Ecuaciones Diferenciales Aplicadas, Circuitos Eléctricos: circuito eléctrico conectado en serie del tipo LR

¿Por qué la corriente de una bobina no salta a su valor final en el instante en que cierras el interruptor? Esa demora —la misma que un ingeniero debe prever al diseñar un relevador, un solenoide o el arranque de un motor— es exactamente lo que describe una ecuación diferencial de primer orden. En este artículo modelamos un circuito LR en serie con la ley de mallas de Kirchhoff, lo resolvemos paso a paso con el método del factor integrante y verificamos la respuesta graficando la corriente $ i(t)$. Si preparas clase, aquí tienes el desarrollo completo sin saltos; si estás aprendiendo, cada paso queda justificado para que lo reproduzcas en el examen —o en código, con la simulación en Python al final.

Metodología

Utilizaremos la siguiente Metodología.

• Modelado del Circuito Eléctrico con Ecuaciones Diferenciales
• Solución de la Ecuación Diferencial resultante
• Graficación de la corriente encontrada.

Para el Modelado del Circuito Eléctrico, repasaremos las leyes de Kirchoff vistas en el artículo Circuitos Eléctricos y Ecuaciones Diferenciales solo que ahora el circuito a estudiar es del tipo LR.

Para la Solución de la Ecuación Diferencial aplicaremos la regla de los 4 pasos para la solución de las ecuaciones diferenciales lineales de 1er orden que aquí hemos utilizado.

Utilizaremos MATHEMATICA para la graficación de resultados.

Finalmente, compararemos los modelos resultantes para la simulación de circuitos del tipo LR con los modelos obtenidos para los circuitos del tipo RLC para poder entender su relación común, ya que parten del mismo criterio. Ver artículo: Circuitos Eléctricos y Ecuaciones Diferenciales.

Para esto resolveremos un ejercicio.

Ecuaciones Diferenciales Ejercicios resueltos: Capitulo 3.1 Libro Dennis G. Zill Ed 7ma,(Problema 29).

PROBLEMA

Se aplica una fuerza electromotriz de 30V a un circuito en serie LR con 0.1 henrys de inductancia y 50 ohms de resistencia. Determine la corriente $ i(t)$, si $ i(0) = 0$. Determine la corriente conforme $ t\rightarrow 0$.
El circuito esta descrito en la Figura 1.

Ecuaciones Diferenciales Aplicadas, Circuitos Eléctricos: Modelado del Circuito Eléctrico con Ecuaciones Diferenciales

Primeramente obtengamos los modelos para el circuito representado en la Figura 1.

Dicho modelo matemático proviene de las leyes de Kirchoff:

1. La suma de las corrientes hacia (o desde) cualquier punto es cero. LEY DE NODOS
2. Alrededor de cualquier trayectoria cerrada la suma de las caídas de voltaje instantáneas en una dirección específica, es cero. LEY DE MALLAS

En este caso, como queremos encontrar un valor (la corriente $ i(t)$), en un circuito cerrado o malla utilizaremos para modelar el circuito la LEY DE MALLAS.

Para esto recordamos como representamos matemáticamente, en circuitos eléctricos, a los Inductores y las Resistencias, así como las definiciones de caídas de voltaje para cada elemento:

Entonces, aplicando la ley de mallas de kirchoff al circuito de la Figura 1, para las caídas de voltaje en función de la corriente $ i(t)$, tenemos:

Donde $ L$, $ R$ son constantes conocidas como la inductancia y la resistencia, respectivamente. La corriente $ i(t)$ se llama también respuesta del sistema.

En realidad esta ecuación (1), no es más que la ecuación (2) del artículo: Circuitos Eléctricos y Ecuaciones Diferenciales sin la caída de voltaje que genera el capacitor; dicha ecuación es:

Menciono ésto porque es importante tomar en cuenta que una vez modelado un circuito en serie del tipo RLC, las versiones de circuitos en serie del tipo LR y RC, son simplemente contracciones de la ecuación (2).

Consideraciones adicionales

Es importante hacer notar que en la ecuación (2) aparecen 2 variables dependientes $ i$ y $ q$ por lo que para poder resolverla con los métodos para ecuaciones lineales ordinarias es necesario adecuarla a la forma de una ecuación diferencial lineal ordinaria, la cual contiene una sola variable dependiente, lo cual se hace evidente al ver la ecuación en su forma estándar:

$ \Large a_2 ( x) \frac{d^2 y}{d x^2} + a_1 ( x) \frac{d y}{d x} + a_0 ( x) y = g (x)$

La forma estándar anterior representa una ecuación diferencial de 2º orden, donde su única variable dependiente es $ y$ y su variable independiente es $ x$.

Utilizo la forma estándar de una ecuación diferencial linea ordinaria de 2º orden por que al adecuar la ecuación (2) a una ecuación diferencial lineal ordinaria da como resultado una ecuación de lineal ordinaria de 2º orden, ya que la relación que se necesita para sustituir una de las variables independientes eleva el orden de la ecuación (2), al ser una diferencial. Es decir, la ecuación que relaciona a las variables dependientes $ i(t)$ y $ q(t)$ en la ecuación (2) para convertirse en una ED de 2o Orden, es una ecuación diferencial.

Dicha ecuación diferencial que relaciona a las variables dependientes $ i(t)$ y $ q(t)$, en su forma de derivada es:
$ \Large i = \frac{d q}{d t}$

Solución de la Ecuación Diferencial resultante

Para nuestro caso la ecuación diferencial a resolver, según la ecuación (1) y sustituyendo los valores del problema planteado, es:

Resolviendo la ecuación (3) por el método de los 4 pasos:

I. Forma estándar:

II. Factor Integrante:

III. Forma de la solución:

Por tanto la corriente (total en el circuito), buscada es:

Para encontrar el valor de $ C$ utilizamos los valores iniciales $ i(0) = 0$, es decir cuando el tiempo $ t$ es $ 0$ la corriente $ i$ en el circuito es $ 0$ también.

Por tanto, sustituyendo estos valores en la ecuación para la corriente resultante del circuito (4), tenemos:

Esto implica que:

$ \Large C = - \frac{3}{5}$

De donde la Corriente Buscada es:

Es evidente, observando la ecuación (5), que cuando $ t \rightarrow \infty$, $ i(t) = \frac{3}{5}$, este resultado se hace más evidente cuando graficamos la corriente $ i(t)$, resultante como en la Figura 2. De aquí que se le llame transitorio al término: $ - \frac{3}{5} e^{- 500 t}$

Graficación de la corriente encontrada

Simulación con MATHEMATICA

El código en MATHEMATICA para graficar la corriente resultante es:

Clear["Global`*"]
ip[t_]=-3/5*Exp[-500 t]+3/5;
Plot[ip[t],{t,-0,Pi/200},PlotRange ->{-0.9,0.9}]

El código de MATHEMATICA para simular y resolver el modelo matemático de la ecuación (1), lo puedes ver aquí (da click aquí) 

Simula el circuito LR en Python (código listo para correr)

El artículo resuelve el circuito con Mathematica; aquí tienes el equivalente en Python (gratis y ejecutable) con los mismos valores del ejercicio ($ E = 30 \, V$, $ L = 0.1 \, H$, $ R = 50 \, \Omega$). El código reproduce la curva de corriente y comprueba los dos resultados clave: la corriente de estado estable $ i_\infty = E/R$ y la constante de tiempo $ \tau = L/R$. Solo necesitas Python con numpy y matplotlib.

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# Datos del circuito LR (los mismos del ejercicio: Zill 3.1, problema 29)
E = 30.0    # fuente [volt]
L = 0.1     # inductancia [henry]
R = 50.0    # resistencia [ohm]

# Solucion analitica del articulo:  i(t) = (E/R) * (1 - e^(-(R/L) t))
t = np.linspace(0, 0.02, 500)
i = (E / R) * (1 - np.exp(-(R / L) * t))   # corriente [ampere]

plt.figure(figsize=(7, 4))
plt.plot(t, i, color="tab:red")
plt.xlabel("t [s]"); plt.ylabel("i [A]")
plt.title("Corriente i(t) en el circuito LR en serie")
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.tight_layout()
plt.show()

print(f"Corriente de estado estable  i_inf = E/R = {E/R:.2f} A   (articulo: 3/5)")
print(f"Constante de tiempo          tau = L/R = {L/R:.4f} s   (R/L = {R/L:.0f})")

Cambia $ E$, $ L$ o $ R$ y vuelve a correr: verás cómo la constante de tiempo $ \tau = L/R$ hace que la corriente suba más rápido o más lento hacia su valor final $ E/R$. Esa es justo la intuición que un ingeniero usa para dimensionar la bobina y la protección del circuito.

Preguntas frecuentes sobre el circuito LR en serie

¿Cuál es la ecuación diferencial de un circuito LR en serie?

Por la ley de mallas de Kirchhoff: L·di/dt + R·i = E(t). Es una ecuación diferencial lineal de primer orden para la corriente i(t), donde L es la inductancia y R la resistencia.

¿Cuál es la constante de tiempo de un circuito LR?

Es τ = L/R. En este ejercicio τ = 0.1/50 = 0.002 segundos, por eso R/L = 500 aparece en el exponente e^(−500t). En aproximadamente 5τ (0.01 s) la corriente alcanza prácticamente su valor final.

¿Cuál es la corriente final en un circuito LR?

Cuando t→∞ el inductor se comporta como un cortocircuito y la corriente tiende a i∞ = E/R. En este problema i∞ = 30/50 = 0.6 A, que coincide con la solución de estado estable i_ps = 3/5.

¿En qué se diferencia un circuito LR de uno RC o RLC?

Los tres parten de la misma ecuación de malla L·di/dt + R·i + q/C = E(t). El circuito LR omite el capacitor (término 1/C·q), el RC omite el inductor, y el RLC incluye ambos y da una ecuación diferencial de 2º orden.

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