de 2 A en el secundario, la corriente del primario es Ip = Is × (Ns/Np) = 2 A × 10 = 20 A.

2.5 Teoría de la CA (Ref. del programa de estudios: 3.13)

La Corriente Alterna (CA) es una corriente que invierte su dirección periódicamente.

Frecuencia y período:

Frecuencia (f): El número de ciclos completos por segundo.

Unidad del SI: Hertz (Hz). Los sistemas de aeronaves utilizan comúnmente 400 Hz para reducir el tamaño y el peso de los transformadores y motores.

Período (T): El tiempo que tarda un ciclo completo.

Fórmula: T = 1 / f

Aplicación: Para un suministro de 400 Hz, T = 1 / 400 = 0.0025 s = 2.5 ms.

Valores de pico, pico a pico y RMS: Para una forma de onda sinusoidal:

Voltaje de pico (V_pico): El valor máximo de la forma de onda de voltaje.

Voltaje pico a pico (V_pp): El voltaje desde el pico positivo hasta el pico negativo. V_pp = 2 × V_pico.

Voltaje RMS (V_rms): El voltaje de CC equivalente que produciría el mismo efecto de calentamiento en una resistencia. Para una onda sinusoidal: V_rms = V_pico / √2 ≈ 0.707 × V_pico.

Aplicación: Una traza de osciloscopio que muestra 2.5 divisiones pico a pico a 50 V/div da V_pp = 125 V. El voltaje de pico es 125 / 2 = 62.5 V. El voltaje RMS es 62.5 / √2 ≈ 44.2 V.- Relación de fase en circuitos de CA:

Circuito puramente resistivo: La tensión y la corriente están en fase (ángulo de fase, φ = 0°). Alcanzan sus valores máximos y cero simultáneamente.

Circuito puramente capacitivo: La corriente adelanta a la tensión en 90°.

Circuito puramente inductivo: La corriente se retrasa respecto a la tensión en 90°.

Circuito serie RC: El ángulo de fase (φ) entre la tensión total y la corriente está entre 0° y 90°. Se calcula usando tan φ = Xc / R, donde Xc es la reactancia capacitiva y R es la resistencia.

Circuito serie RL: La oposición total al flujo de corriente se denomina impedancia (Z). Es la suma vectorial de la resistencia (R) y la reactancia inductiva (XL).

Factor de potencia (FP): En un circuito de CA, el factor de potencia es el coseno del ángulo de fase entre la tensión y la corriente.

Fórmula: FP = cos φ

Un circuito puramente resistivo tiene un FP de 1. Un circuito puramente reactivo tiene un FP de 0.

2.6 Sistemas de CA trifásicos (Ref. del programa de estudios: 3.13)

Los sistemas trifásicos se utilizan en aeronaves por su eficiencia y entrega de potencia constante.

Ventajas: Los generadores trifásicos entregan potencia de forma continua sin las pulsaciones de los sistemas monofásicos, lo que los hace ideales para cargas pesadas como motores eléctricos y bombas grandes.

Diferencia de fase: Las tres fases están separadas por 120 grados eléctricos.

Secuencia de fases: La secuencia de fases estándar es Rojo, Amarillo, Azul (RYB). Esta secuencia es crítica para la rotación correcta de los motores de CA (por ejemplo, bombas de combustible) y para la operación en paralelo de generadores. Intercambiar dos fases cualesquiera invierte la secuencia y la dirección de rotación del motor.

Relaciones de tensión (conexión en estrella):

Tensión de fase (V_f): La tensión medida entre una fase y el punto neutro (por ejemplo, 115 V RMS).

Tensión de línea (V_L): La tensión medida entre dos fases cualesquiera.

Fórmula: V_L = √3 × V_f

Aplicación: Para una tensión de fase de 115 V, la tensión de línea es √3 × 115 V ≈ 199,2 V, normalmente redondeada a 200 V. Este es el sistema de CA de aeronave estándar de 115/200 V.

Fallas a tierra: En un sistema conectado en estrella con neutro a tierra, una falla sólida a tierra en una fase desplaza efectivamente el punto neutro al potencial de la fase con falla. Esto hace que las tensiones de fase a neutro de las fases sanas aumenten hasta la tensión de línea a línea, lo cual es una consideración crítica para la coordinación del aislamiento.

2.7 Semiconductores (Ref. del programa de estudios: 3.9, 3.16)

Los semiconductores son materiales con conductividad entre la de los conductores y los aislantes.

Materiales: El silicio es el material semiconductor más utilizado debido a su estabilidad, características de temperatura y bajo costo.

Dopaje y tipos de portadores:

Tipo P: Dopado para tener una abundancia de "huecos" (portadores de carga positiva). Los portadores mayoritarios son los huecos.

Tipo N: Dopado para tener una abundancia de electrones libres (portadores de carga negativa).

Efectos de la temperatura: El aumento de temperatura genera pares adicionales de electrones y huecos en un semiconductor. En un material tipo P, el número de portadores mayoritarios (huecos) aumenta con la temperatura, lo que afecta el rendimiento del dispositivo.

Diodo de unión PN:

Región de agotamiento: Una región en la unión del material tipo P y tipo N donde no existen portadores libres.

Polarización directa: Aplicar una tensión positiva al tipo P (ánodo) en relación con el tipo N (cátodo). Esto reduce la barrera de potencial, estrecha la región de agotamiento y permite la corrent to flow.

Polarización inversa: Aplicar un voltaje negativo al ánodo en relación con el cátodo. Esto amplía la región de agotamiento y bloquea el flujo de corriente.

Diodo Zener: Un tipo especial de diodo diseñado para operar en ruptura inversa. Mantiene un voltaje casi constante entre sus terminales en un rango de corrientes, lo que lo hace ideal para su uso como referencia de voltaje en reguladores. Por ejemplo, un diodo Zener de 5.6 V mantendrá 5.6 V entre sus terminales mientras el voltaje de entrada varíe de 8 V a 12 V.

Rectificación: El proceso de convertir CA en CC.

Rectificador de media onda: Utiliza un solo diodo para permitir que solo la mitad del ciclo de CA pase. El voltaje pico en la carga es el pico del suministro de CA. Para un suministro de 115 V RMS, el pico es 115 × √2 ≈ 162.6 V.

Lógica digital (compuerta NAND): Una compuerta NAND emite una señal BAJA solo cuando todas sus entradas están ALTAS. Si ambas entradas están conectadas entre sí, actúa como un inversor (compuerta NOT). Si la entrada está ALTA, la salida es BAJA.

2.8 Instrumentos de medición eléctrica (Ref. del programa: 3.17)

Amperímetro: Mide la corriente. Debe conectarse en serie con el circuito para asegurar que toda la corriente fluya a través de él.

Voltímetro: Mide el voltaje. Se conecta en paralelo a través del componente o del suministro.

Óhmetro: Mide la resistencia. Se utiliza para verificar la continuidad y la integridad de los devanados. Es esencial asegurarse de que el componente esté aislado del sistema eléctrico de la aeronave antes de medir la resistencia. Si el componente sigue conectado, otros componentes en paralelo proporcionarán rutas de corriente alternativas, reduciendo la resistencia medida y dando una lectura falsa.

Megóhmetro (probador de resistencia de aislamiento): Mide resistencias muy altas (en megaohmios) para probar la integridad del aislamiento. Es fundamental utilizar un megóhmetro con un voltaje de prueba adecuado para el componente que se está probando. Usar un megóhmetro de 500 V en un componente de 28 V puede estresar el aislamiento y producir resultados engañosos. Los componentes de aeronaves de bajo voltaje generalmente requieren un megóhmetro de 50 V o 100 V.

Osciloscopio: Muestra formas de onda de voltaje. Se utiliza para medir voltaje, frecuencia y relaciones de fase. La escala vertical (V/div) y la escala horizontal (tiempo/div) deben configurarse correctamente para interpretar la traza.

3. Fórmulas y relaciones importantes

Concepto	Fórmula	Unidades SI	Notas
Ley de Ohm	`V = I × R`	V, A, Ω	Fundamental para todo análisis de circuitos.
Potencia eléctrica	`P = V × I`	W	Se puede combinar con la Ley de Ohm.
Potencia (derivada)	`P = I² × R` o `P = V² / R`	W	Útil para calcular la disipación en bobinas.
Resistencia en serie	`R_total = R1 + R2 + ...`	Ω	La corriente es la misma a través de todos los componentes.
Resistencia en paralelo	`1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + ...`	Ω	El voltaje es el mismo en todas las ramas.
Coeficiente de temperatura	`R_T = R_0 [1 + α(T - T_0)]`	Ω	α para cobre ≈ 0.00393 /°C.
Capacitancia	`C = Q / V`	F	Carga almacenada por unidad de voltaje.
Energía en un capacitor	`E = ½ × C × V²`	J	Energía almacenada en el campo eléctrico.
Constante de tiempo RC	`τ = R × C`	s	Tiempo para cargar a ~63.2% o descargar a ~36.8%.
FEM autoinducida	`E = L × (di/dt)`	V	Se opone a un cambio en la corriente.
Período de CA	`T = 1 / f`	s	Tiempo para un ciclo completo.
Voltaje RMS (senoidal)	`V_rms = V_pico / √2`	V	Valor equivalente de CC para el efecto de calentamiento.
Voltaje pico (senoidal)	`V_pico= V_rms × √2`	V	Valor máximo de la forma de onda.
Relación de voltaje del transformador	`Vp / Vs = Np / Ns`	V, vueltas	El voltaje es proporcional a las vueltas.
Relación de corriente del transformador	`Ip / Is = Ns / Np`	A	La corriente es inversamente proporcional a las vueltas.
Voltaje de línea trifásico	`V_L = √3 × V_ph`	V	Para un sistema conectado en estrella equilibrado.
Factor de potencia	`PF = cos φ`	-	φ es el ángulo de fase entre V e I.
Ángulo de fase RC	`tan φ = Xc / R`	-	Para un circuito RC en serie.

4. Relaciones comunes entre conceptos

Ley de Ohm y potencia: Están intrínsecamente vinculadas. Conocer dos de las cuatro variables (V, I, R, P) permite calcular las otras dos. Esto es esencial para verificar las clasificaciones de los componentes.

Capacitancia y CA/CC: El comportamiento de un condensador es completamente diferente en CC (bloquea la corriente) frente a CA (ofrece reactancia). Esta doble naturaleza es clave para su uso en circuitos de filtrado y fuentes de alimentación.

Inductancia y transformadores: Un transformador depende de la inductancia mutua entre sus devanados primario y secundario. Los principios de autoinductancia y la Ley de Faraday son la base del funcionamiento del transformador.

Teoría de CA y sistemas trifásicos: La potencia trifásica es una aplicación específica de la teoría de CA. Los valores RMS y de pico, la frecuencia y las relaciones de fase se aplican todos, con la complejidad añadida de la separación de fase de 120° entre las tres fases.

Semiconductores y rectificación: La capacidad del diodo para conducir en una dirección (polarización directa) y bloquear en la otra (polarización inversa) es el principio fundamental detrás de los rectificadores utilizados en las fuentes de alimentación de aeronaves.

Instrumentos de medición y teoría de circuitos: El uso correcto de un amperímetro (en serie) y un voltímetro (en paralelo) es una aplicación directa de las leyes de Kirchhoff. La necesidad de aislar un componente para comprobaciones de resistencia se basa en la comprensión de las rutas de circuitos en paralelo.

5. Puntos típicos de enfoque del examen

Cálculos: Esté preparado para realizar cálculos utilizando la Ley de Ohm, las fórmulas de potencia, resistencia en serie/paralelo, la constante de tiempo RC, relaciones de transformador, período/frecuencia de CA y conversiones de voltaje RMS/pico.

Comportamiento del circuito: Comprenda el comportamiento cualitativo de los componentes en los circuitos. Por ejemplo, ¿qué le sucede a la corriente cuando se duplica el voltaje? ¿Cuál es la corriente a través de un condensador completamente cargado en un circuito de CC? ¿Cuál es la relación de fase en un circuito puramente resistivo?

Características de los componentes: Conozca las características definitorias de resistencias, condensadores, inductores, diodos (incluido el Zener) y transformadores. Esto incluye sus unidades, símbolos y aplicaciones clave.

Sistemas trifásicos: Comprenda las ventajas, la separación de fase, la secuencia de fases (RYB) y la relación entre voltajes de fase y de línea (factor √3).

Técnicas de medición: Sepa cómo conectar amperímetros (en serie) y voltímetros (en paralelo). Comprenda los pasos críticos de seguridad y procedimiento para mediciones de resistencia y resistencia de aislamiento, incluido el aislamiento del circuito y el voltaje correcto del megóhmetro.

Seguridad: Comprenda el procedimiento de descarga segura para condensadores y la importancia de usar el voltaje de prueba correcto para pruebas de aislamiento.

Aplicación práctica: Sea capaz de aplicar conocimientos teóricos a escenarios prácticos, como la resolución de problemas de un devanado abierto (resistencia infinita), un cortocircuito (resistencia casi nula) o una bobina normal (corriente calculada y consumo de potencia).

Efectos de la temperatura: UnComprender cómo afecta la temperatura a la resistencia, especialmente en el cobre, y ser capaz de corregir las mediciones de vuelta a una temperatura de referencia.

Módulo 3: Fundamentos de electricidad