CIRCUITOS COMBINADOSLos circuitos combinacionales o combinados son aquellos que no tienen en cuenta la variable tiempo. Están formados por combinacionesde puertas lógicas. En este artículo aprenderemos a diseñar circuitos sencillos a partir de los requerimientos de funcionamiento que sequiere que tengan.

Empezando por el principio:

Lo esencial: saber perfectamente que se quiere que haga el circuito que se va a diseñar. No es posible diseñar nada si no se sabe que es loque se tiene que diseñar. Esto que parece tan de perogrullo, créame, se suele olvidar con bastante frecuencia.Así pues, habrá que empezar por definir de forma precisa el comportamiento de nuestro circuito, es decir, conocer como ha decomportarse cada una de sus salidas frente a cada posible combinación de estados de sus entradas. Y la mejor forma de hacer esto para uncircuito combinacional es expresar el comportamiento del circuito en forma de tabla de la verdad:

Se quiere diseñar una alarma que se comporte de la siguiente forma:

Un sensor en la puerta indicará cuando ésta se abre. Si la puerta se abre el sensor entregará nivel alto. En caso contrario nivelbajo.Una serie de sensores, todos conectados en paralelo, indicarán si se abre alguna de las ventanas. Al igual que en el caso delsensor de la puerta, un nivel alto indicará que se ha producido la activación del sensor.Un sensor que detectará si se está intentando manipular la alarma una persona no autorizada. El comportamiento del sensor elmismo que los de puerta y ventanas.La alarma tendrá tres LEDs. Uno rojo que indicará si la alarma está alimentada. Uno verde que se encenderá cuando sedispare la alarma por el sensor de la puerta. Por último, uno naranja que ha de encenderse si la alarma se dispara por lossensores de las ventanas.La alarma tendrá un terminal de salida que si ésta no está disparada entregará nivel lógico bajo. En caso de disparo de laalarma, por el motivo que fuese, entregaría nivel lógico alto. En esta salida es donde se colocará la sirena que avisaráacústicamente del disparo de la alarma.

Vistas las especificaciones de nuestra alarma, lo primero es desarrollar la tabla de la verdad que debe verificar. Para ello debemosidentificar claramente lo que serán "entradas" y lo que serán "salidas". Pues bien, entradas serán donde se conecten los sensores y salidasserán donde se conecten los LEDs y la sirena. Por tanto, nuestra alarma deberá tener tres entradas y ,en principio, cuatro salidas.Pongamos nombres a cada entrada y a cada salida. La entrada del sensor de puerta la llamaremos p. La entrada de los sensores de lasventanas la llamaremos v. En cuanto a la entrada del sensor de manipulación de la alarma, la llamaremos m. Las salidas se llamarán así: lasalida del LED rojo la nombraremos como LR, la del LED verde LV y la del LED naranja LN. La salida de la sirena se etiquetará como S.Una vez nombradas entradas y salidas de forma más eficiente, crearemos la tabla de la verdad de la alarma siguiendo en todo momento lasespecificaciones deseadas:

p v m LR LV LN S

0 0 0 1 0 0 0

0 0 1 1 0 0 1

0 1 0 1 0 1 1

0 1 1 1 0 1 1

1 0 0 1 1 0 1

1 0 1 1 1 0 1

1 1 0 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1

La extracción de las funciones lógicas:

El siguiente paso a dar para conseguir nuestro circuito es extraer, a partir de la tabla de la verdad, cada una de las funciones lógicas que elcircuito deberá implementar o reproducir. Existen métodos bastante genéricos para ello (que quizás sean tema de otro artículo) pero elmétodo que recomiendo para circuitos sencillos es simplemente inspeccionar la tabla de la verdad y ver si somos capaces de reconoceralguna función lógica en ella (es necesario conocer perfectamente todas las funciones básicas para ello). Veamos cómo:

Extraer las funciones lógicas de la tabla de la verdad anterior, correspondiente a una alarma.

Las funciones lógicas a extraer de esta tabla son cuatro, es decir, tantas como salidas deba tener nuestro circuito (cada salida es unafunción lógica y viceversa, cada función lógica corresponde a una salida). Empecemos por la función LR (donde se conectará el LEDrojo). Se puede ver en la tabla de la verdad que siempre está a nivel lógico alto (representado por 1), sea cual sea los estados lógicos de lasentradas. Por tanto, LR no es realmente una función o salida del circuito, más bien será una constante del circuito. ¿Qué punto de nuestrocircuito estará siempre a nivel lógico alto independientemente de los niveles lógicos de las entradas? La respuesta es sencilla: positivo dealimentación. Ya podemos poner entonces que:

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LR = +Vcc

Sigamos con la función LV (donde se conectará el LED verde). Mirando la tabla se puede ver rápidamente que:

LV= p

En cuanto a la función LN (LED naranja) tendremos que, de forma similar,

LN = v

Por último, la función S (sirena) es algo más complicada de extraer que las demás (pero no mucho más). Si se conocen las funcionesbásicas (lo cual, no me cansaré de repetirlo, es fundamental) no debería haber mucho problema para ver que:

S = p + v + m

donde + es la suma lógica, por supuesto (ver el artículo sobre las puertas lógicas).

La implementación de las funciones lógicas:

Implementar una función lógica es diseñar ( y posteriormente montar) el circuito que se comportará tal como indica la función ante lascombinaciones de estados lógicos de entrada. Aunque las funciones pueden ser varias, y por tanto también lo serán los circuitos que lasimplementen, lo normal es considerar un circuito único formado por la unión de varios subcircuitos, cada uno de ellos correspondiente auna función lógica.

Implementar el circuito de alarma estudiado.

Tendremos que el circuito podría ser el siguiente:

Hay que tener en cuenta que se pueden hacer múltiples combinaciones de resistencias, tanto en el número de ellas como con elconexionado que se les de.

Vamos a considerar dos tipos de circuitos mixtos: a) un circuito de dos resistencias en paralelo, conectado en serie con otra resistencia. b)un circuito de dos resietencias en serie conectado, en paralelo con otra resistencia.

a) Veamos este primer tipo:

Primero simplificaremos las dos resistencias que se encuentran en paralelo (R2 y R3):

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Y por último simplificamos las dos resistencias que nos quedan:

b) Veamos el segundo tipo:

En este caso lo primero que tenemos que hacer es simplificar las dos resistencias en serie (R2 y R3):

Y a continuación resolver el paralelo:

Ejemplo de cálculo

Vamos a considerar los mismos datos que en las páginas anterioeres:

Vs = 12 v., R1 = 40 KΩ, R2 = 60 KΩ y R3 = 20 KΩ

Veamos ahora como solucionamos ambos casos:

a) En este caso tenemos que calcular V1, V2, IT, I2, I3, Rp y Req.

Comenzamos calculando Rp:

Rp = (R2·R3) / (R2+R3) = 60·20 / (60+20) = 120/80 = 15 KΩ.

A continuación calculamos Req :

Req = R1+Rp = 40+15 = 55 KΩ.

Ahora podemos calcular IT:

IT = Vs/Req = 12 v/55 KΩ = 0'218 mA.

Una vez que conocemos esta intensidad, podemos calcular las caídas de tensión V1 y V2:

V1 = IT · R1 = 0'218 mA · 40 KΩ = 8'72 v.

V2 = IT · Rp = 0'218 · 15 KΩ = 3'28 v.

Por último, el valor de V2 nos sirve para calcular I2 e I3:

I2 = V2/R2 = 3'28 v/60 KΩ = 0'055 mA.

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I3 = IT-I2 = 0'218-0'055 = 0'163 mA.

b) En este caso hay que calcular: IT, I1, I2, V2, V3, Rs y Req:

En primer lugar vamos a calcular Rs:

Rs = R2+R3 = 60+40 = 100 KΩ.

A continuación calculamos Req:

Req = (R1·Rs)/(R1+Rs) = 40·100/(40+100) = 4000/140 = 28'57 KΩ.

Dado que en un circuito paralelo, la tensión es la misma en todos sus componentes, podemos calcular I1 eI2:

I1 = VS/R1 = 12 v/40 KΩ = 0'30 mA.

I2 = VS/Rs = 12 v/100 KΩ = 0'12 mA.

Ahora podemos calcular IT como la suma de las dos anteriores:

IT = I1+I2 = 0'30+0'12 = 0'42 mA.

Y ya sólo nos queda calcular V2 y V3:

V2 = I2·R2 = 0'12 mA · 60 KΩ = 7'2 v.

V3 = VS-V2 = 12-7'2 = 2'8 v.

Cuadro de cargas o Balanceo de cargas

La mejor manera de explicártelo es haciendo uno, así que… manos a la obra. Sea la instalación eléctrica residencial mostrada acontinuación.

Da click en la imagen para ver el plano en tamaño completo

No hay un estándar respecto de la elaboración de Cuadros de Carga al realizarse planos para instalaciones eléctricas, hasta ahora secarece de una norma oficial que los regule o explique la manera de hacerlos, sin embargo los más comunes incorporan:

Número de circuitos, símbolo de la carga, total de elementos de la carga de que se trate, capacidad de cada uno de los elementos de la

carga, y totales en Watts.

Algunos electricistas incorporan en ellos las fórmulas que utilizarán posteriormente cuando calculen los calibres de los conductores, otrosno, en nuestro caso los realizaremos de la forma que verás más adelante, aunque al fin de cuentas puedes hacerlos como se te pegue lagana, siempre y cuando incluyan información acerca de las cargas existentes en la instalación eléctrica residencial/comercial y totales delas mismas.

Revisa la distribución eléctrica mostrada en la figura (da un clic encima). Solo están los ramales o circuitos que tiene la instalación.

Anota el total de lámparas, contactos, ventiladores, etc. para cada circuito, escríbelos en cualquier medio (papel, hoja de texto/cálculo, oservilleta que tienes en la mano). Todas estas cargas son CARGAS FIJAS y son las que debes considerar a la hora de realizar tu Cuadro

de Cargas.

¿Los apagadores también cuentan, es decir son cargas? NOOOOO!!!! porque no consumen energía eléctrica. Una carga es todoaquello que consume energía.

¿Los contactos son cargas? Sí, no importa que no tengan nada conectado a ellos debes considerarlos porque existe la posibilidad de quealguien alguna vez conecte en ellos algún aparato.

¿Qué cantidad de carga debe considerarse para cada contacto? 180 VA como mínimo por cada uno (aproximadamente 180 Watts) oincluso mayor, todo depende del uso que tendrán. Un contacto común (también se les llama: enchufes, receptáculos o tomas de corriente)

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puede soportar hasta 15 Amperes lo que significa que en él podrías conectar un aparato que tuviera una potencia máxima de hasta unos1,500 Watts aproximados (con un margen de seguridad), pero igual puedes conectar un reloj despertador que no consume más allá de los20 Watts, por lo tanto si para una instalación proyectada quieres considerar 200 Watts o más por cada contacto puedes hacerlo, aunquetampoco debes ir “muy arriba” en tus estimaciones de carga conectada en los contactos porque entonces la instalación te quedaría muy“inflada” en el total de Watts. Ahora bien, si ya sabes la capacidad del aparato que conectarás en cualquier contacto y si el dueño de la casaproyectada te dijo que siempre estará conectado ahí hazle caso y si el aparato es mayor de 180 Watts considéralo como una CARGA FIJA

en lugar de los 180 Watts MÍNIMOS “normales”. Para nuestro caso utilizaremos los 180 W.

¿Cuántos circuitos son? Respuesta. 5 (C1, C2, C3, C4, y C5).

El circuito 1 (C1 en color azul) va “pegado” a la pared perimetral de la residencia y alimenta a todos los contactos por los que pasa. 19contactos de 180 Watts cada uno resultan: 3,420 Watts.

El circuito 2 (C2, en color azul claro) alimenta a una parte de la instalación, consta de:

7 Lámparas de: –supongamos- 75 Watts.

6 Contactos.

2 Arbotantes para interiores de: –supongamos- 60 Watts.

3 Arbotantes tipo intemperie.

1 Ventilador de –supongamos- 200 Watts.

Y así sucesivamente… Tú continúa con los demás circuitos.

Considera el timbre o zumbador como una carga de 20 Watts, y la motobomba de ½ H.P. (373 Watts).

Después que tengas todo podrías hacer tu Cuadro de Cargas de la siguiente manera.

¿Puedes hacerlo de otra manera? Si. Puedes hacerlo de veinte formas: horizontal, vertical, en diagonal, etc, etc, etc. Hazlo como quieraspero cuida que incluya lo indicado, esto para instalaciones eléctricas residenciales y en muchos casos comerciales.

El total de carga resultante fue de: 8,703 Watts.

Balance, “balanceo” o equilibrio de cargas se refiere a lo mismo, es la distribución que debe hacer todo técnico o ingenieroelectricista de las cargas existentes en una instalación eléctrica, de tal manera que las fases que la alimentan lo hagan más o menos en lamisma proporción para todas. Si la instalación es monofásica es obvio que no se requerirá ningún balance. Si la instalación es bifásica otrifásica por norma oficial tienes que hacerlo.

El equilibrio de las cargas tanto en anteproyectoscomo físicamente (midiendo las corrientes quecirculan por los conductores alimentadores)siempre es una estimación, es sumamentecomplicado balancearlas y que se mantengan enconstante equilibrio a lo largo de las 24 horas deldía, es prácticamente imposible dado que sunaturaleza es variable tanto en residencias comoen comercios o en industrias, pero debe hacersey debe buscarse que sea lo más cercano posibleal equilibrio ideal en donde circularíaexactamente la misma cantidad de corriente enlas dos o en las tres fases requeridas para

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alimentarlas.

El desbalance permitido no debe exceder al 5%, lo que quiere decir que las cargas totales conectadas a cada Fase de un sistema bifásico otrifásico no deben ser diferentes una de la otra en un porcentaje mayor al 5%.

La fórmula para determinar el desbalance es la siguiente:

%Desbalance = [(CargaMayor–CargaMenor)x(100)]/(CargaMayor)

Un poco más simple…

%D = (CM-cm)x100/CM

Veamos un caso…

Tienes el siguiente cuadro de cargas.

Observa que la instalación tiene varios circuitos(C1, C2, C3, C4 y C5), cada uno controlado porun interruptor termomagnético ubicado en elcentro de carga.

Puesto que la carga total es de 8,683 Wattsentonces son dos fases las que alimentarán adicha instalación (acometida bifásica 2F-1N, otambién se le llama monofásica a 3 hilos).

Resulta obvio que uno o más circuitos debenestar conectados a cada fase (dos fases en estecaso). Por ejemplo: C1 y C2 podríanalimentarse/conectarse por/en la Fase 1 mientrasque C3, C4 y C5 por/en la Fase 2, resultando elarreglo de la primera figura.

¿Es correcto?

Apliquemos la fórmula para saberlo.

C1+C2, que están conectadas a la Fase 1suman…

3420 + 2105 = 5525 W.

C3+C4+C5, que están conectadas a la Fase 2suman…

1010 + 1775 + 373 = 3158 W.

Resultando: Carga Mayor = 5525 W, y cargamenor = 3158 W.Sustituyendo en la fórmula:

%D = (CM-cm)x100/CM = (5525-3158)(100)/5525 = 42.84%

Obtenemos un ENORME desequilibrio del42.84%

¿Cómo corregirlo?

Necesitas “reacomodar” las cargas. Por ejemplo podrías hacer el siguiente arreglo. Observa cómo cambió la colocación de los circuitos enlas Fases.

C1 + C5 = 3420 + 373 = 3793 W.

C2+C3+C4 = 2105+1010+1775 = 4890 W.

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Por lo tanto CM = 4890 W. Y cm = 3793 W.

Aplicando la fórmula…

%D = (CM-cm)x100/CM = (4890-3793)(100)/4890 = 22.43%

El porcentaje bajó del 42.84% al 22.43% pero todavía rebasamos el 5% permitido así que nuevamente procedemos a reacomodar cargas.

Ahora probemos el siguiente arreglo.

C1+C3 = 3420+1010 = 4430 Watts.

C2+C4+C5 = 2105+1775+373 = 4253 Watts.

%D = (4430-4253)100/4430 = 3.99 %

El resultado es menor del 5%, por lo tanto este es el arreglo que debes elegir (a menos que existiera una mejor alternativa).Ahora bien, ¿todo lo anterior qué representaría?, es decir, ¿qué es lo que tendrías que hacer en la instalación para conseguirlo?Físicamente implicaría que en el centro de carga “movieras” los circuitos (o los interruptores termomagnéticos los cuales protegen a cadacircuito) intercambiándolos de una Fase a otra hasta que te queden igual que en el arreglo anterior

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