Circuit elèctric

Un circuit elèctric és una interconexió de components elèctrics (com baterias, resistorés, inductorés, capacitores, interruptorés, semiconductors, entre uns atres) que transporten la corrent elèctrica a través d'una trayectòria tancada.

Un circuit llineal, que consta de fonts, components llineals (resistències, condensadores, inductores) i elements de distribució llineals (llínees de transmissió o cables), té la propietat de la superposició llineal. Ademés, són més fàcils d'analisar, usant métodos en el domini de la freqüència, com la transformada de Laplace, per a determinar la seua resposta en corrent contínua, en corrent alterna i transitòria.

Un circuit elèctric és una ret formada per un bucle tancat, que oferix una via de tornada per a la corrent. Per lo tant, tots els circuits són rets, pero no totes les rets són circuits (encara que les rets sense bucle tancat a sovint es denominen "circuits" de forma imprecisa). Les rets elèctriques Circuit llineallineals, són un tipo especial que consistix només en fonts (tensió o corrent), elements llineals (resistències, condensadores, inductores) i elements llineals distribuïts (llínees de transmissió), tenen la propietat de que les senyals són linealmente superponibles.

Un circuit resistiu és un circuit que conté solament resistències, fonts de voltage i corrent. l'anàlisis de circuits resistius és menys complicat que l'anàlisis de circuits que contenen capacitores i inductores. Si les fonts són de corrent contínua, es denomina: «circuit de corrent contínua». La resistència efectiva i les propietats de distribució de corrent de rets de resistències arbitràries es poden modelar en térmens de les seues mides gràfiques i propietats geomètriques.

Un circuit que té components electrònics es denomina circuit electrònic. Generalment, estes rets són no llineals i requerixen dissenys i ferramentes d'anàlisis molt més complexos.

Història

L'història de la comprensió dels circuits elèctrics es remonta als primers descobriments de l'electricitat i el magnetisme en els sigles XVII i XVIII. Pioners com William Gilbert i Benjamin Franklin varen assentar les bases de la teoria elèctrica. Els experiments de Franklin en l'electricitat varen dur al desenroll del concepte de càrrega elèctrica, i el seu famós experiment en la cometa en 1752 va demostrar la conexió entre el raig i l'energia elèctrica.

A finals d'el XVIII, Luigi Galvani i Alessandro Volta varen alvançar en la comprensió de l'electricitat en els seus treballs sobre la bioelectricidad i l'invenció de la primera bateria química, respectivament. La bateria de Volta va proporcionar una font constant de corrent elèctrica i va ser crucial per a estudis posteriors sobre circuits elèctrics.

Ya en el XIX, el camp de l'ingenieria elèctrica va escomençar a prendre forma en les contribucions de científics com André-Marie Ampère, Georg Simon Ohm i Michael Faraday. Ampère va formular les lleis que rigen la relació entre la corrent elèctrica i els camps magnètics, lo que va dur a la creació de l'electrodinàmica. El descobriment de la Llei d'Ohm per part d'Ohm en 1827, que va definir la relació entre voltage, corrent elèctrica i resistència elèctrica, va ser fonamental en l'anàlisis de circuits. Esta llei va permetre als ingeniers calcular la corrent, el voltage i la resistència en circuits simples.

El treball de Faraday sobre electromagnetisme va dur a la comprensió dels camps elèctrics i les corrents induïdes, aplanant el camí per a teories elèctriques més alvançades. El seu descobriment de l'inducció electromagnètica en 1831, per eixemple, va ser crucial per a entendre cóm els circuits elèctrics podien usar-se per a generar corrent. A finals d'el XIX i principis d'el XX, es varen desenrollar metodologia d'anàlisis de circuits més sofisticades, com les Lleis de Kirchhoff. Les lleis del circuit de Gustav Kirchhoff (la llei de voltage i la llei de corrent) en la década de 1840 varen proporcionar métodos per a analisar circuits més complexos. En el sorgiment de l'ingenieria elèctrica com a disciplina formal, matemàtics i ingeniers varen desenrollar diverses tècniques, com l'anàlisis de malles, l'anàlisis nodal i les transformades de Laplace, per a resoldre equacions de circuits.

Elements d'un circuit

Figura 1: Circuit eixemple. R poden ser resistències o resistorés. Les fonts d'alimentació I1 i I2 es representen en un círcul.

• Component: un dispositiu en dos o més terminals en el que pot fluir interiorment una càrrega. En la figura 1 es veuen 9 components entre resistores i fonts.
• Nodo: punt d'un circuit a on concorren més de dos conductors. A,B,C,D,I són nodos. C no es considera un nou nodo, perque es pot considerar el mateix nodo que A, ya que entre ells no existix diferència de potencial o tindre tensió 0 (V_A - V_C = 0).
• Branca: porció del circuit compresa entre dos nodos consecutius. En la figura 1 hi ha sèt ramals: AB per la font, BC per R1, AD, AE, BD, BE i DE. Òbviament, per un ramal solament pot circular una corrent.
• Malla: qualsevol camí tancat en un circuit elèctric.

• Font: component que s'encarrega de proporcionar energia elèctrica al circuit sancer. En el circuit de la figura 1 hi ha tres fonts: una d'intensitat, I, i dos de tensió, I1 i I2.
• Conductor: és un objecte de material que permet elliure fluix de corrent,-sense resistència-, fent contacte entre dos o més components electrònics.

Classificació

Passivitat

Una ret activa conté a lo manco una font de tensió o font de corrent que pot suministrar energia a la ret indefinidament. Una ret passiva no conté una font activa.

Una ret activa conté una o més fonts de força electromotriz. Eixemples pràctics de tals fonts inclouen una bateria o un generador. Els elements actius poden injectar potència al circuit, proporcionar guany de potència i controlar el fluix de corrent dins del circuit. Les rets passives no contenen fonts de força electromotriz. Estan formades per elements passius com a resistències i condensadores.

Per linealidad

Una ret és llineal si les seues senyals obedixen al principi de superposició; en cas contrari, és no llineal. Les rets passives solen considerar-se llineals, pero hi ha excepcions. Per eixemple, un inductor en núcleu de ferro pot entrar en saturació si es conduïx en una corrent suficientment gran. En esta regió, el comportament de l'inductor és molt poc llineal.

Per grups

Els components passius discrets (resistències, condensadores i inductores) es denominen elements agrupats perque se supon que tota la seua resistència, capacitancia i inductància es troba ("agrupada") en un lloc. Esta filosofia de disseny es denomina circuit de paràmetros concentrats i les rets aixina dissenyades es denominen circuits d'elements agrupats. Est és l'enfocament convencional per al disseny de circuits. A freqüències lo suficientment altes, o per a circuits lo suficientment llarcs (com llínees de transmissió d'energia), la suposició dels elements ya no és vàlida perque hi ha una fracció significativa d'una llongitut d'ona per mig de les dimensions dels components. Per a estos casos és necessari un nou model de disseny, denominat model d'elements distribuïts. Les rets dissenyades segons este model es denominen circuits d'elements distribuïts.

Un circuit d'elements distribuïts que inclou alguns components lumped es denomina disseny semi-lumped (Circuit de paràmetros concentrats). Un eixemple de circuit semi-lumped és el Filtre comb.

Una atra classificació

Els circuits elèctrics es poden classificar en funció de distints criteris: la senyal, el règim, els components o la configuració. Conforme a estos criteris, es poden distinguir les següents classificacions:

___*$\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{e}\tilde{\mathrm{n}}\mathrm{a}\mathrm{l}\{\begin{array}{c}\text{Corriente continua}\\ \text{Corriente alterna}\end{array}$

$\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{r}\acute{\mathrm{e}}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{n}\{\begin{array}{c}\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{i}\acute{\mathrm{o}}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{a}\\ \text{Corriente transitoria}\\ \text{Permanente}\end{array}$

$\text{Tipos de componentes}\{\begin{array}{c}\mathrm{E}\mathrm{l}\acute{\mathrm{e}}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\\ \mathrm{E}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{r}\acute{\mathrm{o}}\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\{\begin{array}{c}\text{Digitals}\\ \mathrm{A}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}\acute{\mathrm{o}}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\\ \text{Mixtos}\end{array}\end{array}$

$\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{p}\mathrm{o}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{f}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{i}\acute{\mathrm{o}}\mathrm{n}\{\begin{array}{c}\text{Serie}\\ \text{Paralo}\\ \text{Mixto}\end{array}$

Classificació de les fonts

Les fonts poden classificar-se en fonts independents i fonts depenents.

Independents

Una font independent ideal manté la mateixa tensió o corrent independentment dels demés elements presents en el circuit. El seu valor és constant (CC) o sinusoidal (CA). L'intensitat de la tensió o de la corrent no es veu modificada per cap variació en la ret conectada.

Dependents

Les fonts depenents depenen d'un element concret del circuit per a suministrar la potència o la tensió o la corrent depenent del tipo de font que siga, és dir, font de voltage o una font de corrent el valor de la qual depén d'un voltage o corrent en una atra part de la ret.

Lleis fonamentals

Vore també: Anàlisis de circuits

Les lleis fonamentals que rigen en qualsevol circuit elèctric són:

• Llei de corrent de Kirchhoff: la suma de les corrents que entren per un nodo deu ser igual a la suma de les corrents que ixen per eixe nodo.
• Llei de tensions de Kirchhoff: la suma de les tensions en una malla deu ser zero.
• Llei d'Ohm: el fluix de la corrent és directament proporcional al voltage, i inversamente proporcional a la resistència.
• Teorema de Norton: qualsevol ret llineal que tinga una font de tensió o de corrent i a lo manco una resistència és equivalent a una font ideal de corrent en paral en una resistència.
• Teorema de Thévenin: qualsevol ret llineal que tinga una font de tensió o de corrent i a lo manco una resistència és equivalent a una font ideal de tensió en série en una resistència.
• Teorema de superposició: en una ret elèctrica llineal en vàries fonts independents, la resposta d'una branca determinada quan totes les fonts estan actives simultàneament és igual a la suma llineal de les respostes individuals prenent una font independent al mateix temps. Si el circuit conté components no llineals i reactius, poden necessitar-se atres lleis més complexes. La seua aplicació genera un sistema d'equacions que pot resoldre's ya siga de forma algebraica o numèrica.

Métodos de disseny

Per a dissenyar qualsevol circuit elèctric, ya siga analògic o digital, els ingeniers elèctrics deuen ser capaços de predir les tensions i corrents de tot el circuit. Els circuits llineals, és dir, circuits en la mateixa freqüència d'entrada i eixida, poden analisar-se a mà usant la teoria dels número complex. Atres circuits solament poden analisar-se en programes informàtics especialisats o en tècniques d'estimació com el método de linealisació. Els programes informàtics de simulació de circuits, com SPICE, i llenguages com VHDL i Verilog, permeten als ingeniers dissenyar circuits sense el temps, despesa i risc que té el construir un circuit prototip. Si el circuit elèctric té components no llineals i reactius, poden necessitar-se atres lleis molt més complexes. En aplicar estes lleis o teoremes es produirà un sistema d'equacions llineals que pot resoldre's manualment o per computadora o ordenador.

Software de simulació de rets

Circuits més complexos poden ser analisats numèricament en software com SPICE o Gnucap, o simbòlicament usant software com SapWin.

Linealisació al voltant del punt de funcionament

Quan s'enfronta a un nou circuit, el software primer intenta trobar una solució d'estat estable, és dir, un a on tots els nodos s'ajusten a la llei de corrent de Kirchhoff i els voltages per mig de cada element del circuit s'ajusten a les equacions de voltage/corrent que governen eixe element. Una volta trobada la solució d'estat estacionario, es coneixen els punts de funcionament de cada element del circuit. Per a un anàlisis de chicoteta senyal, cada element no llineal pot ser linealizado al voltant del seu punt d'operació per a obtindre l'estimació de chicoteta senyal dels voltages i corrents. Es tracta d'una aplicació de la Llei d'Ohm. La matriu del circuit llineal resultant pot resoldre's en eliminació gaussiana.

Aproximació llineal a trossos

Software com l'interfaç PLECS per a Simulink utilisa l'aproximació Piecewise linear function de les equacions que governen els elements d'un circuit. En matemàtiques i estadística, una funció llineal per parts, PL o segmentada (piecewise linear function) és una funció de valor real d'una variable real, que la seua gràfica es compon exclusivament de segments de llínea recta. El circuit es tracta com una ret completament llineal de diodos ideals. Cada volta que un diodo passa d'encés a apagat o viceversa, canvia la configuració de la ret llineal. Afegir més detalls a l'aproximació de les equacions aumenta la precisió de la simulació, pero també el seu temps d'eixecució.

Vore també

• Circuits de corrent directa: són aquells a on la corrent manté la seua magnitut a lo llarc del temps.
• Circuits de corrent alterna: són aquells a on la corrent elèctrica varia cíclicamente.
• Circuit digital: treballa en senyals digitals, com els computadorés, els controladors llògics programables i els rellonges electrònics, entre uns atres.
• Circuit en série: conectat secuencialmente.
• Circuit en paral: a on tots els components coincidixen entre les seues terminals.
• Circuit integrat: pastilla de material semiconductor, d'alguns milímetros quadrats d'àrea, sobre la que es fabriquen circuits electrònics.
• Circuits de senyal mixta: contenen components analògics i digitals. Els conversores analògic-digital i els conversores digital-analògic són els principals eixemples.
• Circuits de primer orde: contenen solament un element que almagasena energia.

• Diagrama electrònic: representació pictòrica d'un circuit.
• Circuit RL
• Circuit RC
• Circuit RLC
• Curtcircuit
• Instalació elèctrica
• Electrònica

Enllaços externs

Plantilla:Wikibooks Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Circuit elèctric.

Circuit elèctric en el Viccionari. Plantilla:Wikiversidad

• Curs Interactiu de Circuits de l'Universitat Nacional de Colòmbia.
• Circuits d'Electrònica.
• Colecció de circuits pràctics complets (GNU).
• Circuits i Proyectes Electrònics.
• Teoria de Circuits de l'Universitat de Valladolit.