arduino: 2. resistencias

En esta entrada de Arduino veremos qué son y para que sirven las resistencias.

Sam Gilliam

archivado en: Electrónica / 22 noviembre, 2014 / taller:

Para Arturo Batanero, que me hizo comprender la relación entre la muerte de las estrellas y el café con leche, y para Alejandro Campos, que con paciencia infinita me dibuja fórmulas en post-it para que entienda cómo funcionan los circuitos electrónicos.

En esta segunda entrada dedicada a Arduino y la electrónica vamos a ver los circuitos y las resistencias, que son un componente esencial y fascinante de los circuitos, y aprenderemos a manejar un protoboard, un tablero de pruebas. Como en la entrada anterior, la primera parte será teórica y la segunda, práctica.

Laberintos eléctricos

El átomo del helio

El átomo del helio. En los átomos hay tantos electrones como protones

Toda la materia del Universo, desde el interior de una estrella en la constelación de Orión hasta las páginas de una libreta donde hay dibujado un dodo, está formada por átomos. A su vez, los átomos están formados por tres partículas: en el núcleo están los protones, con carga positiva, y los neutrones, con carga neutra; y a su alrededor orbitan los electrones con carga negativa. El número de protones y electrones que hay en un átomo tiende a estar equilibrado, es decir, que hay tantos de un tipo como de otro. Cuando pierde electrones adquiere carga positiva y cuando tiene más electrones que protones, negativa.

Los electrones se van distribuyendo en órbitas equilibradas en torno al núcleo, pero los que se encuentran en las capas exteriores pueden salir disparados cuando reciben algún tipo de energía, como la que provoca alguna reacción química como la que producen las pilas, la fricción, la luz o el magnetismo. Y cuando pierden electrones tienden a recuperarlos capturando los que circulan libres por su microcercanía.

Este trasiego de electrones es lo que produce la corriente eléctrica, que podemos aprovechar para poner en marcha lavadoras, equipos de música, ordenadores e incluso tostadoras si la encauzamos en un circuito electrónico.

Un circuito es una red que recorre una corriente eléctrica a través de un hilo conductor, en el cual pueden intercalarse distintos componentes, como un diodo led o un condensador. Tiene un punto de inicio, positivo, donde está más alto de voltaje y otro final, negativo, donde está más bajo. (Aunque, en realidad, la corriente fluye desde el polo negativo al positivo, por razones históricas se representa al revés). Así, por ejemplo, una pila conectada por cables de cobre -que es muy buen conductor- a una bombilla forma un circuito electrónico.

Para diseñar circuitos se utilizan una serie de signos convencionales que ya iremos reconociendo a medida que avancemos en esta serie. 

simbolos

El protoboard

Al igual que los antiguos alquimistas contaban con hornos y alambiques para realizar sus experimentos, nosotros utilizaremos una herramienta fundamental para diseñar circuitos y es el protoboard o tablero de pruebas, que se puede conseguir por menos de 5 euros.

arduino_2_protoboard

Un protoboard es un tablero de plástico y metal con pequeños agujeros en los que podemos insertar componentes electrónicos y cables para formar un circuito sin necesidad de soldaduras ni demás trabajeras necesarias para montar uno definitivo.

Está formado por un recubrimiento plástico, aislante, y una serie de láminas de metal que conectan los distintos orificios.

Estas láminas se distribuyen de forma horizontal y paralela en la parte central y en los lados en cuatro pares de líneas verticales. Las que están más cerca de la línea roja se utilizan para conectar la fuente de alimentación, es decir, son el punto de entrada o positivo; y las que están próximas a la línea azul serán el punto final o negativo.

arduino_2_seccionesprotoboard

La distribución de láminas se entiende bien si lo vemos por dentro:

protoboard_por_dentro

Es importante entender que cada lámina es un solo punto de entrada. Así, por ejemplo, si pusiéramos un led conectando el cátodo y el ánodo en la misma fila, en realidad es como si estuviéramos conectando los dos extremos a un solo polo de una pila, al mismo punto del circuito, por lo que la corriente no fluiría.

arduino_proto_conexiones

Resistencias

Cuando a un componente de un circuito le llega más corriente de la que puede soportar se estropea, por lo que es fundamental que comprendamos cómo evitar este desastre gracias a las resistencias antes de seguir trasteando con la placa y el código.

Una resistencia es un material que reduce la intensidad de la corriente eléctrica, es decir, que frena el flujo de electrones.

En 1827, el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm encontró la relación que existe entre la intensidad, el voltaje y la resistencia y la formuló en una ley que lleva su nombre, la ley de Ohm: «la cantidad de corriente constante a través de un material es directamente proporcional a la tensión a través del material dividido por la resistencia eléctrica del material».

Intensidad = Voltaje / Resistencia

Se mide en ohmios (Ω) y sus múltiplos y submúltiplos más habituales son:

  • milihomio: mΩ (10−3 Ω)
  • microohmio: µΩ (10−6 Ω)
  • nanoohmio: nΩ (10−9 Ω)
  • kiloohmio: kΩ (103 Ω)
  • megaohmio: MΩ (106 Ω)
  • gigaohmio: GΩ (109 Ω)

Hay resistencias variables, es decir, que podemos regular dinámicamente, y resistencias fijas; y las hay de distintos tipos de materiales y formas.

resistenciasUn tipo de resistencia fija muy utilizada en electrónica es la de película de carbón en un tubo cerámico, en cuya superficie se dibujan bandas de colores que denotan su capacidad.

Los primeros dos o tres colores -depende de la precisión- se corresponden a una cifra; es decir, que nos dan un número de tres cifras, como 200 o 330 o el que sea; y esa cifra se multiplica por el factor que se indica en el cuarto color. El quinto color, por último, nos indica el margen de error o «tolerancia» de la resistencia. Por ejemplo, una resistencia con este código:

marrón (que equivale al 1)

negro (que equivale al 0)

negro (que equivale al 0)

marrón (que equivale a x10)

oro (+/- 5%)

Sería una resistencia de 1 kΩ (100 x 10) con un margen de error del 5 por ciento.

colores_resistencia

 

Cálculo sencillo de resistencias

diagrama_resistenciaEn un circuito muy sencillo, para calcular la resistencia que necesita un componente primero tenemos que restar el voltaje total -el que hay entre los dos puntos de principio y final- y la tensión de voltaje del componente. Pongamos como ejemplo un circuito de 5 voltios de tensión diferencial en el que queremos poner un led rojo, cuya tensión de trabajo ronda los 2 voltios.

5V - 2V = 3V

Así, necesitamos poner una resistencia que absorba esa diferencia de 3 voltios.

Ahora, siguiendo la ley de Ohm, lo único que nos falta es incluir en la ecuación la intensidad de la corriente, que recordemos se mide en amperios (A). Un led rojo consume una corriente de unos 15 miliamperios (0.015A), así que si dividimos los 3V por esa cantidad, vemos que necesitaríamos una resistencia de 200 ohmios. Cuando no hay resistencias comerciales con el valor exacto que necesitamos, usamos la que más se aproxima por arriba. Por ejemplo, si no hubiera de 200, utilizaríamos una de 220 ohmios.

Esto se complica una miajica cuando tenemos varias resistencias, pues entonces hay que tener en cuenta cómo se disponen, pero de esto hablaré en la próxima entrada. Vamos ahora ya con Arduino : ).

El portador de señales

Al parecer, el primer semáforo -palabra que viene del griego: sema, señal; foro, portador- se instaló en diciembre de 1868, enfrente del Parlamento de Londres. Utilizaba lámparas de gas para mostrar los colores y se accionaba de forma manual por un policía. Gracias a Arduino, nosotros podemos hacer un semáforo más sofisticado con un protoboard, tres diodos led, unos cuantos cablecillos y tres resistencias de 200/220 ohmios.

Lo primero es diseñar el circuito. Utilizaremos tres pines digitales (el 2, el 3 y el 4), a cada uno de los cuales conectaremos a una resistencia y un led de color. Luego, de cada led tiraremos un cable para llevarlo a la fila azul que conducirá finalmente la electricidad a la toma de tierra. Algo así:

arduino_semaforo

 

Y en el sketch, que recordemos que es como se denominan los programillas de Arduino, podemos hacer algo parecido a esto: primero definimos los pines de salida y luego los vamos encendiendo y apagando cada 500 milisegundos.

 

/* Tiempo de delay */

int del = 500;

void setup() {

/* Configuramos los pines de salida */

pinMode(2, OUTPUT);

pinMode(3, OUTPUT);

pinMode(4, OUTPUT);

}

void loop() {

for (int contador = 2; contador < 5; contador++) {

digitalWrite(contador, HIGH);

delay(del);

digitalWrite(contador, LOW);

}

}

En cada vuelta del bucle (que a su vez está dentro de la función loop, que es un bucle infinito), encendemos el pin que toque, nos esperamos 500 milisegundos y lo apagamos. Et voilà, ya tendríamos un semáforo formidable.

arduino_semaforo_final

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