Simuladores de circuitos eléctricos

¿Se puede comprender, de forma efectiva, el funcionamiento de los circuitos eléctricos en un entorno virtual? Con la electricidad, las posibilidades de experiencia sensorial son muy limitadas: la electricidad es invisible, inodora, casi una entidad mágica de la que sólo dan cuenta algunos fenómenos no menos mágicos como el magnetismo o la electrólisis.

Los profesores solemos explicar las magnitudes y los fenómenos eléctricos haciendo constantes referencias a otras entidades físicas con las que presumimos una cierta analogía: la presión, el caudal de agua, la diferencia de nivel en dos vasos comunicantes etc.

Pero las posibilidades de experiencia sensorial con los circuitos son mínimas: construir circuitos, con receptores fuertemente sensoriales como bombillas y motores, y comprobar que funcionan. Pero en cuanto a las magnitudes, que son abstracciones conceptuales, tenemos que fiarnos de los instrumentos.

El aprendizaje con circuitos reales es lento. Hay que montar los componentes en un tablero o una placa protoboard y cablear antes de probar. Y muchas veces el circuito no funciona: tiene demasiados puntos sensibles, pasan muchas cosas y hay demasiados factores en juego. Todos los fenómenos que tienen lugar en un circuito, influyéndose mutuamente, hay que integrarlos en un discurso teórico que es ciertamente abstracto. Y, muchas veces, los alumnos se desaniman cuando ven que no funciona, y no saben por qué. ¿Será un mal contacto, las conexiones están equivocadas o es mi culpa porque no tengo ni idea de esto? Un simulador de circuitos, en cambio, permite a nuestros alumnos experimentar con la electricidad de un modo divertido y seguro. No hay límite de instrumentos ni de componentes, no hay que comprar nada. Se pueden simular circuitos erróneamente conectados, las consecuencias no serán nunca dramáticas.

La eficiencia de los sistemas de simulación por software ha hecho que incluso en los circuitos electrónicos reales, en los que sus bloques funcionales están implementados en chips, cada vez más pequeños y soldados mediante la tecnología SMT en placas de circuito impreso multicapa, las técnicas de medida tradicionales ya no sean útiles. El ingeniero ya no utiliza polímetros, osciloscopios ni puntas de medida o sondas para tomar valores de tensión o de impedancia, para luego efectuar sus cálculos. Ahora, el software de medida está incorporado en el chip y proporciona los ensayos que permiten comprobar su funcionamiento.

Pero una dificultad específica de la enseñanza de los contenidos relativos a los circuitos eléctricos es la relativa a la organización espacial. Los componentes de un circuito tienen, por un lado, una forma física y, por otro lado, una representación simbólica. La disposición espacial de un circuito eléctrico real, los componentes, sus terminales y los cables que los conectan y la representación esquemática de ese mismo circuito, hecho de símbolos y segmentos rectos, es completamente distinta. La relación entre ambas entidades es una relación puramente lógica que exige una operación compleja de transferencia. A muchos alumnos les resulta difícil este tipo de pensamiento. Por eso es preciso encontrar alguna forma práctica de vincular el aprendizaje con circuitos virtuales y la conexión de circuitos tangibles, con componentes físicos y cables, para ayudarles a hacer esta transferencia.

Por eso, los simuladores de circuitos idóneos para su uso en la enseñanza Secundaria deben estar orientados a este propósito, disponer de utilidades básicas de análisis y medida de magnitudes. Las aplicaciones más potentes de este tipo (como Multisim de National Instruments, eSpice o Pspice), utilizadas en los trabajos profesionales de ingeniería o en los estudios de nivel universitario, son inadecuados para nuestro propósito. El uso del simulador ha de ser intuitivo y sencillo. Es deseable que la representación de los componentes y del circuito sea realista y que, simultáneamente, en la misma pantalla, aparezca la representación esquemática del circuito y sus símbolos. Veamos algunos de los muchos simuladores de circuitos que cumplen estos requisitos:

Crocodile Clips:

Es un producto de la empresa británica Crocodile Clips Inc., que fabrica muchos otros productos interesantes de software para la enseñanza: Crocodile Science Player (para simular fenómenos físicos), Crocodile Technology 3D (con el que se pueden simular no sólo circuitos, sino también mecanismos, programación de microcontroladores y diseño de placas de circuitos impresos.

revista REEA, del profesor J.C.M.Castillo, que sirven perfectamente a los propósitos de un simulador de circuitos eléctricos en la Secundaria y el Bachillerato, desde el Crocodile Clips Elementary, adecuado por su presentación realista de los componentes, un interface fácil de usar, aunque su biblioteca de componentes está limitada, pero no necesitamos más. Incluso la versión Elementary viene con un buen lote de hojas de trabajo ya elaboradas, en las que se presentan los principios básicos de la corriente eléctrica y los circuitos

Edison:

Edison es un software propietario, de la empresa húngara DesignSoft, dirigido a estudiantes que se inician en electricidad y electrónica. La misma empresa produce un excelente programa, llamado Tina, de diseño y análisis de circuitos electrónicos.

Edison está distribuido en español. Tiene una interfaz de usuario, un poco naïf pero efectiva, en el que se representan simultáneamente el circuito y sus componentes en perspectiva caballera, su esquema y la pantalla de los instrumentos dedicados al análisis de la señal.

RCSim:

Es un simulador de circuitos muy elemental. Dispone de una librería muy limitada en la que hay componentes resistivos, fuentes de tensión y de corriente y cables para hacer las conexiones. Permite el diseño del circuito directamente en pantalla mediante selección del componente y ubicación en la hoja de dibujo.

Cuenta con instrumentos de medición que muestran los valores de voltaje y corriente mientras se ejecuta la simulación. Este programa es de libre distribución, puede descargarse desde este enlace y utilizarse sin restricciones.

Qucs:

Finalmente, aunque desborda los requisitos de simplicidad para la simulación de circuitos en Secundaria, no me resisto a dar noticia de la existencia de Qucs. Quite Universal Circuit Simulator es un interesante proyecto de software libre para la simulación de circuitos mediante una interfaz gráfica de usuario. Con Qucs se puede construir un circuito virtual y simular su funcionamiento con corrientes elevadas y pequeñas y el comportamiento del ruido. Una vez terminada la simulación, pueden verse los resultados en una ventana de presentación.

Aunque las versiones listas para su descarga son aún incompletas, me parece un proyecto muy ambicioso, a juzgar por las primeras versiones disponibles para su descarga y por los objetivos fijados por sus autores: simulación de circuitos en continua y en alterna, análisis a partir de los parámetros S de sus componentes, análisis de ruido y de régimen transitorio. Su desarrollo está enfocado a plataformas GNU/Linux y, como ellos dicen, sin dedicar esfuerzos especiales para que sea soportado por otros sistemas operativos, aunque ha sido compilado con éxito y ejecutado en Solaris, NetBSD, FreeBSD y otros.