Simulación de circuitos por computadora: qué es y cómo usarla

Un estudiante arma en la protoboard un circuito con un condensador electrolítico de 470 µF, lo conecta a una fuente de 12 V y lo pone al revés. Unos segundos después, un pequeño estallido y un olor inconfundible. El condensador está perdido, la tarde también, y quedó un susto. A otro estudiante, con la simulación de circuitos en la computadora, le pasa lo mismo, y lo único que se «quema» es la gráfica. Los electrolíticos son polarizados: la franja del cuerpo marca el terminal negativo, y conectados al revés pueden reventar. En la mesa, usa gafas de seguridad y no acerques la cara al armar y energizar.

Eso es simular: probar un circuito en el computador antes de armarlo, para ver qué hará sin arriesgar componentes ni a las personas.

Cómo funciona por dentro#

La mayoría de los simuladores de circuitos descienden de SPICE, un programa creado en la Universidad de California, Berkeley, en los años setenta. Su idea es la siguiente: el programa recibe una lista de componentes y de cómo están conectados (la netlist), reemplaza cada componente por su modelo matemático, y resuelve las ecuaciones de las leyes de Kirchhoff para cada nodo. En un análisis en el tiempo repite el cálculo en pasos muy pequeños.

Hay programas con distinta filosofía y todos sirven para aprender:

• LTspice: gratuito, de Analog Devices, muy rápido; es un SPICE casi en estado puro, con esquemático.
• Multisim (National Instruments): interfaz amable, con instrumentos virtuales parecidos a los reales.
• Proteus: simula también microcontroladores con su programa.
• KiCad (con el motor ngspice): gratuito y de código abierto; sirve para simular y luego diseñar la tarjeta.
• Tinkercad Circuits y Falstad: simuladores que funcionan en el navegador, buenos para empezar.

Ventajas de simular#

• Seguridad: no hay choque eléctrico, ni baterías que revienten, ni componentes quemados.
• Costo: no se gastan resistores, diodos ni circuitos integrados, ni se compran para probar una idea.
• Rapidez: cambiar R1 de 1 kΩ a 2,2 kΩ toma segundos; en la protoboard hay que sacar el resistor y buscar otro.
• Mediciones imposibles o difíciles: puedes ver la corriente en cualquier rama sin abrir el circuito, o una tensión de 3 V en un nodo sin que la sonda del multímetro altere el circuito.
• Barridos de valores: probar 20 valores de un componente de una vez y ver cómo cambia la respuesta.
• Documentación: el esquema y las gráficas van directo al informe.

Pero la simulación tiene límites. El modelo es ideal: un resistor virtual no tiene tolerancia salvo que se la pidas, un condensador no se calienta, los cables no tienen resistencia, la protoboard no mete ruido. Un circuito que funciona perfecto en pantalla puede fallar en la mesa. Por eso la secuencia profesional es calcular, simular, armar, medir y comparar. Si la medición real se aleja de la simulada, el error está en el modelo, en el montaje o en el cálculo, y toca buscar.

Librerías de componentes#

Cada símbolo del esquemático se asocia a un modelo. El programa trae librerías con cientos de componentes: resistores, condensadores, fuentes, diodos como el 1N4007 o el 1N4148, transistores como el 2N3904 o el 2N2222, amplificadores operacionales como el 741 o el LM358. Un componente ideal (un resistor) basta con su valor. Un componente semiconductor necesita un modelo con sus parámetros reales, que normalmente da el fabricante, y se carga desde la librería o desde un archivo (.lib, .mod).

Si un componente de tu proyecto no aparece, no tomes uno parecido y esperes que funcione igual. Busca el modelo en la página del fabricante, agrégalo a la librería y verifica que el símbolo tenga los pines en el mismo orden que el componente real.

Órdenes y comandos#

En cualquier simulador se sigue el mismo flujo: se dibuja el esquema, se colocan fuentes e instrumentos, se escoge un tipo de análisis, se ejecuta y se miran los resultados. Los tipos de análisis tienen nombres de comandos SPICE que conviene reconocer:

Comando	Análisis	Qué obtienes
.op	Punto de operación	Tensiones en cada nodo y corrientes con el circuito en continua, estable
.dc	Barrido de CC	Cómo cambia una tensión al variar una fuente o un valor, como la curva de un diodo
.ac	Barrido en frecuencia	Respuesta de un filtro o amplificador según la frecuencia
.tran	Análisis transitorio	Tensiones y corrientes en el tiempo, como un osciloscopio
.param / .step	Parámetros y barridos	Repetir la simulación con varios valores de un componente

Veamos un ejemplo mínimo, un divisor de tensión con una fuente de 9 V, R1 = 1 kΩ y R2 = 2 kΩ. En lenguaje SPICE se escribe como una lista, donde cada línea nombra el componente, los nodos donde se conecta y su valor. El nodo 0 es siempre la referencia de tierra:

V1 entrada 0 DC 9
R1 entrada salida 1k
R2 salida 0 2k
.op
.end

Al correr el punto de operación, el programa reporta V(salida) = 6 V y una corriente de 3 mA en la fuente (el programa la muestra como -3 mA, porque SPICE toma como positiva la corriente que entra por el terminal positivo de la fuente). Compruébalo a mano: 9 V dividido entre 3 kΩ da 3 mA, y 3 mA por 2 kΩ da 6 V. Si la simulación y la cuenta no coinciden, tienes un error de dibujo, casi siempre un nodo mal conectado o una unidad equivocada. Fíjate en el detalle de las unidades: en SPICE «m» es mili y «meg» es mega; escribir 1M da un milésimo de ohm, y no un millón.

Un segundo ejemplo, esta vez en el tiempo. Un resistor de 10 kΩ y un condensador de 100 nF, con un escalón de 5 V. La constante de tiempo es τ = R × C = 10 000 × 0,0000001 = 1 ms. Se pide .tran 5m para ver 5 constantes de tiempo, y la gráfica muestra la tensión del condensador subiendo hasta casi 5 V: en 1 ms, ya llegó al 63 %, unos 3,16 V. Con eso tienes tres valores para comparar: el teórico, el simulado y el que mida el osciloscopio de verdad.

Cómo trabajar bien con un simulador#

1. Dibuja el esquema limpio y pon la tierra (nodo 0). Un circuito sin referencia no se resuelve y el programa devuelve un error de «nodo flotante».
2. Calcula a mano los valores esperados antes de simular.
3. Elige el análisis adecuado: .op para valores de continua, .tran para ver formas de onda, .ac para respuesta en frecuencia.
4. Pon sondas de tensión o corriente solo donde las necesitas.
5. Guarda el archivo con nombre descriptivo (divisor_9V_1k_2k.asc) y las gráficas, junto con el esquema, en la carpeta del informe.
6. Compara con la medición real y anota la diferencia en porcentaje.

Errores frecuentes#

• Olvidar la tierra o dejar un nodo sin conexión.
• Confundir mili (m) y mega (M o meg).
• Creer ciegamente en el resultado, sin comprobar que el orden de magnitud tenga sentido.
• Usar un modelo ideal donde el componente real importa, como un diodo Zener real con su tensión y su resistencia dinámica.
• Simular un periodo muy largo con pasos diminutos: el programa se pone lento o se cuelga. Ajusta el tiempo a unas cinco constantes de tiempo.

Ponte a prueba#

Menciona tres ventajas de simular un circuito antes de armarlo.#

¿Por qué un circuito puede funcionar en el simulador y fallar en la protoboard?#

Un divisor de tensión tiene 12 V, R1 = 1 kΩ y R2 = 3 kΩ. ¿Qué debe dar el punto de operación en la salida?#

¿Para qué se usa el comando .tran y cuál es la diferencia con .op?#

Quieres un resistor de 1 megaohm y escribes 1M en SPICE; el resultado es absurdo. ¿Cuál es el error probable?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Electrónica, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)