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Los circuitos fueron uno de los inventos más grandes de la última era. Esto permitió que el alcance tecnológico existente creciera en gran cantidad, abriendo las puertas para nuevos aparatos y sistemas que facilitaron la vida humana. Por esta razón, cada vez se crean nuevos sistemas en los circuitos mejorando los procesos existentes. Los profesionales relacionados con esta área han optado por especializarse en este campo, dando respuesta a las necesidades y mejorando la vida humana. El análisis de circuitos nace aquí, dando pronta respuesta a la creación y diseño de estos sistemas con base en su función.
Circuitos serie-paralelo
Asociación de resistencias en serie y paralelo
Existen tres tipos de asociaciones de resistencias: asociación en serie, asociación en paralelo y asociación mixta, esta última incluye las dos anteriores. En una configuración en serie, los terminales de los dispositivos se conectan sucesivamente, es decir, el terminal de salida de uno se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente. La resistencia total de una asociación de resistencias en serie, es la suma de los niveles de resistencia.
Por otro lado, dos elementos, ramas o circuitos, están en paralelo si tienen dos puntos en común. Es importante destacar que, para los circuitos en serie, la corriente es la misma en cualquier parte del circuito, y el voltaje en cada elemento en serie es diferente. Por otro lado, en las redes en paralelo, el voltaje en todos los elementos es el mismo, y las corrientes a través de los elementos son diferentes.
Reglas del divisor de voltaje y de corriente
La regla del divisor de voltaje da la posibilidad de, en un único paso, determinar el voltaje en cualquier resistencia en serie, sin necesidad de calcular previamente la corriente. En cualquier resistor, la caída de voltaje se calcula a partir de la ecuación. La regla del divisor de corriente permite hallar cuánto de la corriente que entra en un nodo, se divide entre los resistores en paralelo que están conectados a ese nodo.
Introducción a las leyes de Kirchhoff
Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), fue un físico alemán que hizo varias contribuciones a la ciencia, entre ellas, está la invención del espectroscopio. Su colaboración con Robert Bunsen contribuyó al descubrimiento de los elementos químicos rubidio y cesio a partir de métodos espectrales. Sus aportes científicos se centraron, entre otros, en la espectroscopia, la óptica y en los campos de los circuitos eléctricos.
También realizó investigaciones sobre la conducción del calor, los espectros del Sol y estrellas y demostró la relación que existe entre la emisión y la absorción de la luz por los cuerpos incandescentes. En 1845, decidió formular dos leyes generales que rigen el comportamiento de un circuito eléctrico, estas leyes relacionan a la corriente con el voltaje en un circuito con dos o más resistores.
Estas leyes son las nombradas Leyes de Kirchhoff y se apoyan en la conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos. Kirchhoff se basó en la teoría del Georg Simon Ohm, dicha teoría establece que la tensión que origina el paso de una corriente eléctrica es proporcional a la intensidad de la corriente. Las Leyes de Kirchhoff son aplicables al cálculo de tensiones, intensidades y resistencias en una malla eléctrica y son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para obtener los valores de la intensidad de corriente en las ramas de un circuito eléctrico y del potencial eléctrico en cada punto del circuito.
Estas leyes contribuyeron de forma determinante para el desarrollo de la ingeniería eléctrica y electrónica, y junto con la ley de Ohm estudiada anteriormente, constituyen la base del análisis de circuitos.
Leyes de Kirchhoff. Ley de las corrientes: análisis nodal
La teoría de circuitos eléctricos está basada en las leyes de Kirchhoff. Estas leyes son consecuencia inmediata de leyes físicas. La primera ley, conocida también como ley de las corrientes de Kirchhoff se fundamenta en el principio de conservación de la carga, que proviene de las leyes de Maxwell. La ley de las corrientes de Kirchhoff se aplica a los nodos de una red y enuncia que la suma de las intensidades que entran en cada nodo es igual a la suma de las intensidades que salen de él.
Asimismo, se enuncia de la siguiente manera, como propone Jesús Fraile Mora “en cualquier instante de tiempo, la suma algebraica de todas las corrientes que entran en un nodo es igual a cero” (p33). Esta ley además, puede aplicarse no solo a nodos sino a cualquier región cerrada. Se debe asignar siempre el signo negativo a las corrientes que salen del nodo, y asignar el signo positivo a las corrientes que entran en el nodo.
Leyes de Kirchhoff. Ley de las tensiones: análisis por mallas
La segunda ley de Kirchhoff es una consecuencia inmediata del principio de conservación de la energía. También se denomina ley de las tensiones y es aplicable a los lazos o mallas de una red. Según el principio de conservación de la energía, la energía perdida por la carga al efectuar un recorrido cerrado, deberá ser igual a la energía ganada por la misma.
La segunda Ley de Kirchhoff presenta que “en cualquier instante de tiempo, la suma algebraica de todas las tensiones a lo largo de un camino cerrado es igual a cero”. Se debe tener en cuenta el signo de la tensión. Una tensión en un elemento se toma con signo positivo cuando al recorrer el circuito se va de positivo a negativo, es decir de mayor a menor potencial, y se toma con signo negativo cuando se va de negativo a positivo, es decir de menor a mayor potencial.
Teorema de superposición
El teorema de superposición se considera como uno de los más poderosos, y con una amplia aplicación; por ejemplo, para estudiar redes con dos o más fuentes que no están en serie o en paralelo, y para dejar ver el efecto de cada fuente. Para fuentes de diferentes tipos que afectan los parámetros de la red de una manera diferente (fuentes de corriente directa y corriente alterna) también se utiliza el teorema de superposición.
En este apartado se va a estudiar las dos primeras aplicaciones mencionadas. El teorema de superposición estipula lo siguiente: la corriente (o el voltaje) que fluye a través de cualquier elemento de una red es igual a la suma algebraica de las corrientes o voltajes producidos de forma independiente por cada fuente. Enunciándolo de una manera diferente, el teorema de superposición permite determinar una corriente o voltaje utilizando solo una fuente.
Una vez que se tiene la solución para cada fuente, se combinan los resultados para obtener la solución total. Es importante tener en cuenta el significado de suma algebraica, ya que las corrientes producidas por las fuentes pueden tener distintas direcciones; lo mismo ocurre para los voltajes resultantes que pueden ser de polaridades opuestas. Para aplicar el teorema de superposición es necesario eliminar todas las fuentes, excepto la que se pretende examinar.
Boylestad expone que “cuando se quite una fuente de voltaje de un esquema de red, se reemplaza con una conexión directa de cero ohms, es decir, con un cortocircuito. Cualquier resistencia interna asociada con la fuente debe permanecer en la red”. Además, Boylestad también recomienda que “cuando quite una fuente de corriente de un esquema de red, reemplácela con un circuito abierto de ohms infinitos. Cualquier resistencia interna asociada con la fuente debe permanecer en la red”.
Teorema de superposición aplicado
Es importante destacar que el teorema de superposición no se aplica a la potencia. Esto, debido a que no es una cantidad lineal, la potencia es proporcional al cuadrado del voltaje o la corriente. También resaltar que el número de redes que se analizan es igual al número de fuentes.
Para determinar una corriente específica de una red, se debe hallar la contribución de cada fuente a esa corriente. Luego se debe determinar la suma algebraica de las corrientes, es decir, las que estén en la misma dirección se suman, y las que no, se restan. Por otro lado, si se va a hallar un determinado voltaje, debe determinarse la contribución de cada fuente a dicho voltaje. Una vez hallado el efecto de cada fuente, se suman los voltajes con la misma polaridad y los de la polaridad opuesta se restan. Se debe determinar la suma algebraica.
El profesional en el análisis de circuitos
Cada día aparecen nuevas invenciones en nuestra vida, de manera que son diseñadas con el fin de hacer más fácil algunas tareas y nuestra vida misma de por sí. Estos aparatos electrónicos son cuidadosamente diseñados por profesionales especializados en el área, bajo una planificación previa a su comercialización.
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