Análisis y simulación de circuitos eléctricos en corriente continua. Miguel Alfonso Altuve Paredes
e integrales, ecuaciones diferenciales de primer y segundo orden, y álgebra lineal.
En el capítulo I, se presenta el sistema de unidades y se definen conceptos fundamentales como carga, corriente, voltaje y potencia. También se describen la resistencia eléctrica, la ley de Ohm, el código de colores de resistencias, y las fuentes de voltaje y corriente, tanto dependientes como independientes. Al final del capítulo se describe el uso de instrumentos de medida, como amperímetro, voltímetro, osciloscopio, etc., para medir y observar las variables en un circuito eléctrico.
El capítulo II define las conexiones entre los elementos (rama, nodo, lazo, serie y paralelo) y se enfoca en las leyes básicas para el análisis de circuitos eléctricos: la ley de corriente de Kirchhoff y la ley de voltaje de Kirchhoff. También se presentan los principios del divisor de corriente y del divisor de voltaje.
Dos técnicas fundamentales para analizar circuitos eléctricos se presentan en el capítulo III. Estas son: el análisis de voltaje de nodos y el análisis de corrientes de lazo. Para facilitar la solución del sistema de ecuaciones resultantes se usa un análisis matricial. Se propicia el uso del software MATLAB® (MATrix LABoratory) para resolver el sistema de ecuaciones resultantes y hallar los valores de las variables incógnitas. Por otro lado, el software PSpice® 9.1 Student Version también se introduce, en este capítulo, para simular los circuitos eléctricos y comparar el resultado simulado con el resultado analítico.
El capítulo IV está dedicado a la utilización de teoremas para analizar circuitos eléctricos. En primer lugar, se presenta la aplicación del principio de superposición, para facilitar el análisis de circuitos eléctricos con varias fuentes que alimentan el circuito. Posteriormente, se describe el proceso de transformación de fuentes, el teorema de Thévenin, el teorema de Norton, y el teorema de máxima transferencia de potencia.
En el capítulo V se presentan los condensadores y las bobinas, elementos pasivos que almacenan energía. Los circuitos resistivos, analizados en los capítulos anteriores, son circuitos estáticos, representados por ecuaciones algebraicas, mientras que los circuitos eléctricos compuestos por condensadores y bobinas son circuitos dinámicos, y están representados por ecuaciones diferenciales. En este capítulo se analizan estos componentes en régimen permanente o estado estable, y se determina la energía almacenada en estos elementos de circuitos.
El capítulo VI se dedica al análisis de la respuesta de los circuitos RC y RL cuando hay un cambio abrupto de corriente o voltaje. Estos circuitos se denominan circuitos de primer orden, dado que la aplicación de las leyes de Kirchhoff da por resultado una ecuación diferencial de primer orden (se obtiene una ecuación algebraica como cuando el circuito es netamente resistivo).
En el capítulo VII se analiza la respuesta de los circuitos de segundo orden RLC en sus configuraciones en serie y en paralelo, cuando su respuesta depende de las condiciones iniciales de los elementos de almacenamiento (caso sin fuente) y cuando su respuesta depende de una fuente de excitación de voltaje o corriente de tipo escalón unitario (caso con fuente de corriente continua).
En la bibliografía, al final del libro, se presenta una serie de libros de referencia, ampliamente utilizados en la enseñanza de circuitos eléctricos, tanto en corriente continua como en corriente alterna. También se indican libros de texto de MATLAB® y PSpice® que pueden ser consultados por el lector para adquirir mayores destrezas en el uso de esos programas informáticos.
Se han incluido cinco apéndices para complementar la información presentada a lo largo del libro de texto. En el primer apéndice se realiza una descripción del software MATLAB® como herramienta para el análisis de los circuitos eléctricos1. En el segundo apéndice se describe el uso del software PSpice® 9.1 Student Version para simular los circuitos eléctricos. Los últimos tres apéndices están dedicados a mostrar los valores comerciales de los resistores, condensadores y bobinas, respectivamente.
En este libro el estudiante se expone por primera vez al cambio de paradigma de la física a la ingeniería, dejando a un lado la explicación de los fenómenos físicos eléctricos para dedicarse a aceptar esos fenómenos y utilizarlos en el análisis de circuitos eléctricos, lo que no es más que la obtención, de manera analítica, de las variables corriente y voltaje. Las demostraciones de leyes y teoremas, así como las deducciones de expresiones matemáticas, han sido obviadas en este libro de texto. Estas pueden ser consultadas en los libros de referencia que se mencionan al final, en la bibliografía. Por otro lado, en comparación con otros libros de circuitos eléctricos, muchos de los problemas propuestos y resueltos en este tienen una gran dificultad. La simulación de dichos circuitos usando PSpice® es una ayuda fundamental para corroborar la solución analítica en estos casos de gran complejidad.
Escribir este libro no habría sido posible sin el apoyo de muchas personas. En primer lugar quiero expresar mi gratitud a mi esposa Rosana, por su paciencia, comprensión y tolerancia. Además, agradezco la ayuda de mis colegas de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. También deseo agradecer a las personas de la UPB, seccional Bucaramanga quienes contribuyeron a que esta obra fuera posible: Raúl Restrepo, exdirector de la Facultad de Ingeniería Electrónica, Omar Pinzón, director de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Luis Felipe Casas, exvicerrector académico, Ana Fernanda Uribe, vicerrectora académico, y Ginette Rocío Moreno, profesional de divulgación científica.
Finalmente, este libro se debe a un gran número de revisores que dedicaron tiempo y esfuerzo para realizar críticas y sugerencias a esta edición. Sin embargo, a pesar de las incontables horas dedicadas a la preparación de este documento, es inevitable que aún existan errores, tanto en el texto como en los ejercicios. Es por ello que las críticas, correcciones y sugerencias serán bien recibidas y tomadas en cuenta para una futura edición de esta obra. Estas pueden ser enviadas a mi correo electrónico [email protected].
Miguel Alfonso Altuve Paredes es profesor asociado (2015-actual) de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Pontificia Bolivariana, seccional Bucaramanga, Colombia.
En adición, fue profesor agregado (2005-2014) del Departamento de Tecnología Industrial de la Universidad Simón Bolívar sede del Litoral, Camurí Grande, Venezuela, y profesor instructor tanto en la Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Aérea Nacional (2003-2005) como en la Universidad Bicentenaria de Aragua (2003-2004), ambas ubicadas en Maracay, Venezuela. También ha desempeñado varios cargos administrativos, tales como: coordinador de la Maestría en Ingeniería Electrónica (2016-actual) de la Universidad Pontificia Bolivariana, seccional Bucaramanga; coordinador de investigación y desarrollo (2012-2014) en el área de Ciencias Básicas y Tecnológicas de la Universidad Simón Bolívar, sede del Litoral, Camurí Grande, Venezuela, institución en la que además ocupó el cargo de coordinador de tecnología eléctrica y electrónica (2011 – 2012).
El profesor Altuve obtuvo el grado de Doctor en Tratamiento de Señales y Telecomunicaciones (2011), mención Honorable, en la Universidad de Rennes 1, Francia; el grado de Magíster en Ingeniería Electrónica (2006) en la Universidad Simón Bolívar, Caracas, Venezuela, y el título de Ingeniero Electrónico (2002), mención Comunicaciones, en la Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza