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Teoría de redes. Circuitos lineales




Enviado por Pablo Turmero



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    1 TEORÍA DE REDES. CIRCUITOS LINEALES Sentido convencional
    de la corriente: Supondremos que la corriente eléctrica en
    los circuitos lineales que vamos a estudiar está formada
    por un flujo de cargas positivas que se origina en el polo
    positivo de las fuentes y se mueven a través de los
    elementos conductores del circuito hasta alcanzar el polo
    negativo de las fuentes. Símbolo de resistencia

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    2 Rama: grupo de componentes de un circuito por los que circula
    la misma corriente. Nudo / nodo: punto de conexión de dos
    o más ramas. Red: Sistema de conductores que forman un
    circuito cerrado. Lazo: Cualquier trayectoria cerrada en una red.
    Malla: Lazo que no contiene otra trayectoria cerrada en su
    interior TERMINOLOGÍA BÁSICA DE LA TEORÍA DE
    REDES Resistencia Fuente de voltaje Fuente de corriente

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    3 LEYES DE KIRCHHOFF Ley de Kirchhoff de la corriente. LKC: En
    cualquier instante, la suma de todas las corrientes que concurren
    en un nudo es igual a cero. Ley basada en la conservación
    de la carga (ecuación de continuidad): cuando el circuito
    funciona en régimen estacionario, la carga no se acumula
    en ningún punto del mismo. Para su aplicación damos
    un signo a las corrientes entrantes y el signo opuesto a las
    corrientes salientes. Ley de Kirchhoff del voltaje. LKV: La suma
    de las caídas de tensión a lo largo de cualquier
    trayectoria cerrada debe ser igual a cero en cualquier instante.
    Definición de caída de tensión. La
    caída de tensión V12 entre dos puntos de un
    circuito (potencial del punto 1 respecto al punto 2) se define
    como la energía (en julios) disipada cuando una carga de
    +1 C circula entre el punto 1 y el punto 2. Ley basada en la
    conservación de la energía: la energía
    disipada en las resistencias debe ser suministrada por las
    fuentes para mantener constante el flujo de cargas. Ejemplo: Si
    V12 = +5V, la tensión V2 es menor que V1 ? se disipan 5 J
    cuando + 1C circula desde 1 ? 2 Si V12 = -5V, la tensión
    V2 es mayor que V1 ? la energía de +1 C de carga se
    incrementa en 5 J cuando circula desde 1 ? 2. Esto implica que
    debe haber fuentes que suministren tal energía.

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    4 LEYES DE KIRCHHOFF (Cont.) Reglas de aplicación 1. En
    una resistencia hay una caída de tensión positiva
    en el sentido de la corriente cuyo valor es i·R (ley de
    Ohm). 2. En una batería (o fuente de c.c.) hay una
    caída de tensión positiva (igual a su valor V0) en
    el sentido del terminal + al – con independencia del
    sentido de la corriente. (Gp:) Resto del circuito +9 V -9 V
    Ejemplo: medidas con polímetros ¿Lectura? ?
    ¿Lectura? Ejemplo2 -4.5 V -9 V (Gp:) Mismo potencial (Gp:)
    Mismo potencial

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    5 FÓRMULAS DE LOS DIVISORES DE TENSIÓN Y DE
    CORRIENTE Divisor de tensión Formado por un conjunto de
    resistencias en serie (circula la misma corriente por todas
    ellas, la resistencia equivalente es igual a la suma de las
    resistencias). Datos conocidos aplicamos LKV para calcular i
    Cálculo de caídas de tensión a través
    de las resistencias (ley de Ohm) Caída de tensión a
    través de fuente: Intensidad calculada a partir de LKV
    Fórmula del divisor de tensión: sirve para calcular
    la caída de tensión (voltaje) en cada resistencia.
    En general: para la resistencia Rk Forma alternativa de
    representar el circuito: cortado a tierra. Símbolo de
    tierra. Representa el potencial más bajo,
    convencionalmente igual a cero. Resistencia en serie:

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    6 Divisor de corriente Formado por un conjunto de resistencias en
    paralelo (todas las resistencias están sometidas a la
    misma diferencia de potencial, y circula una corriente diferente
    por cada una de ellas). Resistencia equivalente: el inverso de la
    resistencia de la asociación en paralelo es igual a la
    suma de los inversos de las resistencias que lo forman.
    FÓRMULAS DE LOS DIVISORES DE TENSIÓN Y DE CORRIENTE
    Datos conocidos Resistencia paralelo ? Obtenemos RP La d.d.p.
    entre los extremos de cada resistencia paralelo es V0. Ley de
    Ohm: Circuito equivalente LKV: (Gp:) igualamos Fórmula del
    divisor de corriente para la resistencia Rk Obsérvese que
    se verifica LKC El mismo circuito cortado a tierra

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    7 FÓRMULAS DE LOS DIVISORES DE TENSIÓN Y DE
    CORRIENTE. EJEMPLO Determinar la corriente y la caída de
    tensión en cada una de las resistencias del circuito
    siguiente. LKV: Las resistencias de 2 k? y 3 k? forman un divisor
    de corriente en el que la corriente entrante es i = 3 mA.
    Cálculo de caídas de tensión Esta es la
    caída de tensión en las resistencias de 2 k? y 3 k?
    Dibujar el mismo circuito cortado a tierra Esta es la corriente
    en la resistencia de 2.8 k?

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    8 FUENTES DE TENSIÓN o VOLTAJE Fuente ideal de
    tensión o voltaje (independiente) Es aquella que mantiene
    siempre la misma diferencia de potencial entre sus terminales,
    igual a la fuerza electromotriz ? de la fuente,
    independientemente de la corriente que circula por ella y de las
    tensiones en otras partes del circuito. Fuente real de
    tensión o voltaje Excepto cuando se encuentra en circuito
    abierto, toda fuente real de tensión sufre una
    pérdida de voltaje entre sus terminales debido a que
    dentro de la misma existe resistencia al paso de la corriente y
    por lo tanto una parte de la energía que la fuente puede
    suministrar por unidad de carga se invierte en que la corriente
    circule a través de la propia fuente. Una fuente real
    puede considerarse como una fuente ideal de tensión ?
    conectada en serie con una resistencia interna r. LKV:
    Caída tensión Fuerza electromotriz (f.e.m.) de una
    fuente Se define como el trabajo que la fuente es capaz de
    realizar sobre la unidad de carga positiva para transportarla del
    polo negativo hasta el positivo a través de su interior.
    En el S.I. se expresa en J/C, es decir, en voltios. Fuente de
    tensión o voltaje dependiente Aquella cuyo valor de
    tensión depende de las tensiones o corrientes de otras
    partes del circuito, (No serán consideradas en este tema).
    Una fuente de voltaje es de mayor calidad cuanto menor sea su
    resistencia interna r. Potencia suministrada por una fuente

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    9 Fuente ideal de corriente (independiente) Es un elemento que
    suministra a la rama en la que se encuentra conectado una
    corriente constante independientemente de la diferencia de
    potencial entre sus terminales.. Fuente real de corriente Una
    fuente real de corriente puede considerarse como la
    combinación de una fuente ideal con una resistencia r en
    paralelo, de modo que una fracción de la corriente
    suministrada por la fuente de corriente ideal no llega a salir al
    circuito exterior. La calidad de una fuente de corriente es tanto
    mayor cuanto mayor sea el valor de la resistencia r. FUENTES DE
    CORRIENTE Circuito exterior Ejemplo Equivalente: 4R

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    10 CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO Circuito abierto: puede
    considerarse como una conexión con resistencia infinita.
    Por él no circula corriente. Cortocircuito: es una
    unión carente de resistencia. Por lo tanto entre sus
    terminales no hay caída de tensión. APARATOS DE
    MEDIDA: VOLTÍMETROS Y AMPERÍMETROS
    Voltímetro: destinado a medir las caídas de
    tensión entre dos puntos de un circuito. Se conecta en
    paralelo y lo ideal es que el aparato se comporte como un
    circuito abierto (es decir, su resistencia interna RV sea muy
    grande), para que por él no circule ninguna corriente que
    pueda alterar la medida de tensión entre los dos puntos
    conectados a, b. Circuito Voltímetro Amperímetro:
    destinado a medir la corriente que circula por una rama de un
    circuito. Se conecta en serie y lo ideal es que el aparato se
    comporte como un cortocircuito (es decir, su resistencia interna
    RA sea lo menor posible), para que pueda medirse la corriente
    circulante sin alterarla (sin introducir una caída de
    tensión extra que afecte a su valor). Circuito Rama
    Amperímetro

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    11 SUPERPOSICIÓN En un circuito lineal donde existen
    diversas fuentes de voltaje y/o de corriente, las intensidades
    circulantes y las caídas de tensión en los
    distintos elementos del circuito pueden calcularse por
    adición de las contribuciones de cada una de las fuentes
    en el elemento considerado. + ? Para llevar a cabo el
    cálculo de la contribución una fuente en
    particular, se considerará que el resto de fuentes de
    voltaje se sustituyen por un cortocircuito (consideradas ideales,
    su resistencia interna es cero), y el resto de fuentes de
    corriente se sustituyen por un circuito abierto (consideradas
    ideales, su resistencia interna es infinita). Ejemplo. Calcular
    la corriente que circula por la resistencia de 200 ? y la
    caída de tensión entre los terminales de la fuente
    de corriente. La contribución a la corriente en cada rama
    y a la caída de tensión en cada elemento del
    circuito es la suma de las contribuciones de los siguientes
    circuitos simples, constando cada uno de una sola fuente:
    Cálculo i1: divisor de corriente Cálculo i2: LKV y
    luego divisor corriente Cálculo i3: LKV Caída de
    tensión entre los terminales de la fuente de corriente: la
    misma que en la rama situada más a la derecha.

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    12 TEOREMA DE THEVENIN En cualquier circuito lineal, toda
    combinación de resistencias, fuentes de voltaje y fuentes
    de corriente (red lineal), vista desde un par de terminales a y
    b, puede sustituirse por: * Una fuente de voltaje VTh igual al
    voltaje medido en circuito abierto entre los terminales a, b. *
    Una resistencia en serie con la fuente anterior cuyo valor es la
    resistencia equivalente entre a y b. Red lineal Resto circuito
    Importante: este teorema implica que cuando una red lineal es
    sustituida por su equivalente Thèvenin, las corrientes y
    voltajes del resto del circuito no sufren alteración.
    Resistencia equivalente Rab: para su cálculo se determina
    la resistencia equivalente desde los terminales a, b,
    después de sustituir las fuentes de voltaje por
    cortocircuitos y las fuentes de corriente por circuitos abiertos.
    Ejemplo: determinar el equivalente Thévenin entre los
    terminales a, b del circuito (véase resultado ejemplo
    anterior) (Gp:) ? (Gp:) Resto circuito (Gp:) Circuito (Gp:)
    ¿Interpretación?

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    13 TEOREMA DE NORTON En cualquier circuito lineal, toda
    combinación de resistencias, fuentes de voltaje y fuentes
    de corriente (red lineal), vista desde un par de terminales a y
    b, puede sustituirse por: * Una fuente de corriente ideal igual a
    la corriente de cortocircuito iCC entre los terminales a, b. *
    Una resistencia en paralelo con la fuente anterior cuyo valor es
    la resistencia equivalente entre a y b. Red lineal Resto circuito
    Importante: este teorema implica que cuando una red lineal es
    sustituida por su equivalente Norton, las corrientes y voltajes
    del resto del circuito no sufren alteración. (Gp:) Resto
    circuito La corriente de cortocircuito es la corriente que
    circularía a través de una conexión de
    resistencia cero que conectase los terminales a y b, cuyo valor
    está dado por iCC = VTh/Rab. La resistencia equivalente
    Rab se calcula del mismo modo indicado en el apartado de
    equivalente Thèvenin. Ejemplo: determinar el equivalente
    Norton entre los terminales a, b del circuito Thèvenin
    (Gp:) Cortocircuito (Gp:) Circuito (Gp:) CC (Gp:) i

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    14 CONVERSIONES ENTRE FUENTES DE VOLTAJE E INTENSIDAD
    Conversión de fuente de corriente y resistencia en
    paralelo (Gp:) Resto circuito Aplicando el teorema de
    Thévenin, para el resto del circuito esto es equivalente a
    Resto circuito Si se cumple Resto circuito Si se cumple Aplicando
    el teorema de Norton, para el resto del circuito esto es
    equivalente a Conversión de fuente de voltaje y
    resistencia en serie (Gp:) Resto circuito

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    15 MÉTODO DE MALLAS Es un algoritmo basado en la LKV que,
    ilustrado con un ejemplo, se aplica siguiendo estos pasos: 1. Se
    numeran las mallas, se elige arbitrariamente un sentido, horario
    o antihorario, y se asigna a cada malla del circuito a resolver
    una corriente ficticia, denominada corriente de malla, la cual
    circula en el sentido elegido (el mismo para todas las mallas del
    circuito a resolver). 2. Siendo n el número de mallas, se
    construye una matriz cuadrada de resistencias colocando en la
    diagonal principal la suma de resistencias de cada malla, y
    siendo los elementos fuera de la diagonal principal los opuestos
    de las sumas de las resistencias compartidas por dos mallas
    adyacentes (es decir, las situadas en la rama que limita ambas
    mallas). Obsérvese que la matriz de resistencias
    así construida es simétrica porque las resistencias
    compartidas por la malla i y la malla j aparecen tanto en la
    columna j de la fila i como en la fila i de la columna j. (Gp:)
    Compartida mallas 2 y 3 (Gp:) Compartida mallas 1 y 3 (Gp:)
    Compartida mallas 1 y 2 (Gp:) Compartida mallas 2 y 1 (Gp:)
    Compartida mallas 3 y 1 (Gp:) Compartida mallas 3 y 2 (Gp:) Malla
    1 (Gp:) Malla 2 (Gp:) Malla 3

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    16 MÉTODO DE MALLAS (CONTINUACIÓN) 3. Se construye
    un vector de fuerzas electromotrices que contiene un elemento por
    cada malla. Cada uno de estos elementos es la suma algebraica de
    los valores todas las fuentes que existan en el contorno de dicha
    malla, figurando la f.e.m. de cada fuente con signo + cuando al
    recorrer la malla en el sentido arbitrariamente elegido se entra
    en ella por el polo negativo, y signo – cuando se entra en
    ella por el polo positivo. 4. Las corrientes de malla se calculan
    resolviendo la siguiente ecuación matricial: donde las
    incógnitas son las componentes del vector de las
    corrientes de malla (iM), dado por Para resolver el sistema
    calculamos los siguientes determinantes: Solución:

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    17 MÉTODO DE MALLAS (CONTINUACIÓN) Pregunta 2.
    ¿Tiene alguna ventaja definir las ficticias corrientes de
    malla para resolver el circuito, en lugar de calcular la
    corriente en cada rama aplicando directamente las leyes de
    Kirchhoff?. Pregunta 1. Demostrar sobre el ejemplo anterior, por
    aplicación directa de las leyes de Kirchhoff, que el
    algoritmo indicado conduce al resultado correcto para las
    corrientes de malla. Ejemplo numérico. Resolver el
    circuito siguiente. Calcular qué corriente circula por
    cada fuente y determinar la caída de tensión entre
    A y B. Matriz de resistencias Determinantes Vector f.e.m
    Ecuación matricial del sistema (Sentido de la corriente de
    malla opuesto al que supusimos) Sentido opuesto a iM1 Sentido
    opuesto a iM1 (Gp:) Sentido real

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    18 Una red lineal está formada por la fuente de corriente,
    fuentes de voltaje y resistencias que aparecen en el siguiente
    diagrama de circuito. Utilizando la conversión entre
    fuentes de intensidad y fuentes de voltaje para aplicar
    después el método de mallas, se pide: (a)
    Determinar la corriente circulante por la resistencia de 2.2 k? y
    la d.d.p. en la de 0.05 k?. ¿Merece algún
    comentario el resultado? (b) Calcular el equivalente
    Thévenin entre los terminales de la resistencia de 2.2 k?.
    EJEMPLO (c) Si sustituimos la resistencia de 0.05 k? por otra de
    5.05 k?, dejando invariable todos los demás elementos del
    circuito, ¿cómo se vería afectada la
    corriente que circula por la resistencia de 2.2 k? y la d.d.p.
    entre sus extremos? ¿Qué corriente circula por la
    resistencia de 5.05 k?? ¿Qué d.d.p. hay en la
    fuente de corriente?

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    19 Mallas: La fuente de corriente proporciona 1200 mA. Pero al
    ser su resistencia en paralelo tan pequeña, casi toda la
    corriente (1183 mA) se desvía a través de
    ésta y no está disponible para el resto del
    circuito. EJEMPLO. SOLUCIÓN. Corrientes malla Resistencia
    2.2 k?: (a) Convertimos la fuente de corriente y su resistencia
    paralelo en fuente de voltaje / resistencia serie (a) Determinar
    la corriente circulante por la resistencia de 2.2 k? y la d.d.p.
    en la de 0.05 k?.

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    20 (b) Calcular el equivalente Thévenin entre los
    terminales de la resistencia de 2.2 k?. EJEMPLO. SOLUCIÓN.
    Resistencia entre C y D Cortocircuitamos las fuentes de voltaje y
    abrimos la fuente de corriente Tres resistencias en paralelo
    Voltaje Thèvenin: es la d.d.p. medida por un
    voltímetro ideal entre los terminales C y D. Puesto que ya
    calculamos antes la corriente circulante por la resistencia de
    2.2 k?, podemos determinar inmediatamente dicho voltaje.

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    21 (c) Si sustituimos la resistencia de 0.05 k? por otra de 5.05
    k?, dejando invariable todos los demás elementos del
    circuito, ¿cómo se vería afectada la
    corriente que circula por la resistencia de 2.2 k? y la d.d.p.
    entre sus extremos? ¿Qué corriente circula por la
    resistencia de 5.05 k?? ¿Qué d.d.p. hay en la
    fuente de corriente? EJEMPLO. SOLUCIÓN. La fuente de
    corriente proporciona 1200 mA. Como su resistencia en paralelo es
    ahora mayor, la fracción de la corriente de la fuente que
    circula por ella es bastante menor que en el apartado a). En
    consecuencia, crece la corriente que circula por las ramas del
    circuito, en particular por la de 2.2 k?. Corrientes malla
    Resistencia 2.2 k?: Mallas: 1779 V

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