En este artículo comenzamos oficialmente con el estudio de las reglas generales y trucos que dan forma a la electrónica tal como la veremos como entusiastas, hobistas, makers... Nos enfocaremos en comprender los principios básicos, sin perder el rigor cientifico, pero sin complicarnos demasiado. Es necesario en estos articulos iniciales hablar de voltaje, corriente, potencia y los componentes que conforman los circuitos. Pero, lo más importante es que lo haremos de forma práctica, tendremos una serie de proyectos (los que llamaremos "Proyectos de Domingo") que los lectores podrán hacer durante su tiempo libre en los fines de semana. Y lo mejor es que encontrarán todo lo necesario en nuestra tienda😎.
Como ya sabemos, la electricidad no se puede tocar, ver, oler ni oír, por eso habrá cierta abstracción (sobre todo en los primeros tópicos) para poder comprender los conceptos básicos. Y así tambien cierta dependencia de instrumentos de visualización como voltímetros y amperimetros (estos dos integrados en un mismo aparato llamado multimetro ). Nos será tambien de mucha ayuda el software LTSpice(gratuito), para hacer simulaciónes y estudiar los circuitos en caso de no contar con los intrumentos. Es muy importante aclarar que la simulación no reemplaza la experimentación y el prototipado.
Una vez que hayamos considerado los fundamentos de la electrónica, abordaremos rápidamente los circuitos activos (amplificadores, osciladores, circuitos lógicos, etc.) que hacen de la electrónica un campo tan apasionante.
Comencemos por el principio
Circuito
Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctronicos que permiten el flujo de corriente eléctrica a través de una trayectoria cerrada. Su propósito más elemental es conducir la energía eléctrica y transformarla en otro tipo de energía (lumínica, térmica, mecánica, etc.). En electrónica, esa energia por lo general esconde alguna información que queremos transmitir y hacer útil para el uso humano. Por ejemplo el sonido de una guitarra en un amplificador, la imagen en una TV o los datos en una PC.
La figura 1 muestra un extracto de un circuito relativamente complejo. Aunque no lo parezca la corriente saldra de un terminal positivo en la fuente de alimetnación, atravesará todos los componentes y volver a otro terminal negativo en dicha fuente.
Fig. 1 - Ejemplo de circuito
En los circuitos cada componente real esta representado por un simbolo y esta unido con otros componentes por lineas que representan conexiones llamados nodos. Los circuitos son una herramienta para analizar cada proyecto, entender su funcionamiento e intercambiar información. Son como el plano de una casa, pero para electrónica.
A los circuitos tambien se los llama esquemático. En un buen esquemático deberiamos encontrar toda la informacón que nos permita comprender cual es su función. En su expresion más básica deberiamos tener una referencia que nos permita identificar cada componente y los valores caracteristicos del mismo. Como minimo deberiamos poder ver el esquemático, estudiarlo y poder ir a la tienda a comprar los componentes que necesitamos para armarlo. Es el esquematico el que luego nos permite diseñar una placa de circuito impreso(PCB) en la cual soldar los componentes.
No hay reglas escritas para la confección de un buen esquemático, pero acá dejamos algunas buenas prácticas.
- Siempre que se pueda las entradas de señal se posicionan a la derecha y/o arriba en la hoja.
- Las salidas abajo y/o a la izquierda.
- No amontonar los componentes.
- Donde dos lineas se crucen y exista una conexión se pone un circulo relleno.
- Cada componenente debe tener una referencia y su valor caracteristico al lado.
- Los componentes los posicionamos vertical o horizontal.
- Poner título a la hoja y numerarlas.
- Si el circuito es muy grande separalo en distintas secciones y en distintas hojas.
- Toda información relevante para el diseño de la placa o fabricación del producto puede ir en un costado del circuito o en una hoja separada.
Hoy existe software que ayuda a simplificar este proceso. El más usado por la comunidad maker(...y por el CERN) es Kicad. Software open source, muy poderoso y gratuito.
Voltaje y corriente⚡
Estas dos son las dos magnitudes principales que nos interesan conocer en cada circuito. Cuando estas dos cambian con el transcurrir del tiempo, es cuando ocurren cosas interesantes.
El Voltaje (o tensión o fuerza electromotriz) se simboliza con la letra "V" y se mide en volt (3,3V, 5V, 12V, etc ). Es la energia consumida (o el trabajo realizado) para mover una carga de un punto de menor potencial a uno de mayor potencial. Esta definición por si sola no nos dice mucho, pero podemos imaginarla como la fuerza que empuja a la corriente a traves de un circuito. El voltaje siempre se mide entre dos puntos, por lo general es entre un punto de interes y un punto "común"(GND, -, masa o tierra) definido previamente.
La corriente se simboliza con la letra "I". Se mide en ampere (0,1A, 2,5A, 3A, etc). Es la tasa de carga eléctrica que pasa por un punto del circuito. Son los electrónes que se mueven por el cable(*). Por convención, la corriente circula del punto de mayor voltaje del circuito al punto de menor voltaje.
En la jerga habitual se habla de la siguiente forma sobre estas dos definiciones. El voltaje es aplicado entre dos puntos, o "cae" entre dos terminales de un componente. Y la corriente fluye o circula en el circuito o a traves de un componente. Por ejemplo... "sobre esta resistencia de 1 ohm, circula 1 A de corriente y sobre ella cae 1 V". Esto tendrá mayor sentido más adelante.
Otro concepto importante a tener en cuenta es la potencia, que es la energia consumida por unidad de tiempo. Y se calcula P=VxI su unidad de medición es el Watt y se representa con el simbolo "W". Por ejemplo, la corriente circulando por una lamparita de 60W a 220V sera 0,27A. Esta magnitud nos permite entender cómo la energía eléctrica consumida por un circuito se transforma en otros tipos de energía. En el caso de la lampara, esos 60W de potencia eléctrica se transformarán en luz y calor, otros tipos de energia.
¿Para que nos sirve todo esto? Conocer estas magnitudes dentro de un circuito nos va a permitir saber que hace el circuito, como lo hace y si lo esta haciendo bien. Con la practica comenzaremos a reconocer patrones y todo será más sencillo. Como el guitarrista que escucha una nota y ya reconoce la escala en la cual se basa una canción.
Fig .2 - Energía lumínica
Leyes de Kirchoff📃
Tranquilo, esto no es la facultad de derecho...
1. Ley de corrientes ( o ley de nodos): Dice que la suma de corrientes que entran a un nodo es igual a las corrientes que salen. Básicamente, dice que no se puede crear corriente de la nada misma(por si te gusta la fisica).
2. Ley de voltaje ( o ley de mallas): Dice que la suma de las caidas de voltaje en un "recorrido" cerrado en un circuito es igual a 0.
En la figura 3 tenemos un circuito que contien 4 nodos (A, B, C y GND) y dos mallas(1 y 2). Los nodos son los puntos en donde uno o mas componentes se conectan entre sí. Y las mallas son un camino cerrado para la corriente.
Fig. 3 - Mallas y nodos
Serie y paralelo
Para nuestra suerte hay solo dos formas de conectar los dispositivos electrónicos, en serie o en paralelo. Pero como se abran imaginado, esto no hace las cosas más sencillas. Solo nos ayuda a comprender los circuitos.
Decimos que un grupo de elementos estan en serie cuando son atravesados por la misma corriente. Y decimos que estan en paralelo cuando el mismo voltaje es aplicado a todo el conjunto.
Fig. 4 - Serie y paralelo
Ya veremos que los componentes en serie o paralelo se pueden agrupar y reemplazar por un solo componente de valor equivalente. Pero más adelante.
Te invito a que te tomes unos segundos y trates de identificar que elementos estan en seria y cuales en parealelo en la figura 3 de más arriba.
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Acá va la solución... R3 y R4 estan en serie. Esas dos estan en paralelo con R2. Y todo eso en serie con R1. Y el resultado en paralelo a la bateria.
Resistencia, la relación "oculta"🤔 entre voltaje y corriente
El objetivo fundamental de la electrónica, y muchas veces oculto o ignorado, es que con cada circuito lo que buscamos es hacer uso de las interesantes relaciones que existen entre la corriente y el voltaje en los diferentes dispositivos electronicos. Estas relaciones pueden ser (linales, logaritmicas, exponenciales... y otras). Las iremos conociendo poco a poco a medida que avanzamos en nuestros estudio de la electrónica.
La relacion más sencilla es la relación lineal, y es muy importante porque tiene su propio nombre además de que se quiera o no se aplica practicamente en todos los circuitos.
Se conoce como la Ley de Ohm y dice que el voltaje en un conductor es propocional a la corriente que circula por él. Y la constante de proporcionalidad es la resistencia "R". V=IxR.
En electrónica existen componentes llamados resistencias que nos permiten limitar la corriente y aplicar esta ley de Ohm como nosotros necesitemos. Por ejemplo, si tenemos 1A circulando por una resistencia de 12ohm, el voltaje aplicado será de 12V; 12V = 1Ax12ohm.
Fig. 5 - Ley de Ohm
Conclusión💡
¡Y así llegamos al final de este primer acercamiento al fascinante mundo de la electrónica! Hemos sentado las bases, introduciendo conceptos como el voltaje, la corriente y la potencia, y entendiendo cómo se interconecta un circuito. Vimos que la Ley de Ohm es fundamental y que las Leyes de Kirchhoff nos dan las herramientas para entender los circuitos.
Recordá que la teoría es solo el punto de partida. La verdadera magia de la electrónica se revela haciendo y experimentando. Por eso, te animamos a poner manos a la obra con los "Proyectos de Domingo" y a usar herramientas como LTSpice o Kicad. No le tengas miedo a equivocarte; cada cable conectado, cada componente soldado y cada prueba fallida te acercan un paso más a comprender y dominar este apasionante campo.
Podes comunicarte con nosotros a traves de la página de contacto y dejarnos tus consultas sobre este articulo. Lo responderemos lo más rápido posible. Nos encanta hablar de electrónica.
Dejamos una actividad para ir asimilando estos conceptos. Revisa los aparatos electricos/electronicos que tengas a mano. Ellos tendran una etiqueta donde estan presentadas sus caracteristicas técnicas. Trata de identificar el voltaje, la corriente y la potencia de varios prodcutos.
Y si queres comenzar a practicar te recomendamos el Kit Arduino Uno R3. Este Kit trae una variedad de componentes que vas a ir usando a media que avancemos en nuestro aprendizaje.
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(*) Mentira. Esto es una simplificación. Los electrones apenas se mueven en el cable cuando prendemos la luz, por ejemplo. Lo que en realidad pasa es bastante más complicado, muy interesante, pero complicado sin saber bastante de fisica, campos electromagneticos y otras cosas. Para los interesados, VIDEO1.VIDEO2