Ejercicios prácticos con Electrónica

Recursos online

Hay muchos recursos disponibles para los entusiastas de la electrónica. Si está buscando ideas para proyectos, sitios como Hackaday e Instructables son una gran fuente de inspiración.

Podrá conseguir a menudo grandes consejos de gente experimentada y conocedora del tema en los foros siguientes.

No olvide buscar en el foro antes de hacer su pregunta, pues es posible que haya surgido antes (por lo general así es) y recuerde siempre explicar su pregunta con claridad, los "expertos" pueden ponerse impaciente con usted.

• http://forum.arduino.cc

• https://www.raspberrypi.org/forums

• http://www.eevblog.com/forum

• http://electronics.stackexchange.com

Convenciones utilizadas en este libro

En este libro se utilizan las siguientes convenciones tipográficas:

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Uso de ejemplos de código

El material complementario (ejemplos de código, ejercicios, etc.) está disponible para descargar en https://github.com/simonmonk/electronics_cookbook.

Este libro está aquí para ayudarle a hacer su trabajo. En general, si se ofrece código de ejemplo con este libro, puede utilizarlo en sus programas y documentación. No necesita ponerse en contacto con nosotros para obtener ningún permiso a menos que esté reproduciendo una parte significativa del código. Por ejemplo, escribir un programa que utiliza varios fragmentos de código de este libro no necesita permiso. La venta o distribución de un CD-ROM de ejemplos de los libros de O’Reilly necesita permiso. Responder a una pregunta citando este libro y citando el código de ejemplo no requiere permiso. Incorporar una cantidad significativa de código de ejemplo desde este libro a la documentación de su producto requiere permiso.

Apreciamos, pero no pedimos, la atribución. Una atribución generalmente incluye el título, el autor, la edición y el ISBN. Por ejemplo: “Electronics Cookbook de Simon Monk (O’Reilly). Copyright 2017 Simon Monk, 978-1-491-95340-2.”

Agradecimientos

Gracias a Duncan Amos, David Whale y Mike Bassett por sus revisiones técnicas del libro y los muchos comentarios útiles que proporcionaron para ayudar a hacer de este libro lo que es.

También me gustaría agradecer a Afroman el permiso para usar su gran diseño de transmisor de FM y los chicos de Digi-Key por su ayuda en la compilación de códigos de piezas.

Como siempre, ha sido un placer trabajar con los profesionales de O'Reilly, en particular Jeff Bleiel, Heather Scherer, y por supuesto, Brian Jepson.

Capítulo 1
Teoría
1.0 Introducción

Aunque este libro está fundamentalmente orientado a la práctica, existen ciertos aspectos teóricos que resultan imposibles de obviar.

En concreto: conocer la relación que existe entre voltaje (tensión eléctrica), intensidad de la corriente (o corriente, a secas) y resistencia hará que nos resulte más fácil comprender otros conceptos.

Asimismo, la relación entre potencia, voltaje y corriente surge muy a menudo.

1.1 Qué es la intensidad de la corriente
Problema

Entender exactamente qué significa corriente en el ámbito de la electrónica.

Solución

Como la propia palabra sugiere, el significado de corriente está muy próximo al de la corriente de un río. Podemos visualizar la intensidad de una corriente de agua en una tubería como la cantidad de agua que pasa por un punto de dicha tubería cada segundo. Esta cantidad de agua se puede, así, medir en litros por segundo.

En electrónica, la intensidad de la corriente, o solo corriente, es la cantidad de carga transportada por los electrones a su paso por un punto concreto de un conductor cada segundo (Figura 1-1). La unidad de corriente eléctrica es el amperio, cuyo símbolo es A.

Figura 1-1. Flujo de corriente por un conductor.

Análisis

Para muchos circuitos, un amperio es una corriente muy grande, así que lo normal es ver la corriente expresada en milésimas de amperio o miliamperios (mA).

Véase también

En el Apéndice D podemos encontrar una lista de unidades con sus símbolos correspondientes, por ejemplo mA. Para aprender más sobre la corriente eléctrica vea el Ejercicio 1.4.

1.2 Qué es el voltaje o tensión eléctrica
Problema

Entender exactamente qué significa “corriente” en el ámbito de la electrónica.

Solución

En el Ejercicio 1.1 hemos visto que la corriente eléctrica es la medida del flujo de carga eléctrica a través de un conductor por unidad de tiempo. Pues bien, esa corriente eléctrica no fluirá sin recibir una influencia concreta. El agua en una tubería, por ejemplo, se vería influida por la gravedad para fluir desde un punto más alto hacia otro más bajo.

Para entender el voltaje, resulta útil visualizarlo como la diferencia de alturas en un sistema de tuberías que permite que fluya el agua. Al igual que la altura, es algo relativo: la altura de una tubería respecto al nivel del mar no determina la velocidad del flujo del agua a través suyo, pero la diferencia entre los extremos de la tubería sí lo hace (Figura 1-2).

Figura 1-2. Analogía del voltaje como diferencia de altura.

El voltaje podría referirse a la tensión eléctrica a través de un conductor, entre los dos extremos, pero en otras situaciones podría hacer referencia a la diferencia de tensión entre los dos terminales de una batería. El concepto básico es que para que el voltaje tenga sentido debe referirse a dos puntos diferentes. El voltaje más alto es el positivo y se marca con un signo más (+).

Es la diferencia de voltaje, o diferencia de potencial, lo que hace que fluya la corriente eléctrica a través de un conductor. Si no existe diferencia de voltaje entre uno y otro extremo de un conductor, no fluirá la corriente eléctrica.

La unidad de voltaje es el voltio (V). Una batería o pila AA presenta una diferencia de voltaje de 1,5 V entre sus polos. Un Arduino opera con un voltaje de 5 V, mientras que un Raspberry Pi utiliza uno de 3,3 V, si bien requiere una fuente de alimentación de 5 V que reducirá a 3,3 V.

Análisis

En ocasiones parece que el voltaje se utiliza para referirse a un solo punto en un circuito electrónico, en lugar de a la diferencia de potencial entre dos puntos. En esos casos el voltaje significa la diferencia de potencial entre un punto del circuito y la tierra. La tierra (GND o ground, en inglés) es un voltaje local de referencia frente al que se miden todos los demás voltajes del circuito. Así pues, podríamos decir que tiene un valor de 0 V.

Véase también

Para aprender más sobre voltajes vea el Ejercicio 1.5.

1.3 Cómo calcular voltaje, intensidad de la corriente y resistencia
Problema

Deseamos comprender cómo el voltaje a través de un conductor controla el flujo de corriente a través de aquel.

Solución

Utilizaremos la ley de Ohm. La letra griega omega mayúscula (Ω) se utiliza como símbolo para la unidad de medida de la resistencia: el ohmio.

La ley de Ohm indica que el flujo de corriente por un conductor o componente electrónico (I) es igual al voltaje (V) o diferencia de potencial entre los extremos de dicho conductor o componente, dividido entre la resistencia (R) que este ofrece al paso de aquella. En otras palabras:

Si deseamos calcular el voltaje, podemos reformular la expresión como:

V = I × R

Por último, si conocemos la corriente, I, que fluye a través de una resistencia, R, con un voltaje V, calcularemos dicha resistencia con la expresión:

Análisis

La resistencia es la capacidad que un material tiene de oponerse al paso de la corriente eléctrica. Un conductor debe presentar poca resistencia, porque generalmente no queremos que el flujo de electricidad encuentre dificultades a su paso por aquel. A mayor sección del conductor, menor será la resistencia que presenta para una misma longitud dada. Así pues, un hilo de unas pocas decenas de centímetros que conecte una batería a una bombilla, o más posiblemente a varios LED, en una linterna, tendría una resistencia de entre 0,1 y 1 Ω (ohmio). Mientras que la misma longitud de hilo de mayor sección utilizada, por ejemplo, para conectar un hervidor a un enchufe de CA (corriente alterna) presentaría una resistencia no superior a un par de miliohmios (mΩ).

Resulta muy común el deseo de limitar el flujo de corriente a través de parte de un circuito añadiendo componentes electrónicos llamados resistencias, cuyo efecto es precisamente oponerse al paso de la corriente.

La Figura 1-3 muestra una resistencia (línea en zigzag) e indica la corriente (I) que fluye a través de ella así como el voltaje (V).

Figura 1-3. Voltaje, intensidad de la corriente y resistencia.

Supongamos que vamos a conectar una batería de 1,5 V a una resistencia de 100 Ω como se muestra en la Figura 1-4.

Figura 1-4. Una batería y una resistencia.

Gracias a la ley de Ohm sabemos que la corriente es igual al voltaje dividido entre la resistencia del conductor o componente (a efectos prácticos podemos asumir que la resistencia de un cable o hilo conductor es igual a cero).

Así que, I = 1,5 / 100 = 0,015 A o 15 mA.

Véase también

Para entender lo que ocurre con el flujo de corriente a través de resistencias y conductores en un circuito, vea el Ejercicio 1.4.

Para entender la relación entre corriente, voltaje y potencia vea el Ejercicio 1.6.

1.4 Cómo calcular la corriente en cualquier punto de un circuito
Problema

Averiguar el flujo de corriente por cualquier punto dado de un circuito.

Solución

Para ello utilizaremos la ley de Kirchhoff de la corriente.

En términos sencillos, la ley de la corriente de Kirchhoff establece que, en cualquier punto de un circuito, el flujo de corriente entrante debe ser igual al flujo de corriente que sale de dicho punto.

Análisis

Por ejemplo, en la Figura 1-5 aparecen dos resistencias en paralelo alimentadas por un voltaje desde una batería (observe el símbolo para la batería a la izquierda de la Figura 1-5).

Figura 1-5. Resistencias en paralelo.

El punto X recibe un flujo de corriente I desde la batería. Sin embargo, de dicho punto salen dos ramas. Si las resistencias tienen el mismo valor, por cada rama fluirá la mitad de la corriente I que llegó al punto X.

En el punto Y, las dos rutas se vuelven a unir, así que las dos corrientes I/2 que fluyen a través del punto Y resultarán en la propia corriente I.

Véase también

Para la ley de Kirchhoff del voltaje, vea el Ejercicio 1.5.

Para un análisis más profundo sobre las resistencias en paralelo, vea el Ejercicio 2.5.

1.5 Cómo calcular los voltajes en nuestro circuito
Problema

Averiguar cómo se suman los voltajes en un circuito.

Solución

Para ello utilizaremos la ley de Kirchhoff del voltaje.

Esta ley establece que la suma total de los voltajes entre diferentes puntos de un circuito es igual a cero.

Análisis

La Figura 1-6 muestra dos resistencias en serie con una batería. Asumimos que ambas resistencias tienen el mismo valor.

Figura 1-6. Resistencias en serie.

A primera vista no está clara la aplicación de la ley de Kirchhoff del voltaje hasta que reparamos en la polaridad del mismo. A la izquierda, la batería suministra V voltios, que es igual en magnitud, pero de sentido contrario (y por tanto de signo) a los dos voltajes V/2 que atraviesan cada resistencia.

Otra manera de verlo es reparar en que el voltaje V debe quedar equilibrado entre los dos voltajes V/2. Es decir: V = V/2 + V/2 o V – (V/2 + V/2) = 0.

Véase también

Esta distribución de un par de resistencias se utiliza también para reducir los voltajes (vea el Ejercicio 2.6).

Para la ley de Kirchhoff de la corriente, vea el Ejercicio 1.4.

1.6 Qué es la potencia eléctrica
Problema

Entender exactamente qué significa potencia en el ámbito de la electrónica.

Solución

En electrónica, potencia es la ratio de conversión de energía eléctrica en otro tipo de energía, generalmente calor. Se mide en julios por segundo, magnitud que se conoce por watios (W).

Cuando conectamos una resistencia como en la Figura 1-4 del Ejercicio 1.3, dicha resistencia disipará la energía eléctrica en forma de calor, y si lo hace de forma significativa, se calentará mucho. Podemos calcular la cantidad de potencia convertida en calor usando la fórmula:

P = I x V

En otras palabras: la potencia en vatios es igual al voltaje que atraviesa la resistencia, en voltios, multiplicado por la intensidad de la corriente en amperios. En el ejemplo que podemos ver en la Figura 1-4, donde el voltaje que atraviesa la resistencia es de 1,5 V y el cálculo de la corriente nos da un valor de 15 mA, el calor disipado es igual a 1,5 V x 15 mA = 22,5 mW.

Análisis

Si conocemos el voltaje que atraviesa una resistencia y el valor nominal de esta, podemos combinar la ley de Ohm con la expresión P = I x V y utilizar la fórmula:

Con V = 1,5 V y R de 100 Ω, la potencia es 1,5 V x 1,5 V / 100 Ω = 22,5 mW.

Véase también

Para la ley de Ohm, vea el Ejercicio 1.3.

1.7 La corriente alterna (CA)
Problema

Conocer la diferencia entre corriente alterna (CA) y corriente continua (CC).

Solución

En todos los ejercicios que hemos visto hasta ahora se da por hecho que tratamos con CC. El voltaje es constante y, por lo general, la alimentación procede de una batería.

La CA es el tipo de corriente que obtenemos de los enchufes de la pared. Este tipo de corriente suele poseer un voltaje alto y peligroso, aunque es posible reducirlo a valores más bajos (vea el Ejercicio 3.9). Este voltaje oscila entre 220 y 240 V (en los Estados Unidos, su valor es de 110 V).

Análisis

La característica alterna de la CA viene del hecho de que el flujo de corriente invierte su sentido múltiples veces por segundo. La Figura 1-7 muestra la variación de voltaje en un enchufe de pared típico (valores para los Estados Unidos).

Figura 1-7. La corriente alterna (CA).

Lo primero en lo que debemos reparar es que el voltaje adopta una forma de onda senoidal, que crece hasta superar los 150 V y, desde allí, disminuye hasta el entorno de -150 V, pasando obviamente por 0 V, y vuelta a empezar. En un ciclo completo, invierte 16,6 milésimas de segundo, aproximadamente (16,6 milisegundos o ms).

La relación entre el periodo de CA (tiempo que se tarda en realizar un ciclo completo) y la frecuencia de CA (número de ciclos completos por segundo) es:

La unidad de frecuencia es el hercio (Hz). Así, la CA de la Figura 1-7 tiene un periodo de 16,6 ms (0,0166 s) y una frecuencia de:

El lector podría estar preguntándose por qué el valor de CA de un enchufe se cifra en 110 V cuando realmente oscila en un rango de más de 300 V. La respuesta es que el valor 110 es el voltaje de CC equivalente que nos proporcionaría la misma potencia. Este valor se denomina voltaje RMS (Root Mean Square, raíz cuadrada media, o media cuadrática) y es el pico de voltaje dividido entre la raíz cuadrada de 2 (que vale aproximadamente 1,41). Por tanto, en el ejemplo anterior, el pico de voltaje está en 155 V, que dividido entre 1,41 da un resultado de unos 110 V RMS.

Véase también

Podemos encontrar más información sobre el uso de la CA en el Capítulo 7.

Capítulo 2
Resistencias
2.0 Introducción

Las resistencias se usan en prácticamente todos los circuitos electrónicos. Se presentan en una enorme variedad de formas y tamaños, y presentan valores nominales que van desde los miliohmios hasta varios millones de ohmios.

El ohmio, la unidad de resistencia, tiene por símbolo la letra griega omega mayúscula (Ω), aunque alguna vez es posible verla con la letra R. Por ejemplo, 100 Ω y 100 R se refieren a una resistencia de 100 ohmios.

2.1 Cómo leer el encapsulado de una resistencia
Problema

Averiguar el valor nominal de una resistencia.

Solución

Cuando se trate de una resistencia para montaje de agujero pasante, es decir, una resistencia con patillas o conectores, que tenga bandas de colores impresas en su encapsulado, miraremos el código de colores.

Si nuestra resistencia tiene bandas en las mismas posiciones que la de la Figura 2-1, las tres bandas de la izquierda determinarán el valor de la resistencia, mientras que la banda separada a la derecha indicará la precisión de dicho valor.

Figura 2-1. Una resistencia con tres bandas de colores.

Cada color tiene el valor de la lista que podemos ver en la Tabla 2-1.

Tabla 2-1. Códigos de color de las resistencias.

En una resistencia con tres bandas de colores como esta, las dos primeras bandas determinan el valor básico, por ejemplo 27 en la Figura 2-1, y la tercera, el número de ceros que se añadirán después. Siguiendo con el ejemplo de la Figura 2-1, el valor de la resistencia con las bandas roja, violeta (purple) y marrón es de 270 Ω. Hemos dicho que esta última banda indica el número de ceros, pero en realidad es un factor multiplicador, para ser exactos. Si su color fuera dorado, significaría ⅒ del valor de resistencia indicado por las dos primeras bandas. Así pues, una resistencia con bandas marrón, negra y dorada sería de 1 Ω.

La banda en sí misma indica también la tolerancia de la resistencia. La plateada (difícil de ver en la actualidad) indica ±10 %, la dorada, ±5 %, y la marrón, ±1 %.

Si nuestra resistencia muestra unas bandas de colores como las de la de la Figura 2-2, su valor nominal vendrá especificado con un dígito extra de precisión. En este caso, las tres primeras bandas indican el valor nominal de resistencia (en la Figura 2-2, 270) y la cuarta, los ceros que se añadirán (en este caso, 0). Por tanto, el valor nominal de esta resistencia también es de 270 Ω.

Figura 2-2. Una resistencia con cuatro bandas de colores.

Para las resistencias con valores bajos, la banda dorada se emplea como multiplicador con valor 0,1, y la plateada, con valor de 0,01. Una resistencia de 1 Ω con cuatro bandas presentaría los colores marrón, negro, negro y dorado. Es decir: 100 x 0,01.