2. Maquinaria y utillaje en electricidad. TEMA 7 PEÓN ESPECIALISTA JCCM

Maquinaria y Utillaje en Electricidad

Circuito Eléctrico

Un circuito es un conjunto de materiales eléctricos como conductores y aparatos de diferentes fases o polaridades, alimentados por la misma fuente y protegidos contra sobreintensidades por los mismos dispositivos. Incluye los aparatos de utilización que forman parte de los circuitos o receptores.

Podemos definirlo, de forma general, como el conjunto de cables y mecanismos de protección, maniobra, control, etc., necesarios para que los aparatos funcionen correctamente.

Los cables deben ser de diferentes colores y secciones. En función de la potencia que suministren, su color indicará lo siguiente:

• La fase (L): Puede ser de color negro, marrón o gris. Estos cables llevan la energía. El color gris se empleará únicamente cuando sea necesario identificar tres fases distintas.
• El neutro (N): Es de color azul y actúa como retorno.
• La toma a tierra: Es de color amarillo con una franja verde.

La sección del cableado dependerá del uso que se le va a dar. Para el alumbrado, se utilizará una sección mínima de cable de 1,5 mm² y 10 A.

Cable

En electricidad, un conductor es cualquier material que ofrece poca resistencia al flujo de electricidad. La diferencia entre un conductor y un aislante (que es un mal conductor de electricidad o de calor) es de grado, no de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica.

Para transportar electricidad con mínimas pérdidas, se utilizan metales que, además de ser buenos conductores, sean razonablemente económicos (no como la plata o el oro). Por ello, los principales candidatos son el cobre (Cu) y el aluminio (Al). En la industria, se utilizan gruesos conductores de cobre y, a veces, de aluminio. El cobre utilizado como conductor es un material denominado “cobre electrolítico”, con un 99.92 a 99.96% en peso de cobre. En esta aleación, un 0.03% de oxígeno mejora su densidad y conductividad.

El Real Decreto 842/2002, de 2 de agosto, que aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión, define el cable como el conjunto constituido por:

• Uno o varios conductores aislados.
• Su eventual revestimiento individual.
• La eventual protección del conjunto.
• Uno o varios revestimientos de protección que se dispongan. Puede tener, además, uno o varios conductores no aislados.

Dicho Reglamento contempla los siguientes tipos de cables:

• Cable Blindado con Aislamiento Mineral: Cable aislado por una materia mineral y con una cubierta de protección de cobre, aluminio o una aleación de estos. Estas cubiertas pueden estar protegidas por un revestimiento adecuado.
• Cable con Cubierta Estanca: Cables que disponen de una cubierta interna o externa que proporcionan una protección eficaz contra la penetración de agua.
• Cable Flexible: Cable diseñado para garantizar una conexión deformable en servicio y cuya estructura y elección de materiales cumplen con las exigencias correspondientes.
• Cable Flexible Fijado Permanentemente: Cable flexible de alimentación a un aparato, unido a este de manera que solo se puede desconectar con ayuda de una herramienta.
• Cable Multiconductor: Cable que incluye más de un conductor, algunos de los cuales pueden no estar aislados.
• Cable Unipolar: Cable con un solo conductor aislado.
• Cable con Neutro Concéntrico: Cable con un conductor concéntrico destinado a ser usado como conductor de neutro.

Interruptores

El propósito de un interruptor es permitir la apertura y el cierre de un circuito eléctrico de manera segura y conveniente. Se utilizan en instalaciones eléctricas para controlar manualmente luces, motores y otras cargas. También existen interruptores que se activan automáticamente por luz, calor, presión, movimiento, magnetismo, corriente y otras variables.

Con los interruptores, es posible controlar los circuitos desde varios puntos realizando las combinaciones adecuadas. El encendido y apagado de luminarias debe ser cómodo para los usuarios. Los interruptores deben situarse cerca de las puertas de entrada y en posiciones donde puedan ser encontrados fácilmente, incluso cuando las oficinas o locales estén a oscuras.

Los interruptores son dispositivos de corte con dos posiciones: abierto y cerrado.

Los conmutadores tienen la misma función, pero permiten controlar el circuito desde dos lugares. Para el accionamiento de los circuitos de alumbrado, podemos usar tres tipos de interruptores:

• Interruptor Simple: Se utiliza para interrumpir la corriente en uno o varios receptores monofásicos. Es suficiente abrir el circuito en un solo punto mediante un interruptor unipolar, aunque así no se logra aislar completamente el receptor de la línea, ya que este queda al potencial de la fase no cortada.

• Interruptor Conmutado: Se emplea para que una o varias lámparas puedan apagarse o encenderse desde dos puntos distintos.

• Interruptor de Cruce: Se utiliza para encender o apagar varias lámparas desde tres o más puntos diferentes. Para esta configuración, siempre se utilizan dos interruptores conmutadores, y el resto de los puntos de encendido o apagado se realiza con interruptores de cruce.

Las condiciones que debe cumplir un buen interruptor son las siguientes:

a) Las superficies de las piezas que realizan el contacto eléctrico deben ser lo suficientemente grandes para permitir el paso de la intensidad nominal prevista en el circuito sin causar excesivo calentamiento.

b) El arco eléctrico que se forma al abrir el circuito debe extinguirse lo más rápidamente posible para evitar la formación de un arco permanente, que de otro modo destruiría rápidamente los contactos.

La primera condición se logra dimensionando adecuadamente la superficie de las piezas de contacto, asegurando que sean lo más perfectas posible y manteniendo una cierta presión entre ellas. Así, se puede decir que la intensidad nominal que puede circular por los contactos de un interruptor es directamente proporcional a la superficie de los contactos y a la presión ejercida sobre ellos.

La rápida extinción del arco se consigue fácilmente cuando la tensión e intensidad nominal del interruptor son bajas. Sin embargo, en interruptores para altas tensiones e intensidades, la dificultad de extinguir el arco aumenta significativamente con estas dos variables.

Conmutadores y Pulsadores

Conmutadores

Un conmutador realiza la misma función que un interruptor cuando se desea controlar el circuito desde dos lugares diferentes. Los conmutadores son dispositivos que interrumpen un circuito para establecer contactos con otra parte del mismo a través de un mecanismo interno que dispone de dos posiciones: conexión y desconexión. Tienen tres bornes de conexión, cada uno con diferentes funciones según su posición en el circuito.

Pulsador

El pulsador es un tipo especial de interruptor que solo cierra el circuito mientras se mantiene la presión (normalmente con el dedo) sobre el mecanismo de accionamiento. Una vez cesa la presión, el contacto se interrumpe.

Base de enchufe

Estos dispositivos, con dos o tres orificios para la conexión eléctrica, son los encargados de suministrar los 220 voltios de la red eléctrica a los diferentes electrodomésticos y aparatos en el hogar y edificios. En ellos se pueden conectar desde una computadora hasta una lavadora.

Las bases de enchufe o tomas de corriente, independientemente de la disposición de las clavijas de la base, pueden ser de cuatro tipos: empotradas, de superficie, estancas y aéreas.

Las bases de enchufe no están estandarizadas de manera única; su forma y disposición de los conectores varían según el país. En España se utiliza el tipo F, una toma bipolar con toma de tierra (tripolar), comúnmente conocida como Schuko (“contacto de seguridad”). Consta de dos agujeros verticales y paralelos sobre el mismo plano, además de dos enganches en el eje vertical para hacer contacto con la toma de tierra. Sus características incluyen:

• Amperaje nominal de 16A.
• Voltaje nominal de 220V – 240V.
• Conexión a tierra.
• Compatible con enchufes tipo C, E y F.

Las tomas de corriente pueden ser bipolares (fase y neutro) o tripolares (fase, neutro y tierra), es decir, con alojamientos para recibir dos o tres espigas. Las bipolares no tienen conexión a tierra y se utilizan principalmente en elementos de alumbrado y aparatos de baja tensión. Todos los aparatos que requieran conexión a tierra deben conectarse a bases tripolares. Este tipo de bases es obligatorio en lugares con mucha humedad, como cocinas, garajes e incluso bodegas.

A diferencia de otros mecanismos y receptores, las bases de enchufe siempre se conectan en paralelo entre sí o con la red eléctrica. Esto es lógico porque, como ocurre en los circuitos en serie, los receptores dependen unos de otros para su funcionamiento. Por tanto, no tendría sentido tener que encender la computadora para que funcione la televisión.

La toma de tierra en la base de los enchufes

Se puede observar que muchas bases de enchufe tienen un orificio central o, en su defecto, unas láminas metálicas que sobresalen desde el interior. En ambos casos, esta conexión permite unir eléctricamente la clavija del electrodoméstico o aparato con el conductor de toma de tierra (cuyo aislamiento es amarillo-verde). A este conductor, según el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, se le denomina conductor de protección y se identifica con la abreviatura PE.

Enchufes

Es un dispositivo que consta de dos, tres o cuatro clavijas (si es trifásico) y que se encaja con la base de enchufe cuando se desea establecer una conexión eléctrica, como se muestra en la figura. Son los responsables de suministrar los 220 voltios de la red eléctrica a los diferentes electrodomésticos y aparatos que existen en el hogar y en los edificios. Estos dispositivos o elementos vienen integrados en los receptores.

En electricidad, una caja empotrable está destinada a alojar interruptores, bases, etc. Si no está empotrada y va atornillada, se denomina zócalo.

Caja de empalmes de conexiones

Las conexiones entre conductores se realizarán en el interior de cajas adecuadas de material aislante y no propagador de la llama. Si son metálicas, estarán protegidas contra la corrosión. Las dimensiones de estas cajas deben ser lo suficientemente grandes para alojar cómodamente todos los conductores que deban contener. En ningún caso se permitirá la unión de conductores mediante empalmes o derivaciones por simple retorcimiento o arrollamiento de los conductores entre sí. Las uniones deben realizarse siempre utilizando bornes de conexión montados individualmente o en bloques o regletas de conexión. También se puede permitir el uso de bridas de conexión. El retorcimiento o arrollamiento de conductores no se refiere a aquellos casos en los que se utilice un dispositivo conector que asegure una correcta unión entre los conductores, incluso si hay un retorcimiento parcial de los mismos y la posibilidad de que puedan desmontarse fácilmente.

Bornes de conexión o clemas

Son elementos de unión que, mediante tornillos o presión, unen los conductores eléctricos.

Cinta aislante

Contadores

La Unión Técnica de Electricidad clasifica los materiales aislantes eléctricos según las temperaturas máximas de trabajo:

Contador

Dispositivo que mide la energía consumida (activa o reactiva). Puede pertenecer al cliente (consumidor) o a la empresa suministradora (compañía eléctrica).

Contador eléctrico de energía activa

Dispositivo diseñado para medir la energía activa consumida en una instalación. Puede ser propiedad de la empresa eléctrica o del usuario. La energía se mide en kWh.

Contador eléctrico de energía reactiva

Dispositivo destinado a medir la energía reactiva consumida en una instalación. Esta energía se mide en kVA.

Contador de tarifa múltiple

Dispositivo con varios totalizadores que puede discriminar consumos en diferentes períodos (horas del día, días del año, etc.). Requiere la instalación de un reloj.

Lámparas

Las lámparas incandescentes son posiblemente las más utilizadas en instalaciones de interior. Su economía y fácil instalación las han hecho muy populares desde los primeros tiempos de la electricidad, pero no se puede decir que sean las que mejor luz emiten ni las de mayor rendimiento. Por este motivo, cuando las necesidades de la instalación lo requieren, es necesario instalar otros tipos de lámparas más adecuadas.

En esta sección se conocerán varios tipos de lámparas y el equipo necesario para su encendido.

Para que una lámpara funcione en condiciones óptimas, se debe aplicar la tensión adecuada. Si el valor de la red es superior al de la lámpara, el filamento se destruirá irremediablemente. Por el contrario, si la tensión es baja, la lámpara no emitirá la luz para la cual está diseñada.

La potencia en vatios está relacionada con el flujo luminoso de la lámpara. A mayor potencia, más luz, pero también un mayor consumo de energía.

En el mercado existen lámparas incandescentes con múltiples formas y tamaños. En la mayoría de los casos, esta característica es meramente estética.

Para su conexión a la red, estas lámparas solo necesitan un portalámparas, con la rosca y el tamaño adecuados para el casquillo. Si se observa la parte superior de la ampolla de una bombilla, se verá serigrafiada la tensión de trabajo en voltios y la potencia en vatios (en el mercado se pueden encontrar lámparas de 15W, 25W, 40W, 60W, 75W, 100W, 150W y 200W).

Lámparas Halógenas

Las lámparas halógenas son lámparas incandescentes a las que se les ha añadido un compuesto gaseoso basado en halógenos (cloro, bromo o yodo) en el interior de la ampolla. Este gas evita que la ampolla se ennegrezca con el tiempo, prolongando su vida útil y manteniendo su luminosidad.

Se fabrican en un tamaño más pequeño para alcanzar las altas temperaturas necesarias para su óptimo funcionamiento. En el mercado, existen lámparas que se pueden conectar directamente a la red eléctrica, pero en el ámbito doméstico son muy comunes las que operan a tensiones reducidas (12V). Por lo tanto, estos elementos necesitan un transformador para adaptar la tensión de la red a la tensión de la lámpara.

Lámparas de descarga

Las lámparas de descarga funcionan mediante el establecimiento de una corriente eléctrica en un tubo, a través de un gas y entre dos electrodos a los que se les aplica una cierta tensión. Los electrones de esta corriente liberan energía en forma de luz. Este tipo de luz es ultravioleta, es decir, invisible para el ojo humano. Por ello, las paredes del tubo están recubiertas con un material fluorescente, que convierte la luz en visible.

Existen numerosos tipos de lámparas de descarga, que pueden presentarse en formato de tubo o bombilla. Entre las más comunes están las fluorescentes, las de vapor de mercurio y las de luz mixta.

Lámparas de vapor de mercurio

Estas lámparas son muy utilizadas en iluminación exterior, como el alumbrado público, y se presentan en formato de bombilla, normalmente con casquillos roscados E27 o E40, y requieren de una reactancia para su funcionamiento. En la figura siguiente se muestra una lámpara de vapor de mercurio.

El tubo de descarga se encuentra dentro de la ampolla. No tienen cebador, pero utilizan un electrodo auxiliar para el arranque de la lámpara. Si la lámpara se apaga, es necesario dejarla enfriar antes de volver a encenderla.

Lámparas de luz mixta

Estas lámparas combinan una lámpara de vapor de mercurio y una incandescente, por lo que tienen tanto un tubo de descarga como un filamento.

Las lámparas de luz mixta no requieren de una reactancia porque el filamento se encarga de limitar la corriente del tubo. Su conexión es igual a la de una lámpara incandescente y su apariencia externa es similar a la de una lámpara de vapor de mercurio.

Lámparas de bajo consumo

También conocidas como lámparas compactas o ahorradoras, estas lámparas tienen las características de las lámparas fluorescentes convencionales, como una alta eficiencia luminosa y una larga vida útil.

En realidad, son pequeños fluorescentes “plegados varias veces” y pueden incorporar en su base el arrancador y el circuito electrónico, teniendo un casquillo como el de las bombillas incandescentes o con patillas. Son un poco más grandes que las lámparas incandescentes, pero tienen un rendimiento lumínico excepcional.

Por esta razón, estas lámparas se pueden colocar en portalámparas normales o de patillas (de 2 o 4). Aunque son más caras, su ventaja es que duran lo mismo que 8 bombillas normales y consumen solo el 20% de energía comparado con las incandescentes. Esto demuestra que estas lámparas se amortizan completamente en el primer tercio de su vida útil.

En resumen, podemos decir que este tipo de iluminación:

• Son caras.
• Se amortizan rápidamente.
• Consumen poca energía.

Su principal inconveniente es que no alcanzan el nivel de iluminación nominal hasta después de unos minutos.

Lámparas de LED

Actualmente, gracias a los avances en el campo de la energía, las bombillas LED (diodo emisor de luz) ofrecen ventajas en el ahorro energético.

Las bombillas LED se caracterizan por su larga duración y bajo consumo. De hecho, se estima que tienen una vida útil aproximada de 70,000 horas, lo que puede equivaler a unos 50 años.

La gran diferencia entre las bombillas LED y las de bajo consumo es que las LED no contienen elementos tóxicos y alcanzan el 100% de su rendimiento desde el momento en que se encienden, por lo que son más eficientes. Las bombillas de bajo consumo deben ser recicladas como residuos peligrosos, un hecho que muchas personas desconocen.

Además, su funcionamiento implica una reducción significativa de la emisión de calor, ya que las bombillas LED transforman hasta el 98% de su energía en luz y solo un 2% en calor.

Bombillas

La vida útil promedio de una bombilla estándar se sitúa entre las 900 y 1000 horas. Si observamos que la duración media de las bombillas en una instalación está por debajo de esta cifra, seguramente hay algún problema:

• Uso de demasiados vatios en una lámpara pequeña o cerrada, lo que provoca que la bombilla genere mucho calor.
• Luces empotradas que no tienen una adecuada refrigeración.
• Problemas de vibración.
• Bombillas situadas en lugares con mucho tránsito, como escaleras o cerca de puertas.
• Problemas de sobrevoltaje (es recomendable verificarlo con un polímetro).
• Chisporroteo continuo, que puede ser causado por un casquillo viejo o dañado, o por una mala conexión.

Circuitos de alumbrado fluorescente

Fluorescente

La iluminación de espacios interiores tiene como objetivo conseguir niveles adecuados de iluminación según el área que se quiera iluminar. No es lo mismo iluminar garajes que zonas de oficinas. El alumbrado más utilizado en edificios administrativos suele ser a través de lámparas fluorescentes.

Estas lámparas son de vapor de mercurio a baja presión y están formadas por un tubo de diámetro normalizado, generalmente cilíndrico, cerrado en cada extremo con un casquillo que tiene dos contactos donde se alojan los electrodos.

Los fluorescentes pueden tener diversas formas (recto, redondo u otras). El más común en edificios administrativos, oficinas y lugares de trabajo es el de forma recta debido a varios motivos, entre ellos:

• Su alta eficacia luminosa.
• Su larga duración.

La iluminación con fluorescentes consume aproximadamente una cuarta parte de lo que consume la iluminación incandescente para lograr el mismo nivel de luz.

Los fluorescentes apenas se calientan cuando están en funcionamiento, por lo que también se conocen como “luz fría”.

El fluorescente se enciende mediante una descarga, lo que supone un gasto extra de energía y un desgaste del recubrimiento interior de la luminaria. Si se enciende a diario dos veces, su vida útil se reduce en un 25%. Para alcanzar la duración indicada por los fabricantes, deben estar encendidos de forma continua por más de tres horas.

Cuanto más tiempo permanezcan encendidos, menos energía consumen en comparación con las bombillas incandescentes. En el alumbrado fluorescente no es recomendable encender y apagar frecuentemente. Si van a estar apagados por menos de 15 minutos, es mejor dejarlos encendidos.

Para que los fluorescentes emitan la luminosidad adecuada, deben situarse en un local con una temperatura entre 20 y 25 °C y una altura de 2 metros.

Los fluorescentes trabajan con poca potencia, ya que casi toda la energía consumida se convierte en luz, o al menos gran parte de ella. En términos de luminosidad, su eficacia puede llegar a 90 lúmenes por vatio, mientras que las incandescentes rinden 15 y las halógenas entre 25 y 30 lúmenes por vatio.

Tienen una larga duración, con una media de 9000 horas.

Existen en diferentes potencias y longitudes, y también en diferentes tonalidades de luz, entre ellas:

• Blanco cálido.
• Blanco frío.
• Luz de día.

Fallas por agotamiento: adquieren un color azulado-grisáceo cuando están llegando al final de su vida útil, lo cual es poco atractivo. Por tanto, si una lámpara tiene dos fluorescentes juntos, es mejor reemplazarlos al mismo tiempo. Si se cambia solo uno, habrá una diferencia de color notable y molesta.

Esto se debe a la depreciación del flujo provocada por la pérdida de eficacia de los polvos fluorescentes y al ennegrecimiento de las paredes del tubo.

El funcionamiento de una lámpara fluorescente convencional requiere una reactancia, un condensador compensador y un cebador. La conexión eléctrica es muy sencilla, ya que estos elementos están montados en el cuerpo de la lámpara.

Cuando las lámparas fluorescentes continúan parpadeando después de encenderse y no proporcionan una buena calidad de luz, esto puede deberse a que el tubo está desgastado o el cebador está agotado, y se debe reemplazar el componente defectuoso. Los tubos fluorescentes vienen en diferentes tamaños y diámetros. Su forma puede ser:

• Recta.
• En U.
• En aro.

Los diámetros disponibles son:

• 38 mm (estos eran los usados hace años).
• 26 mm (el diámetro común).
• 16 mm.
• 7 mm (para iluminación artística).

Cuando cambiemos un tubo fluorescente viejo, nunca debemos romperlo ni tirarlo en el cubo de basura, ya que contiene vapores de mercurio que pueden filtrarse. Es necesario depositarlos en contenedores para residuos especiales.

En los últimos años, han aparecido lámparas fluorescentes compactas que incorporan el balasto (en lugar de la reactancia) y el cebador. Estas lámparas tienen casquillos de rosca o de bayoneta y están diseñadas para reemplazar las bombillas, ya que permiten grandes ahorros de energía.

Los balastos electrónicos en estos tubos están integrados en la clavija de contacto.

Cebador

El cebador es un interruptor térmico y consiste en una pequeña ampolla de vidrio llena de gas argón a baja presión, con dos electrodos en su interior. Uno o ambos electrodos son laminillas con diferentes coeficientes de dilatación que, por efecto del calor, pueden doblarse ligeramente y están muy próximos entre sí. El cebador se encarga de encender el fluorescente.

Reactancias

Las funciones que debe cumplir una reactancia al poner en funcionamiento un tubo fluorescente son:

• Proporcionar la corriente de arranque o precalentamiento de los filamentos para lograr la emisión inicial de electrones.
• Suministrar la tensión de salida en vacío suficiente para hacer saltar el arco en el interior de la lámpara.
• Limitar la corriente en la lámpara a los valores adecuados para un correcto funcionamiento.

Existen dispositivos llamados balastros (reactancia + condensador + arrancador), que estabilizan la descarga en el interior del tubo, mejorando la eficacia luminosa de las lámparas fluorescentes en comparación con las reactancias.

Los balastros electrónicos están disponibles para lámparas estándar con tubos de 26 mm y 16 mm. Las ventajas de los balastros frente a las reactancias son claras: ahorran alrededor de un 25% de energía y aumentan la vida útil de las lámparas fluorescentes en un 50%. Además, las lámparas se encienden como una bombilla, evitando el molesto parpadeo típico de las fluorescentes.