Una red eléctrica es una interconexión de componentes eléctricos (p. ej., baterías , resistencias , inductores , condensadores , interruptores , transistores ) o un modelo de dicha interconexión, que consta de elementos eléctricos (p. ej., fuentes de tensión , fuentes de corriente , resistencias , inductancias , capacitancias) . ). Un circuito eléctrico es una red que consta de un circuito cerrado que proporciona un camino de retorno a la corriente. Por tanto, todos los circuitos son redes, pero no todas las redes son circuitos (aunque las redes sin un circuito cerrado a menudo se denominan de manera imprecisa "circuitos"). Las redes eléctricas lineales , un tipo especial que consta únicamente de fuentes (tensión o corriente), elementos lineales agrupados (resistencias, condensadores, inductores) y elementos lineales distribuidos (líneas de transmisión), tienen la propiedad de que las señales son linealmente superponibles . Por lo tanto, se analizan más fácilmente, utilizando potentes métodos en el 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 condensadores e inductores. Si las fuentes son fuentes constantes ( DC ), el resultado es una red DC. La resistencia efectiva y las propiedades de distribución de corriente 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 generalmente no son lineales y requieren herramientas de análisis y diseño más complejas.
Una red activa contiene al menos una fuente de voltaje o fuente de corriente que puede suministrar energía a la red de manera 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 potencia y controlar el flujo de corriente dentro del circuito.
Las redes pasivas no contienen ninguna fuente de fuerza electromotriz. Consisten en elementos pasivos como resistencias y condensadores.
Una red es lineal si sus señales obedecen al principio de superposición ; de lo contrario es no lineal. Generalmente se considera que las redes pasivas son lineales, pero existen excepciones. Por ejemplo, un inductor con un núcleo de hierro puede saturarse si se acciona 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 agrupados porque se supone que todas sus resistencias, capacitancias e inductancias, respectivamente, están ubicadas ("agrupadas") en un solo lugar. Esta filosofía de diseño se denomina modelo de elementos agrupados y las redes así diseñadas se denominan circuitos de elementos agrupados . 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 agrupada ya no se cumple porque hay una fracción significativa de una longitud de onda a través de las dimensiones de los componentes. 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 circuito semiconcentrado es el filtro combinado .
Las fuentes se pueden clasificar 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 (DC) o sinusoidal (AC). La intensidad del voltaje o la corriente no cambia por ninguna variación en la red conectada.
Las fuentes dependientes dependen de un elemento particular del circuito para entregar energía, voltaje o corriente, según el tipo de fuente que sea.
Varias leyes eléctricas se aplican a todas las redes resistivas lineales. Éstas incluyen:
La aplicación de estas leyes da como resultado un conjunto de ecuaciones simultáneas que pueden resolverse algebraica o numéricamente. Las leyes generalmente se pueden extender a redes que contienen reactancias . No se pueden utilizar en redes que contengan componentes no lineales o que varían en el tiempo.
Para diseñar cualquier circuito eléctrico, ya sea analógico o digital , los ingenieros eléctricos deben poder predecir los voltajes y corrientes en todos los lugares dentro del circuito. Los circuitos lineales simples se pueden analizar manualmente utilizando la teoría de números complejos . En casos más complejos, el circuito puede analizarse 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 la construcción de 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 estacionario , 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 en estado estacionario, 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 señal pequeña de los voltajes y corrientes. Esta es una aplicación de la Ley de Ohm. La matriz del circuito lineal resultante se puede resolver con eliminación gaussiana .
Software como la interfaz PLECS para Simulink utiliza una aproximación lineal por partes de las ecuaciones que gobiernan 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. Agregar más detalles a la aproximación de ecuaciones aumenta la precisión de la simulación, pero también aumenta su tiempo de ejecución.
