8 Electricidad
En esta página iremos sumando algunos conocimientos básicos de electricidad y electrónica para poder hacer los circuitos que gobernará la placa Arduino.
Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos unidos por un conductor de la electricidad que cuenta, además con una fuente de energía, responsable de la circulación de la corriente. Estos elementos deben cumplir ciertas condiciones para que funcionen adecuadamente, es decir que no les llegue mucha energía que termine dañándolos, ni poca energía que no les permita funcionar. De estas cuestiones vamos a ocuparnos a partir de ahora.
El funcionamiento de cualquier circuito eléctrico está basado en la relación entre 3 parámetros físicos: Tensión (o Voltaje), Intensidad de Corriente y Resistencia. Se relacionan entre sí a través de una muy sencilla ecuación ya que Tensión es igual al producto de la Intensidad de Corriente por la Resistencia o en formato matemático V = I x R
Vamos a definirlos: Tensión o Voltaje: magnitud física que da cuenta de la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Si esta diferencia se establece en un circuito cerrado, las cargas eléctricas viajarán desde el punto de mayor potencial, hasta el de menor potencial, estableciéndose una corriente. Se mide en Voltios.
Intensidad de Corriente: magnitud física que da cuenta de la velocidad con la que circulan las cargas eléctricas en un circuito cerrado. Se mide en Ampere.
Resistencia: magnitud física que da cuenta de cuánto se opone un determinado material a la circulación de la corriente. Se mide en Ohm. También se conoce como resistencia a los componentes de circuitos electrónicos que se utilizan para disminuir la corriente que circula en un determinado circuito.
Sabiendo esto, tenemos que tener en cuenta que si un dispositivo está fabricado para funcionar con 9 voltios y lo conectamos a 3V, no va a funcionar, y si lo conectamos a 20V va a quemarse por lo que hay que ver las especificaciones técnicas de cada producto para su correcto funcionamiento. ¿Se puede energizar un circuito con mayor voltaje del que soporta el elemento conectado? Esto es posible y vamos a explicarlo con un ejemplo: la placa Arduino tiene unos pines de salida que entregan 5V y si uno quiere conectar un led, se quemaría. La solución es incorporar al circuito una resistencia de un valor determinado para generar una caída de tensión y que el led funcione sin quemarse.
Otra de las cuestiones a la que hay que prestar atención es al consumo de corriente, ya que cada dispositivo tiene un valor máximo de corriente que soporta, el cual también figura en las especificaciones del producto. Volvemos a ejemplificar con la placa Arduino: se podría automatizar un ascensor para que cuando una persona se acerque al mismo, no tenga que apretar el botón, sino que detecte que en el sexto piso hay alguien esperando y el ascensor vaya a ese piso. Obviamente la placa no soportaría aportar la corriente necesaria para mover el motor de un ascensor y si lo conectáramos, el motor terminaría quemando la placa Arduino, además de no funcionar. ¿Habría alguna solución? Si la hay; existe un componente, el relay o releé que funciona con baja corriente en la entrada (que es lo que se conectaría a la placa Arduino para que reciba la señal eléctrica) y tiene la capacidad de funcionar con corrientes altas en la salida (aquí se conectaría el motor del ascensor). De esta manera no se quemaría la placa Arduino.
Ejemplo con la placa Arduino
Otra cosa que hay que tener en cuenta es que la mayoría de los elementos tienen polaridad, por lo tanto no se pueden conectar de cualquier manera, hay que fijarse cuál es su polo positivo (se simboliza con el signo + o con el color rojo) y cuál es su polo negativo (se simboliza con el signo -, con el color negro, la palabra "ground" o las letras "gnd"). Los leds tienen sus conectores de diferente tamaño, el más corto es el negativo y si se conecta al revés no funciona. Un motor gira en un sentido o en el sentido contrario si se invierten los cables. Los foquitos, interruptores y resistencias no tienen polaridad, pueden conectarse de cualquier manera.
En el caso de los sensores que se utilizan con Arduino, los conectores positivos pueden estar identificados con las letras "vcc" y los negativos con "gnd", con ellos se energiza el sensor. Además tienen otro conector para enviar los datos a la placa y en el caso del sensor ultrasónico hay un cuarto conector para recibir datos.
Teniendo presente estos cuidados, pasamos a armar nuestros circuitos. Para que circule corriente, el circuito tiene que estar cerrado. es decir, si seguimos el recorrido comenzando por ejemplo por la batería, deberíamos pasar por los cables y todos los elementos que forman parte del circuito sin que haya espacios vacíos. El interruptor es quien se ocupa de abrir y cerrar un circuito por lo que prender una luz, una radio, hacer funcionar una batidora o cerrar una puerta, son acciones que se realizan gracias a los interruptores que cierran los circuitos permitiendo el paso de la corriente.
Como pueden observar en la imagen anterior, los leds y las resistencias están montadas en una base plástica agujereada que se llama Protoboard y sirve para armar circuitos y desmontarlos para reutilizar los componentes en otro proyecto, todo sin soldaduras.
Vamos a aprender como se usa. La Protoboard tiene 3 partes: dos filas arriba identificadas con color rojo y azul, una zona central identificada con números en las columnas y letras en las filas, y nuevamente dos filas abajo, exactamente igual a las de arriba.
Las filas de arriba y abajo se utilizan para energizar los circuitos construidos en la parte central de la protoboard; por eso, conectaremos el pin de 5V de la placa Arduino a cualquiera de los agujeros cercanos a la línea roja (+) y el pin gnd de la placa Arduino a cualquiera de los agujeros cercanos a la línea azul (-), de esta forma, con un solo pin de la placa podemos dar energía a muchos elementos (por lo general sensores). Los agujeros en las dos líneas superiores e inferiores están conectados entre sí en forma horizontal, tal como muestran las trazas de color rojo y azul. En cambio, la zona central tiene los conectores verticales, es por ello que al colocar cualquier elemento hay que tener cuidado que sus pines no estén en la misma columna (número), para evitar un cortocircuito.
La hendidura central divide esta zona en dos para hacer circuitos más complejos, cada columna numerada está conectada entre las filas a, b, c, d, e; mientras que las filas f, g, h, i, j, tienen una conexión aparte. así que es como tener dos protoboard en una.
En la siguiente imagen analizaremos como está armado el circuito en la protoboard.
Podemos ver los cables negro y rojo que vienen de una batería, conectados a las líneas superiores para darnos una tensión de 9V. Tanto el led como el capacitor se conectan a diferentes columnas y toman tensión de la fila superior.El segundo pin del led se conecta con una resistencia (cable celeste) para bajar la tensión y evitar que se queme con los 9V. El segundo pin está encolumnado con el pin del pulsador que a su vez cierra el circuito con el cable rojo que vuelve a la batería
Los semiconductores
Son elementos que se pueden incorporar en los circuitos eléctricos cuya principal característica es que conducen la corriente en un sólo sentido, es decir, son conductores en un sentido y aislante en sentido contrario.
Nosotros vamos a utilizar dos semiconductores: los diodos para evitar que la corriente circule hacia algún lugar en particular o que no circule en sentido inverso al deseado, y los leds (sigla proveniente del inglés, light emitting diode) que son diodos emisores de luz. Al conectarlos es fundamental asegurarse cuál es el (-) y cuál es el (+) porque si se conectan al revés, no funcionan.
Los condensadores
También conocidos como capacitores, cumplen la función de almacenar carga para ser utilizada en el momento requerido. Su capacidad de mide en Faradios
¿Querés ver unos videos para aprender algunos conceptos de electricidad?