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Curso: Ingeniería eléctrica > Unidad 2

Lección 3: Análisis de circuitos de corriente directa
Ciencia
Ingeniería eléctrica
Análisis de circuitos
Análisis de circuitos de corriente directa
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Número de ecuaciones necesarias

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Respondemos las preguntas "¿Cuántas ecuaciones son necesarias para resolver un circuito y de dónde vienen?" Escrito por Willy McAllister.

Introducción

"Resolver un circuito" significa resolver un sistema de ecuaciones simultáneas.
  • ¿Cómo sabemos el número de ecuaciones requeridas para resolver un circuito?
  • ¿Cómo sabemos que podemos crearlas?
A medida que estudies análisis de circuitos, podría parecer suerte o coincidencia que obtengas el número correcto de ecuaciones para resolver. Este artículo mostrará que la suerte no está involucrada y que los métodos de análisis capturan de forma confiable todas las restricciones necesarias para resolver el circuito.

Qué vamos a construir

Para resolver un circuito, queremos conocer el voltaje y la corriente para cada elemento. Esto significa que necesitamos el doble de ecuaciones independientes que el número de elementos en el circuito.
Estas ecuaciones vienen de tres lugares:
  • Obtienes la mitad de las ecuaciones a partir de las leyes de los elementos para cada componente.
  • La ley de la corriente de Kirchhoff contribuye con N−1 ecuaciones independientes, donde N es el número de nodos.
  • La ley del voltaje de Kirchhoff contribuye con E−(N−1) ecuaciones independientes, donde E es el número de elementos.
Si juntas todas estas, terminas con el número correcto de ecuaciones.
Los resultados que desarrollaremos aquí están incluidos en los distintos métodos de análisis de circuitos:
Está bien ir directamente a los métodos mismos y regresar aquí después.

¿Cuántas ecuaciones independientes se necesitan para resolver un circuito?

Esta es la pregunta clave que determina la cantidad de esfuerzo requerido para completar el análisis de un circuito. Te voy a mostrar cómo las ecuaciones vienen de dos lugares: de los elementos de los circuitos y de cómo están conectados entre sí.
Las tres restricciones puestas sobre las corrientes y los voltajes en un circuito son:
  • Las leyes i-v de los elementos.
  • La ley de la corriente de Kirchhoff.
  • La ley del voltaje de Kirchhoff.
El sistema de ecuaciones que debes escribir captura estas restricciones.
Conforme discutimos esto en términos abstractos, también utilizaremos un ejemplo concreto de circuitos.
Como aprendimos al resolver ecuaciones simultáneas en álgebra, el número de ecuaciones independientes que necesitas para resolver un sistema es igual al número de incógnitas. De modo que si tienes un sistema con 10 incógnitas, necesitas 10 ecuaciones para encontrar las 10 incógnitas. ¿Cuántas incógnitas tiene un circuito? Cada elemento de dos terminales contribuye con un voltaje y una corriente desconocidos. Así que E elementos contribuyen con 2E incógnitas. Por lo tanto:
Resolver un circuito con E elementos requiere un sistema de 2E ecuaciones independientes.

Verificación de conceptos

Ve si puedes responder estas preguntas sobre nuestro circuito de ejemplo.
¿Cuántos elementos hay en el circuito?
E=
elementos.

¿Cuántos nodos tiene el circuito?
N=
nodos.

¿Cuántos lazos tiene el circuito?
lazos.

¿Cuántos de esos lazos son mallas?
mallas.

¿Cuántas ecuaciones necesitamos tener para resolver este circuito?
ecuaciones.

¿De dónde salen las 2E ecuaciones?

Respuesta: la mitad de las ecuaciones viene de los elementos individuales; la otra mitad viene de las leyes de Kirchhoff de la corriente y del voltaje.

La mitad de las ecuaciones viene de las leyes de los elementos

Imagina que tienes los componentes del circuito desconectados y esparcidos sobre una mesa.
Cada elemento tiene una corriente y un voltaje desconocidos:
Cada elemento trae consigo una ecuación i-v. Me gusta pensar que los elementos de los circuitos son como pequeños pedazos de matemáticas.
Estas relaciones i-v representan E ecuaciones independientes, la mitad del total requerido.

¿De dónde vienen las E ecuaciones que faltan?

Las E ecuaciones que faltan vienen de las restricciones implicadas por el circuito. Las conexiones del circuito se juntan y restringen los voltajes y las corrientes de los elementos individuales. Podemos desarrollar E ecuaciones de conectividad al usar las leyes de la corriente (LCK) y del voltaje (LVK) de Kirchhoff.
Digamos que un circuito tiene E elementos y N nodos.
Nuestro circuito de ejemplo tiene E=5 elementos (ramas) y N=3 nodos. También sabemos que el circuito tiene 6 lazos, 3 de los cuales son mallas.
Tener 3 nodos y 6 lazos son muchas posibilidades para tener E=5 ecuaciones más, pero tenemos que ser cuidadosos. Las ecuaciones que generemos tienen que ser independientes entre sí.

¿Qué es una ecuación independiente?

Una ecuación es linealmente independiente si no se puede derivar a partir de una combinación lineal de las otras ecuaciones en el sistema. Las combinaciones lineales son cualquier secuencia de sumar, restar o multiplicar por una constante. Usas estas operaciones para combinar ecuaciones a medida que tratas de derivar la ecuación que falta.

¿Cuántas ecuaciones independientes vienen de la LCK?

Podemos escribir las ecuaciones de la LCK en cada nodo en el circuito para generar N ecuaciones. PERO las N ecuaciones de la LCK no son todas independientes. Una ecuación es redundante. Siempre es posible derivar una de las ecuaciones de la LCK a partir de las otras. Siempre hay una ecuación dependiente que no proporciona ninguna información nueva, así que no se necesita.
Solo podemos escribir N−1 ecuaciones independientes al usar la LCK. Podemos elegir qué nodo dejar fuera. Por lo general, no incluimos el nodo de tierra porque es el más complicado (tiene el mayor número de conexiones).
Resumen: la LCK contribuye con N−1 ecuaciones independientes.
Esto nos deja con E−(N−1) ecuaciones restantes.

¿Cuántas ecuaciones independientes vienen de la LVK?

Después de escribir N−1 ecuaciones al usar la LCK, todavía necesitamos encontrar otras E−(N−1). En nuestro circuito de ejemplo, necesitamos encontrar 5−(3−1)=3 ecuaciones más. ¿De dónde vendrán? Salen de usar la LVK alrededor de los lazos del circuito.
La teoría de grafos nos dice dos cosas maravillosas:
  • La LVK produce exactamente el número correcto de ecuaciones independientes, E−(N−1).
  • E−(N−1) es igual al número de mallas.
De modo que una forma fácil de saber el número de ecuaciones provenientes de la LVK es contar las mallas.
Nuestro circuito de ejemplo tiene 3 mallas, así que inmediatamente sabemos que necesitamos escribir 3 ecuaciones de la LVK; ni más, ni menos. Nuestro circuito tiene 6 lazos (incluyendo las 3 mallas), así que hay bastantes opciones para escribir las ecuaciones que necesitamos.

Asegurarse de que las ecuaciones de la LVK sean independientes

Queremos que las ecuaciones de la LVK sean independientes. ¿Cómo hacemos eso?
La forma más sencilla: si nos limitamos a escribir las ecuaciones de la LVK solo para las mallas:
Las mallas garantizan la producción de ecuaciones independientes.
Si queremos (o tenemos) que incluir ecuaciones para lazos que no sean mallas, requerimos un poco más de cuidado para asegurarnos de que sean independientes. Una manera de asegurarnos de que un lazo es independiente es:
Asegurarse de que cada lazos incluya un elemento que no esté en ningún otro lazo.
Para nuestro circuito de ejemplo, de los 6 lazos disponibles, necesitamos obtener 3 ecuaciones independientes para la LVK. Echemos un vistazo al diagrama de lazos:
Si escogemos las tres mallas, I, II y III, ¡ganamos! Las tres mallas producen el número correcto de ecuaciones, y está garantizado que sean independientes. Esto es muy conveniente, ya que es fácil identificar las mallas. Esta es la base del método de la corriente de malla.
Otro conjunto válido de lazos de nuestro circuito de ejemplo serían los lazos IV, V y VI. ¿Por qué este podría ser un buen conjunto?
  • Hay 3 ecuaciones, como lo requiere E−(N−1)=3.
  • Cada elemento está incluido en un lazo.
Algunos conjuntos de lazos no cumplen con los lineamientos: ¿puedes decir por qué?
  • I, V y VI
  • IV y V
  • I, II, III y VI
Escribir las ecuaciones de la LVK para lazos que no sean mallas toma un poco más de cuidado, pero a veces podrías querer usar un lazo, o estás forzado a usarlo. No rehuyas a usar lazos, simplemente mantente alerta y atento acerca de ellos.

Resumen

Hay tres restricciones sobre las corrientes y los voltajes en un circuito:
  • Las leyes i-v de los elementos.
  • La ley de la corriente de Kirchhoff.
  • La ley del voltaje de Kirchhoff.
El sistema de ecuaciones que debes escribir captura estas restricciones.
Para un circuito con E elementos y N nodos:
  • Necesitas :
    • 2E ecuaciones independientes para resolver el circuito.
  • Obtienes:
    • E ecuaciones a partir de las leyes de los elementos para cada componente (la ley de Ohm y demás).
    • N−1 ecuaciones independientes para los nodos al usar la LCK.
    • E−(N−1) ecuaciones independientes para los lazos al usar la LVK.
  • E−(N−1) es igual al número de mallas, así que una forma fácil de averiguar el número correcto de ecuaciones de la LVK es contar las mallas.
  • Escribir las ecuaciones de la LVK sobre las mallas garantiza el número correcto de ecuaciones independientes de la LVK.
  • Si incluyes lazos que no sean mallas, si cada lazo tiene por lo menos un elemento que no esté en ningún otro lazo, está garantizado que será independiente.

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