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Circuito lineal: Difference between revisions

Ejemplo, código y referencias
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(Ejemplo, código y referencias)
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== Definición ==
== Definición ==
En el ámbito de la teoría de circuitos, si aplicamos una señal sinusoidal a la entrada de un '''circuito lineal''', a la salida obtenemos una señal también sinusoidal, que puede ver alterada su fase y su amplitud, pero mantiene la misma frecuencia respecto a la señal de entrada.
En el ámbito de la teoría de circuitos, si aplicamos una señal sinusoidal a la entrada de un '''circuito lineal''', a la salida obtenemos una señal también sinusoidal, que puede ver alterada su fase y su amplitud, pero mantiene la misma frecuencia respecto a la señal de entrada<ref>Pierce, J.R. y Noll, A.M. (1995). ''Señales. La ciencia de las telecomunicaciones''. Barcelona: Editorial Reverté.</ref>.


Además, se debe cumplir el principio de superposición. Según éste, la respuesta del circuito a una suma ponderada de señales será igual a la suma ponderada de las respuestas a cada una de las señales individuales de entrada. Es decir, si consideramos el circuito como un sistema que devuelve a su salida la señal <math>y(t)</math> ante la señal de entrada <math>x(t)</math>, una entrada compuesta por <math>a\cdot x_1(t) + b \cdot x_2(t)</math> producirá una repuesta a la salida <math>a\cdot y_1(t) + b \cdot y_2(t)</math>.
Además, se debe cumplir el principio de superposición. Según éste, la respuesta del circuito a una suma ponderada de señales será igual a la suma ponderada de las respuestas a cada una de las señales individuales de entrada<ref>Proakis, J.G. y Manolakis, D.G. (2007). ''Tratamiento digital de señales''. Madrid: Pearson Educación.</ref>. Es decir, si consideramos el circuito como un sistema que devuelve a su salida la señal <math>y(t)</math> ante la señal de entrada <math>x(t)</math>, una entrada compuesta por <math>a\cdot x_1(t) + b \cdot x_2(t)</math> producirá una repuesta a la salida <math>a\cdot y_1(t) + b \cdot y_2(t)</math>.


Las [[Serie de Fourier|series de Fourier]], que nos permiten expresar cualquier señal periódica como suma ponderada de señales sinusoidales, junto al principio de superposición, nos facilitan enormemente el estudio de la respuesta de los circuitos lineales ante señales periódicas.
Las [[Serie de Fourier|series de Fourier]], que nos permiten expresar cualquier señal periódica como suma ponderada de señales sinusoidales, junto al principio de superposición, nos facilitan enormemente el estudio de la respuesta de los circuitos lineales ante señales periódicas.


== Ejemplo ==
== Ejemplo ==
En la figura 1 se representa un ejemplo de circuito lineal. Se trata de un filtro paso banda, que atenúa las componentes espectrales de la señal de entrada <math>V</math> fuera de su banda de paso. Está compuesto por tres elementos en serie (inductancia <math>L</math>, resistencia <math>R</math> y condensador <math>C</math>) más una resistencia de carga <math>R_L</math> donde se mide la tensión de salida <math>V_O</math>.
[[File:Circuito lineal (Filtro paso banda).png|thumb|367x367px|Figura 1 - Ejemplo de circuito lineal: Filtro paso banda.]]
En la figura 1 se representa un ejemplo de circuito lineal. Se trata de un filtro paso banda, que atenúa las componentes espectrales de la señal de entrada <math>V</math> fuera de su banda de paso. Está compuesto por tres elementos en serie (bobina <math>L</math>, resistencia <math>R</math> y condensador <math>C</math>) más una resistencia de carga <math>R_L</math> donde se mide la tensión de salida <math>V_O</math>.


La relación entre la tensión de entrada <math>V</math> y la corriente <math>I</math> que atraviesa el circuito viene dada por la ley de Ohm según la expresión <math>\frac{V}{I} = Z </math>, siendo <math>Z</math> la impedancia del circuito. La impedancia dependerá de la frecuencia <math>f</math> y en nuestro ejemplo está determinada por la suma de las impedancias de los elementos del circuito, por estar dispuestos en serie <math>Z= j2 \pi fL + R + \frac{1}{j2 \pi f C} + R_L</math>.  
La relación entre la tensión de entrada <math>V</math> y la corriente <math>I</math> que atraviesa el circuito viene dada por la ley de Ohm según la expresión <math>\frac{V}{I} = Z </math>, siendo <math>Z</math> la impedancia del circuito. La impedancia dependerá de la frecuencia <math>f</math> y en nuestro ejemplo está determinada por la suma de las impedancias de los elementos del circuito, por estar dispuestos en serie <math>Z= j2 \pi fL + R + \frac{1}{j2 \pi f C} + R_L</math>.  


Aplicando la división de tensión, la relación entre las señales de salida y entrada la podemos expresar como <math>\frac{V_O}{V}= \frac {R_L}{j2 \pi fL + R + \frac{1}{j2 \pi f C} + R_L}</math>. Esta relación será máxima cuando <math>2 \pi fL = \frac{1}{2 \pi f C}</math>, es decir, cuando <math>f = \frac{1}{\sqrt {LC}}</math>. Esta frecuencia, conocida como frecuencia de resonancia, es el centro de la banda de paso del filtro.
Aplicando la división de tensión, la relación entre las señales de salida y entrada la podemos expresar como <math>\frac{V_O}{V}= \frac {R_L}{j2 \pi fL + R + \frac{1}{j2 \pi f C} + R_L}</math>. Esta relación será máxima cuando <math>2 \pi fL = \frac{1}{2 \pi f C}</math>, es decir, cuando <math>f = \frac{1}{2 \pi\sqrt {LC}}</math>. Esta frecuencia, conocida como frecuencia de resonancia, es el centro de la banda de paso del filtro.
 
== Código ==
[[File:Magnitud y fase de filtro paso banda.png|thumb|342x342px|Figura 2 - Magnitud y fase de filtro paso banda.]]
Con el siguiente código de Matlab representamos gráficamente la respuesta en frecuencia de magnitud y fase del circuito del ejemplo anterior. El resultado se muestra en la figura 2.<syntaxhighlight lang="matlab">
% Parámetros del circuito
L = 1e-3;  % Inductancia en Henrios
R = 10;    % Resistencia en Ohmios
C = 1e-6;  % Capacidad en Faradios
RL = 100;  % Resistencia de carga en Ohmios
 
% Rango de frecuencias para el análisis
f = logspace(1, 6, 1000);  % Frecuencia de 10 Hz a 1 MHz
w = 2 * pi * f;            % Frecuencia angular
 
% Impedancias de cada componente
ZL = 1j * w * L;              % Impedancia de la bobina
ZR = R;                      % Impedancia de la resistencia
ZC = 1 ./ (1j * w * C);      % Impedancia del condensador
ZRL = RL;                    % Impedancia de la resistencia de carga
 
% Impedancia total del circuito en serie-paralelo
Z_total = ZL + ZR + (ZC * ZRL) ./ (ZC + ZRL);
 
% Función de transferencia (H(w) = Vsalida / Ventrada)
H = ZRL ./ (ZC + ZRL) ./ Z_total;
 
% Magnitud de la respuesta en frecuencia en dB
H_dB = 20 * log10(abs(H));
 
% Fase de la respuesta en frecuencia en grados
H_phase = angle(H) * (180 / pi);
 
% Gráficos de la magnitud y fase de la respuesta en frecuencia
figure;
 
% Gráfico de la magnitud en dB
subplot(2, 1, 1);
semilogx(f, H_dB, 'LineWidth', 1.5);
xlabel('Frecuencia (Hz)');
ylabel('Magnitud (dB)');
title('Respuesta en frecuencia del filtro RLC serie - Magnitud');
grid on;
 
% Gráfico de la fase en grados
subplot(2, 1, 2);
semilogx(f, H_phase, 'LineWidth', 1.5);
xlabel('Frecuencia (Hz)');
ylabel('Fase (grados)');
title('Respuesta en frecuencia del filtro RLC serie - Fase');
grid on;
 
</syntaxhighlight>
 
== Referencias bibliográficas ==
<references />
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