Comprensión de Ohm y Kirchhoff

Question

Soy un programador informático de profesión que se ha interesado en Arduino con la esperanza de producir eventualmente un proyecto de hardware particular que ha capturado mi interés de hobby / lado de los negocios.

Entiendo muy poco de electrónica y estoy tratando de arreglar eso. Por favor, sea amable si mis preguntas son muy básicas o tontas. Realmente estoy tratando de entender algunos conceptos nuevos.

Estoy leyendo "Introducción a la electrónica" 5ª edición de Earl D. Gates. Me está gustando mucho y me parece que expone el material de forma estructurada y útil. Valió la pena el dólar que pagué en Amazon ;-)

Estoy leyendo una sección que trata sobre la Ley de Ohm y la Ley de la Corriente de Kirchhoff, y me cuesta entender algunos conceptos.

Puedo entender (o al menos hacer los cálculos para) el I = E / R ecuación. Son matemáticas básicas, así que no es difícil. La explicación de qué figuras de un circuito van donde es también bastante fácil de entender.

El libro ha dibujado circuitos con ? valores para varias partes del circuito (tensión, corriente o resistencia), y soy capaz de resolver con éxito los valores que faltan. No es demasiado difícil, en realidad.

Lo que actualmente me confunde es la "caída de tensión". Tengo una pregunta que da el siguiente circuito:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

La pregunta es: "¿Cuánto voltaje cae a través de la resistencia R2 en este circuito?"

Así que, primero, resolvemos la corriente, que se calcula en I = 4,5mA. (En realidad, 4,485981308mA.)

Entonces, sabiendo que la corriente es la misma para todo el circuito, podemos establecer la siguiente ecuación:

I2 = ER2 / R2 (¿por qué de repente es ER2 y no sólo E?)

0.0045 = E / 3900

Por lo tanto, la caída de tensión es de 17,55V.

¿Pero qué significa esto?

Utilizando los mismos cálculos, la caída de tensión para las diferentes piezas del circuito son:

Resistencia 1: 0,0045 * 5600 = 25,20V
Resistencia 2: 0,0045 * 3900 = 17,55V
Resistencia 3: 0,0045 * 1200 = 5,40V

Y esos suman 48,15V, así que nuestras matemáticas están cerca pero tienen pequeños problemas de redondeo.

Pero, de nuevo, ¿qué significa esto?

¿Significa esto que al pinchar el circuito entre las resistencias 1 y 2 me daría 22,8V (48V - 25,2V)?

Si tengo un componente electrónico sensible que acepta 3V-6V, ¿sería seguro extraer esta energía del circuito después de la resistencia 3?

¿Estoy cerca de entenderlo bien?

Lo que me interesa es trabajar con algunos componentes de 3,3V, partiendo de una tensión de entrada que quizás sea de 3,7V (LiPo), quizás de 5V (USB), quizás de 9V, etc. Entiendo que mi Arduino Uno ya tiene reguladores de potencia que la salida de 3,3V @ hasta 50mA, pero ¿cómo lo hace?

Dice que puede aceptar de 6 a 20V (¡pero el USB es de 5V!), y de alguna manera se ocupa de todo ese exceso de voltaje para proporcionar un 3,3V constante y regulado. ¿Qué magia oscura está ocurriendo aquí? ;-)

Me doy cuenta de que hay muchos, muchos componentes por ahí que "sólo funcionan" para darme la salida eléctrica que deseo (he estado jugando con algunos, como el LM317), pero me gustaría realmente comprender lo que ocurre, no sólo saber qué componente funciona. Hasta ahora, todos los intentos de hacer funcionar realmente el LM317 han fracasado, porque aparentemente tengo una grave falta de comprensión sobre este tema.

En fin, te agradezco mucho si has leído hasta aquí. ¡Gracias por cualquier ayuda!

Answer 1

Tu primera pregunta:

... Por lo tanto, la caída de tensión es de 17,55V.

¿Pero qué significa esto?

Utilizando los mismos cálculos, la caída de tensión para las diferentes piezas del circuito son:

Resistencia 1: 0,0045 * 5600 = 25,20V Resistencia 2: 0,0045 * 3900 = 17,55V Resistencia 3: 0,0045 * 1200 = 5,40V

Y esos suman 48,15V, así que nuestras matemáticas están cerca pero tienen pequeños problemas de redondeo.

Pero, de nuevo, ¿qué significa esto?

Esto se refiere a la ley de tensiones de Kirchhoff. La suma de todo Las caídas de tensión en el circuito en serie deben ser iguales a la tensión aplicada (esto no es del todo correcto, pero sirve para el circuito propuesto y evitar complicaciones).

¿Significa esto que al pinchar el circuito entre las resistencias 1 y 2 me daría 22,8V (48V - 25,2V)?

No entiendo esta pregunta. La caída de tensión obtenida para cada resistencia es la tensión que se puede medir con un voltímetro conectado a la resistencia de alfileres.

Si tengo un componente electrónico sensible que acepta 3V-6V, ¿sería seguro extraer esta energía del circuito después de la resistencia 3?

Definitivamente no . Cualquier circuito conectado a la derivación, modifica completamente el comportamiento del circuito original, y por tanto la caída de tensión original.

... Dice que puede aceptar 6-20V (¡pero el USB es de 5V!), y de alguna manera se ocupa de todo ese exceso de voltaje para proporcionar un 3,3V constante y regulado. ¿Qué magia oscura está teniendo lugar aquí? ...

El regulador de tensión es un sistema retroadaptado es decir, cuando se conecta un circuito a la salida del regulador, un circuito interno opera para mantener una tensión de salida estable .
La diferencia entre la tensión de entrada y la de salida es absorbida por el regulador, al tener una "resistencia variable". Según el circuito conectado, el circuito regulador interno "fija" el valor de esta "resistencia variable" (en realidad es un transistor, para un regulador lineal) para que la tensión se mantenga dentro de un rango especificado.

Los reguladores de tensión constituyen todo un campo de aplicación específico en la electrónica. Hay muchos tipos. En particular, el regulador LM317 es un regulador lineal . Implementa un transistor como elemento regulador entre la tensión de entrada y la de salida. El control de este transistor permite ajustar su caída de tensión, según el circuito que se quiera alimentar.

Answer 2

Básicamente estás en el camino correcto con tu comprensión de la Ley de Ohms y la Ley de Kirchoff.

El concepto de "caída de tensión" puede confundir a los principiantes (sé que a mí me pasó). Como dijo uno de los encuestados, la Ley de Kirchoff puede reformularse legítimamente para significar que las "caídas de tensión" a través de los elementos pasivos de un circuito deben ser iguales a la tensión aplicada a ese circuito por la(s) fuente(s) de tensión. Un "elemento pasivo" es un elemento que no produce ninguna tensión propia: las resistencias son los principales ejemplos.

En tu ejemplo tienes tres resistencias, Kirchoff dice que los 48 voltios deben distribuirse (caer) a través de esas tres resistencias. Por lo tanto, la corriente que corre a través de las tres resistencias se igualará naturalmente a un valor en el que esto se hace realidad. La Ley de Ohms te dice el valor de esa corriente. La Ley de Kirchoff y la Ley de Ohms deben "cumplirse" simultáneamente para que exista el equilibrio. Todo tiene que "jugar" junto: los voltajes a través de las resistencias tienen que sumar 48 voltios Y la relación corriente-voltaje definida por la Ley de Ohms también debe existir. Matemáticamente, hay 4 incógnitas: la corriente y las tres caídas de tensión. Si tienes inclinación matemática, puedes escribir un grupo de ecuaciones simultáneas para resolver el problema. Si sólo quieres hacerte una idea de cómo funciona, puedes aplicar la ley de Ohm de forma fragmentaria e intuitiva basándote en los dos principios (Ley de Ohms y Ley de Kirchoff).

Además, puedes cambiar el valor de las resistencias a cualquier valor que quieras, esto simplemente cambiará el equilibrio y terminarías con una corriente diferente y tres caídas de voltaje diferentes a través de las resistencias, pero seguirías cumpliendo la Ley de Kirchoff (todas las caídas tendrían que sumar 48 voltios) y la Ley de Ohms (la corriente es tal que el voltaje a través de cada resistencia permite satisfacer la Ley de Kirchoff) - ¡armonía!

¿Qué utilidad práctica tiene un circuito como éste? Ummm, eso depende de cómo se defina "práctico". ¿Qué utilidad práctica tiene una flexión de brazos para un jugador de béisbol? No va a ir al campo de juego a hacer flexiones. ¿Qué utilidad práctica tiene un tornillo de máquina y una tuerca en la mano? Puedes hacer girar la tuerca hacia arriba y hacia abajo de la rosca del tornillo para divertirte. Pero el verdadero uso entra en juego cuando utilizas ese tornillo y esa tuerca para montar un gancho de suspensión en un banco de trabajo, o para sujetar un eje al bastidor de un coche.

Su circuito tomado por sí mismo simplemente ilustra los dos principios implicados. Pero si lo unieras con un op-amp o un comparador, estarías utilizando las dos tensiones intermedias para realizar una tarea útil en un circuito más complejo. Por ejemplo, podrían proporcionar valores de umbral de tensión en un circuito comparador, o niveles de referencia en un amplificador basado en un op-amp.

Lo que ocurre con la Ley de Ohms y la Ley de Kirchoffs (y no olvidemos la Ley de Norton para las corrientes) es que son omnipresentes en todos los niveles de la electrónica. Se utilizan en todas las disciplinas electrónicas - analógica, digital, RF, televisión, audio, etc - una y otra vez. No llegarás muy lejos en ninguno de estos campos sin una comprensión firme y visceral de estas "leyes". ¡Y son, de hecho, las "Leyes de la Electrónica" - nada en la electrónica funciona a menos que siga estas leyes - créeme, he tratado de romperlas numerosas veces y siempre han logrado romperme!