La constante de tiempo de un circuito eléctrico: qué es y dónde se usa

Los procesos periódicos son inherentes a la naturaleza: el día es seguido por la noche, la estación cálida es reemplazada por la fría, etc. El período de estos eventos es casi constante y, por lo tanto, puede determinarse estrictamente. Además, tenemos derecho a afirmar que los procesos naturales periódicos citados como ejemplo no se están depreciando, al menos en términos de la duración de la vida de una persona.

Sin embargo, en tecnología, en ingeniería eléctrica y electrónica, especialmente, no todos los procesos son periódicos y continuos. Por lo general, algunos procesos electromagnéticos primero aumentan y luego disminuyen. A menudo, la materia solo se limita a la fase del comienzo de la oscilación, que no tiene tiempo para aumentar realmente la velocidad.

Muy a menudo en ingeniería eléctrica puede encontrar los llamados transitorios exponenciales, cuya esencia es que el sistema simplemente se esfuerza por alcanzar algún estado de equilibrio, que finalmente parece un estado de reposo. Tal transición puede ser creciente o decreciente.

La fuerza externa primero desequilibra el sistema dinámico y luego no impide el retorno natural de este sistema a su estado original. Esta última fase es el llamado proceso de transición, que se caracteriza por una cierta duración. Además, el proceso de desequilibrio del sistema es también un proceso transitorio con una duración característica.

De una forma u otra, la constante de tiempo del proceso transitorio, la llamamos característica de tiempo, que determina el tiempo después del cual un determinado parámetro de este proceso cambiará veces «e», es decir, aumentará o disminuirá unas 2.718 veces. en comparación con el estado inicial.

Considere, por ejemplo, un circuito eléctrico que consta de una fuente de voltaje de CC, un capacitor y una resistencia. Este tipo de circuito en el que una resistencia está conectada en serie con un condensador se denomina circuito integrador RC.

Si en el momento inicial para suministrar energía a dicho circuito, es decir, para establecer un voltaje constante Uin en la entrada, entonces Uout, el voltaje en el capacitor, comenzará a crecer exponencialmente.

Pasado el tiempo t1, la tensión del condensador alcanzará el 63,2% de la tensión de entrada. Entonces, el intervalo de tiempo desde el instante inicial hasta t1 es la constante de tiempo de este circuito RC.

Esta constante de cadena se denomina «tau», medida en segundos e indicada por su correspondiente letra griega. Numéricamente, para un circuito RC, es igual a R * C, donde R está en ohmios y C en faradios.

Los circuitos integrados RC se utilizan en electrónica como filtros de paso bajo cuando se deben cortar (suprimir) las frecuencias más altas y se deben pasar las frecuencias más bajas.

En la práctica, el mecanismo de dicha filtración se basa en el siguiente principio. Para corriente alterna, el capacitor actúa como una resistencia capacitiva, cuyo valor es inversamente proporcional a la frecuencia, es decir, cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la reactancia del capacitor en ohmios.

Por lo tanto, si una corriente alterna pasa a través del circuito RC, entonces, como en el brazo del divisor de voltaje, un cierto voltaje caerá a través del capacitor, proporcional a su capacitancia a la frecuencia de la corriente que pasa.

Si se conocen la frecuencia de corte y la amplitud de la señal alterna de entrada, entonces no será difícil para el diseñador elegir dicho capacitor y resistencia en el circuito RC, de modo que el voltaje mínimo (de corte) (para el frecuencia de corte: el límite superior de la frecuencia) cae sobre el capacitor, ya que la reactancia ingresa al divisor junto con una resistencia.

Ahora considere el llamado circuito diferenciador. Es un circuito que consta de una resistencia y un inductor conectados en serie, un circuito RL. Su constante de tiempo es numéricamente igual a L/R, donde L es la inductancia de la bobina en henrios y R es la resistencia de la resistencia en ohmios.

Si se aplica un voltaje constante de una fuente a dicho circuito, después de un tiempo tau, el voltaje de la bobina disminuirá en comparación con U en un 63,2%, es decir, de acuerdo con el valor de la constante de tiempo para este circuito eléctrico .

En los circuitos de CA (señales alternas), los circuitos LR se utilizan como filtros de paso alto cuando se deben cortar (suprimir) las frecuencias bajas y se omiten las frecuencias superiores (por encima de la frecuencia de corte, el límite de frecuencia inferior).Entonces, cuanto mayor sea la inductancia de la bobina, mayor será la frecuencia.

Como en el caso del circuito RC discutido anteriormente, aquí se usa el principio del divisor de voltaje. Una corriente de mayor frecuencia que pasa a través del circuito RL dará como resultado una mayor caída de voltaje en la inductancia L, como ocurre con la resistencia inductiva que forma parte del divisor de voltaje junto con la resistencia. La tarea del diseñador es elegir tal R y L para que el voltaje mínimo (límite) de la bobina se obtenga exactamente en la frecuencia límite.