Generadores de corriente directa La máquina de corriente directa representa para algunos una especie en peligro de extinción, en virtud de que la corriente directa hoy en día se obtiene a través de dispositivos semiconductores (rectificadores electrónicos) y por tanto cada vez tienen menor demanda los generadores de cd. Una de las ventajas de la máquina de cd es que se puede trabajar como generador y como motor sin hacer ninguna modificación, lo cual implica que la construcción es la misma, es decir no hay diferencias reales siendo la única diferencia la dirección del flujo de potencia.
Pila – Acumulador – Batería El término pila, en castellano, denomina los generadores de electricidad basados en procesos químicos normalmente no reversibles, o acumuladores de energía eléctrica no recargables; mientras que batería se aplica generalmente a los dispositivos electroquímicos semi-reversibles, o acumuladores de energía eléctrica que sí se pueden recargar. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas: en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo, adosados lateralmente, "en batería", como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente.
Hablemos primeramente sobre las pilas, su historia y sus tipos. Alessandro Volta comunica su invento de la pila a la Royal London Society, el 20 de marzo de 1800. John Frederic Daniell inventa en 1836 la pila Daniell, a partir de la pila de Volta para evitar la acumulación de hidrógeno. William Robert Grove inventa en 1844 la pila Grove, como una versión más potente de la pila Daniell. Fue muy empleada en las redes telegráficas de América hasta 1860. En 1887, Carl Gassner patentó la denominada "pila seca", ya que no tiene un electrólito líquido libre, sino una pasta de yeso de París. Paralelamente, en 1887 Federico Guillermo Luis Hellesen desarrolló su propio diseño de pila seca. Se ha afirmado que el diseño de Hellesen precedió al de Gassner. La primera pila
fabricada en masa para el público en general surgió del modelo de Gassner, sustituyendo el yeso de París por cartón en espiral y con los electrodos de zinc y carbono. La experimentación con pilas de litio comenzó en 1912 con G. N. Lewis, pero no fue hasta la década de 1970 cuando se vendieron las primeras baterías de litio. Se emplea actualmente diversas pilas con litio en el ánodo y diferentes sustancias en el cátodo (sulfuro de hierro, dióxido de manganeso, dióxido de azufre, cloruro de tionilo, monofluoruro de carbono).
Principales tipos de pilas • Pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en la década de 1860. Es la pila común de bastón no alcalina, suele ser de 1,5 voltios. • Pila alcalina. Es muy potente, tiene aproximadamente la capacidad de 3,5 pilas secas. Se ha ido mejorando con el tiempo, y ahora posee mucho menor contenido de metales pesados que en sus comienzos. Se presenta en forma de bastón. • Pilas de botón. Son las que se utilizan en aparatos de muy pequeños o de muy bajo consumo ya que, por su tamaño, éstas tienen poca capacidad. Hay varios tipos: la pila de zinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como pila de mercurio, la pila de óxido de plata, que es la más utilizada, la pila de litio, que es más grande y plana que las otras y mucho más potente y duradera.
¿Qué pilas tienen más capacidad? La capacidad de una pila es la cantidad de energía que ésta puede almacenar. La unidad para medir la capacidad en las pilas suele ser el mAh o mili amperio hora. Si insertamos una pila de 2.000 mAh en un aparato cuyo consumo es de 100 mA, éste podrá funcionar durante 20 horas. Por regla general los acumuladores de LiIon son los que tienen mayor capacidad en relación a su tamaño, por ello se utilizan en ordenadores y teléfonos móviles, que son grandes consumidores de energía. Desgraciadamente no existen en formatos universales, y hay que usar siempre un modelo de acumulador específico para cada aparato. Si hablamos del formato de pila más usado, el AA (el que encontramos en la mayoría de CDs, casetes, radios portátiles y gran parte de juguetes, cámaras de fotos digitales…), la pila alcalina es la que más capacidad tiene, entorno a 2.500 mAh, seguida por el acumulador de NiMH con una capacidad alrededor de 2.000 mAh, y
por último el acumulador de NiCd con 700 mAh aproximadamente. Sin embargo, pese a la aparente (pequeña) ventaja de las pilas alcalinas frente a los acumuladores de NiMH en cuanto a la capacidad, en aparatos que consumen mucha energía, como las cámaras digitales, son los acumuladores de NiMH los que tienen una mayor autonomía, que puede superar en 3 o 4 veces a la de las pilas alcalinas. Esto es debido a que las pilas no soportan un gran flujo de energía, y se agotan con rapidez, por lo que su uso en tales aparatos es totalmente desaconsejable. Los fabricantes de pilas han intentado paliar este problema sacando modelos de pilas que dicen son recomendables para este tipo de aparatos. En general no es del todo así, ya que suelen durar solo un 30% más, pero el incremento de precio es muy grande. Hay un segundo factor que afecta a la capacidad de las pilas y acumuladores y que nos puede ayudar a decidirnos por uno u otro: la auto descarga, o perdida de carga cuando no se usa. Así, los acumuladores de NiCd pierden un 10% en las 24 horas siguientes a su recarga (a temperatura ambiente), y luego un 10% por mes. Además, en situación de temperatura elevada, la auto descarga se duplica cada 10 ºC. El caso de los acumuladores de NiMH es algo peor, ya que su nivel de auto descarga es de un 30% superior a los de NiCd. Los acumuladores de LiIon se comportan mucho mejor, ya que solo pierden un 5% en las primeras 24 horas y luego 1% a 2% al mes, a lo que hay que añadir un 3% que consume el circuito de protección. La conclusión de lo anterior es que no hay un tipo de pila idóneo para todos los usos, aunque sí hay un tipo de acumulador que podemos descartar: el NiCd, por su baja capacidad, su gran efecto memoria y su composición más contaminante. Como norma general, podremos usar ventajosamente los acumuladores de NiMH en prácticamente cualquier tipo de aparato excepto aquellos con un bajísimo consumo de energía, como los mandos a distancia o relojes.
¿Son ecológicas las pilas? (Una pregunta muy importante que todos deberíamos hacernos por lo menos una vez) La fabricación de pilas necesita de un aporte de energía mucho mayor del que generarán éstas durante su utilización. Asimismo, para su producción se utiliza una gran cantidad de materias primas escasas, caras y no renovables como la plata o el platino. La eliminación de estas pilas por incineración o desecho produce la liberación de sus componentes al medio ambiente, con el correspondiente daño para la salud. Entre estos componentes se encuentran varios metales pesados, algunos de ellos reconocidos como extremadamente tóxicos, cancerígenos, mutágenos o alergenos: cadmio, mercurio (usado como conservante), plomo, zinc, níquel,… Desgraciadamente, la mayoría de los usuarios opta por las pilas desechables, que solo en nuestro país suponen 2.500 toneladas anuales
El término acumulador se aplica indistintamente a uno u otro tipo, así como a los capacitores eléctricos o a futuros métodos de acumulación, erigiéndose de este modo como el término neutro capaz de englobar y describir a todos ellos. Johann Wilhelm Ritter construyó su acumulador eléctrico en 1803. Como muchos otros que le siguieron, era un prototipo teórico y experimental, sin posible aplicación práctica. En 1860, Gaston Planté construyó el primer modelo de acumulador de plomo-ácido con pretensiones de ser un aparato utilizable, lo que no era más que muy relativamente, por lo que no tuvo éxito. A finales del siglo XIX, sin embargo, la electricidad se iba convirtiendo rápidamente en artículo cotidiano, y cuando Planté volvió a explicar públicamente las características de su acumulador, en 1879, tuvo una acogida mucho mejor, de modo que comenzó a ser fabricado y utilizado casi inmediatamente, iniciándose un intenso y continuado proceso de desarrollo para perfeccionarlo y soslayar sus deficiencias, proceso que dura hasta nuestros días. En 1899, los científicos suecos Waldmar Jungner y Berg, inventaron el acumulador de níquel-cadmio (Ni-Cd), una batería recargable que tenía electrodos de níquel y cadmio en una disolución de hidróxido de potasio (potasa cáustica, KOH). Se comercializó en Suecia en 1910 y llegó a Estados Unidos en 1946. Thomas Alva Edison patentó en 1903, basado en el trabajo de Junger, otro tipo de acumulador con electrodos de hierro y níquel, cuyo electrólito es la potasa cáustica (KOH). Empezaron a comercializarse en 1908, y son la base de los actuales modelos alcalinos, ya sean recargables o no.
Principales tipos de acumuladores • Níquel-Cadmio (NiCd). Son los acumuladores estándar. Contienen entre 15% y 20% de cadmio y proporcionan una corriente de 1,2 V (menos que las pilas). A pesar de su menor voltaje son adecuados para reemplazar las pilas en la mayoría de los casos. Tienen un efecto memoria importante (pierden eficacia si los recargamos sin estar completamente descargados) y tienen una vida mucho más corta que los NiMH. Sin usarse pierden un 1% de su carga cada día. • Níquel-Metal-Hidruro (NiMh). Tienen una potencia energética entre 20 y 30 % mayor que los de NiCd. El cadmio se ha reemplazado por hidrógeno. Su potencia y longevidad son superiores a los de NiCd, y además no tienen efecto memoria, es decir que podemos recargarlos en cualquier momento sin que se estropeen. Tienen el inconveniente de no soportar temperaturas superiores a 45ºC. Necesitan un cargador especial, no sirven los de NiCd, hay cargadores mixtos que sirven para los 2 tipos de acumuladores pero debe estar indicado expresamente. • Ion-Litio (Li Ion). Son los utilizados por los teléfonos móviles, ordenadores portátiles o cámaras de vídeo. Ofrecen una gran capacidad en relación a su tamaño y peso. Son muy caros y se suelen cargar sin sacar del aparato al que alimentan. • Plomo-ácido. Normalmente utilizadas en automóviles, sus elementos constitutivos son pilas individualmente formadas por un ánodo de plomo, un cátodo de óxido de plomo y ácido sulfúrico como medio electrolítico.
¿Qué es el efecto memoria? Se produce en las baterías NiCd, y ocurre al recargar un acumulador que no se ha agotado suficientemente. Si un acumulador que se ha gastado hasta el 20% de su capacidad se recarga, su capacidad se reducirá a un 80% del valor inicial. Esto se debe a que los cristales de níquel y cadmio se acumulan y crecen, lo que termina por romper el separador aislante y producir altos niveles de autodescarga (la descarga que se produce automáticamente aunque no se usen). Es recomendable el uso de cargadores con función de descarga de los acumuladores antes de recargarlos. Los acumuladores de NiMH y LiIon no tienen cristales por lo que no se produce el efecto memoria, así que podemos recargarlos en cualquier momento sin que pierdan eficacia. Es el caso de las baterías de los ordenadores portátiles y teléfonos móviles.
1. Material activo: Es el material que produce la energía y que se coloca sobre las rejillas. Se requieren dos materiales distintos. Peróxido de plomo es el material activo de la placa positiva y plomo esponjoso es el material activo de la placa negativa. 2. Celda: Es un ensamble de placas positivas y negativas conectadas, con separadores entre ellas, que cuando se sumergen en el electrólito producen una reacción química que resulta en voltaje. 3. Conectores de celda: Conectores de plomo soldados de la terminal negativa de una celda a la terminal positiva de la celda adjunta hasta que todas las celdas queden unidas en serie. Estos conectores que pasan a través de las paredes de la celda, como se muestra en la ilustración reducen el recorrido de la corriente y dan como resultado un mayor voltaje terminal. 4. Caja: El recipiente que contiene y protege todos los componentes internos. Está moldeada de una sola pieza. La caja incluye las paredes de las celdas, así como los descansos de los elementos. 5. Tapa: Generalmente está hecha de una sola pieza. Se adhiere permanentemente a la caja gracias a la fusión en caliente o por medio de una resina epóxica especial, para sellar el acumulador, con casquillos para los postes terminales. 6. Electrólito: Mezcla de ácido sulfúrico y agua. La energía eléctrica se genera por medio de la reacción química entre el material activo de las placas y el ácido sulfúrico en el electrólito. 7. Rejilla: La estructura metálica (o esqueleto) de las placas de acumulador. Sirve como marco para sostener el material activo y conduce el flujo de corriente hacia (carga) y desde (descarga) los materiales activos de las placas negativas y positivas.
8. Placas: Las placas son rejillas con el material activó que producen la energía. Cada acumulador posee dos clases de placas determinadas por el material activo en ellas: Placa Positiva: Rejilla cuyo material activo es peróxido de plomo. Placa Negativa: Rejilla cuyo material activo es plomo esponjoso. 9. Separadores: Hojas delgadas o sobres de material altamente poroso no metálico, que separan las placas positivas y negativas a fin de evitar que hagan contacto entre sí y provoquen un posible corto circuito. 10. Postes Terminales: Después de que se han conectado en serie todas las celdas, los postes terminales positivo y negativo se prolongan a través de la parte superior o lateral del acumulador para permitir la conexión del acumulador al sistema eléctrico del vehículo por medio de cables. 11. Tapones: Los tapones están diseñados especialmente para evitar que se introduzca polvo en la celdas, disipar gases que se forman cuando el acumulador se está cargando, evitar que el electrólito se derrame, evitar la entrada de flamas con una barrera y permitir el acceso a las celdas para llevar a cabo pruebas o agregar agua.
¿Cómo cargar un acumulador y por qué este se descarga? Cuando el acumulador se hace viejo se debilita su carga, lo que dificulta el arranque del motor, el acumulador puede necesitar en ocasiones que se le pase corriente para arrancar. Por lo general pasa en tiempos de frío o cuando el auto recorre distancias cortas. Cuando la carga del acumulador se ha debilitado es muy sencillo sustituirlo por otro, pero con un cargador de bajo costo podrá mantener la carga para que dure semanas, meses y aun periodos más largos. Si la luz de aviso se prende en el tablero o con el motor en marcha, el amperímetro indica descarga del acumulador, quiere decir que en el sístema de carga se encuentra una falla. Póngalo en manos de un experto lo más pronto posible, cargar el acumulador no ayudará en nada. Si no es sellado el acumulador quite los tapones de las celdas y deje un paño húmedo encima de las coberturas mientras dura la recarga.
Si está sellado y tiene en la parte superior un indicador de carga, use el cargador sólo si la mirilla está verde u oscura. Si está transparente o amarillenta, cambie el acumulador. Para cargar el acumulador utilice un cargador lento, aparato relativamente barato, especial para cargar despacio, se puede enchufar a un contacto eléctrico y tiene dos cables con broche de caimán. Uno con camisa roja y el otro con camisa negra o verde, verifique que la llave de la marcha esté apagada y entonces conecte el broche rojo a la terminal positiva (POS o + ) y el otro a la negativa (NEG o -). Cuide que los broches metálicos no se toquen entre sí ni hagan contacto con ninguna superficie metálica. Puede saltar una chispa y hacer explotar los gases de hidrógeno desprendidos por el acumulador, ya conectado el cargador al acumulador, enchúfelo a un contacto eléctrico y préndalo. Manténgalo en funcionamiento por muchas horas o toda la noche, déjelo conectado hasta que la lectura del indicador baje a menos de 1 amperio. Después desenchufe el cargador y para terminar desconéctelo del acumulador, si el acumulador no es sellado, revíselo luego de la carga con un densímetro, instrumento de bajo costo dotado de un flotador, que índica la carga eléctrica del electrolito. Si el acumulador está sellado, pruebe arrancando el motor, si no logra arrancar el motor una vez cargado el acumulador intente hacerlo pasándole corriente. Si arranca y la luz de carga o el amperímetro indican funcionamiento normal, el acumulador no sirve cámbielo.
Ahora trataremos las fuentes dependientes, independientes y las fuentes reales e ideales, empecemos con las ideales Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoría de circuitos para el análisis y la creación de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes electrónicos o circuitos reales. Pueden ser independientes, si sus magnitudes (tensión o corriente) son siempre constantes, o dependientes en el caso de que dependan de otra magnitud (tensión o corriente).
Ahora seguimos con las reales A diferencia de las fuentes ideales, la diferencia de potencial que producen o la corriente que proporcionan las fuentes reales, depende de la carga a la que estén conectadas.
Y por último las fuentes dependientes e independientes Una fuente dependiente ideal (o controlada) es un elemento activo en el que la magnitud de la fuente se controla por medio de otra tensión o corriente.
Y Una fuente independiente ideal es un elemento activo que suministra una tensión o corriente especificada y que es totalmente independiente de los elementos del circuito
Fuentes
Fuentes
Ideales
Reales