Conexión en serie | Propiedades, aplicación y ejemplos.

Circuito en Serie

Un circuito en serie es una configuración eléctrica en la que todos los componentes están conectados de extremo a extremo en una única ruta continua. Esta disposición permite que la corriente fluya a través de cada componente de manera secuencial. La resistencia total en un circuito en serie es igual a la suma de las resistencias individuales de cada componente. En este tipo de circuito, la corriente permanece constante en todos los componentes, mientras que el voltaje se divide entre ellos en proporción a sus resistencias. Los circuitos en serie se utilizan comúnmente en varios dispositivos electrónicos, como cadenas de luces festivas y dispositivos sencillos que funcionan con baterías, debido a su simplicidad y facilidad de análisis. Sin embargo, una desventaja de los circuitos en serie es que si un componente falla o se desconecta, todo el circuito se interrumpe, lo que provoca que todos los componentes dejen de funcionar.

Características de los Circuitos en Serie

• Los componentes están conectados de extremo a extremo en una sola ruta.
• La misma corriente fluye a través de todos los componentes.
• La resistencia total es la suma de las resistencias individuales.
• El voltaje de la fuente se distribuye entre los componentes según sus valores de resistencia.

Análisis

Para analizar un circuito en serie, se deben seguir estos pasos:

1. Determinar la resistencia total: R_total = R₁ + R₂ + … + R_n.
2. Calcular la corriente utilizando la Ley de Ohm: I = V_total / R_total.
3. Determinar la caída de voltaje en cada componente: V_componente = I * R_componente.
4. Calcular la disipación de potencia para cada componente: P_componente = I² * R_componente.

Aplicaciones

• Limitación de corriente: Se utilizan resistencias en serie para limitar la corriente que fluye a través de un circuito o componente.
• División de voltaje: Se pueden crear divisores de voltaje conectando resistencias en serie, permitiendo la distribución del voltaje entre varios componentes.
• Circuitos de sensores: Los circuitos en serie se utilizan en redes de sensores, donde varios sensores están conectados en serie para detectar cambios en el flujo de corriente.

Ejemplo – Cálculo de Circuito en Serie DC

Consideremos un circuito en serie DC simple con una fuente de voltaje (V) y tres resistencias (R1, R2 y R3) conectadas en serie. El objetivo es calcular la corriente (I) a través del circuito y el voltaje en cada resistencia.

Valores dados:

• V = 12 V (DC)
• R1 = 4 Ω
• R2 = 6 Ω
• R3 = 2 Ω

Pasos a seguir:

1. Determinar la resistencia total del circuito en serie: R_total = R1 + R2 + R3 = 4 Ω + 6 Ω + 2 Ω = 12 Ω.
2. Calcular la corriente a través del circuito: I = V / R_total = 12 V / 12 Ω = 1 A.
3. Calcular el voltaje en cada resistencia: V_R1 = I * R1 = 1 A * 4 Ω = 4 V; V_R2 = I * R2 = 1 A * 6 Ω = 6 V; V_R3 = I * R3 = 1 A * 2 Ω = 2 V.

En conclusión, la corriente (I) a través del circuito en serie es de 1 A, y los voltajes en R1 (V_R1), R2 (V_R2) y R3 (V_R3) son 4 V, 6 V y 2 V, respectivamente. Nótese que la suma de los voltajes individuales es igual al voltaje de la fuente: V = V_R1 + V_R2 + V_R3 = 4 V + 6 V + 2 V = 12 V.

Ejemplo – Cálculo de Circuito en Serie AC

Consideremos un circuito en serie simple con una resistencia (R), un capacitor (C) y un inductor (L) conectados en serie a una fuente de voltaje AC (V). El objetivo es calcular la corriente (I) y el voltaje en cada componente utilizando la técnica de análisis de fasores.

Valores dados:

• V = 120 V (rms) a una frecuencia de 60 Hz
• R = 10 Ω
• L = 200 mH
• C = 100 μF

Pasos a seguir:

1. Calcular la frecuencia angular (ω): ω = 2 * π * f = 2 * π * 60 ≈ 377 rad/s.
2. Calcular la reactancia inductiva (X_L) y la reactancia capacitiva (X_C): X_L = ω * L = 377 * 0.2 = 75.4 Ω; X_C = 1 / (ω * C) = 1 / (377 * 100 * 10^-6) ≈ 26.5 Ω.
3. Determinar la impedancia total del circuito en serie: Z = R + j(X_L – X_C) = 10 + j(75.4 – 26.5) = 10 + j48.9 Ω.
4. Calcular la magnitud de la impedancia: |Z| = √(R² + (X_L – X_C)²) = √(10² + 48.9²) ≈ 50.1 Ω.
5. Calcular la corriente a través del circuito: I = V / |Z| = 120 V / 50.1 Ω ≈ 2.4 A.
6. Calcular el voltaje en cada componente: V_R = I * R = 2.4 A * 10 Ω = 24 V; V_L = I * X_L = 2.4 A * 75.4 Ω ≈ 180.96 V; V_C = I * X_C = 2.4 A * 26.5 Ω ≈ 63.6 V.

En conclusión, la corriente (I) a través del circuito en serie es aproximadamente 2.4 A, y los voltajes en el resistor (V_R), inductor (V_L) y capacitor (V_C) son aproximadamente 24 V, 180.96 V y 63.6 V, respectivamente. Nótese que la suma de las magnitudes de los voltajes individuales no es igual al voltaje de la fuente debido a las diferencias de fase entre los voltajes en los componentes reactivos (inductor y capacitor).