Arduino. Guía práctica de fundamentos y simulación: Robótica

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FUNDAMENTOS DE LA ELECTRICIDAD Y LA ELECTRÓNICA

1.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se presentan y resumen los diferentes conceptos de electricidad y electrónica analógica y digital sobre los que se apoya cualquier circuito eléctrico o electrónico, pero, en este caso, orientados al entendimiento de la placa Arduino y su hardware para una utilización más profunda de este completo dispositivo.

1.2 DE LOS SISTEMAS A LOS COMPONENTES Y DE LOS COMPONENTES A LOS SISTEMAS

Un circuito eléctrico o electrónico determinado se puede representar mediante un bloque en el que la circuitería interna quede oculta. De esta forma, el interés se centraría en el circuito como bloque o sistema y en su comunicación con el exterior (o en su comportamiento respecto a la tensión o intensidad de corriente que recibe e emite).

Como ejemplo de sistema puede ser la UCP o, más conocido, CPU (Central Processing Unit – Unidad de Proceso Central) de un ordenador, en cuyo interior aparece toda la circuitería necesaria para operar según su diseño de desarrollo. Como salidas o entradas se puede encontrar puertos USB (Universal Serial Bus – Puerto Serie Universal) para dispositivos externos, ratón o teclado, así como diferentes conectores para la conexión de altavoces o micrófonos, impresoras, monitor, etc.

A su vez, la placa madre interna sería un subsistema dentro de este sistema, y el microprocesador constituiría una parte de este subsistema de la CPU. Dependiendo del enfoque que adoptemos, también podríamos considerar al microprocesador como sistema dotado de una serie de entradas y salidas, o pines, que interactúan con el medio y procesan información, que a su vez es devuelta para, según su programación, obtener un resultado determinado.

La fuente de alimentación para una CPU puede ser considerada otro sistema o bloque que forma parte del ordenador con el fin de adaptar la señal de tensión de los 230 V (voltios) recibidos a los 3 o 12 V que realmente se necesitan. Los elementos de que se compone una fuente de alimentación son componentes más simples, que unidos ofrecen este resultado de adaptación.

Es interesante llegar al conocimiento de los diversos componentes comprendiendo antes que existen y conviven dentro de un sistema determinado que trabaja para un resultado común, como puede ser esta fuente de alimentación. Una vez se escoge el sistema que se va a estudiar, éste se puede desglosar en subsistemas, hasta llegar al componente electrónico más simple conocido comercialmente, y, a su vez, integrarlos o unirlos de diferentes formas para llegar a obtener un nuevo sistema u otro diferente con distintas aplicaciones.

Los circuitos eléctricos o electrónicos son tratados a veces como bloques, en los que todo el circuito se representa como un rectángulo, y sólo se representan de forma explícita los terminales accesibles exteriormente. Por ejemplo, en la Figura 1.1 se utilizan las siglas C.E. para indicar que es un circuito eléctrico genérico; C.P. para indicar específicamente que se trata de un circuito pasivo, o C.A. si se quiere hacer con uno activo.

El C.E. puede tratarse de un circuito eléctrico amplificador para un altavoz. En el caso del C.P. puede tratarse de una simple resistencia, condensador o bobina, es decir, no hay ningún elemento activo o generador. En un C.A. se encuentran elementos generadores, así como diferentes tipos de componentes semiconductores, como diodos y transistores.

Figura 1.1. Diagrama de bloques de un a) circuito eléctrico genérico, b) circuito activo y c) circuito pasivo

Tabla 1.1. Clasificación general de bloques componentes de Sistemas Electrónicos

1.3 FUNDAMENTOS DE LA TEORÍA DE CIRCUITOS

Se plantean los conceptos generales de electrónica y electricidad que se emplean a lo largo del libro, así como su aplicación directa en la utilización del sistema Arduino y su simulación.

1.3.1 Conceptos generales sobre la electricidad, tensión, intensidad y potencia

La electricidad se puede definir como un fenómeno físico originado por las fuerzas de interacción entre partículas subatómicas. La palabra electricidad tiene su origen etimológico en el término griego elektron, que puede traducirse como ‘ámbar’.

La electricidad puede ser manifestada de diferentes formas. Entendida como el paso de los electrones (o la corriente) por un cable o conductor, se obtendría la expresión más utilizada: la corriente eléctrica.

La corriente eléctrica está definida por convenio en sentido contrario al movimiento de los electrones. También se define el sentido de la corriente como el movimiento de electrones que tiene lugar desde los puntos de tensión más altos a los más bajos (Figura 1.2).

Figura 1.2. Ejemplo de corriente eléctrica sobre un conductor

Según el tipo de material por el que circule la corriente eléctrica, éstos pueden ser clasificados como materiales aislantes, en el caso del plástico o la madera. Como le ocurre a los átomos que los forman, es más difícil extraerles electrones de su última capa (los más alejados del núcleo); por tanto, no son susceptibles de que éstos fluyan por el material ante la aparición de una diferencia de la tensión o voltaje entre dos extremos. En el caso de los materiales semiconductores (germanio, silicio), al comunicarle energía se pueden obtener algunos de los electrones de su última capa, por lo que es posible generar un flujo determinado con una serie de aplicaciones interesantes en materia de amplificación o en puertas lógicas digitales. Por último están los materiales conductores, como los metales, en los que es muy fácil extraer electrones de su última capa y, por tanto, hacerlos fluir por el material al aplicarle una diferencia de tensión.

La tensión dentro del campo de la electricidad, también llamada voltaje (o diferencia de potencial), denominada frecuentemente por U o V, hace referencia a la magnitud que permite indicar la diferencia existente en el potencial eléctrico que se registra entre dos puntos separados de un material o un conductor, siendo el potencial eléctrico en un punto el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica para mover una carga positiva desde el punto de referencia hasta el punto indicado o de medida. El potencial eléctrico de un punto determinado P1 a un punto P2 sería el trabajo necesario para mover una carga unitaria desde P1 a P2. Los voltios son las unidades que se emplean para expresar el potencial eléctrico.

La intensidad de corriente eléctrica, denominada normalmente por I, es la cantidad de electricidad o carga eléctrica, Q, que circula por un circuito en la unidad de tiempo. Su unidad es el amperio (A).

La intensidad de corriente eléctrica, al igual que la tensión eléctrica, puede ser continua o alterna (Figuras 1.3 y 1.4).

Figura 1.3. Ejemplo de tensión continua a 12 V

Figura 1.4. Ejemplo de tensión alterna de amplitud 12 V

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía por un material por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio: W (Watt).

La potencia eléctrica en corriente continua se puede obtener multiplicando la tensión por la corriente:

De esta forma, si tenemos un aparato que consume una potencia de 230 W alimentado con una tensión de 230 V, tendríamos un consumo de intensidad eléctrica de 1 A.

1.3.2 Dipolos y cuadripolos

Un dipolo es un circuito eléctrico con un terminal de entrada y un terminal de salida, donde se cumplirá que la corriente en el terminal de entrada es idéntica a la corriente en el terminal de salida. Se representa como un bloque con dos únicos terminales, que serán su única vía de comunicación con el exterior. Si conectamos a una tensión (por ejemplo, un enchufe) un aparato que supone una resistencia R, la intensidad que entra por uno de los dos cables será igual a la que sale por el otro de vuelta. De esta forma, tenemos un dipolo.

Figura 1.5. Bloque de un dipolo genérico

Un cuadripolo es un circuito eléctrico que presenta cuatro terminales: dos en un puerto de entrada y dos en un puerto de salida. La palabra puerto implica que cada uno de ellos se conecta a un dipolo, con lo que la corriente que entra por uno de los terminales sale por el otro. Un transformador de corriente podría representarse como un cuadripolo, donde la tensión e intensidad que entran por un lado se transforman en otra a la salida del mismo.

Figura 1.6. Bloque de un cuadripolo genérico

1.3.3 Generadores de tensión y corriente

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes), transformando un tipo de energía (normalmente, energía mecánica) en eléctrica.

Existen varios tipos de energía de partida, o dónde se transforma un acto o movimiento creado por un sistema determinado en una diferencia de potencial entre los dos polos a la salida, siendo posible conectar un circuito para la utilización de esa energía eléctrica mediante el empuje que recibe del paso de los electrones por sus conductores, cables o elementos de los que se compone. Esta energía de partida puede ser iniciada desde una transformación química, nuclear, electromagnética, térmica, nuclear o solar.

Figura 1.7. Ejemplos de símbolos para las fuentes de tensión: a) y b) fuente de tensión continua; c) y d) fuente de tensión alterna

Existen dos tipos de generadores principales ideales: los generadores de tensión e intensidad. El generador de voltaje o tensión ideal mantiene un voltaje fijo entre sus polos, con independencia de la resistencia de la carga que esté alimentando. Esto mismo sucede con el generador ideal de intensidad que mantiene ésta a pesar de la carga (o resistencia) que esté conectada a él.

A continuación, se muestra la curva característica de una fuente de tensión ideal (Figura 1.8). La tensión aquí se mantendría independientemente del consumo, aunque esto no ocurriría en aparatos reales.

Figura 1.8. Curva característica de una fuente de tensión ideal continua

Hay muchos tipos de generadores de señal (intensidad o corriente), que pueden ofrecer diferentes configuraciones según las necesidades que se tengan. Como ejemplo, existen generadores de onda cuadrada y triangular (Figura 1.9), donde T, que es la inversa de la frecuencia, es el período de la señal que mide el tiempo que tarda en terminar un ciclo de la onda cuando ésta es repetitiva. También son muy frecuentes los generadores senoidales, habituales en generación eléctrica con alternador (esta señal alterna es la forma en la que llega la tensión a las viviendas).

Figura 1.9. Ejemplo de: a) generador de onda cuadrada;

b) generador de onda triangular

Figura 1.10. Fuente de tensión senoidal o alterna

1.3.4 Componentes eléctricos, resistencia (pull-up y pull-down), capacidad e inductancia

Dentro de los diferentes componentes eléctricos existentes, en esta sección se presentan los componentes pasivos resistencia, condensador y bobina, que son los componentes, o sus comportamientos físicos, más frecuentes en el campo de la electricidad.

Podemos definir la resistencia como aquel componente que opone cierta dificultad al paso de la corriente eléctrica; es decir, ofrece resistencia a dejarse atravesar por la corriente, pudiendo generar una polarización de carga o limitar la tensión. Las resistencias son los elementos que más abundan en los circuitos electrónicos (Figura 1.11, donde i representa el valor de la intensidad y R, el de la resistencia).

Figura 1.11. Resistencia: símbolo, referencias de tensión y corriente,y curva característica

Las resistencias pueden ser bobinadas (con hilos metálicos bobinados sobre núcleos cerámicos) o no bobinadas (el material resistivo, carbón o una película metálica, por ejemplo, se integra en el cuerpo del componente). Las resistencias se suelen representar con la letra R y se miden en ohmnios (Ω).

Figura 1.12. Imagen de una resistencia real

Los circuitos electrónicos, sistemas digitales, micros, etc., así como Arduino, disponen de componentes que funcionan en dos estados principalmente: High o Low, Alto o Bajo, o también 1 o 0, respectivamente. En estos circuitos es posible que, debido a diferentes factores como el ruido eléctrico o variaciones en la fuente de alimentación, el valor descienda a un rango indefinido y no sea posible determinar si el estado es 1 o 0. Para solucionarlo, se utilizan las resistencias pull-down y pull-up. En realidad, son resistencias normales, pero llevan este nombre por la misión que cumplen. Una resistencia pull-up/pull-down está forzando todo el tiempo a que una entrada permanezca en un estado deseado: alto si está como pull-up, o bajo si está como pull-down.

Figura 1.13. Configuración de una resistencia pull-down y pull-up

Un condensador es un dipolo pasivo que almacena temporalmente la energía eléctrica en un campo eléctrico. El condensador es la carga existente en el material dividido por su diferencia de potencial:

donde C es constante y se conoce como capacidad o capacitancia, V1-V2 la diferencia de potencial entre la placa 1 y 2 del condensador. De esta ecuación se deduce que la tensión en bornes del condensador es una función continua, ya que de otro modo su derivada no estaría definida en los puntos de discontinuidad. Por lo tanto, en bornes de un condensador no puede haber variaciones bruscas de tensión, independientemente del circuito al que se encuentre conectado.

Figura 1.14. Símbolo y referencias de tensión y corriente de un condensador

Si disponemos de un