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.

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:

Cursiva

Indica nuevos términos, URL, direcciones de correo electrónico, nombres de archivos y extensiones de archivo.

Ancho constante

Utilizado para listados de programas, así como dentro de párrafos para referirse a elementos del programa tales como nombres de variables o funciones, bases de datos, tipos de datos, variables de entorno, enunciados y palabras clave.

Ancho constante enn negrita

Comandos u otros textos que deben ser escritos literalmente por el usuario.

Ancho contante en cursiva

Muestra el texto que debe ser reemplazado por valores proporcionados por el usuario o por valores determinados por el contexto.

| Este icono significa un consejo, sugerencia o nota general.
| Este icono indica una advertencia o precaución.

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.

Negro | 0
Marrón | 1
Rojo | 2
Naranja | 3
Amarillo | 4
Verde | 5
Azul | 6
Violeta | 7
Gris | 8
Blanco | 9
Dorado | 1/10
Plateado | 1/100

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.

Análisis

Aunque diminutas, las resistencias SMT (Surface Mount Technology, tecnología de montaje en superficie) suelen llevar impreso su valor en la superficie del encapsulado. No obstante, emplean el mismo sistema de valor base seguido de un multiplicador. Así pues, una resistencia SMT de 270 Ω llevará impreso el número 2700, mientras que una de 1 Ω mostrará la cifra 1001.

Véase también

Los condensadores con tecnología de agujero pasante muestran sus valores en la camisa del encapsulado de manera muy similar a las resistencias SMT (vea el Ejercicio 3.3).

2.2 Cómo averiguar los valores estándar de una resistencia
Problema

Después de nuestros cálculos, llegamos a la conclusión de que necesitamos una resistencia de 239 Ω. ¿Cómo averiguar el valor estándar para una resistencia que podamos comprar?

Solución

Debemos adquirir una resistencia de la serie ±5 % E24.

Los valores básicos de la serie E24 son 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82 y 91, con tantos ceros después como necesitemos.

Análisis

La serie ±1 % E96 incluye todos los valores base de la serie E24, pero con hasta cuatro veces más valores. Sin embargo, es muy raro necesitar esa precisión en el valor de una resistencia.

Si la función de la resistencia va a ser la de limitar la corriente que llegue a otro componente que podría verse dañado, por ejemplo a un LED (Ejercicio 4.4) o a la base de un transistor bipolar (Ejercicio 5.1), seleccionaremos el valor de resistencia más alto de la serie E24.

Por ejemplo, si los cálculos indican que la resistencia debería tener un valor de 239 Ω, optaremos por una de 240 Ω de la serie E24.

De hecho, no es necesario calcular y adquirir todos los valores concebibles de resistencia a medida que los vayamos necesitando, más teniendo en cuenta que suelen venir en paquetes de 100. Personalmente, suelo tener existencias de los valores siguientes: 10, 100, 270 y 470 Ω, así como de 1, 3,3, 4,7, 10 y 100 kΩ, y 1 MΩ.

Véase también

Los detalles completos de todas las series de resistencias disponibles se encuentran en http://www.logwell.com/tech/components/resistor_values.html.

2.3 Selección de una resistencia variable
Problema

Deseamos comprender el funcionamiento de una resistencia variable.

Solución

Una resistencia variable, también llamada potenciómetro, está hecha con una pista resistiva y un deslizador que varía su posición a lo largo de dicha pista. Variando la posición del deslizador podemos variar la resistencia entre este y cualquiera de los dos terminales (polos) en los extremos de la pista. Los potenciómetros más comunes son los giratorios, como el mostrado en la Figura 2-3.

Figura 2-3. Un potenciómetro giratorio.

Análisis

Los potenciómetros se presentan en una gran variedad de formas y tamaños. La Figura 2-4 muestra una selección de potenciómetros.

Figura 2-4. Potenciómetros.

Los dos potenciómetros de la izquierda en la Figura 2-4 se conocen como potenciómetros de ajuste, potenciómetros trimmer o trimpots. Estos dispositivos están diseñados para ajustarlos con un destornillador, o bien usando el diminuto tornillo con los dedos pulgar e índice.

El siguiente potenciómetro es un dispositivo estándar con una tuerca con un eje o husillo que permite su fijación en un agujero. El eje se puede cortar a la longitud necesaria antes de añadirle una tuerca o pomo para manejarlo.

En el centro de la Figura 2-4 aparece un potenciómetro doble, dual o dual-gang. En realidad se trata de la unión de dos potenciómetros con un eje común y se suele emplear en controles de volumen estéreo. Junto a él aparece un dispositivo similar que combina un potenciómetro con un interruptor. Por último, en el extremo derecho vemos un potenciómetro deslizante como el que podríamos ver, por ejemplo, en una mesa de mezclas.

Los potenciómetros están disponibles con pistas de dos tipos. Las pistas lineales presentan una variación de resistencia casi lineal en todo el rango del potenciómetro. Es decir, en el punto medio, la resistencia será la mitad del rango completo.

Los potenciómetros que incorporan una pista logarítmica incrementan la resistencia de acuerdo con una función del logaritmo de la posición del deslizador, en lugar de modo proporcional a la posición. Esto los hace más aptos como controles de volumen, ya que la percepción que el ser humano tiene del volumen del sonido es logarítmica. No obstante, a menos que estemos haciendo un control de volumen para un amplificador de audio, normalmente usaremos un potenciómetro lineal.

Véase también

Para conectar un potenciómetro a un Arduino o Raspberry Pi, vea el Ejercicio 12.9.

Un potenciómetro se presta muy bien para actuar como divisor de voltaje variable (vea el Ejercicio 2.6).

2.4 Conexión de resistencias en serie
Problema

Comprender la influencia global que tienen las resistencias en serie sobre la resistencia y el manejo de la potencia en un circuito.

Solución

La resistencia global de varias resistencias en serie no es más que la suma de cada una de las resistencias.

Análisis

La Figura 2-5 muestra dos resistencias en serie. La corriente fluye primero por la primera resistencia y, luego, por la segunda. Como conjunto, las resistencias serán equivalentes a una sola resistencia de 200 ohmios.

Figura 2-5. Resistencias en serie.

La disipación de potencia en forma de calor de cada resistencia será:

Si usamos una sola resistencia de 200 Ω, la disipación de potencia sería:

De este modo, usando dos resistencias, podemos duplicar la potencia.

El lector podría preguntarse por qué usar dos resistencias en serie cuando podría usar solo una. La disipación de calor podría ser una razón si no encontramos resistencias con la potencia suficiente.

No obstante, hay otras situaciones, por ejemplo la mostrada en la Figura 2-6, donde usamos una resistencia variable (potenciómetro) junto con una resistencia fija para asegurarnos de que la resistencia total del conjunto no caiga por debajo del valor de la resistencia fija.

Figura 2-6. Un potenciómetro y una resistencia fija.

Véase también

Las resistencias en serie se utilizan a menudo para construir un divisor de voltaje (vea el Ejercicio 2.6).

2.5 Conexión de resistencias en paralelo
Problema

Comprender la influencia global que tienen las resistencias en paralelo sobre la resistencia y el manejo de la potencia en un circuito.

Solución

La resistencia global de varias resistencias en paralelo es igual al inverso de la suma de los valores inversos de las resistencias. Es decir, si tenemos dos resistencias, R1 y R2, dispuestas en paralelo, la resistencia global viene dada por la expresión:

Análisis

En el ejemplo de la Figura 2-7, que muestra dos resistencias de 100 Ω en paralelo, el conjunto equivale a una sola resistencia de:

Intuitivamente vemos que tiene todo el sentido. Ahora contamos con dos rutas con la misma resistencia, en lugar de una como sería el caso con una única resistencia.

Figura 2-7. Resistencias en paralelo.

En la Figura 2-7, una sola resistencia de 50 Ω equivale a las dos de 100 Ω situadas en paralelo. Ahora bien, ¿cómo influye esto en las potencias nominales de las dos resistencias?

Intuitivamente, lo lógico es suponer que la disipación de potencia total de ambas resistencias de 100 Ω será la misma que en las dos de 50 Ω, pero haremos el cálculo para estar seguros.

Por cada resistencia de 100 Ω, la potencia será:

Así que el total de las dos resistencias será de 45 mW, lo que nos permite usar menos potencia y resistencias más comunes.

Como era de esperar, el cálculo para una sola resistencia de 50 Ω nos da:

Véase también

Vea el Ejercicio 2.4 para las resistencias en serie.

2.6 Cómo reducir un voltaje a un valor específico
Problema

Deseamos reducir un voltaje de CA o CC.

Solución

Utilizar dos resistencias en serie como divisor de voltaje (también llamado divisor de potencial). La palabra potencial indica que la presencia de un voltaje hace posible (potencial) la circulación de la corriente y, por tanto, la realización de trabajo.

La Figura 2-8 muestra un par de resistencias usadas como divisor de voltaje.

Figura 2-8. Un divisor de voltaje.

El voltaje de salida (Vout) será una fracción del voltaje de entrada (Vin) según la fórmula:

Por ejemplo, si R1 vale 270 Ω; R2, 470 Ω; y Vin, 5 V:

Solución

Observe que si R1 y R2 son iguales, el voltaje se divide entre 2.

Un potenciómetro resulta un divisor de potencial que podemos visualizar como dos resistencias, R1 y R2, en serie cuya resistencia total es la misma, pero cuyo valor relativo varía a medida que giramos el pomo. Este es precisamente el funcionamiento de un potenciómetro como control de volumen.

Resulta tentador pensar en un divisor de voltaje como mecanismo útil para reducir este en las fuentes de alimentación. Sin embargo, esto no es así porque, en cuanto tratamos de alimentar algo (enviarle carga eléctrica) a través de la salida del divisor de voltaje, es como si pusiéramos otra resistencia en paralelo a R2. Esto reduce efectivamente la resistencia de la mitad inferior del divisor de voltaje y, por tanto, mengua el voltaje de salida. Esto solo funcionará si las resistencias R1 y R2 son muy inferiores a la resistencia de la carga. Lo que las hace ideales para reducir los niveles de señal, pero no para circuitos de gran potencia.

Véase también

Vea el Capítulo 7 para aprender diversas técnicas destinadas a reducir voltajes en las fuentes de alimentación. Para los cambios de nivel con un divisor de voltaje, vea el Ejercicio 10.17.

2.7 Cómo seleccionar una resistencia para que no se queme
Problema

Deseamos conocer la potencia nominal o clasificación de potencia de una resistencia para evitar que se sobrecaliente y falle.

Solución

Calcular la potencia (Ejercicio 1.6) que nuestra resistencia disipará en forma de calor y seleccionar una resistencia con una potencia nominal lo bastante superior como para que funcione con seguridad.

Por ejemplo, si tenemos una resistencia de 10 Ω conectada directamente a los terminales de una batería de 1,5 V, la potencia que disipa en forma de calor se puede calcular del siguiente modo:

Esto significa que una resistencia estándar de ¼ W resultaría adecuada, pero que podríamos asegurarnos y dar el paso a una de ½ W.

Análisis

La potencia nominal de las resistencias más usadas por los aficionados es de ¼ W (250 mW). Estas resistencias son lo bastante grandes como para que se puedan manejar cómodamente y sus patillas tienen un grosor suficiente como para hacer buenos contactos con la placa de pruebas (Ejercicio 20.1). Asimismo, son capaces de manejar cómodamente la potencia requerida en la mayoría de sus usos habituales, como limitar la corriente de los LED (Ejercicio 14.1) o actuar de divisores de voltaje con corrientes bajas (Ejercicio 2.6).

Otras potencias nominales usuales en resistencias de agujero pasante con patillas son ½, 1, 2, 5 y 10 W, e incluso superiores.

La Figura 2-9 muestra una selección de resistencias con diferentes potencias nominales.

En las pequeñas resistencias SMT, o resistencias de chip, que se presentan soldadas en las placas PCB, las potencias nominales empiezan desde mucho más abajo.

Véase también

Para entender la potencia eléctrica, vea el Ejercicio 1.6.

Figura 2-9. Varias resistencias (de izquierda a derecha): 0,125 W, 0,25 W, 0,5 W, 1 W y 7 W (en la parte superior).

2.8 Cómo medir el nivel de luminosidad
Problema

Deseamos realizar la medición de la luminosidad electrónicamente.

Solución

Utilizar una fotorresistencia.

Una fotorresistencia (Figura 2-10) es una resistencia encapsulada en un elemento transparente cuya resistividad varía con relación a la cantidad de luz que recibe. Cuanto mayor sea el brillo que reciba, menor será la resistencia.

Una fotorresistencia típica podría tener una resistividad de 1 kΩ a plena luz del día, que se incrementaría hasta varios MΩ en un ambiente de oscuridad total.

Análisis

Las fotorresistencias se utilizan a menudo en configuración de divisor de voltaje (Ejercicio 2.6) con una resistencia de valor fijo para convertir la resistividad de la fotorresistencia en un voltaje que podría, luego, usarse en un microcontrolador (Ejercicio 12.6) o en un comparador (Ejercicio 17.10).

Figura 2-10. Una fotorresistencia.

Véase también

Podemos encontrar más información sobre el uso de una fotorresistencia en el Ejercicio 12.6.

2.9 Cómo medir la temperatura
Problema

Deseamos medir la temperatura electrónicamente.

Solución

Un método consiste en usar un termistor. Existen otros métodos, que exploraremos en el Ejercicio 12.10 y en el Ejercicio 12.11.

Todas las resistencias son sensibles a los cambios de temperatura hasta cierto punto. Sin embargo, los termistores (Figura 2-11) presentan una resistividad extremadamente sensible a dichos cambios. Al igual que ocurre con las fotorresistencias (Ejercicio 2.8), se usan a menudo en la configuración del divisor de voltaje (Ejercicio 2.6) para convertir la resistividad en una lectura de voltaje más adecuada.

Figura 2-11. Dos termistores.

Análisis

Existen dos tipos de termistores. Los termistores NTC (Negative Temperature Coefficient, coeficiente de temperatura negativo) son los más habituales y presentan una resistividad que disminuye a medida que se incrementa la temperatura. La resistividad de los termistores PTC (Positive Temperature Coefficient, coeficiente de temperatura positivo) por el contrario, crece a medida que lo hace la temperatura.

Además de su uso para medir temperaturas (vea el Ejercicio 12.7) los termistores PTC también se utilizan para limitar la corriente. A medida que la corriente que atraviesa el termistor se incrementa, la resistencia se caliente y se eleva también la resistividad del material, con lo que la corriente comienza a reducirse.

Véase también

Para consultar circuitos prácticos que usen un termistor en la medición de temperatura, vea el Ejercicio 12.7 y el Ejercicio 12.8.

2.10 Cómo seleccionar el hilo correcto
Problema

El conductor, cable, o hilo ideal es el que presenta una resistividad de cero. En realidad todos los hilos tienen resistividad y nuestra obligación consiste en tenerlo presente en nuestros diseños, así como conocer bien los diferentes tipos de hilos.

Solución

Todos los hilos oponen resistencia al paso de la corriente. Un cable de cobre grueso opondrá una resistencia mucho menor que la misma longitud de cable más fino. Una cita conocida es la que dice: "lo mejor de los estándares es que hay muchos entre los que elegir". Y en ningún sitio resulta esto más acertado que en el ámbito del grosor, o sección, de un hilo conductor. Uno de los estándares más comunes es el AWG (American Wire Gauge, medida de sección de cable americana) que se usa mayoritariamente en los Estados Unidos, y la SWG (Standard Wire Gauge, medida de sección de cable estándar) que se usa sobre todo en el Reino Unido; además, claro está, de expresar la sección directamente en mm.

Prácticamente todo el cableado que se utiliza en electrónica está hecho de cobre. Si eliminamos los elementos aislantes de un hilo y observamos que es de color plateado, seguramente será también de cobre, pero con una aleación de zinc para evitar que se oxide y facilitar la soldadura.

La Tabla 2-2 muestra algunas de las secciones que se usan más habitualmente junto con sus valores de resistencia en Ω/pie (un pie es aproximadamente 30,5 cm) y Ω/metro para los hilos de cobre.

Tabla 2-2. Propiedades de las secciones usadas más habitualmente en hilos de cobre.

Cuanto mayor sea el valor AWG menor es el calibre, más fino es el cable. Los hilos más finos de 24 AWG suelen ser hilos esmaltados diseñados para el devanado de transformadores y bobinas inductoras, como los mostrados en la Figura 2-12.

Figura 2-12. Hilo con esmaltado aislante para devanado de bobinas inductoras, 30-22 AWG.

El conductor sólido está formado por un solo hilo de cobre rodeado de plástico aislante (Figura 2-13). Resulta muy útil con las placas de pruebas, en las que se hacen conexiones sin soldadura (Ejercicio 20.1). Sin embargo, no se debería utilizar en situaciones donde haya probabilidad de que se lo vaya a doblar o retorcer de forma repetida, puesto que podría romperse por fatiga del material. El autor siempre tiene existencias de este tipo de cable con aislantes al menos de tres colores: negro, para el negativo; rojo, para el positivo; y algún otro color para conexiones sin potencia.

Figura 2-13. Conductor de interconexión de un solo hilo (24 AWG).

Para el cableado de propósito general en el que se espera una cierta cantidad razonable de movimiento, debemos usar cables multinúcleo trenzado con plástico aislante. Nuevamente, conviene contar con cables de varios colores.

Figura 2-14. Cables multinúcleo de 19 y 15 AWG, y un cable par de cobre.

Análisis

Las corrientes listadas en la Tabla 2-2 son solo indicativas. La corriente real que puede tolerar cada calibre sin sobrecalentarse depende de muchos factores, incluyendo lo adecuada que resulte la ventilación de la carcasa del proyecto y si los cables están todos agrupados y disipando calor en exceso. Así pues, debemos tratar los valores de la Tabla 2-2 como guía orientativa.

A la hora de comprar cables, es normal que estos indiquen su temperatura máxima de aislamiento. No solo por el calentamiento interno del cable, sino también por las situaciones donde el aislamiento se va a utilizar en ambientes muy calurosos, como hornos o calderas.

Si buscamos cables capaces de tolerar altos voltajes, necesitaremos que lleven un buen aislante. Asimismo, los cables suelen incorporar el valor de voltaje de ruptura en su aislante.

Véase también

Para una tabla comparativa de las secciones o calibres de los cables, vea http://bit.ly/2lOyPIh.

Para aprender más sobre las corrientes toleradas por los distintos cables, vea http://bit.ly/2mbgZS8.

Capítulo 3
Condensadores y bobinas inductoras
3.0 Introducción

En la electrónica digital, los condensadores son casi un seguro de vida porque ofrecen un almacenamiento de carga de forma temporal que mejora la fiabilidad de los circuitos. Por tanto, la mejor manera de usarlos consiste en seguir las recomendaciones que aparecen en las hojas de especificaciones de los CI, sin necesidad de cálculo alguno.

Sin embargo, en electrónica analógica, el uso de condensadores admite mucha más variación. Su capacidad de almacenar pequeñas cantidades de carga durante cortos periodos de tiempo se puede usar para establecer la frecuencia en osciladores (vea el Ejercicio 16.5). Se pueden utilizar para suavizar los rizos en una fuente de alimentación (vea el Ejercicio 7.2) o para acoplar dos circuitos de audio sin transferir el componente de CC de la señal (vea el Ejercicio 17.9).

De hecho, los condensadores se utilizarán a todo lo largo del libro de múltiples maneras, así que es importante entender bien su funcionamiento, cómo elegir los más adecuados y cómo usarlos.

Las bobinas inductoras no resultan tan comunes como los condensadores, pero se utilizan ampliamente en determinadas funciones, por ejemplo en fuentes de alimentación (vea el Capítulo 7).

3.1 Cómo almacenar temporalmente energía en nuestros circuitos
Problema

Necesitamos un componente electrónico capaz de almacenar energía durante breves periodos de tiempo, tal vez para crear pulsos, o bien para aislar otros componentes de picos de voltaje.

Solución

Usar un condensador.

Por construcción, los condensadores no son más que dos superficies conductoras separadas por una capa aislante (Figura 3-1).

Figura 3-1. Esquema de un condensador.

De hecho, la capa aislante situada entre las superficies conductoras puede no ser más que aire, si bien un condensador que utilice aire como aislante tendrá un valor nominal muy bajo. De hecho, el valor del condensador depende del área de las placas conductoras, de su proximidad y de la capacidad aislante de la capa intermedia. Así pues, cuanto mayor sea el área de las placas y menor sea la distancia entre ellas, mayor será la capacitancia del condensador, es decir, mayor cantidad de carga podrá guardar.

Los electrones individuales no fluyen a través de un condensador, pero los que están en un lado de este influyen sobre los que están en el otro. Si aplicamos un voltaje desde una fuente como una batería a un condensador, la placa conectada al polo positivo de aquella acumulará carga positiva y el campo eléctrico que esto genera creará una carga negativa de la misma magnitud en la placa opuesta.

Siguiendo con el símil del agua, podemos visualizar un condensador como una membrana elástica en una tubería (Figura 3-2) que impide que el agua la atraviese, pero que puede estirarse y permitir que el condensador se cargue. Si el condensador se estira demasiado, la membrana elástica se romperá. Esto es lo que pasa en un condensador cuando se excede el voltaje de ruptura.

Análisis

Cuando aplicamos un voltaje a través de un condensador, se cargará de forma casi instantánea. Sin embargo, si lo aplicamos a través de una resistencia, tardará un tiempo en cargarse por completo. La Figura 3-3 muestra cómo un condensador se puede cargar y descargar mediante el uso de los interruptores S1 y S2.

Figura 3-2. Analogía del agua y la tubería para un condensador.

Figura 3-3. Carga y descarga de un condensador.

Cuando cerramos el interruptor S1, C1 se carga a través de R1 hasta que C1 alcance el voltaje de la batería. Abrimos S1 de nuevo y el condensador recién cargado retendrá su carga. En un cierto momento, el condensador perderá su carga por el mecanismo de autodescarga.

Si ahora cerramos S2, C1 se descargará a través de R2 y LED1, que emitirá una luz muy brillante al principio, para ir apagándose a medida que se descarga C1.

Si queremos experimentar con el esquema de la Figura 3-3, podemos construir en una placa de pruebas el montaje del diagrama mostrado en la Figura 3-4. Para una introducción al uso de la placa de pruebas, vea el Ejercicio 20.1. Utilizaremos resistencias de 1 kΩ y un condensador de 100 μF.

Figura 3-4. Diagrama para experimentación con un condensador en la placa de pruebas.

Pulsamos el botón con la etiqueta CHARGE (CARGA) durante un segundo o dos para cargar el condensador y, luego, lo soltamos y pulsamos el botón DISCHARGE (DESCARGA). El LED debería brillar mucho durante un segundo más o menos, para luego oscurecerse progresivamente hasta apagarse al cabo de otro segundo.

Si pudiéramos monitorizar el voltaje a través del condensador durante su carga y posterior descarga, veríamos algo similar a lo mostrado en la Figura 3-5.

Figura 3-5. Carga y descarga de un condensador.

En la Figura 3-6 la forma de onda cuadrada es el voltaje aplicado al condensador a través de una resistencia de 1 kΩ. Durante los primeros 400 ms es de 9 V. Sin embargo, como podemos ver, el voltaje a través del condensador no se incrementa de forma lineal, sino que lo hace más rápido al principio y, luego, disminuye gradualmente en rapidez a medida que el voltaje del condensador se acerca al de la batería.

De forma parecida, cuando el condensador se descarga, el voltaje disminuye bruscamente al principio y luego gradualmente.

Así, si un condensador almacena energía eléctrica podríamos preguntarnos qué diferencia hay entre este y una batería recargable. Por un lado, ciertas aplicaciones que requieren un almacenamiento y descarga de energía muy rápidos utilizan un tipo especial de condensador de muy alta capacitancia, llamado súpercondensador, en lugar de una batería recargable. Las diferencias entre un condensador y una batería incluyen:

• Una batería recargable utiliza una reacción química para generar electricidad, mientras que un condensador almacena directamente la carga eléctrica.

• Una batería recargable se carga y se descarga en unas horas. Un condensador se puede cargar y descargar en una fracción de segundo.

• El voltaje a través de un condensador desciende bruscamente al principio de su descarga, mientras que el voltaje en una batería permanece relativamente constante hasta que se ha utilizado la mayor parte de la energía.

• Por unidad de tamaño, una batería puede almacenar hasta diez veces más energía que el mejor de los súpercondensadores.

Véase también

Para más información sobre el uso de la placa de pruebas, vea el Ejercicio 20.1.

Las curvas de voltaje de la Figura 3-5 se crearon usando un simulador de circuitos (Ejercicio 21.11). Podemos experimentar con esta simulación en línea con PartSim en la web http://bit.ly/2mrtrhs.

3.2 Cómo identificar los diferentes tipos de condensadores
Problema

No perder el norte a la hora de elegir el condensador más adecuado para nuestra aplicación entre una enorme cantidad de modelos disponibles.

Solución

A menos que nuestra aplicación necesite condensadores con características especiales, podemos aplicar la siguiente regla.

En la mayoría de los casos, para condensadores entre 1 pF y 1 nF usaremos un condensador de disco (Figura 3-6a). Para condensadores entre 1 nF y 1 μF usaremos un condensador cerámico multicapa (MLC, Figura 3-6b) y para condensadores por encima de 1 μF usaremos un condensador electrolítico de aluminio (Figura 3-6c). El condensador que se muestra más a la derecha es un condensador electrolítico de tantalio.

Figura 3-6. Tipos de condensadores: (a) Disco cerámico, (b) MLC, (c) Electrolítico de aluminio y (d) Tantalio.

Aunque los condensadores electrolíticos, de disco cerámico y MLC son los que se usan más habitualmente, existen otros tipos.

• Los condensadores de cristal y de mica ofrecen un rango de temperaturas muy amplio, pero son caros si los comparamos con otros tipos de condensadores.

• El condensador electrolítico de tantalio es un tipo de condensador polarizado cuyos valores se encuentran entre los rangos del tipo MLC y los de los condensadores electrolíticos. Son pequeños, pero relativamente caros y están disponibles con valores de hasta unas cuantas decenas de μF. Tienen una desventaja, y es que, cuando fallan, lo hacen de forma que sus terminales se conectan entre sí, lo que suele tener consecuencias explosivas. Las mejoras introducidas en los condensadores MLC han permitido que alcancen valores superiores de capacitancia, hasta cientos de μF, lo que ha empujado a los de tantalio progresivamente al desuso.

Los condensadores son menos fiables que las resistencias. Si superamos el voltaje máximo de servicio, lo más probable es que dañemos el aislante. Los condensadores electrolíticos usan un electrolito contenido en un recipiente de aluminio que genera una capa muy fina de óxido como aislante. Este tipo de condensador es muy propenso a fallar debido al exceso de tensión, de temperatura o, simplemente, al paso del tiempo. Si un equipo de alta fidelidad antiguo falla, suele ser debido a los grandes condensadores electrolíticos de su fuente de alimentación. Además, si un condensador electrolítico falla, puede esparcir el electrolito de una forma bastante desagradable.

Voltaje o tensión nominal

Además de la capacitancia real del condensador, hay otros factores que debemos considerar a la hora de seleccionar un dispositivo. Uno de esos factores, y que presenta una importancia crítica, es la tensión nominal. A menos que estemos creando algo que vaya a utilizar altos voltajes, no suele ser un problema a considerar en condensadores de valores bajos, puesto que estos suelen tolerar voltajes nominales de hasta 50 V. Sin embargo, tan pronto entramos en el rango de los electrolitos, necesitaremos lograr un equilibrio entre el tamaño del condensador y el voltaje. Los condensadores electrolíticos se presentan normalmente con valores de tensión nominal de 6,3 V, 10 V, 25 V, 30 V, 40 V, 50 V, 63 V, 100 V, 160 V, 200 V, 250 V, 400 V, y 450 V. No es usual encontrar condensadores electrolíticos con voltajes superiores a los 500 V.

Temperatura nominal

Los condensadores cerámicos y MLC suelen estar homologados para un rango amplio de temperaturas, mientras que los de electrolito y aluminio son mucho menos tolerantes a las altas temperaturas y suelen estar homologados para un rango de 80-105 °C.

ESR (Equivalent Series Resistence, resistencia serie equivalente)

La temperatura nominal cobra importancia cuando los condensadores se cargan y descargan rápidamente, puesto que un condensador posee siempre una resistencia interna, que se conoce como resistencia serie equivalente o ESR, que ocasiona calentamiento durante la carga y descarga.

Los condensadores MLC de pequeño tamaño suelen tener una ESR muy baja, poco más que la que presentan sus propias patillas. Esto les permite cargarse y descargarse extremadamente rápido. Un condensador electrolítico con un valor muy alto podría tener una ESR de varios cientos de mΩ. Esto limita la velocidad a la que el condensador se puede cargar y descargar, y produce calentamiento.

Véase también

El uso de condensadores electrolíticos para el aplanamiento del rizado de voltaje de una fuente de alimentación se ilustra en el Ejercicio 7.4.

3.3 Cómo leer el encapsulado de una resistencia
Problema

Tenemos un condensador y deseamos identificar su valor.

Solución

Los condensadores SMD pequeños suelen presentarse sin marcar, así que lo mejor será que los etiquetemos con su valor en cuanto los compremos.

Los condensadores electrolíticos suelen tener sus valores nominales de capacitancia y voltaje impresos en el encapsulado. Los condensadores electrolíticos polarizados para montaje en agujero pasante suelen presentarse con el conector positivo más largo que el negativo, así como con este último marcado con un signo menos (-) o con un símbolo en forma de diamante.

La mayoría del resto de condensadores emplea un sistema de numeración similar al de las resistencias SMD. Su valor se suele representar mediante tres dígitos y una letra. Los dos primeros dígitos son su valor base y el tercero indica el número de ceros que deben añadirse. El valor base indica la capacitancia en pF (picofaradios; vea el Apéndice D).

Por ejemplo, un condensador de 100 pF presentaría los dígitos "101" (un "1" y un "0" seguidos por otro "0"). Un condensador de 100 nF presentaría los dígitos "104" (un "1" y un "0" seguidos por cuatro "0"), es decir: 100 nF = 100 000 pF.

La letra que sigue a los dígitos indica la tolerancia: "J", "K" y "M" para ±5 %, ±10 % y ±20 %, respectivamente.

Análisis

El número de valores estándar para los condensadores es mucho más pequeño que para las resistencias. Generalmente, los valores disponibles son 10, 15, 22, 33, 47 y 68 seguidos por el número de ceros que sea necesario.

Véase también

Para leer los códigos de color de las resistencias, vea el Ejercicio 2.1.

3.4 Conexión de condensadores en paralelo
Problema

Deseamos combinar varios condensadores para incrementar la capacitancia global.

Solución

La Figura 3-7 muestra dos condensadores en paralelo. Esta disposición duplica efectivamente la superficie de las placas conductivas y, por tanto, podemos considerar que ofrece una capacitancia total igual a la suma de las capacitancias de los dos condensadores.

Figura 3-7. Conexión de condensadores en paralelo.

Análisis

Resulta muy habitual montar un cierto número de condensadores en paralelo para incrementar la capacitancia global. Se emplea con particular asiduidad para el suavizado de una fuente de alimentación de gran potencia basada en transformador, por ejemplo un amplificador de audio, donde resulta muy importante eliminar todo el rizo que sea posible (vea el Ejercicio 7.2).

En tales sistemas es habitual utilizar en paralelo varios condensadores de distintos tipos y valores para minimizar los efectos de la ESR (vea el Ejercicio 3.2).

Véase también

Para los condensadores en serie, vea el Ejercicio 3.5.

3.5 Conexión de condensadores en serie
Problema

Deseamos averiguar por qué alguien ha combinado los condensadores de esta forma inusual.

Solución

Cuando conectamos dos o más condensadores en serie, el valor total de la capacitancia se calcula de acuerdo con la fórmula siguiente, que es muy similar a la de las resistencias en paralelo, lo que resulta muy interesante:

Análisis

Es poco habitual conectar condensadores en serie. Ocasionalmente, se realiza como parte de un circuito más complejo, como el del Ejercicio 7.12.

Véase también

Para los condensadores en paralelo, vea el Ejercicio 3.4.

3.6 Cómo almacenar cantidades enormes de energía
Problema

Nos encontramos con que los condensadores habituales no nos alcanzan.

Solución

Los súpercondensadores son condensadores de bajo voltaje y extremadamente alta capacitancia. Se utilizan principalmente como dispositivos de almacenamiento de energía en situaciones donde se emplearían baterías recargables.

Presentan valores de hasta varios centenares de faradios (F). Observe que la capacitancia máxima de los condensadores electrolíticos de aluminio ronda los 0,22 F.

Análisis

Condensadores con valores comparativamente bajos (unos pocos faradios) se utilizan a veces como alternativa a las baterías recargables, o a las baterías de litio de larga duración, para alimentar CI en estado de espera para conservar el contenido de la memoria RAM estática, que de otro modo se perdería. También sirven para alimentar chips de relojes de tiempo real, o RTC (Real-Time Clock), de manera que un dispositivo que los utilice conserve registro del tiempo aun si es apagado durante un tiempo.

Existen también súpercondensadores con capacitancia extremadamente alta que se ofrecen como alternativa a las baterías recargables para almacenamientos de mayor capacidad.

Es posible adquirir condensadores de 500 F o más por unos pocos euros. El voltaje máximo para un súpercondensador es de 2,7 V. Si deseamos una mayor capacitancia, debemos utilizar condensadores en serie junto con una circuitería de protección especial que garantice que el límite de 2,7 V no se va a superar durante la carga del banco de condensadores.

Los súpercondensadores tienen normalmente la misma apariencia que los condensadores electrolíticos. En la actualidad, su capacidad máxima de almacenamiento está aún lejos de la que ofrecen las baterías recargables. Asimismo, como al fin y al cabo son condensadores, el voltaje que almacenan disminuye mucho más rápido que el de una batería durante su uso.

Véase también

Vea el Ejercicio 3.7 para calcular la energía almacenada en condensadores y súpercondensadores.

3.7 Cómo calcular la energía almacenada en un condensador
Problema

Hemos cargado un condensador hasta un determinado voltaje y deseamos conocer la cantidad de energía que almacena en su interior.

Solución

La energía almacenada en un condensador, en julios (J), se calcula del siguiente modo:

Análisis

Si tenemos un condensador electrolítico de tamaño mediano y 470 μF a 35 V, la energía almacenada sería:

que no es mucha. Como el almacenamiento de energía es proporcional al cuadrado del voltaje, los resultados para un condensador del mismo valor, pero a 200 V, son mucho más llamativos:

Para un súpercondensador de 500 F a 2,7 V, los resultados son aún más impresionantes:

En comparación, una sola batería AA de 1,5 V y 2000 mAH almacena alrededor de:

2 A × 3600 s × 1, 5 V = 10, 8 kJ

Véase también

Para información sobre las baterías recargables, vea el Ejercicio 8.3.

3.8 Cómo modificar y moderar el flujo de corriente
Problema

Necesitamos un componente que pueda filtrar partes de una señal o suavizar las fluctuaciones de la misma.

Solución

Una bobina inductora (también llamadas inductores, reactores o simplemente bobinas), en su forma más simple, no es más que eso: un devanado de hilo de cobre arrollado en forma de bobina. En CC, se comporta como lo haría cualquier cable de una longitud determinada y presenta la resistencia correspondiente. Sin embargo, cuando la CA fluye, empiezan a suceder fenómenos interesantes.

Un cambio de sentido en la corriente en una bobina inductora origina un cambio de voltaje en el sentido contrario. Este efecto será más intenso cuanto mayor sea la frecuencia de la CA que fluya a través del inductor. El resultado neto de todo esto es que, a mayor frecuencia de CA, mayor resistencia opone la bobina inductora al paso de la corriente. Para que este fenómeno no se confunda con la resistencia ordinaria, se denomina reactancia, si bien se sigue midiendo en ohmios.

La reactancia X de un inductor se puede calcular mediante la fórmula:

X = 2π f L

Donde f es la frecuencia de la CA en hercios (Hz), y L, la inductancia de la bobina, que se mide en henrios (H). Este efecto resistivo no produce calor como en una resistencia, sino que devuelve energía al circuito.

La inductancia de una bobina inductora dependerá del número de vueltas del devanado de cobre, así como del material alrededor del cual esté arrollado. Así pues, las bobinas de valores bajos podrían no ser más que un par de vueltas de hilo sin núcleo, también conocidas como de núcleo de aire, es decir, que no están enrolladas a nada. Las bobinas de valores más altos suelen utilizar un núcleo de hierro, ferrita u otro material ferroso. La ferrita es un material cerámico con propiedades magnéticas.

La capacidad de transportar corriente de una bobina inductora suele depender del calibre del hilo de cobre utilizado en su devanado.

Análisis

Las bobinas se usan en las fuentes de alimentación conmutadas o SMPS (Switched Mode Power Supply, fuentes de alimentación en modo conmutado) donde reciben pulsos de alta frecuencia (vea el Ejercicio 7.8 y el Ejercicio 7.9). También se las utiliza extensamente en electrónica de radiofrecuencia, donde se suelen combinar con un condensador para formar un circuito sintonizado o circuito de resonancia (vea el Capítulo 19).

Un tipo de bobina inductora, llamada bobina de choque o de bloqueo, está diseñada para permitir el paso de CC mientras bloquea la componente de CA de una señal. Esto evita que aparezca ruido de radiofrecuencia no deseado en el circuito. A menudo encontramos cables USB que tienen un bloque en forma de cilindro cerca de uno de sus extremos. Se trata de un bloque de ferrita que rodea los hilos e incrementa la inductancia del cable a un nivel que le permite suprimir el ruido de alta frecuencia.

Véase también

Para más información acerca del uso de bobinas inductoras en fuentes de alimentación conmutadas, vea el Ejercicio 7.8 y el Ejercicio 7.9.

Vea el Ejercicio 3.9 para más información sobre los transformadores.

3.9 Cómo convertir voltajes de corriente alterna (CA)
Problema

Necesitamos un componente capaz de convertir voltajes de corriente alterna (CA).

Solución

Un transformador está compuesto básicamente de dos bobinas inductoras encapsuladas sobre un mismo núcleo. La Figura 3-8 muestra el esquema de un transformador, que también nos da pistas de su funcionamiento.

Figura 3-8. Esquema de un transformador.

Un transformador tiene una bobina primaria, o primario, y una secundaria, o secundario. La Figura 3-8 muestra uno de cada. El primario recibe CA, digamos de 110 V, desde un enchufe de pared, mientras que el secundario está conectado a la carga.

El voltaje en el secundario viene determinado por la razón del número de vueltas en el primario con el número de vueltas del secundario. Así, si el primario tiene 1000 vueltas y el secundario solo 100, el voltaje de CA se verá reducido en un factor de 10.

La Figura 3-9 muestra una selección de transformadores. Como se puede ver, los transformadores se presentan en una amplia variedad de tamaños.

En la Figura 3-9 hay un pequeño transformador de alta frecuencia a la izquierda, tomado del flash de una cámara desechable. Allí se utilizaba para elevar el voltaje de una CC pulsada (que es casi una CA) desde una batería de 1,5 V hasta los casi 400 V que necesitaba el flash de xenón.

El tipo de transformador mostrado en el centro se utiliza normalmente para reducir el voltaje de 110 V a 6 o 9 V.

Figura 3-9. Una selección de transformadores.

El transformador de la derecha también está diseñado para disminuir el voltaje de CA de los enchufes de pared. Se denomina transformador toroidal y tanto el primario como el secundario están situados alrededor de una horma toroidal formada por capas de hierro, una encima de otra. Estos transformadores se suelen utilizar en equipos de alta fidelidad, donde el ruido producido por las fuentes de alimentación SMPS se considera muy alto para los amplificadores de alto nivel.

Análisis

Tradicionalmente, cuando se quería alimentar un aparato de CC y bajo voltaje, como un receptor de radio, desde un enchufe de pared de CA, lo primero era usar un transformador para bajar el voltaje de 220 V CA a 50 Hz, hasta unos 9 V. Seguidamente se rectificaba y suavizaba dicho voltaje de CA a CC.

En la actualidad, se suele usar una fuente de alimentación SMPS (vea el Ejercicio 7.8) porque los transformadores son caros y pesados, ya que están hechos con grandes cantidades de hierro y cobre. No obstante, las propias SMPS incluyen transformadores, pero pequeños y que operan a frecuencias mucho más grandes que 50 Hz. Operar a una gran frecuencia (en los centenares de kHz) permite que estos transformadores sean mucho más pequeños y ligeros que aquellos destinados a frecuencias más bajas, mientras que mantienen una eficiencia más que aceptable.

Véase también

Este vídeo muestra una máquina de devanado para un transformador toroidal en acción: https://youtu.be/82PpCzM2CUg.

El Ejercicio 7.1 describe cómo usar un transformador para convertir voltajes de CA.

Capítulo 4
Diodos
4.0 Introducción

Los primeros diodos usados en electrónica fueron los detectores de bigote de gato de las radios de galena. Estas radios estaban compuestas por un cristal de material semiconductor, a menudo sulfuro de plomo o silicio. El bigote de gato es simplemente un alambre desnudo sujeto por una brida ajustable, que toca el cristal semiconductor. Moviendo cuidadosamente el bigote, en determinados puntos de contacto el conjunto funcionaría como un diodo, permitiendo el paso de la corriente únicamente en un sentido. Esta propiedad es necesaria en un sencillo receptor de radio para detectar la señal de radio y que pueda oírse la emisión (vea el Capítulo 19).

Los diodos actuales son mucho más fáciles de usar y se presentan en múltiples formas y tamaños.

4.1 Cómo bloquear el flujo de corriente en una dirección
Problema

Deseamos un componente que permita el paso de la corriente en un sentido, pero no en el otro.

Solución

Un diodo es un componente que solo permite el flujo de corriente en un sentido. Es como un tipo especial de válvula de un solo sentido, por seguir con el símil del agua y las tuberías, pero esto no es más que una simplificación. En realidad, el diodo ofrece muy poca resistencia al paso de la corriente en un sentido, y mucha en el otro. En otras palabras, la válvula de una dirección restringe el flujo un poco cuando está abierta e, igualmente, tiene una pequeña filtración cuando está cerrada. Sin embargo, visualizar un diodo como una válvula de una sola dirección para la corriente es válido casi siempre.

Hay muchos tipos de diodos especializados, pero aquí vamos a empezar por el diodo más básico y común: el diodo rectificador. La Figura 4-1 muestra uno de estos diodos en un circuito con una batería y una resistencia.

Figura 4-1. Un diodo en polarización directa.

En este caso, el diodo permite el paso de la corriente y se dice que está conectado en polarización directa. Los dos conectores del diodo se llaman ánodo (a) y cátodo (k). Para que un diodo tenga polarización directa, el ánodo debe tener un voltaje superior al cátodo, como podemos ver en la Figura 4-1.

Una propiedad interesante de los diodos en polarización directa es que, a diferencia de las resistencias, el voltaje que los atraviesa no varía en proporción a la intensidad de la corriente. Antes al contrario, el voltaje permanece casi constante sin importar demasiado cuánta corriente fluye a través de estos. Esto varía dependiendo del tipo de diodo, pero generalmente está en torno a 0,5 V.

En el caso de la Figura 4-1, podemos calcular que el flujo de corriente que atraviesa la resistencia será de:

Esto no es más que 0,5 mA menos que si el diodo fuera sustituido por un conductor.

En la Figura 4-2, el diodo está conectado en sentido contrario. Es decir, está instalado en polarización inversa y el flujo de corriente que llega a la resistencia es casi nulo.

Figura 4-2. Un diodo en polarización inversa.

Análisis

El efecto de un solo sentido del diodo se puede utilizar para convertir (rectificar) la CA en CC (vea el Ejercicio 1.7). La Figura 4-3 muestra el efecto de un diodo sobre una fuente de voltaje de CA.

Figura 4-3. Rectificación de la CA.

Este efecto se conoce como rectificación de la CA (vea el Ejercicio 7.2). La parte negativa del ciclo no se utiliza. Esta no es verdadera CC porque, aun cuando el voltaje no adopta valores negativos (no cambia de sentido), varía desde 0 V hasta un máximo y vuelve a caer a 0 V, en lugar de mantenerse constante. La etapa siguiente consistiría en añadir un condensador en paralelo con la resistencia de carga que suavizaría la señal hasta dejarla en un voltaje de CC plano y casi constante.

Véase también

Para más información sobre el uso de diodos en fuentes de alimentación, vea el Ejercicio 7.2 y el Ejercicio 7.3.

4.2 Conozca sus diodos
Problema

Deseamos conocer los diferentes tipos de diodos y sus usos.

Solución

La Figura 4-4 muestra diferentes tipos de diodos. En general, cuanto mayor es el encapsulado del diodo, más potencia puede manejar. La mayoría de los diodos se presentan como un cilindro de plástico negro con una línea que marca el extremo del cátodo (o polo negativo para su conexión en polarización directa).

El diodo de la izquierda de la Figura 4-4 es un SMD para montaje (soldadura) en superficie. El resto de diodos para agujero pasante, a su derecha, van aumentando su tamaño según la corriente que pueden manejar.

Figura 4-4. Una selección de diodos.

Análisis

Hay muchos tipos diferentes de diodos. A diferencia de las resistencias, que se adquieren con valores de resistividad concretos, por ejemplo 1 kΩ, los diodos se identifican por el número de componente de cada fabricante.

Algunos de los diodos rectificadores de uso más común aparecen en la lista de la Tabla 4-1.

Tabla 4-1. Diodos de uso común.

El voltaje directo, abreviado a menudo como Vf, es el voltaje que atraviesa el diodo cuando se conecta en polarización directa. El voltaje o tensión de bloqueo CC es el voltaje de polarización inversa, cuyo valor, si es excedido, podría inutilizar el diodo.

El tiempo de recuperación de un diodo se refiere a la rapidez con la que es capaz de pasar de conducir la corriente en polarización directa al bloqueo de aquella en polarización inversa. Esto no sucede instantáneamente en ningún diodo y algunas aplicaciones precisan que este cambio se haga con celeridad (conmutación rápida).

El diodo 1N5819 se conoce como diodo Schottky. Este tipo de diodos presentan un voltaje directo mucho más bajo y disipan menos calor.

Véase también

Podemos encontrar la hoja de especificaciones de la familia de diodos 1N4000 en la dirección: http://bit.ly/2lOtD71.

4.3 Cómo usar un diodo para limitar los voltajes de corriente continua (CC)
Problema

Debemos utilizar un diodo para permitir el paso de voltajes hasta cierto valor.

Solución

Utilizaremos un diodo Zener.

Conectados en polarización directa, los diodos Zener se comportan como diodos ordinarios y conducen la electricidad. Sometidos a bajos voltajes, en polarización inversa, ofrecen una resistencia elevada, como los diodos normales. Sin embargo, cuando el voltaje en polarización inversa supera un cierto nivel, llamado voltaje o tensión de ruptura, estos diodos empiezan a conducir la corriente como si estuvieran conectados en polarización directa.

De hecho, los diodos ordinarios hacen lo mismo que los Zener, pero con voltajes mayores y que no han sido cuidadosamente controlados. La diferencia con un diodo Zener es que este se ha diseñado deliberadamente para que la ruptura ocurra cuando se alcance un voltaje concreto, digamos 5 V, y que alcanzarlo no lo dañe.

Análisis

Los diodos Zener resultan útiles para proporcionar un voltaje de referencia (vea el esquema en la Figura 4-5). Observe que el símbolo del diodo Zener es ligeramente distinto y presenta unos pequeños trazos en la parte del cátodo.

Figura 4-5. Uso de un diodo Zener para proporcionar un voltaje de referencia.

La resistencia R limita el flujo de corriente que atraviesa el diodo Zener. Siempre se da por hecho que esta corriente es muy superior a la que fluye hacia una carga a través del diodo.

Este circuito solo está bien adaptado para proporcionar un voltaje de referencia. Un voltaje de referencia proporciona un voltaje estable pero con casi ninguna corriente. Por ejemplo, cuando el circuito se usa con un transistor como en el Ejercicio 7.4. Así pues, una resistencia con un valor de 1 kΩ permitiría, con un Vin de 12 V, el paso de una corriente de:

El voltaje de salida se mantendría aproximadamente en 5 V con independencia del valor de Vin, siempre y cuando sea superior a esos 5 V. Para comprender cómo sucede esto, imaginemos que el voltaje que atraviesa el diodo Zener es inferior al voltaje de ruptura de 5 V. La resistencia del Zener será alta, como también lo será el voltaje que lo atraviese a causa del efecto divisor de voltaje de R, y en el Zener será superior al voltaje de ruptura. En este punto, como se ha superado el voltaje de ruptura, el diodo conducirá la electricidad y bajará el valor de Vout a 5 V. Si cae por debajo de ese valor, el diodo se apagará y el valor de Vout volverá a subir.

Los diodos Zener también se utilizan para proteger componentes electrónicos sensibles de los picos de alta tensión ocasionados por descargas estáticas o por equipos conectados incorrectamente. La Figura 4-6 muestra cómo una entrada a un amplificador, que no se espera que supere los ±10 V, se puede proteger de los altos voltajes tanto positivos como negativos. Cuando el voltaje de entrada queda dentro del rango permitido, el Zener opondrá una gran resistencia y no interferirá con la señal de entrada, pero, tan pronto como el voltaje se exceda en cualquier sentido, el Zener conducirá el exceso de tensión a tierra.

Figura 4-6. Protección de sobretensiones en las entradas.

Véase también

Aunque lo normal es utilizar un CI regulador de voltaje (vea el Ejercicio 7.4), se puede usar un diodo Zener combinado con un transistor para desempeñar la misma función.

4.4 Hágase la luz
Problema

Necesitamos un componente electrónico capaz de generar luz, pero que no consuma mucha energía.

Solución

Los LED (Light Emiting Diode, diodo emisor de luz) se comportan como los diodos ordinarios en el sentido de que, cuando los conectamos en polarización inversa, bloquean el flujo de corriente. Sin embargo, cuando los conectamos en polarización directa, emiten luz al paso de la misma.

El voltaje directo de un LED es superior a los 0,5 V usuales en un diodo rectificador y depende del color LED. Generalmente, un LED estándar rojo presenta un voltaje directo de 1,6 V aproximadamente.

Análisis

La Figura 4-7 muestra un LED en serie con una resistencia. La resistencia es necesaria para evitar que fluya mucha corriente a través del LED y lo dañe.

Figura 4-7. Alimentación de un LED.

Un LED emitirá luz con una corriente de 1 mA, pero serán necesarios 20 mA para alcanzar un brillo óptimo. La hoja de especificaciones del LED nos indicará los valores de corriente directa óptimo y máximo.

Como ejemplo, si en la Figura 6-5 la fuente de tensión es una batería de 9 V y el LED presenta un voltaje directo de 1,6 V, podemos calcular el valor de la resistencia que necesitaremos gracias a la ley de Ohm:

370 Ω no es un valor común para una resistencia (vea el Ejercicio 2.2) así que optaríamos por una de 360 Ω, en cuyo caso la corriente sería:

Que es un valor perfectamente válido.

Encontrar los valores de resistencia adecuados para limitar la corriente en los LED es una tarea tan habitual que no hace falta realizar el cálculo una y otra vez. En el Ejercicio 14.1 veremos una regla práctica para seleccionar la resistencia limitadora de corriente necesaria.

Véase también

Para más información sobre la alimentación de diferentes tipos de LED, vea el Capítulo 14.

4.5 Detección de luz
Problema

Deseamos obtener una lectura de la luminosidad del entorno.

Solución

Utilizar un fotodiodo. También podríamos usar una fotorresistencia (Ejercicio 2.8) o un fototransistor (Ejercicio 5.7).

Un fotodiodo es un diodo sensible a la luz. Un fotodiodo suele tener una ventana transparente, pero los diseñados para la luz infrarroja (IR) van encapsulados en plástico negro. La camisa de plástico negro es transparente a la radiación IR y los aíslan del resto del espectro.

Los fotodiodos se pueden considerar también pequeñas células solares fotovoltaicas. Cuando se los ilumina, generan una pequeña corriente eléctrica. La Figura 4-8 muestra la manera de utilizar un fotodiodo con una resistencia para producir un pequeño voltaje que podremos, luego, usar en nuestros circuitos.

Figura 4-8. Un fotodiodo en modo fotovoltaico.

En este circuito, una iluminación brillante se podría conseguir solo con 100 mV.

La resistencia es necesaria para que la pequeña corriente del fotodiodo se convierta en un voltaje (V=IR). De otro modo, cualquier voltaje que midamos dependerá de la resistencia (llamada impedancia cuando no es de una resistencia en cuanto dispositivo electrónico) de lo que quiera que esté midiendo el voltaje. Así, un multímetro con una impedancia de entrada de 10 MΩ ofrecería una lectura completamente distinta, e inferior, a otro que ofreciese una impedancia de entrada de 100 MΩ.

R1 hace consistente el voltaje. La impedancia de lo que conectemos a la salida tiene que ser mucho más grande que el valor de R1. Si se trata de un amplificador operacional (vea el Capítulo 17) la impedancia de la entrada estará en el entorno de los centenares de MΩ y, por tanto, no alterará el voltaje de salida de forma apreciable. Cuanto menor sea el valor de R1, menor será el voltaje de salida, así que es necesario llegar a un equilibrio.

Se puede lograr mejor sensibilidad usando el fotodiodo en modo fotoconductivo con una fuente de voltaje (Figura 4-9).

Figura 4-9. Un fotodiodo en modo fotoconductivo.

Análisis

Los fotodiodos son muy lineales, así que se utilizan a menudo en fotómetros. Asimismo, responden con mucha rapidez y se los utiliza con frecuencia en sistemas de telecomunicaciones para detectar señales ópticas.

Véase también

Las fotorresistencias (Ejercicio 12.6) y los fototransistores (Ejercicio 5.7) se suelen utilizar más que los fotodiodos porque son más sensibles.

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