Resumen de transformadores por Carlos Garcia para el Curso de Maquinas en Samaná Caldas

 

Transformadores: una puerta de entrada a las máquinas eléctricas

Los transformadores son dispositivos esenciales en cualquier sistema eléctrico, desde la distribución de energía en ciudades hasta cargadores de celulares. Su principio de operación se basa en la inducción electromagnética: cuando una corriente alterna pasa por una bobina (llamada primario), crea un campo magnético variable que se transfiere a otra bobina (llamada secundario). Ese campo magnético induce un voltaje en el secundario. La relación entre voltaje y número de espiras es directa:

$$\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2}$$

De esta forma, si el secundario tiene más espiras, el voltaje aumenta (transformador elevador), y si tiene menos, el voltaje disminuye (transformador reductor). Esta idea sencilla es la base de toda la transmisión eléctrica moderna.

Los transformadores se clasifican según su uso (de potencia, de distribución, de medición), según su construcción (núcleo tipo columna o tipo acorazado) y según su forma de conexión. Su construcción siempre incluye dos bobinas de cobre aislado y un núcleo de hierro o acero al silicio que guía el flujo magnético. La ecuación fundamental de voltaje inducido en un transformador es:

$$E = 4.44\, f \, N \, \Phi_{\text{max}}$$

donde E es el voltaje inducido, f la frecuencia, N las espiras y Φ el flujo máximo. Esta ecuación permite diseñar transformadores ajustando espiras, frecuencia y tamaño del núcleo.

Para entender cómo se comportan en funcionamiento real, se usa un diagrama de fasores, que muestra la relación en ángulo y magnitud entre voltajes y corrientes. Como los transformadores trabajan en corriente alterna, estos fasores permiten visualizar desfases y pérdidas. A partir de este análisis se obtiene el circuito equivalente, que modela las pérdidas internas. Existen dos tipos principales de pérdidas: pérdidas en el cobre (por calentamiento), que se calculan como $I^2 R$; y pérdidas en el núcleo, que dependen de la histéresis y corrientes parásitas del material. La eficiencia del transformador se define como

$$\eta = \frac{P_{\text{salida}}}{P_{\text{entrada}}} \times 100\%$$

y en transformadores reales suele estar por encima del 95%.

Otro concepto importante es la regulación de voltaje, que indica cuánto cambia el voltaje de salida entre vacío y carga:

$$\text{Regulación} = \frac{V_{\text{vacío}} - V_{\text{carga}}}{V_{\text{carga}}} \times 100\%$$

Una buena regulación significa que el voltaje se mantiene estable aunque la carga cambie. Además, la respuesta en frecuencia explica por qué los transformadores se diseñan para 50 o 60 Hz: fuera de esas frecuencias el núcleo se satura o las pérdidas aumentan demasiado. En laboratorio se realiza el test de polaridad, que permite saber si las bobinas están enrolladas en el mismo sentido para poder conectarlas sin generar cortos.

Existen transformadores especiales como los autotransformadores, donde una misma bobina actúa como primario y secundario, lo que permite dispositivos más pequeños y económicos pero con menor aislamiento. También están los transformadores trifásicos, muy usados en la industria y en redes eléctricas. Estos pueden construirse como tres transformadores monofásicos o como un solo núcleo trifásico. Las conexiones típicas (Δ-Δ, Δ-Y, Y-Y) permiten adaptar tensiones y corrientes según necesidades. Un uso clave es el acople de impedancias, donde un transformador ajusta la impedancia de una carga para que coincida con la fuente, mejorando la transferencia de energía. Finalmente, el aislamiento es vital: el transformador separa eléctricamente dos circuitos, protegiendo equipos y personas.

Los transformadores, aunque parecen simples cajas metálicas, representan una de las invenciones más importantes en la historia de la ingeniería. Su capacidad para elevar y reducir voltajes de manera segura, eficiente y sin partes móviles los convierte en la columna vertebral de todas las máquinas eléctricas y sistemas de energía. Comprenderlos abre la puerta al estudio de motores, generadores, sistemas de potencia e incluso electrónica avanzada. Con fórmulas relativamente sencillas, principios claros y ejemplos prácticos, cualquier estudiante puede entender su papel fundamental dentro del mundo eléctrico.

Boom!!

En este video verás lo que ocurre cuando un capacitor explota en un protoboard. Aunque puede parecer solo un experimento curioso, en realidad representa un riesgo serio si no se toman las medidas de protección adecuadas.

👉 Un capacitor puede explotar por varias razones:

• Conexión con polaridad invertida (en capacitores electrolíticos).

• Aplicar un voltaje mayor al que soporta (sobrepasar su tensión nominal).

• Exceso de temperatura o fallos en el montaje.

⚠️ El peligro está en que, al estallar, un capacitor puede lanzar fragmentos y electrolito a gran velocidad, causando lesiones en los ojos o en la piel. Por eso, siempre es recomendable usar gafas de seguridad, trabajar en lugares ventilados y verificar las especificaciones del componente antes de conectarlo.

Este video busca ser instructivo y preventivo, mostrando lo que puede ocurrir en un montaje real y recordando la importancia de la seguridad al trabajar con componentes electrónicos.

🔧 Recomendaciones básicas de seguridad:

• Revisa la polaridad del capacitor.

• Nunca excedas el voltaje máximo indicado.

• Usa protección visual (gafas).

• Trabaja en un entorno seguro y controlado.

📌 Aprende de este ejemplo y evita accidentes en tus propios proyectos electrónicos.

Carga de un condensador en Autodesk

 

Circuitos Eléctricos U de Caldas

Apuntes de clase del curso de CIRCUITOS DIGITALES dictado en  la carrera Ingeniería mecatrónica de la Universidad de Caldas en el segundo semestre del 2025.

CONTENIDO

1. Principios y características eléctricas: carga eléctrica, diferencia de potencial, intensidad de corriente, potencia eléctrica, resistividad.

2. Leyes eléctricas: ley de OHM, ley de Watt, leyes de Kirchoff, leyes de Thevenin Norton 

3. Circuitos con resistencias: circuito serie, paralelo y mixto, divisores de tensión y corriente

4. Instrumentos de medición: características, conexión y lectura 

5. La Corriente Alterna: generación de la C.A. características de la onda sinusoidal, representación fasorial, potencia y factor de potencia, sistemas bifásicos y trifàsicos 

6. Manejo del Osciloscopio: medición de voltajes, frecuencias y desfases 

7. Manejo de Generador de Funciones y Fuentes de Alimentación 

8. El Condensador y la reactancia capacitiva: características, comportamiento con C.C y C.A, medición directa e indirecta de la capacidad, clasificación. 

9. La Inductancia y la reactancia inductiva: características, comportamiento con C.C y C.A, medición directa e indirecta de la inductancia, clasificación. 

10. Circuitos RC en corriente continua: Medición de la carga y descarga exponencial con osciloscopio 

11. Circuitos RL en corriente continua: Medición de la carga y

descarga exponencial con osciloscopio 

12. Circuitos RC y RL en corriente alterna: manejo vectorial de voltajes, corrientes e impedancias, manejo fasorial de voltajes, corrientes e impedancias

13. Circuitos RLC en corriente alterna: Resonancia, El factor Q ó factor de mérito, Aplicaciones

14. Otros componentes Eléctricos: Funcionamiento, operación, características, normas técnicas y simbología

Diodos, una explicación completa

 Un diodo es un componente electrónico que permite el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido, como si fuera una “puerta” que se abre solo en una dirección. Está hecho de materiales semiconductores como el silicio, y tiene dos terminales: el ánodo (positivo) y el cátodo (negativo). Cuando el ánodo se conecta al polo positivo de una fuente de corriente continua (DC) y el cátodo al negativo, el diodo conduce electricidad, y se dice que está polarizado directamente. Pero si se conecta al revés, bloquea el paso de corriente y se dice que está polarizado inversamente.

En los circuitos de corriente continua (DC), los diodos se usan para proteger componentes sensibles, convertir corriente alterna (AC) en corriente continua (DC) mediante rectificadores, o evitar que la corriente fluya en la dirección equivocada. Por ejemplo, en una fuente de poder, un diodo asegura que la corriente solo fluya hacia el dispositivo que se quiere alimentar, y no regrese dañando el circuito. Gracias a su función de control de flujo eléctrico, los diodos son fundamentales en casi todos los dispositivos electrónicos.

Vamos a ver algunos videos que he preparado sobre el funcionamiento de los Diodos:

Video Uno: funcionamiento básico del diodo (Con una resistencia)

Video 2: Diodo Rectificador de Media Onda

Video 3: Rectificado de onda completa con 4 diodos

Video 4: Diodos ZENER

Video 5: Circuitos varios con Diodos

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Jugando con el CI 7400 Sextuple Inversor (electrónica digital)

Hoy quiero invitarte a una aventura fascinante en el mundo de la electrónica digital: la simulación e implementación de un circuito esquemático utilizando el circuito integrado 7404, conocido como un inversor TTL séxtuple. Este pequeño pero poderoso componente es una joya de la electrónica digital y nos permite adentrarnos en el corazón de los sistemas lógicos.

¿Qué es el 7404 y por qué es tan importante?

El 7404 es un circuito integrado que contiene seis puertas inversoras, también conocidas como puertas NOT. Cada puerta inversora tiene una función muy específica: recibe una señal de entrada y produce una salida que es la inversa de esa entrada. Por ejemplo, si la entrada es un "1" lógico, la salida será un "0" lógico, y viceversa. Aunque esto puede parecer simple, la capacidad de invertir señales es fundamental en la construcción de circuitos más complejos.

Los circuitos lógicos, como los construidos con el 7404, son la base de la electrónica digital. Todo lo que hacemos en el mundo digital, desde los cálculos en una computadora hasta las operaciones en un teléfono inteligente, depende de circuitos lógicos que procesan y manipulan señales digitales. Sin estos componentes básicos, no podríamos tener la tecnología avanzada que disfrutamos hoy en día.

Simulando el Circuito: ¡Manos a la obra!

Antes de construir físicamente el circuito, te invito a que lo simulemos juntos. La simulación te permitirá experimentar sin riesgos, ver cómo se comporta el circuito, y entender cada detalle de su funcionamiento. Utiliza tu software de simulación favorito y sigue estos pasos sencillos:

1. Crea el circuito esquemático: En tu software de simulación, selecciona el componente 7404 y colócalo en el espacio de trabajo. Conecta las entradas de las puertas inversoras a una fuente de señal digital, como un interruptor o un generador de pulsos. Las salidas deben estar conectadas a una sonda lógica o un LED virtual para visualizar el resultado de la inversión.

2. Ejecuta la simulación: Una vez que hayas conectado todo, ejecuta la simulación. Cambia las entradas de las puertas inversoras y observa cómo cambian las salidas. Verás que cada vez que cambias el estado de la entrada, la salida hace exactamente lo contrario. ¡Ahí tienes! Has comprobado el principio fundamental del inversor.

3. Analiza el resultado: Observa cómo se comportan las señales. ¿Qué sucede cuando conectas varias puertas inversoras en serie? Este ejercicio te ayudará a entender conceptos más avanzados, como el retardo de propagación y el tiempo de conmutación, que son esenciales en el diseño de circuitos digitales.

Implementando el Circuito: ¡Lleva la Simulación a la Realidad!

Una vez que estés cómodo con la simulación, es hora de llevarlo al siguiente nivel: construir el circuito en la vida real. Para esto, necesitarás un protoboard, un chip 7404, algunos cables de conexión y un par de LEDs para verificar las salidas. Al implementar el circuito físicamente, no solo reforzarás tu comprensión de los conceptos digitales, sino que también desarrollarás habilidades prácticas que son invaluables en el campo de la electrónica.

¿Por qué es importante aprender sobre circuitos lógicos?

Los circuitos lógicos son el alma de todos los sistemas digitales. Desde microprocesadores hasta unidades de memoria, cada componente de un sistema digital se basa en la lógica binaria. Comprender cómo funcionan estos circuitos es como aprender el lenguaje básico de la electrónica digital. Además, esta comprensión te preparará para diseñar tus propios circuitos y sistemas, solucionar problemas en dispositivos electrónicos, y contribuir a innovaciones futuras en tecnología.

¡Tu desafío de hoy!

Te desafío a que tomes un momento para simular e implementar el circuito con el 7404. Experimenta, comete errores, aprende de ellos, y sobre todo, ¡diviértete! La electrónica no es solo teoría; es práctica, es creatividad, y es la base de todo lo que hace que el mundo moderno funcione.

¡Espero verte en la simulación y luego con el protoboard en mano, listo para explorar y descubrir!

¡Vamos, ingeniero! ¡El mundo digital te espera!

Background teorico para el Juego

El circuito integrado 7404 es un componente TTL (Transistor-Transistor Logic) que contiene seis inversores de tipo NOT. Cada inversor en el 7404 realiza la función lógica de negar la entrada, es decir, produce una salida alta (1 lógico) cuando la entrada es baja (0 lógico), y viceversa.

Características principales del 7404 TTL:

1. Número de puertas: Contiene 6 puertas lógicas inversoras.
2. Tipo de lógica: Transistor-Transistor Logic (TTL).
3. Configuración de pines:
   • Pines de entrada: 1 por cada inversor (6 entradas en total).
   • Pines de salida: 1 por cada inversor (6 salidas en total).
   • Pines de alimentación:
     • Vcc: Pin para la alimentación positiva (+5V).
     • GND: Pin para la conexión a tierra.
4. Voltaje de operación: Generalmente opera con un voltaje de alimentación de +5V.
5. Velocidad: Tiene una velocidad de conmutación rápida, adecuada para aplicaciones digitales rápidas.
6. Diseño: Cada inversor se basa en transistores bipolares y se encuentra empaquetado en un encapsulado de 14 pines.

Aplicaciones típicas:

• Inversión de señales: Utilizado para invertir la lógica de señales digitales.
• Construcción de circuitos lógicos: Puede ser empleado como un bloque fundamental en la construcción de circuitos digitales más complejos.
• Buffering y amplificación de señales: También se puede utilizar para reforzar señales digitales en aplicaciones donde se requiere una fuerte salida.

El 7404 es ampliamente utilizado en la electrónica digital debido a su simplicidad, rapidez y fiabilidad.

Primero implementa la siguiente Simulacion:

Segundo Implementa el circuito en protoboard.

Trata de resolver los siguientes 5 retos de la manera mas creativa

Reto 1: Crea una Luz Nocturna Automática

Diseña un circuito utilizando el CI 7404 que encienda un LED automáticamente cuando un pulsador no está presionado (indicando la ausencia de luz, simulando la noche) y lo apague cuando el pulsador se presiona (simulando la presencia de luz).

• Instrucciones: Conecta el pulsador a una de las entradas del inversor 7404. Conecta la salida de esa puerta a un LED. Observa cómo el LED se enciende cuando el pulsador no está presionado y se apaga cuando el pulsador está presionado. Experimenta con diferentes configuraciones para cambiar la lógica de encendido y apagado.

Reto 2: Construye un Oscilador de Pulso Manual

Crea un circuito oscilador simple que use un interruptor para generar pulsos manualmente, y utiliza el CI 7404 para invertir estos pulsos y controlar dos LEDs de tal manera que cuando uno esté encendido, el otro esté apagado.

• Instrucciones: Conecta el interruptor a la entrada de una puerta del inversor 7404 y luego conecta la salida de esa puerta a un LED. Usa otra puerta inversora para invertir la salida original y conéctala a un segundo LED. De esta forma, cuando un LED esté encendido, el otro estará apagado.

Reto 3: Crea una Compuerta AND con Inversores

Usa el CI 7404 para simular una compuerta AND utilizando solo puertas NOT y los componentes disponibles (pulsadores e interruptores).

• Instrucciones: Conecta dos pulsadores a dos entradas diferentes del inversor 7404. Luego, conecta las salidas de esas dos puertas a las entradas de una tercera puerta inversora. La salida de esta tercera puerta representará el resultado de la compuerta AND. Comprueba el comportamiento con diferentes combinaciones de pulsadores presionados y sueltos.

Reto 4: Construye un Controlador de LED con Temporizador

Usa el CI 7404 y un par de condensadores para crear un temporizador que encienda y apague un LED a intervalos regulares, simulando un parpadeo.

• Instrucciones: Utiliza una configuración de resistencia-condensador (RC) en combinación con el 7404 para crear un oscilador de baja frecuencia. Conecta la salida del oscilador a un LED para que parpadee a intervalos regulares. Ajusta los valores de resistencia y capacitancia para cambiar la velocidad del parpadeo.

Reto 5: Implementa un Detector de Señales Duplicadas

Diseña un circuito que detecte si dos pulsadores están presionados simultáneamente y encienda un LED si se cumple esta condición.

• Instrucciones: Conecta cada pulsador a una puerta inversora del CI 7404. Luego, conecta las salidas de estas puertas a las entradas de una tercera puerta inversora, pero esta vez usa dos puertas adicionales del CI para verificar si ambas señales están en un estado alto o bajo simultáneamente. Conecta la salida final a un LED. Cuando ambos pulsadores estén presionados o ambos estén sueltos, el LED debe encenderse.

SPICG v1.0 : - Simulation Program for Integrated Circuit Gamification:

SPICG v.10

SPICG es una innovadora plataforma educativa diseñada para transformar el aprendizaje de la electrónica en una experiencia interactiva y motivadora. Centrándose en la simulación de circuitos integrados, SPICG combina teoría y práctica mediante un enfoque gamificado que hace que el aprendizaje sea tanto efectivo como divertido.

En SPICG, los usuarios pueden:

• Diseñar y simular esquemas electrónicos, observando cómo interactúan los componentes dentro de circuitos integrados específicos, con explicaciones detalladas sobre su funcionamiento.
• Explorar una creciente biblioteca de simulaciones, que abarca una variedad de circuitos esquemáticos, proporcionando un entendimiento profundo del comportamiento de circuitos integrados en contextos reales.
• Superar desafíos y misiones que refuerzan conceptos clave de la electrónica, avanzando a través de niveles que desbloquean nuevos conocimientos y habilidades.
• Aplicar conceptos fundamentales y avanzados de manera práctica, utilizando circuitos reales basados en las referencias más utilizadas del mercado de componentes electrónicos.
• Competir y colaborar con otros estudiantes en un entorno seguro y estimulante, donde los logros son recompensados y el aprendizaje se convierte en un juego.

Ya sea que seas un principiante en la electrónica o un estudiante avanzado, SPICG está diseñado para hacer del aprendizaje una experiencia accesible, dinámica y, sobre todo, enriquecedora.

SPICG es un desarrollo de Carlos A Garcia