Módulo 2: Conceptos básicos de la electrónica
1. Temario
2.1. Ley de ohm
2.2. Componentes
2.3. Microcontroladores
2.4. Señales
2. Introducción al módulo
Antes de iniciar con el armado de nuestro proyecto debemos aprender ciertos conceptos básicos que nos ayudarán a poder abordar nuestros desarrollos con mayor facilidad. En este módulo veremos los principios de la electricidad y una importante Ley que gobierna todos nuestros circuitos: la Ley de Ohm, junto con algunas recomendaciones. ¡Iniciemos!
3. Desarrollo de contenido
2.1. Ley de Ohm
La ley de Ohm se usa para determinar la relación entre tensión, corriente y resistencia en un circuito eléctrico. La importancia de estudiarla radica en que nos permite anticipar el comportamiento de los circuitos antes de conectarlos, para asegurarnos de que funcionan según esperamos. Con esta fórmula se pueden calcular corrientes y voltajes y evitar bajas tensiones o descargas eléctricas.
Profundicemos sobre ella en el siguiente video:
¿Querés saber más?
Para conocer más en profundidad la Ley de Ohm te invitamos a leer el siguiente informe: Laboratorio de Electricidad y Magnetismo, UAM-Azcapotzalco. (2019). Ley de Ohm.
2.2. Componentes
En este espacio veremos los componentes Arduino:
Tarjeta de desarrollo del microcontrolador:
Esta tarjeta será el corazón de tus proyectos. Es un simple ordenador, pero uno con el cual todavía no puedes realizar nada. Construirás circuitos e interfaces para hacer cosas y decirle al microcontrolador como trabajar con otros componentes.
Protoboard:
Placa de pruebas o protoboard es una placa sobre la cual se pueden montar componentes electrónicos. Es como un panel con agujeros, con filas de agujeros que le permite
conectar juntos cables y componentes electrónicos. También están disponibles tarjetas sobre las que hay que soldar y también sin necesidad de usar un soldador como la mostrada aquí.
Conexiones internas de la Protoboard:
Cables dupont:
Utilizarlos para conectar unos componentes con otros sobre la placa de prueba, y la tarjeta de Arduino.
Condensadores:
Estos componentes almacenan y devuelven energía eléctrica en un circuito. Cuando el voltaje del circuito es más alto que el que está almacenado en el condensador, la corriente fluye del circuito al condensador, dándole una carga. Cuando la tensión del circuito es más baja, la energía eléctrica almacenada en el condensador es devuelta al circuito.
Diodos Emisores de Luz (LEDs):
Un tipo de diodo que emite luz cuando la corriente lo atraviesa. Como en todos los diodos, la corriente solo fluye en un sentido a través de estos componentes.
Estará probablemente familiarizado con ellos al verlos como indicadores dentro de una gran variedad de dispositivos electrónicos. El ánodo, que normalmente se conecta al positivo de la alimentación, es generalmente el terminal más largo, y el cátodo es el terminal más corto.
Pulsador:
Interruptores momentáneos que cierran un circuito cuando son presionados. Se colocan con facilidad sobre la placa de pruebas. Son buenos para abrir o cerrar el paso a una señal.
Resistencias:
Se opone al paso de la corriente eléctrica en un circuito, dando como resultado a un cambio en la tensión y en dicha corriente. El valor de las resistencias se mide en ohmios (se representa por la letra griega omega). Las bandas de colores en un lado de la resistencia indica su valor
Potenciómetro:
Una resistencia variable con tres terminales. Dos de estos terminales están conectados a los extremos de una resistencia fija.
El terminal central se puede mover a través de la superficie de la resistencia fija (dispone de un mando), consiguiendo de esta forma dos valores diferentes de resistencia según el terminal extremo que se tome como referencia.
Cuando los terminales extremos del potenciómetro se conectan entre una tensión y masa, en el terminal central aparece una tensión que es proporcional al giro del mando central, entre cero (un extremo) y la máxima tensión (el otro extremo).
Fotorresistencia:
También llamada fotocélula o resistencia dependiente de la luz. Se trata de una resistencia variable que cambia su resistencia según el nivel de luz que incide sobre su superficie.
Motor de continua (DC):
Convierte la energía eléctrica en energía mecánica cuando la electricidad es aplicada a sus terminales. Una bobina de hilo dentro del motor produce un campo magnético cuando la corriente eléctrica continua (DC) fluye a través de él.
Este campo magnético producido en la bobina atrae y repele al campo magnético de los imanes interiores haciendo que la bobina de hilo gire en el interior. Si se invierte la tensión aplicada el motor gira en sentido contrario.
Un tipo de motor reductor que solo puede girar 180 grados. Es controlado por las señales eléctricas en formato de pulsos que son enviadas desde la tarjeta Arduino. Estos pulsos le dicen al motor a qué posición se debe de mover.
Cable USB:
Permite conectar la placa Arduino Uno a un ordenador para que se pueda programar. También proporciona la alimentación necesaria tanto a la placa Arduino como a todos los componentes electrónicos que forman parte de los proyectos.
2.3. Microcontroladores
Los microcontroladores son circuitos integrados en los que se pueden grabar instrucciones, las cuales las escribes con el lenguaje de programación que puedes utilizar en el entorno Arduino. Estas instrucciones permiten crear programas que interactúan con los circuitos de la placa. Los microcontroladores “escuchan” a los sensores y “hablan” con los actuadores. Ellos deciden qué hacer basándose en el programa que escribiste.
En la imagen vemos una placa basada en un microcontrolador ATMEL de Arduino:
En el siguiente video profundizaremos un poco más sobre los microcontroladores:
2.4. Señales
Una señal es, de manera simplificada, información transmitida a través de la variación (en la mayoría de los casos) de voltaje entre dos dispositivos. Para el caso del uso de microcontroladores, el programa (código) que escribimos es un intérprete de señales proveniente de los sensores que realiza el procesamiento de la señal y el dispositivo puede comunicarnos una salida deseada. Sin embargo, las señales no están necesariamente vinculadas a los dispositivos electrónicos solamente.
Un gran ejemplo de transmisión de señales analógicas puede ser un termómetro, el cual, a través de sus características físicas, expande o contrae al mercurio, por lo tanto, si se calibra correctamente, puede mostrarnos la temperatura en nuestro ambiente. Ahora, explicado lo que es una señal, es posible comenzar a diferenciarlas en señales analógicas o digitales.
Las señales analógicas son señales continuas, cuya cantidad (por ejemplo, corriente, voltaje, potencia) varía con el tiempo. Si se observa el gráfico de una señal analógica, se verá que es un gráfico continuo que tiene un valor definido en cada caso de tiempo. El mejor ejemplo de señales analógicas es la voz humana o la temperatura.
Si se observa el gráfico de una señal de audio, se puede apreciar que tiene un valor en cada instancia de tiempo:
Las señales digitales, en cambio, son señales discretas que normalmente tienen un finito número de valores y en sistemas binarios específicamente dos: alto y bajo (1 y 0). Si observamos el gráfico de una señal digital, veremos una onda cuadrada que varía entre dos puntos y no toma ningún otro valor. Una señal binaria que sólo puede tomar un valor de 1 o 0 es un ejemplo perfecto de señales digitales:
Esto quiere decir que, si un sensor es digital, los cambios en el entorno y los eventos que notarán se mostrarán digitalmente. Por lo tanto, tendrá dos estados: cambio detectado o cambio no detectado. Lo que es lo mismo: si o no, 1 o 0, activado o desactivado. La señal de salida eléctrica que genera va a depender de la fuente de alimentación, por ejemplo, podría ser 5VDC o 0VDC. Esto quiere decir que saldrán 5V cuando el sensor haya detectado un cambio en la magnitud física y 0V mientras no lo haya detectado, por ejemplo, hay o no hay luz.
Por otro lado, los sensores analógicos muestran un abanico de estados mayor en función de la magnitud física que detectan, haciendo que esta se pueda escalar y obtener el valor real. Parece algo simple, como que un sensor de temperatura diga los grados que hacen actualmente en grados centígrados, por ejemplo. Sin embargo, los sensores deben transformar ese cambio que detectan en un voltaje analógico para que pueda ser utilizado por la electrónica que lo acompaña, y de ese modo mostrarnos el valor y si queremos actuar en consecuencia con nuestro circuito; por ejemplo, encendiendo un ventilador al llegar a una temperatura de 25ºC.
En el caso que se requiera la utilización de señales de un tipo, pero ser procesadas o informadas de otro tipo, existen convertidores que realizan esta tarea, ya sean convertidores de analógico a digital (ADC) o de digital a analógico (DAC)
Comprender la diferencia entre el mundo analógico y el digital permite poder tomar decisiones con soluciones eficientes a la hora de comenzar un proyecto ya que, de la entrada de información a nuestros sistemas, depende lo eficiente que sea el mismo para tomar decisiones en base a esos datos.
Una analogía de esto es el caso de los sentidos del cuerpo humano, imaginemos qué sucedería si para conducir un vehículo utilizáramos el sonido en lugar de la vista.
4. Cierre del módulo
Llegamos al final del segundo módulo, como vimos al inicio, antes de comenzar con el armado de nuestro proyecto debemos manejar los principios de la electricidad y la Ley de Ohm. Ahora bien, en el siguiente módulo trabajaremos en la instalación del entorno de desarrollo interrelacionando la codificación con la programación en bloque.