Red eléctrica

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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 una ruta de retorno para la corriente. Por lo tanto, todos los circuitos son redes, pero no todas las redes son circuitos (aunque las redes sin un bucle cerrado a menudo se denominan imprecisamente "circuitos"). Las redes eléctricas lineales , un tipo especial que consta solo de fuentes (tensión o corriente), elementos agrupados 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 métodos potentes del dominio de la frecuencia como las transformadas de Laplace , para determinar la respuesta de CC , la respuesta de CA y la respuesta transitoria .

Una red resistiva es una red que contiene solo resistencias y fuentes ideales de corriente y voltaje. El análisis de redes resistivas es menos complicado que el análisis de redes que contienen capacitores e inductores. Si las fuentes son fuentes constantes ( CC ), el resultado es una red de CC. Las propiedades de distribución de corriente y resistencia efectiva de redes de resistencias arbitrarias se pueden modelar en términos de sus medidas gráficas y propiedades geométricas. ^[1]

Una red que contiene componentes electrónicos activos se conoce como circuito electrónico . Estas redes son generalmente no lineales y requieren herramientas de diseño y análisis más complejas.

Una red activa contiene al menos una fuente de tensión o una fuente 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 tales fuentes incluyen una batería o un generador . Los elementos activos pueden inyectar energía al circuito, proporcionar ganancia de energía y controlar el flujo de corriente dentro del circuito.

Las redes pasivas no contienen ninguna fuente de fuerza electromotriz. Están formadas por elementos pasivos como resistencias y condensadores.

Una red es lineal si sus señales obedecen al principio de superposición ; en caso contrario, es no lineal. Las redes pasivas se consideran generalmente lineales, pero hay excepciones. Por ejemplo, un inductor con núcleo de hierro puede saturarse si se lo alimenta con una corriente lo suficientemente grande. En esta región, el comportamiento del inductor es muy no lineal.

Los componentes pasivos discretos (resistencias, condensadores e inductores) se denominan elementos concentrados porque se supone que toda su resistencia, capacitancia e inductancia, respectivamente, se encuentra ("concentrada") en un lugar. Esta filosofía de diseño se denomina modelo de elementos concentrados y las redes así diseñadas se denominan circuitos de elementos concentrados . Este es el enfoque convencional para el diseño de circuitos. A frecuencias suficientemente altas, o para circuitos lo suficientemente largos (como líneas de transmisión de energía ), la suposición de elementos concentrados ya no se cumple porque hay una fracción significativa de una longitud de onda a través de las dimensiones del componente. Se necesita un nuevo modelo de diseño para tales casos llamado 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 un circuito semiconcentrado es el filtro de línea combinada .

Las fuentes pueden clasificarse en fuentes independientes y fuentes dependientes.

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 intensidad del voltaje o la corriente no se modifica ante ninguna variación en la red conectada.

Las fuentes dependientes dependen de un elemento particular del circuito para entregar la energía, el voltaje o la corriente dependiendo del tipo de fuente que sea.

A todas las redes resistivas lineales se aplican varias leyes eléctricas, entre ellas:

• Ley de corriente de Kirchhoff : la suma de todas las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de todas las corrientes que salen del nodo.

• Ley de voltaje de Kirchhoff : La suma dirigida de las diferencias de potencial eléctrico alrededor de un bucle debe ser cero.

• Ley de Ohm : El voltaje a través de una resistencia es igual al producto de la resistencia por 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 tensión o corriente y resistencias es eléctricamente equivalente a una única fuente de tensión 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 conjunto de ecuaciones simultáneas que se pueden resolver de forma algebraica o numérica. Las leyes se pueden extender, en general, a redes que contienen reactancias . No se pueden utilizar en redes que contienen componentes no lineales o que varían con el tiempo.

Para diseñar cualquier circuito eléctrico, ya sea analógico o digital , los ingenieros eléctricos deben poder predecir los voltajes y las corrientes en todos los puntos del circuito. Los circuitos lineales simples se pueden analizar a mano utilizando 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 partes.

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 construir prototipos de circuitos.

Los circuitos más complejos se pueden analizar numéricamente con software como SPICE o GNUCAP , o simbólicamente utilizando software como SapWin .

Cuando se enfrenta a un nuevo circuito, el software primero intenta encontrar una solución de estado estable , es decir, una en la que todos los nodos se ajusten a la ley de corriente de Kirchhoff y los voltajes a través de cada elemento del circuito se ajusten a las ecuaciones de voltaje/corriente que gobiernan ese elemento.

Una vez que se encuentra la solución de estado estable, se conocen los puntos de operación de cada elemento del circuito. Para un análisis de señal pequeña, cada elemento no lineal se puede linealizar alrededor de su punto de operación para obtener la estimación de voltajes y corrientes de señal pequeña. Esta es una aplicación de la Ley de Ohm. La matriz de circuito lineal resultante se puede resolver con eliminación gaussiana .

Un software como la interfaz PLECS para Simulink utiliza una aproximación lineal por partes 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 encendido a apagado o viceversa, la configuración de la red lineal cambia. Añadir más detalles a la aproximación de las ecuaciones aumenta la precisión de la simulación, pero también aumenta su tiempo de ejecución.

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