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CIRCUITOS ELÉCTRICOS OBJETIVO GENERAL Resolver y diseñar circuitos eléctricos básicos empleando sus leyes y principios fundamentales, generando una actitud reflexiva, analítica, creativa y ordenada que permita proyectar la asignatura en los sistemas de medición y procesamiento de señales biomédicas. METODOLOGÍA •Clases magistrales •Laboratorios •Análisis •Diseño •Simulación 1/23 CIRCUITOS ELÉCTRICOS CONTENIDO •Leyes y técnicas para el análisis de circuitos •Análisis en el dominio del tiempo •Análisis en el dominio de la frecuencia •Respuesta en frecuencia y filtros pasivos 2/23 CIRCUITOS ELÉCTRICOS PRÁCTICAS DE LABORATORIO OBJETIVO GENERAL Manipular los equipos e instrumentos de laboratorio empleados en el curso: Multímetro digital, fuente regulada 1. Equipos de laboratorio (2 horas) generador de señales, osciloscopio y protoboard. Simular circuitos herramientas 2. Simulación de circuitos (2 horas) eléctricos computacionales básicos por apropiadas: medio de ORCAD o PROTEUS. Resolver circuitos eléctricos resistivos mediante la aplicación 3. Circuitos resistivos, equivalente Thevenin y teorema de de sus leyes fundamentales empleando diversas técnicas de superposición (2 horas) análisis. Simular la respuesta de los sistemas de primer y segundo 4. Circuitos de primer orden y segundo orden- orden de acuerdo a los componentes empleados en cada Simulación- (2 horas) circuito. Clasificar respuesta de los sistemas de primer y segundo 5. Circuitos de primer orden y segundo orden- Montaje orden de acuerdo a los componentes empleados en cada físico- (2 horas) circuito. Solucionar circuitos eléctricos empleando Matlab®. 6. Análisis de circuitos con Matlab (2 horas) Diseñar filtros pasivos básicos e interpretar su respuesta en 7. Filtros pasivos y respuesta en frecuencia (2 horas) frecuencia. 3/23 CIRCUITOS ELÉCTRICOS EVALUACIÓN •Quiz No 1 (3%) jueves 4 de agosto •Quiz No 2 (3%) martes 30 agosto •Parcial (20%) martes 13 de septiembre •Quiz No 3 (3%) martes 27 de septiembre •Quiz No 4 (3%) lunes 24 de octubre •Quiz No 5 (3%) jueves 3 de noviembre •Final (30%) martes 15 de noviembre. Tema: Todo. •Laboratorios (20%) -7•Proyecto integrador (15%) 4/23 CIRCUITOS ELÉCTRICOS BIBLIOGRAFÍA http://bioinstrumentacion.eia.edu.co NILSSON, James W. y RIEDEL, Susan A. Circuitos eléctricos. 7 ed . New Yersey : Prentice Hall, 2005. (621.3815/N712/7ed). HAYT, William H. KEMMERLY, Jack E. y DURBIN, Steven M. Análisis de circuitos en ingeniería. 7 ed. México: McGraw-Hill, 2007. (621.38153/H426a/6ed). DECARLO, Raymond A. y LIN, Pen-Min. Linear circuit analysis. 2 ed. New York: Oxford University, 2001. (621.3815/D291). CARLSON, A. Bruce. Circuitos: ingeniería, conceptos y análisis de circuitos eléctricos lineales. México : Thomson, 2001. BOYLESTAD, Robert L. Introducción al análisis de circuitos. 10 ed. México: Pearson/Prentice Hall, 2004. (621.3815/B792a/10ed). 5/23 CAPITULO 1: LEYES Y TÉCNICAS PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS 1.1 INTRODUCCIÓN Modelación Análisis Diseño Construcción de prototipo Generalización del modelo Producción en serie Realidad SIMULACIÓN 6/23 1.2 DEFINICIONES BÁSICAS A. Modelo circuital: Modelo matemático para representar un sistema real. B. Componentes ideales: Modelos de los componentes reales. C. Análisis de circuitos: D. Diseño de circuitos: Técnicas matemáticas de pronóstico. Buscar modelos y componentes para cumplir con una función dada. E. Prototipo físico: Materialización de la solución. 7/23 1.2 DEFINICIONES BÁSICAS F. Carga eléctrica: Propiedad fundamental de la materia. Se representa por la letra Q o q. Se mide en coulombs (C). - + - - La menor carga posible es la del electrón e = -1.602 x 10-19 C. G. Voltaje: Fuerza eléctrica causada por la separación de cargas. Matemáticamente: v= dw/dq 1.1 v=voltaje en voltios (V) w= energía en Joules (J) q= carga en Coulombs (C) 8/23 1.2 DEFINICIONES BÁSICAS H. Corriente: Flujo eléctrico producido por las cargas en movimiento. Matemáticamente: i= dq/dt 1.2 i=corriente en amperios (A). q= carga en coulombs (C) t= tiempo en segundos (s) I. Elemento básico ideal de un circuito: •Posee dos terminales •Se describe matemáticamente en términos de voltaje y corriente. •No puede subdividirse en otros elementos. + v - i 1 2 9/23 1.2 DEFINICIONES BÁSICAS NOTA: Convención pasiva de los signos: “Cuando la dirección de referencia para la corriente en un elemento, se asigne en la dirección de caída de voltaje de referencia a través del elemento, se usa un signo positivo en cualquier expresión que relacione al voltaje con la corriente. De lo contrario se usa un signo negativo”. 10/23 1.2 DEFINICIONES BÁSICAS J. Energía: Es el medio de intercambio de todo sistema físico. Se mide en Joules (J). K. Potencia: Es la velocidad a la cual se disipa o se absorbe energía. Matemáticamente: p = dw/dt 1.3 o también: p= potencia en Watts (W) w= energía en Joules (J) t = tiempo en segundos (s) p = dw/dt = (dw/dq) (dq/dt) = v* i p= v* i. 1.4 11/23 1.2 DEFINICIONES BÁSICAS Convención para la potencia: i + v - i + v - 1 2 1 2 p = -v*i entrega p = v*i consume i v + 1 2 p = -v*i entrega v + i 1 2 p = v*i consume 12/23 1.3 ELEMENTOS DE CIRCUITOS Nota: leer página 26 Libro de Nilsson (seguridad eléctrica) DEFINICIÓN: Un circuito es una interconexión de elementos ideales para modelar un sistema real. A. Fuentes de voltaje y corriente: “Una fuente eléctrica es un aparato capaz de convertir energía no eléctrica en eléctrica y viceversa” Ejemplo: + Batería Dinamo 13/23 1.3 ELEMENTOS DE CIRCUITOS “ Una fuente ideal de voltaje es un elemento de circuito que mantiene un voltaje preestablecido entre sus terminales sin importar la corriente que fluye por ellas”. “ Una fuente ideal de corriente es un elemento de circuito que mantiene una corriente preestablecida fluyendo por sus terminales sin importar el voltaje en ellas”. Fuente ideal de voltaje + _ Vs Is Fuente ideal de corriente 14/23 1.3 ELEMENTOS DE CIRCUITOS Las fuentes ideales se subdividen en: •Fuentes independientes: Son las que su valor de voltaje o corriente no depende de otros parámetros del circuito. + _ Vs Is Fuentes independientes 15/23 1.3 ELEMENTOS DE CIRCUITOS •Fuentes dependientes: Son las que su valor de voltaje o corriente depende de otros parámetros del circuito. Vs = Vx + - Vs = Ix + - Is = Vx Fuentes dependientes de voltaje Is = Ix Fuentes dependientes de corriente 16/23 1.3 ELEMENTOS DE CIRCUITOS B. Resistencia eléctrica: Es la capacidad de los materiales para impedir el flujo de corriente . Se mide en ohms ( ). Se representa por la letra R. Resistor El inverso multiplicativo de la resistencia es la conductancia, la cual se simboliza por la letra G y se mide en siemens ( S ). Matemáticamente: G = 1/R 1.5 G= Conductancia en siemens (S) R= Resistencia en Ohms (). 17/23 1.3 ELEMENTOS DE CIRCUITOS LEY DE OHM: Establece la relación proporcional entre la corriente que fluye por un resistor sometido a un voltaje determinado i i v= i*R 1.6 v= -i*R 1.7 v = voltaje en voltios (V) i = corriente en amperios (A) R= resistencia en ohms () 18/23 1.3 ELEMENTOS DE CIRCUITOS Redes y circuitos: Una red es la interconexión de dos o más elementos simples. Si la red contiene al menos una trayectoria cerrada también será un circuito eléctrico. + _ + _ Red Circuito 19/23 1.4 LEYES DE KIRCHHOOFF A. NODO: Punto donde se conectan dos o más elementos de un circuito. i2 i4 A + - B R2 VR2 - + VR4 R1 i1 R4 V1 VR1 - C - R5 i5 VR5 + + R3 D - VR3 + E F i3 20/23 1.4 LEYES DE KIRCHHOOFF B. LEY DE KIRCHFOFF DE CORRIENTES: “ La suma algebraica de corrientes en cualquier nodo de un circuito es cero” i7 R6 R7 A i8 R8 i6 i9 R10 R9 i10 i (nodo A)= 0 ientran = isalen ientran - isalen =0 1.8 21/23 1.4 LEYES DE KIRCHHOOFF C. LAZO: Es una trayectoria cerrada en un circuito la cual cruza elementos básicos del circuito partiendo de un nodo y regresando al mismo, sin pasar por un nodo intermedio más de una vez. i2 i4 A + - B R2 VR2 - + VR4 R1 i1 V1 VR1 C R4 - R5 i5 VR5 + + R3 D - VR3 + E F i3 22/23 1.4 LEYES DE KIRCHHOOFF D. LEY DE KIRCHHOFF DE VOLTAJES: “La suma algebraica de voltajes en cualquier lazo de un circuito es cero” R1 + 30 50 V R3 V - + + VR3 - + 10 V R2 VR2 - R5 - 12 V R4 - + vlazo =0 velevaciones = vcaidas velevaciones - vcaidas =0 1.9 23/23