Módulo 3: Fundamentos de electricidad

Module 3: Fundamentos Eléctricos — Material de Estudio EASA Part-66 Categoría B1.4

Visión General

El Módulo 3 del plan de estudios EASA Part-66 (Apéndice I del Reglamento (UE) N.º 1321/2014, Anexo III) proporciona los conocimientos fundamentales de la teoría y práctica eléctrica necesarios para el personal certificador que trabaja en aeronaves. Para la Categoría B1.4 (helicópteros con motores de turbina), este módulo cubre los principios fundamentales de la electricidad, desde la teoría atómica básica hasta la generación compleja de CA y los dispositivos semiconductores. El módulo está estructurado en 14 subtemas (3.1 a 3.14), cada uno de los cuales aborda un área específica de los fundamentos eléctricos.

Los niveles de conocimiento para este módulo van desde el Nivel 1 (visión general) para conceptos básicos hasta el Nivel 3 (teoría detallada) para áreas críticas como generadores de CC, generadores de CA, transformadores y dispositivos semiconductores. Este material de estudio sintetiza los conocimientos básicos requeridos para la licencia B1.4, con especial énfasis en aplicaciones específicas de helicópteros como sistemas de 28 V CC, generación de CA de 400 Hz, generadores-arrancadores y sistemas de baterías.

3.1 Teoría del Electrón y Electroestática

Estructura Atómica y Carga

Toda la materia está formada por átomos que contienen tres partículas primarias:

La unidad fundamental de carga es el culombio (C), donde un culombio equivale aproximadamente a 6,24 × 10¹⁸ electrones. La carga de un solo electrón es de aproximadamente −1,602 × 10⁻¹⁹ C.

Conductores, Aislantes y Semiconductores

Los materiales se clasifican por su capacidad para conducir corriente eléctrica:

El silicio es el material semiconductor más utilizado para diodos de potencia en alternadores de aeronaves debido a su alta tolerancia a la temperatura y su baja corriente de fuga.

Principios Electroestáticos

La relación entre la carga (Q), la capacitancia (C) y el voltaje (V) es:

Q = C × V

3.2 Terminología Eléctrica y Circuitos de CC

Unidades Fundamentales

Ley de Ohm

La relación fundamental entre voltaje, corriente y resistencia:

V = I × R

Donde:

Ejemplo de cálculo: Una válvula accionada por solenoide en un sistema de 28 V CC tiene una resistencia de bobina de 14 Ω. La corriente consumida es:

I = V / R = 28 V / 14 Ω = 2 A

Potencia Eléctrica

La potencia es la velocidad a la que la energía eléctrica se convierte a otra forma. En circuitos de CC:

P = V × IFormas alternativas usando la sustitución de la ley de Ohm:

Ejemplo de cálculo: Un sistema de CC de 28 V con una carga que consume 10 A disipa:

P = 28 V × 10 A = 280 W

Ejemplo de cálculo: Una carga con 24 V entre sus extremos y una resistencia de 12 Ω disipa:

P = V² / R = 24² / 12 = 576 / 12 = 48 W

Resistencia y Conductores

La resistencia de un conductor depende de:

R = ρ × L / A

Ejemplo: Si un cable tiene una resistencia de 0.5 Ω y su longitud se duplica (con la misma área de sección transversal y material), la nueva resistencia será 1.0 Ω.

Una barra colectora con una resistencia de 0.001 Ω indica una conductividad excelente, como se espera de un componente de distribución de energía.

Resistencia Interna y FEM

Toda fuente de voltaje tiene resistencia interna. La relación entre la FEM generada (E), el voltaje en terminales (V), la corriente de carga (I) y la resistencia interna (r) es:

E = V + (I × r)

Ejemplo: Un generador de CC de 28 V con una resistencia interna de 0.01 Ω que entrega 150 A en sus terminales tiene una FEM generada de:

E = 28 V + (150 A × 0.01 Ω) = 28 + 1.5 = 29.5 V

Ejemplo: Una batería de 24 V con una resistencia interna de 0.02 Ω que entrega 200 A a un motor de arranque experimenta una caída de voltaje interna de:

V_caída = 200 A × 0.02 Ω = 4 V

Esta caída interna reduce el voltaje en terminales durante demandas de alta corriente, lo cual es crítico para el funcionamiento del motor de arranque.

Leyes de Kirchhoff

Ley de Corrientes de Kirchhoff (LCK): La suma de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de ese nodo.

Ley de Voltajes de Kirchhoff (LVK): La suma algebraica de todas las caídas y elevaciones de voltaje alrededor de cualquier lazo cerrado es igual a cero.

3.3 Equipos de Prueba Eléctrica y Mediciones

Multímetros

Un multímetro combina varias funciones de medición:

Nota de seguridad crítica: Un amperímetro nunca debe conectarse en paralelo — esto crea un cortocircuito. Un óhmetro nunca debe usarse en un circuito con tensión.

Amperímetros de Pinza

Para medir corriente en un circuito con tensión sin interrumpirlo, se utiliza un amperímetro de pinza (pinza amperimétrica). Mide el campo magnético alrededor del conductor y muestra la corriente correspondiente. Este es el método correcto para solucionar problemas en circuitos con tensión donde no se permite la interrupción del circuito.

Megóhmetro (Megger)

El megóhmetro mide la resistencia de aislamiento en megaohmios (MΩ). Consideraciones clave:

Medidores de FrecuenciaUn **frecuencímetro** se utiliza para medir la frecuencia de una señal de corriente alterna (CA). Esto es esencial al comprobar la salida del generador, típicamente **400 Hz** en los sistemas de aeronaves.

Prueba de Continuidad

Una prueba de continuidad utilizando la función de ohmímetro de un multímetro debe mostrar:

Medidores de Rotación de Fase

Un medidor de rotación de fase verifica la secuencia de fases de un sistema trifásico. Cuando se conecta con los cables en el orden A-B-C, una rotación en el sentido de las agujas del reloj indica que la secuencia es correcta. Una secuencia de fases incorrecta puede hacer que los motores trifásicos giren en la dirección equivocada.

3.4 Baterías

Baterías de Plomo-Ácido

Las baterías de plomo-ácido se utilizan comúnmente en aplicaciones de helicópteros. Características clave:

Medición de la Gravedad Específica:

El estado de carga (SOC) de una batería de plomo-ácido se determina midiendo la gravedad específica (SG) del electrolito utilizando un hidrómetro:

Ejemplo de cálculo: Una batería con SG totalmente cargada de 1,28 y SG descargada de 1,12, medida a 1,20:

SOC = (SG_medida − SG_descargada) / (SG_cargada − SG_descargada) × 100%

SOC = (1,20 − 1,12) / (1,28 − 1,12) = 0,08 / 0,16 = 50%

Evaluación del SOC Basada en Tensión:

Una batería de plomo-ácido de 24 V totalmente cargada tiene una tensión de terminal en circuito abierto de aproximadamente 25,2 V. Esta es la condición saludable sin carga. La tensión nominal de 24 V es el valor nominal, mientras que 28 V es la tensión del bus del sistema durante la carga.

Capacidad de la Batería y Estado de Carga

La capacidad de la batería se mide en amperios-hora (Ah). El estado de carga después de un evento de descarga se calcula como:

SOC = (Capacidad − Descarga) / Capacidad × 100%

Ejemplo: Una batería de 25 Ah suministra 400 A durante 30 segundos durante un arranque del motor:

Descarga = 400 A × (30 / 3600) h = 400 × 0,00833 = 3,33 Ah

SOC = (25 − 3,33) / 25 × 100% = 21,67 / 25 × 100% = 86,7%

Carga de Baterías en Sistemas en Paralelo

Cuando una batería se conecta en paralelo con un generador o una unidad de potencia en tierra (GPU):

3.5 Generadores y Motores de CC

Principios del Generador de CC

Un generador de CC convierte energía mecánica en energía eléctrica mediante inducción electromagnética. La tensión de salida es proporcional a:

FEM Generada: E = V + (I × R_interna)

Regulación de Tensión:

La regulación de tensión se define como:

% Regulación = (V_sin carga − V_plena carga) / V_plena carga × 100%

Ejemplo: Un generador nominal de 28 V, 100 A. A una carga de 80 A, la tensión es de 30 V. Con el regulador ajustado a 28 V a carga nominal:

% Regulación = (30 − 28) / 28 × 100% = 2/28 × 100% = 7,14%

Tipos de Generadores de CC| Tipo | Conexión del campo | Características | Aplicaciones |

|------|-------------------|-----------------|--------------|

| Serie | Campo en serie con el inducido | Alto par de arranque; regulación de velocidad deficiente | Motores de arranque |

| Derivación (Shunt) | Campo en paralelo con el inducido | Buena regulación de velocidad; bajo par de arranque | Aplicaciones de velocidad constante |

| Compuesto | Campos de serie y derivación | Alto par de arranque + velocidad estable | Generadores de arranque |

Generadores de Arranque

Los motores de pistón de helicópteros utilizan comúnmente máquinas compuestas para la función de generador de arranque:

El solenoide (contactor) en el circuito de arranque utiliza una pequeña corriente de control para cerrar contactos de alta capacidad, que transportan la alta corriente de arranque (típicamente 200–400 A).

Control y Protección del Generador

Regulador de Voltaje:

Modo de fallo: Si el regulador falla con corriente de campo máxima, el voltaje de salida aumentará por encima del valor regulado, pudiendo causar daños por sobretensión al sistema eléctrico.

Relé de Corte de Corriente Inversa (RCC):

3.6 Teoría de CA

Fundamentos de la Forma de Onda de CA

Frecuencia (f): El número de ciclos completos por segundo, medido en hercios (Hz). Los sistemas de aeronaves utilizan típicamente 400 Hz.

Período (T): El tiempo para un ciclo completo:

T = 1 / f

Ejemplo: Para un sistema de 400 Hz:

T = 1 / 400 = 0.0025 s = 2.5 ms

Sistemas Trifásicos

En un sistema trifásico:

Conexión en Estrella (Y):

V_línea = √3 × V_fase

Ejemplo: Con un voltaje de fase de 115 V CA:

V_línea = 1.732 × 115 = 199.2 V ≈ 200 V CA

Frecuencia del Generador de CA

La frecuencia de un generador de CA se determina mediante:

f = (P × N) / 120

Donde:

Ejemplo: Un alternador de 4 polos que produce 400 Hz:

N = (f × 120) / P = (400 × 120) / 4 = 48,000 / 4 = 12,000 RPM

3.7 Transformadores

Principios del Transformador

Un transformador transfiere energía eléctrica entre circuitos mediante inductancia mutua. Para un transformador ideal:

V_p / V_s = N_p / N_s

Donde:

Ejemplo 1: Un transformador con una relación de vueltas de 10:1 (primario a secundario), voltaje primario de 115 V CA:

V_s = V_p × (N_s / N_p) = 115 × (1/10) = 11.5 V CA

Ejemplo 2: Un transformador con 1000 vueltas en el primario y 250 vueltas en el secundario, voltaje primario de 115 V CA:

V_s = 115 × (250 / 1000) = 115 × 0.25 = 28.75 V CA

Aplicaciones de los Transformadores en Aeronaves

Condensadores

Un condensador almacena energía en un campo eléctrico entre sus placas. Propiedades clave:

Conexión en serie:

1/C_total = 1/C₁ + 1/C₂

Ejemplo: Dos condensadores de 100 µF en serie:

C_total = 1 / (1/100 + 1/100) = 1 / (0.02) = 50 µF

Conexión en paralelo:

C_total = C₁ + C₂

Inductores

Un inductor almacena energía en un campo magnético. La inductancia se mide en henrios (H).

Diodos de retorno (flyback):

Cuando una carga inductiva (como la bobina de un relé) se desconecta, el campo magnético en colapso induce un pico de alto voltaje. Un diodo de retorno conectado en paralelo con la carga inductiva proporciona una vía para la corriente cuando el interruptor se abre, suprimiendo el pico de voltaje y protegiendo los componentes de conmutación.

3.9 Dispositivos Semiconductores

Fundamentos del Diodo

Un diodo es un dispositivo semiconductor que permite que la corriente fluya en una sola dirección:

El silicio es el material estándar para diodos de potencia en alternadores de aeronaves debido a su alta tolerancia a la temperatura y su baja corriente de fuga.

Diodos Zener

Un diodo Zener está diseñado para operar en ruptura inversa y mantiene un voltaje casi constante. Esto lo hace ideal para:

Símbolo esquemático: Similar a un diodo normal pero con una línea de cátodo doblada (con forma de 'S').

Aplicaciones de Semiconductores

3.10 Motores de CC

Principios del Motor

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

Motores de Excitación en Serie

Características:

Aplicación: Motores de arranque — en reposo, la corriente de irrupción es alta, produciendo un par de arranque muy elevado esencial para el arranque de motores de pistón.

Motores de Excitación en Derivación (Shunt)

Características:

Aplicación: Aplicaciones de velocidad constante donde se esperan variaciones de carga.

Motores de Excitación Compuesta

Características:

Aplicación: Generadores de arranque en motores de pistón de helicópteros.

3.11 Generadores de CA (Alternadores)

Generación de CA Trifásica

Los alternadores de aeronaves producen típicamente energía CA trifásica a 400 Hz y 115 V CA de voltaje de fase (200 V entre líneas en conexión en estrella).

Relaciones de Fase

En un sistema trifásico, las tres fases están separadas por 120 grados eléctricos. La secuencia de fases (A-B-C) es crítica para:

Sistemas de Encendido por MagnetoUn **magneto** utiliza un imán permanente giratorio para inducir una tensión de CA en la bobina primaria, que luego es elevada por un transformador para producir la chispa de encendido. El **condensador** en el circuito del magneto absorbe energía cuando se abren los contactos del disyuntor, evitando el arqueo y permitiendo que la corriente primaria caiga rápidamente, induciendo una alta tensión en la bobina secundaria.

3.12 Cableado y Dispositivos de Protección

Protección de Circuitos

Los disyuntores son dispositivos de protección que se disparan ante una corriente excesiva, evitando daños al cableado y al equipo. Principios clave:

Unión Eléctrica (Bonding)

La unión eléctrica asegura la continuidad eléctrica entre componentes metálicos para:

Valores de resistencia aceptables:

Prácticas de Cableado

Los pares trenzados blindados se utilizan en el cableado de audio y sensores de helicópteros para:

Prueba de Resistencia de Aislamiento

3.13 Instrumentos de Prueba y Resolución de Problemas

Resolución Sistemática de Problemas

Cuando un componente no funciona:

Técnicas de Medición

Relaciones Comunes Entre Conceptos

Ley de Ohm y Triángulo de Potencia

La relación entre tensión, corriente, resistencia y potencia forma la base de todo análisis de circuitos:

V = I × R y P = V × I

Estas se combinan para dar:

Operación en Paralelo de Generador y Batería

En un sistema de CC de helicóptero:

Relaciones de Transformador y Generador

Indicadores de Estado de Carga de la Batería

Puntos Típicos de Enfoque del ExamenPara el examen del Módulo 3 de EASA Part-66 a nivel B1.4, los candidatos deben centrarse en:

Referencias Reglamentarias

Este material de estudio se alinea con:

Los niveles de conocimiento para los temas del Módulo 3 varían desde el Nivel 1 (visión general) hasta el Nivel 3 (teoría detallada), siendo los temas más críticos para el personal certificador B1.4 los generadores de CC, generadores de CA, transformadores, baterías y dispositivos semiconductores.