Resistencias en circuitos de CA | Energía AC, voltaje y corriente

Resistencias en circuitos de CA | Energía AC, voltaje y corriente

 

Introducción

En Corriente continua (CC), el flujo de carga eléctrica es unidireccional. En DC, el voltaje y la corriente mantienen una polaridad y dirección constantes. La fuente de corriente continua es la batería. Por otro lado, en Corriente Alterna (AC), el flujo de carga eléctrica invierte la dirección periódicamente. En CA, el voltaje cambia la polaridad de positivo a negativo y viceversa durante un período de tiempo. Este cambio en la polaridad del voltaje se debe al cambio en la dirección de la corriente. El CA es el suministro utilizado para alimentar a los hogares, oficinas, industrias, etc. Aunque la onda sinusoidal es la forma más común de suministro de CA, algunas aplicaciones usan diferentes formas de onda como onda triangular, onda cuadrada y onda de diente de sierra.

La forma más común de suministro de CA es onda sinusoidal. La función matemática que describe un voltaje de CA típico es

V (t) = VMax sin ωt.

V (t) es el voltaje en la función del tiempo. El voltaje cambia con el tiempo.

t es el tiempo variable en segundos.

VMax is el valor máximo que la onda sinusoidal puede alcanzar tanto en sentido positivo como negativo. Para el ciclo positivo es VMax y para el ciclo negativo es-VMax.

ω es la frecuencia angular. ω = 2πf.

f es la frecuencia de la onda sinusoidal.

En los circuitos de CC, el cálculo de la corriente, el voltaje y la potencia es llevado a cabo usando la ley de Ohm. Aquí se supone que las polaridades tanto del voltaje como de la corriente son constantes.

En el caso de los circuitos de CA resistivos puros, los valores de inductancia y capacitancia son insignificantes. Por lo tanto, el cálculo de la corriente, el voltaje y la potencia seguirá los mismos principios de la ley de Ohm y las leyes del Circuito de Kirchhoff. La diferencia está en el uso del valor máximo instantáneo o el valor rms.

Resistencia con suministros de CC y CA

La resistencia es un dispositivo pasivo. No consume ni produce ninguna energía. La energía aquí es energía eléctrica. Pero la resistencia disipa la energía eléctrica en forma de calor.

A continuación, se proporciona una resistencia con una fuente de alimentación de CC

En circuitos resistivos de CC, la resistencia que es la relación de voltaje a la corriente es lineal.

A continuación, se proporciona una resistencia con una fuente de alimentación de CA

En los circuitos de CA, la relación de tensión a corriente depende principalmente de la frecuencia de suministro f y del ángulo de fase diferencia de fase φ. Por lo tanto, el término impedancia se usa en circuitos de CA para denotar la resistencia ya que posee tanto magnitud como fase en contraste con la resistencia en circuitos de CC donde solo posee magnitud. El símbolo de impedancia es Z.

VI Relación de fase en un circuito de CA de resistencia pura

El valor de resistencia de la resistencia en los circuitos de CA y CC es el mismo independientemente de la frecuencia de la Voltaje de suministro de CA El cambio en la dirección de la corriente en el suministro de CA no afecta el comportamiento de las resistencias. Entonces, la corriente en la resistencia subirá y bajará según la tensión a medida que sube y baja.

La tensión y la corriente en el circuito resistivo de CA alcanzan el máximo, luego caen a cero y alcanzan el mínimo al mismo tiempo. Se dice que están “en fase” ya que suben y bajan exactamente al mismo tiempo.

Considere el siguiente circuito de CA.

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Aquí la corriente es I (t) = IMax sin ωt.

El voltaje V (t) = VMax sin ωt. = & gt; V (t) = IMax R sin ωt.

Como el circuito es puramente resistivo, los efectos de la inductancia y la capacitancia son insignificantes y la diferencia de fase es 0.

De ahí la relación entre el voltaje y la corriente en una resistencia que es parte del circuito resistivo de CA es

Los valores instantáneos de las corrientes y los voltajes están “en fase” a lo largo del eje x de la curva. Suben y bajan al mismo tiempo y alcanzan sus valores máximo y mínimo exactamente al mismo tiempo. Esto implica que su ángulo de fase es θ = 00. A continuación se muestra el diagrama vectorial que representa este ángulo de fase junto con una comparación de valores máximos y mínimos de voltaje y corriente.

Cálculos de corriente, tensión y corriente alterna

Los valores instantáneos de corriente y voltaje en un circuito resistivo de CA pueden utilizarse para dar la resistencia en su forma óhmica mediante el uso de Ley de Ohm.

Considere el siguiente circuito resistivo con un suministro de CA.

Deje que la tensión de alimentación sea V (t ) = VMax sin ω conectado a una resistencia R.

Deje que la tensión instantánea en la resistencia sea VR.

Deje que IR sea el instantaneo us corriente que fluye a través de la resistencia.

Como el circuito anterior es de naturaleza puramente resistiva, se pueden aplicar los principios de Ohm.

De la ley de Ohm, el voltaje a través de la resistencia en un instante t es

VR = VMax sin ωt.

De manera similar, la corriente que fluye a través de la resistencia en un instante t puede determinarse usando la ley de Ohm como

IR = VR/R

Pero VR = VMax sin ωt.

Por lo tanto IR = (VMax * sin ωt)/R

Pero el valor VMax/R no es más que la corriente máxima en el circuito denotado por IMax..

Por lo tanto, IR = IMax sin ωt.

En un circuito de CA de serie resistiva pura, el voltaje total del circuito es igual a la suma de voltajes de las resistencias individuales porque todos los voltajes individuales están en fase en el circuito resistivo puro. De la misma manera, la corriente total en un AC resistivo puro circuito es la suma de las corrientes de derivación individuales de todas las ramas resistivas paralelas. Para calcular la potencia en un circuito de CA, el factor de potencia juega un papel importante. El factor de potencia se define como el coseno del ángulo de fase entre la corriente y el voltaje. El ángulo de fase se denota con el símbolo φ.

Si P es la potencia real en un circuito medido en vatios y S es la potencia aparente del circuito medida en voltios amperios, la relación entre potencia real y aparente la potencia viene dada por

P = S Cos φ.

En el caso de circuitos de CA resistivos puros, el ángulo de fase entre la corriente y el voltaje es 00. Por lo tanto φ = 00. Por lo tanto, el factor de potencia Cos φ es Cos 00 = 1.

Por lo tanto, la potencia real es igual a la potencia aparente que es el producto de la tensión y la corriente. En los circuitos de CA resistivos puros, la energía en cualquier momento del circuito puede averiguarse calculando el producto de voltaje y corriente en ese instante.

La energía consumida por el circuito mencionado anteriormente se puede calcular utilizando

P = VRMS * IRMS * Cos φ.

As φ = 00 en este caso, la potencia es

P = VRMS * IRMS

Potencia en una resistencia pura

En el caso de los circuitos de CA resistivos puros, la energía consumida por el circuito es simplemente el producto de la tensión y la corriente, ya que no existe un ángulo de fase entre la corriente y el voltaje.

El poder la forma de onda para un circuito de CA resistivo puro se muestra a continuación.

La forma de onda de potencia consiste en una serie de pulsos positivos. Esto es porque cuando tanto el voltaje como la corriente son positivos en el primer medio ciclo, su producto que es la potencia también es positivo. Y cuando tanto el voltaje como la corriente son negativos en el segundo medio ciclo, su poder productivo es nuevamente positivo (-V x-I = + P). Por lo tanto, el valor de la potencia siempre es mayor o igual que cero.

A partir de la forma de onda anterior, está claro que la potencia aumenta a medida que el voltaje y la corriente aumentan y alcanzan su máximo cuando alcanzan el voltaje y la corriente. su máximo Luego cae a cero a medida que el voltaje y la corriente caen a cero. Cuando la polaridad de la tensión y la corriente cambia, el valor de la potencia aumenta una vez más y alcanza un máximo a medida que el voltaje y la corriente alcanzan su pico negativo. Cuando la tensión y la corriente caen a cero, el valor de la potencia cae a cero.

En el caso de un circuito resistivo puro con una fuente de alimentación AC RMS, la potencia disipada es la misma que en el caso de una resistencia conectada a la fuente de alimentación de CC.

P = VRMS * IRMS = I2RMS * R = V2RMS/R.

VRMS e IRMS son valores rms de voltaje y corriente respectivamente.

P es potencia en Watts.

R es resistencia en ohmios (Ω)

Para comparar los efectos de calentamiento causados ​​por CA y CC, la corriente CC se debe comparar con el valor RMS de la corriente alterna, pero no con la corriente máxima o máxima IMAX¬.

Resistores en los circuitos de CA Ejemplos

Ejemplo 1

Considere el siguiente circuito.

Un elemento calefactor de resistencia en la naturaleza está conectado a un suministro de CA de 240 V. La potencia consumida por el elemento calefactor es de 1.2 K Vatios. El valor de su resistencia se puede calcular como

La corriente que fluye a través del elemento de calentamiento es

I = P/V

P = 1.2 K Watts = 1200 Watts.

V = 240 V.

Por lo tanto I = 1200/240 = 5 Amps.

El valor de la resistencia del elemento calefactor puede calcularse usando la ley de Ohm como

R = V/I

R = 240/5 = 48Ω.

Ejemplo 2

Considere el siguiente circuito.

Una resistencia de resistencia 47 Ω es conectado a un suministro de 120 V.

Los valores de la corriente que fluye a través de la resistencia y la potencia consumida por la resistencia se pueden calcular como

Corriente que fluye a través del resisto r puede calcularse usando la ley de Ohm

I = V/R

I = 120/47 = 2.55 Amps.

La potencia consumida por la resistencia es

P = I2 * R = V2/R

P = 1202/47 = 306 vatios.

 

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