Este módulo proporciona la base teórica esencial para todos los sistemas eléctricos y electrónicos de las aeronaves. Cubre los principios de la corriente continua (CC) y la corriente alterna (CA), el comportamiento de los componentes básicos de los circuitos y la aplicación de las leyes eléctricas fundamentales. Una comprensión exhaustiva de estos conceptos es fundamental para el diagnóstico, la reparación y la certificación seguros de los sistemas eléctricos de las aeronaves. El módulo está estructurado para progresar desde la teoría atómica básica y las unidades de medida, pasando por el análisis de circuitos y las características de los componentes, hasta la aplicación práctica de los equipos de prueba y una introducción a los dispositivos semiconductores.
2. Conceptos Clave Explicados en Detalle
2.1 La Naturaleza de la Electricidad y las Unidades Eléctricas
Estructura de la Materia: Toda la materia está compuesta por átomos, que consisten en un núcleo central (que contiene protones con carga positiva y neutrones neutros) rodeado por electrones con carga negativa en órbita. En los conductores, los electrones más externos (electrones de valencia) están débilmente unidos y pueden moverse libremente entre los átomos. Este movimiento de electrones libres constituye una corriente eléctrica.
Carga Eléctrica y Corriente:
Carga (Q) se mide en culombios (C) . Un culombio es la cantidad de carga transportada por una corriente constante de un amperio durante un segundo.
Corriente Eléctrica (I) es la velocidad de flujo de la carga, medida en amperios (A) . Un amperio es un culombio por segundo. Por convención, se considera que el flujo de corriente va de positivo a negativo (corriente convencional), aunque los electrones fluyen físicamente de negativo a positivo.
Fuerza Electromotriz (FEM) y Diferencia de Potencial (Tensión):
Fuerza Electromotriz (FEM) es la energía suministrada por unidad de carga por una fuente (por ejemplo, una batería o un generador), medida en voltios (V) .
Diferencia de Potencial (Tensión, V) es la energía disipada por unidad de carga a medida que la carga fluye a través de un componente, también medida en voltios (V) . Es el "empuje" que impulsa la corriente a través de un circuito.
Resistencia y Conductancia:
Resistencia (R) es la oposición al flujo de corriente, medida en ohmios (Ω) . Es una propiedad del material y de sus dimensiones físicas.
Conductancia (G) es el recíproco de la resistencia, y mide la facilidad con la que fluye la corriente. Su unidad del SI es el siemens (S) . La relación es: G = 1/R.
Potencia:
Potencia (P) es la velocidad a la que la energía eléctrica se convierte en otra forma (por ejemplo, calor, luz, trabajo mecánico), medida en vatios (W) . Un vatio es un julio por segundo.
2.2 Ley de Ohm y Ecuación de Potencia
Estas son las dos relaciones más fundamentales en los circuitos eléctricos.
Ley de Ohm: Establece que la corriente (I) que fluye a través de un conductor es directamente proporcional a la tensión (V) a través de él e inversamente proporcional a su resistencia (R).
Fórmula:I = V / R
Esto se puede reorganizar para encontrar la tensión: V = I × R, o la resistencia: R = V / I.
Ecuación de Potencia: La potencia disipada o consumida en un circuito se puede calcular utilizando combinaciones de tensión, corriente y resistencia.
Fórmula Principal:P = V × I
Fórmulas Derivadas: Sustituyendo la Ley de Ohm, obtenemos P = I² × R y P = V² / R.Estas fórmulas son esenciales para calcular los parámetros de los circuitos, seleccionar las clasificaciones de los componentes y comprender el consumo de energía. Por ejemplo, una bobina de solenoide clasificada a 24 V y 36 W tendrá una resistencia de R = V² / P = 24² / 36 = 16 Ω y consumirá una corriente de I = V / R = 24 / 16 = 1.5 A.
2.3 Resistencia y Resistividad
La resistencia de un conductor depende de cuatro factores principales:
30.Material (Resistividad, ρ): Una propiedad específica del material medida en ohmios-metro (Ω·m) . El cobre tiene baja resistividad (aprox. 1.72 × 10⁻⁸ Ω·m) y es un excelente conductor. El aluminio tiene una resistividad más alta (aprox. 2.82 × 10⁻⁸ Ω·m) pero es más ligero, lo que lo hace útil para barras colectoras grandes.
31.Longitud (L): La resistencia es directamente proporcional a la longitud del conductor. Un cable más largo tiene más resistencia.
32.Área de sección transversal (A): La resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal. Un cable más grueso tiene menos resistencia.
33.Temperatura: Para la mayoría de los metales, la resistencia aumenta con la temperatura.
Fórmula de la resistencia:
Fórmula:R = ρ × L / A
Esto se puede reorganizar para encontrar la resistividad: ρ = R × A / L.
Ejemplo de cálculo: Un cable de 20 metros con un área de sección transversal de 1 mm² (1 × 10⁻⁶ m²) tiene una resistencia medida de 0.5 Ω. Su resistividad es ρ = (0.5 Ω × 1 × 10⁻⁶ m²) / 20 m = 2.5 × 10⁻⁸ Ω·m, que es consistente con el cobre.
2.4 Circuitos en Serie y en Paralelo
Circuitos en Serie:
Los componentes están conectados de extremo a extremo, formando una única trayectoria para el flujo de corriente.
Corriente (I): La misma corriente fluye a través de todos los componentes.
Voltaje (V): El voltaje total es la suma de las caídas de voltaje individuales en cada componente. V_total = V1 + V2 + V3 + ...
Resistencia (R): La resistencia total es la suma de todas las resistencias individuales. R_total = R1 + R2 + R3 + ...
Circuitos en Paralelo:
Los componentes están conectados entre los mismos dos puntos, proporcionando múltiples trayectorias para el flujo de corriente.
Voltaje (V): El voltaje en cada rama es el mismo e igual al voltaje de la fuente.
Corriente (I): La corriente total es la suma de las corrientes en cada rama. I_total = I1 + I2 + I3 + ...
Resistencia (R): La resistencia total se encuentra utilizando la fórmula recíproca. 1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...
Ejemplo de cálculo: Dos resistencias de 6 Ω en paralelo tienen una resistencia total de 1/R_total = 1/6 + 1/6 = 2/6, por lo tanto R_total = 3 Ω.
2.5 Capacitancia y Condensadores
Un condensador es un componente pasivo que almacena energía en un campo electrostático. Consiste en dos placas conductoras separadas por un material aislante llamado dieléctrico.
Capacitancia (C): La capacidad de un condensador para almacenar carga, medida en faradios (F) . Un faradio es una unidad muy grande; los condensadores prácticos se clasifican típicamente en microfaradios (µF, 10⁻⁶ F) o picofaradios (pF, 10⁻¹² F).
Condensadores en Serie y en Paralelo:
Serie: La capacitancia total es menor que la capacitancia individual más pequeña. El recíproco de la capacitancia total es la suma de los recíprocos. 1/C_total = 1/C1 + 1/C2 + ...
Paralelo: La capacitancia total es la suma de todas las capacitancias individuales. C_total = C1 + C2 + C3 + ...
Ejemplo de cálculo: Dos condensadores de 10 µF en serie tienen una capacitancia total de 1/C_total = 1/10 + 1/10 = 2/10, por lo tanto C_total = 5 µF.Función en los circuitos de aeronaves: Los condensadores se utilizan para diversos fines, entre ellos:
Suavizar las ondulaciones de tensión en las fuentes de alimentación.
Bloquear la corriente continua (CC) mientras permiten el paso de la corriente alterna (CA) (acoplamiento/desacoplamiento).
Almacenar energía para pulsos de alta potencia y corta duración.
Desfasar la corriente en circuitos de CA.
2.6 Magnetismo y electromagnetismo
Magnetismo: Una fuerza fundamental que puede atraer o repeler ciertos materiales (p. ej., hierro, níquel, cobalto). Un imán tiene un polo norte y un polo sur.
Electromagnetismo: El principio según el cual un conductor que transporta corriente produce un campo magnético a su alrededor. La dirección del campo puede determinarse mediante la "regla de la mano derecha".
Inducción electromagnética: El principio según el cual un campo magnético cambiante puede inducir una tensión (fuerza electromotriz, FEM) en un conductor. Esta es la base fundamental de los generadores, transformadores y motores. La FEM inducida es proporcional a la velocidad de cambio del flujo magnético.
2.7 Teoría de la corriente alterna (CA)
Generación de CA: La CA se genera haciendo girar una bobina dentro de un campo magnético. La tensión inducida varía sinusoidalmente con el tiempo, ascendiendo hasta un pico positivo, descendiendo hasta cero, alcanzando un pico negativo y volviendo a cero.
Parámetros clave:
Frecuencia (f): El número de ciclos completos por segundo, medida en hercios (Hz) . Los sistemas de CA de las aeronaves suelen funcionar a 400 Hz para reducir el tamaño y el peso de los transformadores y motores en comparación con los 50/60 Hz utilizados en la alimentación en tierra.
Valor de pico (V_pico): El valor instantáneo máximo de la tensión o la corriente.
Valor eficaz (RMS): El valor efectivo de una tensión o corriente alterna. Es el valor equivalente de corriente continua que produciría el mismo efecto de calentamiento en una resistencia. Para una forma de onda sinusoidal, V_RMS = V_pico / √2 (aprox. 0,707 × V_pico). La mayoría de los voltímetros y amperímetros de CA muestran valores RMS.
Relación de fase en un circuito puramente resistivo:
En un circuito de CA puramente resistivo, la tensión y la corriente están en fase. Esto significa que alcanzan sus valores de pico y cero exactamente al mismo tiempo. No hay reactancia (oposición a la CA debida a la capacitancia o inductancia) que provoque un desfase.
2.8 Transformadores
Un transformador es un dispositivo estático que transfiere energía eléctrica entre dos o más circuitos mediante inducción electromagnética. Consiste en un devanado primario y un devanado secundario enrollados sobre un núcleo magnético común.
Principio de funcionamiento: Una tensión de CA aplicada al devanado primario crea un flujo magnético cambiante en el núcleo. Este flujo se enlaza con el devanado secundario, induciendo una tensión de CA en él.
Relación de vueltas: La relación entre las tensiones primaria y secundaria y el número de vueltas de cada devanado viene dada por:
Fórmula:Vp / Vs = Np / Ns
Donde Vp y Vs son las tensiones primaria y secundaria, y Np y Ns son el número de vueltas en los devanados primario y secundario.
Esto permite que un transformador eleve (aumente) o reduzca (disminuya) una tensión de CA. Un transformador elevador tiene más vueltas en el secundario (Ns > Np), mientras que un transformador reductor tiene menos vueltas en el secundario (Ns < Np).
2.9 Semiconductores
Los semiconductores son materiales (generalmente silicio o germanio) cuya conductividad se encuentra entre la de los conductores y la de los aislantes. Su conductividad puede controlarse mediante el dopaje (adición de impurezas).Diodos:
Un diodo es un dispositivo semiconductor de dos terminales que actúa como una válvula unidireccional para la corriente.
Polarización directa: Cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo, el diodo conduce corriente.
Polarización inversa: Cuando el cátodo es positivo con respecto al ánodo, el diodo bloquea el flujo de corriente.
Función: Los diodos se utilizan para la rectificación (conversión de CA a CC), la protección de circuitos (por ejemplo, diodos de retorno en las bobinas de los relés) y la demodulación de señales.
3. Fórmulas y Procedimientos Importantes
3.1 Resumen de Fórmulas Clave
Magnitud
Símbolo
Unidad
Fórmula
Corriente
I
Amperio (A)
`I = V / R`
Tensión
V
Voltio (V)
`V = I × R`
Resistencia
R
Ohmio (Ω)
`R = V / I`
Potencia
P
Vatio (W)
`P = V × I = I² × R = V² / R`
Conductancia
G
Siemens (S)
`G = 1 / R`
Resistividad
ρ
Ohmio-metro (Ω·m)
`ρ = R × A / L`
Resistencia en serie
R_total
Ohmio (Ω)
`R_total = R1 + R2 + ...`
Resistencia en paralelo
R_total
Ohmio (Ω)
`1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + ...`
Capacidad en serie
C_total
Faradio (F)
`1/C_total = 1/C1 + 1/C2 + ...`
Capacidad en paralelo
C_total
Faradio (F)
`C_total = C1 + C2 + ...`
Relación de transformación
-
-
`Vp / Vs = Np / Ns`
Frecuencia
f
Hercio (Hz)
`f = 1 / T` (T = período)
3.2 Prácticas Estándar de Cableado y Sistemas
Codificación de colores de cables: La práctica estándar en el cableado de aeronaves utiliza rojo para las líneas de alimentación de CC positivas y negro para las líneas negativas o de retorno. Esto facilita la identificación y la resolución de problemas.
Caída de tensión: En un sistema de aeronave de 28 V CC, la caída de tensión continua máxima permitida en el cable alimentador principal desde la barra de bus del generador hasta la barra de bus de distribución está típicamente limitada al 2% de la tensión nominal del sistema. Esto asegura que la tensión en la carga esté dentro de los límites aceptables.
3.3 Equipos y Procedimientos de Prueba
Amperímetro: Mide la corriente y se conecta en serie con el circuito.
Voltímetro: Mide la tensión y se conecta en paralelo a través de un componente o fuente.
Óhmetro: Mide la resistencia y se utiliza en circuitos sin tensión.
Megóhmetro (Comprobador de aislamiento): Mide valores de resistencia muy altos (en megaohmios) para evaluar la integridad del aislamiento.
Prueba de resistencia de aislamiento: Una lectura alta (por ejemplo, 10 MΩ o 50 MΩ) indica que el aislamiento está intacto y no hay fugas de corriente a tierra.
Valor mínimo aceptable: Para un sistema de 28 V CC, la resistencia de aislamiento mínima aceptable se considera generalmente de 1 MΩ. Una lectura inferior indica un aislamiento degradado que requiere investigación.
4. Relaciones Comunes Entre Conceptos- **Ley de Ohm y Potencia:** Estos conceptos están interrelacionados. La potencia se puede calcular utilizando dos de las tres variables (V, I, R) de la Ley de Ohm. Por ejemplo, una electroválvula de 24 V y 36 W consumirá 1,5 A y tendrá una resistencia de 16 Ω.
Resistencia y Conductancia: Son exactamente recíprocas. Un material de alta resistencia tiene baja conductancia.
Resistencia y Dimensiones Físicas: La resistencia es directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional al área de la sección transversal. Por eso, los cables largos y delgados tienen más resistencia que los cortos y gruesos.
Serie vs. Paralelo: Las reglas para la resistencia y la capacitancia son opuestas. Las resistencias se suman en serie, mientras que las capacitancias se suman en paralelo. Las resistencias se combinan por recíprocos en paralelo, y las capacitancias se combinan por recíprocos en serie.
Frecuencia de CA y Tamaño de los Componentes: La mayor frecuencia de la CA en aeronaves (400 Hz) permite componentes magnéticos más pequeños y ligeros (transformadores, motores) porque el flujo magnético cambia más rápidamente, requiriendo menos material de núcleo para el mismo voltaje.
Voltaje de Batería y Número de Celdas: El voltaje terminal de una batería de plomo-ácido es la suma de los voltajes de sus celdas individuales. Una celda de plomo-ácido completamente cargada tiene un voltaje de circuito abierto de aproximadamente 2,1 V. Por lo tanto, una batería de 12 V consta de seis celdas (6 × 2,1 V ≈ 12,6 V).
5. Puntos Típicos de Enfoque en el Examen
Unidades SI: Debe conocer la unidad SI para cada cantidad eléctrica, incluidas las menos comunes como el siemens para la conductancia y el ohmio-metro para la resistividad.
Ley de Ohm y Cálculos de Potencia: Esté preparado para calcular cualquiera de las cuatro variables (V, I, R, P) dadas las otras dos. Esta es el área más frecuentemente evaluada.
Circuitos en Serie y en Paralelo: Debe ser capaz de calcular la resistencia total y la capacitancia total para configuraciones tanto en serie como en paralelo.
Cálculos de Resistividad: Sea capaz de usar la fórmula R = ρL/A para encontrar cualquiera de las cuatro variables, prestando mucha atención a las conversiones de unidades (por ejemplo, mm² a m²).
Fundamentos de CA: Comprenda la diferencia entre los valores pico y RMS, la importancia de 400 Hz en aeronaves y la relación de fase en circuitos puramente resistivos.
Teoría de Transformadores: Conozca la fórmula de la relación de vueltas y sea capaz de calcular voltajes o vueltas de primario/secundario.
Funciones de los Componentes: Sea capaz de indicar la función básica de un condensador (almacenamiento de energía en un campo electrostático) y de un diodo (flujo de corriente en un solo sentido).
Prácticas de Sistemas de Aeronaves: Conozca los códigos de colores estándar de los cables, el límite típico de caída de voltaje (2%) y la resistencia de aislamiento mínima aceptable (1 MΩ) para un sistema de CC de 28 V.
Teoría de Baterías: Conozca el voltaje nominal de celda de una celda de plomo-ácido completamente cargada (2,1 V).
Equipos de Prueba: Sepa cómo se conecta cada medidor (amperímetro, voltímetro, ohmímetro) en un circuito.
