Introducción a la electrónica Leave a comment

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electronicaEmpiezo primero pidiendo disculpas al lector, dado que tanto sea de perfil técnico o aprendiz conozco de sobra lo que la física y las matemáticas dificultan a veces esta disciplina de programar sistemas electrónicos, comunicaciones y ordenadores. Intentaré explicar en forma llana y sencilla, los principios básicos que se esconden detrás de un circuito, un sensor o nuestro sistema Arduino, viendo una introducción a la electrónica.

¿Qué es medir? ¿Por qué es tan importante?

Bueno, la primera pregunta, es inicialmente la que se formula cualquier persona iniciada en las ciencias exactas, ¿qué es medir?

Todo lo que nos rodea tiene unos parámetros que podemos observar y cuantificar, es decir, podemos saber cuanto tiene de esa característica que estamos observando. Por ejemplo, estamos viendo una persona y podemos decir que es mas alta que aquella otra.

Si os dais cuenta, en el ejemplo, lo he puesto como una comparación. El medir una característica es compararla con otra. Si esa otra la definimos como universal, obtenemos la unidad de medida estándar que define esa magnitud. En el caso anterior, podemos compararla con el patrón universal de distancia (es una barra de platino-iridio situada en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en París), y decir, es tantas veces igual a dicho patrón. En el ejemplo anterior, es igual a decir que una persona mide 1,82 metros, es decir, mide como 1 barra más 0.82 partes de dicha barra.

Esto es importante porque a nosotros nos sirve para poder basarnos en algo solido y poder definir como va a evolucionar un sistema. Por lo tanto podemos ver como crece una persona a lo largo de su vida y ver una relación entre la edad y la altura. En esencia es lo que cualquier físico intenta realizar en su trabajo, medir y predecir como evoluciona un sistema.

En nuestro caso, el Arduino es perfecto para poder medir y ver como se comporta el entorno y obtener mediciones de varias variables, como la temperatura, presión atmosférica, inclinación, posición en el eje magnético (rumbo), etc…

Electricidad y electrónica

Al medir lo que nos rodea, también nos preguntamos, ¿de qué esta formado todo lo que nos rodea?. Esta pregunta, hoy en día, no tiene una solución sencilla. En física, a lo largo de los siglos han aparecido varias teorías sobre la composición de lo que nos rodea. La primera de ella, y que se retomó muchos siglos después, aparece en la Grecia clásica de mano de Demócrito, quien dijo, que “si tomamos un trozo de materia y lo dividiéramos en trozos más pequeños, llegaríamos a un trozo que no se puede dividir más”, al cual lo llamó Átomo (parte indivisible).

La evolución de este pensamiento, nos ha llevado a varias teorías, siendo la más reciente la teoría cuántica. Si alguien esta interesado en profundizar os dejo el enlace a la cronología y evolución del modelo atómico, y los diferentes modelos atómicos de la historia.

Uno de los modelos atómicos, el de Rutherford, describe el átomo como pequeñas partículas con carga eléctrica que se mueven (electrones) alrededor de un núcleo con carga opuesta a los electrones.

Este modelo nos permite definir la electricidad, es decir, una fuerza que ocurre entre dos partículas por una propiedad que es la carga eléctrica. ¿Pero qué es la carga eléctrica?, como he dicho antes, es una magnitud que podemos ver en las partículas que hacen que entre ellas se atraigan o se repelan. (Aunque, profundizando más, es difícil dar con una explicación coherente, y si al lector le he despertado la curiosidad por profundizar más en el tema, os invito  al apasionante mundo de la física, donde cada descubrimiento nos abre mas preguntas).

Pues bien, si tomamos el electrón como carga negativa y al núcleo carga positiva, tenemos dos propiedades totalmente opuestas. Se observa también, que dos partículas de la misma carga se repelen y partículas de distinta carga se atraen. Esto nos da un estudio fundamental de la electricidad,  de ver cómo se atraen o se repelen esas partículas. Esto produce los fenómenos tan visibles como el rayo, la electricidad estática, etc… Os recomiendo esta entrada de la wikipedia para poder profundizar.

Pero también se observa que en ciertos materiales las partículas cargadas los recorren en un sentido dado y que los recorren con mayor o menor intensidad dependiendo del material. Esto es el principio básico de la electrónica, que nos permite crear circuitos y como no, crear toda la tecnología que nos rodea.

Para entender mejor como funciona la electrónica, vamos a suponer que tenemos un estanque a una cierta altura lleno de agua. Dicho estanque está conectado a una red de tuberías, de distinto grosor, que llevan el contenido del primer estanque a un segundo estanque, el cual, se encuentra a una altura menor que el primero. Además, del segundo estanque al primero hay una pequeña bomba capaz de subir el agua, para que pueda volver a caer.

Pues bien, si el lector tiene en mente lo que he descrito anteriormente tiene una cierta idea de como funciona un circuito electrónico. Básicamente el primer estanque, sería el polo positivo de, por ejemplo, una pila. Las tuberías serían los distintos componentes que componen el circuito (resistencias, pistas, condensadores,etc…). El último estanque sería el polo negativo de nuestra pila y la bomba sería en si la pila.

También podemos hacer analogías con las magnitudes para estudiar el circuito, así por ejemplo, el voltaje es análogo a la altura entre ambos estanques, la intensidad en cada parte del circuito es igual al caudal que existe en cada tubería y por último, la resistencia es similar al grosor de la tubería (si este es menor, dificulta el paso del agua).

Pues lo definido anteriormente son las bases de la ingeniería electrónica. Nos centramos ahora para definir unas pequeñas leyes que nos servirán a la hora de entender un circuito.

Ley de Ohm

En la analogía anterior, hemos descrito tres propiedades que tiene que tener un circuito para que funcione, y son las siguientes

  • Voltaje: Para el caso del estanque y las tuberías, hemos dicho, que el estanque inicial tiene que estar a una altura del final. Pues bien, para que un circuito funcione, el polo positivo tiene que tener muchas más carga negativa (electrones) que el polo negativo. Esto lo que hace, es que haya una diferencia de potencial, que hace que los electrones vayan del polo positivo al negativo para intentar igualar la carga en ambos polos. A esto se le llama Voltaje.
  • Intensidad: En el caso del estanque el agua tendrá una mayor velocidad o caudal si mayor es la altura. En el caso del circuito, tendremos que para una sección del circuito pasarán más o menos cargas dependiendo del voltaje. A la cantidad de carga que pasa por un punto le llamaremos intensidad.
  • Resistencia: Si os dais cuenta, cuando he descrito el modelo del estanque he dicho que habían tuberías de diferente grosor. Esto lo que hace es que el agua se frene más (baje su intensidad) si la tubería es más estrecha y vaya más rápido si la tubería es más grande (suba la intensidad). En un circuito pasa algo similar, el paso de las cargas a través de materiales se dificulta dependiendo de la resistencia que tenga este material al paso de cargas.

Inevitablemente, al definir estas propiedades, se hace referencia a las otras. Pues esto es porque todas ellas están relacionadas y todas las magnitudes dependen de las otras, ¿cómo?, por la ley de Ohm. Esta ley nos dice que el voltaje de una sección del circuito depende de la intensidad de carga que hay en dicha sección y de la resistencia que ofrezca el material de dicha sección. Se relaciona mediante esta formula:

Voltaje = Resistencia x Intensidad

Esta relación la usaremos muy a menudo en circuitos electrónicos.

Leyes de Kirchhoff

En el caso del estanque, digamos que tenemos una cantidad inicial de agua en el estanque, que tiene que llegar al estanque final. Esto nos define, que en el tiempo, la cantidad de agua no varia en todo el circuito del estanque es decir, la cantidad de agua es constante.

En un circuito electrónico lo que tenemos constante es la cantidad de carga (electrones) que tenemos inicialmente. Esto lo que hace es que la corriente en el circuito tenga unas propiedades muy básicas.

Ley de los nodos

Supongamos en el caso del estanque tenemos una tubería que se ramifica en dos tuberías más, una mas fina y otra más gruesa. La fuerza con la que nos llega el agua, el caudal, será mas pequeño en la fina y más grande en la gruesa, la suma de ambos caudales será la de la tubería inicial, la suma de caudales que llegan a un punto, si tomamos como negativos los que nos llegan, y como positivos los que salen, es 0. No hay perdida de caudal.

Pues bien, en un circuito existe una ley similar que dice que en cualquier nodo, la suma de intensidades que llegan y salen del nodo (de todos los circuitos que están conectados) es 0.

Ley de las mayas o lazos

Al definir el estanque hemos dicho que el estanque inicial tiene que estar a una altura y el final a otra. Pues bien, si ponemos como altura 0 la media entre alturas de estos estanques, tenemos que el estanque inicial tiene una altura positiva y el estanque final tiene una altura negativa,el agua irá del positivo al negativo. Sumando ambas alturas nos da el valor 0 de altura, sea cual sea el circuito cerrado (si esto no ocurre, el agua no correrá o caerá a otro sitio).

Pues en los circuitos pasa algo similar, es decir, en cualquier circuito cerrado o subcircuito, la suma de voltajes en todos sus nodos tienen que ser igual a 0, no hay nodo que no cumpla esto, sino el circuito no funcionaría, esto quiere decir que la carga ha encontrado un camino diferente y se esta perdiendo.


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