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59
Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

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Page 1: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Page 2: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Plan

• Introducción

• Circuitos Resistivos Elementales

• Repaso Breve de Matrices

• Repaso Breve de Ecuaciones

• Repaso de Método Nodal

• Aplicaciones a funciones de red

• Equivalente de Thevenin

Page 3: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Circuitos Resistivos Elementales

Page 4: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Req y Geq Serie y Paralelo

RnR1 R2

Req R1 R2..Rn

1112

11

21

1

..

..

1

n

neqeq

GGG

RRRRG

RnR1 R2

ReqGeq 1 1

R1 1 R

2 1..R

n1

R1 1 R

21..R

n 1

1

GeqReq 1G1G2..Gn

R1 1 R

2 1..R

n 1

Page 5: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Divisores

RnR1 Rj

+ Vj -

+ VT -

V j

RjR1 R2...RN

VT RjReq

VT

V j G

1 1G

2 1..G

n 1

1

GjVT

GeqG j

VT

RnR1 Rj----

IjIT

I j R

1 1 R

2 1..R

n 1

1

RjIT

ReqRj

IT

I j

G jG1G2...GN

IT GjGeq

IT

Page 6: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

A tomar en cuenta

• Use la memoria de su calculadora cuando sea posible

• Establezca una estrategia para alcanzar mejores resultados

• Interprete

Page 7: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 1

600 1.5 k

I2

350

Vb

Va

+20V

250

120

360

I1

Encontrar Va , I1, I2 y Vb en el circuito mostrado

Page 8: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 1 ( cont) –Razonamiento-

1., Como Vb = 1500*I2, I2 =Vb/500 se obtiene una vez resuelto para Vb.

2.Vb puede derivarse de Va por divisor de voltaje: Vb = Va* 120-1/(120-1+1500-1 +350-1 + 600-1)

3.Va = 20 - 250 I1, se obtiene una vez encontrada I1:

I1 =20/RT=20*(1/RT), donde RT es la resistencia equivalente entre tierra y los 20 V.

Page 9: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 1 (cont. Algoritmo)

Paso 1. Se encuentra RT

Paso 2. El inverso de RT se multiplica por 20 para hallar I1.

Paso 3.Esta corriente se multiplica por -250 y se suma a 20 para hallar Va

Paso 4. Este resultado se multiplica por el factor120-1/(120-1+1500-1 +350-1 + 600-1) para generar Vb,

Paso 5. Vb se divide entre 500 para encontrar I2

Page 10: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 1: Acción

• Para formar la resistencia total RT, tomamos las tres resistencias de 600, 1500 y 350 en paralelo que están en serie con la de 120 ohmios

• para usarla en paralelo con 360 ohmios, y la combinación en serie con 250 ohmios, generando RT = 417.33 , (Use ANS)

• (1500-1 +350-1 + 600-1)-1+120= 312.66

• (312.66-1 + 360-1)-1 + 250= 417.33

Page 11: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 1 (cont)

• lo que nos permite obtener, tras multiplicar por 20, I1=47.92 mA

• para obtener Va = 8.02 V

• a partir de lo cual se obtiene Vb = 4.94 V

• para llegar finalmente a I2 = 9.88 mA

• 417.33-1 (20) = 47.92E-3

• 47.92E-3 *(-250) + 20 = 8.02

• 8.02* 120-1/(120-1+1500-1 +350-1 + 600-1) = 4.94

• 4.94/500 = 9.88E-3

Page 12: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Matrices

Notas Utiles

Page 13: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Operaciones en los elementos

Para elementos de la matriz definidos mediante operaciones, no haga las operaciones fuera de la matriz

E 3 5 1

5 2 * 3

1 714

911

7.8 6

1.5 20

Como se introduce

Resultado en pantalla (y memoria)

Page 14: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Partición en filas y Columnas

b1

3

6

4.8

8

, b2

4

0

0

9.3

, b3

5.1

1.5

1

9

.

,5.106

,1.543

2

etc

a

a1

4

3

2

1

321

a

a

a

a

bbb

93.98

108.4

5.106

1.543

B

Page 15: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Inversa

A5 1

6 2

A 10.5 0.25

1.5 1.25

En TI: A 1x En HP: 1/A

Page 16: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Transformación rref

3 2 4 9

1 3 5 4

2 1 7 2

1 1 8 3

25

25

20

29

43

67

76

96

rref

1 0 0 0 1 3

0 1 0 0 0 5

0 0 1 0 2 11

0 0 0 1 4 0

Page 17: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Multiplicación de Matrices y Combinación Lineal

Definción: Combinación lineal

a1 a2 ... an

x1

x2

...

xn

a1x1 a2 x2 .. .anxn

Page 18: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Multiplicación de Matrices y Combinación Lineal (cont)

a11 a12 .. a1n

a21 a22 .. . a2n

.. . . .. . ..

am1 am2 .. . amn

x1

x2

..

xn

a11 x1 a12x2..a1nxn

a21x1 a22x2..a2n xn

.

am1x1 am2 x2..amn xn

4 9 32 5 8

x1x2

x3

4x1 9x2 3x3

2x1 5x2 8x3

Ejemplo:

Page 19: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Sistemas de Ecs. Lineales

Elementos Básicos (1)

Page 20: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Sistemas y Soluciones: (a) Utilidad..1

a11x1 a12x2 . . . a1nxn b1

a21x1 a22x2 . . . a2nxn b2

. . .

an1x1 an2x2 . . . annxn bn

Forma Expandida: variables en el mismo orden; coeficientes 0 se incluyen.

Page 21: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Sistemas y Soluciones: (a) Utilidad..2

PROCEDIMIENTO PARA RESOLVER EL SISTEMA DE ECUACIONES USANDO LA UTILIDAD

Paso 1:Abrir la utilidad para resolver simultáneas

Paso 2:Introducir el número de ecuaciones

Paso 3:Introducir los coeficientes y las conocidas según instrucciones

Paso 4:Resolver

Paso 5:Salvar datos o soluciones si es necesario y la opción está disponible.

Page 22: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Sistemas y Soluciones: (b) Matrices..1

a11x1 a12x2 . . . a1nxn b1

a21x1 a22x2 . . . a2nxn b2

. . .

an1x1 an2x2 . . . annxn bn

Ax=b

A

a11 a12 .. . a1n

a21 a22 .. a2n. .. .. . .. . . ..

an1 an2 .. . ann

nb

b

b

...2

1

b

nx

x

x

...2

1

x

Page 23: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Sistemas y Soluciones: (b) Matrices..2

PARA RESOLVER EL SISTEMA DE ECUACIONES USANDO FORMA MATRICIALPaso 1: Crear la matriz A y el vector de conocidas b por separado. Paso 2: Realizar la operación A-1

Paso 3: (opcional) Salvar la solución.

x A 1b

Page 24: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Sistemas y Soluciones: (c) Matriz aumentada .. 1

...

...

............

..

...

2

1

21

22221

11211

nnnnn

n

n

b

b

b

aaa

aaa

aaaRepresentación:

a11x1 a12x2 . . . a1nxn b1

a21x1 a22x2 . . . a2nxn b2

. . .

an1x1 an2x2 . . . annxn bn

Sistema

Page 25: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Sistemas y Soluciones: (c) Matriz aumentada .. 2

a11 a12 ... a1na21 a22 .. a2n... ... ... ...

an1 an2 ... ann

b1b2...

bn

rref

1 0 ... 0

0 1 .. 0

... ... ... ...

0 0 ... 1

x1x2...

xn

Solución

Page 26: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Mismos coeficientes con diferentes conocidas

a11x1 a12x2 . . . a1nxn b11

a21x1 a22x2 . . . a2nxn b21

. . .

an1x1 an2x2 . . . annxn bn1

a11x1 a12x2 . . . a1nxn b12

a21x1 a22x2 . . . a2nxn b22

. . .

an1x1 an2x2 . . . annxn bn2

a11x1 a12x2 . . . a1nxn b13

a21x1 a22x2 . . . a2nxn b23

. . .

an1x1 an2x2 . . . annxn bn3

Page 27: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Mismos coeficientes con diferentes conocidas…. solución

Crear las matrices A de coeficientes, y B con las conocidas:

B

b11 b12 b13

b21 b22 b23.. . ... .. .

bn1 bn2 bnn

A

a11 a12 .. . a1n

a21 a22 .. a2n. .. .. . .. . . ..

an1 an2 .. . ann

x = A-1B= [ A-1b1 A-1b2 A-1b3]

Las diferentes columnas corresponden a las diferentes soluciones

Page 28: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 2…

1)

3x 2y 4w9z26

x3y 5w 4z 3

2x y 7w2z21

x y8w 3z 0

2)

3x 2y 4w9z 25

x3y5w 4z25

2x y 7w 2z20

x y8w 3z 29

3)

3x 2y 4w9z43

x3y5w 4z67

2x y 7w2z 76

x y8w 3z 96

4)

3x 2y 4w9z29

x 3y5w 4z22

2x y 7w2z 54

x y 8w 3z 42

Page 29: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 2 (cont)

A

3 2 4 9

1 3 5 42 1 7 2

1 1 8 3

B

26

3

21

0

25

25

20

29

43

67

76

96

29

22

54

42

3 2 4 9

1 3 5 4

2 1 7 2

1 1 8 3

1

26

3

21

0

25

25

20

29

43

67

76

96

29

22

54

42

8 1 3 66 0 5 5

1 2 11 7

2 4 0 1

Page 30: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Conocidas como combinación

a11 x1 a12 x2 . . . a1n xn b11 b12z1 b13z2

a21x1 a22x2 . . . a2n xn b21 b22z1 b23z2

. . . .....

an1x1 an2x2 . . . annxn bn1 bn2 z1 bn3z2

B

b11 b12 b13

b21 b22 b23.. . ... .. .

bn1 bn2 bnn

A

a11 a12 .. . a1n

a21 a22 .. a2n. .. .. . .. . . ..

an1 an2 .. . ann

x = A-1B= [ A-1b1 A-1b2 A-1b3]

SOLUCION

Page 31: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 3

3x 2y 4w9z26 25p43q29r

x3y 5w 4z 325p67q22r

2x y 7w2z21 20p 76q 54r

x y8w 3z 029p96q 42r

A

3 2 4 9

1 3 5 42 1 7 2

1 1 8 3

B

26

3

21

0

25

25

20

29

43

67

76

96

29

22

54

42

Page 32: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 3 Cont

3 2 4 9

1 3 5 4

2 1 7 2

1 1 8 3

1

26

3

21

0

25

25

20

29

43

67

76

96

29

22

54

42

8 1 3 66 0 5 5

1 2 11 7

2 4 0 1

x

y

w

z

8 1 3 6

6 0 5 5

1 2 11 7

2 4 0 1

rpz

rqpw

rqy

rqpx

42

;71121

;556

;638

Resultado Interpretación

Page 33: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ecuaciones Nodales

Reglas y soluciones

Page 34: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Reglas

ijnnnn Y YIVY ;Ecuaciones:

onescontribuciOtrasasresistencióncontribuci

ikikik gyY

jksijk

jksik

ykj

y nodos a conectadas

(1/Ri) iasconductanc

nodo al conectadas

(1/Ri) iasconductanc

Page 35: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Reglas (cont)

knodoaentrandoconocidasCorrientesI

I

k

knI

Page 36: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 4

5 k 2 k

1 k

3.6 k

2.1 k

1.7 k

5.8 k2 mA

1 mA6.92 k

2.4 k1.2 k

300

3.2 k

1.7 k4.16 k

1

2

3 4

5

6

Encuentre la potencia generada por la fuente de 1 mA y el potencial del nodo 6

Page 37: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 4 (cont.)

1

2. 4

1

1. 2

1

6. 92 5

1

0. 3

V1

1

6. 92 5V2

1

0.3V3 0V4 0V5 0V6 0 p0

1

6. 92 5V1

1

2

1

1

1

6. 92 5

V2

1

1V3

1

2V4 0V5 0V6 0 p1

12007.1

1

16.4

1

6.3

1

1.2

1

1

1

3.0

1

7.1

1

16.4

1

6.3

1

1.2

1

1

1

3.0

1654321

pVVVVVV

0V1

1

2V2

1

2.1

1

3. 6

V3

1

2.1

1

3.6

1

1. 7

1

2

V4 0V5

1

1. 7V6 0 p0

0V1 0V2

1

4.16

1

1. 7

V3

1

4.16

1

1.7

1

5. 8

1

3.2

V5 0V4

1

5.8V6 0 p 2

0V1 0V2 0V3

1

1.7V4

1

5.8V5

1

1. 7

1

5.8

V6 0 p0

Nodo 1:

Nodo 2:

Nodo 3:

Nodo 4:

Nodo 5:

Nodo 6:

Page 38: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 4 (cont)

0V1 0.001V2 0. 001V3 0V4 0V5 0V6 p 0

Ecuación agregada:

Solución:

V1 V2 V3 V4 V5 V6 p 312.800E 3 1.061E0 411.3E 3 485.6E 3 1.251E0 920.0E 3 649.61E 6

Page 39: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 5 con Fuentes dependientes

2 k

5.6 k 2 k 8.3 k

1 32

1 mA

2.4 k

0.01Vx

+ŹVx -

Page 40: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 5 (cont)V1 V2 V3 Inode

N. 1

N. 2

N. 3

1

2103 1

2. 4103 1

2. 4103 1

2103110 3

1

2.4103 0. 01

1

2103 1

2. 4103 1

5. 81030. 01 1

5.81030

1

2103 0. 01 1

5. 8103 0.01

1

2103 1

8. 3103 1

5.81030

Solución

V1

V2

V 3

1 0 0 2. 07938

0 1 0 1. 95612

0 0 1 0.18209

Page 41: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 6: Fuentes no numéricas

2 sin 4t mA 1 k

2.2 k

5.6 k

6.5 k

2.1 k

3 k

4e-t mA

1 2 3

i1

z= sin 4t y = e-t

Encontrar i1

Page 42: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 6: cont

1

1 1

3 1

2.2

V1

1

3V2

1

2.2V3 2 z

1

3V1

1

2.1 1

3 1

5.6 1

6.5

V2

1

5. 6 1

6. 5

V3 0

1

2. 2V1

1

5.6 1

6.5

V2

1

5. 6 1

6. 5 1

2. 2

V3 4y

1

3V1

1

3V2 i1 0

Page 43: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

11 1

3 1

2.2 1

3 1

2.20

13

12.1 1

3 1

5.6 1

6.5 1

5.6 1

6.5

0

1

2.2 1

5.6 1

6.5

15.6

16.5

12.2

0

13

13

0 1

1

2 0

0 0

0 4

0 0

1.6 2.558

0.839 3.03

1.279 7.840

0.254 0.157

i1(t) 0. 254z 0.157y mA 254sin4t 157e-t A

Solución en cuarta fila:

Page 44: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Usando los métodos

Page 45: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Funciones de Red

Red N

Sin FuentesIndependientes

+Vin-

Vout

Iin Iout

+

-

in

out

in

out

in

out

in

out

in

in

in

in

I

I

I

V

V

I

V

V

V

I

I

V

:voltajedeGanancia:enciatranresistdeGanancia

:ctanciatranscondudeGanancia:voltajedeGanancia

:eequivalentiaConductanc:eequivalentaResistenci

Page 46: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Algoritmo con Fuente de corriente

Red N

Sin FuentesIndependientes

+Vin-

Vout

Iout

+

-

1 A

Vin = valor de Req; 1/Vin = valor Geq;

Vout = valor de Ganancia transresistencia

I out = valor de Ganancia de Voltaje

Vout/Vin = ganancia voltaje;

Iout/Vin = Ganancia de transconductancia

Importante: valores en calculadora para usarlo en divisiones

Page 47: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 7:

2 k

1 k

4 k

5 k

2 k 3 k 7 k

+

-Vin

Iin

Va

Vb+ -

+

-

Ib

Ia

Calcular las funciones de red, A) Si las salidas son Ia y Va; B) Si las salidas son Ib y Vb

Page 48: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

2 k

1 k

4 k

5 k 2 k

3 k 7 k

13

2

1A

Ib Vb+ -

Page 49: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 7 (cont)

11E3

12E3

11E3

12 E3

0 0

11E3

11E3

12E3

14 E3

15 E3

14E3

15E3 0 0

12 E3 1

4E3 1

5E3 17 E33E3

12E3

14 E3

15E3 0 0

0 1 1 1 0

0 15E3

15E3 0 1

V1Va

V3VbIb

1

0

0

0

0

T

Tbb IVVVaV

038.031.1929.18266.16344.2365

31

B

Ia V22E3

B(2)

2E30.817

Page 50: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 7 (Soluciones)

Req = V1 = 2.3654 k.

Geq = 1/Req =1/V1 = 1/B(1)= 422.76 S

VaIin1. 634 k,

VaVin

B(2)

B(1)

1634. 6

2365. 4 0. 691,

IaIin0.8173,

IaVin

IaB(1)

0.8173

2365. 4 S 0.3455 mS

Page 51: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 7 (fin)

Las ecuaciones Vb = V2 – V3 e Ib=(V2-V3)/5e3 se incluyeron:

Vb

Iin 192.31 ,

VbVin

B(4)

B(1) 192.31

2365.4 0.0813,

IbIin 0.0385,

IoutV in

B(5)

B(1) 0.038

2365. 4 S 16. 26 S

Page 52: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Equivalente de Thevenin

+

-

+-

Vth

Rth

A

BB

A

Page 53: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Equivalente de Thevenin (un procedimiento)

A

B

+

-

IVx

Agregar una fuente de corriente de 1 A, y escribir las ecuaciones con una columna separada para I.

El valor de Vx en la columna que no es de I corresponde a Vth

El valor de Vx en la columna de I, corresponde a Rth

Page 54: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 8 con equivalente de Thevenin

+-

5 V

2

5

4 3

R

10 2 1 3va

vaIx

Ix/3

+-

¿Qué valor de R permite la máxima potencia disponible en esa resistenica, y qué potencia es esta?

Page 55: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 8 (cont)

p

Vth2

4Rth

+-

5 V

2

5

4 3

10 2 1 3va

vaIx

Ix/3

+-Equivalent?

Page 56: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 8 cont.

+-

5 V

2

5

4 3

10 2 1

3va

vaIx

Ix/3

+-

1

2

3 45

+ Vx -

I

Page 57: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 8

V2 V3 V4 V5 I x V x

N .2

N 3

N 4

N 5

CCVS

V x

12 1

40 0 1

4 1 0

0 131 1

30 1 1

30

0 13

13

12 0 1

3 0

14

0 0 110 1

4 1

50 0

1 2 3 0 0 0

0 0 1 1 0 1

V2V3V4V5I xV x

12

(5)

0

012

(5)

0

0

0

0

1

10

0

Page 58: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Ejemplo 8 (Fin)

979.0

809.1

851.0

128.0

872.0

127.2

617.3

553.2

319.5

702.1

702.1

702.1

1

5

4

3

2

BAC

x

x

V

I

V

V

V

V

+-

0.979

R- 3.716 V

W

C

Cp 341.3

)2,6(*4

)1,6(

979.04

716.3 22

Page 59: Introducción al uso de Calculadoras en Circuitos

Conclusiones

• El uso efectivo de la calculadora depende de– Conocimiento teórico– Adaptación de estrategias a la calculadora

• La calculadora NO es un substituto del conocimiento

• La calculadora NO elimina la necesidad de destrezas manuales.