Ejercicios prácticos con Electrónica

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

Índice de contenidos

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

Prefacio

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.

Quién debería leer este libro

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.

Por qué escribí este libro

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.

Unas palabras sobre la electrónica de hoy

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.

Navegar por este libro

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.