Es muy probable que si le preguntas a cualquier persona qué es lo que más le gusta hacer en sus ratos de ocio, te respondan que ir a cine, escuchar música, ver televisión, entre otras actividades. Aunque habrá algunas excepciones, la mayoría de esas personas utilizan la tecnología para entretenerse.
Lo que sí nadie duda es que la tecnología nos facilita la vida a todos. Ahora bien, si le preguntas a cualquiera de esas mismas personas, cuál es la base técnica en la que se soportan todos esos equipos tecnológicos y que les permite realizar sus funciones, pocos te responderán que los circuitos eléctricos.
Pero es así, los circuitos eléctricos son la base sobre la que se fundamenta cualquier equipo tecnológico.
Hoy te invito a que exploremos qué son los circuitos eléctricos y cómo funcionan. Pero no te asustes, no vamos a profundizar demasiado en complicadas fórmulas matemáticas que intimidan a muchos. :)
Por otro lado, no importa si apenas comienzas tus estudios de tecnología o si ya tienes un poco de experiencia en la misma; echemos una mirada al interior de esos equipos tecnológicos para entender su principio de funcionamiento.
Empecemos.
Indice de contenidos
Electricidad y electrónica
Antes de empezar el estudio de los circuitos eléctricos, es necesario ver algunos conceptos importantes, que a veces se tienden a confundir. Uno de ellos es la creencia popular de que la electricidad y la electrónica son lo mismo. Analicemos algunas similitudes y diferencias entre ellas.
Electricidad
Los fenómenos eléctricos naturales han existido desde mucho antes de que los seres humanos apareciéramos en el planeta Tierra y continuarán cuando nosotros nos hayamos extinguido.
Tales de Mileto en el siglo VI a.C. observó el fenómeno que hoy llamamos electricidad estática o triboelectricidad, que es la que se produce por fricción.
Benjamín Franklin en el año 1752 experimentó con las tormentas eléctricas e inventó el pararrayos.
Un paso muy importante lo realizó el italiano Alessandro Volta, quien fue la primera persona en “dominar” la electricidad y encapsularla en celdas o pilas en el año 1800, por lo menos eso dice la historia; de la batería de Bagdad podemos hablar en otro artículo ;). De allí en adelante aparecieron los equipos eléctricos.
Quedémonos con la idea de que un equipo eléctrico nos permite controlar algunas variables físicas como el calor (en las estufas), la aceleración (con los motores) y la luminosidad (con las lámparas), entre otras funciones muy útiles.
También podemos generar la electricidad como corriente alterna, transportarla, elevarla, reducirla y así llevarla hasta nuestros hogares, escuelas, hospitales y fábricas.
Electrónica
En el año 1906 se da el nacimiento de la electrónica con el invento del Triodo realizado por Lee De Forest. ¿Y, qué hacía de importante el triodo?, pues nada menos que amplificar y conmutar a altas velocidades, las dos funciones principales de todos los avances tecnológicos de hoy.
Con el invento del transistor en el año 1947 y de los circuitos integrados en 1958, fue posible miniaturizar todos los equipos electrónicos al tamaño que hoy conocemos.
Los equipos electrónicos tienen transistores en su interior y pueden realizar amplificación (como en los equipos de audio), mostrar vídeo (como en la televisión), manejar todo tipo de información como en el ordenador) y es la base de la industria (automatización) y de los medios de transporte, por nombrar solo algunos de sus usos.
No hay que olvidar que todo equipo electrónico, también es eléctrico, aunque lo contrario no es cierto; un equipo puede ser netamente eléctrico. Pero ambos se componen de circuitos eléctricos.
Circuito eléctrico
Un circuito eléctrico es un grupo de componentes eléctricos unidos entre sí con el fin de transformar la energía eléctrica, en otro tipo de energía útil para el hombre.
Los componentes eléctricos obligatorios para el funcionamiento de un circuito eléctrico son:
- Fuente de energía eléctrica. Su función es entregar la energía eléctrica para el funcionamiento del circuito. Puede ser de tensión directa como una pila o de tensión alterna, como la que hay en los tomacorrientes de nuestro hogar.
- Carga eléctrica. Aquí se realiza el cambio de la energía eléctrica a otra forma útil de energía como lumínica o calórica. Ejemplos de carga eléctrica son una lámpara o una resistencia.
- Conductores eléctricos. Son los encargados de unir la fuente de energía y la carga eléctrica. Puede ser un cable, que tiene varios conductores internos o un alambre con un único conductor.
Aparte de estos tres componentes fundamentales de todo circuito eléctrico, existen otros dos, que aunque su función es muy importante, no son absolutamente necesarios para que el mismo funcione correctamente, y son:
- Elemento de control. Permite o no el paso de la corriente eléctrica. Puede ser un interruptor o un pulsador.
- Elemento de protección. Evita daños mayores si hay algún problema en el circuito. Puede ser un fusible o un disyuntor eléctrico.
Ahora bien, como observamos en la imagen superior, en un circuito eléctrico podemos encontrar componentes eléctricos y variables eléctricas. Veamos la diferencia.
Componentes eléctricos
Algunas personas cuando se inician en el estudio de los circuitos eléctricos tienden a confundir los componentes eléctricos con las variables eléctricas. Una forma sencilla de diferenciarlos, es que los componentes eléctricos son objetos físicos que podemos ver y tocar; en cambio, no podemos hacer lo mismo con las variables eléctricas. Podemos ver y tocar una batería (componente eléctrico) pero no su tensión o voltaje (variable eléctrica). Se puede tocar un motor (componente eléctrico) o ver su movimiento, pero no podemos ver la corriente eléctrica (variable eléctrica) que genera ese movimiento.
Algunos componentes comunes usados en los circuitos eléctricos son las pilas y baterías, interruptores, fusibles, motores y resistencias, entre otros.
Variables físicas y eléctricas
Una de las materias o asignaturas que más dificultad cuesta entender a los estudiantes de educación secundaria es la física y uno de los temas que se estudian en la misma, son las variables físicas como la velocidad, la masa y el tiempo, entre otras. También se estudian las variables eléctricas, pero como poco se usan, pronto caen en el olvido.
Cuando uno se inicia en el estudio de la tecnología, y para mejor comprensión de la misma, es conveniente analizar primero las variables físicas de uso común antes de abordar el estudio de las variables eléctricas.
Variables físicas
Por variable física se entiende un fenómeno que cambia respecto a algo y que podemos medir su magnitud, por ejemplo el tiempo, la distancia o el peso.
Tengamos en cuenta que para expresar la magnitud de una variable física debemos expresar una cantidad y una unidad de medida: 15 segundos, dos horas, 3 kilómetros, 2 millas, 20 kilogramos o 3 toneladas.
Podemos observar que para una misma variable física, puede haber varias unidades de medida; para el tiempo, segundos, horas, minutos. Para la distancia, kilómetros, millas, yardas. Para el peso, kilogramos, toneladas, onzas.
Si hay varias unidades de medida para la misma variable física, está el inconveniente de que podemos usarlas indistintamente creando confusión. El Sistema Internacional de Unidades (SI) minimiza esta dificultad al normalizar las unidades de medida, pero no resuelve el problema por completo. En ocasiones, debemos hacer conversión de unidades, de millas a yardas, por ejemplo. Afortunadamente, con las variables eléctricas no tendremos esa dificultad :)
En ocasiones, antes de la unidad de medida, se antepone un prefijo decimal que no es de uso obligatorio pero ayuda mucho en el caso de trabajar con cantidades muy grandes o muy pequeñas.
Variables eléctricas
Son variables físicas también , pero las usamos especialmente las personas que trabajamos con electricidad y electrónica. Son muchas pero, inicialmente nos interesan solo 5:
- Tensión – voltaje – diferencia de potencial – fuerza electromotriz
- Resistencia
- Intensidad de la corriente eléctrica
- Potencia
- Frecuencia
La imagen superior nos muestra claramente cómo actúan las variables eléctricas (con sus unidades de medida) en un circuito eléctrico.
Tensión – voltaje – diferencia de potencial – fuerza electromotriz
Definamos la tensión eléctrica (aunque podemos utilizar cualquier otro de sus nombres) como la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos o la fuerza que impulsa a los electrones a moverse de manera organizada del polo negativo al polo positivo de la fuente de energía eléctrica, a través del circuito eléctrico.
La unidad de medida de la tensión eléctrica es el voltio (V), en honor al físico y químico italiano Alessandro Giusseppe Antonio Anastasio Volta, dejémoslo solo en Volta ;). En pilas eléctricas podemos encontrar tensiones de 1.5 voltios de corriente directa (Vdc) o 110/220 voltios de corriente alterna (Vac), como en los tomacorrientes de nuestros hogares
Resistencia
La resistencia eléctrica es la oposición que encuentra la corriente a su paso por los diferentes componentes del circuito.
La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el ohmio (Ω), en honor al físico alemán Georg Simon Ohm.
Cuando la resistencia eléctrica de un material es cercana a 0 Ω, lo llamamos conductor de la electricidad (plata, cobre, oro) y si su resistencia es muy alta, del orden de M Ω o más, lo llamamos aislante de la electricidad (plásticos, madera, cerámicas). Hay que tener en cuenta que no hay conductores, ni aislantes perfectos.
La siguiente imagen nos muestra algunos de los símbolos más usados para representar la resistencia eléctrica.
Intensidad de la corriente
La corriente eléctrica es el movimiento ordenado de electrones a través de un material conductor en un circuito eléctrico.
La unidad de medida de la corriente eléctrica es el amperio (A), en honor al físico y matemático francés André-Marie Ampére.
Potencia
Es la cantidad de trabajo (fuerza o energía que se aplica a un cuerpo) que se realiza por unidad de tiempo.
La unidad de medida de la potencia eléctrica es el vatio o Watt (W), en honor del ingeniero mecánico y químico escocés James Watt.
Cuando decimos que un televisor consume unos 70 W y una lavadora de ropa 1500 W, y teniendo en cuenta que las empresas que venden la energía eléctrica domiciliaria cobran el consumo de potencia, entendemos porqué podemos ver televisión varias horas al día y porqué debemos minimizar el uso de nuestra lavadora de ropa.
Frecuencia
La frecuencia es la medida del número de veces que se repite un fenómeno por unidad de tiempo. En los fenómenos ondulatorios, como las señales eléctricas, expresa el número de ciclos que se repite la onda cada segundo.
La unidad de medida de la frecuencia eléctrica es el hertz (Hz), en honor del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz.
En algunos países la frecuencia de la tensión alterna (Vac) que se presenta en los tomacorrientes, es de 60 Hz y en otros de 50 Hz.
Las pilas o baterías (Vdc) tienen una frecuencia de 0 Hz, ya que sus bornes o terminales ( + y -) no cambian su polaridad a lo largo del tiempo.
Representación de circuitos eléctricos
Los circuitos eléctricos se pueden representar de dos formas:
- Diagrama pictórico. Es un dibujo o fotografía que nos muestra la forma real de los componentes que se están utilizando en el circuito. No es la forma de representación más utilizada, pero es muy conveniente al empezar los estudios de circuitos o cuando es tan grande el circuito eléctrico que nos facilita el trabajo observar las imágenes reales del mismo. La dificultad de utilizar un diagrama pictórico es que cuesta trabajo dibujarlo, no todos dibujamos de la misma forma y algunos no tenemos habilidades para el dibujo ;).
- Diagrama esquemático. Es la representación simbólica de cada uno de los componentes eléctricos de un circuito. Se facilita esta representación, por el hecho de que los símbolos están estandarizados y que es muy sencillo dibujarlos. Es la representación que más frecuentemente encontraremos.
La imagen nos muestra la representación de un circuito eléctrico en serie, en forma pictórica (izquierda) y esquemática (derecha).
En la imagen inferior vemos algunos componentes eléctricos con su representación pictórica (dibujos) y esquemática (símbolos).
Tipos de circuitos eléctricos
Podemos clasificar los circuitos eléctricos, según diversos criterios de clasificación, por ejemplo, según su funcionamiento los podemos clasificar en:
- Circuito abierto
- Circuito cerrado
- Corto circuito
Circuito eléctrico abierto
Es un circuito eléctrico en el cual no circula la corriente eléctrica por estar interrumpido en alguno de sus componentes; por tanto, no está funcionando por estar incompleto el camino para los electrones.
Circuito eléctrico cerrado
Un circuito eléctrico está cerrado cuando la trayectoria para el desplazamiento de los electrones está completa y por tanto, está funcionando.
Corto circuito
El indeseado cortocircuito se produce cuando dos conductores que poseen diferentes polaridades entran en contacto provocando calentamiento (efecto Joule). Esta intensidad elevada puede provocar daños o incendios. Por eso se instalan elementos de protección, como fusibles, disyuntores o relés térmicos.
Según la disposición de las cargas eléctricas, los circuitos eléctricos se clasifican en:
- Circuito eléctrico básico
- Circuito eléctrico serie
- Circuito eléctrico paralelo
- Circuito eléctrico mixto
Circuito eléctrico básico
Es la mínima expresión de un circuito eléctrico, aquí podemos ver los tres componentes necesarios para el funcionamiento del circuito: fuente de alimentación, carga eléctrica y conductores eléctricos.
En este tipo de circuito, solamente hay una carga eléctrica.
Circuito eléctrico serie
Aquí encontramos dos o más cargas eléctricas colocadas una enseguida de la otra y debemos reducir el circuito serie a un circuito básico. Para eso necesitamos la resistencia equivalente de las mismas, que corresponderá a la suma de sus resistencias en Ohmios.
Importante: La resistencia equivalente en un circuito serie aumenta, ya que equivale a aumentar la longitud de las mismas y eso aumenta su resistencia.
Obtenemos un nuevo circuito equivalente, con la misma fuente de alimentación, pero una sola carga eléctrica y podemos entonces aplicar las leyes eléctricas.
En un circuito eléctrico en serie, la intensidad de la corriente es la misma en cada una de las cargas, pero la tensión de la fuente se divide en las cargas eléctricas del circuito en forma directamente proporcional a su resistencia.
Atención: En un circuito en serie, si una de las cargas falla, las demás dejarán de funcionar ya que la corriente las atraviesa a todas (como cuando falla una de las lamparitas de las series navideñas).
Circuito eléctrico paralelo
Aquí tenemos dos o más cargas eléctricas colocadas una frente a la otra con sus terminales unidas y debemos reducir el circuito paralelo a un circuito básico. Para eso necesitamos la resistencia equivalente de las mismas, que corresponderá al inverso de la suma de los inversos de cada resistencia del circuito en paralelo:
Importante: La resistencia equivalente en un circuito paralelo disminuye, ya que equivale a aumentar la sección transversal de las mismas y en consecuencia disminuye su resistencia.
Obtenemos un nuevo circuito equivalente, con la misma fuente de alimentación, pero una sola carga eléctrica y podemos entonces aplicar las leyes eléctricas.
En un circuito eléctrico en paralelo, la tensión de la fuente de energía es igual en cada una de las cargas, pero la corriente se divide en las cargas en puntos llamados nodos.
Atención: En un circuito en paralelo, si una de las cargas falla, las demás seguirán funcionando, ya que la corriente principal tiene otros caminos para poder circular (podemos deducir que las luminarias de nuestros hogares forman parte de un circuito en paralelo ya que si se funde una de las bombillas, las otras siguen funcionando).
Circuito eléctrico mixto
El circuito eléctrico mixto consiste en tener cargas eléctricas en serie y paralelo en el mismo circuito eléctrico. Esto hace que la resolución de un circuito mixto tenga un poco de dificultad. Hay que empezar reconociendo cargas en serie o en paralelo puro y resolver en consecuencia.
En la imagen superior podemos notar que R1 y R2 están en serie y debemos sumarlas, esa resistencia equivalente queda en paralelo con R3 y se resuelve como tal. Se debe obtener un nuevo circuito equivalente, con la misma fuente de alimentación, pero una sola carga eléctrica.
Leyes eléctricas
Veamos algunas leyes básicas de los circuitos eléctricos:
- Ley de Cargas eléctricas
- Ley de Ohm
- Ley de Watt o de Potencia
- Leyes de Kirchhoff
Ley de cargas eléctricas
Nos dice que las cargas eléctricas de igual signo se repelen, mientras que las de signo contrario se atraen. La magnitud de estas fuerzas fue estudiada por Charles Agustín de Coulomb, quien demostró que esta fuerza es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Lo que debe quedarnos claro es que cargas eléctricas opuestas se atraen y que por eso es peligroso unir el polo positivo y el polo negativo de una batería.
Ley de Ohm
Esta ley nos relaciona matemáticamente las variables eléctricas de la tensión, la intensidad y la resistencia.
La ley de Ohm nos dice que la intensidad de la corriente en un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión presente en el circuito e inversamente proporcional a la resistencia de la carga eléctrica.
El triángulo de la ley de Ohm nos facilita encontrar la fórmula para hallar la variable eléctrica incógnita.
Ley de Watt o de Potencia
Esta ley nos relaciona matemáticamente las variables eléctricas de la tensión, la intensidad y la potencia.
La ley de Watt o de Potencia nos dice que la potencia consumida por un componente eléctrico es directamente proporcional a la tensión aplicada en el mismo y a la intensidad de la corriente que circula por él.
El triángulo de la ley de Watt nos facilita encontrar la fórmula para hallar la variable eléctrica incógnita y funciona exactamente igual que el triángulo de la ley de Ohm.
En la imagen el puntero nos señala la intensidad de la corriente (I), si conocemos las otras dos variables eléctricas (potencia y tensión), aplicaremos la fórmula:
Leyes de Kirchhoff
Las leyes de Gustav Kirchhoff son dos, una aplicada a las tensiones en circuitos en serie y otra aplicada a las corrientes en circuitos en paralelo. Ambas son igualdades que se basan en la conservación de la energía en los circuitos eléctricos.
Ley de tensiones de Kirchhoff
En un lazo cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente, la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico en un lazo es igual a cero.
Ley de corrientes de Kirchhoff
Esta ley está basada en la ley de la conservación de la carga, lo cual implica que la suma algebraica de las cargas dentro de un sistema no puede cambiar.
Ejemplos de resolución de circuitos eléctricos
Cuando resolvemos los circuitos eléctricos, vemos la aplicación práctica de todos los conceptos arriba estudiados.
Ejemplo de circuito eléctrico básico
¿Cuál es la corriente que circula por el filamento de una lámpara de 60 watts, conectada a una tensión de 110 Vac? Calcula también la resistencia del filamento de la lámpara.
Datos conocidos:
- Potencia: 60 W
- Tensión: 110 Vac
Variables eléctricas desconocidas:
- Intensidad
- Resistencia
Al conocer la potencia y la tensión, utilizamos la ley de Watt para encontrar la Intensidad.
Según el triángulo de la ley de Watt:
Ahora que hemos encontrado la Intensidad de la corriente, podemos aplicar la ley de Ohm y encontrar la resistencia del filamento de la lámpara.
Según el triángulo de la ley de Ohm:
Ejemplo de circuito eléctrico serie
El diagrama pictórico nos muestra que el diodo emisor de luz (LED) que necesita para funcionar 2.32 Vdc, y está protegido por una resistencia de 150 Ω, está en peligro de dañarse, ya que lo atraviesa una corriente de 44.5 mA (0.0445 A). Nos piden que calculemos el valor de una nueva resistencia que limite la corriente del circuito en serie a 15 mA (0.015) aproximadamente.
La ley de tensiones de Kirchhoff no dice que en un lazo cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada, entonces la tensión de la batería que son 9 Vdc es igual a la caída de tensión del LED (2.32 V), más la caída de tensión de la resistencia de 150 Ω.
Entonces:
Ahora bien, nos piden hallar una nueva resistencia que limite la corriente a 15 mA (0.015 A) y sabemos que su caída de tensión (voltaje) es de 6.68 V.
Con la ayuda de la ley de Ohm y del triángulo de la ley de Ohm, podemos encontrar el valor de esa resistencia:
El valor comercial más cercano que podemos encontrar es de 470 Ω.
Podemos observar que el LED ya no tiene peligro de sufrir daños, ya que con la resistencia de 470 Ω, la intensidad de la corriente queda limitada a un poco menos de 15 mA.
Aunque el LED es un componente no lineal, el cálculo que hicimos es suficientemente aproximado para encontrar un valor de resistencia que limite la intensidad a valores seguros para el LED.
Ejemplo de circuito eléctrico paralelo
El esquemático nos muestra un circuito eléctrico paralelo.
Nos piden hallar:
1. La resistencia total equivalente del circuito.
2. El valor de cada una de las intensidades del mismo (It, I1, I2 e I3).
3. La potencia de la fuente.
Vamos a resolver el circuito paralelo.
1. Vimos que la resistencia total de un circuito en serie, es sumar los valores de las resistencias individuales, pero para el circuito paralelo hay una fórmula un poco más compleja:
(Para una mejor aproximación utilicemos al menos tres o cuatro cifras decimales).
Hemos obtenido un circuito eléctrico básico equivalente del circuito paralelo y podemos hallar la corriente que entrega de la batería.
2. Hallamos la corriente que sale de la batería con la ley de Ohm, llamémosla corriente total (It).
(esta es la corriente que entrega la batería de 5V)
Sabemos que por ser un circuito eléctrico paralelo la tensión o voltaje es la misma en todas las resistencias. Entonces hallamos las corrientes en cada una de las ramas. Llamemos I1 a la corriente por R1, I2 a la corriente por R2 e I3 a la corriente por R3. Cada una de esas corrientes debe ser menor que la It.
Si sumamos las corrientes I1, I2 e I3 nos da como resultado 1.8333 A, que es la corriente entregada por la fuente, tal como lo indica la ley de corrientes de Kirchhoff.
3. Hallemos la potencia entregada por la fuente según la ley de Watt o de potencia.
Ejemplo de circuito eléctrico mixto
A modo de ejercicio, te propongo realizar los cálculos para el siguiente circuito mixto.
Calcular:
- La resistencia total equivalente del circuito (Rt).
- It o la intensidad de la corriente entregada por la fuente de 12 Vdc.
- La caída de tensión en R1.
- La tensión en R2 y R3 que es la misma por estar en paralelo.
- Las corrientes que se dividen en el nodo que se forma en R2 (I2) y R3 (I3).
- La potencia entregada por la fuente.
Consideraciones:
Para el punto 1, ten en cuenta que primero debes resolver el paralelo puro que conforman R2 y R3, su resultante quedará en serie con R1.
Para el punto 3, observa que la It pasa por R1 y provoca una caída de tensión en ella, ya que está en serie con la fuente y disminuye la tensión aplicada a R2 y R3.
Para el punto 4, puedes ayudarte con la ley de tensiones de Kirchhoff.
Conclusión de los circuitos eléctricos
Sí, realmente ha sido un poco extenso el artículo, pero el tema de circuitos eléctricos da para escribir muchísimo.
He tratado de resumir, ya que el espacio es corto, pero sin dejar de explicar los conceptos que son fundamentales para alguien que empiece el estudio de los circuitos eléctricos o para aquél que tenga algunas dudas del funcionamiento de los mismos.
Espero que el artículo haya sido de tu agrado y si has aprendido algo nuevo o despejado alguna duda, me doy por satisfecho.
Hasta pronto.
Gracias a Depositphotos por la cesión de las imágenes.
