¿Qué es un circuito lineal y cómo funciona? Un circuito lineal es un circuito electrónico que sigue el principio de superposición. El teorema de superposición se puede aplicar a cualquier circuito lineal. Cuando hay varias fuentes independientes, los voltajes y las corrientes generadas por cada una pueden calcularse por separado y luego sumarse algebraicamente. Esto evita la necesidad de crear una serie de ecuaciones de bucle o nodo, lo que simplifica los cálculos.
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Tabla de contenido
¿Qué es un circuito lineal?
Dado que el voltaje y la corriente de salida de dicho circuito son funciones lineales del voltaje y la corriente de entrada, se le llama circuito lineal. El principio se ilustra en el siguiente diagrama.
Cuando se aplica un voltaje o corriente de entrada sinusoidal de frecuencia f a cualquier parte del circuito en estado estable (la corriente a través de cualquier componente o el voltaje entre dos puntos), una definición alternativa de linealidad es que cada salida de estado estable de el circuito (la corriente a través de cualquier componente, o el voltaje entre dos puntos cualesquiera) también es sinusoidal con frecuencia f. El término lineal invariante en el tiempo se refiere a un circuito lineal con valores de componentes constantes (LTI).
Un circuito lineal es un circuito en el que los valores de los componentes eléctricos (como resistencia, capacitancia, inductancia, ganancia, etc.) no cambian cuando aumenta el voltaje o la corriente en el circuito. Los circuitos lineales son útiles porque pueden amplificar y procesar señales electrónicas sin introducir ninguna distorsión. Un sistema de sonido es un ejemplo de equipo electrónico que utiliza circuitos lineales. Visitar aquí veamos el principio de un circuito lineal.
Una definición alternativa
La ecuación definitoria de linealidad, el principio de superposición, es idéntica a dos cualidades, aditividad y homogeneidad, que se usan comúnmente como una definición alternativa.
F({k}_{1}+{k}_{2})=F({k}_{1})+F({k}_{2})
F(hk)=hF(k)
Un circuito lineal es un circuito en el que (1) la salida de la suma de dos señales es idéntica a la suma de las salidas cuando las dos señales se aplican individualmente, y (2) escalando la señal de entrada k
Importancia del circuito lineal
Los circuitos lineales son útiles porque pueden procesar señales analógicas sin distorsión de intermodulación. Esto significa que las distintas frecuencias de la señal permanecen separadas y no se mezclan, lo que da lugar a la creación de nuevas frecuencias (heterodinas).
También son menos difíciles de entender y analizar. Los circuitos lineales se rigen por ecuaciones diferenciales lineales y se pueden investigar utilizando potentes técnicas matemáticas en el dominio de la frecuencia, como el análisis de Fourier y la transformada de Laplace, porque obedecen al principio de superposición.
También brindan una representación visual del comportamiento cualitativo del circuito, con terminologías como ganancia, frecuencia de resonancia, cambio de fase, ancho de banda, factor K, polos y ceros utilizados para describirlo. Un circuito lineal a menudo se puede analizar a mano con la ayuda de una calculadora científica.
Los circuitos no lineales, por otro lado, rara vez tienen soluciones de forma cerrada. Si se desean resultados precisos, deben examinarse utilizando enfoques numéricos aproximados utilizando programas de simulación de circuitos informáticos como SPICE. Un número puede determinar el comportamiento de las partes del circuito lineal, como resistencias, capacitores e inductores (resistencia, capacitancia, inductancia, respectivamente).
El comportamiento de un elemento no lineal está determinado por su función de transferencia detallada, que se puede representar mediante una línea curva en el gráfico. Como resultado, especificar las características de un circuito no lineal requiere más información que especificar las características de un circuito lineal.
La fabricación electrónica tiene una categoría separada para circuitos y sistemas “lineales”. Los fabricantes de transistores y circuitos integrados a menudo separan sus líneas de productos en categorías “lineales” y “digitales”. El término “lineal” aquí se refiere a circuitos integrados “analógicos”, como amplificadores operacionales, amplificadores de audio y filtros activos, así como a muchos circuitos de procesamiento de señales que realizan funciones analógicas no lineales, como amplificadores logarítmicos, multiplicadores analógicos, y detectores de picos.
Proceso de filtrado en un circuito lineal
En los circuitos lineales hay una acción clave que se usa con frecuencia y debe mostrarse en diagramas de bloques. Cuando hay varias señales presentes, el filtrado implica separar un rango de frecuencia de los demás.
Por ejemplo, si la señal mixta se usa para controlar parlantes o auriculares, es posible que desee filtrarla para que solo contenga frecuencias que su oído pueda detectar. Es posible que desee filtrar la señal mixta para eliminar las frecuencias de la línea de alimentación y dejar solo las frecuencias más altas. Es posible que desee filtrar la señal mixta para que se eliminen todas las frecuencias más altas.
Principio de filtrado
Un filtro es un circuito eléctrico que actúa selectivamente sobre una o un rango de frecuencias, pasando o rechazando esa frecuencia o rango.
Llamamos a un filtro filtro de paso bajo cuando pasa solo el rango más bajo de frecuencias que se le ha dado. La siguiente figura muestra un gráfico típico de salida versus entrada para dicho filtro. Este tipo de filtro se puede utilizar en un amplificador de audio para evitar que el ruido no deseado llegue al altavoz a frecuencias más altas (frecuencias ultrasónicas).
También se puede mostrar un gráfico que representa la respuesta de un filtro de paso alto, que rechaza las frecuencias más bajas de la mezcla y solo pasa las frecuencias más altas. Esto se puede utilizar en un amplificador de audio para evitar que las interferencias de baja frecuencia no deseadas afecten a los altavoces (por ejemplo, el ruido sordo de un tocadiscos).
Un filtro de paso de banda, por otro lado, rechaza tanto las frecuencias más altas como las más bajas mientras pasa solo el rango de frecuencias en el medio. Este tipo de operación de ancho de banda lo realiza un sintonizador de radio para recibir solo una estación, en lugar de una mezcla confusa de todas las señales que puede captar.
Elementos de circuito lineal
Los componentes de un circuito eléctrico que tienen una relación lineal entre la corriente de entrada y el voltaje de salida se denominan elementos de circuito lineal. Ejemplos de elementos con circuitos lineales son:
El análisis de elementos es necesario para obtener una mejor comprensión de los elementos del circuito lineal.
las resistencias
Una resistencia es un dispositivo que limita el flujo de corriente eléctrica, provocando la conversión de energía. Cuando la electricidad pasa a través de una bombilla, por ejemplo, se convierte en un nuevo tipo de energía, como calor y/o luz. La resistencia del elemento se mide en ohmios Ω.
La resistencia en el circuito se calcula de la siguiente manera:
R=\rho\frac{L}{A}
Donde R es la resistencia, ρ es la resistencia, L es la longitud del cable y A es el área de la sección transversal del cable.
condensadores
Un capacitor es un dispositivo eléctrico que consta de dos materiales conductores (placas) separados por un aislante (dieléctrico). Almacena energía eléctrica a través de un campo eléctrico. Cuando se conecta un condensador a una batería, se crea un campo eléctrico, lo que hace que se acumulen cargas eléctricas positivas en una placa y cargas eléctricas negativas en la otra.
El proceso de almacenamiento de energía en el campo eléctrico del capacitor se denomina carga y el proceso de extracción de energía se denomina descarga. La capacitancia es la cantidad de energía eléctrica almacenada en un capacitor y se mide en faradios F. Un farad es igual a un culombio por unidad de voltio, denotado como 1 C/V.
La diferencia entre un capacitor y una batería es que un capacitor almacena energía eléctrica y la libera lentamente, mientras que una batería almacena energía química y la libera gradualmente.
En la siguiente figura se incluyen varios símbolos de capacitores.
inductores
Los inductores son dispositivos electrónicos que almacenan energía eléctrica utilizando un campo magnético. Una bobina o bucle de alambre es el tipo más básico de inductor, con una inductancia proporcional al número de bucles en el cable. Además, la inductancia se ve afectada por el material del cable y el radio del bucle.
Un núcleo de aire solo puede dar como resultado la inductancia más baja dado un número dado de vueltas y tamaño de radio. La madera, el vidrio y el plástico son materiales dieléctricos que cumplen el mismo propósito que el aire. Estos materiales ayudan en el proceso de bobinado del inductor. La inductancia total aumenta por la forma de rosquilla de los devanados, así como por materiales ferromagnéticos como el hierro. La inductancia es la cantidad de energía que un inductor puede almacenar. Se mide en Henry H.
Transformadores
Este es un instrumento que utiliza la inducción electromagnética para cambiar el estado de energía de un nivel a otro. Se usa comúnmente para aumentar o reducir el voltaje de CA en aplicaciones de accionamiento eléctrico.
Cuando la corriente del lado primario del transformador varía, se forma un flujo magnético fluctuante en su núcleo, que se propaga en forma de campos magnéticos a los devanados secundarios del transformador.
El funcionamiento del transformador se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday. La ley establece que la FEM producida en un conductor es directamente proporcional a la tasa de cambio del flujo de conexión con respecto al tiempo.
El transformador consta de tres componentes básicos:
- Devanado primario
- Núcleo magnético
- Devanado secundario
Partes adicionales del circuito lineal.
Dispositivos electromagnéticos
El electromagnetismo es un concepto muy utilizado en tecnología, con aplicaciones en motores, generadores y timbres eléctricos. En un timbre, por ejemplo, un componente electromagnético atrae el pestillo, que luego golpea el timbre y hace que suene.
Controladores
Los controladores son dispositivos electrónicos que reciben señales electrónicas de una variable de proceso medida y comparan el valor con un punto de ajuste de control. Compara y correlaciona funciones utilizando algoritmos digitales.
Sensores
Los sensores se utilizan para determinar la corriente, que varía constantemente para ofrecer información de control. Es posible producir un funcionamiento suave y preciso del inversor con un sensor de corriente. Los sensores de corriente son esenciales en los inversores para que los datos de los inversores paralelos o multifásicos puedan transferirse fácilmente.
filtros
Los filtros electrónicos también se utilizan para eliminar las frecuencias no deseadas de la señal durante el procesamiento. Son circuitos analógicos y pueden ser activos o pasivos.
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