Glosario de términos que necesitamos para hablar acerca de circuitos y esquemas. Nodos, ramas, circuitos cerrados y mallas, nodo de referencia y tierra, y "equivalenca" esquemática. Escrito por Willy McAllister.
Estamos desarrollando métodos para analizar un circuito. Hasta aquí, hemos definido los componentes (resistor, capacitor e inductor) y las fuentes (voltaje y corriente) más comunes. Ahora necesitamos un vocabulario claro para hablar acerca de los circuitos. Este artículo es un glosario de términos y conceptos que usamos en el análisis y diseño de circuitos.

Circuito

La palabra circuito viene de círculo. Un circuito es una colección de componentes reales, fuentes de poder y fuentes de señales, todas conectadas de modo que la corriente pueda fluir en un círculo completo.
Circuito cerrado – Un circuito es cerrado si el círculo está completo, si todas las corrientes tienen una trayectoria de regreso a donde iniciaron.
Circuito abierto – Un circuito es abierto si el círculo no está completo, si hay algún hueco o apertura en la trayectoria.
Corto circuito – Ocurre un corto cuando una trayectoria de baja resistencia está conectada (típicamente por error) a un componente. El resistor que se muestra a continuación es la trayectoria prevista para la corriente, y el cable curvado que va a alrededor de él es el corto. La corriente se desvía de su trayectoria esperada, a veces con resultados dañinos. El alambre provoca un corto circuito sobre el resistor al proporcionar una trayectoria de baja resistencia para la corriente (algo que probablemente no era la intención del diseñador).
Hacer o romperHaces un circuito al cerrar la trayectoria de la corriente, como cuando enciendes un interruptor. Romper un circuito es lo opuesto. Apagar un interruptor rompe el circuito.

Esquema

Un esquema es un dibujo de un circuito. Un esquema representa los elementos de un circuito con símbolos y las conexiones como líneas.
Elementos – El término elementos significa "componentes y fuentes".
Símbolos – En los esquemas, los elementos están representados por símbolos. Aquí se muestran los símbolos para los elementos comunes de dos terminales:
Líneas – Las conexiones entre los elementos se dibujan como líneas, las cuales a menudo las pensamos como "alambres" o "cables". En un esquema, estas líneas representan conductores perfectos con cero resistencia. Cada componente o terminal de una fuente que se toca con una línea se encuentra al mismo voltaje.
Puntos – Las conexiones entre las líneas se pueden indicar con puntos. Los punto son una indicación inequívoca de que las líneas están conectadas. Si la conexión es obvia, no tienes que usar un punto.
Indicador de referencia – Cuando colocas un componente en un esquema, a menudo le das un nombre único, conocido como indicador de referencia. Algunos ejemplos de indicadores de referencia son R1\text{R1}, C6\text{C6} y VBAT\text{V}_\text{BAT}. El 11 en R1\text{R1} es parte del nombre y no indica el valor de la resistencia. Los indicadores de referencia son, por definición, únicos para cada esquema. Te permiten identificar los componentes por nombre incluso si algunos de ellos tienen el mismo valor. Está bien usar los indicadores de referencia en las ecuaciones. R1\text{R1} se le puede asignar al valor de la resistencia, R1=4.7kΩ\text{R1} = 4.7\,\text k\Omega, y puede usarse como una variable en las expresiones, como en R2C6=4.7kΩ2μF\text{R2} \cdot \text{C6} = 4.7\,\text k\Omega \cdot 2\,\mu\text F.
Nodo – Una unión en donde 22 o más elementos se conectan se llama un nodo. El siguiente esquema muestra un solo nodo (el punto negro) que se forma de la unión de cinco elementos (representados de manera abstracta por los rectángulos anaranjados).
Como las líneas en un esquema representan conductores perfectos con cero resistencia, no hay ninguna regla que diga que las líneas que salen de múltiples elementos tengan que juntarse en un solo punto de unión. Podemos dibujar el mismo nodo como un nodo distribuido como el que se representa en el siguiente esquema. Estas dos representaciones del nodo significan exactamente la misma cosa.
Un nodo distribuido puede estar extendido, con muchos segmentos de líneas, codos y puntos. No te distraigas, es un solo nodo. Conectar los elementos de los esquemas con conductores perfectos significa que el voltaje en todos lados en un nodo distribuido es el mismo.
Aquí está un esquema realista con los nodos distribuidos etiquetados:
Rama – Las ramas son las conexiones entre los nodos. Una rama es un elemento (resistor, capacitor, fuente, etc.). El número de ramas en un circuito es igual al número de elementos.
Circuito cerrado – Un circuito cerrado es cualquier trayectoria cerrada que pasa a través de los elementos del circuito. Para dibujar un circuito cerrado, selecciona cualquier nodo como punto de inicio y dibuja una trayectoria a través de los elementos y nodos hasta llegar de regreso al nodo en donde empezaste. Hay una única regla: un circuito cerrado solo puede visitar (pasar) una sola vez cada nodo. Está bien si los circuitos cerrados contienen otros circuitos cerrados. Aquí se muestran algunos circuitos cerrados en nuestro circuito. (También puedes encontrar otros. Si conté bien, hay seis).
Malla – Una malla es un circuito cerrado que no tiene otros circuitos cerrados dentro de ella. Puedes pensar sobre esto como una malla para cada "ventana abierta" de un circuito.
Nodo de referencia – Durante el análisis de un circuito, solemos escoger uno de los nodos en el circuito para que sea el nodo de referencia. El voltaje en los otros nodos se mide en relación al nodo de referencia. Cualquier nodo puede ser el de referencia, pero dos opciones comunes que simplifican el análisis de circuitos son:
  • la terminal negativa de la fuente de voltaje o de corriente que alimenta al circuito, o
  • el nodo conectado al mayor número de ramas.
Tierra – El nodo de referencia suele referirse como la tierra. El concepto de tierra tiene tres significados importantes.
La tierra es
  • el punto de referencia a partir del cual se miden los voltajes.
  • la trayectoria de la corriente eléctrica de regreso a su fuente.
  • una conexión física directa a la Tierra, la cual es importante para la seguridad.
El nodo de tierra recibe su nombre a partir del tercer significado. Pero los otros dos son igualmente importantes.
Te vas a encontrar con varios símbolos para la tierra:

Equivalencia esquemática

Necesitamos tomarnos un momento para hablar acerca de la idea de la equivalencia esquemática. Esto es importante porque un circuito se puede representar por esquemas dibujados de diferentes maneras.
Los siguientes dos esquemas están dibujados de manera diferente. El esquema de la izquierda muestra una fuente de voltaje y tres resistores en orden numérico. En el esquema de la derecha, el resistor R3\text R3 aparece a la izquierda de la fuente de voltaje.
¿Estos dos esquemas representan de manera apropiada el circuito? O dicho de otra manera,
¿Estos dos esquemas son equivalentes?
Decimos que un circuito real y un esquema (o dos), son equivalentes si tienen los mismos nodos y ramas.
Para ser equivalentes, los dos esquemas deben:
  • Representar cada componente y fuente
  • Tener el mismo número de nodos
  • Cada nodo debe estar conectado al mismo número de ramas
Verifiquemos si nuestros dos esquemas son equivalentes:
  • ¿Todos los componentes y fuentes están representados en ambos esquemas?
    A pasar lista... V\text V, ¡presente! R1\text R1, ¡presente! R2\text R2, ¡presente! R3\text R3, ¡presente!
    Todos los elementos están contabilizados.
  • ¿Ambos esquemas tienen el mismo número de nodos?
    Sí. Ambos esquemas tienen 22 nodos.
  • ¿Cada nodo está conectado a las mismas ramas?
    – Sí. Cada nodo se conecta a los tres resistores y a una fuente.
Los dos nodos están marcados con líneas anaranjadas. Las cuatro ramas se muestran con flechas azules.
De modo que la respuesta es: , estos esquemas son equivalentes.
La equivalencia significa que los nodos coincidentes van a tener el mismo voltaje, y las ramas coincidentes tendrán la misma corriente. Estas son las cosas que nos importan que sean las mismas.
Podrías construir un circuito real con base en cualquiera de estos esquemas. Coloca los cables y componentes físicos encima de cualquiera de los dos dibujos y sóldalos. Ambos esquemas producirán el circuito esperado, con voltajes idénticos en los nodos y corrientes idénticas en las ramas.
Esta discusión de equivalencia puede parecer más bien exagerada; ¿cuál es el problema? Los esquemas tienen una curiosa propiedad que suele escapársele a los principiantes.

Un acertijo esquemático

Voy a señalar algo que podría parecer desconcertante (pero solo por un momento). Como acabamos de establecer, los siguientes dos esquemas son equivalentes. Pero no todo es exactamente lo mismo. Las conexiones individuales punto a punto de las líneas entre los elementos no son las mimas.
Mira la flecha azul en el esquema de la izquierda. Ese cable lleva la corriente que fluye hacia R2\text R2 y R3\text R3.
¿Puedes encontrar el cable equivalente en el esquema de la derecha?
(Encuentra un cable que lleve la corriente que va hacia hacia R2\text R2 y R3\text R3).
¿Qué está pasando? Es una pregunta capciosa para resaltar algo acerca de la naturaleza de los esquemas.
Este acertijo revela una diferencia fundamental entre un circuito real y un esquema dibujado. Las líneas en un diagrama esquemático no necesariamente representan el orden específico punto a punto de las conexiones que el circuito real correspondiente podría tener. La pregunta acerca del cable que lleva la corriente hacia R2\text R2 y R3\text R3 supone un orden de cableado específico que no existe en el esquema de la derecha.
¿Cómo evitas ser atrapado por este acertijo esquemático? Siempre puedes contar con corrientes idénticas para las ramas en todo esquema equivalente o circuito real. Así que siempre piensa acerca de la corriente que fluye hacia dentro de una rama (que fluye hacia un componente o una fuente), no la corriente que fluye en un "cable". Las corrientes en los "cables" pueden o no existir en una version equivalente del esquema o en el circuito real construido a partir de cualquier esquema.

Verificación de conceptos: equivalencia

Aquí está un acertijo para ayudarte a revisar tu comprensión acerca de la equivalencia esquemática.
¿Cuáles de estos esquemas representan el mismo circuito (son equivalentes)?
Supón que todos los resistores tienen el mismo valor.
Tómate tu tiempo, esto no es sencillo.
Pista: hay tres respuestas.

Dibujar un buen esquema

Un buen esquema sirve varios propósitos nobles. Un buen esquema
  • captura el diseño de un circuito de una manera inequívoca.
  • te permite compartir tu diseño con otras personas.
  • te ayuda a recordar cómo funciona tu circuito, incluso dentro de un mes.
Tanto tú como tus colegas apreciarán estos hábitos de dibujo para crear buenos esquemas:
  • Coloca las entradas del lado izquierdo y las salidas del lado derecho.
  • Deja que la información fluya de izquierda a derecha a través del circuito.
  • Usa la parte de arriba o de abajo de la página para sugerir niveles de voltaje. Es decir, dibuja cables con voltajes más altos cerca de la parte superior de la página y voltajes menores (como la tierra) cerca de la parte inferior de la página.
Los siguientes esquemas son equivalentes, pero el de la izquierda no es tan fácil de leer como el de la derecha. El de la derecha sigue los lineamientos para un buen esquema.
Los buenos esquemas capturan la intención de tu diseño. Transmites tu significado de manera más rápida y confiable si dibujas esquemas que hacen evidente lo que estás tratando de hacer.
A medida que te pidan leer diferentes esquemas, toma un momento para observar el estilo de dibujo. Imita el estilo de los esquemas que se te hagan fáciles de leer. Usa tu creatividad para el diseño del circuito, no para dibujar el esquema en un nuevo estilo.
Ahora tenemos un vocabulario completo para hablar acerca de los circuitos y sus subpartes. Estamos listos para empezar a analizar.
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