En este segundo artículo de la serie «Iniciación a la microbótica» presentamos los fundamentos básicos de electrónica que son necesarios conocer para poder emprender pequeños proyectos con placas para proyectos como Arduino, Raspberry o micro:bit. Para ello vemos qué es la electricidad, sus tipos, y las magnitudes básicas empleadas tales como la tensión, la intensidad y la resistencia.

Si no has leído el primer artículo de la serie puedes visitarlo en el siguiente enlace: Microbótica

¿Qué es la electricidad?

Se define electricidad a un flujo de electrones que se desplaza a lo largo de un material conductor como por ejemplo un hilo de cobre o semejante.

Este flujo de electrones es inducido por una diferencia de carga entre los átomos.

VIDEO TUTORIAL INICIACIÓN A LA MICROBÓTICA 2

Profesor Ángel Aguinaga Master de Programación CIPSA Bilbao

Concepto de Carga

Los átomos son los elementos básicos de los que se compone la materia, y se componen de una serie de partículas elementales básicas:

El núcleo del átomo está compuesto por neutrones y protones. Los protones son partículas cargadas positivamente mientras que los neutrones no tienen carga y sirven de acople para mantener los protones juntos dentro del núcleo. Los electrones por su lado son partículas cargadas negativamente que se encuentran orbitando el átomo, y que tienen además la capacidad de “saltar” de un átomo a otro en las circunstancias adecuadas.

Los electrones se desplazan entre átomos con diferentes cargas.

• Un átomo está cargado positivamente cuando tiene menos electrones que protones.
• Un átomo está cargado negativamente cuando tiene más electrones que protones.

Los átomos cargados negativamente tienden a perder electrones los cuales se desplazan hacia los átomos cargados positivamente que los atraen. Este flujo de electrones a través de un material conductor como un cable de cobre conforma lo que denominamos electricidad.

Concepto de Dipolo.

Un dipolo es un componente eléctrico que dispone de dos extremos en los cuales los átomos están cargados positiva y negativamente. Un dipolo clásico es una pila.

Cuando los polos de una pila se conectan a un circuito, los átomos tienden a recorrerlo saliendo desde el polo negativo (cátodo) hacia el polo positivo (ánodo):

Típicamente se asigna el color rojo para el ánodo (+) y el negro para el cátodo (-).

(*) Tradicionalmente, la electricidad se explicaba mediante la analogía del flujo de agua que cae desde una altura alta (+) a una baja (-), por lo que se daba a entender que la electricidad fluía del polo positivo al polo negativo también llamado Tierra. A nivel teórico es válido, pero a nivel físico es justamente al revés.

Entre los dipolos se diferencia entre pilas y baterías.

• Las pilas almacenan carga en sus extremos la cual permanece constante en el tiempo si la pila no se emplea durante años.
• Las baterías almacenan igualmente una carga en sus extremos, pero a diferencia de las pilas tienden a descargarse paulatinamente, aunque no se empleen.

Tipos de flujo eléctrico

Existen dos tipos de corrientes o flujos eléctricos que se han venido usando desde los inicios del descubrimiento de la electricidad: la corriente continua y alterna.

• La corriente continua (DC) es aquella en el que los electrones fluyen siempre en el mismo sentido. Este es el tipo de corriente propio de las pilas, baterías…, etc. Es también el tipo de electricidad que se emplea en los circuitos digitales empleados en microbots.

• La corriente alterna (AC) es aquella en la que los electrones cambian de sentido continuamente. Este tipo de corriente es la generada por los generadores eléctricos y grupos electrógenos y es la que se emplea en las instalaciones domésticas e industriales ya que es más fácil de distribuir a largas distancias que la corriente continua.

Existen componentes que permiten convertir la electricidad alterna de un enchufe (AC) en electricidad continua para recargar baterías o alimentar placas de prueba como Arduino…, etc.

Magnitudes eléctricas básicas

Existen tres magnitudes eléctricas básicas que es necesario comprender para entender el funcionamiento de un circuito eléctrico simple. Estas son:

Tensión

Su unidad de medida es el Voltio (V).

Indica la diferencia de carga (también llamada diferencia de potencial) entre los extremos de un componente o dipolo. Cuando mayor es la tensión mayor es la fuerza con la que los electrones intentan desplazarse. En función del tipo de pilas, su composición, y si son recargables podemos encontrar diferentes voltajes:

La tensión de la instalación doméstica es de 220V y en entornos industriales se emplean 400V.

Las altas tensiones pueden resultar extremadamente peligrosas, e incluso provocar descargas a través del aire dando lugar a ‘arcos’. En estas situaciones debe extremarse las precauciones para evitar percances.

Intensidad

Su unidad de medida es el Amperio (A).

Indica la cantidad de electrones que fluyen a través de un hilo en un determinado instante. Cuando mayor es la intensidad mayor es la cantidad de corriente fluyendo. Los componentes consumen el flujo eléctrico para realizar su tarea, mientras que las baterías entregan ese flujo eléctrico provocando su descarga.

Las capacidad de una pila o batería suele expresarse en amperios o miliamperios hora ( mAh ). Esto permite calcular el tiempo que tardará en descargarse en función del consumo al que sea sometida.

Resistencia

Su unidad de medida es el Ohmio (Ω)

Indica la oposición de un material al flujo de electrones. En función de ello los materiales se distinguen en dos categorías:

• Conductores -> Aquellos con baja resistencia aptos conducir la electricidad, tales como por ejemplo el cobre que se emplea en las placas de circuitos y los hilos conductores.

• Aislantes -> Aquellos con alta resistencia aptos para aislar la electricidad, tales como el plástico o la goma que se emplea para recubrir los hilos.

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Ley De Ohm

Las tres magnitudes básicas de la electricidad ( tensión, intensidad y resistencia ) están físicamente relacionadas. Esta relación puede calcularse empleando la ecuación de la conocida como Ley de Ohm.

Esta ecuación tiene tres posibles formas que permite calcular cada una de las tres magnitudes a partir de las otras dos:

Concepto de Circuito y aprovechamiento eléctrico.

Se entiende un circuito como un conjunto de componentes eléctricos conectados a través de uno o varios hilos conductores que se conectan a un dipolo que provoca un flujo de electrones a través del conductor.

Los diferentes componentes eléctricos conectados al circuito pueden convertir el flujo de electrones que corre a través de ellos en otras formas de energía:

• Luz -> Diodos Led, Bombillas.
• Calor -> Resistencias, calefactores.
• Movimiento -> Motores eléctricos
• Sonido -> Altavoces

Adicionalmente se emplean interruptores y relés para abrir y cerrar el circuito para controlar el funcionamiento de los componentes conectados.

Cortocircuito

Se denomina cortocircuito a la situación en la que accidentalmente el flujo eléctrico va de un polo a otro de un dipolo sin resistencia eléctrica. Esto supone que todos los electrones posibles pueden fluir directamente de un extremo al otro provocando una subida de la intensidad.

Esto sucede si se interconectan directamente los extremos de una pila o batería, y según ecuación de la ley de Ohm:

Si la resistencia total de un circuito eléctrico es próxima a 0, la intensidad tenderá a ser infinita provocando:

• Fundido de los hilos conductores
• Daño permanente de la pila/batería (posible incendio).

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Alimentando un diodo Led.

Los diodos led son dispositivos que convierten al flujo eléctrico en luz de diferentes colores. Son además componentes que tienen una polaridad, es decir; que deben conectarse de manera que el flujo de electrones los atraviese en una dirección determinada para que funcionen correctamente:

Estos componentes cuentan con dos conectores, uno más largo que el otro. El conector largo es el ánodo y debe conectarse al ánodo del dipolo (+). El otro conector es el cátodo que debe conectarse respectivamente al cátodo del dipolo (-)

Estos tienen unas especificaciones que determinan la tensión e intensidad a la que funcionan.

El consumo promedio de un Led de 20mA ( 0.02 Amperios ).

Para activar un Led debemos emplear una pila o batería, y adaptar su tensión a la soportada por el componente para evitar dañarlo. Si empleamos por ejemplo una pila de 9V y la conectamos directamente al componente al Led probablemente lo dañemos.

Para evitar esta situación debemos añadir una resistencia al circuito que nos permita reducir la tensión de los 9V suministrados por la pila, a los 1.8V soportados por el Led.

Las resistencias son componentes que añaden una determinada cantidad de resistencia medida en Ohmios a un circuito permitiendo, entre otras cosas, modificar la tensión eléctrica que llega a un determinado componente:

Las resistencias pueden conectarse de cualquier modo funcionando independientemente del sentido del flujo eléctrico. La cantidad Ohmios ofrecidos por cada resistencia se identifica mediante unas bandas impresas con unos determinados códigos de colores:

Para activar el Led debemos intercalar la resistencia en el circuito, pero antes debemos calcular su valor. Para ello aplicamos la siguiente ecuación basada en la Ley de Ohm:

Tal que:

• Vs -> Es la tensión suministrada por la pila o batería empleada.
• Vf  -> Es la tensión soportada por el Led
• If  -> Es la intensidad que consume el Led.
• R -> Es la resistencia en Ohmios necesaria para reducir la tensión de salida de la pila (Vs) hasta la necesaria por el Led (Vf).

Aplicando los valores a nuestro circuito obtenemos los siguientes resultados:

• Tensión de salida (Vs): 9 V
• Intensidad (If): 20mA = 0.02 A
• Tensión requerida (Vf): 1.8 V
• Reducción de tensión (Vs-Vf): 9 V – 1.8 V = 7.2 V

Ley de Ohm:

R = 7.2 V / 0.02 A = 360 Ω

De modo que el circuito implementado empleando TinkerCad queda del siguiente modo:

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Enlaces de interés:

TinkerCad: https://www.tinkercad.com/dashboard

Tipos de Pilas y baterías: https://actitudecologica.com/tipos-de-pilas/

Ley de Ohm: https://www.fluke.com/es-es/informacion/blog/electrica/que-es-la-ley-de-ohm

Calculadora resistencia Led: https://www.inventable.eu/paginas/LedResCalculatorSp/LedResCalculatorSp.html