Desde el análisis de circuitos para tontos
Por John Santiago
Al realizar el análisis de circuitos, es necesario conocer algunas leyes esenciales, magnitudes eléctricas, relaciones y teoremas. La ley de Ohm es una ecuación clave del dispositivo que relaciona la corriente, el voltaje y la resistencia. Usando las leyes de Kirchhoff, se puede simplificar una red de resistencias usando una sola resistencia equivalente. También puede hacer el mismo tipo de cálculo para obtener la capacitancia e inductancia equivalente para una red de condensadores o inductores. Para circuitos más complicados, las técnicas de análisis de tensión de nodos y de corriente de malla son muy útiles. Y cuando quiera probar diferentes cargas para un circuito fuente en particular, puede utilizar el equivalente de Thévenin o Norton.
Indice
Tres leyes esenciales para trabajar con circuitos
En el nivel más básico, el análisis de circuitos implica calcular la corriente y el voltaje para un dispositivo en particular. Ahí es donde entran en juego las ecuaciones de dispositivos y conexiones. Las ecuaciones de los dispositivos describen la relación entre el voltaje y la corriente para un dispositivo específico. Una de las ecuaciones más importantes del dispositivo es la ley de Ohm, que relaciona la corriente (I) y el voltaje (V) usando resistencia (R), donde R es una constante: V = IR o I = V/R o R = V/I.
Las dos ecuaciones de conexión que necesita conocer son la ley actual de Kirchhoff (KCL) y la ley de tensión de Kirchhoff (KVL):
- La ley actual de Kirchhoff: Suma de corrientes entrantes = Suma de corrientes salientes en un nodo
- La ley de voltaje de Kirchhoff: Suma de las subidas de tensión = Suma de las caídas de tensión alrededor de un circuito cerrado
Cantidades eléctricas y unidades de medida
Ciertas cantidades, relaciones y unidades eléctricas son críticas para saber cuándo se está analizando y caracterizando el comportamiento de los circuitos. La siguiente tabla puede ayudarle a mantener esta información correcta.
Resistencia, capacitancia e inductancia equivalentes
Cuando se analizan circuitos, se pueden simplificar las redes que consisten sólo de resistencias, condensadores o inductores, sustituyéndolos por un dispositivo equivalente. Las siguientes ecuaciones muestran series equivalentes y conexiones en paralelo para combinaciones de sólo resistencia, sólo condensador y sólo inductor.
Métodos de análisis para circuitos complejos
Cuando se trata de circuitos complicados, como circuitos con muchos bucles y muchos nodos, puede utilizar algunos trucos para simplificar el análisis. Las siguientes técnicas de análisis de circuitos son útiles cuando se desea encontrar el voltaje o la corriente para un dispositivo específico. También son útiles cuando tiene muchos dispositivos conectados en paralelo o en serie, dispositivos que forman bucles o varios dispositivos conectados a un nodo en particular.
- Análisis de nodos y tensiones: Los nodos son puntos particulares en un circuito. Cuando muchos dispositivos están conectados a un punto en particular, se puede hacer de este nodo un nodo de referencia y pensar que tiene una tensión de 0 V. Luego se utiliza como punto de referencia para medir la tensión de un nodo en particular. Después de encontrar los voltajes del nodo, se usan las relaciones corriente-voltaje (i-v) como la ley de Ohm para encontrar las corrientes del dispositivo y se usan los voltajes del nodo para encontrar los voltajes del dispositivo.
- Análisis de corriente de malla: Una malla es un bucle sin dispositivos encerrados en el bucle, donde los límites de la malla son los dispositivos que forman el bucle. el análisis de la corriente de la malla permite encontrar corrientes de malla desconocidas en un circuito utilizando la ley de voltaje de Kirchhoff (KVL). Las ecuaciones de malla son ecuaciones KVL con corrientes de malla desconocidas como variables. Después de encontrar las corrientes de malla, se utilizan las relaciones i-v para encontrar los voltajes del dispositivo.
- Superposición: Para circuitos lineales con fuentes independientes, puede utilizar la superposición para encontrar la salida de tensión y corriente de un dispositivo en particular. La superposición implica encender las fuentes una a la vez mientras se apagan las otras fuentes. Se apaga una fuente de corriente sustituyéndola por un circuito abierto, y se apaga una fuente de tensión sustituyéndola por un cortocircuito. Para obtener el resultado total, se calcula la suma algebraica de las contribuciones individuales debidas a cada fuente.
- Equivalentes de Thévenin/Norton: El análisis de circuitos puede resultar tedioso cuando se prueban diferentes cargas con el mismo circuito fuente. El teorema de Thévenin dice que se puede reemplazar una red lineal de fuentes y resistencias entre dos terminales con una fuente de voltaje independiente (VT) en serie con una resistencia (RT), y el teorema de Norton dice que se puede reemplazar la red lineal de fuentes y resistencias con una fuente de corriente independiente (IN) en paralelo con una resistencia (RN) – vea la siguiente figura. Los circuitos equivalentes se mantendrán para todas las cargas (incluidas las cargas de circuito abierto y de cortocircuito) si tienen las mismas relaciones de tensión y corriente entre los bornes, para encontrar el equivalente de Thévenin o Norton es necesario calcular las siguientes variables: VT= VOC, IN= ISC, y RT = RN= VOC/ISC (donde T significa Thévenin, OC significa una carga de circuito abierto, Norton significa Norton, y SC significa una carga de cortocircuito) Cuando se desea analizar diferentes cargas conectadas en serie con el circuito de la fuente, el equivalente de Thévenin es útil; cuando las cargas se conectan en paralelo con el circuito de la fuente, el equivalente de Norton es una mejor opción. Los dos equivalentes están relacionados entre sí por una transformación de la fuente.