Las analogías electrónico-hidráulicas son la representación de circuitos electrónicos mediante circuitos hidráulicos. Dado que la corriente eléctrica es invisible y los procesos que intervienen en la electrónica suelen ser difíciles de demostrar, los distintos componentes electrónicos se representan mediante equivalentes hidráulicos . Originalmente se entendió que la electricidad (así como el calor ) era un tipo de fluido , y los nombres de ciertas cantidades eléctricas (como la corriente) se derivan de equivalentes hidráulicos.
La analogía electrónico-hidráulica (denominada burlonamente teoría de la tubería de drenaje por Oliver Lodge ) [1] es la analogía más utilizada para el "fluido electrónico" en un conductor metálico . Como ocurre con todas las analogías, exige una comprensión intuitiva y competente de los paradigmas básicos (electrónica e hidráulica) y, en el caso de la analogía hidráulica para la electrónica, los estudiantes a menudo tienen un conocimiento inadecuado de la hidráulica. [2]
No existe un paradigma único para establecer esta analogía. Los diferentes paradigmas tienen diferentes fortalezas y debilidades, dependiendo de cómo y de qué manera la comprensión intuitiva de la fuente de la analogía coincide con los fenómenos de la electrónica. [2] Se pueden utilizar dos paradigmas para presentar el concepto a los estudiantes utilizando presión inducida por la gravedad o por bombas.
En la versión con presión inducida por gravedad, grandes tanques de agua se mantienen en alto o se llenan a diferentes niveles de agua, y la energía potencial de la altura del agua es la fuente de presión. Esto recuerda a los diagramas eléctricos con una flecha hacia arriba que apunta a +V, pines conectados a tierra que de otro modo no se muestran conectados a nada, etc. Esto tiene la ventaja de asociar el potencial eléctrico con el potencial gravitacional .
Un segundo paradigma es una versión completamente cerrada con bombas que proporcionan sólo presión y no gravedad. Esto recuerda a un diagrama de circuito en el que se muestra una fuente de voltaje y los cables completan un circuito. Este paradigma se analiza más a fondo a continuación.
Otros paradigmas destacan las similitudes entre las ecuaciones que gobiernan el flujo de fluido y el flujo de carga. Las variables de flujo y presión se pueden calcular en situaciones de flujo de fluido tanto estacionarias como transitorias con el uso de la analogía del ohmio hidráulico . [3] [4] Los ohmios hidráulicos son las unidades de impedancia hidráulica, que se define como la relación entre la presión y el caudal volumétrico. Las variables de presión y flujo volumétrico se tratan como fasores en esta definición, por lo que poseen una fase además de una magnitud. [5]
En acústica se utiliza un paradigma ligeramente diferente, donde la impedancia acústica se define como una relación entre la presión acústica y la velocidad de las partículas acústicas. En este paradigma, una gran cavidad con un orificio es análoga a un condensador que almacena energía de compresión cuando la presión dependiente del tiempo se desvía de la presión atmosférica. Un agujero (o tubo largo) es análogo a un inductor que almacena energía cinética asociada con el flujo de aire. [6]
En general, el potencial eléctrico equivale a la altura hidráulica . Este modelo supone que el agua fluye horizontalmente, por lo que se puede ignorar la fuerza de gravedad. En este caso, el potencial eléctrico equivale a la presión . El voltaje (o caída de voltaje o diferencia de potencial ) es una diferencia de presión entre dos puntos. El potencial eléctrico se suele medir en voltios .
La corriente eléctrica equivale a un caudal volumétrico hidráulico ; es decir, la cantidad volumétrica de agua que fluye a lo largo del tiempo. Generalmente se mide en amperios .
Una unidad de carga eléctrica es análoga a una unidad de volumen de agua.
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Una manguera relativamente ancha completamente llena de agua equivale a un cable conductor . Una tubería montada rígidamente equivale a una pista en una placa de circuito. En comparación con una traza o un cable, se debe pensar que la manguera o tubería tiene tapas semipermanentes en los extremos. Conectar un extremo de un cable a un circuito equivale a destapar un extremo de la manguera y conectarlo al otro. Con pocas excepciones (como una fuente de energía de alto voltaje), un cable con un solo extremo conectado a un circuito no hará nada; la manguera permanece tapada en el extremo libre y, por tanto, no añade nada al circuito.
Una resistencia equivale a una constricción en el orificio de una tubería que requiere más presión para pasar la misma cantidad de agua. Todas las tuberías tienen cierta resistencia al flujo, al igual que todos los cables y trazas tienen cierta resistencia a la corriente.
Un nodo (o unión) en la regla de unión de Kirchhoff es equivalente a una T de tubería . El flujo neto de agua que ingresa a una T de tubería (llena de agua) debe ser igual al flujo neto que sale.
Un condensador equivale a un tanque con una conexión en cada extremo y una lámina de goma que divide el tanque en dos longitudinalmente [7] (un acumulador hidráulico ). Cuando se introduce agua en un tubo, simultáneamente se expulsa agua igual por el otro tubo, pero nada de agua puede penetrar el diafragma de goma. La energía se almacena al estirar la goma. A medida que fluye más corriente "a través" del capacitor, la contrapresión (voltaje) aumenta, por lo que la corriente "conduce" el voltaje en un capacitor. A medida que la contrapresión del caucho estirado se acerca a la presión aplicada, la corriente disminuye cada vez más. Así, los condensadores "filtran" las diferencias de presión constantes y las diferencias de presión de baja frecuencia que varían lentamente, al tiempo que permiten el paso de cambios rápidos de presión.
Un inductor equivale a una bomba de paletas rotativa con un rotor pesado colocado en la corriente. La masa del rotor y el área de superficie de las paletas restringen la capacidad del agua para cambiar rápidamente su tasa de flujo (corriente) a través de la bomba debido a los efectos de la inercia , pero, con el tiempo, una corriente de flujo constante pasará prácticamente sin obstáculos. la bomba, ya que el rotor gira a la misma velocidad que el flujo de agua. La masa del rotor y el área de superficie de sus paletas son análogas a la inductancia, y la fricción entre su eje y los cojinetes del eje corresponde a la resistencia que acompaña a cualquier inductor no superconductor.
Un modelo de inductor alternativo es simplemente un tubo largo, quizás enrollado en espiral por conveniencia. Este dispositivo de inercia de fluido se utiliza en la vida real como componente esencial de un ariete hidráulico . La inercia del agua que fluye por la tubería produce el efecto de inductancia; Los inductores "filtran" cambios rápidos en el flujo, al tiempo que permiten que pasen variaciones lentas en la corriente. La resistencia impuesta por las paredes de la tubería es algo análoga a la resistencia parásita . En cualquiera de los modelos, la diferencia de presión (voltaje) a través del dispositivo debe estar presente antes de que la corriente comience a moverse, por lo tanto, en los inductores, el voltaje "conduce" a la corriente. A medida que la corriente aumenta, acercándose a los límites impuestos por su propia fricción interna y la corriente que el resto del circuito puede proporcionar, la caída de presión a través del dispositivo es cada vez menor.
Una fuente de voltaje ideal ( batería ideal ) o una fuente de corriente ideal es una bomba dinámica con control de retroalimentación. Un manómetro en ambos lados muestra que, independientemente de la corriente que se produzca, este tipo de bomba produce una diferencia de presión constante. Si una terminal se mantiene fija en el suelo, otra analogía es una gran masa de agua a gran altura, lo suficientemente grande como para que el agua extraída no afecte el nivel del agua. Para crear la analogía de una fuente de corriente ideal , utilice una bomba de desplazamiento positivo : un molinete (pequeña rueda de paletas ) muestra que cuando este tipo de bomba se acciona a una velocidad constante, mantiene una velocidad constante de la pequeña rueda de paletas.
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Un diodo equivale a una válvula de retención unidireccional con un asiento de válvula con ligeras fugas. Al igual que con un diodo, se necesita una pequeña diferencia de presión antes de que se abra la válvula. Y al igual que un diodo, demasiada polarización inversa puede dañar o destruir el conjunto de la válvula.
Un transistor es una válvula en la que un diafragma, controlado por una señal de baja corriente (ya sea corriente constante para un BJT o presión constante para un FET ), mueve un émbolo que afecta la corriente a través de otra sección de tubería.
CMOS es una combinación de dos transistores MOSFET . A medida que cambia la presión de entrada, los pistones permiten que la salida se conecte a presión cero o positiva.
Un memristor es una válvula de aguja operada por un medidor de flujo. A medida que el agua fluye hacia adelante, la válvula de aguja restringe más el flujo; A medida que el agua fluye en la otra dirección, la válvula de aguja se abre más, proporcionando menos resistencia.
Basándose en esta analogía, Johan van Veen desarrolló alrededor de 1937 [8] un método para calcular las corrientes de marea con un análogo eléctrico. Después de la inundación del Mar del Norte de 1953 en los Países Bajos, elaboró esta idea, que finalmente condujo a la computadora analógica Deltar , que se utilizó para realizar los cálculos hidráulicos para los cierres en el marco de las Obras Delta .
La velocidad de la onda EM ( velocidad de propagación ) es equivalente a la velocidad del sonido en el agua. Cuando se acciona un interruptor de luz, la onda eléctrica viaja muy rápidamente a través de los cables.
La velocidad del flujo de carga ( velocidad de deriva ) es equivalente a la velocidad de las partículas del agua. Las propias cargas en movimiento se mueven con bastante lentitud.
DC equivale a un flujo constante de agua en un circuito de tuberías.
La CA de baja frecuencia es equivalente a que el agua oscile hacia adelante y hacia atrás en una tubería.
Las líneas de transmisión y CA de mayor frecuencia equivalen en cierta medida al sonido que se transmite a través de las tuberías de agua, aunque esto no refleja adecuadamente la inversión cíclica de la corriente eléctrica alterna. Como se describió, el flujo de fluido transmite fluctuaciones de presión, pero los fluidos no se invierten a altas velocidades en los sistemas hidráulicos, lo que la entrada anterior de "baja frecuencia" describe con precisión. Un concepto mejor (si las ondas sonoras son el fenómeno) es el de corriente continua con una "ondulación" de alta frecuencia superpuesta.
La chispa inductiva utilizada en las bobinas de inducción es similar al golpe de ariete , provocado por la inercia del agua.
Si las ecuaciones diferenciales son equivalentes en forma, la dinámica de los sistemas que describen estarán relacionadas. Las ecuaciones hidráulicas de ejemplo describen aproximadamente la relación entre un flujo laminar constante en una tubería cilíndrica y la diferencia de presión en cada extremo, siempre y cuando el flujo no se analice cerca de los extremos de la tubería. Los ejemplos de ecuaciones eléctricas describen aproximadamente la relación entre una corriente en un cable recto y la diferencia de potencial eléctrico (voltaje). En estos dos casos, los estados de ambos sistemas están bien aproximados mediante las ecuaciones diferenciales anteriores y, por lo tanto, los estados están relacionados. Para esta relación se necesitan los supuestos que hacen que estas ecuaciones diferenciales sean buenas aproximaciones. Cualquier desviación de los supuestos (por ejemplo, la tubería o el cable no son rectos, el flujo o la corriente cambian con el tiempo, otros factores influyen en el potencial) puede hacer que la relación no se mantenga. Las ecuaciones diferenciales para hidráulica y electrónica anteriores son casos especiales de las ecuaciones de Navier-Stokes y las ecuaciones de Maxwell , respectivamente, y las dos no son equivalentes en forma.
Si se lleva demasiado lejos, la analogía del agua puede crear conceptos erróneos. La transferencia negativa puede ocurrir cuando hay un desajuste entre los fenómenos en la fuente (hidráulica) y los fenómenos correspondientes en el destino (electrónica). [2] Para que la analogía sea útil, hay que tener en cuenta las regiones donde la electricidad y el agua se comportan de manera muy diferente.
Campos ( ecuaciones de Maxwell , inductancia ): los electrones pueden empujar o atraer a otros electrones distantes a través de sus campos, mientras que las moléculas de agua experimentan fuerzas solo por el contacto directo con otras moléculas. Por esta razón, las ondas en el agua viajan a la velocidad del sonido, pero las ondas en un mar cargado viajarán mucho más rápido ya que las fuerzas de un electrón se aplican a muchos electrones distantes y no sólo a los vecinos en contacto directo. En una línea de transmisión hidráulica, la energía fluye como ondas mecánicas a través del agua, pero en una línea de transmisión eléctrica la energía fluye como campos en el espacio que rodea los cables y no fluye dentro del metal. Además, un electrón en aceleración arrastrará a sus vecinos mientras los atrae, ambos debido a fuerzas magnéticas.
Carga: a diferencia del agua, los portadores de carga móviles pueden ser positivos o negativos, y los conductores pueden exhibir una carga neta general positiva o negativa. Los portadores móviles en las corrientes eléctricas suelen ser electrones, pero a veces están cargados positivamente, como los iones positivos en un electrolito , los iones H + en los conductores de protones o los huecos en los semiconductores de tipo p y algunos conductores (muy raros).
Tuberías con fugas: La carga eléctrica de un circuito eléctrico y sus elementos suele ser casi igual a cero, por lo que es (casi) constante. Esto está formalizado en la ley actual de Kirchhoff , que no tiene analogía con los sistemas hidráulicos, donde la cantidad de líquido no suele ser constante. Incluso con un líquido incompresible , el sistema puede contener elementos tales como pistones y piscinas abiertas, por lo que el volumen de líquido contenido en una parte del sistema puede cambiar. Por esta razón, las corrientes eléctricas continuas requieren circuitos cerrados en lugar de fuentes/sumideros hidráulicos abiertos que se asemejan a grifos y cubos.
Velocidad del fluido y resistencia de los metales: al igual que con las mangueras de agua, la velocidad de deriva del portador en los conductores es directamente proporcional a la corriente. Sin embargo, el agua sólo experimenta arrastre a través de la superficie interna de las tuberías, mientras que las cargas se frenan en todos los puntos dentro de un metal, como ocurre con el agua forzada a pasar a través de un filtro. Además, la velocidad típica de los portadores de carga dentro de un conductor es inferior a centímetros por minuto y la "fricción eléctrica" es extremadamente alta. Si alguna vez las cargas fluyeran tan rápido como el agua puede fluir en las tuberías, la corriente eléctrica sería inmensa y los conductores se calentarían incandescentemente y tal vez se vaporizarían. Para modelar la resistencia y la velocidad de carga de los metales, tal vez una tubería llena de esponja o una pajita estrecha llena de almíbar sería una mejor analogía que una tubería de agua de gran diámetro.
Mecánica cuántica : los conductores sólidos y los aisladores contienen cargas en más de un nivel discreto de energía de la órbita atómica , mientras que el agua en una región de una tubería solo puede tener un único valor de presión. Por esta razón, no existe una explicación hidráulica para cosas comola capacidad de bombeo de carga de una batería , la capa de agotamiento y la caída de voltajede un diodo , las funciones de las células solares , el efecto Peltier , etc.; sin embargo, se pueden diseñar dispositivos equivalentes que muestren respuestas similares. , aunque algunos de los mecanismos solo servirían para regular las curvas de flujo en lugar de contribuir a la función principal del componente.
Para que el modelo sea útil, el lector o estudiante debe tener una comprensión sustancial de los principios del sistema (hidráulico) del modelo. También requiere que los principios puedan transferirse al sistema (eléctrico) objetivo. Los sistemas hidráulicos son engañosamente simples: el fenómeno de la cavitación de las bombas es un problema complejo y conocido que pocas personas fuera de las industrias de energía hidráulica o irrigación entenderían. Para quienes lo hacen, la analogía hidráulica es divertida, ya que no existe ningún equivalente de "cavitación" en ingeniería eléctrica. La analogía hidráulica puede dar una idea errónea de comprensión que quedará expuesta una vez que se requiera una descripción detallada de la teoría de los circuitos eléctricos.
También hay que considerar las dificultades que supone intentar hacer que una analogía coincida completamente con la realidad. El ejemplo anterior de "fricción eléctrica", donde el análogo hidráulico es una tubería llena de material esponjoso, ilustra el problema: se debe aumentar la complejidad del modelo más allá de cualquier escenario realista.
