Ejercicios prácticos con Electrónica
Ejercicios prácticos con Electrónica
Simon Monk
Edición original publicada en inglés por O’Reilly con el título Electronics Cookbook, ISBN 978-1-491-95340-2 © Simon Monk 2017.
This translation is published and sold by permission of O’Reilly Media, Inc., which owns or controls all rights to publish and sell the same.
Título de la edición en español:
Ejercicios prácticos con Electrónica
Primera edición en español, 2018
© 2018 MARCOMBO, S.A.
www.marcombo.com
Traducción: Francisco Salcedo
Revisión técnica: Ferran Fàbregas
Diseño de la cubierta: ENEDENÚ DISEÑO GRÁFICO
«Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. La presente publicación contiene la opinión del autor y tiene el objetivo de informar de forma precisa y concisa. La elaboración del contenido, aunque se ha trabajado de forma escrupulosa, no puede comportar una responsabilidad específica para el autor ni el editor de los posibles errores o imprecisiones que pudiera contener la presente obra.»
ISBN: 978-84-267-2563-9
Producción del ebook: booqlab.com
Prefacio
1. Teoría
1.0 Introducción
1.1 Qué es la intensidad de la corriente
1.2 Qué es el voltaje o tensión eléctrica
1.3 Cómo calcular voltaje, intensidad de la corriente y resistencia
1.4 Cómo calcular la corriente en cualquier punto de un circuito
1.5 Cómo calcular los voltajes en nuestro circuito
1.6 Qué es la potencia eléctrica
1.7 La corriente alterna (CA)
2. Resistencias
2.0 Introducción
2.1 Cómo leer el encapsulado de una resistencia
2.2 Cómo averiguar los valores estándar de una resistencia
2.3 Selección de una resistencia variable
2.4 Conexión de resistencias en serie
2.5 Conexión de resistencias en paralelo
2.6 Cómo reducir un voltaje a un valor específico
2.7 Cómo seleccionar una resistencia para que no se queme
2.8 Cómo medir el nivel de luminosidad
2.9 Cómo medir la temperatura
2.10 Cómo seleccionar el hilo correcto
3. Condensadores y bobinas inductoras
3.0 Introducción
3.1 Cómo almacenar temporalmente energía en nuestros circuitos
3.2 Cómo identificar los diferentes tipos de condensadores
3.3 Cómo leer el encapsulado de una resistencia
3.4 Conexión de condensadores en paralelo
3.5 Conexión de condensadores en serie
3.6 Cómo almacenar cantidades enormes de energía
3.7 Cómo calcular la energía almacenada en un condensador
3.8 Cómo modificar y moderar el flujo de corriente
3.9 Cómo convertir voltajes de corriente alterna (CA)
4. Diodos
4.0 Introducción
4.1 Cómo bloquear el flujo de corriente en una dirección
4.2 Conozca sus diodos
4.3 Cómo usar un diodo para limitar los voltajes de corriente continua (CC)
4.4 Hágase la luz
4.5 Detección de luz
5. Transistores y circuitos integrados
5.0 Introducción
5.1 Conmutación de una corriente fuerte usando una más débil
5.2 Conmutación de una corriente con una corriente de control mínima
5.3 Cómo conmutar grandes cargas de corriente con eficiencia
5.4 Cómo conmutar voltajes muy grandes
5.5 Cómo seleccionar el transistor apropiado
5.6 Conmutación de corriente alterna (CA)
5.7 Cómo detectar luz usando transistores
5.8 Cómo aislar señales por seguridad y para eliminación de ruido
5.9 Introducción a los circuitos integrados
6. Interruptores y relés
6.0 Introducción
6.1 Conmutación/interrupción de la electricidad de forma mecánica
6.2 Conozca sus conmutadores/interruptores
6.3 Conmutación usando electromagnetismo
6.4 Redescubriendo los relés
7. Las fuentes de alimentación
7.0 Introducción
7.1 Cómo convertir CA en CA de voltaje diferente
7.2 Aspectos básicos de la conversión de CA a CC
7.3 Disminución del rizo en la conversión de CA a CC
7.4 Conversión de CA a CC regulada
7.5 Conversión de CA a CC variable
7.6 Cómo regular el voltaje desde una batería
7.7 Construcción de una fuente de alimentación de corriente constante
7.8 Cómo regular el voltaje de CC de modo eficiente
7.9 Cómo convertir un voltaje de CC inferior en otro superior
7.10 Cómo convertir CC en CA
7.11 Alimentación de un proyecto con 110 o 220 V de CA
7.12 Cómo multiplicar el voltaje
7.13 Cómo suministrar alto voltaje a 450 V
7.14 Cómo suministrar voltaje aún más alto (>1 kV)
7.15 Fuente de alimentación de muy, muy alto voltaje (bobina de Tesla de estado sólido)
7.16 Cómo fundir un fusible
7.17 Cómo protegernos de los errores de polaridad
8. Baterías
8.0 Introducción
8.1 Cómo estimar la duración de la batería
8.2 Cómo elegir una batería no recargable
8.3 Cómo elegir una batería recargable
8.4 Carga lenta
8.5 Respaldo automático de batería
8.6 Cómo cargar baterías LiPo
8.7 Obtenga toda la potencia posible con un ladrón de julios
9. Energía solar
9.0 Introducción
9.1 Uso de la energía solar como fuente de alimentación en nuestros proyectos
9.2 Seleccionar un panel solar
9.3 Cómo medir la salida de potencia real de un panel solar
9.4 Uso de la energía solar para alimentar un Arduino
9.5 Uso de la energía solar para alimentar un Raspberry Pi
10. Arduino y Raspberry Pi
10.0 Introducción
10.1 Explorando un Arduino
10.2 Cómo descargar y utilizar los sketches del libro para el Arduino
10.3 Explore el Raspberry Pi
10.4 Cómo descargar y utilizar los programas Python del libro
10.5 Cómo ejecutar un programa en el Raspberry Pi durante el inicio
10.6 Explore las alternativas a Arduino y Raspberry Pi
10.7 Conmutación
10.8 Control de salidas digitales con Arduino
10.9 Control de salidas digitales desde Raspberry Pi
10.10 Cómo conectar el Arduino a entradas digitales como conmutadores/interruptores
10.11 Cómo conectar el Raspberry Pi a entradas digitales como conmutadores/interruptores
10.12 Cómo leer entradas analógicas en el Arduino
10.13 Cómo generar una salida analógica en el Arduino
10.14 Cómo generar una salida analógica en el Raspberry Pi
10.15 Cómo conectar el Raspberry Pi a dispositivos I2C
10.16 Cómo conectar el Raspberry Pi a dispositivos SPI
10.17 Conversión de niveles lógicos
11. Conmutación
11.0 Introducción
11.1 Conmutación de una potencia superior a la que nuestro Arduino o Raspberry Pi pueden manejar
11.2 Conmutación de potencia en el nivel alto
11.3 Cómo conmutar una potencia mucho mayor
11.4 Conmutación de mucha más potencia en el nivel alto
11.5 Cómo elegir entre un BJT y un MOSFET
11.6 Conmutación con un Arduino
11.7 Conmutación con un Raspberry Pi
11.8 Conmutación reversible
11.9 Cómo controlar un relé desde una patilla GPIO
11.10 Cómo controlar un relé de estado sólido desde una patilla GPIO
11.11 Cómo conectar salidas de colector abierto
12. Sensores
12.0 Introducción
12.1 Cómo conectar un conmutador/interruptor a un Arduino o Raspberry Pi
12.2 Detección de posición rotacional
12.3 Detección de entrada analógica desde sensores resistivos
12.4 Cómo añadir entradas analógicas al Raspberry Pi
12.5 Cómo conectar sensores resistivos al Raspberry Pi sin un ADC
12.6 Cómo medir el nivel de luminosidad
12.7 Cómo medir la temperatura con un Arduino o Raspberry Pi
12.8 Cómo medir la temperatura sin un ADC en el Raspberry Pi
12.9 Cómo medir la rotación usando un potenciómetro
12.10 Cómo medir la temperatura con un CI analógico
12.11 Cómo medir la temperatura con un CI digital
12.12 Medición de la humedad
12.13 Cómo medir la distancia
13. Motores
13.0 Introducción
13.1 Encendido/apagado de motores DC (CC)
13.2 Medición de la velocidad de un motor DC (CC)
13.3 Cómo controlar el sentido de giro de un motor CC
13.4 Cómo situar un motor en posiciones concretas con la máxima precisión
13.5 Cómo mover un motor un número exacto de pasos
13.6 Elegir un motor paso a paso más sencillo
14. Pantallas y diodos LED
14.0 Introducción
14.1 Conexión de LED estándar
14.2 Cómo controlar diodos LED de gran potencia
14.3 Cómo alimentar muchos LED
14.4 Conmutación de múltiples LED al mismo tiempo
14.5 Multiplexación de señales para pantallas de 7 segmentos
14.6 Cómo controlar muchos LED
14.7 Cómo cambiar los colores de un LED RGB
14.8 Cómo conectar tiras de LED direccionables
14.9 Cómo usar una pantalla LED de 7 segmentos con bus I2C
14.10 Cómo mostrar gráficos o texto en pantallas OLED
14.11 Cómo mostrar texto en pantallas LCD alfanuméricas
15. Circuitos integrados digitales
15.0 Introducción
15.1 Cómo proteger los CI del ruido eléctrico
15.2 Conozca sus familias lógicas
15.3 Cómo controlar más salidas que patillas GPIO
15.4 Construcción de un interruptor basculante digital
15.5 Cómo reducir la frecuencia de una señal
15.6 Cómo conectar contadores decimales
16. Electrónica analógica
16.0 Introducción
16.1 Cómo filtrar las frecuencias altas de forma rápida y sencilla
16.2 Cómo crear un oscilador
16.3 Cómo hacer parpadear LED en serie
16.4 Cómo evitar las caídas de tensión entre la entrada y la salida
16.5 Cómo construir un oscilador de bajo coste
16.6 Cómo construir un oscilador de ciclo de trabajo variable
16.7 Cómo hacer un temporizador monoestable
16.8 Cómo controlar la velocidad de un motor
16.9 Cómo aplicar modulación PWM a una señal analógica
16.10 Construcción de un VOC (Voltage-Controlled Oscillator, oscilador controlado por voltaje)
16.11 Explore la medición de decibelios
17. Amplificadores operacionales
17.0 Introducción
17.1 Selección de un amplificador operacional
17.2 Alimentación de un Op-Amp (fuente de alimentación dividida)
17.3 Alimentación de un Op-Amp (fuente de alimentación sencilla)
17.4 Cómo construir un amplificador inversor
17.5 Cómo construir un amplificador no inversor
17.6 Establecer un buffer de señal
17.7 Cómo reducir la amplitud en las frecuencias altas
17.8 Cómo filtrar las frecuencias bajas
17.9 Cómo filtrar las frecuencias altas y bajas
17.10 Cómo comparar dos voltajes
18. Audio
18.0 Introducción
18.1 Cómo reproducir sonidos en un Arduino
18.2 Cómo reproducir sonidos en un Raspberry Pi
18.3 Cómo incorporar un micrófono con electreto en un proyecto
18.4 Cómo construir un amplificador de potencia de 1 W
18.5 Cómo construir un amplificador de potencia de 10 W
19. Radiofrecuencia
19.0 Introducción
19.1 Creación de un transmisor de radio FM
19.2 Creación de un transmisor FM software usando un Raspberry Pi
19.3 Cómo construir un receptor FM controlado por un Arduino
19.4 Cómo enviar datos digitales con señales de radio
20. Construcción
20.0 Introducción
20.1 Cómo crear circuitos temporales
20.2 Cómo crear circuitos permanentes
20.3 Cómo diseñar nuestra propia placa de circuito impreso
20.4 Explore la soldadura de agujero pasante
20.5 Explore la soldadura en superficie
20.6 Desoldar componentes
20.7 Cómo soldar sin arruinar los componentes
21. Herramientas
21.0 Introducción
21.1 Cómo usar una fuente de alimentación de laboratorio
21.2 Cómo medir voltajes de CC
21.3 Cómo medir voltajes de CA
21.4 Medición de la corriente
21.5 Cómo medir la continuidad
21.6 Cómo medir la resistencia, capacitancia e inductancia
21.7 Cómo descargar un condensador
21.8 Cómo medir voltajes altos
21.9 Utilización del osciloscopio
21.10 Cómo utilizar un generador de señales (funciones)
21.11 Simulación
21.12 Cómo trabajar seguros con alta tensión
A. Componentes y proveedores
B. Esquema de patillas y conectores del Arduino
C. Esquema de patillas y conectores del Raspberry Pi
D. Unidades y prefijos
Este libro le ayudará a aprender y aplicar conceptos básicos de ingeniería electrónica sin la necesidad de ser un gran experto. A través de una serie de proyectos prácticos, aprenderá a resolver problemas específicos mientras se adentra en la materia.
Estos proyectos hacen posible que acceda al libro al azar, pues puede ir directamente al ejercicio que resuelve su problema de electrónica.
Si bien es imposible cubrir en un volumen toda una materia compleja como la electrónica, he tratado de seleccionar temas que surgen con frecuencia cuando hablo con otros fabricantes, aficionados e inventores.
Si está interesado en entrar en el mundo de la electrónica, es maker o es uno de los muchos aficionados y diseñadores que llegaron a la electrónica a través de Arduino y Raspberry Pi, este libro le será de mucha utilidad.
Si es nuevo en la electrónica entonces este libro le servirá como una guía para comenzar; si es un fabricante experimentado de la electrónica, actuará como referencia útil.
El libro está lleno de ejercicios comprobados en los que puede confiar para hacer exactamente lo que necesita, sin importar su nivel de experiencia.
El concepto original de este libro vino del propio Tim O'Reilly. La idea era llenar la brecha en el mercado entre libros como Ejercicios prácticos con Raspberry Pi, Arduino Cookbook y los libros de electrónica de peso pesado.
En otras palabras, pretendo cubrir los fundamentos de la electrónica y los temas periféricos sobre el uso de microcontroladores que a menudo se descuidan. Temas como la construcción de varios tipos de alimentación, el transistor adecuado para la conmutación, el uso de circuitos integrados analógicos y digitales, así como la construcción de proyectos y prototipos y el uso de equipos de prueba.
Arduino y Raspberry Pi han atraído nuevas generaciones de makers, aficionados e inventores al mundo de la electrónica. Los componentes y herramientas están ahora a bajo coste y al alcance de más personas que en cualquier momento de la historia. Hackspaces y Fab Labs tienen estaciones de trabajo electrónicas en las que puede utilizar herramientas para realizar sus proyectos.
La disponibilidad gratuita de información, incluyendo diseños detallados, significa que puede aprender y adaptar el trabajo de otras personas a sus propias necesidades específicas.
Muchas personas empiezan con la electrónica como una afición tras la educación formal en ingeniería electrónica, o simplemente saltan al diseño del producto como inventor y empresario. Después de todo, si tiene acceso a un ordenador y algunas herramientas y componentes, puede construir un prototipo de su invención y luego encontrar a alguien que lo fabrique para usted, financiado con la ayuda del crowdfunding o micromecenazgo. La barrera de entrada al negocio de la electrónica está en el punto más bajo de todos los tiempos.
Al leer este libro puede acceder al ejercicio que desee de forma independiente, pues en aquellos ejercicios basados en unos conocimientos o habilidades de otros proyectos se detallará el enlace al ejercicio de prerrequisito.
El libro se divide en secciones que contienen los ejercicios organizados por capítulos. Del 1 al 6 se proporcionan proyectos fundamentales, algunos referentes a la teoría, pero sobre todo relativos a los diferentes tipos de componentes. Estos capítulos son:
• Capítulo 1, Teoría. Como el título sugiere, los ejercicios de este capítulo le proporcionan conceptos teóricos fundamentales, como la Ley de Ohm y la Ley de Potencia.
• Capítulo 2, Resistencias. Se definen los componentes electrónicos más comunes y se proporcionan ejercicios para algunos de sus usos.
• Capítulo 3, Condensadores e Inductores. Aquí encontrará ejercicios que explican cómo funcionan estos componentes, cómo identificarlos y proyectos para hacer uso de ellos.
• Capítulo 4, Diodos. En este capítulo encontrará ejercicios que explican diodos y usos para diferentes tipos de diodos, incluyendo diodos Zener, fotodiodos y ledes.
• Capítulo 5, Transistores y Circuitos Integrados. Este capítulo contiene ejercicios fundamentales para el uso de transistores y guías para el uso de diferentes tipos de transistores en diferentes entornos. Además, se introducen los ICs (circuitos integrados), aunque encontrará también ejercicios individuales para los ICs dispersados a lo largo del libro.
• Capítulo 6, Interruptores y relés. La sección termina con un vistazo a estos componentes comunes que a menudo se pasan por alto.
La siguiente sección de capítulos examina cómo los componentes introducidos en la primera sección se pueden utilizar juntos en varios proyectos y cubren prácticamente cualquier proyecto electrónico que quiera diseñar.
• Capítulo 7, Fuentes de alimentación. Sea cual sea su proyecto, va a necesitar potencia. Encontrará aquí ejercicios tanto para los diseños de fuentes de alimentación tradicionales como para las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) y las fuentes de alimentación de alta tensión más exóticas.
• Capítulo 8, Pilas. Este capítulo contiene ejercicios para seleccionar baterías y también circuitos prácticos para cargar baterías (incluyendo baterías de LiPo) y respaldo automático de batería.
• Capítulo 9, Energía solar. En este capítulo encontrará ejercicios para ayudarle a potenciar sus proyectos utilizando paneles solares, incluyendo el suministro de energía solar a un Arduino y Raspberry Pi.
• Capítulo 10, Arduino y Raspberry Pi. La mayoría de los proyectos de makers ahora incluyen el uso de un elemento de cálculo como un Arduino o Raspberry Pi. Estas tablas se introducen junto con algunos ejercicios para controlar la electrónica externa.
• Capítulo 11, Cambio. Para no confundirlo con "interruptores", este capítulo ofrece ejercicios que le muestran cómo usar transistores, relés electromecánicos y relés de estado sólido para encender y apagar las cosas con un Arduino o un Raspberry Pi.
• Capítulo 12, Sensores. Este capítulo está repleto de ejercicios para muchos tipos de sensores y le muestra cómo usarlos con Arduino y Raspberry Pi.
• Capítulo 13, Motores. En este capítulo hay ejercicios para el uso de diferentes tipos de motores (DC, stepper y servo) con Arduino y Raspberry Pi. También hay ejercicios para controlar tanto la velocidad como la dirección de los motores.
• Capítulo 14, Ledes y pantallas. Además de proyectos para controlar el estándar ledes de un Arduino o Raspberry Pi, este capítulo también tiene ejercicios para usar ledes de alta potencia y varios tipos de pantallas, incluyendo pantallas gráficas OLED, tiras led direccionables (NeoPixels) y pantallas LCD.
• Capítulo 15, CIs digitales. Este capítulo contiene ejercicios para el uso de los circuitos integrados digitales, que siguen siendo útiles en sus proyectos a pesar de la llegada de los microcontroladores.
• Capítulo 16, Analógico. En este capítulo encontrará una colección de ejercicios útiles para varios diseños analógicos, desde el simple filtrado hasta una gama de diseños de oscilador y temporizador.
• Capítulo 17, Amplificadores operacionales. Para continuar con el tema analógico, este capítulo proporciona ejercicios para el uso de amplificadores op para diversas tareas.
• Capítulo 18, Audio. Aquí encontrarás ejercicios para hacer sonidos con un Arduino o Raspberry Pi, así como diseños de amplificador de potencia (analógicos y digitales) y amplificar la señal de un micrófono.
• Capítulo 19, Radiofrecuencia. Este capítulo contiene algunos ejercicios interesantes para los transmisores y receptores FM, así como para enviar datos de paquetes de un Arduino a otro.
La sección final del libro contiene ejercicios para la construcción y el uso de herramientas.
• Capítulo 20, Construcción. Este capítulo contiene ejercicios para la construcción de prototipos "sin soldar" y para hacer esos proyectos en una forma soldada más permanente. También proporciona proyectos para soldadura a través de orificios y dispositivos de montaje en superficie.
• Capítulo 21, Herramientas. El uso de fuentes de alimentación de banco, multímetros, osciloscopios y el uso de software de simulaciones se describen aquí en una serie de ejercicios.
El libro también incluye apéndices que enumeran todas las partes usadas en el libro junto con los proveedores útiles y proporcionan pinouts para los dispositivos incluyendo el Arduino y Raspberry Pi.
Hay muchos recursos disponibles para los entusiastas de la electrónica. Si está buscando ideas para proyectos, sitios como Hackaday e Instructables son una gran fuente de inspiración.
Podrá conseguir a menudo grandes consejos de gente experimentada y conocedora del tema en los foros siguientes.
No olvide buscar en el foro antes de hacer su pregunta, pues es posible que haya surgido antes (por lo general así es) y recuerde siempre explicar su pregunta con claridad, los "expertos" pueden ponerse impaciente con usted.
• http://forum.arduino.cc
• https://www.raspberrypi.org/forums
• http://www.eevblog.com/forum
• http://electronics.stackexchange.com
En este libro se utilizan las siguientes convenciones tipográficas:
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El material complementario (ejemplos de código, ejercicios, etc.) está disponible para descargar en https://github.com/simonmonk/electronics_cookbook.
Este libro está aquí para ayudarle a hacer su trabajo. En general, si se ofrece código de ejemplo con este libro, puede utilizarlo en sus programas y documentación. No necesita ponerse en contacto con nosotros para obtener ningún permiso a menos que esté reproduciendo una parte significativa del código. Por ejemplo, escribir un programa que utiliza varios fragmentos de código de este libro no necesita permiso. La venta o distribución de un CD-ROM de ejemplos de los libros de O’Reilly necesita permiso. Responder a una pregunta citando este libro y citando el código de ejemplo no requiere permiso. Incorporar una cantidad significativa de código de ejemplo desde este libro a la documentación de su producto requiere permiso.
Apreciamos, pero no pedimos, la atribución. Una atribución generalmente incluye el título, el autor, la edición y el ISBN. Por ejemplo: “Electronics Cookbook de Simon Monk (O’Reilly). Copyright 2017 Simon Monk, 978-1-491-95340-2.”
Gracias a Duncan Amos, David Whale y Mike Bassett por sus revisiones técnicas del libro y los muchos comentarios útiles que proporcionaron para ayudar a hacer de este libro lo que es.
También me gustaría agradecer a Afroman el permiso para usar su gran diseño de transmisor de FM y los chicos de Digi-Key por su ayuda en la compilación de códigos de piezas.
Como siempre, ha sido un placer trabajar con los profesionales de O'Reilly, en particular Jeff Bleiel, Heather Scherer, y por supuesto, Brian Jepson.
Aunque este libro está fundamentalmente orientado a la práctica, existen ciertos aspectos teóricos que resultan imposibles de obviar.
En concreto: conocer la relación que existe entre voltaje (tensión eléctrica), intensidad de la corriente (o corriente, a secas) y resistencia hará que nos resulte más fácil comprender otros conceptos.
Asimismo, la relación entre potencia, voltaje y corriente surge muy a menudo.
Entender exactamente qué significa corriente en el ámbito de la electrónica.
Como la propia palabra sugiere, el significado de corriente está muy próximo al de la corriente de un río. Podemos visualizar la intensidad de una corriente de agua en una tubería como la cantidad de agua que pasa por un punto de dicha tubería cada segundo. Esta cantidad de agua se puede, así, medir en litros por segundo.
En electrónica, la intensidad de la corriente, o solo corriente, es la cantidad de carga transportada por los electrones a su paso por un punto concreto de un conductor cada segundo (Figura 1-1). La unidad de corriente eléctrica es el amperio, cuyo símbolo es A.
Figura 1-1. Flujo de corriente por un conductor.
Para muchos circuitos, un amperio es una corriente muy grande, así que lo normal es ver la corriente expresada en milésimas de amperio o miliamperios (mA).
En el Apéndice D podemos encontrar una lista de unidades con sus símbolos correspondientes, por ejemplo mA. Para aprender más sobre la corriente eléctrica vea el Ejercicio 1.4.
Entender exactamente qué significa “corriente” en el ámbito de la electrónica.
En el Ejercicio 1.1 hemos visto que la corriente eléctrica es la medida del flujo de carga eléctrica a través de un conductor por unidad de tiempo. Pues bien, esa corriente eléctrica no fluirá sin recibir una influencia concreta. El agua en una tubería, por ejemplo, se vería influida por la gravedad para fluir desde un punto más alto hacia otro más bajo.
Para entender el voltaje, resulta útil visualizarlo como la diferencia de alturas en un sistema de tuberías que permite que fluya el agua. Al igual que la altura, es algo relativo: la altura de una tubería respecto al nivel del mar no determina la velocidad del flujo del agua a través suyo, pero la diferencia entre los extremos de la tubería sí lo hace (Figura 1-2).
Figura 1-2. Analogía del voltaje como diferencia de altura.
El voltaje podría referirse a la tensión eléctrica a través de un conductor, entre los dos extremos, pero en otras situaciones podría hacer referencia a la diferencia de tensión entre los dos terminales de una batería. El concepto básico es que para que el voltaje tenga sentido debe referirse a dos puntos diferentes. El voltaje más alto es el positivo y se marca con un signo más (+).
Es la diferencia de voltaje, o diferencia de potencial, lo que hace que fluya la corriente eléctrica a través de un conductor. Si no existe diferencia de voltaje entre uno y otro extremo de un conductor, no fluirá la corriente eléctrica.
La unidad de voltaje es el voltio (V). Una batería o pila AA presenta una diferencia de voltaje de 1,5 V entre sus polos. Un Arduino opera con un voltaje de 5 V, mientras que un Raspberry Pi utiliza uno de 3,3 V, si bien requiere una fuente de alimentación de 5 V que reducirá a 3,3 V.
En ocasiones parece que el voltaje se utiliza para referirse a un solo punto en un circuito electrónico, en lugar de a la diferencia de potencial entre dos puntos. En esos casos el voltaje significa la diferencia de potencial entre un punto del circuito y la tierra. La tierra (GND o ground, en inglés) es un voltaje local de referencia frente al que se miden todos los demás voltajes del circuito. Así pues, podríamos decir que tiene un valor de 0 V.
Para aprender más sobre voltajes vea el Ejercicio 1.5.
Deseamos comprender cómo el voltaje a través de un conductor controla el flujo de corriente a través de aquel.
Utilizaremos la ley de Ohm. La letra griega omega mayúscula (Ω) se utiliza como símbolo para la unidad de medida de la resistencia: el ohmio.
La ley de Ohm indica que el flujo de corriente por un conductor o componente electrónico (I) es igual al voltaje (V) o diferencia de potencial entre los extremos de dicho conductor o componente, dividido entre la resistencia (R) que este ofrece al paso de aquella. En otras palabras:
Si deseamos calcular el voltaje, podemos reformular la expresión como:
V = I × R
Por último, si conocemos la corriente, I, que fluye a través de una resistencia, R, con un voltaje V, calcularemos dicha resistencia con la expresión:
La resistencia es la capacidad que un material tiene de oponerse al paso de la corriente eléctrica. Un conductor debe presentar poca resistencia, porque generalmente no queremos que el flujo de electricidad encuentre dificultades a su paso por aquel. A mayor sección del conductor, menor será la resistencia que presenta para una misma longitud dada. Así pues, un hilo de unas pocas decenas de centímetros que conecte una batería a una bombilla, o más posiblemente a varios LED, en una linterna, tendría una resistencia de entre 0,1 y 1 Ω (ohmio). Mientras que la misma longitud de hilo de mayor sección utilizada, por ejemplo, para conectar un hervidor a un enchufe de CA (corriente alterna) presentaría una resistencia no superior a un par de miliohmios (mΩ).
Resulta muy común el deseo de limitar el flujo de corriente a través de parte de un circuito añadiendo componentes electrónicos llamados resistencias, cuyo efecto es precisamente oponerse al paso de la corriente.
La Figura 1-3 muestra una resistencia (línea en zigzag) e indica la corriente (I) que fluye a través de ella así como el voltaje (V).
Figura 1-3. Voltaje, intensidad de la corriente y resistencia.
Supongamos que vamos a conectar una batería de 1,5 V a una resistencia de 100 Ω como se muestra en la Figura 1-4.
Figura 1-4. Una batería y una resistencia.
Gracias a la ley de Ohm sabemos que la corriente es igual al voltaje dividido entre la resistencia del conductor o componente (a efectos prácticos podemos asumir que la resistencia de un cable o hilo conductor es igual a cero).
Así que, I = 1,5 / 100 = 0,015 A o 15 mA.
Para entender lo que ocurre con el flujo de corriente a través de resistencias y conductores en un circuito, vea el Ejercicio 1.4.
Para entender la relación entre corriente, voltaje y potencia vea el Ejercicio 1.6.
Averiguar el flujo de corriente por cualquier punto dado de un circuito.
Para ello utilizaremos la ley de Kirchhoff de la corriente.
En términos sencillos, la ley de la corriente de Kirchhoff establece que, en cualquier punto de un circuito, el flujo de corriente entrante debe ser igual al flujo de corriente que sale de dicho punto.
Por ejemplo, en la Figura 1-5 aparecen dos resistencias en paralelo alimentadas por un voltaje desde una batería (observe el símbolo para la batería a la izquierda de la Figura 1-5).
Figura 1-5. Resistencias en paralelo.
El punto X recibe un flujo de corriente I desde la batería. Sin embargo, de dicho punto salen dos ramas. Si las resistencias tienen el mismo valor, por cada rama fluirá la mitad de la corriente I que llegó al punto X.
En el punto Y, las dos rutas se vuelven a unir, así que las dos corrientes I/2 que fluyen a través del punto Y resultarán en la propia corriente I.
Para la ley de Kirchhoff del voltaje, vea el Ejercicio 1.5.
Para un análisis más profundo sobre las resistencias en paralelo, vea el Ejercicio 2.5.
Averiguar cómo se suman los voltajes en un circuito.
Para ello utilizaremos la ley de Kirchhoff del voltaje.
Esta ley establece que la suma total de los voltajes entre diferentes puntos de un circuito es igual a cero.
La Figura 1-6 muestra dos resistencias en serie con una batería. Asumimos que ambas resistencias tienen el mismo valor.
Figura 1-6. Resistencias en serie.
A primera vista no está clara la aplicación de la ley de Kirchhoff del voltaje hasta que reparamos en la polaridad del mismo. A la izquierda, la batería suministra V voltios, que es igual en magnitud, pero de sentido contrario (y por tanto de signo) a los dos voltajes V/2 que atraviesan cada resistencia.
Otra manera de verlo es reparar en que el voltaje V debe quedar equilibrado entre los dos voltajes V/2. Es decir: V = V/2 + V/2 o V – (V/2 + V/2) = 0.
Esta distribución de un par de resistencias se utiliza también para reducir los voltajes (vea el Ejercicio 2.6).
Para la ley de Kirchhoff de la corriente, vea el Ejercicio 1.4.
Entender exactamente qué significa potencia en el ámbito de la electrónica.
En electrónica, potencia es la ratio de conversión de energía eléctrica en otro tipo de energía, generalmente calor. Se mide en julios por segundo, magnitud que se conoce por watios (W).
Cuando conectamos una resistencia como en la Figura 1-4 del Ejercicio 1.3, dicha resistencia disipará la energía eléctrica en forma de calor, y si lo hace de forma significativa, se calentará mucho. Podemos calcular la cantidad de potencia convertida en calor usando la fórmula:
P = I x V
En otras palabras: la potencia en vatios es igual al voltaje que atraviesa la resistencia, en voltios, multiplicado por la intensidad de la corriente en amperios. En el ejemplo que podemos ver en la Figura 1-4, donde el voltaje que atraviesa la resistencia es de 1,5 V y el cálculo de la corriente nos da un valor de 15 mA, el calor disipado es igual a 1,5 V x 15 mA = 22,5 mW.
Si conocemos el voltaje que atraviesa una resistencia y el valor nominal de esta, podemos combinar la ley de Ohm con la expresión P = I x V y utilizar la fórmula:
Con V = 1,5 V y R de 100 Ω, la potencia es 1,5 V x 1,5 V / 100 Ω = 22,5 mW.
Para la ley de Ohm, vea el Ejercicio 1.3.
Conocer la diferencia entre corriente alterna (CA) y corriente continua (CC).
En todos los ejercicios que hemos visto hasta ahora se da por hecho que tratamos con CC. El voltaje es constante y, por lo general, la alimentación procede de una batería.
La CA es el tipo de corriente que obtenemos de los enchufes de la pared. Este tipo de corriente suele poseer un voltaje alto y peligroso, aunque es posible reducirlo a valores más bajos (vea el Ejercicio 3.9). Este voltaje oscila entre 220 y 240 V (en los Estados Unidos, su valor es de 110 V).
La característica alterna de la CA viene del hecho de que el flujo de corriente invierte su sentido múltiples veces por segundo. La Figura 1-7 muestra la variación de voltaje en un enchufe de pared típico (valores para los Estados Unidos).
Figura 1-7. La corriente alterna (CA).
Lo primero en lo que debemos reparar es que el voltaje adopta una forma de onda senoidal, que crece hasta superar los 150 V y, desde allí, disminuye hasta el entorno de -150 V, pasando obviamente por 0 V, y vuelta a empezar. En un ciclo completo, invierte 16,6 milésimas de segundo, aproximadamente (16,6 milisegundos o ms).
La relación entre el periodo de CA (tiempo que se tarda en realizar un ciclo completo) y la frecuencia de CA (número de ciclos completos por segundo) es:
La unidad de frecuencia es el hercio (Hz). Así, la CA de la Figura 1-7 tiene un periodo de 16,6 ms (0,0166 s) y una frecuencia de:
El lector podría estar preguntándose por qué el valor de CA de un enchufe se cifra en 110 V cuando realmente oscila en un rango de más de 300 V. La respuesta es que el valor 110 es el voltaje de CC equivalente que nos proporcionaría la misma potencia. Este valor se denomina voltaje RMS (Root Mean Square, raíz cuadrada media, o media cuadrática) y es el pico de voltaje dividido entre la raíz cuadrada de 2 (que vale aproximadamente 1,41). Por tanto, en el ejemplo anterior, el pico de voltaje está en 155 V, que dividido entre 1,41 da un resultado de unos 110 V RMS.
Podemos encontrar más información sobre el uso de la CA en el Capítulo 7.
Las resistencias se usan en prácticamente todos los circuitos electrónicos. Se presentan en una enorme variedad de formas y tamaños, y presentan valores nominales que van desde los miliohmios hasta varios millones de ohmios.
El ohmio, la unidad de resistencia, tiene por símbolo la letra griega omega mayúscula (Ω), aunque alguna vez es posible verla con la letra R. Por ejemplo, 100 Ω y 100 R se refieren a una resistencia de 100 ohmios.
Averiguar el valor nominal de una resistencia.
Cuando se trate de una resistencia para montaje de agujero pasante, es decir, una resistencia con patillas o conectores, que tenga bandas de colores impresas en su encapsulado, miraremos el código de colores.
Si nuestra resistencia tiene bandas en las mismas posiciones que la de la Figura 2-1, las tres bandas de la izquierda determinarán el valor de la resistencia, mientras que la banda separada a la derecha indicará la precisión de dicho valor.
Figura 2-1. Una resistencia con tres bandas de colores.
Cada color tiene el valor de la lista que podemos ver en la Tabla 2-1.
Tabla 2-1. Códigos de color de las resistencias.
Negro |
0 |
Marrón |
1 |
Rojo |
2 |
Naranja |
3 |
Amarillo |
4 |
Verde |
5 |
Azul |
6 |
Violeta |
7 |
Gris |
8 |
Blanco |
9 |
Dorado |
1/10 |
Plateado |
1/100 |
En una resistencia con tres bandas de colores como esta, las dos primeras bandas determinan el valor básico, por ejemplo 27 en la Figura 2-1, y la tercera, el número de ceros que se añadirán después. Siguiendo con el ejemplo de la Figura 2-1, el valor de la resistencia con las bandas roja, violeta (purple) y marrón es de 270 Ω. Hemos dicho que esta última banda indica el número de ceros, pero en realidad es un factor multiplicador, para ser exactos. Si su color fuera dorado, significaría ⅒ del valor de resistencia indicado por las dos primeras bandas. Así pues, una resistencia con bandas marrón, negra y dorada sería de 1 Ω.
La banda en sí misma indica también la tolerancia de la resistencia. La plateada (difícil de ver en la actualidad) indica ±10 %, la dorada, ±5 %, y la marrón, ±1 %.
Si nuestra resistencia muestra unas bandas de colores como las de la de la Figura 2-2, su valor nominal vendrá especificado con un dígito extra de precisión. En este caso, las tres primeras bandas indican el valor nominal de resistencia (en la Figura 2-2, 270) y la cuarta, los ceros que se añadirán (en este caso, 0). Por tanto, el valor nominal de esta resistencia también es de 270 Ω.
Figura 2-2. Una resistencia con cuatro bandas de colores.
Para las resistencias con valores bajos, la banda dorada se emplea como multiplicador con valor 0,1, y la plateada, con valor de 0,01. Una resistencia de 1 Ω con cuatro bandas presentaría los colores marrón, negro, negro y dorado. Es decir: 100 x 0,01.
Aunque diminutas, las resistencias SMT (Surface Mount Technology, tecnología de montaje en superficie) suelen llevar impreso su valor en la superficie del encapsulado. No obstante, emplean el mismo sistema de valor base seguido de un multiplicador. Así pues, una resistencia SMT de 270 Ω llevará impreso el número 2700, mientras que una de 1 Ω mostrará la cifra 1001.
Los condensadores con tecnología de agujero pasante muestran sus valores en la camisa del encapsulado de manera muy similar a las resistencias SMT (vea el Ejercicio 3.3).
Después de nuestros cálculos, llegamos a la conclusión de que necesitamos una resistencia de 239 Ω. ¿Cómo averiguar el valor estándar para una resistencia que podamos comprar?
Debemos adquirir una resistencia de la serie ±5 % E24.
Los valores básicos de la serie E24 son 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82 y 91, con tantos ceros después como necesitemos.
La serie ±1 % E96 incluye todos los valores base de la serie E24, pero con hasta cuatro veces más valores. Sin embargo, es muy raro necesitar esa precisión en el valor de una resistencia.
Si la función de la resistencia va a ser la de limitar la corriente que llegue a otro componente que podría verse dañado, por ejemplo a un LED (Ejercicio 4.4) o a la base de un transistor bipolar (Ejercicio 5.1), seleccionaremos el valor de resistencia más alto de la serie E24.
Por ejemplo, si los cálculos indican que la resistencia debería tener un valor de 239 Ω, optaremos por una de 240 Ω de la serie E24.
De hecho, no es necesario calcular y adquirir todos los valores concebibles de resistencia a medida que los vayamos necesitando, más teniendo en cuenta que suelen venir en paquetes de 100. Personalmente, suelo tener existencias de los valores siguientes: 10, 100, 270 y 470 Ω, así como de 1, 3,3, 4,7, 10 y 100 kΩ, y 1 MΩ.
Los detalles completos de todas las series de resistencias disponibles se encuentran en http://www.logwell.com/tech/components/resistor_values.html.
Deseamos comprender el funcionamiento de una resistencia variable.
Una resistencia variable, también llamada potenciómetro, está hecha con una pista resistiva y un deslizador que varía su posición a lo largo de dicha pista. Variando la posición del deslizador podemos variar la resistencia entre este y cualquiera de los dos terminales (polos) en los extremos de la pista. Los potenciómetros más comunes son los giratorios, como el mostrado en la Figura 2-3.
Figura 2-3. Un potenciómetro giratorio.
Los potenciómetros se presentan en una gran variedad de formas y tamaños. La Figura 2-4 muestra una selección de potenciómetros.
Figura 2-4. Potenciómetros.
Los dos potenciómetros de la izquierda en la Figura 2-4 se conocen como potenciómetros de ajuste, potenciómetros trimmer o trimpots. Estos dispositivos están diseñados para ajustarlos con un destornillador, o bien usando el diminuto tornillo con los dedos pulgar e índice.
El siguiente potenciómetro es un dispositivo estándar con una tuerca con un eje o husillo que permite su fijación en un agujero. El eje se puede cortar a la longitud necesaria antes de añadirle una tuerca o pomo para manejarlo.
En el centro de la Figura 2-4 aparece un potenciómetro doble, dual o dual-gang. En realidad se trata de la unión de dos potenciómetros con un eje común y se suele emplear en controles de volumen estéreo. Junto a él aparece un dispositivo similar que combina un potenciómetro con un interruptor. Por último, en el extremo derecho vemos un potenciómetro deslizante como el que podríamos ver, por ejemplo, en una mesa de mezclas.
Los potenciómetros están disponibles con pistas de dos tipos. Las pistas lineales presentan una variación de resistencia casi lineal en todo el rango del potenciómetro. Es decir, en el punto medio, la resistencia será la mitad del rango completo.
Los potenciómetros que incorporan una pista logarítmica incrementan la resistencia de acuerdo con una función del logaritmo de la posición del deslizador, en lugar de modo proporcional a la posición. Esto los hace más aptos como controles de volumen, ya que la percepción que el ser humano tiene del volumen del sonido es logarítmica. No obstante, a menos que estemos haciendo un control de volumen para un amplificador de audio, normalmente usaremos un potenciómetro lineal.
Para conectar un potenciómetro a un Arduino o Raspberry Pi, vea el Ejercicio 12.9.
Un potenciómetro se presta muy bien para actuar como divisor de voltaje variable (vea el Ejercicio 2.6).
Comprender la influencia global que tienen las resistencias en serie sobre la resistencia y el manejo de la potencia en un circuito.
La resistencia global de varias resistencias en serie no es más que la suma de cada una de las resistencias.
La Figura 2-5 muestra dos resistencias en serie. La corriente fluye primero por la primera resistencia y, luego, por la segunda. Como conjunto, las resistencias serán equivalentes a una sola resistencia de 200 ohmios.
Figura 2-5. Resistencias en serie.
La disipación de potencia en forma de calor de cada resistencia será:
Si usamos una sola resistencia de 200 Ω, la disipación de potencia sería:
De este modo, usando dos resistencias, podemos duplicar la potencia.
El lector podría preguntarse por qué usar dos resistencias en serie cuando podría usar solo una. La disipación de calor podría ser una razón si no encontramos resistencias con la potencia suficiente.
No obstante, hay otras situaciones, por ejemplo la mostrada en la Figura 2-6, donde usamos una resistencia variable (potenciómetro) junto con una resistencia fija para asegurarnos de que la resistencia total del conjunto no caiga por debajo del valor de la resistencia fija.
Figura 2-6. Un potenciómetro y una resistencia fija.
Las resistencias en serie se utilizan a menudo para construir un divisor de voltaje (vea el Ejercicio 2.6).
Comprender la influencia global que tienen las resistencias en paralelo sobre la resistencia y el manejo de la potencia en un circuito.
La resistencia global de varias resistencias en paralelo es igual al inverso de la suma de los valores inversos de las resistencias. Es decir, si tenemos dos resistencias, R1 y R2, dispuestas en paralelo, la resistencia global viene dada por la expresión:
En el ejemplo de la Figura 2-7, que muestra dos resistencias de 100 Ω en paralelo, el conjunto equivale a una sola resistencia de:
Intuitivamente vemos que tiene todo el sentido. Ahora contamos con dos rutas con la misma resistencia, en lugar de una como sería el caso con una única resistencia.
Figura 2-7. Resistencias en paralelo.
En la Figura 2-7, una sola resistencia de 50 Ω equivale a las dos de 100 Ω situadas en paralelo. Ahora bien, ¿cómo influye esto en las potencias nominales de las dos resistencias?
Intuitivamente, lo lógico es suponer que la disipación de potencia total de ambas resistencias de 100 Ω será la misma que en las dos de 50 Ω, pero haremos el cálculo para estar seguros.
Por cada resistencia de 100 Ω, la potencia será:
Así que el total de las dos resistencias será de 45 mW, lo que nos permite usar menos potencia y resistencias más comunes.
Como era de esperar, el cálculo para una sola resistencia de 50 Ω nos da:
Vea el Ejercicio 2.4 para las resistencias en serie.
Deseamos reducir un voltaje de CA o CC.
Utilizar dos resistencias en serie como divisor de voltaje (también llamado divisor de potencial). La palabra potencial indica que la presencia de un voltaje hace posible (potencial) la circulación de la corriente y, por tanto, la realización de trabajo.
La Figura 2-8 muestra un par de resistencias usadas como divisor de voltaje.
Figura 2-8. Un divisor de voltaje.
El voltaje de salida (Vout) será una fracción del voltaje de entrada (Vin) según la fórmula:
Por ejemplo, si R1 vale 270 Ω; R2, 470 Ω; y Vin, 5 V:
Observe que si R1 y R2 son iguales, el voltaje se divide entre 2.
Un potenciómetro resulta un divisor de potencial que podemos visualizar como dos resistencias, R1 y R2, en serie cuya resistencia total es la misma, pero cuyo valor relativo varía a medida que giramos el pomo. Este es precisamente el funcionamiento de un potenciómetro como control de volumen.
Resulta tentador pensar en un divisor de voltaje como mecanismo útil para reducir este en las fuentes de alimentación. Sin embargo, esto no es así porque, en cuanto tratamos de alimentar algo (enviarle carga eléctrica) a través de la salida del divisor de voltaje, es como si pusiéramos otra resistencia en paralelo a R2. Esto reduce efectivamente la resistencia de la mitad inferior del divisor de voltaje y, por tanto, mengua el voltaje de salida. Esto solo funcionará si las resistencias R1 y R2 son muy inferiores a la resistencia de la carga. Lo que las hace ideales para reducir los niveles de señal, pero no para circuitos de gran potencia.
Vea el Capítulo 7 para aprender diversas técnicas destinadas a reducir voltajes en las fuentes de alimentación. Para los cambios de nivel con un divisor de voltaje, vea el Ejercicio 10.17.
Deseamos conocer la potencia nominal o clasificación de potencia de una resistencia para evitar que se sobrecaliente y falle.
Calcular la potencia (Ejercicio 1.6) que nuestra resistencia disipará en forma de calor y seleccionar una resistencia con una potencia nominal lo bastante superior como para que funcione con seguridad.
Por ejemplo, si tenemos una resistencia de 10 Ω conectada directamente a los terminales de una batería de 1,5 V, la potencia que disipa en forma de calor se puede calcular del siguiente modo:
Esto significa que una resistencia estándar de ¼ W resultaría adecuada, pero que podríamos asegurarnos y dar el paso a una de ½ W.
La potencia nominal de las resistencias más usadas por los aficionados es de ¼ W (250 mW). Estas resistencias son lo bastante grandes como para que se puedan manejar cómodamente y sus patillas tienen un grosor suficiente como para hacer buenos contactos con la placa de pruebas (Ejercicio 20.1). Asimismo, son capaces de manejar cómodamente la potencia requerida en la mayoría de sus usos habituales, como limitar la corriente de los LED (Ejercicio 14.1) o actuar de divisores de voltaje con corrientes bajas (Ejercicio 2.6).
