3.- CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO.
3.1.- Análisis de circuitos.
La complejidad de los circuitos utilizados en electrónica, con numerosas ramificaciones por las que circulan corrientes de distintas intensidades, fijando voltajes de distintos valores en los componentes que lo forman.
Aparte de la ley de Ohm, cuando se trata de resolver circuitos más complejos formados por asociaciones de componentes electrónicos en serie y en paralelo, es necesario recurrir a reglas y teoremas para simplificar el calculo de sus magnitudes características.
3.1.1.- Definición de asociaciones de componentes.
- Circuito en serie: Se define como la conexión de componentes de forma secuencial, compartiendo un único nudo común entre cada par de elementos. En esta configuración:
· La corriente eléctrica tiene una única trayectoria, por lo que su valor es idéntico en todos los puntos del circuito.
· La tensión total se distribuye proporcionalmente entre los componentes según su resistencia.
· La resistencia equivalente se obtiene mediante el sumatorio de los valores individuales de cada resistencia.
· La tensión es constante e igual para todos los componentes asociados, al estar conectados a los mismos puntos de potencial.
· La resistencia equivalente es siempre menor que la menor de las resistencias de la asociación, y se calcula mediante la inversa de la suma de las inversas.
3.1.2.- Calculo de la intensidad total del circuito.
Para hallar esta intensidad tendremos que reducir el circuito a un circuito formado por un generador, con una resistencia interna, y una única resistencia equivalente de todo el circuito.
Para ello primero se debe hallar la resistencia total equivalente (Rt).
RS1 = R2 + R3 ;
RS1 = 2 + 2 = 4 Ω
RP1 = RS1 · R4 / RS1
+ R4 ;
RP1 = 4 · 4 / 4 + 4 = 2 Ω
RT = R1 + RP1 ;
RT = 1 + 2 = 3 Ω
IT = V1 / RT ;
IT = 12 / 3 = 4 A
3.1.3.- Calculo de las magnitudes características del circuito.
Una vez calculada la intensidad suministrada por el generador, podremos calcular las intensidades que circulan por cada una de las ramas del circuito y las caídas de voltaje que hay en las resistencias que lo conforman. Para realizar un buen calculo, hay que tener en cuenta tres principios fundamentales:
I.- La suma de las intensidades que entran en un nudo es igual a la suma de intensidades que salen de ese nudo.
II.- La tensión que cae en una resistencia es igual al producto de dicha resistencia por la intensidad que circula por ella. Considerándose un voltaje mayor en el terminal de la resistencia que por la corriente.
III.- El voltaje que cae entre dos puntos de un circuito pasivo es igual a la suma de los voltajes que caen en las resistencias.
Para calcular magnitudes desconocidas, se podrá proceder de dos formas diferentes:
I.- Hallando las magnitudes desconocidas desde los sucesivos circuito equivalentes que se han obtenido en el proceso de calculo de la resistencia total equivalente.
II.- A partir de la intensidad total ir averiguando las magnitudes de cada una de las ramas y resistencias que componen el circuito.
I1 = IT = 4 A
R1 : VR1 = I1 · R1 ;
4 · 1 = 4 V
I3 = VR2 / R4 ;
I3 = 8 / 4 = 2 A
I2 = I1 – I3 =
4 – 2 = 2 A
VR2 = I2 · R2 ;
VR2 = 2 · 2 = 4 V
VR3 = I2 · R3 ;
VR2 = 2 · 2 = 4 V
3.1.3.- Potencia eléctrica (Ley de Watt).
La potencia eléctrica es la velocidad a la que se consume o se genera energía en un circuito. Según la Ley de Watt, la potencia (P) es directamente proporcional al producto de la tensión (V) y la intensidad de corriente (I). La potencia determina cuánto trabajo puede realizar un dispositivo (luz, calor, movimiento) en un tiempo determinado.
Combinando ambas leyes, podemos calcular la potencia si solo conocemos la resistencia (R):
Se mide como Vatio (W) en el Sistema Internacional.
P = V · I
3.1.4.- Caída de tensión.
La caída de tensión es la pérdida de potencial eléctrico que se produce cuando la corriente atraviesa un conductor. Al circular intensidad, parte de la energía se pierde en el camino.
En España, el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT) limita estas caídas (normalmente entre un 3% y un 5% según el tipo de instalación) para garantizar la seguridad y eficiencia.
Se define por la Ley de Ohm como ΔV = I · Rᴄᴏɴᴅᴜᴄᴛᴏʀ.
3.2.- Comportamiento térmico.
3.2.1.- Influencia de la temperatura en la resistencia.
La resistencia de un material no es constante; varía según su temperatura. En la mayoría de los metales (conductores), la resistencia aumenta cuando sube la temperatura.
3.2.2.- Intensidades y calor (Efecto Joule).
Es un fenómeno por el cual, si un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques con los átomos del conductor.
La ley dice que a cantidad de calor (Q) generado es proporcional al cuadrado de la intensidad, a la resistencia y al tiempo (t).
Q = I² · R · t
3.3.- Leyes complejas
3.2.1.- Resolución de circuitos mediante las leyes de Kirtchhoff.
Un circuito eléctrico esta formado habitualmente por elementos activos y pasivos con varios generadores y receptores, la ley de Ohm en muchos casos puede resultar insuficiente cuando sus componentes no forman agrupaciones sencillas. Gustav Robert Kirchhoff (1824 - 1887) enuncio por primera vez dos reglas que permiten resolver circuitos de cierta complejidad de una forma sistemática.Para ello hay que definir tres conceptos:
· Nudo: Cualquier punto de un circuito en el que concurren tres o mas conductores.
· Rama: Recorrido conductor de un circuito comprendido entre dos nudos consecutivos por el que circula una única intensidad de corriente.
· Malla: Conjunto de ramas que constituyen un camino cerrado en un circuito de forma que a partir de un nudo se llega a el sin pasar dos veces por un mismo punto.
Las leyes de Kirchhoff están basadas en la conservación de la carga y energía, en todo circuito eléctrico cerrado.
3.2.2.- Primera ley de Kirchhoff: ley de los nudos.
En un nudo cualquiera de un circuito, la suma de las intensidades de corriente que llegan a el es igual a la suma de las intensidades que salen.
La ley de los nudos también puede expresarse diciendo que: la suma algebraica de las intensidades que confluyen en un nudo es cero.
Σ I = 0
Si el circuito dispone de n nudos esta ley se aplicara a n-1 nudos. Para la aplicación de esta ley hay que asignar de forma arbitraria las corrientes que se consideran positivas y negativas según su sentido.
3.2.3.- Segunda ley de Kirchhoff: ley de mallas.
La suma de las fuerzas electromotrices de los generadores a lo largo de cualquier malla es igual a la suma de las caídas de tensión en dicha malla.
Σ E = Σ R · I
Esta ley también se podría enunciar así: en todo camino cerrado la suma algebraica de todas las diferencias de potencial es igual a cero.
Como se puede apreciar, esta segunda ley es una consecuencia de la ley de Ohm. Para su aplicación hay que establecer un sentido de recorrido a lo largo de la malla; por lo general se utiliza el sentido de las agujas del reloj.