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Tema 1: Análisis básico de circuitos Enrique San Andrés Tema I 2 Leyes del electromagnetismo • Leyes de Maxwell del electromagnetismo • Ecuación de continuidad Tema I 3 Abstracción • ¿Cómo resolveríamos este problema? • Algo parecido en F. Gral. Tema I 4 Abstracción • Modelo de parámetros concentrados (AC) Tema I 5 R VI = Tema I 6 R VI = Introducción • Condiciones de aplicabilidad del Modelo de Parámetros Concentrados (Análisis de Circuitos) 1. No hay acumulación de carga en interior de los elementos ni en los nodos (puntos de unión) 2. No hay variaciones del flujo magnético en el exterior de los elementos 3. Las dimensiones del circuito son mucho menores que la longitud de onda Tema I 7 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑡𝑡 = 0 𝜕𝜕𝜕𝜕𝐵𝐵 𝜕𝜕𝑡𝑡 = 0 Tema I 8 • Elementos básicos de un circuito DC – Resistencias – Fuentes ó generadores • Leyes de Kirchhoff • Métodos de análisis de circuitos DC – Simplificación de circuitos – Método de los Nodos – Métodos de las Mallas – Superposición – Equivalente Thévenin-Norton • Amplificadores Operacionales ideales – Circuitos simples con AO en DC • Simulación de circuitos: Cadence Orcad Objetivos del tema Tema I 9 • Corriente: cantidad de carga eléctrica que atraviesa una superficie por unidad de tiempo Intensidad de la corriente eléctrica Sdt dqi = q S i Imagen: J. Lee/NIST Tema I 10 • Def. de amperio (A) en el sistema internacional – "The ampere is that constant current which, if maintained in two straight parallel conductors of infinite length, of negligible circular cross-section, and placed 1 meter apart in vacuum, would produce between these conductors a force equal to 2 × 10−7 N per meter of length." 9th CGPM (1948) Intensidad de la corriente eléctrica Imagen: J. Lee/NIST Intensidad de la corriente eléctrica Tema I 11 • Realidad Física: Corrientes volúmicas • AC: Corrientes filiformes e- i i Intensidad de la corriente eléctrica • Criterio de signos amperímetro: Corriente positiva cuando es entrante por el terminal positivo Tema I 12 Intensidad de la corriente eléctrica • Dependencia con el tiempo • Relación carga en un intervalo de t - corriente Tema I 13 continua (DC) alterna (AC) periódica Tema I 14 • Tensión o diferencia de potencial vAB entre dos puntos A y B de un circuito es la energía que realiza una fuerza externa cuando desplaza una carga de 1C desde A hasta B – Este trabajo lo realizará un generador, que obtendrá la energía necesaria de un un campo magnético variable (alternador) o en una reacción química (batería). La tensión en abierto entre los terminales de un generador se denomina fuerza electromotriz. – Donde solo hay campo eléctrico, la tensión coincide con la diferencia entre los potenciales eléctricos – Las cargas se mueven si hay diferencias de potencial (v > 0) Tensión eléctrica ( ) C JvoltioVv 1 1][ == ldEv A BAB ∫= Tema I 15 • Tensión entre terminales de un elemento Tensión eléctrica ABv A + B − BAAB vv −= v + − – Notación equivalente Tensión eléctrica • Medida de la tensión con voltímetro Tema I 16 Tema I 17 • DISCIPLINA DE SIGNOS: – Para resolver un circuito, en cada elemento elegiremos el sentido de la corriente “i”. Entonces la tensión “v” de dicho elemento se elige como la diferencia de potencial entre el terminal por el que entra la corriente y el terminal por el que sale. • La potencia es la cantidad de energía absorbida por un elemento del circuito en la unidad de t • Unidad: vatio 1W=1Vx1A Potencia eléctrica iv dt dq dq dw dt dwp ×=== v+ − i Tema I 18 • Consecuencia de la disciplina de signos • El elemento disipa potencia si vi=p>0 • El elemento suministra potencia si vi=p<0 Potencia eléctrica ABv A + B − i Tema I 19 • ¿Absorbe o inyecta potencia? Potencia eléctrica Figura: www.intechopen.com Tema I 20 • Supongamos que existe una caída de tensión de 15V entre los terminales 1 y 2 de un elemento de un circuito, y entra una corriente de 5A por el terminal 2. • Especificar en cada figura valores de v e i. ¿Cuáles cumplen la disciplina de signos? Calcular vi en cada caso ¿En cual disipa y en cual entrega potencia? Ejemplo − + v i 2 1 − + v i 2 1 + − v i 2 1 + − v i 2 1 Tema I 21 Ley de la conservación de la Potencia • “La suma algebraica de la potencia en un circuito eléctrico es nula en cualquier instante de tiempo” 0;0 =+= ∑ ∑∑ absorbidagenerada elementos n PPP Tema I 22 – Puede ser absorbida (>0) o entregada (<0) • Unidad de energía en SI: julio (J) (1W x 1s) • ¿Unidades en recibo de la luz? Energía total en un intervalo de tiempo ( ) ( ) ( )∫∫∫ =⇒= =⇒= 2 1 2 1 2 1 t t t t t t dttitvWdttpdW dtpdW dt dWp Tema I 23 • Def: Un elemento es pasivo si no puede suministrar una potencia promedio mayor que cero – Promedio desde –∞ a +∞ • Def: un elemento es activo si es capaz de suministrar energía promedio mayor que cero a un elemento externo . • Encuesta: ¿Activo o pasivo? – Resistencia - Fuente ideal de corriente – Fuente ideal de tensión - Fuente real de tensión – Condensador - Pila de 1.5V Elementos activos y pasivos Tema I 24 • Es la relación entre la corriente que lo atraviesa y la tensión entre sus terminales Característica i-v de un elemento Imágenes: wikipedia V[V] I[A] -1.0 -0.10 -0.5 -0.05 0.0 0.00 0.5 0.05 1.0 0.10 10 VI = Tema I 25 • En 1827 el físico alemán Georg S. Ohm determinó experimentalmente que en algunos “bloques” de determinados materiales la tensión y la corriente eran proporcionales • El factor de proporcionalidad R se denomina Resistencia – Unidad: ohmio (Ω) = V / A • Inverso de R: Conductancia (G) – Unidad: Siemens (S), ohm-1, mho, Ley de Ohm IRV = VGI = Ω • Para elementos con sección S y longitud l definida: • Def. resistividad (ρ): capacidad de un material para oponerse al desplazamiento de carga a través de él – Unidades: Ω.m • Parámetro inverso: conductividad (σ = 1 / ρ) – Unidades: (Ω.m)-1 Tema I 26 Ley de Ohm S lR ρ= l S i + - Tema I 27 Clasificación de los materiales óhmicos • Elemento de circuito • Casos límite – Cortocircuito – Circuito abierto Tema I 28 Resistencias v + − il S i + - ABv A + B − i ABv A + B − Resistencias reales Tema I 29 Tema I 30 Múltiplos (letras Griegas) Prefijo Símbolo Factor de multiplicación Deca Da 10 101 Hecto h 100 102 Kilo k 1 000 103 Mega M 1 000 000 106 Giga G 1 000 000 000 109 Tera T 1 000 000 000 000 1012 Peta P 1 000 000 000 000 000 1015 Exa E 1 000 000 000 000 000 000 1018 Tema I 31 Submúltiplos (latín) Prefijo Símbolo Factor de multiplicación Deci d 1 / 10 10 -1 Centi c 1 / 100 10 -2 Mili m 1 / 1 000 10 -3 Micro µ 1 / 1 000 000 10 -6 Nano n 1 / 1 000 000 000 10 -9 Pico p 1 / 1 000 000 000 000 10 -12 Femto f 1 / 1 000 000 000 000 00 10 -15 atto a 1 / 1 000 000 000 000 000 000 10 -18 Tema I 32 • Potencia en una resistencia – Una resistencia es un elemento pasivo, siempre absorbe energía. – Esta energía no desaparece, es disipada en forma de calor: efecto Joule Resistencias v + − i 0 2 2 >== = = R vRip Riv vip Tema I 33 • Son elementos activos que generalmente suministran energía al circuito al que están conectados • Tipos: – Fuente de tensión o de corriente – Fijas o dependientes deltiempo – Ideales o reales – Independientes o dependientes de otro parámetro del circuito Fuentes (generadores) Tema I 34 • Fuente de tensión independiente ideal – Su tensión entre terminales es fija – Su corriente la fija el resto de elementos del circuito – Fuente de tensión DC - Fuente de tensión variable con t Fuentes ( ) ( )tftV = ( ) KtV = Tema I 35 • Fuente de corriente independiente ideal – Su corriente entre terminales es fija – Su tensión la fija el resto de elementos del circuito – Fuente de corriente DC - Fuente de corriente variable con t – En la naturaleza no encontramos fuentes de corriente fácilmente Fuentes ( ) ( )tftI '=( ) 'KtI = Tema I 36 – ¿Es esta combinación posible? Fuentes independientes Tema I 37 • Su valor de tensión o corriente depende de la tensión o corriente de otro punto del circuito. • 4 posibilidades: – Fuente de tensión controlada por tensión (VCVS) – Fuente de corriente controlada por corriente (CCCS). – Fuente de tensión controlada por corriente (CCVS). – Fuente de corriente controlada por tensión (VCCS). • Símbolos Fuentes dependientes Imagen de Brews O’hare, GFDL, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3361872 Tema I 38 • Fuentes dependientes en Capture: Fuentes dependientes Tema I 39 • Ejemplo: ¿Cuánto vale la corriente por R2? Fuentes dependientes El primer circuito (medio) complejo Tema I 40 c Método de resolución de AC I • Definir las tensiones y corrientes de todos los elementos • Escribir las relaciones I-V de los elementos -Resistencias -Fuentes de tensión -Fuentes de corriente • Aplicar KCL en todos los nodos • Aplicar KVL en todos los lazos • Resolver el sistema – N elementos ⇒ 2N incógnitas (necesarias 2N ecuaciones) Tema I 41 El primer circuito (medio) complejo Tema I 42 c Tema I 43 • Conexión serie: – Dos elementos de dos terminales están en serie si comparten 1 solo nodo común al que no hay conectado ningún otro elemento. – Por tanto la corriente que los atraviesa es la misma. – Se puede extender a n elementos Tipos de conexión i i Ejemplos de conexión serie Tema I 44 Tema I 45 • Conexión paralelo: – Dos elementos de dos terminales están en paralelo si están conectados entre el mismo par de nodos al que no hay conectado ningún otro elemento. – Por tanto, la tensión entre sus terminales es la misma. – Se puede extender a n elementos Tipos de conexión −+ ABv Ejemplos de conexión paralelo Tema I 46 Tema I 47 Tipos de conexión Tema I 48 • Dos circuitos son equivalentes si tienen las mismas características I-V para un par de terminales determinado • Ejemplo Circuitos equivalentes Transformación triángulo a estrella (∆→Y) Tema I 49 ( ) 23 13 3 13 12 23 R RR R R R = + +( ) 12 13 1 13 12 23 R RR R R R = + + ( ) 23 12 2 13 12 23 R RR R R R = + + Transformación estrella a triángulo (Y→∆) Tema I 50 1 2 2 3 3 1 23 1 R R R R R R R R + + =1 2 2 3 3 1 13 2 R R R R R R R R + + = 1 2 2 3 3 1 12 3 R R R R R R R R + + = Ejemplo estrella-triángulo Tema I 51 Tema I 52 • Si por varias resistencias pasa la misma corriente, la tensión se reparte proporcionalmente a su valor Divisor de tensión 1 2 1 2 1 2 1 2 ;nn eq R R Rv V v V v V R R R R R = ⇒ = = + + Tema I 53 • Ej: Determinar R2 para que su caída de tensión sea ¼ de la alimentación (R1=9kΩ). Calcular corriente cuando VS=12V. Divisor de tensión Tema I 54 • Análogo con la corriente: divisor de corriente – En la conexión paralelo de conductancias la corriente se reparte de forma proporcional a la magnitud relativa de cada una de ellas El divisor de corriente SSS eq n n iGG Gii GG Gii G Gi 21 2 2 21 1 1 ; + = + =⇒= Tema I 55 • Obtener corrientes de R1 y R2 Ejemplo Tema I 56 • Fuente de tensión independiente real – Fuentes de tensión reales de 12V Fuentes reales Tema I 57 – Ej: VS=12V, Rint = 0.050 Ω int int 12 0.050out S out out out S out V V R I i V VI R = + = + − = Fuentes reales 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -1.00 -0.75 -0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 Io ut (m A) Vout Tema I 58 – Ej: VS=12V, Rint = 0.050 Ω int int 12 0.050out S out out out S out V V R I i V VI R = + = + − = Fuentes reales 0 2 4 6 8 10 12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 Io ut (A ) Vout 0 2 4 6 8 10 12 14 16 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 Io ut Vout Tema I 59 – Ej: VS=12V, Rint = 0.050 Ω / 0.5 Ω int int out S out out S out V V R I V VI R = + − = Fuentes reales int OC SC VR I = − ; 0 ;0 0 OCSIout out L Soutout VVVVR VVI out ≡=→∞= − = =⇒= = SCVout out L OC outout II I R R VIV out ≡→= − = − =⇒= =0 int 00 00 Tema I 60 • Fuente de corriente independiente real Fuentes reales 0 2 4 6 8 10 12 14 16 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 Io ut Vout Tema I 61 – Corriente de salida • Ej: 240A, 0.050 ohm 0outout S L SC S out VI I R I I I = − ⇒ = − = ⇒ = − int int int 0out out S out L OC S out OC SC I V R I VR V R I I VR I = ⇒ = = − = ∞⇒ = ⇒ = − Fuentes reales int int int int int ( )out S out S out out S out V I I R I R I R V I RI R = + = + − = Tema I 62 • Resumiendo: curvas I-V – Equivalentes si… intR VVI Soutout − = ' int ' int R RIVI Soutout − = Fuentes reales Simplificación de fuentes Tema I 63 Tema I 64 • Tensión de nodo: valor de la tensión en un nodo de un circuito referido a un nodo de referencia (nodo de tierra). • Una vez conocidas las tensiones de nodo, es directo conocer las caídas de tensión en los elementos del circuito Método de análisis por nodos vA vB BAAB vvv −= • Método que minimiza el número de ecuaciones – Menos nodos que elementos – Supone conocida la tensión de un nodo: referencia o tierra • Procedimiento – Elegir un nodo de referencia – Poner nombre a las tensiones de los N-1 nodos restantes – Aplicar la KCL a los N-1 nodos (todos menos el de referencia) – Utilizar la I-V de cada elemento para escribir las corrientes de rama en función de las tensiones de nodo. – Calcular las N-1 tensiones de nodo resolviendo las N-1 ecuaciones obtenidas. – Obtener las corrientes mediante las relaciones I-V. Tema I 65 Método de análisis por nodos Tema I 66 Método de análisis por nodos Tema I 67 Método de análisis por nodos • Si hay fuentes de tensión – Caso 1) la fuente está entre el nodo de referencia y otro nodo cualquiera • Se fija la tensión de ese nodo a la tensión de la fuente (deja de ser una incógnita) – Caso 2) la fuente está entre dos nodos, ninguno de referencia • Se plantea la KCL pero en el supernodo que la incluye. Tema I 68 Método de análisis por nodos Tema I 69 Método de análisis por nodos Fuentes dependientes Tema I 70 ( ) ( ) −= −= I Im ixfb vGxfa β) ) Tema I 71 • Recordatorio: – Lazo: camino cerrado, que empieza y termina en el mismo nodo sin pasar más de una vez por los nodos intermedios – Malla: es un lazo que no encierra a otro en su interior • Corriente de malla – Hasta ahora hemos trabajado con corrientes de rama (corrientes que fluyen entre dos nodos) – Las corrientes de malla son corrientes ficticias que recorren cada malla (el sentido de giro es arbitrario, habitualmente horario) Método de análisis por mallas iA iCiD iB i1 i2 Tema I 72 • Ejemplo: calcular corrientes por cada elemento Método de análisis por mallas 10mA 5mA -3mA Tema I 73 • Las variables del circuito son las corrientes de malla (en lugar de corrientes de rama) • Procedimiento: circuito N mallas sin fuentes de corriente: – Asignar nombre y sentido a las corrientes demalla (i1, i2, i3, …, iN) – Aplicar KVL a cada una de las mallas. – Utilizar la relación I-V de cada elemento para escribir las tensiones de cada elemento en función de las corrientes de malla – Calcular las N corrientes de malla resolviendo las N ecuaciones obtenidas. – Calcular las corrientes de cada elemento a partir de las corrientes de malla. – Calcular las tensiones de cada elemento a partir de las relaciones I-V. Método de análisis por mallas Tema I 74 • Ejemplo Método de análisis por mallas Tema I 75 • Análisis por mallas con fuentes de corriente – Caso 1: Si la fuente de corriente está en una rama que pertenece a una única malla, se fija la corriente de dicha malla a la corriente de la fuente. • La corriente de dicha malla deja de ser una incógnita. – Caso 2: Si la fuente de corriente está en una rama que pertenece a dos mallas • Se plantea la KVL en una “supermalla” (el lazo que engloba las dos mallas en cuestión, pero que no pasa por la fuente de corriente). • Se añade una ecuación que relaciona la corriente de la fuente con las corrientes de las dos mallas. Método de análisis por mallas Tema I 76 • Ejemplo caso 2 Método de análisis por mallas Tema I 77 1. Simplificar 2. Simplificar 3. Si no hay otra, nodos o mallas 1. Generalmente nodos • Parámetros que ayudan a decidir: – Naturaleza del circuito • Menos nodos que mallas ⇒ análisis por nodos • Menos mallas que nodos ⇒ análisis por mallas – Información requerida • Si se buscan tensiones ⇒ análisis por nodos • Si se buscan las corrientes ⇒ análisis por mallas • NUNCA fuerza bruta ¿Método de resolución? Tema I 78 • Calcular R (resolver por nodos y por mallas) A 0.5mA ¿Resolver por Nodos o mallas? Tema I 79 • Calcular R (resolver por nodos y por mallas) A 0.5mA ¿Resolver por Nodos o mallas? Linealidad y superposición • Método muy potente para simplificar en AC basado en la linealidad Tema I 80 • Homogeneidad Tema I 81 Linealidad y superposición • Superposición Tema I 82 Linealidad y superposición • Circuito lineal alimentado por dos generadores de tensión de valor V1 y V2 Tema I 83 Linealidad y superposición Tema I 84 • Otro ejemplo Principio de superposición • ¿Seguro? Tema I 85 Principio de superposición Equivalente Thévenin Tema I 86 Equivalente Thévenin Tema I 87 Tema I 88 Equivalente Thévenin – Ej: Encontrar equivalente Thévenin Equivalente Norton Tema I 89 Tema I 90 El amplificador operacional Figuras: texas instruments Amplificador operacional • Abstracción del AO Tema I 91 Amplificador operacional • Salida frente a entrada Tema I 92 https://youtu.be/V0z_f7qxLcY?t=1651 (a partir de 27:29) Amplificador operacional • Ejemplo: amplificador no inversor Tema I 93 Amplificador operacional • ¿Por qué ahora es estable? Tema I 94 https://youtu.be/V0z_f7qxLcY?t=2501 (a partir de 41:40) https://youtu.be/V0z_f7qxLcY?t=2501 Amplificador operacional • Realimentación negativa (negative feedback) Tema I 95 Amplificador operacional • Simplificación del análisis con AO – Con condiciones Tema I 96 Amplificador operacional • Sumador con AO Tema I 97 Amplificador operacional • Seguidor de tensión Tema I 98 =+= 1 21 R R v v i o Amplificador operacional • Conexión en cascada Tema I 99 Tema I 100 • Elementos básicos de un circuito DC – Resistencias – Fuentes ó generadores • Leyes de Kirchhoff • Métodos de análisis de circuitos DC – Simplificación de circuitos – Método de los Nodos – Métodos de las Mallas – Superposición – Equivalente Thévenin-Norton • Amplificadores Operacionales ideales – Circuitos simples con AO en DC • Simulación de circuitos: Cadence Orcad Objetivos del tema Tema 1: Análisis básico de circuitos Número de diapositiva 2 Leyes del electromagnetismo Abstracción Abstracción Número de diapositiva 6 Introducción Objetivos del tema Intensidad de la corriente eléctrica Intensidad de la corriente eléctrica Intensidad de la corriente eléctrica Intensidad de la corriente eléctrica Intensidad de la corriente eléctrica Tensión eléctrica Tensión eléctrica Tensión eléctrica Potencia eléctrica Potencia eléctrica Potencia eléctrica Ejemplo Ley de la conservación de la Potencia Energía total en un intervalo de tiempo Elementos activos y pasivos Característica i-v de un elemento Ley de Ohm Ley de Ohm Clasificación de los materiales óhmicos Resistencias Resistencias reales Múltiplos (letras Griegas) Submúltiplos (latín) Resistencias Fuentes (generadores) Fuentes Fuentes Fuentes independientes Fuentes dependientes Fuentes dependientes Fuentes dependientes El primer circuito (medio) complejo Método de resolución de AC I El primer circuito (medio) complejo Tipos de conexión Ejemplos de conexión serie Tipos de conexión Ejemplos de conexión paralelo Tipos de conexión Circuitos equivalentes Transformación triángulo a estrella (Y) Transformación estrella a triángulo (Y) Ejemplo estrella-triángulo Divisor de tensión Divisor de tensión El divisor de corriente Ejemplo Fuentes reales Fuentes reales Fuentes reales Fuentes reales Fuentes reales Fuentes reales Fuentes reales Simplificación de fuentes Método de análisis por nodos Método de análisis por nodos Método de análisis por nodos Método de análisis por nodos Método de análisis por nodos Método de análisis por nodos Fuentes dependientes Método de análisis por mallas Método de análisis por mallas Método de análisis por mallas Método de análisis por mallas Método de análisis por mallas Método de análisis por mallas ¿Método de resolución? ¿Resolver por Nodos o mallas? ¿Resolver por Nodos o mallas? Linealidad y superposición Linealidad y superposición Linealidad y superposición Linealidad y superposición Principio de superposición Principio de superposición Equivalente Thévenin Equivalente Thévenin Equivalente Thévenin Equivalente Norton El amplificador operacional Amplificador operacional Amplificador operacional Amplificador operacional Amplificador operacional Amplificador operacional Amplificador operacional Amplificador operacional Amplificador operacional Amplificador operacional Objetivos del tema
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