¿De dónde viene el nombre de la banda de rock australiana AC/DC? De la corriente alterna y la corriente continua, por supuesto. Tanto la CA como la CC describen tipos de flujo de corriente en un circuito. En la corriente continua (DC), la carga eléctrica (corriente) sólo fluye en una dirección. En cambio, la carga eléctrica de la corriente alterna (CA) cambia de dirección periódicamente. La tensión en los circuitos de CA también se invierte periódicamente porque la corriente cambia de dirección.
La mayor parte de la electrónica digital que construyas utilizará corriente continua. Sin embargo, es importante entender algunos conceptos de la CA. La mayoría de las casas están cableadas para CA, así que, si planeas conectar tu proyecto a una toma de corriente, tendrás que convertir la CA en CC. La CA también tiene algunas propiedades útiles, como ser capaz de convertir los niveles de voltaje con un solo componente (un transformador), razón por la cual la CA fue elegida como el principal medio para transmitir electricidad a largas distancias.
Lo que aprenderás en este tutorial:
- La historia de la CA y la CC
- Diferentes formas de generar CA y CC
- Algunos ejemplos de aplicaciones de CA y CC
Lecturas recomendadas
- ¿Qué es electricidad?
- ¿Qué es un circuito?
- Voltaje, Corriente, Resistencia, y ley de Ohm
- Potencia Electrica
Corriente alterna (CA)
La corriente alterna describe el flujo de carga que cambia de dirección periódicamente. En consecuencia, el nivel de tensión también se invierte junto con la corriente. La CA se utiliza para suministrar energía a casas, edificios de oficinas, etc.
Generación de CA
La CA puede producirse mediante un dispositivo llamado alternador. Este dispositivo es un tipo especial de generador eléctrico diseñado para producir corriente alterna.
Se hace girar un bucle de alambre dentro de un campo magnético, que induce una corriente a lo largo del alambre. La rotación del cable puede provenir de cualquier medio: una turbina eólica, una turbina de vapor, agua, etc. Como el cable gira y entra en una polaridad magnética diferente periódicamente, la tensión y la corriente se alternan en el cable. Aquí hay una breve animación que muestra este principio.
La generación de CA puede compararse con una analogía del agua.
Para generar CA en un conjunto de tuberías de agua, conectamos una manivela mecánica a un pistón que mueve el agua en las tuberías de un lado a otro (nuestra corriente “alterna”). Fíjate en que la sección de la tubería que se ha restringido sigue ofreciendo resistencia al flujo de agua, independientemente de la dirección del flujo.
Formas de onda
La corriente alterna puede adoptar diversas formas, siempre que la tensión y la corriente sean alternas. Si conectamos un osciloscopio a un circuito con corriente alterna y trazamos su tensión a lo largo del tiempo, podemos ver varias formas de onda diferentes. El tipo más común de CA es la onda sinusoidal. La CA de la mayoría de los hogares y oficinas tiene una tensión oscilante que produce una onda sinusoidal.
Onda Sinusoidal
Otras formas comunes de CA son la onda cuadrada y la onda triangular:
Onda Cuadrada
Las ondas cuadradas se utilizan a menudo en la electrónica digital y de conmutación para comprobar su funcionamiento.
Las ondas triangulares se encuentran en la síntesis de sonido y son útiles para probar la electrónica lineal, como los amplificadores.
Describiendo una onda sinusoidal
A menudo queremos describir una forma de onda de CA en términos matemáticos. Para este ejemplo, utilizaremos la onda sinusoidal común. Una onda sinusoidal consta de tres partes: amplitud, frecuencia y fase.
Si nos fijamos sólo en la tensión, podemos describir una onda sinusoidal como una función matemática:
V(t) es nuestro voltaje en función del tiempo, lo que significa que nuestro voltaje cambia a medida que cambia el tiempo. La ecuación a la derecha del signo de igualdad describe cómo cambia el voltaje con el tiempo.
VP es la amplitud. Describe el máximo voltaje que nuestra onda sinusoidal puede alcanzar en cualquier dirección, lo que significa que nuestro voltaje puede ser +VP voltios, -VP voltios, o algún punto intermedio.
La función sin() indica que nuestro voltaje tendrá la forma de una onda sinusoidal periódica, que es una oscilación suave alrededor de 0V.
2π es una constante que convierte la frecuencia de ciclos (en hertzios) a frecuencia angular (radianes por segundo).
f describe la frecuencia de la onda sinusoidal. Se da en forma de hercios o unidades por segundo. La frecuencia indica cuántas veces se produce una forma de onda concreta (en este caso, un ciclo de nuestra onda sinusoidal -una subida y una bajada-) en un segundo.
t es nuestra variable independiente: el tiempo (medido en segundos). A medida que varía el tiempo, varía nuestra forma de onda.
φ describe la fase de la onda sinusoidal. La fase es una medida del desplazamiento de la forma de onda con respecto al tiempo. Se suele indicar como un número entre 0 y 360 y se mide en grados. Debido a la naturaleza periódica de la onda sinusoidal, si la forma de onda se desplaza 360°, vuelve a ser la misma forma de onda, como si estuviera desplazada 0°. Para simplificar, seguiremos asumiendo que la fase es de 0° para el resto de este tutorial.
Podemos recurrir a nuestro fiel enchufe para ver un buen ejemplo de cómo funciona una forma de onda de CA. En Estados Unidos, la corriente que llega a los hogares es de CA con unos 170V de cero a pico (amplitud) y 60Hz (frecuencia). Podemos introducir estos números en nuestra fórmula para obtener la ecuación (recuerda que estamos asumiendo que la fase es 0):
Observa que, como habíamos previsto, la tensión sube hasta 170V y baja hasta -170V periódicamente. Además, cada segundo se producen 60 ciclos de la onda sinusoidal. Si midiéramos la tensión en nuestros enchufes con un osciloscopio, esto es lo que veríamos (ADVERTENCIA: ¡no intentes medir la tensión en un enchufe con un osciloscopio! Es probable que se dañe el equipo).
NOTA: Es posible que hayas escuchado que el voltaje de CA en los Estados Unidos es de 120V. Esto también es correcto. ¿Cómo? Cuando se habla de CA (ya que la tensión cambia constantemente), a menudo es más fácil utilizar una media o promedio. Para ello, utilizamos un método llamado “media cuadrática”. (RMS). A menudo es útil utilizar el valor RMS para la CA cuando se quiere calcular la potencia eléctrica. Aunque, en nuestro ejemplo, teníamos la tensión variando de -170V a 170V, la media cuadrática es de 120V RMS.
Aplicaciones
Las tomas de corriente del hogar y de la oficina son casi siempre de CA. Esto se debe a que generar y transportar CA a través de largas distancias es relativamente fácil. A altas tensiones (más de 110kV), se pierde menos energía en la transmisión de la energía eléctrica. Mayores tensiones significan menores corrientes, y menores corrientes significan menos calor generado en la línea eléctrica debido a la resistencia. La corriente alterna puede convertirse fácilmente en alta tensión mediante transformadores.
La CA también es capaz de alimentar motores eléctricos. Los motores y los generadores son exactamente el mismo dispositivo, pero los motores convierten la energía eléctrica en energía mecánica (si el eje de un motor gira, se genera una tensión en los terminales). Esto es útil para muchos electrodomésticos grandes como lavavajillas, frigoríficos, etc., que funcionan con CA.
Corriente continua (DC)
La corriente continua es un poco más fácil de entender que la corriente alterna. En lugar de oscilar de un lado a otro, la CC proporciona una tensión o corriente constante.
Generación de corriente continua
La corriente continua puede generarse de varias maneras:
- Un generador de CA equipado con un dispositivo llamado “conmutador” puede producir corriente continua
- Utilizando un dispositivo llamado “rectificador” que convierte la CA en CC
- Las baterías proporcionan corriente continua, que se genera a partir de una reacción química en el interior de la batería
Utilizando de nuevo nuestra analogía con el agua, la CC es similar a un tanque de agua con una manguera en el extremo.
El depósito sólo puede empujar el agua en una dirección: por la manguera. Al igual que nuestra batería de corriente continua, una vez que el depósito está vacío, el agua deja de fluir por las tuberías.
Describiendo la CC
La CC se define como el flujo “unidireccional” de la corriente; la corriente sólo fluye en una dirección. La tensión y la corriente pueden variar con el tiempo siempre que el sentido del flujo no cambie. Para simplificar las cosas, supondremos que la tensión es una constante. Por ejemplo, supondremos que una pila AA proporciona 1.5 V, lo que puede describirse en términos matemáticos como:
Si trazamos esto a lo largo del tiempo, vemos una tensión constante:
¿Qué significa esto? Significa que podemos contar con que la mayoría de las fuentes de corriente continua proporcionen una tensión constante a lo largo del tiempo. En realidad, una batería perderá lentamente su carga, lo que significa que el voltaje caerá a medida que se utilice la batería. Para la mayoría de los fines, podemos suponer que la tensión es constante.
Aplicaciones
Casi todos los proyectos y piezas de electrónica a la venta funcionan con corriente continua. Todo lo que funciona con una batería, se conecta a la pared con un adaptador de CA, o utiliza un cable USB para la alimentación se basa en la CC. Ejemplos de electrónica de CC incluyen:
- Teléfonos móviles
- El guante de dados de D&D basado en LilyPad
- Televisores de pantalla plana (la CA va al televisor, que se convierte en CC)
- Linternas
- Vehículos híbridos y eléctricos
La batalla de las corrientes
Casi todos los hogares y negocios están conectados a la corriente alterna. Sin embargo, no fue una decisión tomada de la noche a la mañana. A finales de la década de 1880, una serie de inventos en Estados Unidos y Europa condujeron a una batalla a gran escala entre la distribución de corriente alterna y la de corriente continua.
En 1886, Ganz Works, una empresa eléctrica situada en Budapest, electrificó toda Roma con corriente alterna. Thomas Edison, por su parte, había construido 121 centrales de corriente continua en Estados Unidos en 1887. Un punto de inflexión en la batalla se produjo cuando George Westinghouse, un famoso industrial de Pittsburgh, compró al año siguiente las patentes de Nikola Tesla sobre motores y transmisión de CA.
CA vs. CC
A finales del siglo XIX, la corriente continua no se podía convertir fácilmente a altos voltajes. Por ello, Edison (imagen superior) propuso un sistema de pequeñas centrales eléctricas locales que abastecían de energía a barrios individuales o secciones de la ciudad. La energía se distribuía mediante tres cables desde la central: +110 voltios, 0 voltios y -110 voltios. Las luces y los motores podían conectarse entre la toma de +110V o 110V y 0V (neutro). Los 110V permitían una cierta caída de tensión entre la central y la carga (casa, oficina, etc.).
Aunque se tenía en cuenta la caída de tensión en las líneas eléctricas, las centrales debían estar situadas a menos de 1 milla del usuario final. Esta limitación hacía que la distribución de energía en zonas rurales fuera extremadamente difícil, si no imposible.
Con las patentes de Tesla, Westinghouse trabajó para perfeccionar el sistema de distribución de corriente alterna. Los transformadores proporcionaron un método barato para elevar el voltaje de la corriente alterna a varios miles de voltios y reducirlo a niveles utilizables. Con voltajes más altos, la misma potencia podía transmitirse con una corriente mucho menor, lo que significaba menos pérdida de energía debido a la resistencia de los cables. Como resultado, las grandes centrales eléctricas podían situarse a muchos kilómetros de distancia y dar servicio a un mayor número de personas y edificios.
La campaña de desprestigio de Edison
Durante los años siguientes, Edison llevó a cabo una campaña para desalentar el uso de la corriente alterna en Estados Unidos, que incluía presionar a las legislaturas estatales y difundir desinformación sobre la corriente alterna. Edison también ordenó a varios técnicos que electrocutaran públicamente a animales con CA en un intento de demostrar que la CA era más peligrosa que la CC. En un intento de mostrar estos peligros, Harold P. Brown y Arthur Kennelly, empleados de Edison, diseñaron la primera silla eléctrica para el estado de Nueva York utilizando CA.
El auge de la CA
En 1891, la Exposición Electrotécnica Internacional se celebró en Frankfurt (Alemania) y mostró la primera transmisión a larga distancia de CA trifásica, que alimentaba las luces y los motores de la exposición. Varios representantes de lo que se convertiría en General Electric estuvieron presentes y quedaron impresionados por la exhibición. Al año siguiente, General Electric se constituyó y comenzó a invertir en tecnología de corriente alterna.
Westinghouse obtuvo un contrato en 1893 para construir una presa hidroeléctrica que aprovechara la energía de las cataratas del Niágara y transmitiera corriente alterna a Búfalo, Nueva York. El proyecto se completó el 16 de noviembre de 1896 y la corriente alterna comenzó a suministrar energía a las industrias de Búfalo. Este hito marcó el declive de la corriente continua en Estados Unidos. Mientras que Europa adoptaría un estándar de CA de 220-240 voltios a 50 Hz, el estándar en Norteamérica pasaría a ser de 120 voltios a 60 Hz.
Corriente continua de alto voltaje (HVDC)
El ingeniero suizo René Thury utilizó una serie de motogeneradores para crear un sistema de corriente continua de alto voltaje en la década de 1880, que podía utilizarse para transmitir energía de corriente continua a largas distancias. Sin embargo, debido al alto coste y al mantenimiento de los sistemas de Thury, el HVDC no se adoptó durante casi un siglo.
Con la invención de la electrónica de semiconductores en la década de 1970, se hizo posible la transformación económica entre CA y CC. Se pudieron utilizar equipos especializados para generar energía de CC de alto voltaje (algunos alcanzan los 800 kV). Algunas partes de Europa han empezado a emplear líneas HVDC para conectar eléctricamente varios países.
Las líneas HVDC experimentan menos pérdidas que las líneas de CA equivalentes en distancias extremadamente largas. Además, el HVDC permite conectar diferentes sistemas de CA (por ejemplo, 50 Hz y 60 Hz). A pesar de sus ventajas, los sistemas HVDC son más costosos y menos fiables que los sistemas comunes de CA.
Al final, Edison, Tesla y Westinghouse pueden ver cumplidos sus deseos. La CA y la CC pueden coexistir y cada una sirve para algo.
Shawn Hymel. Alternating Current (AC) vs Direct Current (DC). Sparkfun. https://learn.sparkfun.com/tutorials/alternating-current-ac-vs-direct-current-dc