RESOLUCION DE CIRCUITOS POR TEOREMA DE LOS NODOS


Método del los nodos

Se basa en la ley de Kirchhoff de la corrientes , la cual dice , las sumas de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del mismo, como siempre daremos un ejemplo
En esta caso para el nodo A I1+I2=I3

Bueno y como se usa el metodo del los nodos , es simple consiste en determinar las tensiones en todos los nodos del circuito tomando un nodo como referencia ( 0 v )

Para implematarlo utilizaremos una serie de pasos

1-      Planteo de las corrientes del circuito

2-      Tomo un nodo de referencia (simbólicamente poniéndolo a masa)

3-      Planteo la tensión entre los nodos de cada rama y despejo la corriente de dicho planteo (obviamente la corriente me va a quedar en función de la tensión de los nodos)

4-      Planteo la ley de kichhoff en cada nodo del circuito que no sea el de referencia
Es decir que siempre planteo la cantidad de nodos que tiene el circuito menos uno.Una vez efectuado lo anterior remplazo las corrientes plantedas en el paso anterior en las ecuaciones de los nodos , obteniendo asi un sistema de ecuaciones

5-      Resuelvo las ecuaciones obtenidas en el paso anterior obteniendo las tensiones de los nodos con respecto al nodo de referencia
6-      Remplazo las tensiones obtenidas en el paso 5 en las ecuaciones el paso 3 y obtengo las corrientes del circuito

Vieron simple y censillo , que lindo no . no se asusten veamos un ejemplo


Ejemplo

Dado el circuito

Paso 1)Planteo de las corrientes del circuito
Paso 2) Tomo un nodo de referencia (simbólicamente poniéndolo a masa)

Paso 3) Planteo la tensión entre los nodos de cada rama y despejo la corriente de dicho planteo (obviamente la corriente me va a quedar en función de la tensión de los nodos
Este es el paso mas difícil , para ello usamos la ley de Kirchhoff modificada vista en el metodo de tension entre dos puntos

Recordemos

La tensión de partida menos la tensión de llegada mas la suma de las fuentes de tensión(con su correspondiente signo) a lo largo de la trayectoria tomada con su correspondiente signo es igual a la suma de todas las caídas de tensión (con su correspondiente signo)  que produzcan las corrientes el circuito a lo largo de dicha trayectoria.


La fuente de tensión que planteo para cada trayectoria tiene un signo asociado +/- , el planteo es simple, siguiendo la trayectoria si salgo por el terminal positivo la fuente es positiva, si salgo por el negativo la fuente es negativa
                                                                                         
El signo de las caídas de tensión en la trayectoria es positivo si la corriente que la produce va en el mismo sentido que la trayectoria del circuito que estoy planteando y negativo en caso contrario

En este caso existen tres ramas a plantear , como debo definir trayectorias entre nodos siempre me conbiene que las trayectorias de cada rama vayan hacia el nodo de referencia , de tener una rama entre dos nodos que no sea de referencia ninguno de los dos el sentido de la trayectoria es ambiguo, mas adelante explicaremos esto mas en detalle

En este caso todos las trayectorias van hacia el nodo de referencia

Trayectoria rama 1

Según la ley de Kirchhoff modificada

VA(tension de partida)- Vb(tensionde llegada)-5v = -I1*1 ohm – I1*8 ohm
(donde la fuente de tension de v1 es negativa porque siguiendo la trayectoria salgo  por el terminal negativo de la misma y las caidas de tension en las resistencias son negativas porque la trayectoria planteada es contraria a la corriente que circula en la rama)


Recordando que VB es cero por ser el nodo de referencia
VA-5v=- I1 * 9 ohm
Paso el -9 ohm para el otro lado dividiendo y me queda que
(VA-5v)/-9 ohm= I1
Distribuyendo



Bueno ustedes me diran fracciones para que , bueno por desgracia es la mejor forma de ordenar el metodo sin que quede mucho quilombo matemático .

Trayectoria rama 2

VA(tension de partida)- Vb(tensionde llegada)-15v = -I2*3 ohm
(donde la fuente de tension de v2 es negativa porque siguiendo la trayectoria salgo  por el terminal negativo de la misma y la caida de tension en la resistencia es negativa porque la trayectoria planteada es contraria a la corriente que circula en la rama)

Recordando que VB es cero por ser el nodo de referencia

VA-15v=- I2 * 3 ohm
(VA-15v)/-3 ohm= I2



Trayectoria rama 3

VA(tension de partida)- Vb(tensionde llegada)-12v = I3*2 ohm +I3*10 ohm
Recordando que VB es cero por ser el nodo de referencia
(donde la fuente de tension de v3 es negativa porque siguiendo la trayectoria salgo  por el terminal negativo de la misma y la caida de tension en la resistencia es positiva porque la trayectoria planteada concuera con el sentido de la corriente que circula en la rama)

VA-12v= I3 * 12 ohm
(VA-12V)/12 OHM=I3





Paso 4 ) Planteo la ley de kichhoff en cada nodo del circuito que no sea el de referencia
Es decir que siempre planteo la cantidad de nodos que tiene el circuito menos uno.Una vez efectuado lo anterior remplazo las corrientes plantedas en el paso anterior en las ecuaciones de los nodos , obteniendo asi un sistema de ecuaciones

En este caso Puntual tenemos un unico nodo que plantear el nodo A

Según la ley de Kirchhoff de la corriente para este circuito

I1+I2=I3

Pero recordemos que


Remplazando en la ecuación del nodo
I1+I2=I3

Paso 5)Resuelvo las ecuaciones obtenidas en el paso anterior obteniendo las tensiones de los nodos con respecto al nodo de referencia


Despejando los numero de un lado y las incognitas del otro me que
Sacando factor comun VA
Resoviendo la suma de fracciones
Pasando para el otro lado dividiendo (Que en fracciones es lo mismo que pasar la fraccion invertida)


Paso 6)Remplazo las tensiones obtenidas en el paso 5 en las ecuaciones el paso 3 y obtengo las corrientes del circuito


















Y asi hemos terminado el ejemplo 1

Ejemplo 2

1)      Planteo de las corrientes del circuito e identifico los nodos
En este ejemplo vemos una trampa grafica del circuito a simple vista en la parte inferior del circuito vemos dos nodos pero entre si no existe ninguna separación eléctrica por lo tanto se trata de un único nodo que simbolizaremos con la letra C.


2)      Tomo un nodo de referencia (simbólicamente poniéndolo a masa)

3) Planteo la tensión entre los nodos de cada rama y despejo la corriente de dicho planteo (obviamente la corriente me va a quedar en función de la tensión de los nodos)
No es necesario que ustedes indiquen todas las ramas del circuito y las trayectorias empleadas yo lo hago a modo ilustrativo , para que sea mas facil entender el planteo de las trayectorias , a modo ilustrativo yo trato de  tomar las trayectorias en el mismo sentido que las corrientes de la rama planteadas esto es debido a que LAS CAIDAS DE TENSION EN LAS RESISTENCIAS me quedan positivas y no se complica tanto con los signos a la hora del despeje de las ecuaciones , nota si se observa el ejemplo anterior veran que se hizo al reves y todas las caidas de tension quedaron negativas lo cual complica el despeje .

Planteo de las tensiones entre nodos

Rama 1

Como VC=0


Rama 2


Como VC=0





Rama 3









Rama 4

Como VC=0


Rama 5
Como VC=0



4) Planteo la ley de kichhoff en cada nodo del circuito que no sea el de referencia
Es decir que siempre planteo la cantidad de nodos que tiene el circuito menos uno.Una vez efectuado lo anterior remplazo las corrientes plantedas en el paso anterior en las ecuaciones de los nodos , obteniendo asi un sistema de ecuaciones

Nodo A
I1 = I2 + I3
Como regla general de resolucion de ecuaciones ponemos los numeros de un lado y las incognitas del otro
Agrupo las incognitas iguales
Sacandome las fracciones de encima
Olvidándome de los 1/ ohm que me complican la vida
Que es una ecuación con dos incognitas

NODO B

I3+I4+I5=0 A
Repito todos los pasos del nodo anterior
Que es otra ecuación con dos incógnitas

5) Resolución de ecuaciones

Y que tenemos entonces
Un sistema e ecuaciones con dos incognitas que resolveremos ,con el metodo del determinante ,pero no lo desarrollaremos en este ejemplo





Quedando como resultado
VA=5,3 V
VB=4.8V

6-Remplazo las tensiones obtenidas en el paso 5 en las ecuaciones el paso 3 y obtengo las corrientes del circuito










Ejercicios propuestos

1)
NO LES DOY LA SOLUCION SI  NO PUEDEN RESOLVERLO DEJENCE DE JODER

2)

3)

4)
Nota los amperimotros son solo para que ustedes tengan las corrientes del circuito considerar que no estan para el desarrollo del mismo
Nota
Método de los nodos y circuitos esquematizados de manera no cerrada

Estos circuitos tienen como característica que su esquematización consiste en que la tensión entra por un punto y que el nodo de referencia que se debe tomar es la masa esquematizada la cual cierra todo el circuito

Ejemplo

Planteo de las corrientes
Para simplificar el ejemplo y en estos casos conviene que la trayectoria siga el mismo sentido que la corriente planteada

Corriente I1


Corriente I2


Corriente I3


Ahora planteamos el nodo


Listo solo queda calcular las corrientes pero se lo dejo a ustedes yo ya trabaje mucho.

Ejercicios relacionados


Metodo del determinante para La resolucion de Sist de ecuaciones


Método del determinante

No nos vamos a poner a desarrollar como es ni como es que resuelve las ecuaciones eso se lo dejo a los matemáticos yo solo les voy a explicar como usarlo primero con ecuaciones al azar y luego con las ecuaciones del circuito que venimos desarrollando en los sistemas mas habituales para dos y tres incógnitas, para mas incógnitas este método no se usa

Ejemplo 1 : Resolución de sistema de ecuaciones de dos ecuaciones con dos incognitas

Para señalizar que estamos en terreno de las matemáticas en vez de calcular corrientes calcularemos incógnitas X e Y (que lindo!!). Antes que nada debemos saber que las ecuaciones deben estar ordenadas es decir cada incógnita en su columna
7= 5X + 2Y                            7= 5X + 2Y
2= 5Y-2X                               2=-2X + 5Y
Ecuaciones desordenada        Ecuaciones ordenadas
Ahora concentremos nos en los números y los signos y olvidemos de  la ecuación en si obteniendo lo sig


Vemos que tenemos un arreglo de numeros llamado matriz a esta matriz le calcularemos es determinante, hemos separado los numeros en dos terminos Factores correspondientes a los numeros que acompañaban a las ingnitas y cofactores correspondientes a las constantes del sistema de ecuaciones

Determinante de los factores

Se calcula como el producto de los términos de la diagonal que baja menos el producto de los terminos de la diagonal que sube . El triangulito es el signo matemático del determinante y las dos rallas verticales indican que se esta calculando el determinante


Ahora calculamos el determinante de la matriz de cofactores x , en castellano hacemos lo mismo que antes solo que donde estaban las constantes que acompañaban a las X ponemos los cofactores quedando asi


Y ahora calculamos el determinante de la matriz resultante

Hacemos lo mismo para la matriz de cofactores Y



Bueno y ahora después de hacer todo esto que pocos enteneran para que se hizo calculamos X e Y




Y asi es que funciona el metodo del determinante en un sistema de dos ecuaciones con dos incognitas

Ejemplo 2 : Resolucion de sistema de ecuaciones de tres ecuaciones con tres incognitas

El principio de resolucion es el mismo solo que cambia la forma en la que se calcula el determinante


7= 4X + 2Y+ 1Z
2=-2X + 5Y - 1Z
3=   X  +  Y +Z

Como hicimos antes abstraigámonos de las incognicas y concentremos nuestra atención en los numeros recordando que aquellas incognitas que no estan acompañadas de un numero significan que ese numero es 1 y que se debe preservar el signo



Calculo del determinante de la matriz de factores

Se repiten a continuación de la matriz de factores las primeras dos filas y luego el determinante se calcula como la suma de los productos de las diagonales completas que bajan(Azules) – la suma de los productos de las diagonales completas que suben(Rojas), tomando a entender que diagonal completa es aquella que tiene tres términos.

Calculo del determinante de la matriz de cofactores X









Calculo del determinante de la matriz de cofactores Y









Calculo del determinante de la matriz de cofactores Z




Bueno y ahora después de hacer todo esto que pocos enteneran para que se hizo calculamos X , Y y Z



Tensión entre dos puntos



Tensión entre dos puntos

Para este tema desarrollaremos una modificación de la ley de Kirchhoff que según recordamos decía

La suma de las fuentes de tensión a lo largo de una trayectoria cerrada con su correspondiente signo es igual a la suma de todas las caídas de tensión con su correspondiente signo  que produzcan las corrientes el circuito a lo largo de dicha trayectoria.

Como vemos la ley de Kirchhoff se aplica únicamente a trayectorias cerradas, Nosotros la modificaremos un poquito para que funcione entre dos puntos del circuito.

Ley de Kirchhoff modificada

Dada una trayectoria dentro de un circuito. La tensión de partida menos la tensión de llegada mas la suma de las fuentes de tensión (con su correspondiente signo)  a lo largo de la trayectoria tomada con su correspondiente signo es igual a la suma de todas las caídas de tensión (con su correspondiente signo)  que produzcan las corrientes el circuito a lo largo de dicha trayectoria.

Cave aclarar que si el punto de llegada es igual al punto de partida (Trayectoria cerrada) obtenemos nuevamente la ecuación original

La fuente de tensión que planteo para cada trayectoria tiene un signo asociado +/- , el planteo es simple, siguiendo la trayectoria si salgo por el terminal positivo la fuente es positiva, si salgo por el negativo la fuente es negativa
                                                                                         
El signo de las caídas de tensión en la trayectoria es positivo si la corriente que la produce va en el mismo sentido que la trayectoria del circuito que estoy planteando y negativo en caso contrario

Nomenclatura para la tensión entre dos Puntos

Dados dos puntos A y B se dice Que la diferencia de tensión entre estos puntos el la resta de las tensiones entre ellos. Pero se ha de preveer que VA-VB=-(VB-VA)
La forma de notar la tensión entre dos puntos es la SIG
VAB= VA-VB
VBA=VB-VA


Calculo de la tensión entre dos puntos del circuito

Como ya hemos expresado en análisis anteriores del circuito se deberán cumplimentar ciertos pasos para el calculo de la tensión entre dos puntos, a continuación analizaremos los mismos junto con un ejemplo para hacer mas ameno el desarrollo del método
Tomaremos el SIG circuito tratando de calcular la tensión entre los puntos A y B
Pasos a seguir

1) Planteo las corrientes del circuito

2) Cálculo las corrientes del circuito con algún método de resolución de circuitos (obviamente el  que más me convenga)

3) Calculo la tensión entre los puntos mediante la ley de Kirchhoff modificada

1) Planteo las corrientes del circuito
2) Cálculo las corrientes del circuito con algún método de resolución de circuitos (obviamente el  que más me convenga)

Como este circuito es una papa de una sola malla vamos a utilizar el teorema de mallas sin complicarlo mucho

Planteo de la ecuación de malla
12V-2V+3V=I* 1 ohm+I*15 ohm +I*3Ohm+I*8ohm
13 V=27 ohm * I
13 V/ 27 ohm = I
0,4818A= I
I=0,4818 A

3) Calculo la tensión entre los puntos mediante la ley de Kirchhoff modificada

Voy a calcular la tensión VAB por lo tanto Voy a ir desde A hasta B
Recordemos que
Dada una trayectoria dentro de un circuito. La tensión de partida (VA) menos la tensión de llegada (VB) mas la suma de las fuentes de tensión a lo largo de la trayectoria tomada con su correspondiente signo es igual a la suma de todas las caídas de tensión con su correspondiente signo  que produzcan las corrientes el circuito a lo largo de dicha trayectoria.

Ahora desarrollemos la Ecuación de la tensión entre dos puntos tomando la siguiente trayectoria según indica la Figura
Donde la fuente de 2v es negativa porque salgo por el terminal negativo de la misma y ambas caídas de tensión son positivas debido a que la trayectoria tomada va en el mismo sentido que la corriente.

VA-VB-2V= 0,4818 A * 1 ohm+ 0,4818 A *15 ohm
VA-VB-2V=0,4818 V + 7,2227 V
VA-VB=0,4818 V + 7,2227 V+2V
VA-VB=9,7088V
VAB=9,7088 V

Ahora bueno si hicimos todo bien so tomamos una trayectoria diferente la tensión debe ser la misma

VA-VB=-0,4818 A* 8 ohm – 0,4818 A* 3ohm +12 V + 3v
VA-VB=-3,8544 v – 1,4454 V +12 V + 3V
VA-VB=9,7002 v
Bueno como hemos visto hay una pequeña diferencia la cual se debe al redondeo que hemos efectuado en el cálculo de la corriente

Ejemplo 2
Tomemos el SIG circuito



1 – Planteo las corrientes del circuito
2- Resuelvo las corrientes del circuito

Como se trata de un circuito de dos mallas es ideal para aplicar mallas. Por lo tanto uso el teorema de mallas para resolver el circuito, para este caso utilizaremos el método simplificado

La ecuación de la malla 1 serian las SIG

12V-2v+3V=I1*(1+15+3+8OHM)-I2*3 ohm
13V=I1*27 ohm – I2 * 3 Ohm

La ecuación de la malla 2 seria
2v-12v=I2*(2+1+10+3 ohm)- I1 * 3 ohm
-10V=I2* 16ohm – I1 *3 ohm
Ordenando
-10V=– I1 *3 ohm I2* 16ohm

Quedando el sistema de ecuaciones

13V=I1*27 ohm – I2 * 3 Ohm

-10V=– I1 *3 ohm I2* 16ohm

Resolviendo dicho sistema (NI SUEÑEN QUE LO VOY A DESARROLLAR)

I1=0,42 A
I2=-0,546 A

Ahora las corrientes reales del circuito según lo planteado en el paso uno serial
(SE DEBE RECORAR QUE LAS CORRIENTES DE MALLA NO SON LAS CORRIENTES REALES DEL CIRCUITO)

I1=Im1=0,42 A

I2=Im1-Im2=0,42- (-0,546)=0,966A

I3 = - Im2=0,546 A

3) Calculo la tensión entre los puntos mediante la ley de Kirchhoff modificada

Voy a calcular la tensión VAB por lo tanto Voy a ir desde A hasta B SEGÚN EL CAMINO SEÑALADO

VA-VB-12v-3V=-I1*8 ohm + I3 * 10 ohm
Donde la fuente V1 es negativa porque salgo por e l terminal negativo de la misma, la caída de tensión en r2 en negativa porque voy en contra de la corriente, la tensión en V3 es negativa porque salgo por el terminal negativo de la fuente y la caída de tensión en R6 es positiva porque voy en el mismo sentido que la corriente que la produce.

VA-VB=-I1*8ohm + I3 *10 ohm+12v+3v
VAB=-0,42A*8 OHM+0,546A*10 OHM+12v+3V=17,1 V
VAB=17,1 v

Para corroborar los resultados usemos otra trayectoria

VA-VB-12v=I1*1 ohm + I1*15 ohm- I3 * 2 ohm - I3 * 1 ohm
VA-VB=0,42*1 ohm + 0,42*15 ohm- 0,546 * 2 ohm – 0,546A * 1 ohm+12v
VAB=17,082 V

Este mis queridos lectores es un clásico ejercicio de examen en el cual nos evalúan mallas y tensión entre dos puntos.

Ejercicios propuestos
Calcular la tension VAB e los sig circuitos
1)


SOL : VAB=-6,409 V


2)
SOL : VAB= 10,89 V











3)


SOL : VAB= -6,816 V