Electrónica fácil: analogía entre un sistema hidráulico y electrónico

Actualizado a: 19 de enero de 2024

La electrónica y la electricidad pueden resultar algo tediosas a la hora de aprender sobre estos campos, en parte porque no son tan intuitivas como otros. Sin embargo, deberías conocer una analogía entre los circuitos hidráulicos y los circuitos eléctricos que te ayudarán a asimilarlo todo mucho más rápido y mejor. Sin duda un tutorial que agradecerán muchos estudiantes…

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Corriente continua vs corriente alterna: analogía con la hidráulica

Lo primero que hay que diferenciar es entre una corriente continua y una corriente alterna. Las dos corrientes son muy diferentes, y si se hace una analogía con un sistema hidráulico, se podría entender que:

Corriente continua: se podría asemejar a un flujo de agua como el de un río. Pero en vez de ser moléculas de agua corriente a través del cauce, tenemos electrones pasando entre los átomos del material conductor.
Corriente alterna: en este otro caso, en vez de ser un flujo constante como en el anterior, se podría asemejar mejor a las olas del mar. Es decir, tenemos un flujo de agua que se adentra en la orilla y luego un flujo opuesto que vuelve hacia el mar. Pues en la corriente alterna tendríamos algo similar, con un flujo de corriente que cambia de dirección varias veces en el tiempo.

Hasta aquí todo es sencillo de entender. Pero ahora vamos a cuestiones algo más complejas sobre la electrónica y la electricidad que también se pueden explicar fácilmente con solo un ejemplo o comparativa como ésta.

Magnitudes eléctricas importantes

Como he comentado en el apartado anterior, en un sistema o circuito hidráulico circula un líquido como puede ser el agua, mientras que en los circuitos eléctricos circulan electrones. Teniendo esto claro, explicar las diferentes magnitudes fundamentales de la electrónica puede ser muy sencillo con la analogía:

El volumen en litros sería equivalente a la carga eléctrica en culombios (C).
El caudal en litros por segundo equivaldría a la intensidad de corriente en culombios por segundo, o lo que es lo mismo, en amperios (C/s o A).
La presión del fluido en pascales sería equivalente al voltaje en voltios (V).
La energía hidráulica expresada en pascales por litro o en julios, sería equivalente a la energía eléctrica expresada en voltios por culombio o julios.
La potencia sería la presión por el caudal, medida en vatios. Y en el caso del sistema eléctrico sería el voltaje por la intensidad (V · I = P), también medida en vatios (W).

Hay que decir que 1 J/s equivale a 1 W. Es decir, un julio por segundo es un vatio.

De esta forma, cuando te hablen de estas magnitudes eléctricas y no sepas muy bien de qué se trata porque es complicado de visualizar, piensa en estas analogías para que te puedan ayudar a saber de qué se está hablando. Ya he comentado, la única diferencia es sustituir las moléculas de H2O (agua), o del fluido que sea, por electrones.

Como también ocurre con un circuito hidráulico, se necesita una diferencia de pendiente para que el fluido o líquido fluya de un punto a otro. Por ejemplo, si pones un tanque de agua situado más arriba que otro, el agua fluirá del tanque alto al bajo. O si pones un tanque de agua en paralelo a otro tanque idéntico, pero uno está más lleno que otro y ambos están conectados por un tubo recto, el agua fluirá del más lleno al más vacío hasta que se igualen las capacidades.

En un circuito eléctrico pasa algo similar, los electrones solo fluirán cuando haya una diferencia de potencial eléctrico de un punto a otro. De lo contrario, no habrá flujo. Por ejemplo, si tenemos dos puntos que están al mismo potencial eléctrico, no habrá intercambio alguno si se conectan. Por eso, para que fluya la corriente, es necesario disponer de una fuente de alimentación que actúe como un depósito en desnivel, empujando el flujo de electrones a través del circuito.

En un circuito hidráulico por donde fluye agua a presión, u otro fluido, tenemos lo siguiente:

Energía = Presión · Volumen
Potencia = Presión · Caudal

En el caso del circuito eléctrico, tendríamos estas otras fórmulas:

Energía = Voltaje · Carga –> E = V · C
Potencia = Voltaje · Corriente –> P = V · I

Según lo comentado anteriormente en la analogía de las magnitudes que hice.

Además, en el caso eléctrico, aplicando la famosa Ley de Ohm tenemos que:

Y de aquí también se podría despejar para calcular la potencia:

Conductor vs aislante

Cuando hablamos de un circuito hidráulico, tenemos tubos o canales por donde circula el fluido. También puede haber obstáculos que impidan o interrumpan dicho flujo. Esto también ocurre en los circuitos eléctricos, solo que esos conductos se llaman conductores y esos obstáculos se llaman aislante.

En el circuito eléctrico, también podemos ver que hay estos elementos, y para comprenderlos mejor, atiende a estos puntos:

Conductor: se trata de un material que ofrece poca resistencia al movimiento de una carga eléctrica, es decir, al flujo de electrones que pasarán entre los átomos del material de un punto a otro. Esto es debido a que los átomos de los conductores eléctricos tienen pocos electrones en su capa de valencia, como los metales, por lo que los electrones pueden fluir sin tanta oposición (recuerda que electrón y electrón, al ser de la misma carga se repelen). Es decir, como un tubo o canal en le circuito hidráulico.
Aislante o dieléctrico: en este otro caso, es un material cuyas cargas eléctricas internas no pueden moverse causando que no se produzca ese flujo de electrones como en el material conductor. Es decir, como un obstáculo para el paso del flujo.
Semiconductor: por otro lado, también tenemos en el lado de la electricidad lo que se conoce como semiconductores, es decir, materiales que ni son aislantes ni son conductores, sino que se comportan como ambos según la energía que se les aplique, como podremos ver más adelante cuando dedicaré un apartado solo para ellos. Visto así se podrían interpretar como una especie de grifos o válvulas que pueden estar cerradas o abiertas.
Superconductor: se podría hacer también una semejanza y decir que es como un tubo o canal que siempre está en posición vertical, por el que el agua fluye libremente sin impedimentos. En un superconductor eléctrico pasaría algo parecido, sería como un conductor, pero en el que no hay que sortear ninguna fuerza opuesta.

Resistencia

Cuando se habla de una resistencia en un circuito hidráulico, estamos hablando de un obstáculo en la tubería por la que circula el flujo. Por ejemplo, podría tratarse de una sección más estrecha de la tubería que obliga a reducir el flujo a través de esa sección.

En el caso de un circuito eléctrico, una resistencia eléctrica también es un material que no conduce bien la corriente, aunque no es un aislante del todo, sino que hace que haya una caída de voltaje en la dirección del flujo.

Mientras en un circuito hidráulico la caída es de la presión, en el circuito eléctrico es de voltaje. Y mientras en el hidráulico esa caída es proporcional al caudal, en el caso del eléctrico será proporcional a la corriente.

Como ya deberías saber, en un circuito eléctrico, la resistencia se mide en ohmios (Ω). Ya hemos visto anteriormente la Ley de Ohm para saber cómo relacionarla con la intensidad y con el voltaje. Además, según esta ley, mientras mayor es el número de ohmios de la resistencia (mayor estrechez en el conducto), mayor será la resistencia la avance. También es importante decir que, en el circuito eléctrico, la energía potencial se transformará en calor al pasar por la resistencia.

Condensador

Un condensador se puede asemejar a los que es un depósito de agua. El volumen de agua almacenada será igual al producto de la capacitancia por la presión de dicho depósito, es decir:

Caudal = Capacitancia x cambio de presión con el tiempo

En caso del condensador eléctrico, ocurre algo similar, ya que tenemos dos placas metálicas conductoras en paralelo separadas por una capa de aislante para que no hagan contacto entre sí. De esta forma, se puede almacenar también carga como si de un depósito se tratase, solo que en este caso sería:

Carga = Capacitancia · Voltaje

Por ejemplo, imagina que tienes un condensador de 0.01 Faradios de capacidad, y un circuito eléctrico de 12 voltios. Entonces, podríamos almacenar 0.12 Culombios de energía eléctrica. Como deberías saber, la capacitancia o capacidad del condensador se mide en culombios por voltio, que es el equivalente a faradios.

O expresado de otra forma, también podríamos usar la fórmula:

Corriente = Capacitancia · Cambio de voltaje por unidad de tiempo.

Por ejemplo, si tenemos que ese mismo condensador de 0.01 F y una variación de 10v/s, entonces nos daría 0.1 A de intensidad.

En cambio, si en vez de referirnos al almacenamiento de carga nos referimos al almacenamiento de energía, entonces tendremos que en el circuito hidráulico y en el eléctrico tenemos:

Energía hidráulica = 1/2 · Presión · Volumen

Energía eléctrica = 1/2 · Voltaje · Carga

¿De dónde viene esa energía almacenada? Pues bien, mientras en el circuito hidráulico proviene de la bomba que empuja el agua hacia el depósito, en el circuito eléctrico la energía almacenada en el condensador proviene de la fuente de alimentación o batería que suministre energía al circuito en cuestión.

Por otro lado, si conectas una resistencia entre los dos bornes de un condensador, se podrá extraer energía almacenada, es decir, generar una diferencia de potencial para que esa energía o carga acumulada puede ser soltada y que fluya a través de la resistencia. En este caso, tanto la corriente como el voltaje caen exponencialmente hasta que el voltaje llega a 0 y toda la energía se ha disipado en forma de calor en la resistencia.

Además, tienes que tener en cuenta que la carga de un condensador se conserva. Por ejemplo, podemos tener en un lado del condensador una carga de 25 C y en el otro de -25 C de carga en el lado negativo. La carga neta del condensador en ese momento sería 0 (25 -2 25), pero la diferencia de potencial sería de 50 C entre los dos lados. Cuando se desconecta la batería, la diferencia de potencial o voltaje permanece porque la carga queda atrapada en el condensador.

Es decir, la atracción de las cargas opuestas mantiene la carga positiva y negativa en su lugar. Es por eso que las placas metálicas del condensador están muy juntas, para que se de este fenómeno de atracción a través del dieléctrico que las separa, pero que no llegue a haber contacto, ya que esto estropearía el condensador, perforando la capa dieléctrica como sucede en algunos casos.

Para finalizar con los condensadores, hay que decir que cuando cortocircuitas los dos bornes o terminales, la carga positiva irá al lado de la carga negativa, haciendo que la carga vuelva a 0 en ambos lados, es decir, se anulen…

Transistor

Antes ya comenté sobre los semiconductores. Un transistor es uno de los dispositivos semiconductores que tenemos en los circuitos eléctricos. Este dispositivo permite actuar como una válvula o grifo, cortando o abriendo el paso para que fluya la corriente eléctrica. Gracias a esto, se pueden, por ejemplo, representar el sistema binario dentro de un chip o circuito de un ordenador. Dejando pasar (1) o no (0) corriente…

La válvula o grifo permite drenar el flujo de agua a través de él hasta un sumidero. La perilla o manija que activa el grifo se puede comprender como una puerta. Haciendo la analogía con el transistor tenemos por tanto:

Fuente: es como la fuente (source o S) o emisor (E) del transistor, que puede hacer pasar la corriente llegada desde la fuente de alimentación hacia el sumidero.
Perilla: es como la puerta (gate o G) o base (B) del transistor, que permite activar o desactivar, es decir, dejar pasar flujo o no. Como una especie de interruptor controlado eléctricamente.
Sumidero: es como el drenador (drain o D) o colector (C) del transistor, por donde sale el agua, en este caso la corriente. Pero solo cuando la puerta lo permita.

Como ves, he empleado dos términos diferentes para cada parte del transistor, y es que mientras en los transistores unipolares tenemos puerta, fuente y drenador, en los bipolares se llama emisor, base y colector.

Así es como un transistor puede ser controlado a través de su puerta, aplicando un voltaje a la misma para que deje fluir o no una corriente a través de su canal entre la fuente y drenador. Si la puerta se cierra, entonces se interrumpe. Así es como funcionan estos dispositivos tan imprescindibles en la electrónica actual y en los chips.

Evidentemente, habría que entrar en matices, ya que tenemos varios tipos de transistores, como por ejemplo los de canal N o canal P. Esto se podría también asemejar a lo que sería una válvula normalmente abierta o una válvula normalmente cerrada.

Diodo

Otro de los dispositivos semiconductores más usados es el diodo. Se trata de un sistema similar a lo que sería una válvula unidireccional de un circuito hidráulico. Es decir, solo permite que el flujo pase en una dirección, y lo interrumpe en la otra.

Estos diodos, por ejemplo, se usan en las fuentes de alimentación para convertir la corriente alterna en continua, ya que como he dicho al principio, la alterna es una onda que fluye en uno y otro sentido, mientras que al pasar por una serie de diodos, estrangulan una de las direcciones para que solo fluya la corriente en un solo sentido.

Como sabes, existen varios tipos de diodos. Uno de ellos es el LED, o diodo emisor de luz. En este caso, también tenemos un diodo similar a lo explicado anteriormente, pero si hacemos una analogía con un circuito hidráulico, imagina que tenemos un tubo con una válvula unidireccional, pero que tiene una perforación. Es decir, el agua solo pasa en una dirección, pero una cantidad escapa fuera en forma de chorro por la perforación. En el LED ocurre algo parecido, solo que no escapa flujo de corriente, sino que éste se convierte en fotones para emitir la luz.

Inductor

Existen multitud de dispositivos electrónicos elementales, otro de ellos es el inductor. Seguro que lo has visto en más de una ocasión en alguna placa PCB, ya que son bastante característicos, como la imagen que tenemos aquí arriba.

Haciendo nuevamente la analogía, se podría asemejar a una noria de agua, o una rueda de palas, donde el eje rígido va unido a un volante de inercia. La corriente de agua pasaría por el cauce moviendo la noria al impactar con sus palas, haciendo girar también al volante de inercia que acumula energía.

A medida que va pasando el flujo, el volante de inercia va ganando velocidad de forma progresiva. Y cuando se pare el flujo de agua, debido a la inercia acumulada, la rueda seguirá girando sin necesidad de fuerzas externas hasta que se aplique una presión opuesta.

En este caso tenemos que:

Momento o par = Inductancia · Caudal

Otra analogía, aunque no tenga que ver con los circuitos hidráulicos sería la típica puerta giratoria de muchos edificios. Esta puerta permite que el flujo de gente vaya pasando a través de ella. Si las personas tiene prisa, empujan la puerta aplicando una presión positiva que hace que gire más rápido y gane impulso. Si las personas van más relajadas, tendrán que caminar al ritmo impuesto por el giro de la puerta. Y si pasan algunas personas muy lentas, la puerta les tocará la espalda, aplicándose una presión negativa, y haciendo que la puerta ralentice su velocidad. Eso mismo hace una inductancia, como una puerta giratoria para el flujo de electricidad.

En el caso del inductor eléctrico, funciona de forma muy fácil de entender una vez dicho esto. Y es que tendremos una bobina de alambre conductor envuelta al rededor de un núcleo cilíndrico. Cuando se aplica un voltaje a los extremos del conductor, se acumula flujo magnético en la bobina. El flujo magnético es como el impulso del volante de inercia, por lo que se mantendrá el flujo de corriente incluso cuando la fuente de voltaje se ha retirado:

Flujo de corriente = Inductancia · Corriente

En cuanto a la unidad empleada para el flujo se usa el Weber, siendo la unidad correspondiente a la inductancia el Henrio, como deberías conocer según las famosas ecuaciones de Maxwell. Veamos un ejemplo en el que tenemos 20v aplicados a un inductor de 20 henrios:

20 voltios = 20 Henrios · Culombios

Si despejamos los culombios o amperios/segundo, tenemos que en este caso el caudal o flujo aumentaría en 1 A/s o 1 C. Si esto es así, cuando se apliquen 0v seguirá el flujo de corriente constante, y si se aplican -20v se hace que la corriente disminuya 1A cada segundo…

Por supuesto, como se puede calcular la energía cinética acumulada en el caso del circuito hidráulico, también se puede calcular la energía acumulada en el inductor con la siguiente fórmula:

Energía hidráulica = 1/2 · Inductancia · Caudal²

Energía eléctrica = 1/2 · Inductancia · Corriente²

Creo que no hace falta decir que en el circuito hidráulico la energía almacenada proviene de una bomba que hace circular el agua por el cauce o de la fuerza natural del agua que viaja por el río debido al desnivel. Sin embargo, en el circuito electrónico, esa energía proviene de la fuente de alimentación o batería que está alimentando al inductor o bobina.

Oscilador (LC)

Según lo visto anteriormente con el caso del inductor y el condensador, también podemos ir uniendo estas piezas y analogías para crear circuitos electrónicos simples y entender su comportamiento, como es el caso del oscilador LC, que se compone de un condensador y un inductor.

Una vez se inicia el oscilador LC, la carga que fluye de un extremo al otro entre los bornes lo hará con una frecuencia fija, incluso después de que la carga máxima, el voltaje y la corriente disminuyan.

En el caso del oscilador hidráulico, se podría decir que es como un depósito de agua en el que tenemos una membrana flexible partiéndolo en dos. Si conectamos este depósito a una noria de agua, cuando la membrana oscila de un lado al otro, se genera una oscilación en el agua. Eso hace que cuando la membrana esté en un punto neutro, el volante de inercia de la noria esté con par, y la corriente de agua esté a su máximo. Eso hace que se devuelva esa inercia en forma de impulso y vuelva a flexar la membrana en el sentido opuesto y así en bucle…

En el caso del oscilador electrónico, tenemos los siguientes puntos interesantes para entender esto:

La fuente de alimentación comienza a cargar el condensador.
La energía potencial almacenada en el campo eléctrico mantendrá la carga separada a los dos lados del condensador (como la membrana).
Al desconectar la fuente de energía, el inductor y el condensador se conectan, permitiendo que el circuito funcione libremente.
El voltaje del condensador fuerza la carga acumulada a través del inductor, lo que hace que se acumule flujo magnético en el inductor.
El flujo magnético es como el impulso, cuando el condensador se queda sin carga, el voltaje es 0, pero el flujo de corriente están en su máximo.
Entonces, el flujo magnético obliga a la corriente a continuar fluyendo hacia el lado opuesto del condensador, elevando el voltaje y acumulando carga en la dirección opuesta.
Cuando el flujo magnético se queda sin energía y la corriente deja de fluir, el condensador está cargado completamente en la dirección opuesta, comenzando nuevamente un ciclo.
Ahora todo se ejecuta a la inversa…

Dicho esto, tenemos que se puede calcular el periodo y la frecuencia del oscilador LC de este modo:

Periodo = 2π √ (Inductancia · Capacitancia)

Frecuencia = 1/Periodo

En estas fórmulas se puede apreciar que la frecuencia del oscilador LC no dependerá en ningún caso de la cantidad de carga. Es decir, cargar más el condensador solo aumentaría la amplitud del voltaje y la corriente, pero no afecta para nada a la frecuencia. Dicho de otro modo, el condensador no importa la capacidad que tenga para la frecuencia.