Circuito
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Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como resistencias, inductores, Condensador, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores), y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.
Sumario
Partes
- Componente: Un dispositivo con dos o más terminales que puede fluir carga dentro de él. En la figura 1 se ven 9 componentes entre resistores y fuentes.
- Nodo: Punto de un circuito donde concurren varios conductores distintos. A, B, D, E son nodos. Nótese que C no es considerado como un nodo puesto que es el mismo nodo A al no existir entre ellos diferencia de potencial o tener tensión 0 (VA - VC = 0).
- Rama: Conjunto de todos los elementos de un circuito comprendidos entre dos nodos consecutivos. En la figura 1 se hallan siete ramales: AB por la fuente, AB por R1, AD, AE, BD, BE y DE. Obviamente, por un ramal sólo puede circular una corriente.
- Malla: Un grupo de ramas que están unidas en una red y que a su vez forman un lazo.
- Fuente: Componente que se encarga de transformar algún tipo de energía en energía eléctrica. En el circuito de la figura 1 hay tres fuentes, una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y E2.
- Conductor: Comúnmente llamado cable; es un hilo de resistencia despreciable (idealmente cero) que une los elementos para formar el circuito.
Leyes fundamentales
Existen unas leyes fundamentales que rigen a cualquier circuito eléctrico. Estas son:
- Leyes de Kirchhoff: Si un circuito tiene un número de derivaciones interconectadas, es necesario aplicar otras dos leyes para obtener el flujo de corriente que recorre las distintas derivaciones. Estas leyes, descubiertas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, son conocidas como las leyes de Kirchhoff. La primera, la ley de los nudos, enuncia que en cualquier unión en un circuito a través del cual fluye una corriente constante, la suma de las intensidades que llegan a un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen del mismo. La segunda ley, la ley de las mallas afirma que, comenzando por cualquier punto de una red y siguiendo cualquier trayecto cerrado de vuelta al punto inicial, la suma neta de las fuerzas electromotrices halladas será igual a la suma neta de los productos de las resistencias halladas y de las intensidades que fluyen a través de ellas. Esta segunda ley es sencillamente una ampliación de la ley de Ohm.
- Ley de Ohm: La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. La ley básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm. Según la misma, la cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. Esta ley suele expresarse mediante la fórmula I = V/R, siendo I la intensidad de corriente en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R la resistencia en ohmios. La ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancias. Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula: Req = 1/{(1/R1)+(1/R2)+(1/R3)...+(1/Rn)}
En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad, en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las resistencias implicadas. En los circuitos de CA, o circuitos de corrientes variables, deben considerarse otros componentes del circuito además de la resistencia.
- Teorema de Norton: Cualquier red que tenga una fuente de tensión o de corriente y al menos una resistencia es equivalente a una fuente ideal de corriente en paralelo con una resistencia.
- Teorema de Thévenin: Cualquier red que tenga una fuente de tensión o de corriente y al menos una resistencia es equivalente a una fuente ideal de tensión en serie con una resistencia.
- Teorema de Superposición:Consiste en conocer la influencia de una de las fuentes - estimulo del circuito en una tensión o corriente - respuesta en otra parte del circuito.
Si el circuito eléctrico tiene componentes no lineales y reactivos, pueden necesitarse otras leyes mucho más complejas. Al aplicar estas leyes o teoremas se producirán un sistema de ecuaciones lineales que pueden ser resueltas manualmente o por computadora.
Análisis del circuito
Consiste en determinar las tensiones y corrientes (respuestas) dadas la configuración del circuito, los valores de todos sus elementos y las tensiones y/o corrientes de las fuentes (estímulos) que actúan en el circuito, es decir, hallar las respuestas del circuito a los estímulos aplicados. Un procedimiento muy útil en el análisis de circuitos es simplificar el circuito al reducir su número de componentes. Esto se puede hacer al reemplazar los componentes actuales con otros componentes mucho más sencillos y que produzcan el mismo efecto. Una técnica particular podría reducir directamente el número de componentes, por ejemplo al combinar las resistencias en serie. Por otro lado, se podría simplemente cambiar la forma en que está conectado un componente para posteriormente reducir el circuito de una manera más fácil. Por ejemplo, Se podría transformar una fuente de tensión por una fuente de corriente usando el teorema de Norton para que después se pueda combinar la resistencia interna de la fuente con las resistencias en paralelo de un circuito. En muchas oportunidades resulta cómodo utilizar un recurso denominado “divisor de tensión” el cual puede obtenerse suponiendo que necesitamos conocer la tensión en cualquiera de los resistores de la asociación serie ó el “divisor de corriente” suponiendo que necesitamos conocer la corriente en cualquiera de los resistores asociados en paralelo. Para resolver el problema de análisis de circuito existen diversos métodos, todos ellos basados en las leyes de Kirchhoff. Estas leyes constituyen el cimiento fundamental sobre el cual se construye la teoría de redes y permiten describir las relaciones entre las corrientes y las tensiones en un circuito de cualquier complejidad, formado por elementos lineales y no lineales, en cualquier estado y con fuentes de cualquier forma de onda.
Métodos
- El Método de las Corrientes de Malla (MCM), este consiste en la introducción de incógnitas intermedias en forma de corrientes ficticias que supuestamente circulan por las mallas escogidas previamente. Las mallas se seleccionan de manera tal que cada una de ellas contenga al menos una rama no incluida en las restantes mallas y procurando que todas las ramas del circuito estén comprendidas en la selección de mallas
- El Método de las Tensiones de Nodo (MTN) llamado también Método Nodal, al igual que el MCM puede aplicarse en esquemas de circuitos lineales de cualquier configuración. Consiste en aprovechar el hecho de que conociendo la tensión de todos los nodos respecto a una referencia común, es factible, aplicando las leyes de Kirchhoff o la Ley de Ohm en sus formas más elementales, determinar las corrientes por todas las ramas del circuito.
Elegir el método o teorema adecuado necesita de un poco de experiencia. Si el circuito es muy sencillo y solo se necesita calcular una tensión o una corriente entonces aplicando alguno de los dos métodos de redes simples podría resolverlo sin requerir a métodos más complicados. En todos los casos es necesario tener unos conocimientos matemáticos básicos en geometría, resolución de sistemas de ecuaciones lineales, aritmética de números complejos y cálculo diferencial e integral. También es importante conocer los conceptos eléctricos de carga, potencial, campo electromagnético, corriente, energía y potencia.
Véase también
- Circuitos de corriente directa: Son aquellos circuitos donde la corriente mantiene su magnitud a lo largo del tiempo.
- Circuitos de corriente alterna: Son aquellos circuitos donde varía cíclicamente la corriente eléctrica.
- Circuito digital: Circuitos que trabajan con señales digitales como los computadores, los controladores lógicos programables, los relojes electrónicos, entre otros.
- Circuito serie: Circuito conectado secuencialmente.
- Circuito paralelo: Circuito donde todos los componentes coinciden entre sus terminales.
- Circuito integrado: Pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos.
- Circuitos de señal mixta: Contienen componentes analógicos y digitales. Los conversores analógico-digital y los conversores digital-analógico son los principales ejemplos.
- Circuitos de primer orden: Son aquellos que contienen solo un elemento que almacena energía.
- Diagrama electrónico: Representación pictórica de un circuito.
