Electrónica para makers

Guía completa

Paolo Aliverti

• Editorial: Marcombo
• Año: 2019
• ISBN del libro electrónico: 9788426727787
• Categoría: Physical Sciences
• Categoría: Physics

Un maker es un artesano digital, un entusiasta que utiliza nuevas herramientas para transformar sus propias ideas en proyectos concretos. Este libro recoge la experiencia de makers expertos que comparten sus conocimientos para ayudar a otros makers a llevar a cabo el maravilloso viaje hacia el (re)descubrimiento del construir. El movimiento de los makers, las impresoras 3D y Arduino han suscitado un nuevo interés por la electrónica. Cada vez más entusiastas, curiosos e innovadores se acercan a nuevas y potentes tecnologías para crear prototipos y circuitos complejos. Sin embargo, para realizar proyectos realmente completos, no basta con saber programar Arduino, sino que se necesitan también conocimientos de electrónica. Este libro propone al lector una serie de ideas teóricas y prácticas para entender la fascinante materia de la electrónica y desarrollar de forma autónoma sus propios proyectos. La guía incluye las secciones teóricas necesarias para explicar y entender los experimentos, así como numerosos ejercicios y aplicaciones prácticas. ¿Qué componentes podemos utilizar además de ledes y botones? ¿Cómo funciona un transistor y para qué sirve? ¿Cómo se amplifica una señal? ¿Cómo se alimenta un prototipo? ¡Todo cuánto se necesita para llegar a ser un verdadero mago de la electrónica para makers! Entre los temas tratados - Los componentes electrónicos: resistores, ledes, servomotores, micrófonos... - Construir circuitos con placas de pruebas y placas perforadas. - Diodos, transistores y circuitos integrados. - Trabajar con señales: filtros, moduladores, amplificadores… - Electrónica digital: generadores de reloj, biestables, convertidores… - Microcontroladores: chips AVR y ATtiny85. - Del prototipo al producto: circuitos impresos, gEDA, Fritzing.

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Circuitos electrónicos, corrientes y tensiones

Para diseñar circuitos y entender el comportamiento de los dispositivos electrónicos, cabe empezar por los conceptos básicos. Hablaremos de corrientes, tensiones, resistencias y de las coincidencias que las unen. Para explicar todos estos conceptos, compararemos la corriente eléctrica con una corriente de agua.

Empezamos nuestra aventura con una parte un poco aburrida, cosa que, por otro lado, siempre es así. Para escalar una montaña debemos dejar el coche abajo para, después, sumergirnos por aburridos caminos escondidos en el bosque antes de ver aparecer las majestuosas cimas cubiertas de nieve. En las siguientes páginas, repasaremos un poco de teoría y trataremos de entender qué son y cómo se comportan las corrientes eléctricas. Tomemos una placa electrónica y observémosla con atención. Parece una ciudad en miniatura con bandas de líneas que parecen calles que la recorren de forma ordenada uniendo entre ellas pequeños cilindros o cubos, normalmente negros y llenos de misteriosos textos. Estamos observando el producto final de un trabajo de diseño y producción que empezó, probablemente, meses o años atrás. El circuito que tenemos en las manos ha sido, en primer lugar, diseñado conectando una serie de símbolos sobre un papel o una pantalla y, después, transformado en un objeto real, hecho con plástico, resinas y metales de distintos tipos. Las pequeñas líneas, de color verde, se denominan pistas y son la equivalencia a un cable eléctrico. Los pequeños objetos de forma cilíndrica o cúbica son componentes electrónicos que se utilizan para modificar el flujo de la corriente. Este artefacto se denomina circuito impreso o PCB (Printed Circuit Board) y... estamos invadidos por ellos.

Cuando los circuitos impresos todavía no existían (surgieron después de la Segunda Guerra Mundial), los circuitos se realizaban conectando con cables distintos elementos. Construir circuitos así no es demasiado eficiente: es muy fácil equivocarse y la operación solo puede hacerse a mano. Hoy en día todavía se realizan circuitos de este modo, aunque solo para crear prototipos. Los circuitos impresos permiten obtener en poco tiempo resultados fiables. Los circuitos modernos están hechos para ser montados en máquinas, ahorrando así mucho tiempo y produciendo miles de ejemplares al día.

Dipolo

El material base para construir circuitos son los componentes electrónicos. Un dispositivo electrónico genérico dotado de dos terminales se denomina dipolo. No lo pidáis nunca en una tienda de electrónica porque es un componente que no existe: es solo teórico y, por tanto, corréis el riesgo de hacer el ridículo. Los dipolos sirven para estudiar las conexiones y la forma de los circuitos (en términos cultos: la topología de los circuitos). Enseguida los veremos en detalle y les daremos una forma y un nombre más precisos.

Figura 1.1 - Símbolo del dipolo eléctrico.

El dibujo en papel del dipolo es el símbolo que lo representa. Para facilitar la comprensión de los fenómenos eléctricos, diremos que la corriente es comparable al agua que circula por una tubería. Esta metáfora ayuda mucho a comprender ciertos fenómenos, pero presenta limitaciones y puede inducir a conceptos erróneos, por lo que la utilizaremos solo cuando sea necesario para abandonarla en cuanto sea posible. Un cable eléctrico por el cual pasa corriente puede ser comparable a la tubería por la cual circula el agua. Un dispositivo electrónico es comparable a una tubería que modifica el flujo del agua; en realidad, es un objeto construido con materiales o formas concretas, que utiliza fenómenos físicos, químicos y eléctricos para modificar la corriente que lo atraviesa.

Un circuito eléctrico está formado por un conjunto de dipolos conectados entre ellos por cables eléctricos. Podemos conectar los dipolos y los cables con infinitas combinaciones, aunque existen reglas que se deben respetar:

• los dipolos tienen siempre y solo dos terminales;

• las conexiones entre dipolos se llevan a cabo desde sus terminales (¡nunca sobre el cuerpo!);

• si retomamos la analogía del agua, el fluido que entra por un terminal del dipolo debe salir por completo por el otro terminal;

• puesto que los dipolos son solo símbolos, sus terminales pueden ser tan largos como nos plazca;

• cuando conectamos juntos los terminales de varios dipolos, creamos un nodo;

• nuestra composición de dipolos no puede tener terminales libres.

La electrónica tiene mala fama. Se dice de ella que es difícil, porque está estrechamente vinculada con las matemáticas y la física. Yo creo que, en realidad, las matemáticas están presentes en todo, por lo que no debemos preocuparnos demasiado por la electrónica. Cuando conectamos entre sí un “puñado” de dipolos, creamos lo que un matemático denominaría grafo.

Figura 1.2 - Un grafo de dipolos.

El dibujo de un circuito eléctrico es parecido a una partitura musical. Las notas del pentagrama son una manera de seguir la música y detenerla, además de para indicar a cualquier músico cómo reproducirla con su instrumento. Un esquema eléctrico sirve para realizar un seguimiento del circuito y para especificar cómo deberá llevarse a cabo. Tanto la partitura como el esquema eléctrico son convenciones que podemos utilizar para compartir con los demás lo que hemos hecho. Al finalizar los primeros capítulos, seremos capaces de leer un esquema eléctrico y de crearlo, sustituyendo los símbolos dibujados sobre el papel por elementos reales. Durante la creación del circuito, encontraremos una serie de pequeñas dificultades, puesto que a menudo no existe una correspondencia directa entre el símbolo y el objeto real. Aprenderemos también a solventar estos pequeños dilemas electrónicos.

Si ahora, siguiendo atentamente el esquema de la figura 1.2, sustituyéramos cada dipolo por un dispositivo real, crearíamos un circuito electrónico. Si el esquema es muy complejo, podemos tener cruces de líneas: en este caso, los cables se consideran conectados si en cada cruce existe un nodo. Para evidenciar que los cables no están en contacto, hay quien dibuja un pequeño arco que se corresponde con el punto de cruce, como para indicar que uno de los cables pasa por encima y el otro, por debajo.

Figura 1.3 - El contacto entre dos cables se muestra mediante un punto muy destacado.

Otras veces nos encontraremos con componentes que tienen tres o más terminales, si bien hemos dicho que los dipolos solo tienen dos. Desde el punto de vista de los gráficos, estos objetos se pueden considerar como compuestos por varios dipolos conectados. Los transistores tienen tres terminales, pero podrían representarse con una composición de dipolos. Por razones de brevedad, esta composición se resume con un símbolo más sencillo y rápido de usar.

Figura 1.4 - El símbolo del transistor tiene tres terminales; es una sencilla simplificación de su modelo con dipolos.

Como íbamos diciendo, en muchas partes no existe una correspondencia directa entre el símbolo y el dispositivo propiamente dicho. Por ejemplo, los tres terminales de los transistores se denominan E, B y C, pero no todos los transistores respetan este orden. Los símbolos de los circuitos integrados son simples rectángulos y sus terminales aparecen siempre para simplificar el diseño del circuito, nunca como son realmente. ¿Cómo podemos conocer todas estas informaciones? Hace tiempo, antes de Internet, se utilizaban libros en los cuales se listaban las características de los transistores, diodos y circuitos integrados. Las empresas electrónicas publicaban obras repletas de hojas de especificaciones, es decir, de páginas muy detalladas con las características eléctricas y mecánicas y las instrucciones de uso de sus productos. Hoy en día, gracias a Internet, en pocos segundos podemos obtener cualquier hoja de especificaciones. Entrad y visitad los sitios web de RS Components o de Farnell, en los cuales no es necesario registrarse para acceder a sus contenidos.

La corriente eléctrica

Empecé a interesarme por los fenómenos eléctricos cuando tenía diez años. Curioseando entre los libros de mi abuelo Gino, encontré Elettrotecnica figurata, de la editorial Hoepli. Era un texto simple y muy claro, que incluso un niño podía leer y entender. En las páginas de aquel libro, el autor explicaba cada concepto y dispositivo eléctrico con analogías acuáticas. Las transmisiones por radio se explicaban con dibujos de un aspersor para el césped.

Figura 1.5 - La cubierta del libro Elettrotecnica figurata.

A menudo, los profanos tienden a confundir algunos términos como: electricidad, corriente, tensión, potencia, etc. que, obviamente, son conceptos muy distintos. Según el diccionario, la electricidad es una propiedad de la materia fácilmente observable que se manifiesta con la atracción o repulsión de cuerpos por efecto de las cargas eléctricas presentes. El nombre procede del griego y significa ámbar, porque si frotamos repetidamente con un trapo un trozo de ámbar este se carga negativamente y es capaz de atraer objetos de poco peso, como plumas o trozos de papel. Ahora hablaremos de corriente eléctri...

Índice

• INTRODUCCIÓN
• 1. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS, CORRIENTES Y TENSIONES
• 2. COMPONENTES ELECTRÓNICOS
• 3. CONSTRUIR CIRCUITOS
• 4. SEMICONDUCTORES
• 5. PROYECTOS Y EXPERIMENTOS: ENTRAMOS EN EL LABORATORIO
• 6. SEÑALES Y MEDIDAS
• 7. ALIMENTAR LOS CIRCUITOS
• 8. ELECTRÓNICA DIGITAL
• 9. MICROCONTROLADORES
• 10. DEL PROTOTIPO AL PRODUCTO
• 11. PROYECTOS DIDÁCTICOS
• CONCLUSIÓN
• APÉNDICE A: ARDUINO
• APÉNDICE B: ARDUINOSCOPIO
• BIBLIOGRAFÍA