Teoría de circuitos de CA y Forma de onda de CA

En general, tanto las corrientes como los voltajes de CC son generados por fuentes de alimentación, baterías, dinamos y células solares, por nombrar algunos. A una tensión continua o una corriente continua se le asigna un valor fijo (amplitud) y una dirección específica. Por ejemplo, +12 V significa 12 voltios en la dirección positiva o -5 V para 5 voltios en la dirección negativa.

También sabemos que las fuentes de alimentación de CC no cambian de valor con respecto al tiempo, sino que son un valor constante que fluye en una dirección de estado estable continuo. En otras palabras, la CC mantiene el mismo valor todo el tiempo y un suministro de CC unidireccional constante nunca cambia o se vuelve negativo a menos que sus conexiones estén físicamente invertidas. A continuación se muestra un ejemplo de un circuito CC o CC simple.

Circuito de CC y forma de onda 

Una función alterna o corriente CA , por otro lado, se define como aquella que cambia de tamaño y dirección más o menos suavemente con respecto al tiempo, convirtiéndola en una forma de onda «bidireccional». Una función de CA puede representar una fuente de corriente o una fuente de señal, con la forma de una CA que generalmente sigue a la de una sinusoide matemática definida de la siguiente manera: A (t) = Amax onda de* sin (2πƒt).

El término corriente alterna, o para darle la descripción completa de corriente alterna, generalmente se refiere a una forma de onda que varía en el tiempo, la más común de todas se llama onda sinusoidal, más comúnmente conocida como forma de sinusoidal. Las formas de onda sinusoidales se conocen más generalmente como por su breve descripción de ondas sinusoidales. Las ondas sinusoidales son, con mucho, uno de los tipos más importantes de formas de onda de CA utilizadas en la ingeniería eléctrica.

La forma obtenida por el trazado de los valores de las ordenadas instantáneos de tensión o de corriente frente al tiempo se denomina forma de onda AC.Una forma de onda de CA cambia constantemente la polaridad cada medio ciclo, alternando entre un valor máximo positivo y un valor máximo negativo con respecto al tiempo. Un ejemplo común de esto es el voltaje de línea que se usa en nuestros hogares.

Esto significa entonces que la CA es una «señal dependiente del tiempo», siendo el tipo más común de señal dependiente del tiempo el de la forma de onda periódica. La forma de onda de corriente alterna o periódica es el producto resultante de un generador eléctrico rotatorio. En general, la forma de una onda periódica se puede generar utilizando una frecuencia fundamental y superponerse con señales armónicas de diferentes frecuencias y amplitudes. Sin embargo, este es un tutorial diferente.

Los voltajes y corrientes alternas no se pueden almacenar en baterías o celdas como la corriente continua. Es mucho más fácil y económico generar estas cantidades con alternadores o generadores de forma de onda si es necesario. El tipo y la forma de una forma de onda de CA dependen del generador o dispositivo que la genera. Sin embargo, todas las formas de onda de CA constan de una línea de voltaje cero que divide la forma de onda en dos mitades simétricas. Las características principales de una forma AC Wellenform se definen de la siguiente manera:

Característica de la forma de onda de CA

• • El tiempo (T) es el tiempo en segundos que tarda en repetirse desde el principio hasta el final de la forma de onda. Esto también se puede llamar tiempo periódico de la forma de onda para ondas sinusoidales o ondas de pulso ancho para cuadradas.
• • La frecuencia (ƒ) es el número de veces que se repite la forma de onda en un período de un segundo. La frecuencia es el recíproco del período ( ƒ = 1 / T ), donde la unidad de frecuencia es Hertz (Hz).
• • Amplitud (A) es el tamaño o la intensidad de la forma de onda de la señal, medida en voltios o amperios.

En nuestro tutorial de formas de onda , observamos diferentes tipos de formas de onda y dijimos que «las formas de onda son básicamente una representación visual de la variación en un voltaje o corriente trazada en una base de tiempo». En general, para las formas de onda de CA, esta línea de base horizontal representa un estado cero de voltaje o corriente. Cualquier parte de una forma de onda de tipo CA que se encuentre por encima del eje horizontal cero representa un voltaje o corriente que fluye en una dirección.

Asimismo, cualquier parte de la forma de onda que esté por debajo del eje horizontal cero representa un voltaje o corriente que fluye en la dirección opuesta a la primera. En general, para las formas de onda sinusoidales de CA, la forma de la forma de onda sobre el eje cero es la misma que la forma debajo de él. Sin embargo, este no es siempre el caso con la mayoría de las señales de CA sin alimentación, incluidas las formas de onda de audio.

Las formas de onda de señales periódicas más comunes utilizadas en ingeniería eléctrica y electrónica son las formas de onda sinusoidal. Sin embargo, una forma de onda alterna no siempre puede tomar la forma de una forma suave basada en la función trigonométrica seno o coseno. Las formas de onda de CA también pueden adoptar la forma de ondas complejas, cuadradas u ondas triangulares se muestran a continuación.

Tipos de ondas periódicas

El tiempo que tarda una CA de completar un patrón completo desde su mitad positiva a su mitad negativa y volver a su línea base cero se denomina ciclo , y un ciclo completo incluye tanto un semiciclo positivo como un ciclo a semiciclo negativo. El tiempo que tarda la forma de onda en completar un ciclo completo se denomina tiempo periódico de la forma onda y se indica con el símbolo «T».

Se menciona el número de ciclos completos que se generan en un segundo (ciclos / segundo). Frecuencia, símbolo ƒ de la forma de onda alterna, la frecuencia se mide en hercios (Hz ) y recibe su nombre del físico alemán Heinrich Hertz.

Entonces podemos ver que existe una relación entre ciclos (vibraciones), tiempo periódico y frecuencia (ciclos por segundo), de modo que si hay ƒ número de ciclos en un segundo, cada ciclo individual debe tomar 1 / ƒ segundos para completar

Relación entre frecuencia y tiempo periódico

Forma de onda CA Ejemplo #1

¿Cuál es el tiempo periódico de una forma de onda de 50 Hz?

2. ¿Cuál es la frecuencia de una forma de onda de CA con un tiempo periódico de 10 ms?

1).

2).

En el pasado, la frecuencia se expresaba en «ciclos por segundo», abreviado como «cps», pero hoy en día se expresa con mayor frecuencia en unidades llamadas «Hertz». Con una fuente de alimentación doméstica, la frecuencia es de 50 Hz o 60 Hz, según el país, y está determinada por la velocidad del generador. Sin embargo, un hercio es una unidad muy pequeña, por lo que los prefijos se utilizan para la magnitud de la forma de onda en frecuencias más altas, como kHz, MHz e incluso indicar GHz.

Definición de la frecuencia

Prefijo	Definición	Escrito como	Tiempo de repetición
Kilo	Mil	kHz	1 ms
Mega	Millones	MHz	1us
Giga	mil millones	GHz	1NS
Terra	mil millones	THz	1PS

Amplitud de una onda de forma CA

Otro parámetro importante para las ondas CA es la amplitud, mejor conocida como su valor máximo o pico, representada por los términos Vmax para voltaje o Imax para corriente.

El valor pico es el mayor valor de voltaje o corriente que alcanza la forma de onda durante cada medio ciclo, medido desde la línea base cero. A diferencia de una tensión continua o una corriente continua en estado estable, que se puede medir o calcular de acuerdo con la ley de Ohm, una cantidad alternada constantemente cambia su valor con el tiempo.

Para formas de onda sinusoidales puras, este valor pico es siempre el mismo para ambos ( semiciclos + Vm = -Vm semiciclo ), pero para formas de onda no sinusoidales o complejas, el valor pico máximo para cada una puede ser muy diferente. A veces formas de onda alternantes obtienen un pico apico Vp, y esto es simplemente la distancia o la suma de la tensión entre el pico máximo + Vmax y el pico mínimo -Vmax lo largo de un ciclo completo.

El Valor medio de la forma de onda AC

El valor medio o el valor medio de un voltaje de CC continuo es siempre igual a su valor pico máximo porque un voltaje de CC es constante. Este valor medio solo cambia cuando cambia el ciclo de trabajo de la tensión CC. En una onda sinusoidal pura, si el valor promedio se calcula durante todo el ciclo, el valor promedio sería cero porque las mitades positiva y negativa se cancelan entre sí. Por lo tanto, la media o la media de una forma de onda de CA solo se calcula o mide durante medio ciclo, y esto se muestra a continuación.

Valor promedio de una forma de onda no sinusoidal

Para encontrar el valor promedio de la forma de onda, necesitamos calcular el área bajo la forma de onda usando la regla de la ordenada media, la regla trapezoidal o la regla de Simpson comúnmente utilizada en matemáticas. El área aproximada bajo una forma de onda irregular se puede encontrar fácilmente simplemente usando la regla de ordenadas medias.

La línea de base del eje cero se divide en cualquier número de partes iguales, y en nuestro ejemplo simple anterior, este valor era nueve (V1 a V9 ). Cuantas más líneas ordenadas se dibujen, más precisa será la media o media final. El valor promedio es la suma de todos los valores instantáneos, que se suman y luego se dividen por el número total. Esto se da como:

Valor medio de una forma  de onda AC

Donde: n es el número real utilizado.

Para una forma de onda sinusoidal pura, este valor medio o medio siempre es igual a medios 0,637 *  V valores de máx, y esta relación también es válida para la corriente.

El valor RMS de una AC

El valor promedio de una forma de onda de CA que calculamos anteriormente: 0,637 * V usamos alimentación de máx. NO es el mismo valor que para una fuente de CC. Esto se debe a que, a diferencia de una fuente de alimentación de CC que es constante y tiene un valor fijo, una forma de onda de CA cambia constantemente con el tiempo y no tiene un valor fijo. Por lo tanto, el valor equivalente para un sistema de CA que suministra la misma cantidad de energía eléctrica a una carga que un circuito equivalente de CC se denomina «valor efectivo».

El valor efectivo de una onda sinusoidal produce el mismo I2 en una carga * R efecto de calentamiento que esperaríamos si la misma carga fuera alimentada por una fuente de alimentación de CC constante. El valor efectivo de una onda sinusoidal se conoce comúnmente como la raíz cuadrada media, o simplemente el RMS valor, ya que se calcula como la raíz cuadrada de la media (promedio) del cuadrado del voltaje o la corriente.

Es decir, Vrms o Irms valores dados que se expresa como la raíz cuadrada del promedio de la suma de toda la raíz cuadrada media de onda sinusoidal. El valor rms para cada forma de onda de AC se puede determinar a partir de la siguiente fórmula de valor promedio modificado de la siguiente manera.

Valor eficaz de una AC

Donde: n es el número de ordenadas medias.

Para una forma de onda sinusoidal pura, este valor efectivo o rms también es siempre el mismo: 1 /√2* Vmáx, que corresponde a 0,707 * Vmáx, y esta relación se aplica a los valores rms de la corriente. El valor RMS para una forma de onda sinusoidal es siempre mayor que el valor promedio, con la excepción de una forma de onda rectangular. En este caso, el efecto de calentamiento permanece constante, por lo que el valor medio y el valor eficaz son iguales.

Un comentario final sobre los valores RMS. La mayoría de los multímetros, ya sean digitales o analógicos, miden solo los valores rms de voltaje y corriente, no el promedio, a menos que se indique lo contrario. Por lo tanto, el valor medido A cuando el multímetro para un sistema de CC usa el mismo IV / R = y para un sistema de AC, el valor de medición de CC Irms = Veff /seaR.

Con la excepción de los cálculos de potencia promedio, al calcular RMS aplica sólo VRMS , se usa para encontrar Ivoltajes RMScorriente valores del voltaje pico Vp para encontrar valores de pico e Ip. No los mezcle, ya que los valores promedio, RMS o pico de una onda sinusoidal serán completamente diferentes y sus resultados definitivamente serán incorrectos.

Factor de forma y factor de cresta

Aunque poco usado en estos días, tanto factor de forma y Factor de cresta se pueden utilizar para obtener información sobre la forma real de la forma de onda de corriente alterna. El factor de forma es la relación entre el valor promedio y el valor rms y se informa como:

Para una forma de onda sinusoidal pura, el factor de forma es siempre 1,11. El factor de cresta es la relación entre el valor eficaz y el valor máximo de la forma de onda y se informa como:

Para una forma de onda sinusoidal pura, el factor de cresta es siempre 1,414.

Ejemplo de forma de onda AC #2

Una corriente de AC sinusoidal de 6 amperios fluye a través de una resistencia de 40 Ω. Calcule el voltaje promedio y el voltaje pico del suministro.

El valor de voltaje rms se calcula como:

El valor promedio se calcula como:

El valor del pico se calcula como:

El uso y cálculo de promedio, valor rms, factor de forma y factor de cresta también se puede usar con cualquier tipo de forma de onda periódica, incluyendo triángulo, cuadrado, diente de sierra o cualquier otra forma de onda de voltaje / corriente irregular o compleja. La conversión entre los diferentes valores de seno a veces puede resultar confusa. Por lo tanto, la siguiente tabla proporciona una forma conveniente de convertir un valor de onda sinusoidal en otro.

forma de onda sinusoidal

Forma convertida	Multiplicar por	o por	Obtener el valor
Pico	2	(√2)2	Pico a pico
Pico a pico	0,5	1/2	Pico
Pico	0,707	1 / (√2)	RMS-
Pico	0,637	2 / π	promedio
promedio	1,570	π / 2	pico
promedio	1.1111	π / (2√2)	RMS
RMS	1.414	√2	pico
RMS	0.901	(2√2 promedio)/ π	promedio

En el próximo tutorial sobre sinusoidal que veremos en la principal generación de una forma de onda de CA sinusoidal (una curva sinusoidal) junto con su representación de velocidad angular.