Formas de onda de CA (corriente alterna)

La corriente continua o CC , como se le llama más comúnmente, es una forma de corriente eléctrica o voltaje que fluye alrededor de un circuito eléctrico en una sola dirección, lo que lo convierte en un suministro "unidireccional".

En general, tanto las corrientes como los voltajes de CC son producidos por fuentes de alimentación, baterías, dínamos y celdas solares, por nombrar algunos. Un voltaje o corriente de CC tiene una magnitud fija (amplitud) y una dirección definida asociada con él. Por ejemplo, +12V representa 12 voltios en dirección positiva o -5V representa 5 voltios en dirección negativa.

También sabemos que las fuentes de alimentación de CC no cambian su valor con respecto al tiempo, son un valor constante que fluye en una dirección continua de estado estable. 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 se inviertan físicamente. A continuación, se muestra un ejemplo de un circuito simple de CC o de corriente continua.

Forma de onda de Corriente Alterna

Una función alterna o forma de onda de CA , por otro lado, se define como una que varía tanto en magnitud como en dirección de manera más o menos uniforme con respecto al tiempo, lo que la convierte en una forma de onda "bidireccional". Una función de CA puede representar una fuente de alimentación o una fuente de señal con la forma de una onda de CA que generalmente sigue la de una sinusoide matemática definida como: A(t) = A _max *sin(2πƒt)

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

La forma obtenida al graficar los valores de las ordenadas instantáneas de voltaje o corriente contra el tiempo se llama forma de onda de CA. Una forma de onda de CA cambia constantemente su polaridad cada medio ciclo alternando entre un valor máximo positivo y un valor máximo negativo respectivamente con respecto al tiempo, siendo un ejemplo común de esto el suministro de voltaje de la red doméstica que usamos en nuestros hogares.

Esto significa que la forma de onda de CA es una "señal dependiente del tiempo" y el tipo más común de señal dependiente del tiempo es la forma de onda periódica . La forma de onda periódica o de CA es el producto resultante de un generador eléctrico giratorio. En general, la forma de cualquier forma de onda periódica se puede generar utilizando una frecuencia fundamental y superponiéndola con señales armónicas de frecuencias y amplitudes variables, pero eso es para otro artículo.

Los voltajes y corrientes alternas no se pueden almacenar en baterías o celdas como la corriente continua (CC), es mucho más fácil y económico generar estas cantidades usando alternadores o generadores de forma de onda cuando se necesitan. El tipo y la forma de una forma de onda de CA dependen del generador o dispositivo que las produce, pero 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 principales características de una forma de onda de CA se definen como:

Características de forma de onda de CA

• El Período, (T) es el tiempo en segundos que tarda la forma de onda en repetirse de principio a fin. Esto también se puede llamar Tiempo periódico de la forma de onda para ondas sinusoidales o Ancho de pulso para ondas cuadradas.
• La Frecuencia, (ƒ)es el número de veces que la forma de onda se repite dentro de un período de tiempo de un segundo. La frecuencia es el recíproco del período de tiempo, (  ƒ = 1/T ) siendo la unidad de frecuencia el Hertz , (Hz).
• La Amplitud (A)es la magnitud o intensidad de la forma de onda de la señal medida en voltios o amperios.

Las formas de onda son básicamente una representación visual de la variación de 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 una condición cero de voltaje o corriente. Cualquier parte de una forma de onda de tipo CA que se encuentre por encima del eje cero horizontal representa un voltaje o corriente que fluye en una dirección.

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

Las formas de onda de señal periódica más comunes que se utilizan en ingeniería eléctrica y electrónica son las formas de onda sinusoidales . Sin embargo, es posible que una forma de onda alterna de CA no siempre adopte la forma suave en función de la función trigonométrica de seno o coseno. Las formas de onda de CA también pueden adoptar la forma de ondas complejas , ondas cuadradas u ondas triangulares y se muestran a continuación.

Tipos de formas de Onda Periódica

El tiempo que tarda una forma de onda de CA en completar un patrón completo desde su mitad positiva a su mitad negativa y nuevamente a su línea de base cero se denomina ciclo y un ciclo completo contiene tanto un medio ciclo positivo como un medio ciclo negativo. El tiempo que tarda la forma de onda en completar un ciclo completo se denomina Tiempo periódico de la forma de onda y se le da el símbolo "T".

El número de ciclos completos que se producen en un segundo (ciclos/segundo) se llama Frecuencia , símbolo ƒ de la forma de onda alterna. La frecuencia se mide en Hertz , (  Hz  ) llamado así por el físico alemán Heinrich Hertz.

Entonces podemos ver que existe una relación entre los ciclos (oscilaciones), el tiempo periódico y la frecuencia (ciclos por segundo), por lo que si hay ƒ número de ciclos en un segundo, cada ciclo individual debe tardar 1/ƒ segundos en completarse.

Relación entre Frecuencia y Periodo

Definición de prefijos de frecuencia

La frecuencia solía expresarse en "ciclos por segundo" abreviado como "cps", pero hoy en día se especifica más comúnmente en unidades llamadas "Hertz". Para un suministro de red doméstico, la frecuencia será de 50 Hz o 60 Hz según el país y está fijada por la velocidad de rotación del generador. Pero un hercio es una unidad muy pequeña, por lo que se utilizan prefijos que indican el orden de magnitud de la forma de onda en frecuencias más altas, como kHz , MHz e incluso GHz .

Amplitud de una forma de onda de CA

Además de conocer el tiempo periódico o la frecuencia de la cantidad alterna, otro parámetro importante de la forma de onda de CA es la Amplitud , mejor conocida como su valor máximo o pico representado por los términos V max para voltaje o I max 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 de base cero. A diferencia de un voltaje o corriente de CC que tiene un estado estable que se puede medir o calcular usando la Ley de Ohm , una cantidad alterna cambia constantemente su valor con el tiempo.

Para formas de onda sinusoidales puras, este valor pico siempre será el mismo para ambos semiciclos (  +Vm = -Vm  ), pero para formas de onda no sinusoidales o complejas, el valor pico máximo puede ser muy diferente para cada medio ciclo. A veces, a las formas de onda alternas se les da un valor pico a pico , V p-p y esto es simplemente la distancia o la suma de voltaje entre el valor pico máximo, +V max y el valor pico mínimo, -V max durante un ciclo completo.

El valor promedio de una forma de onda de CA

El valor promedio o promedio de un voltaje de CC continuo siempre será igual a su valor pico máximo ya que un voltaje de CC es constante. Este valor promedio solo cambiará si cambia el ciclo de trabajo del voltaje de CC. En una onda sinusoidal pura, si el valor promedio se calcula durante el ciclo completo, el valor promedio sería igual a cero, ya que las mitades positiva y negativa se cancelarán entre sí. Entonces, el valor promedio o promedio de una forma de onda de CA se calcula o mide solo 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 debajo de la forma de onda usando la regla de las ordenadas medias, la regla trapezoidal o la regla de Simpson que se encuentra comúnmente en matemáticas. El área aproximada bajo cualquier forma de onda irregular se puede encontrar fácilmente simplemente usando la regla de las 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 (V 1 a V 9 ). Cuantas más líneas de ordenadas se dibujen, más preciso será el promedio final o el valor medio. El valor promedio será la suma de todos los valores instantáneos sumados y luego divididos por el número total. Esto se da como.

Valor promedio de una forma de onda de CA

Donde: n es igual al número real de coordenadas medias utilizadas.

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

El valor RMS de una forma de onda de CA

El valor promedio de una forma de onda de CA que calculamos anteriormente es: 0,637*V _máx . NO es el mismo valor que usaríamos para un suministro de CC. Esto se debe a que, a diferencia de un suministro de CC que es constante y de 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 corriente alterna que proporciona 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 efecto de calentamiento I ² *R en una carga que esperaríamos ver si la misma carga fuera alimentada por un suministro de CC constante. El valor efectivo de una onda sinusoidal se conoce más comúnmente como raíz cuadrática media o simplemente valor RMS , ya que se calcula como la raíz cuadrada de la media (promedio) del cuadrado del voltaje o la corriente.

Es decir, V _rms o I _rms se da como la raíz cuadrada del promedio de la suma de todos los valores cuadrados de las coordenadas medias de la onda sinusoidal. El valor RMS para cualquier forma de onda de CA se puede encontrar a partir de la siguiente fórmula de valor promedio modificada, como se muestra.

Valor RMS de una forma de onda de CA

Donde: n es igual al número de ordenadas medias.

Para una forma de onda sinusoidal pura, este valor eficaz o RMS también será siempre igual: 1/ √ 2 *V _máx . , que es igual a 0,707*V _máx . y esta relación es válida para valores RMS de corriente. El valor RMS para una forma de onda sinusoidal siempre es mayor que el valor promedio excepto para una forma de onda rectangular. En este caso, el efecto de calentamiento permanece constante, por lo que los valores promedio y RMS serán los mismos.

Un comentario final sobre los valores RMS. La mayoría de los multímetros, ya sean digitales o analógicos, a menos que se indique lo contrario, solo miden los valores RMS de voltaje y corriente y no el promedio. Por lo tanto, al usar un multímetro en un sistema de corriente continua, la lectura será igual a I = V/R y para un sistema de corriente alterna, la lectura será igual a Irms = Vrms/R .

Además, a excepción de los cálculos de potencia promedio, cuando calcule RMS o voltajes pico, use solo V _RMS para encontrar valores I _RMS , o voltaje pico, Vp para encontrar valores de corriente pico, Ip. No los mezcle, ya que los valores promedio, RMS o pico de una onda sinusoidal son completamente diferentes y sus resultados definitivamente serán incorrectos.

Factor de Forma y Factor de Cresta

Aunque se usa poco en estos días, tanto el factor de forma como el factor de cresta se pueden usar para brindar información sobre la forma real de la forma de onda de CA. Factor de forma es la relación entre el valor promedio y el valor RMS y se da como.

Para una forma de onda sinusoidal pura, el factor de forma siempre será igual a 1,11 . Factor de cresta es la relación entre el valor RMS y el valor pico de la forma de onda y se da como.

Para una forma de onda sinusoidal pura, el factor de cresta siempre será igual a 1,414.

Tabla de conversión de forma de Onda Sinusoidal