El Método de corriente de malla , también conocido como Método de corriente de lazo , es bastante similar al método de Corriente de rama en que usa ecuaciones simultáneas, la Ley de voltaje de Kirchhoff y [ 19459004] Ley de Ohm para determinar corrientes desconocidas en una red. Se diferencia del método de Corriente de Rama en que no usa la Ley de Corriente de Kirchhoff, y generalmente es capaz de resolver un circuito con menos variables desconocidas y menos ecuaciones simultáneas, lo cual es especialmente bueno si se ve forzado para resolver sin una calculadora.
Corriente de malla, método convencional
Veamos cómo funciona este método en el mismo problema de ejemplo:
Identificar bucles
El primer paso en el método Mesh Current es identificar “bucles” dentro del circuito que abarca todos los componentes. En nuestro circuito de ejemplo, el bucle formado por B 1 , R 1 y R 2 será el primero, mientras que el bucle formado por B 2 , R 2 y R 3 serán los segundos. La parte más extraña del método de la corriente de malla es imaginar corrientes circulantes en cada uno de los bucles. De hecho, este método recibe su nombre de la idea de que estas corrientes se unen entre sí como conjuntos de engranajes giratorios:
La elección de la dirección de cada corriente es completamente arbitraria, al igual que en el método de Corriente derivada, pero las ecuaciones resultantes son más fáciles de resolver si las corrientes van en la misma dirección a través de componentes que se cruzan (observe cómo las corrientes I 1 [ 19459011] e I 2 ambos están “subiendo” a través de la resistencia R 2 , donde se “engranan” o se cruzan). Si la dirección supuesta de una corriente de malla es incorrecta, la respuesta para esa corriente tendrá un valor negativo.
Etiquetar las polaridades de caída de voltaje
El siguiente paso es etiquetar todas las polaridades de caída de voltaje en las resistencias de acuerdo con las direcciones supuestas de las corrientes de malla. Recuerde que el extremo “aguas arriba” de una resistencia siempre será negativo, y el extremo “aguas abajo” de una resistencia positiva entre sí, ya que los electrones están cargados negativamente. Las polaridades de la batería, por supuesto, están dictadas por sus orientaciones de símbolos en el diagrama, y pueden o no “estar de acuerdo” con las polaridades de la resistencia (direcciones de corriente supuestas):
Usando la Ley de Voltaje de Kirchhoff, ahora podemos dar un paso alrededor de cada uno de estos bucles, generando ecuaciones representativas de las caídas de voltaje y polaridades de los componentes. Al igual que con el método de Corriente derivada, denotaremos una caída de voltaje de la resistencia como producto de la resistencia (en ohmios) y su corriente de malla respectiva (esa cantidad se desconoce en este punto). Cuando dos corrientes se unen, escribiremos ese término en la ecuación con la corriente de resistencia como la suma de las dos corrientes de malla.
Rastreando el lazo izquierdo del circuito con ecuaciones
Rastreando el lazo izquierdo del circuito, comenzando desde la esquina superior izquierda y moviéndose en sentido antihorario (la elección de los puntos de partida y las direcciones es irrelevante), contando la polaridad como si tuviéramos un voltímetro en la mano, cable rojo encendido con el punto por delante y el plomo negro en el punto por detrás, obtenemos esta ecuación:
Observe que el término medio de la ecuación usa la suma de las corrientes de malla I 1 e I 2 como la corriente a través de la resistencia R 2 . Esto se debe a que las corrientes de malla I 1 e I 2 van en la misma dirección a través de R 2 , y se complementan entre sí. Distribuyendo el coeficiente de 2 a los términos I 1 e I 2 , y luego combinando los términos I 1 en la ecuación, podemos simplificar como tal: [19459006 ]
En este momento tenemos una ecuación con dos incógnitas. Para poder resolver dos corrientes de malla desconocidas, debemos tener dos ecuaciones. Si rastreamos el otro bucle del circuito, podemos obtener otra ecuación KVL y tener suficientes datos para resolver las dos corrientes. Criatura de la costumbre que soy, comenzaré en la esquina superior izquierda del bucle derecho y rastrearé en sentido antihorario:
Simplificando la ecuación como antes, terminamos con:
Resolviendo lo desconocido
Ahora, con dos ecuaciones, podemos usar uno de varios métodos para resolver matemáticamente las corrientes desconocidas I 1 e I 2 :
Redibujar circuito
Sabiendo que estas soluciones son valores para las corrientes mesh , no las corrientes branch , debemos volver a nuestro diagrama para ver cómo se unen para dar corrientes a través de todos los componentes: [ 19459006]
La solución de -1 amp para I 2 significa que inicialmente asumimos que la dirección de la corriente era incorrecta. En realidad, I 2 fluye en sentido antihorario con un valor de (positivo) 1 amperio:
Este cambio de dirección de la corriente desde lo que se supuso por primera vez alterará la polaridad de las caídas de voltaje en R 2 y R 3 debido a la corriente I 2 . A partir de aquí, podemos decir que la corriente a través de R 1 es de 5 amperios, siendo la caída de voltaje a través de R 1 el producto de la corriente y la resistencia (E = IR), 20 voltios (positivo a la izquierda y negativo a la derecha).
Además, podemos decir con seguridad que la corriente a través de R 3 es 1 amp, con una caída de voltaje de 1 voltio (E = IR), positivo a la izquierda y negativo a la derecha. Pero, ¿qué está pasando en R 2 ?
La corriente de malla I 1 va “abajo” a través de R 2 , mientras que la corriente de malla I 2 va “arriba” a través de R 2 . Para determinar la corriente real a través de R 2 , debemos ver cómo interactúan las corrientes de malla I 1 e I 2 (en este caso están en oposición), y sumarlos algebraicamente para llegar a un valor final. Dado que I 1 está “bajando” a 5 amperios, e I 2 está “arriba” a 1 amperio, la corriente real a través de R 2 debe ser un valor de 4 amperios, que va “abajo”:
Una corriente de 4 amperios a través de R 2 La resistencia de 2 Ω nos da una caída de voltaje de 8 voltios (E = IR), positivo en la parte superior y negativo en la parte inferior.
Ventaja del análisis de corriente de malla
La principal ventaja del análisis Mesh Current es que generalmente permite la solución de una gran red con menos valores desconocidos y menos ecuaciones simultáneas. Nuestro problema de ejemplo tomó tres ecuaciones para resolver el método de Corriente de Rama y solo dos ecuaciones usando el método de Corriente de Malla. Esta ventaja es mucho mayor a medida que las redes aumentan en complejidad:
Para resolver esta red usando Branch Currents, tendríamos que establecer cinco variables para tener en cuenta cada una de las corrientes únicas en el circuito (I 1 a I 5 ). Esto requeriría cinco ecuaciones para la solución, en forma de dos ecuaciones KCL y tres ecuaciones KVL (dos ecuaciones para KCL en los nodos y tres ecuaciones para KVL en cada bucle):
Supongo que si no tiene nada mejor que hacer con su tiempo que resolver cinco variables desconocidas con cinco ecuaciones, es posible que no le importe usar el método de análisis de Corriente de rama para este circuito. Para aquellos de nosotros que tenemos mejores cosas que hacer con nuestro tiempo, el método Mesh Current es mucho más fácil, ya que solo requiere tres incógnitas y tres ecuaciones para resolver:
Menos ecuaciones para trabajar es una ventaja decidida, especialmente cuando se realiza una solución de ecuaciones simultáneas a mano (sin una calculadora).
Puente de Wheatstone desequilibrado
Otro tipo de circuito que se presta bien a la corriente de malla es el puente Wheatstone desequilibrado. Tome este circuito, por ejemplo:
Dado que las proporciones de R 1 / R 4 y R 2 / R 5 son desiguales, sabemos que habrá sea el voltaje a través de la resistencia R 3 , y cierta cantidad de corriente a través de ella. Como se discutió al comienzo de este capítulo, este tipo de circuito es irreductible por análisis serie-paralelo normal, y solo puede analizarse por algún otro método.
Podríamos aplicar el método de Corriente de Ramificación a este circuito, pero requeriría seis corrientes (I 1 a I 6 ), lo que lleva a gran conjunto de ecuaciones simultáneas para resolver. Sin embargo, utilizando el método de la corriente de malla, podemos resolver todas las corrientes y voltajes con muchas menos variables.
Dibujar malla
El primer paso en el método de Corriente de malla es dibujar las corrientes de malla suficientes para tener en cuenta todos los componentes del circuito. Mirando nuestro circuito puente, debería ser obvio dónde colocar dos de estas corrientes:
Las direcciones de estas corrientes de malla, por supuesto, son arbitrarias. Sin embargo, dos corrientes de malla no son suficientes en este circuito, porque ni yo 1 ni yo 2 atraviesan la batería. Entonces, debemos agregar una tercera corriente de malla, I 3 :
Aquí, he elegido I 3 para hacer un bucle desde el lado inferior de la batería, a través de R 4 , a través de R 1 , y volver al lado superior de la batería. Este no es el único camino que podría haber elegido para I 3 , pero parece el más simple.
Etiquetar las polaridades de caída de voltaje de la resistencia
Ahora, debemos etiquetar las polaridades de caída de voltaje del resistor, siguiendo las direcciones de cada una de las corrientes supuestas:
Observe algo muy importante aquí: en la resistencia R 4 , las polaridades para las respectivas corrientes de malla no concuerdan. Esto se debe a que esas corrientes de malla (I 2 e I 3 ) atraviesan R 4 en diferentes direcciones. Esto no excluye el uso del método de análisis Mesh Current, pero sí lo complica un poco. Aunque más adelante, mostraremos cómo evitar el choque actual de R 4 . (Ver ejemplo a continuación)
Usando KVL
Generando una ecuación KVL para el bucle superior del puente, comenzando desde el nodo superior y siguiendo en sentido horario:
En esta ecuación, representamos las direcciones comunes de las corrientes por sus sumas a través de resistencias comunes. Por ejemplo, la resistencia R 3 , con un valor de 100 Ω, tiene su caída de voltaje representada en la ecuación KVL anterior por la expresión 100 (I 1 + I 2 [ 19459011]), ya que ambas corrientes I 1 e I 2 pasan por R 3 de derecha a izquierda. Lo mismo puede decirse de la resistencia R 1 , con su expresión de caída de voltaje mostrada como 150 (I 1 + I 3 ), ya que ambos I 1 e I 3 van de abajo hacia arriba a través de esa resistencia, y así trabajan juntos para generar su caída de voltaje.
Generar una ecuación KVL para el bucle inferior del puente no será tan fácil ya que tenemos dos corrientes que van una contra la otra a través de la resistencia R 4 . Así es como lo hago (comenzando en el nodo de la derecha y siguiendo en sentido antihorario):
Observe cómo el segundo término en la forma original de la ecuación tiene la resistencia R 4 valor de 300 Ω multiplicado por la diferencia entre I 2 e I 3 (I 2 – I 3 ). Así es como representamos el efecto combinado de dos corrientes de malla que van en direcciones opuestas a través del mismo componente. Elegir los signos matemáticos apropiados es muy importante aquí: 300 (I 2 – I 3 ) no significa lo mismo que 300 (I 3 – I [ 19459010] 2 ). Elegí escribir 300 (I 2 – I 3 ) porque estaba pensando primero en el efecto de I 2 (creando una caída de voltaje positiva, midiendo con un voltímetro imaginario a través de R 4 , cable rojo en la parte inferior y cable negro en la parte superior), y secundariamente el efecto de I 3 (creando una caída de voltaje negativa, cable rojo en la parte inferior y el plomo negro en la parte superior). Si hubiera pensado primero en términos del efecto de 3 y en segundo lugar del efecto de 2 , manteniendo mis cables imaginarios del voltímetro en las mismas posiciones (rojo en la parte inferior y negro en arriba), la expresión habría sido -300 (I 3 – I 2 ). Tenga en cuenta que esta expresión es matemáticamente equivalente a la primera: +300 (I 2 – I 3 ).
Bueno, eso se encarga de dos ecuaciones, pero todavía necesito una tercera ecuación para completar mi conjunto de ecuaciones simultáneas de tres variables, tres ecuaciones. Esta tercera ecuación también debe incluir el voltaje de la batería, que hasta este punto no aparece en ninguna de las dos ecuaciones KVL anteriores. Para generar esta ecuación, trazaré un bucle nuevamente con mi voltímetro imaginario comenzando desde el terminal inferior (negativo) de la batería, avanzando en sentido horario (nuevamente, la dirección en la que paso es arbitraria, y no necesita ser la misma que la dirección de la corriente de malla en ese bucle):
Resolviendo las corrientes
Resolviendo para I 1 , I 2 e I 3 usando cualquier método de ecuación simultánea que prefieramos:
Ejemplo: Use Octave para encontrar la solución para I 1 , I 2 e I 3 de lo anterior simplificado forma de ecuaciones
Solución: En Octave, un clon de código abierto de Matlab®, ingrese los coeficientes en la matriz A entre corchetes con elementos de columna separados por comas y filas separadas por punto y coma. Ingrese los voltajes en el vector de columna: b. Las corrientes desconocidas: I 1 , 2 e I 3 se calculan mediante el comando: x = A b. Estos están contenidos dentro del vector de la columna x.
octava: 1> A = [300,100,150; 100,650, -300; -150,300, -450] A = 300 100 150 100 650 -300 -150 300 -450 octava: 2> b = [0; 0; -24] b = 0 0 0 0 -24 octava: 3> x = A b x = -0.093793 0,077241 0.136092
El valor negativo llegó para I 1 nos dice que la dirección asumida para esa corriente de malla era incorrecta. Por lo tanto, los valores actuales actuales a través de cada resistencia son los siguientes:
Cálculo de caídas de voltaje en cada resistencia:
Una simulación SPICE confirma la precisión de nuestros cálculos de voltaje:
puente de Wheatstone desequilibrado v1 1 0 r1 1 2 150 r2 1 3 50 r3 2 3 100 r4 2 0 300 r5 3 0 250 .dc v1 24 24 1 .print dc v (1,2) v (1,3) v (3,2) v (2,0) v (3,0) .final v1 v (1,2) v (1,3) v (3,2) v (2) v (3) 2.400E + 01 6.345E + 00 4.690E + 00 1.655E + 00 1.766E + 01 1.931E + 01
Ejemplo:
(a) Encuentre una nueva ruta para la corriente I 3 que no produce una polaridad conflictiva en ninguna resistencia en comparación con I 1 o I 2 . R 4 fue el componente infractor. (b) Encuentre valores para I 1 , I 2 e I 3 . (c) Encuentre las cinco corrientes de resistencia y compárelas con los valores anteriores.
Solución:
(a) Ruta I 3 a R 5 , R 3, y R 1 como se muestra:
Tenga en cuenta que la polaridad conflictiva en R 4 se ha eliminado. Además, ninguno de las otras resistencias tienen polaridades en conflicto.
(b) Octave, un clon de Matlab de código abierto (libre), produce un vector de corriente de malla en “x”:
octava: 1> A = [300,100,250; 100,650,350; -250, -350, -500] A = 300 100 250 100 650 350 -250 -350 -500 octava: 2> b = [0; 0; -24] b = 0 0 0 0 -24 octava: 3> x = A b x = -0.093793 -0.058851 0.136092
No todas las corrientes I 1 , I 2 e I 3 son iguales (I 2 ) como el puente anterior debido a diferentes rutas de bucle Sin embargo, las corrientes de resistencia se comparan con los valores anteriores:
IR1 = I1 + I3 = -93.793 ma + 136.092 ma = 42.299 ma IR2 = I1 = -93.793 ma IR3 = I1 + I2 + I3 = -93.793 ma -58.851 ma + 136.092 ma = -16.552 ma IR4 = I2 = -58.851 ma IR5 = I2 + I3 = -58.851 ma + 136.092 ma = 77.241 ma
Dado que las corrientes de resistencia son las mismas que los valores anteriores, los voltajes de resistencia serán idénticos y no necesitan calcularse nuevamente.
REVISIÓN:
- Pasos a seguir para el método de análisis de “Corriente de malla”:
- (1) Dibuje corrientes de malla en los bucles del circuito, suficientes para tener en cuenta todos los componentes.
- (2) Etiquete las polaridades de caída de voltaje de la resistencia basada en las direcciones supuestas de las corrientes de malla.
- (3) Escriba ecuaciones KVL para cada bucle del circuito, sustituyendo el producto IR por E en cada término de resistencia de la ecuación. Cuando dos corrientes de malla se cruzan a través de un componente, exprese la corriente a partir de la suma algebraica de esas dos corrientes de malla (es decir, I 1 + I 2 ) si las corrientes van en la misma dirección a través de ese componente. Si no, exprese la corriente a partir de la diferencia (es decir, I 1 – I 2 ).
- (4) Resuelva para corrientes de malla desconocidas (ecuaciones simultáneas).
- (5) Si alguna solución es negativa, ¡entonces la dirección actual asumida es incorrecta!
- (6) Agregue algebraicamente corrientes de malla para encontrar componentes actuales que compartan múltiples corrientes de malla.
- (7) Resuelva las caídas de voltaje en todas las resistencias (E = IR).
Corriente de malla por inspección
Echamos un segundo vistazo al “método de corriente de malla” con todas las corrientes en sentido horario (cw). La motivación es simplificar la escritura de ecuaciones de malla ignorando la polaridad de caída de voltaje del resistor. Sin embargo, debemos prestar atención a la polaridad de las fuentes de voltaje con respecto a la dirección de corriente supuesta. El signo de las caídas de voltaje de la resistencia seguirá un patrón fijo.
Si escribimos un conjunto de ecuaciones convencionales de malla de corriente para el circuito a continuación, donde prestamos atención a los signos de la caída de voltaje a través de las resistencias, podemos reorganizar los coeficientes en un patrón fijo:
Una vez reorganizado, podemos escribir ecuaciones por inspección. Los signos de los coeficientes siguen un patrón fijo en el par de arriba o el conjunto de tres en las reglas a continuación.
Reglas actuales de malla:
- Este método supone fuentes convencionales de voltaje de flujo de corriente. Reemplace cualquier fuente de corriente en paralelo con una resistencia con una fuente de voltaje equivalente en serie con una resistencia equivalente.
- Ignorando la dirección de la corriente o la polaridad del voltaje en las resistencias, dibuje bucles de corriente en sentido antihorario que atraviesen todos los componentes. Evitar bucles anidados.
- Escriba ecuaciones de ley de voltaje en términos de corrientes desconocidas: I 1 , I 2 e I 3 . La ecuación 1, coeficiente 1, ecuación 2, coeficiente 2 y ecuación 3, coeficiente 3 son las sumas positivas de resistencias alrededor de los bucles respectivos.
- Todos los demás coeficientes son negativos, representativos de la resistencia común a un par de bucles. El coeficiente 2 de la ecuación 1 es la resistencia común a los bucles 1 y 2, el coeficiente 3 la resistencia común a los bucles 1 y 3. Repita para otras ecuaciones y coeficientes.
- + (suma del bucle 1 de R) I1 – (bucle R común 1-2) I2 – (bucle R común 1-3) I3 = E1
– (bucle R común 1-2) I1 + (suma del bucle 2 de R) I2 – (bucle R común 2-3) I3 = E2
– (bucle R común 1-3) I1 – (bucle R común 2-3) I2 + (suma del bucle 3 de R) I3 = E3 - El lado derecho de las ecuaciones es igual a una fuente de voltaje de flujo de corriente de electrones. Un aumento de voltaje con respecto a la corriente asumida en sentido antihorario es positivo, y 0 para ninguna fuente de voltaje.
- Resolver ecuaciones para corrientes de malla: I 1 , I 2 e I3. Resuelva las corrientes a través de resistencias individuales con KCL. Resuelva los voltajes con la Ley de Ohmios y KVL.
Si bien las reglas anteriores son específicas para un circuito de tres mallas, las reglas pueden extenderse a mallas más pequeñas o más grandes. La siguiente figura ilustra la aplicación de las reglas. Las tres corrientes se dibujan en la misma dirección, en sentido horario. Se escribe una ecuación KVL para cada uno de los tres bucles. Tenga en cuenta que no hay polaridad dibujada en las resistencias. No lo necesitamos para determinar los signos de los coeficientes. Aunque debemos prestar atención a la polaridad de la fuente de voltaje con respecto a la dirección de la corriente. La corriente I 3 en sentido horario sale del terminal positivo (+) de la fuente de l24V y luego regresa al terminal (-). Este es un aumento de voltaje para el flujo de corriente convencional. Por lo tanto, la tercera ecuación del lado derecho es -24V.
En Octave, ingrese los coeficientes en la matriz A con elementos de columna separados por comas y filas separadas por punto y coma. Ingrese los voltajes en el vector de columna b. Resuelva las corrientes desconocidas: I 1 , I 2 e I 3 con el comando: x = A b. Estas corrientes están contenidas dentro del vector de la columna x. Los valores positivos indican que las tres corrientes de malla fluyen en la dirección supuesta en el sentido de las agujas del reloj.
octava: 2> A = [300, -100, -150; -100,650, -300; -150, -300,450] A = 300 -100 -150 -100 650 -300 -150 -300 450 octava: 3> b = [0; 0; 24] b = 0 0 0 0 24 octava: 4> x = A b x = 0,093793 0,077241 0.136092
Las corrientes de malla coinciden con la solución anterior por un método de corriente de malla diferente. El cálculo de los voltajes y corrientes de resistencia será idéntico a la solución anterior. No es necesario repetir aquí.
Tenga en cuenta que los textos de ingeniería eléctrica se basan en el flujo de corriente convencional. El método loop-current, mesh-current en esos textos ejecutará las corrientes de malla supuestas en sentido horario . La corriente convencional fluye desde el terminal (+) de la batería a través del circuito, volviendo al terminal (-). Un aumento convencional del voltaje actual corresponde al rastreo de la corriente supuesta desde (-) hasta (+) a través de cualquier fuente de voltaje.
Sigue un ejemplo más de un circuito anterior. La resistencia alrededor del lazo 1 es de 6 Ω, alrededor del lazo 2: 3 Ω. La resistencia común a ambos bucles es de 2 Ω. Observe los coeficientes de I 1 e I 2 en el par de ecuaciones. El rastreo de la corriente supuesta en el sentido de las agujas del reloj 1 a través de B 1 desde (+) a (-) corresponde a un aumento de voltaje de flujo de corriente de electrones.
Por lo tanto, el signo de los 28 V es positivo. El bucle 2 en sentido antihorario asumió trazas de corriente (-) a (+) a través de B 2 , una caída de voltaje. Por lo tanto, el signo de B 2 es negativo, -7 en la segunda ecuación de malla. Una vez más, no hay marcas de polaridad en las resistencias. Tampoco figuran en las ecuaciones.
Las corrientes I 1 = 5 A, e I 2 = 1 A son positivas. Ambos fluyen en la dirección de los bucles en sentido horario. Esto se compara con los resultados anteriores.
Resumen:
- El método de corriente de malla modificado evita tener que determinar los signos de los coeficientes de la ecuación dibujando todas las corrientes de malla en sentido horario para el flujo de corriente convencional.
- Sin embargo, necesitamos determinar el signo de cualquier fuente de voltaje en el circuito. La fuente de voltaje es positiva si la corriente de ccw supuesta fluye con la batería (fuente). El signo es negativo si la corriente de ccw supuesta fluye contra la batería.
- Consulte las reglas anteriores para más detalles.
HOJA DE TRABAJO RELACIONADA: