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frecuencia y otras pruebas que son cruciales para entender el comportamiento dinámico de los circuitos. El laboratorio virtual de Multisim no solo ayuda a afianzar la teoría aprendida en clase, sino que también fomenta el desarrollo de habilidades prácticas, como el diseño de circuitos, la solución de problemas y la experimentación. Los estudiantes pueden modificar parámetros, observar cómo cambian las señales, y comprender la relación entre los distintos elementos del circuito. Además, el uso de Multisim en el laboratorio aporta beneficios en términos de tiempo y costos. No es necesario contar con un amplio inventario de componentes físicos ni herramientas especializadas para montar cada circuito, lo que facilita la enseñanza en diferentes contextos, incluyendo aquellos con limitaciones de recursos.
Tipologia: Notas de aula
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Curso: Ingeniería Eléctrica Docente: Maria Elena Vildozo Zambrano Estudiantes: Revilla Martínez, Eddy Mauricio Valdivia Velásquez, Flavia Alejandra Tacna, Perú 2024
Índice
1.1 Descubrimiento del sistema de iluminación con circuito RL Las raíces de la aplicación de circuitos RL en sistemas de iluminación se encuentran en los avances de la teoría de circuitos eléctricos durante el siglo XIX, con los descubrimientos de Michael Faraday y Heinrich Lenz. Faraday, en 1831, encontró relación entre el magnetismo y la electricidad, con su descubrimiento de la inducción electromagnética. Conocida como la Ley de Faraday, explica que, la inducción electromagnética es un fenómeno donde la diferencia de potencial inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (Cedeño Vázquez et al., 2016). En otros términos, explica que cuando un campo magnético cambia cerca de un cable, puede generar una corriente eléctrica en ese cable. Este descubrimiento permitió desarrollar dispositivos que utilizaban inductores para controlar corrientes alternas. Por otro lado, en 1834, Lenz complementó la idea formulando la ley de dirección de las corrientes inducidas, la cual indica que cuando un campo magnético cambia cerca de un cable, se genera una corriente eléctrica en el cable, y esta nueva corriente tiene un campo magnético propio que trata de oponerse al cambio del campo magnético que la provocó (Ley de Henz). Ambas leyes formaron la base para el desarrollo de tecnologías como el circuito RL y la posibilidad de aplicarlo en sistemas de iluminación industrial, donde demuestra eficacia en la gestión del consumo energético. 1.2 Primeros sistemas de iluminación industrial y sus modificaciones Los primeros sistemas de iluminación industrial se desarrollaron a finales del siglo XIX, y principios del XX. Inicialmente se usaron tecnologías como lámparas incandescentes y, mas tarde, lámparas fluorescentes. Durante esta evolución, los
circuitos RL que, combinaban resistencias e inductores, fueron incorporados en balastos electromagnéticos para controlar la corriente eléctrica que pasaba a traves de las lamparas fluorescentes, garantizando un funcionamiento estable (Hewlett- Packard, 2020). En los primeros sistemas de iluminación, los balastos RL ayudaron a limitar las fluctuaciones de corriente y proteger las lámparas contra picos de voltaje, mejorando así su durabilidad y rendimiento (Kuffel, 2000). Con el tiempo, los avances tecnológicos llevaron a la mejora de estos sistemas. Las versiones modernas de los balastos RL, ahora con diseños más compactos y eficientes, continúan utilizando los principios de regulación de corriente desarrollados en base a las leyes de Faraday y Lenz.
Circuito RL Simple : En su forma más básica, un circuito RL consiste en una resistencia en serie con una inductancia. Este diseño es común en sistemas de iluminación donde el flujo de corriente debe ser limitado y regulado. Las luces fluorescentes son un ejemplo típico, ya que requieren una resistencia para evitar una corriente excesiva y una inductancia para generar el campo magnético que estabiliza la corriente alterna. Este tipo de circuito es fácil de diseñar y mantener, pero su eficiencia energética puede verse afectada debido al desfase entre el voltaje y la corriente que introduce la inductancia. Circuito RL con Condensador : Una variación común de los circuitos RL incluye un condensador para mejorar el factor de potencia. La inductancia del circuito introduce una reactancia inductiva que genera un desfase entre el voltaje y la corriente, lo que puede reducir la eficiencia del sistema. Al agregar un condensador en paralelo o en serie con el circuito, se introduce reactancia capacitiva , que contrarresta el desfase inducido por la inductancia. Esto no solo mejora el rendimiento del sistema, sino que también reduce el consumo de energía innecesaria, haciendo que el sistema sea más eficiente. Balastos Electromagnéticos : Los balastos electromagnéticos son el tipo tradicional de balastos utilizados en circuitos RL. Utilizan una bobina de alambre de cobre (inductancia) para limitar la cantidad de corriente que fluye a través de la lámpara. Estos balastos son robustos y económicos, pero tienen desventajas como el ruido (debido a la vibración de la bobina) y el bajo factor de potencia si no se les compensa con un condensador. Además, pueden generar calor excesivo y tienen una menor eficiencia en comparación con los balastos electrónicos modernos. Balastos Electrónicos : Los balastos electrónicos son una evolución de los electromagnéticos y tienen un diseño más eficiente y compacto. Funcionan a frecuencias mucho más altas (por encima de los 20 kHz), lo que mejora el control del flujo de corriente y reduce la pérdida de energía. Estos balastos incluyen tanto componentes resistivos como inductivos, y suelen incorporar condensadores integrados para mejorar el factor de potencia y reducir el parpadeo de las lámparas. Son más eficientes que los balastos electromagnéticos, generan menos calor y ruido, y permiten una mayor durabilidad de las lámparas. Sin embargo, tienden a ser más costosos que los electromagnéticos. Circuito RL para Iluminación LED :
Aunque las lámparas LED no requieren balastos de la misma manera que las lámparas fluorescentes, algunos sistemas industriales que migran de fluorescentes a LED mantienen el circuito RL para aprovechar la infraestructura existente. En este caso, se puede utilizar un circuito RL modificado para controlar la alimentación de los LED, aunque muchas veces los LED incluyen sus propios controladores electrónicos que reemplazan el papel del balasto inductivo.
V entajas : Control de la Corriente : Los circuitos RL permiten un control preciso del flujo de corriente, protegiendo las lámparas de picos de corriente. Durabilidad de las Lámparas : Al evitar fluctuaciones en la corriente, las lámparas tienen una vida útil más larga. Simplicidad : El diseño del circuito es relativamente simple y fácil de implementar en instalaciones industriales. Desventajas : Factor de Potencia Bajo : La inductancia introduce un desfase entre el voltaje y la corriente, lo que reduce la eficiencia del sistema. Pérdidas por Calor : La resistencia disipa energía en forma de calor, lo que puede aumentar las pérdidas energéticas. Requiere Compensación : En muchos casos, es necesario agregar condensadores para mejorar el factor de potencia y evitar penalizaciones en el consumo de energía.
Vida Útil de los componentes Resistencia ( R ): Las resistencias en estos circuitos son bastante duraderas y generalmente no requieren reemplazo frecuente, a menos que sufran sobrecalentamiento o fallas por desgaste. Su vida útil puede superar fácilmente los 10 años en condiciones normales de operación. Inductancia ( L ): Las inductancias, especialmente en balastos electromagnéticos, tienen una vida útil larga, normalmente superior a 20 años , siempre que se mantengan en condiciones adecuadas y no sufran sobrecalentamientos. Los balastos electrónicos, aunque más eficientes, tienen una vida útil ligeramente inferior debido a su mayor complejidad, situándose entre 10 y 15 años. Condensadores: Si el sistema incorpora condensadores para mejorar el factor de potencia, estos deben ser revisados periódicamente. Los condensadores pueden tener una vida útil de entre 5 y 10 años , dependiendo de las condiciones de operación (temperatura, voltaje) y del tipo de condensador utilizado. Lamparas:
Migraciones a Tecnología LED: Con la creciente adopción de tecnología LED en entornos industriales, muchos sistemas de iluminación con circuito RL están siendo reemplazados o actualizados a sistemas LED , que tienen una mayor eficiencia y menores costos de mantenimiento a largo plazo. Compatibilidad con Balastos Existentes: Existen LED diseñados para trabajar con balastos inductivos (retrofit), lo que permite a las industrias mantener parte de la infraestructura existente mientras mejoran la eficiencia energética. Sin embargo, en muchos casos, es más recomendable eliminar el balasto RL y utilizar controladores de LED dedicados para obtener todos los beneficios de la tecnología LED.
Bibliografía Cedeño Vázquez, M. I. J. C., Gil Pérez, J. M., & Pérez Ramírez, F. M. (2016, 8 de agosto). Inducción electromagnética. Hewlett-Packard (2020). History of Fluorescent Lighting. Industrias GSL (2021, 22 octubre). Iluminación industrial. Obtenido de: https://acortar.link/AbAW1s Kuffel, R. (2000). High Voltage Engineering Fundamentals.
Boylestad, R. L., & Nashelsky, L. (2016). Electronic Devices and Circuit Theory. Pearson Education. Capítulo 5: Análisis de Circuitos RL y su Aplicación en la Iluminación. Dorf, R. C., & Svoboda, J. A. (2021). Introduction to Electric Circuits. Wiley. Sección 7.4: Aplicaciones de Circuitos RL en Sistemas Industriales de Iluminación. Hughes, E. (2019). Electrical and Electronic Technology. Pearson Education. Capítulo 13: Sistemas de Iluminación Industrial y Control de Corriente con Circuitos RL. Phillips Lighting. (2020). Guía Técnica de Iluminación Industrial. Sección 4.2: Circuitos RL y su Impacto en la Eficiencia Energética en Instalaciones de Luces Industriales.
