La electrónica, hoy por hoy es una ciencia que de un día para el otro no se puede aprender todo lo que abarca esta materia en si (por lo menos como la tabla del dos no).
Lo único que podemos hacer nosotros los educadores desde nuestra humilde posición, es tan solo acercarles los conceptos más básicos y fundamentales, para crearle un concepto inicial en esta temática, en la cual usted pueda comprender y defenderse. No crea que nuestra intención es la de formar y o crear a un Técnico… No, aclaremos bien este punto; Nuestra intensión es la de ayudarlo a comprender la electrónica, y que esta ciencia, se incorpore dentro de sus conocimientos, como una herramienta mas para desenvolverse en su rol de hobista, u bien, para poder ampliar un poco mas el desenvolvimiento de sus roles y expectativas laborales. Con esto ultimo, no digo que al finalizar el curso usted va a poder abrir una casa de reparaciones de TV… Lo que quise decir es que usted, puede aplicar los conocimientos básicos en momentos en los cuales notemos que nuestras bases y fundamentos adquiridos, nos están ayudando a comprender un problema y vemos que esta dentro de nuestros limites el poder resolverlo… Recuerde, si no entiende, no toque, ya que podríamos averiar más de lo que estaba el equipo, u bien, podríamos estar exponiéndonos a peligros que sin noción, pueden ser nocivos para nuestra salud…
Hay diversidades de cursos y métodos de estudios, que por lo general los lectores suelen tomar por costumbre comprar, o bajar sin previa consulta del material y nivel que esta enfocado el curso que van a adquirir. Al tener la obra en sus manos, notan que esta tiene un gran volumen de teoría y el lector comienza con total énfasis a leerla hasta llegar a la mitad del curso, para luego abandonar y comenzar a efectuar sus prácticas con el primer artefacto averiado que les caiga en sus manos… De ahí, el 1er error por parte del aprendiz, el cual los lleva a limitarse personalmente a poder comprender en su totalidad los fundamentos más básicos de la electrónica, que por ende, los lleva a rebotar y chapucear siempre y nunca llegar a nada.
En el presente curso, voy a intentar ser lo mas claro y practico posible para acercarles un nuevo método de formación, que puede ser igual o casi similar al método de enseñanza de varios colegas que ofrecen sus servicios de formación on-line y por lo general, es el método de formación más eficiente…”La teoría practica”…
Antes de iniciar con el curso, les recomiendo descargar nuestro laboratorio virtual y familiarizarse con este para luego poder proseguir con el curso.
La corriente eléctrica es un flujo ordenado de electrones que atraviesa un material. Llamamos flujo, al movimiento de un lado a otro, osea, al sentido de circulación de un objeto. Algunos materiales como los "conductores" tienen electrones libres que pasan con facilidad de un átomo a otro. Estos electrones libres, si se mueven en una misma dirección conforme saltando de un átomo a otro átomo, esta acción repetitiva se vuelve en su conjunto, una corriente eléctrica. Pero a que llamamos “electrones libres”? Bien, hagamos tan solo unos pasos para atrás, y veamos con mas detalles el tema... estudiemos la estructura de la materia....
La materia se divide en moléculas, las cuales a su vez se dividen en átomos. Estos átomos se componen de dos partes: el núcleo y la periferia.
En el núcleo del átomo se encuentran:
- Los protones con carga eléctrica positiva
- Los neutrones que como su nombre insinúa, no tienen carga eléctrica osea, son neutros.
En la periferia se encuentran:
- Los electrones con carga eléctrica negativa.
Esta imagen les muestra como seria la estructura del átomo:
En el átomo el número de electrones es igual al número de protones, por lo que se dice que el átomo es eléctricamente neutro.
# de protones = # de electrones
Hay algunos electrones que se encuentran en las órbitas más alejadas del núcleo, por lo que podrían liberarse fácilmente. Estos electrones son los llamados electrones de valencia y como mencionamos al principio del tema, estos son los famosos escurridizos que suelen saltar de átomo en átomo cambiando su carga.
Si un material tiene muchos electrones libres en su estructura se le llama conductor y si tiene pocos electrones libres se le llama aisladores o aislantes
Algunos ejemplos:
Conductores: Oro, plata, aluminio, cobre, etc.
Aisladores o aislantes: cerámica, vidrio, madera, papel, etc.
...Se preguntaran, que es lo que motiva el salto de los electrones libre... ¿Verdad?
Cuando se coloca un material eléctricamente neutro entre dos cuerpos cargados con diferente potencial, los electrones se moverán desde el cuerpo con potencial más negativo hacia el cuerpo con potencial más positivo. Ahora el tema es saber como comienza el circo con su función si tenemos todos los átomos iguales... Pues bien para lograr que este movimiento de electrones se de en un sentido o dirección, es necesario una fuente de energía externa que motive el flujo. Esta fuente de energía externa, será un átomo que esté situado en cercanías de la orbita de un electrón valenciano de otro átomo. Como mencionamos anteriormente, las cargas negativas, son atraídas por las cargas positivas. El núcleo, al tener una carga positiva, atrae a su orbita todos aquellos electrones valencianos de otros átomos que estén cerca de este...osea, en ves de mantener la orbita con el núcleo original, se ven atraídos por otro núcleo que se encuentra mas cercano y saltan anexándose en la orbita de un nuevo núcleo. Este salto, esta adición de un electrón a la orbita del átomo, cambia repentinamente el estado de carga convirtiéndose en:
Cuando a un átomo de cualquier materia le falta un electrón o más se le llama: Ión positivo
Cuando a un átomo de cualquier materia le sobra un electrón o más se le llama: Ión negativo
A modo de síntesis, podemos decir que la electricidad es la acumulación o movimientos de electrones que han sido sacados de sus orbitas originales, para sumarse a la orbita de otro átomo nuevo. Estos electrones libres, al ser sacados de sus orbitas, se mueven con facilidad por la materia, a lo cual, esta acción se la denomina “Corriente Eléctrica”.
Tipos de Corrientes Electricas
Dijimos anteriormente, que se llama corriente eléctrica, al paso ordenado de electrones a través de un conductor.
Pero se puede hacer que estos electrones pasen siempre en la misma dirección (corriente continua) o que cambien el sentido de paso e incluso que varíe la cantidad de electrones que pasan cada vez (corriente alterna).
Corriente continua (c.c.)
Corriente continua (c.c.)
La tensión eléctrica es la diferencia de potencial eléctrico provocado por la acumulación de cargas en un punto o en un material. Si un material se le quitan electrones, su carga eléctrica total será positiva (recordar que se le está quitando a un átomo neutro (no tiene carga) electrones de carga negativa. Esto causa que el ámo ya no sea neutro sino que tenga carga positiva).
Ver que en este caso hay un el átomo que supuestamente en su núcleo tiene 6 protones (carga positiva) y 8 electrones (carga negativa) en su estado originario. Como se aprecia en la imagen, al perder dos electrones, este átomo quedaría en conclusión con una carga total que es positiva.
Al material se le quitan electrones y su carga total será positiva
Si ahora al material se aumentan electrones (tiene ahora mas de los que tiene cuando el átomo es neutro), su carga total será negativa…
Ver que en este caso hay en el átomo 6 protones (carga positiva) y 8 electrones (carga negativa). En conclusión la carga total es negativa
Al material se le agregan electrones y su carga total será negativa
Si se tienen dos materiales con diferentes niveles o tipos de carga, se dice entonces que hay una diferencia de potencia entre ellos. Para poder lograr cargar de alguna manera los materiales, es necesario aplicar energía al átomo.
Hay varios métodos para lograrlo:
- por frotamiento
- por presión
- por calor
- por magnetismo
- por una acción química
La unidad en que se mide la diferencia de potencial son los voltios (V)
Ahora bien; Me resulta un poco difícil quizá tratar de explicarles y mostrarles lo anteriormente visto, sin un laboratorio e instrumentos adecuados, así que por el momento, deberemos tratar de confiar en mi palabra, y tomar mi explicación como un supuesto casi perfecto.
Ahora, tratemos de verlo de otra manera, que quizá les sea mas practico entenderlo…
Pues bien, algunos tipos de materiales están compuestos por átomos que pierden fácilmente sus electrones, y éstos pueden pasar de un átomo a otro. Cuando estos electrones se mueven entre los átomos de la materia, se crea una corriente de electricidad. Es lo que sucede en los cables que llevan la electricidad a su hogar: a través de ellos van pasando los electrones, y lo hacen casi a la velocidad de la luz.
Sin embargo, es conveniente saber que la electricidad fluye mejor en algunos materiales que en otros, pues hay buenos o malos conductores de la energía.
Por ejemplo, la resistencia que un cable ofrece al paso de la corriente eléctrica depende y se mide por su grosor, longitud y el metal de que está hecho. A menor resistencia del cable, mejor será la conducción de la electricidad en el mismo.
El oro, la plata, el cobre y el aluminio son excelentes conductores de electricidad. Los dos primeros resultarían demasiado caros para ser utilizados en los millones de kilómetros de líneas eléctricas que existen en el planeta; de ahí que el cobre sea utilizado más que cualquier otro metal en las instalaciones eléctricas.
La fuerza eléctrica que “empuja” los electrones es medida en Voltios.
Así como se miden y se pesan las cosas que usamos o consumimos normalmente, también la energía eléctrica se mide en Watts-hora. El Watt es una unidad de potencia y equivale a un Joule por segundo. Para efectos prácticos, en nuestra factura de consumo de energía eléctrica se nos cobra por la cantidad de kiloWatts-hora (kWh) que hayamos consumido durante un periodo determinado (generalmente, dos meses). Un kiloWatts-hora equivale a la energía que consumen:
Un foco de 100 watts encendido durante diez horas
10 focos de 100 watts encendidos durante una hora
Una plancha utilizada durante una hora
Un televisor encendido durante veinte horas
Un refrigerador pequeño en un día
Una computadora utilizada un poco más de 6 horas y media
Recuerde que “kilo” significa mil, por lo que un “kiloWatt”-hora equivale a mil Watts-hora.
En los campos de la generación y consumo de electricidad, se utilizan los megaWatts (MW), equivalentes a millones de Watts; los gigaWatts (GW), miles de millones; y los teraWatts (TW), billones de Watts.
La “Corriente Continua”
La corriente continua se puede obtener por medio de métodos químicos, como lo hacen las pilas y baterías, por métodos mecánicos como lo hace una dinamo, o por otros métodos, fotovoltaico, par térmico, etc.
Corriente continua (c.c.)
Por tratarse de un valor de tensión que permanece constante en el tiempo, dificulta la interrupción de la misma cuando los valores son elevados, por lo que se utiliza en aparatos de muy baja tensión, hasta 24 Voltios.
Antiguamente también se utilizaba en motores de gran potencia en los que deseábamos controlar la su velocidad, pero hoy en día esto está casi en desuso.
El valor que caracteriza a la corriente continua es el voltaje (Vcc), que permanece invariante en el tiempo.
El aparato que convierte la corriente alterna en corriente continua se llama fuente de alimentación.
Para ser mas precisos, la Corrientes continua es el resultado de el flujo de electrones (carga negativa) por un conductor (alambre de cobre casi siempre), que va del terminal negativo al terminal positivo de la batería, pasando por el foco / bombillo.
No es equivocación, la corriente sale del terminal negativo y termina en el positivo. Lo que sucede es que es un flujo de electrones que tienen carga negativa.
La cantidad de carga de electrón es muy pequeña. Una unidad de carga muy utilizada es el Coulomb (mucho más grande que la carga de un electrón).
1 Coulomb = la carga de 6.280.000.000.000.000.000 electrones, o en notación científica: 6.28 x 1018 electrones
Para ser consecuentes con nuestro gráfico y con la convención existente, se toma a la corriente como positiva y ésta circula desde el terminal positivo al terminal negativo. Lo
que sucede es que un electrón al avanzar por el conductor va dejando un espacio [hueco] positivo que a su vez es ocupado por otro electrón que deja otro espacio [hueco] y así sucesivamente, generando una serie de huecos que viajan en sentido opuesto al viaje de los electrones y que se puede entender como el sentido de la corriente positiva que se conoce.
La corriente es la cantidad de carga que atraviesa la lámpara en un segundo, entonces
Corriente = Carga en coulomb / tiempo ó I = Q / T
Si la carga que pasa por la lámpara es de 1 coulomb en un segundo, la corriente es de 1 amperio
Veamos un sencillo ejemplo:
Si por la lámpara o bombillo pasa una carga de 14 coulomb en un segundo, entonces la corriente será:
I = Q / T = 14 coulomb / 1 segundo = 14 amperios
La corriente eléctrica se mide en (A) Amperios y para circuitos electrónicos generalmente se mide en mA (miliamperios) o (uA) microamperios. Ver las siguientes conversiones.
1 mA (miliamperio) = 0.001 A (Amperios)
1 uA (microAmperio) = 0,000001 A (Amperios)
La “Corriente Alterna”
La corriente alterna se puede obtener por métodos mecánicos como lo hace un alternador, o por conversión de la corriente continua en alterna, el aparato que hace esto se llama inversor.
En si, la corriente alterna se trata de un valor de tensión que varia constantemente en el tiempo, tomando valores positivos, cero y negativos, y asi sucesivamente volviéndose a repetir el mismo proceso en forma constante.
El siguiente gráfico aclara el concepto:
En este caso el gráfico muestra el voltaje (que es también alterno) y tenemos que la magnitud de éste varía primero hacia arriba y luego hacia abajo (de la misma forma en que se comporta la corriente) y nos da una forma de onda llamada: onda senoidal.
El voltaje varía continuamente, y para saber que voltaje tenemos en un momento específico, utilizamos la fórmula;
V = Vp x Seno (Θ)
Donde Vp = V pico (ver gráfico) es el valor máximo que obtiene la onda y Θ es una distancia angular y se mide en grados.
Aclarando un poco esta última parte y analizando el gráfico anterior, se ve que la onda senoidal es periódica (se repite la misma forma de onda continuamente). Si se toma un período de ésta (un ciclo completo), se dice que tiene una distancia angular de 360o. ;Y con ayuda de la fórmula que ya dimos, e incluyendo Θ (distancia angular para la cual queremos saber el voltaje) obtenemos el voltaje instantáneo de nuestro interés.
Para cada distancia angular diferente el valor del voltaje es diferente, siendo en algunos casos positivo y en otros negativo (cuando se invierte su polaridad.)
FRECUENCIA (f): Si se pudiera contar cuantos ciclos de esta señal de voltaje suceden en un segundo tendríamos: la frecuencia de esta señal, con unidad de ciclos / segundo, que es lo mismo que Hertz o Hertzios.
PERIODO(T): El tiempo necesario para que un ciclo de la señal anterior se produzca, se llama período (T) y tiene la fórmula: T = 1 / f, o sea el período (T) es el inverso de la frecuencia. (f)
VOLTAJE PICO-PICO(Vpp): Analizando el gráfico se ve que hay un voltaje máximo y un voltaje mínimo. La diferencia entre estos dos voltajes es el llamado voltaje pico-pico (Vpp) y es igual al doble del Voltaje Pico (Vp) (ver gráfico)
VOLTAJE RMS.(Vrms): Se puede obtener el voltaje equivalente en corriente continua (Vrms) de este voltaje alterno con ayuda de la fórmula Vrms = 0.707 x Vp. (Este valor de voltaje es el que obtenemos cuando utilizamos un voltímetro.)
Voltaje, tensión o diferencia de potencial
Para lograr que una lámpara como la de la figura se encienda, debe circular por los cables a los cuales está conectada, una corriente eléctrica.
Para que esta corriente circule por los cables debe existir una fuerza, llamada Fuente de fuerza electromotriz o (para entender mejor) una batería (en el caso de corriente continua), que es simplemente una fuente de tensión., que tiene unidad de voltios.
- 1 kilovoltio = 1000 voltios (volts)
- 1 milivoltio = 1 / 1000 = 0.001 voltios (volts)
Normalmente las fuentes de tensión tienen en su salida un valor fijo.
Ejemplo: 3 Voltios, 6 Voltios 9 Voltios 12 Voltios, etc., pero hay casos de fuentes de tensión de salida variable, que tienen usos especiales. Cuando hablamos del voltaje de una batería o el voltaje que se puede obtener de un tomacorriente que sale de la pared, estamos hablando de una tensión.
En el primer caso es una fuente de tensión de corriente directa y en el segundo una fuente de tensión de corriente alterna. Tal vez la forma más fácil de entender el significado de una tensión es haciendo una analogía con un fenómeno de la naturaleza.
Si comparamos el flujo de la corriente continua con el flujo de la corriente de agua de un río y a la tensión con la altura de una catarata (caída de agua), se puede entender a que se refiere el término tensión.
Dos casos posibles:
- Una fuente que entregue mucho voltaje pero poca corriente, el caso de una caída de agua muy alta con poco caudal
- Una fuente que entregue poco voltaje pero mucha corriente, caso de una caída de agua muy pequeña pero con mucha agua (mucho caudal).
Un caso interesante es aquel en que la fuente puede entregar mucho voltaje y mucha corriente, caso en que habría una caída de agua muy alta y un caudal muy grande. Este caso en especial nos indicaría que tenemos una fuente de tensión con gran capacidad de entrega de potencia
Magnitudes
Repasando algunos conceptos, como se recordará, la materia está constituida por moléculas, que a su vez están constituidas por átomos. El átomo, lo forman un núcleo que contiene protones y neutrones, y alrededor de dicho núcleo giran los electrones.
Cuando el número de protones y de electrones coincide en un átomo, se dice que es neutro. Cuando el número de electrones es menor que el de protones, se dice que el átomo está cargado positivamente.
Y cuando el número de electrones es mayor que el de protones, se dice que está cargado negativamente.
La carga eléctrica (q) de un cuerpo expresa el exceso o defecto de electrones que hay en sus átomos. Su unidad es el Culombio (C). 1 Culombio equivale a 6,25 x1018 electrones.
La intensidad (I), es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor en una unidad de tiempo.
I = q /t
Las unidades son:
Amperios = Culombios /segundo
Para que los electrones se desplacen por un conductor es necesaria una diferencia de potencial o fuerza electromotriz (V) entre sus extremos. Su unidad es el Voltio. Esto se consigue conectando cargas de distinto signo en sus extremos.
Fuerza electromotriz que impulsa la corriente de electrones a través un conductor
La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm.
Es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son:
1-Tensión o voltaje (E), en volt (V).
2-Intensidad de la corriente (I), en ampere (A) o sus submúltipos.
3-Resistencia (R) de la carga o consumidor conectado al circuito en ohm (Ω), o sus múltiplos.
Circuito eléctrico compuesto por una pila de 1,5 volt,
una resistencia o carga eléctrica y el flujo de una intensidad de corriente
Tensión o voltaje (E-V) = Intensidad de la corriente (I) -multiplicada por- Resistencia (R) /osea V=IxR
Intensidad de la corriente (I) = Tensión o voltaje (E), en volt (V) –dividido por- Resistencia (R) /osea I=V/R
Resistencia (R) = Tensión o voltaje (E), en volt (V) –dividido por- Intensidad de la corriente (I) /osea R=V/I
Debido a la existencia de materiales que dificultan más el paso de la corriente eléctrica que otros, cuando el valor de la resistencia varía, el valor de la intensidad de corriente en ampere también varía de forma inversamente proporcional. Es decir, si la resistencia aumenta, la corriente disminuye y, viceversa, si la resistencia disminuye la corriente aumenta, siempre y cuando, en ambos casos, el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante.
Por otro lado, de acuerdo con la propia Ley, el valor de la tensión es directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si el voltaje aumenta o disminuye el amperaje de la corriente que circula por el circuito aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la resistencia conectada al circuito se mantenga constante.
Ahora veamos un sencillo caso práctico de como hallar los valores de Resistencia, Intensidad y Voltaje mediante la ley de OHM.
HALLAR EL VALOR EN OHM DE UNA RESISTENCIA
Por ejemplo, si queremos calcular la resistencia “R” en ohm de una carga conectada a un circuito que tiene aplicada una tensión o voltaje “V” de 1,5 volt y por el cual circula un flujo de corriente de 500 miliampere (mA) de intensidad, lo podemos hacer de la siguiente forma:
Tapamos “R”, que representa el valor de la incógnita que queremos despejar, en este caso la resistencia “R” en ohm, y nos queda:
Es decir, el valor de la tensión o voltaje “V”, dividido por el valor de la corriente “A” en ampere. El resultado será el valor de la resistencia “R” que deseamos hallar.
En el caso de este ejemplo específico tenemos que el valor de la tensión que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM), o sea, la batería, es de 1,5 volt, mientras que la intensidad de la corriente que fluye por el circuito eléctrico cerrado es de 500 miliampere (mA).
Pero antes de poder realizar correctamente esa simple operación matemática de división, será necesario convertir primero los 500 miliampere en ampere, pues de lo contrario el resultado sería erróneo. Para hacer la conversión dividimos 500 mA entre 1000:
Hecha esta conversión tenemos como resultado que 500 miliampere equivalen a 0,5 ampere, por lo que ya podemos proceder a sustituir los valores para hallar cuántos ohm tiene la resistencia del circuito eléctrico con el que estamos trabajando.
El resultado muestra que el valor de la resistencia “R” conectada al circuito es de 3 ohm.
HALLAR EL VALOR DE INTENSIDAD DE LA CORRIENTE
Veamos ahora qué ocurre con la intensidad de la corriente si la resistencia, en lugar de tener 3 ohm, como en el ejemplo anterior, tiene 6 ohm. En este caso la incógnita a despejar sería el valor de la corriente “A”, por tanto tapamos esa letra:
Sustituimos a continuación la “V” por el valor de la tensión de la batería, es decir, 1,5 V y la “R” por el valor de la resistencia (6 ohm) y efectuamos la operación matemática dividiendo el valor de la tensión o voltaje entre el valor de la resistencia:
En este resultado podemos comprobar que, efectivamente, la resistencia es inversamente proporcional al valor de la corriente, porque al aumentar el valor de “R”, de 3 a 6 ohm, la intensidad “A” de la corriente varió también, disminuyendo su valor de 0, 5 a 0,25 ampere.
HALLAR EL VALOR DE LA TENSIÓN O VOLTAJE
Para hallar ahora la tensión o voltaje “V” aplicado a un circuito, conociendo el valor de la intensidad de la corriente en ampere “A” que lo recorre y el valor en ohm de la resistencia “R” del consumidor o carga a éste conectada, podemos seguir el mismo procedimiento tapando ahora la “V”, que será la incógnita a despejar.
Sustituimos los valores de la intensidad de corriente “A” y de la resistencia “R” del ejemplo anterior y tendremos:
El resultado de esa operación de multiplicar será 1,5 V, que es la diferencia de potencial o fuerza electromotriz (FEM), que proporciona la batería conectada en el circuito.
Los más entendidos en matemáticas pueden utilizar directamente la fórmula general de la Ley de Ohm realizando los correspondientes despejes para hallar las incógnitas. Para hallar el valor de la intensidad “I” se parte de la representación matemática de la fórmula general:
De donde:
I – Intensidad de la corriente que recorre el circuito en ampere (A)
E – Valor de la tensión, voltaje o fuerza electromotriz en volt (V)
R – Valor de la resistencia del consumidor o carga conectado al circuito en ohm.
Para hallar la resistencia, despejamos la “R” en la fórmula de la forma siguiente:
Y para hallar la tensión despejamos la fórmula así:
Las leyes de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845, mientras aún era estudiante. Son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para obtener los valores de la corriente y el potencial en cada punto de un circuito eléctrico. Surgen de la aplicación de la ley de conservación de la energía. En un circuito eléctrico, es común que se generen nodos de corriente. Un nodo es el punto del circuito donde se unen más de un terminal de un componente eléctrico. Si lo desea pronuncie “nodo” y piense en “nudo” porque esa es precisamente la realidad: dos o más componentes se unen anudados entre sí (en realidad soldados entre sí). En la siguiente figura se puede observar el mas básico de los circuitos de CC (corriente continua) que contiene dos nodos