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Una red eléctrica es una interconexión de componentes eléctricos (por ejemplo, baterías , resistencias , inductores , condensadores , interruptores , transistores ) o un modelo de dicha interconexión, que consta de elementos eléctricos (por ejemplo, fuentes de tensión , fuentes de corriente , resistencias , inductancias , capacitancias ). Un circuito eléctrico es una red que consta de un bucle cerrado, que proporciona un camino de retorno para la corriente. Por lo tanto, todos los circuitos son redes, pero no todas las redes son circuitos (aunque a las redes sin bucle cerrado se las suele denominar circuitos abiertos ).
Una red resistiva es una red que contiene únicamente resistencias y fuentes ideales de corriente y tensión. El análisis de redes resistivas es menos complejo que el análisis de redes que contienen capacitores e inductores. Si las fuentes son constantes ( CC ), el resultado es una red de CC. La resistencia efectiva y las propiedades de distribución de corriente de redes resistivas arbitrarias pueden modelarse en términos de sus medidas gráficas y propiedades geométricas. [ 1 ]
Una red que contiene componentes electrónicos activos se conoce como circuito electrónico . Estas redes suelen ser no lineales y requieren herramientas de diseño y análisis más complejas.
Clasificación
Por pasividad
Una red activa contiene al menos una fuente de voltaje o de corriente que puede suministrar energía a la red de forma indefinida. Una red pasiva no contiene una fuente activa.
Una red activa contiene una o más fuentes de fuerza electromotriz . Ejemplos prácticos de dichas fuentes incluyen una batería o un generador . Los elementos activos pueden inyectar energía al circuito, proporcionar ganancia de potencia y controlar el flujo de corriente dentro del mismo.
Las redes pasivas no contienen ninguna fuente de fuerza electromotriz. Están compuestas por elementos pasivos como resistencias y condensadores.
Por linealidad
Las redes eléctricas lineales , un tipo especial que consta únicamente de fuentes (tensión o corriente), elementos concentrados lineales (resistencias, condensadores, inductores) y elementos distribuidos lineales (líneas de transmisión), tienen la propiedad de que las señales son linealmente superponibles . Por lo tanto, se analizan más fácilmente utilizando potentes métodos en el dominio de la frecuencia , como las transformadas de Laplace , para determinar la respuesta en CC , la respuesta en CA y la respuesta transitoria .
Generalmente se considera que las redes pasivas son lineales, pero existen excepciones. Por ejemplo, un inductor con núcleo de hierro puede saturarse si se le aplica una corriente suficientemente alta. En esta región, el comportamiento del inductor es muy no lineal.
Por grumos
Los componentes pasivos discretos (resistencias, condensadores e inductores) se denominan elementos concentrados porque se supone que toda su resistencia, capacitancia e inductancia, respectivamente, se encuentran concentradas en un solo punto. Esta filosofía de diseño se conoce como modelo de elementos concentrados , y las redes diseñadas de esta manera se denominan circuitos de elementos concentrados . Este es el enfoque convencional para el diseño de circuitos. A frecuencias suficientemente altas, o para circuitos suficientemente largos (como las líneas de transmisión de energía ), la suposición de elementos concentrados deja de ser válida, ya que existe una fracción significativa de la longitud de onda a lo largo de las dimensiones del componente. Para estos casos, se necesita un nuevo modelo de diseño, denominado modelo de elementos distribuidos . Las redes diseñadas según este modelo se denominan circuitos de elementos distribuidos .
Un circuito de elementos distribuidos que incluye algunos componentes concentrados se denomina diseño semiconcentrado . Un ejemplo de circuito semiconcentrado es el filtro de peine .
Clasificación de las fuentes
Las fuentes se pueden clasificar en fuentes independientes y fuentes dependientes.
Independiente
Una fuente independiente ideal mantiene el mismo voltaje o corriente independientemente de los demás elementos presentes en el circuito. Su valor es constante (CC) o sinusoidal (CA). La magnitud del voltaje o la corriente no se ve alterada por ninguna variación en la red conectada.
Dependiente
Las fuentes dependientes dependen de un elemento particular del circuito para suministrar la potencia, el voltaje o la corriente, según el tipo de fuente que sea.
Aplicación de las leyes eléctricas
Varias leyes eléctricas se aplican a todas las redes resistivas lineales. Estas incluyen:
- Ley de corrientes de Kirchhoff : La suma de todas las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de todas las corrientes que salen de ese nodo.
- Ley de voltajes de Kirchhoff : La suma dirigida de las diferencias de potencial eléctrico alrededor de una espira debe ser cero.
- Ley de Ohm : El voltaje a través de una resistencia es igual al producto de la resistencia y la corriente que fluye a través de ella.
- Teorema de Norton : Cualquier red de fuentes de voltaje o corriente y resistencias es eléctricamente equivalente a una fuente de corriente ideal en paralelo con una sola resistencia.
- Teorema de Thévenin : Cualquier red de fuentes de voltaje o corriente y resistencias es eléctricamente equivalente a una única fuente de voltaje en serie con una única resistencia.
- Teorema de superposición : En una red lineal con varias fuentes independientes, la respuesta en una rama particular cuando todas las fuentes actúan simultáneamente es igual a la suma lineal de las respuestas individuales calculadas tomando una fuente independiente a la vez.
La aplicación de estas leyes da como resultado un sistema de ecuaciones simultáneas que pueden resolverse algebraica o numéricamente. En general, estas leyes pueden extenderse a redes que contienen reactancias . No pueden utilizarse en redes que contienen componentes no lineales o variables en el tiempo.
Métodos de diseño
Para diseñar cualquier circuito eléctrico, ya sea analógico o digital , los ingenieros eléctricos necesitan poder predecir los voltajes y las corrientes en todos los puntos del circuito. Los circuitos lineales simples se pueden analizar manualmente mediante la teoría de números complejos . En casos más complejos, el circuito se puede analizar con programas informáticos especializados o técnicas de estimación como el modelo lineal por tramos.
El software de simulación de circuitos, como HSPICE (un simulador de circuitos analógicos), [ 2 ] y lenguajes como VHDL-AMS y verilog-AMS permiten a los ingenieros diseñar circuitos sin el tiempo, el costo y el riesgo de error que implica la construcción de prototipos de circuitos.
Software de simulación de redes
Los circuitos más complejos pueden analizarse numéricamente con software como SPICE o GNUCAP , o simbólicamente utilizando software como SapWin .
Linealización alrededor del punto de operación
Cuando se enfrenta a un nuevo circuito, el software primero intenta encontrar una solución de estado estacionario , es decir, una en la que todos los nodos se ajusten a la ley de corrientes de Kirchhoff y los voltajes a través de cada elemento del circuito se ajusten a las ecuaciones de voltaje/corriente que rigen ese elemento.
Una vez hallada la solución de estado estacionario, se conocen los puntos de operación de cada elemento del circuito. Para un análisis de pequeña señal, cada elemento no lineal puede linealizarse alrededor de su punto de operación para obtener la estimación de pequeña señal de las tensiones y corrientes. Esta es una aplicación de la Ley de Ohm. La matriz del circuito lineal resultante puede resolverse mediante la eliminación gaussiana .
Aproximación lineal por tramos
El software, como la interfaz PLECS para Simulink, utiliza una aproximación lineal por tramos de las ecuaciones que rigen los elementos de un circuito. El circuito se trata como una red completamente lineal de diodos ideales . Cada vez que un diodo cambia de estado (encendido a apagado o viceversa), la configuración de la red lineal cambia. Si bien añadir más detalles a la aproximación de las ecuaciones aumenta la precisión de la simulación, también incrementa su tiempo de ejecución.
Véase también
- Circuito digital
- Tierra (electricidad)
- Impedancia
- Carga
- Memristor
- Voltaje en circuito abierto
- Cortocircuito
- Caída de tensión
Representación
Metodologías de diseño y análisis
Medición
Analogías
- analogía hidráulica
- Analogías mecánico-eléctricas
- Analogía de impedancia (analogía de Maxwell)
- Analogía de la movilidad (analogía de Firestone)
- Analogía de "a través de" (analogía de Trent)
Topologías específicas
Referencias
- ↑ Kumar, Ankush; Vidhyadhiraja, NS; Kulkarni, G. U. (2017). "Distribución de corriente en redes de nanocables conductores". Journal of Applied Physics . 122 (4): 045101. Bibcode : 2017JAP...122d5101K . doi : 10.1063/1.4985792 .
- ↑ "HSPICE" (PDF) . HSpice . Universidad de Stanford, Departamento de Ingeniería Eléctrica. 1999.
- Electricidad
- Electrotecnia