Circuitos eléctricos: fundamentos para ingenieros
Aprende los fundamentos de los circuitos eléctricos incluyendo la ley de Ohm, las leyes de Kirchhoff, circuitos en serie y paralelo, y análisis de potencia.
Cantidades eléctricas básicas
Tres cantidades fundamentales definen el comportamiento de cualquier circuito eléctrico: voltaje (V), corriente (I) y resistencia (R). El voltaje, medido en voltios, es la diferencia de potencial eléctrico que impulsa la carga a través de un circuito, análogo a la presión en un sistema de fluidos. La corriente, medida en amperios, es la tasa de flujo de carga. La resistencia, medida en ohmios, se opone al flujo de corriente, análogo a la fricción en una tubería. Están relacionados por la ley de Ohm: V = I x R. La potencia (P), medida en vatios, es la tasa de consumo o entrega de energía eléctrica. Potencia = voltaje x corriente: P = V x I.
La ley de Ohm y sus aplicaciones
La ley de Ohm, V = IR, es la ecuación más utilizada en ingeniería eléctrica. Permite calcular cualquiera de las tres cantidades si conoces las otras dos. Para una batería de 12 voltios conectada a una resistencia de 4 ohmios, la corriente es 12/4 = 3 amperios. Combinada con las ecuaciones de potencia P = IV = I al cuadrado x R = V al cuadrado / R, forma la base para dimensionar conductores, calcular caídas de voltaje, determinar la disipación de calor en componentes y diseñar circuitos de protección.
Circuitos en serie y en paralelo
En un circuito en serie, los componentes se conectan extremo con extremo para que la misma corriente fluya a través de cada uno. La resistencia total es la suma de las individuales: R_total = R1 + R2 + R3. El voltaje se divide entre los resistores en proporción a sus valores. En un circuito en paralelo, los componentes se conectan entre los mismos dos nodos, así que cada uno ve el mismo voltaje. La resistencia total se calcula como 1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3, que siempre es menor que la menor resistencia individual. La corriente se divide entre las ramas inversamente proporcional a sus resistencias.
Leyes de Kirchhoff
Las dos leyes de Kirchhoff son esenciales para analizar circuitos que no pueden simplificarse en combinaciones serie-paralelo. La Ley de Corrientes de Kirchhoff (LCK) establece que la suma de corrientes entrando a cualquier nodo es igual a la suma saliendo, que es conservación de carga. La Ley de Voltajes de Kirchhoff (LVK) establece que la suma de subidas y caídas de voltaje alrededor de cualquier malla cerrada es igual a cero, que es conservación de energía. Estas leyes aplican tanto a circuitos de CC como de CA y forman la base matemática para todo software de análisis de circuitos.
Circuitos de CA: impedancia, reactancia y fase
Los circuitos de corriente alterna introducen dos nuevos elementos: inductores y capacitores, que almacenan energía en campos magnéticos y eléctricos respectivamente. A diferencia de los resistores, estos elementos causan que la corriente y el voltaje estén desfasados. La impedancia de un inductor es j x omega x L (la corriente atrasa al voltaje 90 grados), y la de un capacitor es 1 / (j x omega x C) (la corriente adelanta al voltaje 90 grados), donde omega = 2 pi f es la frecuencia angular. La impedancia total Z juega el mismo papel que la resistencia en circuitos de CC, y la ley de Ohm se generaliza a V = I x Z usando aritmética de fasores.
Potencia en circuitos de CA
La potencia en CA tiene tres componentes: potencia real (P, en vatios), potencia reactiva (Q, en volt-amperios reactivos o VAR) y potencia aparente (S, en volt-amperios o VA). La potencia real realiza trabajo útil; la reactiva oscila entre la fuente y los elementos reactivos sin realizar trabajo neto; la aparente es el producto del voltaje RMS y la corriente RMS. Se relacionan por el triángulo de potencias: S al cuadrado = P al cuadrado + Q al cuadrado, y el factor de potencia es cos(phi) = P/S. Un bajo factor de potencia significa que el circuito consume más corriente de la necesaria, aumentando las pérdidas en conductores.
Sistemas trifásicos de potencia
La mayor parte de la energía industrial y de servicios públicos se distribuye como CA trifásica porque entrega potencia constante (a diferencia de la monofásica, que pulsa), usa menos material conductor y acciona eficientemente motores grandes. Un sistema trifásico consiste en tres voltajes espaciados equitativamente 120 grados. En un sistema balanceado, el voltaje de línea es raíz de 3 veces el voltaje de fase, y la potencia trifásica total es P = raíz de 3 x V_línea x I_línea x cos(phi). Las cargas trifásicas pueden conectarse en estrella (Y) o delta.
Seguridad y consideraciones prácticas
Los circuitos eléctricos presentan peligros que incluyen choque, arco eléctrico e incendio. La puesta a tierra adecuada, la protección contra sobrecorriente (fusibles e interruptores) y el aislamiento son medidas de seguridad no negociables. Los interruptores deben dimensionarse para dispararse antes de que los conductores se sobrecalienten. La caída de voltaje en cables largos debe mantenerse dentro de los límites del código, típicamente 3% para circuitos derivados y 5% total. El calibre del conductor debe seleccionarse según las tablas de capacidad de corriente (ampacidad) que consideran material, aislamiento, temperatura ambiente y llenado del conducto.