Testeando la intuición de circuitos

Esta entrada servirá para evaluar si has desarrollado buena intuición a la hora de interpretar circuitos, así como para revisar si los conceptos estaban bien entendidos. Aunque algunos ejemplos te parezcan un poco absurdos, la realidad es que son escenarios que se dan, aunque no de forma aislada, sino como parte de problemas mayores o situaciones complejas. Por eso es muy importante que no tengas dudas para poder centrarte en el problema real. No vamos a hacer nada de mates, se trata de entender los conceptos. Te sugiero que enfoques cada circuito como un reto, y lo pienses (pensar es importante, aunque a veces dé pereza) antes de ir a leer la explicación. Dicho esto, vamos a empezar.

La importancia de entender la topología.

Echa un ojo al circuito antes de seguir leyendo.

En un vistazo rápido el circuito parece normal. Una fuente de tensión, unas resistencias… Cosa fácil… O no. Si te digo que este circuito es igual al primer ejemplo que vimos en la entrada anterior, ¿Te parece obvio, o crees que te estoy engañando? Échale un ojo a ver si te inspiras. ¿Todavía no? Te doy algunas pistas:

• R2 y R3, ¿Están en serie o paralelo? ¿Importa realmente?
• ¿La corriente va de la fuente a masa? ¿Qué lazo sigue la corriente?
• El símbolo de masa está tirado en un lugar raro.

Venga, vamos a desentrañar el circuito. Lo primero que debes saber es que el símbolo de masa no hace que un nodo sea más especial que cualquier otro. Podríamos haberlo dibujado en cualquier sitio y nada cambiaría en el circuito. En resumen, lo he puesto ahí para confundir. ¿Cuál era la confusión que quería provocar? Pues que pensases que la corriente va desde la fuente de alimentación a masa. Dado que (casi) siempre se dibuja el símbolo de masa en el “-“ de la fuente, se puede crear la falsa idea de que la corriente tiene que ir del “+” a masa, pero eso es falso. Lo que debe hacer la corriente es circular por un lazo, malla o bucle, llámalo como quieras, pero quédate con la idea de que la corriente sale de un punto y vuelve a ese mismo punto haya símbolo de masa o no.

Vale, primera aclaración hecha y no hemos resuelto ningún problema, pero paciencia que esto no es una carrera. Lo siguiente que debemos pensar es qué lazo va a seguir la corriente. Está claro que sale de la fuente V1, pasa por R1 y llega a un nodo con una bifurcación. Por Kirchoff sabemos que la corriente que entra un nodo es igual a la suma de corrientes que salen. Aquí la corriente se puede dividir entre ir hacia R2 o seguir por un cable sin resistencia. Entonces, la pregunta es ¿Va a pasar por R2 y R3 o por el cable? La corriente siempre se reparte por los caminos en función de la resistencia de cada uno de estos. Más resistenciaàmenos corriente. Por tanto, si el cable tiene 0 resistencia, toda la corriente va por él.

Esto nos lleva al siguiente tema: si no hay corriente por R2 y R3, ¿Cuál es la tensión que cae? Pues nada, 0 , nothing. Por consiguiente, si no hay diferencia de tensión en las Rs, quiere decir que la tensión en ambos bornes es igual. Vas viendo ya por dónde voy, ¿Verdad? Efectivamente, ¡Es como si R2 y R3 no existiesen en el circuito! Y, ¿Qué queda, pues? ¡Tan solo la fuente V1 y R1!

¿Hacia dónde va la corriente?

Tal y como diría el gran Pepe Cuenca (genial comentarista de ajedrez): pero piltrafilla, cierrabares, qué basura de circuito es este!

A ver, una fuente de corriente apuntando en sentido horario, una fuente de tensión “apuntando” a la izquierda que, encima, es de valor negativo… ¿Cuál es el sentido de la vida? ¿Por qué vemos este circuito? Pues para que compruebes si tienes ya cabeza electrónica o no. Si tienes cabeza electrónica, este circuito se resuelve en 10 segundos máximo y sin usar papel o calculadoras. ¿Que no lo ves así? ¡No problem! Aquí estamos para ayudarte a llegar a eso. Te voy a poner cómo lo proceso en la cabeza y después lo desgranamos. Ojo, las siguientes frases tienen una puntuación (más) incorrecta (que el resto del texto). Al lío:

Vale hay un solo lazo de un amperio la R es un Ohm con lo que tengo 1V en Vr así que si tiro -10 a la izquierda me quedan -9V.

Ahora toca procesarlo bien para entender en qué se fundamentan las conclusiones previas. En este circuito vemos una fuente de corriente y otra de tensión. ¿Es esto un problema? ¿Puede un circuito tener más de una fuente? Pues la respuesta es que… casi siempre sí. Las fuentes son componentes normales que tienen un comportamiento concreto. Solo cuando la topología del circuito impide que tengan ese comportamiento tendremos problemas. En el caso concreto actual, la fuente de corriente garantiza que por ella pasa un amperio. Eso es así independientemente del resto de cosas del circuito, incluyendo posibles fuentes de tensión. Al haber solo un lazo, toda la corriente que pasa por la fuente de corriente tiene que pasar necesariamente por la fuente de tensión y por la resistencia. Por Ley de Ohm, sabemos que en la resistencia cae 1V (V=I*R=1*1). Entonces, en el nodo “Vr”, a la derecha de la fuente hay 1V. Esta era la parte fácil, pero ¿Qué pasa con la fuente de tensión? Primero, recordemos lo qué es: una fuente de tensión asegura una diferencia de potencial entre sus bornes. Esa diferencia siempre se produce desde el terminal “-“ al “+”. Mira bien el circuito: el “-“ está a la derecha. ¿Cuál es la diferencia de tensión que impone la fuente? Pues -10V. Es decir, entre el terminal “-“ y el terminal “+” vamos a “ganar” -10V. ¿Pero Miguelón, puede ser negativa la tensión? Pues claro, las tensiones son diferencias de potencial. Que “un” potencial sea más alto que “otro”, u “otro” sea más alto que “uno”, es perfectamente posible, 100% legal. Pero volviendo al circuito: la fuente garantiza -10V del “-“ al “+”. Entonces, si en “Vr” había 1V, a la izquierda de la fuente habrá -9V.

En los siguientes dos ejemplos vamos a ver más combinaciones raras de fuentes.

¿Están bien conectadas esas fuentes?

Vamos a hablar sobre dos circuitos bastante sencillos. La característica que quiero resaltar es que tienen, cada uno, dos fuentes de tensión. Quiero que mires detenidamente ambos y te preguntes si son circuitos posibles y funcionales. ¿Qué te parecen esas fuentes en paralelo del circuito “A”? Y, ¿Las fuentes enfrentadas del circuito “B”? Intenta pensar antes de seguir leyendo.

Bien, vamos a ver qué tal se te ha dado. Para determinar si esas fuentes están colocadas de manera que sean compatibles entre sí mismas, solo tenemos que recurrir al comportamiento principal de una fuente de tensión. A estas alturas, ya deberías tenerlo grabado en la cabeza: una fuente de tensión asegura una diferencia de potencial entre sus bornes (tienes que imaginar que la frase suena como si los miembros de una secta renacentista con toga y capucha lo repitiesen al unísono).

Entonces, vamos con el circuito “A”. Hay dos fuentes en paralelo. Si ambas fuentes aseguran una diferencia de potencial, está claro que solo pueden coexistir si la tensión que aseguran es la misma. De otro modo, llegaríamos a una implosión metafísica del universo. Si V3 asegura algo, pero V4 asegura otra cosa, y comparten bornes, es decir, comparten tensión, no puede esa tensión, que es común, tener dos valores. Por tanto, el circuito “A” no puede existir salvo que las fuentes sean iguales.

A ver qué pasa con el circuito “B”. Ahí tenemos dos fuentes de tensión en serie y encima colocadas un poco a boleo. ¿Hay algún problema en este circuito? ¡No! Fíjate que cada fuente puede realizar su función libremente sin impedir que la otra lo haga. Si analizamos el circuito en sentido horario con masa en el terminal “+” de V6, podemos interpretar que V6 reduce la tensión y V5 la aumenta. No hay ningún problema con eso. Ya habíamos comentado en el ejemplo previo que tener tensiones negativas y positivas es 100% legal. De hecho, las tensiones no son positivas o negativas hasta que fijamos un punto referencia. Vamos a ver si me explico. Igual te va bien hacerte con papel y lápiz.

Imagina que la masa está en el “hilo” de debajo de V6. Si eso fuese así, tendríamos una reducción de tensión desde V6 hasta el nodo común entre V6 y V5. Posteriormente, un aumento de tensión desde el nodo común hasta el que está encima de V5. Sin embargo, la masa la podemos poner en cualquier parte (eso sí, si estás trabajando en un circuito con alguien vigilad de escoger el mismo punto u os vais a volver locos) y una posibilidad podría ser el nodo que queda entre V5 y V6. Vuelve al dibujo e imagina el símbolo de masa en el nodo que queda en medio de las dos fuentes. En este caso, tendrías una tensión positiva producida por V5 yendo hacia arriba, y otra tensión positiva producida por V6 yendo hacia abajo. No obstante, el circuito es exactamente el mismo que antes. Hay las mismas corrientes, la misma caída de tensión en la resistencia y las mismas diferencias de potencial en las fuentes. Es absolutamente crucial que tengas esto totalmente interiorizado. Si tienes dudas, ve a la parte 3 de la serie y repasa la sección sobre la tensión.

¿Funciona el circuito?

Ya vamos a ir acabando, pero quería retorcer un poco más la situación antes de liberarte. Total, ¿Qué hay mejor que hacer que aprender electrónica? Con los siguientes circuitos vamos a proceder de la misma manera que en el ejemplo previo. Tienes que echarle un ojo e intentar averiguar si son topologías legales. Debajo del circuito te pongo la explicación, pero insisto en que deberías intentar pensarlo antes de leer.

Empezamos con el circuito “B”. Tenemos un lazo con dos fuentes de corriente. A estas alturas, deberías tener todas las alarmas disparadas. Recordemos qué hace una fuente de corriente: una fuente de corriente garantiza una corriente pasando por ella. En nuestro circuito tenemos I2, que impondría una cierta corriente, e I5 que también quiere imponer una corriente. Dado que las dos fuentes están en el mismo lazo, no pueden coexistir ya que un lazo solo puede tener un único valor de corriente en un momento dado.

Vale, vamos a por el circuito “A”. Aquí puedes tener alguna duda más, sería razonable. Sin embargo, tan solo tenemos que ir a las definiciones que hemos visto tantas veces sobre fuentes de tensión y fuentes de corriente. Si usamos esas definiciones, no llegamos a ningún absurdo ni situación imposible. Es decir, un circuito así puede existir perfectamente. Fíjate que la fuente de tensión puede imponerla sin problema. Esa tensión sería directamente la que cayese en la resistencia. Al caer tensión en la resistencia, se generará una corriente por ella. Esa corriente será suministrada, en cierta parte por la fuente de corriente, y en otra parte por la fuente de tensión. La corriente que no va a la resistencia (sobrante o faltante según los valores de las fuentes) se queda circulando por las fuentes.

Conclusiones de la serie

Si por algún tipo de milagro has llegado hasta aquí, enhorabuena. Los conceptos que hemos visto no son fáciles de asimilar. Incluso aunque creas que los has entendido, te aseguro que encontrarás situaciones que te pillarán desprevenido, pero seguro que tendrás los recursos para acabar comprendiéndolas, dándole a la cabeza un poco. Si vienes desde la primera entrada y no sabías nada de electrónica, esto habrá sido un esfuerzo grande y es posible que tengas la sensación de que no lo puedes aplicar todavía. Tengo buenas noticias para ti: lo más aburrido ya ha pasado. Sin embargo, te mentiría si te dijese que queda poco camino. La electrónica es un campo enorme, aunque no necesitarás saberlo todo. Los siguientes pasos serán comprender cómo funcionan otros elementos de circuitos: inductores y condensadores. Estos elementos permiten controlar tensiones y corrientes en función del tiempo, y abren un montón de aplicaciones.

He acabado de escribir este texto en la mañana de la Navidad de 2024 (vete a saber cuándo lo publicaré), así que ahora me dispongo a seguir comiendo como un cerdo (donde vivo hay celebraciones desde el 24 hasta el 26) y te deseo Feliz Navidad, lo leas cuando lo leas.