Circuit elèctric
| Electromagnetisme |
|---|
 |
| Electricitat · Magnetisme |
Un circuit elèctric és un conjunt simple o complex de conductors i components elèctrics o electrònics (commutadors, condensadors, bateries, resistències, inductors, transistor, díodes, etc.) interconnectats per tal de formar un recorregut per on pot circular un corrent elèctric.[1] La teoria de circuits, que tracta els circuits com a models matemàtic, fa servir el concepte de circuit equivalent, un model teòric del dispositiu real, dit de paràmetres concentrats, que prescindeix de l'estudi dels fenòmens que s'esdevenen al seu interior. La síntesi de circuits s'ocupa de determinar l'estructura i els paràmetres necessaris i adequats per tal d'obtenir la resposta que hom desitja.[2]
El que coneixem com a corrent elèctric no és una altra cosa que la circulació de càrregues o electrons a través d'un circuit elèctric tancat, que es mouen sempre del pol negatiu al pol positiu de la font de subministrament de força electromotriu. Potser hem sentit que el sentit convencional de circulació del corrent elèctric per un circuit és a la inversa, és a dir, del pol positiu al negatiu de la font de FEM. Aquest plantejament té el seu origen en raons històriques i no a qüestions de la física, dut a terme en l'època de formulació de la teoria que explicava la fluïdesa del corrent elèctric pels metalls, ja que els físics desconeixien l'existència dels electrons o càrregues negatives.
En descobrir-se els electrons com a part integrant dels àtoms i principal component de les càrregues elèctriques, es va descobrir també que les càrregues elèctriques que proporciona una font de FEM (força electromotriu) es mouen del signe negatiu (-) cap al positiu (+), d'acord amb la llei física de la qual «càrregues diferents s'atreuen i càrregues iguals es rebutgen». A causa d'aquell desconeixement, la comunitat científica va acordar que, convencionalment, el corrent elèctric es movia del pol positiu al negatiu, de la mateixa forma que haguessin pogut acordar el contrari, com realment ocorre. No obstant això, a la pràctica, aquest «error històric» no influeix per a res en el que a l'estudi del corrent elèctric es refereix.(FEM).
Història
[modifica]La història de la comprensió dels circuits elèctrics es remunta als primers descobriments de la electricitat i el magnetisme en els segles segle xvii i segle xviii. Pioners com William Gilbert[3] i Benjamin Franklin[4] van establir les bases de la teoria elèctrica. Els experiments de Franklin amb l'electricitat van portar al desenvolupament del concepte de càrrega elèctrica, i el seu famós experiment amb l'estel en 1752 va demostrar la connexió entre el llamp i la energia elèctrica.[5]
A finals del segle xviii, Luigi Galvani[6] i Alessandro Volta[7] van avançar en la comprensió de l'electricitat amb els seus treballs sobre la bioelectricitat i la invenció de la primera bateria química, respectivament. La bateria de Volta va proporcionar una font constant de corrent elèctric i va ser crucial per a estudis posteriors sobre circuits elèctrics.[5]
Ja en el segle xix, el camp de l'enginyeria elèctrica va començar a prendre forma amb les contribucions de científics com André-Marie Ampère,[8] Georg Simon Ohm[9] i Michael Faraday. Ampère va formular les lleis que regeixen la relació entre el corrent elèctric i els camps magnètics, la qual cosa va portar 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 voltatge, corrent elèctric i resistència elèctrica, va ser fonamental en l'anàlisi de circuits. Aquesta llei va permetre als enginyers calcular el corrent, el voltatge i la resistència en circuits simples.[5]
El treball de Faraday[10] sobre electromagnetisme va portar a la comprensió dels camps elèctrics i els corrents induïts, aplanant el camí per a teories elèctriques més avançades. El seu descobriment de la inducció electromagnètica en 1831, per exemple, va ser crucial per a entendre com els circuits elèctrics podien usar-se per a generar corrent.
A finals del segle xix i principis del segle xx es van desenvolupar metodologies d'anàlisis de circuits més sofisticades, com les Lleis de Kirchhoff. Les lleis del circuit de Gustav Kirchhoff[11] (la llei de voltatge i la llei de corrent) en la dècada de 1840 van proporcionar mètodes per a analitzar circuits més complexos. Amb el sorgiment de l'enginyeria elèctrica com a disciplina formal, matemàtics i enginyers van desenvolupar diverses tècniques, com l'anàlisi de malles, l'anàlisi nodal i les transformades de Laplace, per a resoldre equacions de circuits.[5]
Components fonamentals d'un circuit elèctric
[modifica]Per dir que existeix un circuit elèctric qualsevol, és necessari disposar sempre de tres components fonamentals:
- Una font (E) de força electromotriu (FEM), que subministri l'energia elèctrica necessària en volt (V).
- El flux d'una intensitat (I) de corrent d'electrons, la unitat del qual és l'ampere (A).
- Existència d'una resistència o càrrega (R) en ohm, connectada al circuit, que consumeixi l'energia que proporciona la font de força electromotriu i la transformi en energia útil, com pot ser, energia lluminosa d'una làmpada, energia tèrmica (fred o calor), etc.
Lleis elèctriques
[modifica]A tot circuit elèctric es verifiquen una sèrie de lleis:
- Llei dels nodes: La suma dels corrents que entren a un node és igual a la suma dels corrents que en surten.
- Llei de les malles: La suma algebraica de les diferències de potencial elèctric és nul·la.
- Llei d'Ohm: La tensió als contactes d'una resistència és igual al producte del valor de la resistència i del corrent que la travessa.
- El Teorema de Kennelly: La possibilitat de simplificar un circuit elèctric en estrella o triangle.
- El Teorema de Norton: Qualsevol circuit resistiu és equivalent a una font de corrent ideal I en paral·lel amb una simple resistència R.
- El Teorema de Thévenin: Qualsevol combinació de fonts de voltatge i resistències amb dos terminals és elèctricament equivalent a una única font de voltatge V i una única resistència R.
- El Teorema de Millman: En un circuit elèctric de branques en paral·lel, cadascuna composta per una font de voltatge ideal en sèrie amb un element lineal, la tensió en els terminals de les branques és igual a la suma de les forces electromotrius multiplicades per l'admitància de la branca, tot dividit per la suma de les admitàncies.
Classificació
[modifica]Passivitat
[modifica]Una xarxa activa conté almenys una font de tensió o font de corrent que pot subministrar energia a la xarxa indefinidament. Una xarxa passiva no conté una font activa.[12]
Una xarxa activa conté una o més fonts de força electromotriu. Exemples 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 flux de corrent dins del circuit.
Les xarxes passives no contenen fonts de força electromotriu. Estan formades per elements passius com a resistències i condensadors.
Per linealitat
[modifica]Una xarxa és lineal si els seus senyals obeeixen al principi de superposició; en cas contrari, és no lineal. Les xarxes passives solen considerar-se lineals, però hi ha excepcions. Per exemple, un inductor amb nucli de ferro pot entrar en saturació si es condueix amb un corrent prou gran. En aquesta regió, el comportament de l'inductor és molt poc lineal.[12]
Per grups
[modifica]Els components passius discrets (resistències, condensadors i inductors) es denominen elements agrupats perquè se suposa que tota la seva resistència, capacitància i inductància es troba ("agrupada") en un lloc. Aquesta filosofia de disseny es denomina circuit de paràmetres concentrats i les xarxes així dissenyades es denominen circuits d'elements agrupats. Aquest és l'enfocament convencional per al disseny de circuits. A freqüències prou altes, o per a circuits prou llargs (com línies de transmissió d'energia), la suposició dels elements ja no és vàlida perquè hi ha una fracció significativa d'una longitud d'ona a través de les dimensions dels components. Per a aquests casos és necessari un nou model de disseny, denominat model d'elements distribuïts. Les xarxes dissenyades segons aquest model es denominen circuits d'elements distribuïts.[12]
Un circuit d'elements distribuïts que inclou alguns components lumped es denomina disseny semi-lumped (circuit de paràmetres concentrats). Un exemple de circuit semi-lumped és el filtre comb.
Circuits de baixa tensió
[modifica]Els circuits de baixa tensió (BT) són els que s'utilitzen a la indústria i els edificis.
Un circuit comença al quadre elèctric a partir d'una sortida específica amb una protecció independent dels altres circuits, s'utilitzen interruptors magnetotèrmics. Generalment, cada sortida implica un únic cable i que els seus conductors tinguin una secció adequada.
La normativa aplicable als territoris de llengua catalana és:
- Dins del territori de l'estat espanyol el Reglament electrotècnic per a baixa tensió. (BOE 224, del 18-9-2002 Text en català ). La normativa que se'n deriva és a la norma UNE/EN/20460.
- Dins del territori de l'estat francès el decret núm. 88-1056, del 14 de novembre de 1988, i la norma UTE C 18-510.
- Dins del territori de l'estat andorrà cal tenir present el Decret de modificació parcial del Reglament d'instal·lacions elèctriques de baixa tensió, publicat el 21/04/99 al Butlletí Oficial del Principat d'Andorra (BOPA núm. 24 del 1999).
Circuits de molt baixa tensió
[modifica]Els circuits de molt baixa tensió (MBT) són els dels automòbils i l'aeronàutica.
Els principis són els mateixos que en el cas de la baixa tensió, però en aquest cas només el conductor positiu pot ser protegit: la carrosseria és connectada al pol negatiu de la bateria i serveix com a conductor negatiu. Els magnetotèrmics són substituïts per fusibles, sovint agrupats en una caixa de fusibles. Aquest tipus de circuits no necessiten una derivació a terra.
Circuits electrònics
[modifica]- Generalment només es protegeixen els circuits de potència atès que els altres impliquen corrents molt febles.
- A més dels circuits amb fils, a l'electrònica també trobem:
- Circuit imprès: són circuits elèctrics en forma de pistes de coure sobre un suport pla de resina epoxi que connecta els diferents components. El conjunt del suport i el circuit també s'anomena, per metonímia, circuit imprès.
- Circuit integrat: és un conjunt de components electrònics que fan una o diverses funcions, integrats en una petita pastilla fàcil d'utilitzar.
Curtcircuit
[modifica]Un curtcircuit és un contacte entre dos conductors. Comporta que el corrent passi directament d'un conductor a l'altre sense passar pel circuit. Si és involuntari, es tractaria d'un defecte que comportaria un augment de la intensitat del corrent i de la temperatura dels conductors.[13] Per evitar que el corrent del curtcircuit destrueixi el circuit d'alimentació cal una protecció en forma de magnetotèrmic, fusible o limitador de corrent. Un curtcircuit pot provocar un incendi. Un mal contacte entre conductors pot provocar arcs elèctrics i un escalfament que poden provocar incendis, i no existeix cap mena de protecció contra aquest tipus de defecte, per tant cal posar atenció a la qualitat de les connexions.
Esquema elèctric
[modifica]L'esquema elèctric és una representació gràfica del circuit elèctric,[14] en la qual es mostren les connexions dels diferents elements representats per símbols.
Programari de simulació de xarxes
[modifica]Circuits més complexos poden ser analitzats numèricament amb programari com SPICE o Gnucap, o simbòlicament usant programari com SapWin.[nota 1]
Linealització al voltant del punt de funcionament
[modifica]Quan s'enfronta a un nou circuit, el programari primer intenta trobar una solució d'estat estable, és a dir, un on tots els nodes s'ajusten a la llei de corrent de Kirchhoff i els voltatges a través de cada element del circuit s'ajusten a les equacions de voltatge/corrent que governen aquest element.
Una vegada trobada la solució d'estat estacionari, es coneixen els punts de funcionament de cada element del circuit. Per a una anàlisi de petit senyal, cada element no lineal pot ser linealitzat al voltant del seu punt d'operació per a obtenir l'estimació de petit senyal dels voltatges i corrents. Es tracta d'una aplicació de la Llei d'Ohm. La matriu del circuit lineal resultant pot resoldre's amb eliminació gaussiana.
Aproximació lineal a trossos
[modifica]Programari com la interfície PLECS per a Simulink utilitza l'aproximació Piecewise linear function de les equacions que governen els elements d'un circuit. En matemàtiques i estadística, una funció lineal per parts, PL o segmentada (piecewise linear function) és una funció de valor real d'una variable real, la gràfica de la qual es compon exclusivament de segments de línia recta.[15] El circuit es tracta com una xarxa completament lineal de díodes ideals. Cada vegada que un díode passa d'encesa a apagada o viceversa, canvia la configuració de la xarxa lineal. Afegir més detalls a l'aproximació de les equacions augmenta la precisió de la simulació, però també el seu temps d'execució.
Notes
[modifica]- ↑ El Programa d'Anàlisi Simbòlica per a Windows (SAPWIN) és un simulador de circuit simbòlic propietari escrit en C++ per a Microsoft Windows. Disponible en https://www.prodid.it/sapwin4/
Referències
[modifica]- ↑ «circuit elèctric - Diccionari de telecomunicacions». Termcat. [Consulta: 30 gener 2022].
- ↑ Gran Enciclopèdia Catalana. Volum 7. Reimpressió d'octubre de 1992. Barcelona: Gran Enciclopèdia Catalana, 1992, p. 294. ISBN 84-85194-95-0.
- ↑ Gilbert, William (1600). De Magnete (On the Magnet). London: Thomas East.
- ↑ Franklin, Benjamin (1751). Experiments and Observations on Electricity. London: Henry Woodfall.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 Thomas M. Weller . "The Invention of Electricity" (2003) Oxford University Press 352 pag. ISBN: 978-0198507230
- ↑ Galvani, Luigi (1791). De viribus Electricitatis in Motu Musculari (On the Effects of Electricity on Muscular Motion). Bologna: Ex Typographia Capponiana.
- ↑ Volta, Alessandro (1800). On the Electricity Excited by the Contact of Metals. London: Baldwin, Cradock, and Joy.
- ↑ Ampère, André-Marie (1827). Théorie des phénomènes électrodynamiques, uniquement déduite de l'expérience (Theory of Electrodynamic Phenomena, Deduced Exclusively from Experience). Paris: Firmin Didot.
- ↑ Ohm, Georg Simon (1827). Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (The Galvanic Circuit Investigated Mathematically). Berlin: Vieweg & Sohn. ISBN: 978-3-528-10200-7
- ↑ Faraday, Michael (1831). Experimental Researches in Electricity. London: Richard Taylor.
- ↑ Kirchhoff, Gustav (1845). Über die Gesetze der elektrischen Ströme in Verkettungen (On the Laws of Electrical Currents in Networks). Annalen der Physik, 14, 497–508.
- ↑ 12,0 12,1 12,2 Charles Proteus Steinmetz. Theory and Calculation of Electric Circuits (2013) 388 pag. ISBN 1603865853, ISBN 978-1603865852
- ↑ «curtcircuit». Termcat. [Consulta: 30 gener 2022].
- ↑ Reverter Comes, Ferrán.. Circuitos de interfaz directa sensor-microcontrolador. Barcelona: Marcombo, [2008]. ISBN 978-84-267-1502-9.
- ↑ Stanley, William D. Technical Analysis And Applications With Matlab. Cengage Learning, 2004, p. 143. ISBN 978-1401864811.
Vegeu també
[modifica]