¡Aviso para los visitantes de Digitálica!

Bueno, tengo que pediros disculpas por tener el blog parado tanto tiempo. La razón es, ni más ni menos, que tres exámenes que me han estado haciendo la vida imposible todas estas semanas.

Si todo va bien y mis cálculos se cumplen a partir de la semana que viene comenzaré a postear de nuevo interesantes cuestiones y conceptos.

Gracias por vuestra visita y paciencia.

Ángel.

Algunas consideraciones eléctricas (I)

Bueno, a estas alturas el lector no iniciado en las disciplinas eléctricas se estará haciendo ya algunas preguntas.

Una de ellas será sin duda ¿por qué la corriente va del polo positivo al polo negativo? o ¿Por qué el sentido de la tensión es al contrario?

- Bien, los sentidos tanto de la corriente como de la tensión son muy importantes en el análisis de sistemas eléctricos o electrónicos. Tanto es así que esos sentidos van ha definir si una variable tensión o intensidad es positiva o negativa.

Por ejemplo, podemos decir que la corriente que circula desde el polo positivo al negativo de una pila AAA es 850mA. Este es su sentido real.

Sin embargo estamos diciendo exactamente lo mismo con la siguiente frase: la corriente que circula del polo negativo al positivo es -850mA (el signo invierte el sentido).

Nota: En los circuitos eléctricos complejos con muchas mallas es extremadamente difícil identificar el sentido que llevarán las corrientes por ello en los análisis se supone un sentido arbitrario y al final de los cálculos si el valor sale negativo sabemos que el sentido real será el contrario y viceversa (volveremos a recordar esto más adelante).

El sentido de la tensión siempre es contrario a la corriente que origina y nos indica con la flecha su orientación. La orientación de la flecha que representa la tensión va del punto con menor potencial al punto con mayor potencial.

Cuando los dos puntos considerados tienen el mismo potencial (aunque de distinto signo) como en el caso de las pilas o baterías (+ y -) el sentido de la tensión será del – al +, dado que ya sabemos que la corriente irá del polo positivo al negativo de la pila.

Y esto nos lleva por fin a explicar porque la corriente eléctrica va del polo positivo al negativo de una batería (al mismo tiempo esta explicación nos ayudará a seguir entendiendo como se comporta la electricidad en los circuitos).

Nota: la explicación que viene a continuación es importantísima para tener una buena base en este tipo de disciplinas; por eso en estudios oficiales nunca lo explican; tal vez lo den por sabido o quieran ponernos las cosas más difíciles.

Existen dos tipo de cargas eléctricas, las negativas (provocadas por los electrones) y las positivas (las provocadas por los protones). La definición + y – es una mera convención, sólo sirve para decir que son iguales y de distinto signo (por eso se atraen).

Un cuerpo que tenga el mismo número de electrones y protones o lo que es lo mismo, de cargas positivas y negativas NO estará cargado eléctricamente, puesto que la suma total de cargas es cero.

Un cuerpo estará cargado eléctricamente con carga negativa si hay exceso de electrones y tendrá carga positiva si hay DEFECTO de electrones (sólo los electrones pueden desplazarse en conductores, los protones son fijos).

Si a esto unimos la condición física de que en la naturaleza todos los cuerpos (excepto los radiactivos) tienden a una situación de reposo, damos origen a una diferencia de tensión.

Dicho de otra forma un poco más clara:

Si un cuerpo tiene exceso de electrones querrá deshacerse de los electrones sobrantes hasta que se igualen las cargas. Si un cuerpo tiene defecto de electrones, querrá atraer más electrones hasta que se iguale su carga.

¿Y qué hace que las cargas negativas se puedan desplazar?

- La existencia de un campo eléctrico (para nosotros ya potencial eléctrico que provoca la atracción de entre cargas de distinto signo).

Ejemplo muy importante: La tierra nos atrae porque estamos dentro de su campo gravitatorio, PERO nosotros también atraemos a la Tierra porque ella está dentro del nuestro (obviamente el nuestro es tan pequeño que ni se nota, pero está).

Igualmente la atracción entre cargas eléctricas de distinto signo se produce por la diferencia de potencial existente entre ellas.

Para terminar aquí os dejo un esquemita de cómo funciona una pila, sólo tened en cuenta dos cositas:

- Los electrones (-) pueden ser o no iguales en número que los protones (+), en el dibujo he puesto más electrones.

- Cuando se igualen las cargas de los dos polos decimos que la pila se ha gastado (ya no hay diferencia de potencial).

La intensidad eléctrica (corriente)

Se define intensidad eléctrica o corriente como el flujo de electrones que circula en un sentido determinado a través de un medio conductor.

Vale, ya sabemos que la corriente es un conjunto de electrones que se mueven; pero, ¿qué es lo que hace moverse a estos electrones?
- La existencia de una diferencia de potencial (mirar apartado de la tensión).

Entonces, ¿se puede establecer una diferencia de potencial en cualquier tipo de materia?
- No. Distinguimos entre cuerpos conductores, semiconductores y aislantes.

• Los cuerpos conductores están formados generalmente por enlaces moleculares metálicos. Estos enlaces se caracterizan por formar una nube de electrones compartida por todas las moléculas que forman el cuerpo. Es decir, existen electrones libres. Esta movilidad de los electrones permite la existencia y propagación de la corriente eléctrica. Por tanto todos los metales son conductores, pero existen otras sustancias no metal que también lo son, por ejemplo aquellas que se forman mediante enlaces iónicos con sales disueltas (agua).

• Los cuerpos semiconductores son aquellos que se vuelven conductores sólo bajo unas condiciones determinadas, como puede ser la temperatura, distribución de cargas, campos magnéticos, etc (hablaremos de ellos en otro momento).

• Los cuerpos aislantes son aquellos en los que sus moléculas establecen un potencial propio que evita la existencia de electrones libres.

Bien, hasta ahora sabemos que la corriente eléctrica son cargas negativas (electrones) que fluyen por un conductor ante la existencia de un potencial eléctrico.

La forma en que se crea dicho potencial no es de nuestra incumbencia, lo dejamos pues para otras disciplinas como circuitos eléctricos.
En este momento al lector le asaltará una duda razonable: – Si la corriente se forma por una diferencia de potencial, existirá una tensión, por lo tanto ambos fenómenos deben de estar relacionados de alguna forma.

- Efectivamente y además la relación es directa.

Hemos llegado a un punto clave, La Ley de Ohm.

V = I*R

V= tensión eléctrica entre dos puntos (Voltios).

I = intensidad eléctrica que recorre los dos puntos (Amperios).

R= resistencia eléctrica entre los dos puntos (Ohmios).
Tanto la definición de amperio, como la demostración de esta ley usan conceptos físicos avanzados que no quiero incluir en este blog.

Para los curiosos aquí lo tenéis:

Definición de Amperio.

Ley de Ohm.

Ejemplo básico:

El potencial eléctrico (tensión)

Para explicar lo que és el potencial eléctrico primero hay que definir los conceptos de potencial y campo.

Sin recurrir a las matemáticas podemos decir que campo es la propiedad de los cuerpos para interactuar con otros sin que haya contacto físico.

Esto, que parece magia no lo és. Veamos, existen muchos tipos de campos pero se clasifican en escalares, vectoriales, tensoriales y espinoriales (sólo usaremos los dos primeros). Los escalares son aquellos en los que la influencia del campo se define sólo por un número y su unidad. Por ejemplo la temperatura de una habitación son 23ºC.

Un campo vectorial se caracteriza por tener una dirección y un sentido. Se define por un número, una dirección, un sentido y la unidad (lo que se llama vector). Por ejemplo el campo gravitatorio terrestre tiene una dirección (perpendicular a la superficie terrestre) y un sentido (hacia el centro de la Tierra), por tanto podría ser 9.8 (-y)m/s2

El -y es el vector que nos da la dirección y sentido. En este caso vertical y hacia abajo (coordenadas cartesianas).

Un cuerpo que esté inmerso en un campo cualquiera sufrirá un potencial. El potencial es la energía que posee el cuerpo por el sólo hecho de estar dentro del campo.

Ejemplo: Extendemos el brazo y colocamos un libro en nuestra mano. El libro está quieto, no se cae, pero tiene energía (nos pesa). ¿Cómo sabemos que tiene energía? -Porque si lo soltamos se cae. ¿Por qué el libro tiene energía? – Porque está dentro de un campo gravitatorio, es decir tiene un potencial.

En nuestro caso concreto, nos interesa el campo eléctrico. Funciona igual que el campo gravitatorio excepto por los agentes y naturaleza que lo crea. Serán las cargas eléctricas (protones y electrones) las que originan el campo y se atraen entre ellas.

Como habeis observado no hemos puesto ninguna fórmula matemática ni física, pero hay que destacar que la teoría de campos vectoriales es amplia y costosa.

¿Y todo este rollo para qué? – Pues para definir la variable tensión de un circuito eléctrico. La tensión o voltaje es la forma de llamar al potencial eléctrico entre dos puntos.

- Tensión eléctrica o voltaje: es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Su unidad es el voltio (V). Nunca es un valor absoluto, esto es, que está referido al segundo punto.

Un valor absoluto es aquel cuyo sistema de referencia es universal.

Ejemplo, la gravedad al nivel del mar.

Un valor relativo depende del sistema de referencia escogido.

Ej. Una pesona que mida 1.95m de estatura es ALTO si el sistema de referencia es la media de la población humana; sin embargo es BAJO si lo comparamos con una jirafa.

Por eso, la tensión eléctrica es un valor relativo, porque depende del punto respecto al que comparemos la tensión.

Ejercicio: En un circuito eléctrico tomo la medida de tensión en dos puntos a y b. Los valores que obtengo son Va= 5V y Vb=3V
¿Cúal es la tensión Vab?

Parece un ejercicio sencillo, pero vayamos con cuidado. La tensión medida Va es la diferencia de tensión entre el punto a y el punto de tensión cero. Idem de Vb. La hemos hallado de la siguiente forma.

Va – 0 = 5V – 0V = 5V

Vb – 0 = 3V – 0V = 3V

Muy fácil!!

Ahora pasamos a resolver el problema, hallar Vab, es decir la tensión entre los puntos a y b.

Va – Vb = 5V – 3V = 2V

Vab= 2V

esto es una prueba (borrar)

esta es una prueba de la categoría Diseño digital.

Electrónica digital vs electrónica analógica

Vamos a intentar acotar un poco el ámbito al que nos referiremos en este blog. La electrónica engloba dos formas de tratar la información (señales eléctricas), de manera digital o analógica. Es muy importante distinguir estos dos términos porque su estudio es diferente.

- Una variable analógica es aquella que tiene un margen de variación infinito, esto es, que puede tomar infinitos valores.

Ejemplo: la temperatura de una habitación puede ascender de 20 a 21ºC pero para hacerlo irremediablemente tendrá que pasar por 20.1, 20.2, … Al mismo tiempo, al pasar de 20.1 a 20.2 en algún momento tendrá los valores 20.11, 20.12, … y así hasta el infinito.

La temperatura es una variable analógica.

La electrónica que utiliza valores de tensión y corrientes analógicos se denomina electrónica analógica. Su ámbito de aplicación es extensísimo, debido a que la mayoría de las magnitudes medibles en la naturaleza son analógicas (temperatura, fuerza, luminosidad, presión, humedad, velocidad, etc).

Como se puede observar en la figura, la señal entre dos instantes distintos de tiempo toma infinitos valores.

- Una variable digital sólo toma una serie de valores finitos, sus estados están limitados.

Ejemplo: La bombilla de una lámpara puede estar encendida o puede estar apagada, pero no puede estar “un poquito” encendida o “un poquito” apagada.

Un coche puede estar en movimiento o parado, pero no puede estar ½ parado.

Estos dos ejemplos son variables digitales binarias, porque sólo pueden tomar dos estados (encendido, apagado; en movimiento o parado).

También existen variables digitales de más de dos estados.

Ej: un semáforo puede estar en rojo, ámbar o verde. Son tres estados, aunque podrían ser más.

La electrónica digital es aquella que utiliza valores eléctricos digitales (o discretos) para realizar sus operaciones.

Vemos ahora como la variable digital del dibujo sólo puede tomar los valores A y -A para cualquier instante de tiempo.

Estos dos tipos de electrónica están íntimamente relacionados y en la actualidad se complementan en las aplicaciones, es decir, una disciplina no podría vivir sin la otra. Si bien es cierto que la electrónica analógica es más antigua y pierde fuerza respecto a la digital, resulta evidente que, en tanto en cuanto la naturaleza siga siendo analógica, nunca se podrá prescindir completamente de ella.

En este blog nos vamos a centrar exclusivamente en la electrónica digital, su diseño y sus aplicaciones.

Electrónica vs electrotécnia

La electrotecnia es la ciencia que estudia las aplicaciones técnicas de la electricidad.

Para nuestros propósitos la electrotecnia será la disciplina que trata de la producción, transporte y relación de la corriente eléctrica con los sistemas mecánicos.

Ejemplo de elementos eléctricos: cables de distribución, máquinas eléctricas (secadores, lavadoras, etc), turbinas, transformadores, y en general, cualquier sistema eléctrico que interactúe con sistemas mecánicos de potencia.

También se puede definir la electrotecnia como el tratamiento de potencia eléctrica.

La diferencia más clara entre la electrotecnia o electricidad y la electrónica estriba en que esta última realiza operaciones complejas con señales eléctricas pequeñas y la electrotecnia aprovecha la potencia eléctrica para realizar un trabajo.

En la actualidad la raya divisoria entre electricidad y electrónica está más difusa que nunca debido al desarrollo de los sistemas electrónicos de potencia. Estos sistemas son capaces de actuar de forma electrónica en altos niveles de tensión (son sistemas eminentemente analógicos, por lo que están fuera de nuestro estudio).

¿Qué es la electrónica?

-Según la RAE: Estudio y aplicación del comportamiento de los electrones en diversos medios, como el vacío, los gases y los semiconductores, sometidos a la acción de campos eléctricos y magnéticos.

Esta es una definición correcta pero demasiado física para nuestros propósitos. En el diseño electrónico no se trabaja a nivel de electrones ni de cargas (ese ámbito se deja para la física molecular y la investigación), sino que se utilizan corrientes y tensiones eléctricas de baja intensidad. Lo que busca la electrónica es tratar y modificar señales eléctricas para propósitos concretos. Y cada propósito depende de la aplicación que consideremos. Puede ser desde rectificar una señal cuadrada hasta realizar un cálculo matemático complejo. Pero no vayamos demasiado deprisa.

Introducción: ¿De qué va esto?

Este blog está dedicado al desarrollo de sistemas digitales partiendo desde cero y haciendo hincapié en los conceptos más básicos (y a la vez imprescindibles) de toda teoría electrónica. Al mismo tiempo forma parte de la asignatura Software Libre del programa ADA Madrid.

La motivación es muy simple. A menudo, tanto cursos como carreras se centran en volúmenes grandes de información y de estudio sin exponer anteriormente las bases y fundamentos de las técnicas usadas. Los edificios se construyen desde los cimientos no por el tejado y en el mundo en el que nos movemos (apresurado y eminentemente práctico) dejamos de lado o damos por sabidos los cimientos para dedicarnos a cuestiones más vistosas o prácticas. Por ejemplo, podemos encontrarnos que en una carrera no se explique el concepto de masa eléctrica o el código binario, siendo imprescindible para comenzar en estas cuestiones.

El resultado de todo este sistema de aprendizaje es demoledor: Los conocimientos adquiridos son inconexos, tenemos lagunas y a menudo somos incapaces de explicar lo que sabemos.

Como he sido víctima de este panorama, comparto ahora la poca experiencia que puedo tener a la hora de aprender electrónica así como dudas que en varias ocasiones me han surgido y he tenido que resolver por mi cuenta, muchas veces de mala manera y con mucho esfuerzo.

Si lo que contiene este blog puede ayudar aunque sea minimamente a alguien me daré por satisfecho.

Advertencia: Este blog no va dirigido a expertos en electrónica sino a futuros estudiantes o simplemente personas ajenas a este mundo que quieran adentrarse poco a poco y con paso firme en la electrónica digital, de un modo ameno y sencillo. Estos primeros pasos y conceptos vendrán muy bien si en adelante se desea profundizar en este extenso mundo de la información.

Se intentará en la medida de lo posible utilizar el mínimo aparato matemáticos posible, así como conceptos demasiado técnicos que en una primera etapa de aprendizaje no serán necesarios.