¿Cómo funciona un generador de corriente continua?

¿Cómo funciona un generador DC?

Definición de generador DC

Un generador DC es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica directa utilizando el principio de inducción electromagnética.

Ley de Faraday

Esta ley establece que cuando un conductor se mueve en un campo magnético, corta las líneas de fuerza magnética, lo que induce una fuerza electromotriz (FEM) en el conductor.

La magnitud de la FEM inducida depende de la tasa de cambio del enlace de flujo magnético con el conductor. Esta FEM causará un flujo de corriente si el circuito del conductor está cerrado.

Las dos partes más esenciales de un generador son:

• El campo magnético

• Conductores que se mueven dentro de ese campo magnético.

Ahora que entendemos los conceptos básicos, podemos discutir el principio de funcionamiento de un generador DC. También puede resultar útil aprender sobre los tipos de generadores DC.

Operación de un solo bucle

En un generador DC de un solo bucle, la rotación del bucle en un campo magnético induce una FEM, y la dirección de la corriente se determina por la regla de la mano derecha de Fleming.

En la figura anterior, un solo bucle de un conductor de forma rectangular se coloca entre dos polos opuestos de un imán.

Consideremos el bucle rectangular del conductor ABCD, que gira dentro del campo magnético alrededor de su eje ab.

Cuando el bucle gira desde su posición vertical a su posición horizontal, corta las líneas de flujo del campo. Durante este movimiento, dos lados, es decir, AB y CD del bucle cortan las líneas de flujo, por lo que se inducirá una FEM en ambos lados (AB y BC) del bucle.

Al cerrarse el bucle, habrá una corriente circulando a través del mismo. La dirección de la corriente se puede determinar por la regla de la mano derecha de Fleming.

Esta regla dice que si estiras el pulgar, el índice y el dedo medio de tu mano derecha perpendiculares entre sí, entonces el pulgar indica la dirección del movimiento del conductor, el índice indica la dirección del campo magnético, es decir, de polo N a polo S, y el dedo medio indica la dirección del flujo de corriente a través del conductor.

Si aplicamos esta regla de la mano derecha, veremos que en esta posición horizontal del bucle, la corriente fluirá desde el punto A hacia B y, en el otro lado del bucle, la corriente fluirá desde el punto C hacia D.

Si permitimos que el bucle se mueva más, volverá a su posición vertical, pero ahora el lado superior del bucle será CD, y el lado inferior será AB (justo lo contrario de la posición vertical anterior).

En esta posición, el movimiento tangencial de los lados del bucle es paralelo a las líneas de flujo del campo. Por lo tanto, no habrá corte de flujo, y consecuentemente, no habrá corriente en el bucle.

Si el bucle gira más, vuelve a estar en una posición horizontal. Pero ahora, el lado AB del bucle se coloca frente al polo N, y CD se coloca frente al polo S, es decir, justo lo contrario a la posición horizontal anterior, como se muestra en la figura adyacente.

Aquí, el movimiento tangencial del lado del bucle es perpendicular a las líneas de flujo; por lo tanto, la tasa de corte de flujo es máxima aquí, y según la regla de la mano derecha de Fleming, en esta posición la corriente fluye de B a A y, en el otro lado, de D a C.

Si el bucle continúa girando sobre su eje, cada vez que el lado AB se coloca frente al polo S, la corriente fluye de A a B. Cuando se coloca frente al polo N, la corriente fluye de B a A.

De manera similar, cada vez que el lado CD se coloca frente al polo S, la corriente fluye de C a D. Cuando el lado CD se coloca frente al polo N, la corriente fluye de D a C.

Si observamos este fenómeno de manera diferente, podemos concluir que cada vez que un lado del bucle se coloca frente al polo N, la corriente fluirá a través de ese lado en la misma dirección, es decir, hacia abajo respecto al plano de referencia.

De manera similar, cada vez que un lado del bucle se coloca frente al polo S, la corriente a través de él fluirá en la misma dirección, es decir, hacia arriba desde el plano de referencia. A partir de esto, llegaremos al tema del principio de funcionamiento del generador DC.

Ahora, el bucle se abre y se conecta con un anillo divisor, como se muestra en la figura siguiente. Los anillos divisores, hechos de un cilindro conductor, se cortan en dos mitades o segmentos aislados entre sí.

Conectamos los terminales de carga externa con dos cepillos de carbón que descansan sobre estos segmentos de anillos divisores.

Colector y cepillos

Los anillos divisores (colectores) y los cepillos de carbón aseguran que la corriente permanezca unidireccional al invertir las conexiones a medida que el bucle gira.

Posicionamiento de los cepillos

Los cepillos están posicionados de tal manera que la FEM sea cero cuando la bobina está perpendicular al campo magnético, permitiendo un flujo de corriente suave.

Principio de funcionamiento del generador DC

Podemos ver que en la primera mitad de la revolución, la corriente siempre fluye a lo largo de ABLMCD, es decir, el cepillo número 1 en contacto con el segmento a.En la segunda mitad de la revolución, en la figura, la dirección de la corriente inducida en la bobina se invierte. Pero al mismo tiempo, las posiciones de los segmentos a y b también se invierten, lo que resulta en que el cepillo número 1 entra en contacto con el segmento b.

Por lo tanto, la corriente en la resistencia de carga vuelve a fluir de L a M. La forma de onda de la corriente a través del circuito de carga es como se muestra en la figura. Esta corriente es unidireccional.

El contenido anterior es el principio básico de funcionamiento del generador DC, explicado por el modelo de generador de un solo bucle.

Las posiciones de los cepillos del generador DC son tales que el cambio de los segmentos a y b de un cepillo a otro ocurre cuando el plano de la bobina giratoria está en ángulo recto con el plano de las líneas de fuerza. En esa posición, la FEM inducida en la bobina es cero.