Electrónica para makers E-Book

Paolo Aliverti

• Herausgeber: Marcombo
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2019

Seitenzahl: 420

Beschreibung

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.

Leseprobe

Electrónica para makers

Guía completa

Paolo Aliverti

Edición original publicada en italiano por Edizioni LSWR con el título: Elettronica per maker, © Paolo Aliverti 2016.

Título de la edición en español:

Electrónica para makers

Primera edición en español, año 2017

© 2017 MARCOMBO, S.A.

Gran Via de les Corts Catalanes, 594

08007 Barcelona

www.marcombo.com

Traducción: Sònia Llena

Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley.

Esta publicación contiene opiniones del autor y tiene por objeto proporcionar información clara y precisa. El procesamiento de textos, incluso si se realiza con una atención escrupulosa, no puede asumir la responsabilidad específica del autor y/o editor de los posibles errores o imprecisiones.

El editor ha hecho todo lo posible para obtener y citar las fuentes exactas de las ilustraciones. Si en algunos casos no ha sido posible encontrar alguna con derechos de autor, está disponible para hacer frente a las omisiones involuntarias o errores en las referencias citadas.

Sumario

INTRODUCCIÓN

1. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS, CORRIENTES Y TENSIONES

Dipolo

La corriente eléctrica

La tensión o diferencia de potencial

Potencia

Tiempos y frecuencias

Anillos de tensión y nodos de corriente

La ley de Ohm

Medidas eléctricas

La verdad sobre agua y corriente

2. COMPONENTES ELECTRÓNICOS

Resistores

Ledes

Condensadores

Cables eléctricos

Inductores

Pulsadores e interruptores

Relé

Motores

Servomotores

Altavoces

Micrófonos

Soluciones

3. CONSTRUIR CIRCUITOS

El taller y las herramientas

Placa de pruebas

Soldar

Placas perforadas

Del esquema al prototipo

4. SEMICONDUCTORES

Diodos

El transistor bipolar

El transistor de efecto de campo

Circuitos integrados

5. PROYECTOS Y EXPERIMENTOS: ENTRAMOS EN EL LABORATORIO

Led con pulsador

Carga y descarga de un condensador

Experimento con un led y un diodo

Hola transistor

Transistor con relé

Led fotosensible

6. SEÑALES Y MEDIDAS

Trabajar con señales

Amplificadores

Filtros

Moduladores y demoduladores

Osciladores

Temporizador

7. ALIMENTAR LOS CIRCUITOS

Baterías y alimentadores

Alimentadores

Fabricación de un alimentador estabilizado

Fabricación de un alimentador estabilizado regulable

Alimentación dual

La masa

8. ELECTRÓNICA DIGITAL

Lógica booleana

Familias lógicas

Circuitos combinacionales

Convertidores

Interruptores lógicos, MUX y DEMUX

Circuitos secuenciales

Generadores de reloj

Biestables

Registros

Contadores

Convertidores analógico-digitales y digital-analógicos

Trabajar con distintos niveles lógicos

9. MICROCONTROLADORES

Kit de desarrollo

El ordenador en el zapato: programar un chip AVR

Programar un ATtiny85

Programar en C

10. DEL PROTOTIPO AL PRODUCTO

Circuitos impresos

gEDA

Fritzing

Realizar un circuito impreso en casa

11. PROYECTOS DIDÁCTICOS

Ledes intermitentes

Tester de estrés

Led controlado por luz

Led de encendido progresivo

Interruptor Soft Latch

Led oscilante

Vúmetro con un LM3915

Amplificador 2W

Preamplificador con transistor

Ecualizador

Mezclador

Radio a transistores

CONCLUSIÓN

APÉNDICE A: ARDUINO

APÉNDICE B: ARDUINOSCOPIO

BIBLIOGRAFÍA

Introducción

Nací en los años setenta y fui siempre un niño muy curioso. Me atraían los objetos electrónicos tanto que cuando alguien tiraba una radio o un televisor yo intentaba echarles el guante para desmontarlos, ver qué había dentro y entender cómo estaban hechos. En el interior de los televisores había unas placas enormes repletas de piezas de colores, textos y cables. ¿Cómo podía todo aquello producir imágenes? ¿Se podía obtener algo más de aquellos circuitos? A los diez años encontré el libro decisivo para mi futura carrera: Manuale dello scienziato (Manual del científico). Era un libro pequeño al estilo del Manual de los jóvenes castores, tan popular en aquellos tiempos, solo que en lugar de enseñar a construir cabañas y a vivir en el bosque desvelaba una serie de trucos científicos y físicos. Era todo en viñetas: ¡Precioso! La última sección del libro iba sobre la electrónica. Leía y releía las páginas intentando aprenderlo todo. Había muchas cosas un poco difíciles de entender, pero el tema me gustaba. También en aquella época encontré en el sótano otro libro maravilloso: Elettrotecnica figurata (Electrotecnia ilustrada), también ilustrado. Enseguida empecé a frecuentar la biblioteca buscando otros libros que pudieran darme más información. Por aquel entonces no había Internet y la vida de los jóvenes inventores era muy difícil. Sin embargo, existían en los quioscos muchas revistas de electrónica y, en una localidad muy cercana a la mía, había además una tienda dónde vendían componentes electrónicos. Me he gastado muchas pagas yendo en bici entre Ceriano Laghetto y Cogliate para ir a comprar ledes, resistencias y circuitos integrados. Esta pasión mía, nacida por casualidad, me ha llevado muy muy lejos. Después de tantos años, de vez en cuando todavía abro el Manual del científico y siento fascinación por su claridad y simplicidad. Por todo ello nace este libro. Me gustaría regalaros un resumen de mi viaje de más de treinta años. Las cosas han cambiado mucho, pero las dificultades con las que se encuentran los principiantes son siempre las mismas, incluso en los tiempos de Google.

El movimiento de los makers, nacido en los Estados Unidos hace unos años, también se está difundiendo en Italia. Cada vez son más los que reconstruyen objetos por placer o con la esperanza de transformar una afición en una empresa. Los makers estudian las tecnologías y las difunden de forma gratuita y en abierto. Los dos símbolos más evidentes y conocidos de este movimiento son Arduino y las impresoras 3D.

Arduino es una placa electrónica programable que puede ejecutar secuencias de operaciones e interactuar con hardware. Para programar la placa se necesita solo un cable USB que se conecte a un ordenador. La programación ha sido simplificada al máximo, ocultando una serie de complicaciones técnicas. Así, la tecnología de los microcontroladores se ha puesto en manos de un amplio público. Esto le ha dado la oportunidad a muchas personas de crear diseños hasta hace poco tiempo impensables. Con un microcontrolador es posible leer sensores, conectarse a Internet o construir máquinas con control numérico. Arduino puede conectarse a motores y herramientas y puede interpretar, con un programa especial, instrucciones estándares utilizadas en el sector industrial (los G-Code). Las impresoras 3D han nacido así, sacando provecho de una patente caducada y la tecnología ofrecida por un pequeño chip. Los proyectos para construir las máquinas diseñadas por los makers son open source y cualquiera puede utilizarlos para construirse en casa una réplica de la máquina. Evidentemente, no podrá contar con las mismas prestaciones, velocidad y áreas de trabajo, pero son al fin y al cabo máquinas capaces de construir objetos de una forma rápida, precisa y repetible. Partiendo de un modelo o de un diseño, es posible fresar, imprimir, grabar y cortar prácticamente en un clic. En teoría, cualquiera podría construirse una pequeña fábrica en su garaje. ¡Esto es la digital fabrication! Son muchos los que piensan que nos encontramos ante una nueva revolución industrial. Con los instrumentos de la digital fabrication, la gente puede construir objetos a medida para satisfacer sus propias necesidades.

En el año 2013, durante la primera edición de la Maker Faire europea, la feria de los makers, se contabilizaron 35.000 visitantes; al año siguiente se registraron 90.000. A raíz de este fenómeno, son muchas las personas que actualmente se están acercando a la electrónica. Muchos necesitan crear placas y circuitos para hacer funcionar objetos, dotarlos de interactividad o emitir y transmitir señales. A menudo, sin embargo, estas personas no tienen una formación electrónica, sino que son diseñadores, arquitectos, inventores, innovadores, etc. que no tienen ni idea de cómo funciona un circuito. Simplemente tienen problemas que quieren resolver y buscan la manera de hacerlo. Muchos se encuentran en una situación similar a la del niño que desmonta un televisor y descubre un mundo misterioso e incomprensible. Con Arduino cualquiera puede construir objetos complejos y modulares con pantalla, bluetooth, wifi, GPS, etc. incluso sin saber mucho de lo que se trata. A veces, se necesita conectar algo distinto, aunque sencillo, y surgen los problemas: ¿cómo se conecta un relé? ¿Qué resistencia se necesita para conectar un led?

Este manual es un texto introductorio y simplificado. Muchos de los temas han sido reducidos para facilitar su comprensión e ir directamente al grano. Los argumentos no son sencillos y esconden conocidos problemas físicos y matemáticos que he intentado evitar y en los que podéis profundizar con las obras que indico en la bibliografía. He querido mantener un enfoque operativo para poneros en condición de comprender y, por tanto, de hacer.

Temas del libro y descripción de los capítulos

He intentado darle al libro un estilo lo más lineal posible, esforzándome en explicar los temas según el orden más lógico y coherente para un principiante. El libro está estructurado en once capítulos, seguidos de dos apéndices y una bibliografía para consultas posteriores.

El primer capítulo trata la teoría necesaria para comprender un circuito eléctrico y el funcionamiento de los componentes electrónicos más importantes, ilustrados en el capítulo 2. En el capítulo 3 aprenderemos a construir circuitos sobre placas de pruebas y a utilizar un soldador. El capítulo 4 explora los componentes semiconductores, como diodos, transistores y circuitos integrados.

El quinto capítulo está dedicado al desarrollo de proyectos prácticos para familiarizarnos con las placas de pruebas y con la lectura de los esquemas electrónicos. En el capítulo 6 hablaremos de señales y de circuitos para elaborarlas. El séptimo capítulo trata de los alimentadores. En el octavo, conoceremos la electrónica digital y experimentaremos con ella, para explorar el tema de los microcontroladores en el capítulo 9. En el décimo capítulo aprenderemos a diseñar un circuito impreso y a crearlo con software como gEDA o Fritzing. Por último, el capítulo 11 es una recopilación de proyectos útiles y esenciales para completar la práctica y adquirir un poco de experiencia con resistencias y transistores.

He decidido no incluir un capítulo sobre Arduino, sino añadir una breve referencia en el apéndice, junto a la descripción de un proyecto open source para la construcción de un sencillo osciloscopio.

Se puede acceder a otras explicaciones, actualizaciones y contenidos extra visitando el sitio web del autor: http://www.zeppelinmaker.it.

Sobre el autor

Paolo Aliverti, ingeniero de telecomunicaciones, artesano digital y emprendedor, se graduó en 1999 en el Politecnico di Milano con una tesis en robótica e inteligencia artificial que trataba sobre un sistema de visión para robots que juegan al fútbol. A los diez años empezó a interesarse por la electrónica y los microordenadores. Ha escrito el Manuale del Maker (Manual del Maker) para LSWR (traducido al inglés por Maker Media) y dos libros más sobre la impresión 3D. Organiza cursos y talleres sobre Digital Fabrication, Internet de las Cosas e Informática física. En 2011 fundó la Frankenstein Garage y, más tarde, el FabLab Milano, que se ocupa del diseño y la creación de prototipos para empresas. Es aficionado al alpinismo.

Agradecimientos

Gracias a la editorial EDIZIONI LWSR por la confianza y la paciencia. En particular, al responsable editorial Marco Aleotti, quien me ha seguido y aconsejado durante el proceso de elaboración del libro. Gracias a Giovanni Branca, quien se ha ocupado de revisar pacientemente lo que he escrito.

Agradezco a mi estimado amigo Francesco Ranucci (http://fraranux.blogspot.it), incansable y genuino maker, artesano y tocador de zanfona, por haber revisado el libro. Y gracias también a Dario Gavezotti, por sus preciados consejos.

Dedico este libro a mi familia: a mi esposa, Eleonora, a mis tres preciosos hijos, Emma, Samuele, Giona, y a mis padres.

Advertencias

La corriente eléctrica puede ser muy peligrosa: es invisible y, si no se es consciente ni se está seguro de lo que se hace, se puede sufrir un accidente grave o mortal. Nunca utilicéis en vuestros experimentos una tensión de red de 220 V. Utilizad solo pilas o baterías, sin dejar de prestar la máxima atención.

Hace mucho tiempo estaba en Roma trabajando con los robots de la Robocup99. El equipo del Politecnico di Milano tenía un robot llamado Rullit que jugaba en la Medium Size League. Rullit era un robot bastante pesado, que se alimentaba con varios paquetes de baterías de doce voltios y varios kilos de peso.

Tras muchas horas de programación estaba exhausto. Conectando la alimentación del robot intercambié los cables rojos con los negros, lo que produjo una fuerte sacudida y una pequeña explosión, provocando un agujero en el tapete verde del campo de juego. Si no os sentís seguros o tenéis alguna duda, preguntad a un experto, un amigo, un electricista... En Internet existen muchos sitios y grupos (también en Facebook), aunque en estos casos no es fácil saber si una persona es realmente experta.

Ni yo ni el editor podemos asumir ninguna responsabilidad ante los resultados conseguidos en los experimentos descritos en este libro. No podemos dar cuenta de incidentes o daños sufridos por cosas, personas y animales que podrían producirse al realizar dichos experimentos.

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Circuitos electrónicos, corrientes y tensiones

Paradiseñarcircuitos y entender el comportamiento de losdispositivos electrónicos, cabe empezar por los conceptos básicos. Hablaremos decorrientes,tensiones,resistenciasy de las coincidencias que las unen. Para explicar todos estos conceptos, compararemos la corriente eléctrica con unacorriente 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 eléctrica como si fuera una cosa en sí misma, aunque en realidad corriente, tensión, resistencia y potencia son entidades relacionadas entre ellas y con dependencias recíprocas que pueden describirse con fórmulas matemáticas, pero por el momento no hablaremos de ello.

La corriente eléctrica es un fenómeno producido por el movimiento de partículas cargadas eléctricamente dentro de un material conductor, como el cobre o el hierro. Antes se creía que estas partículas tenían una carga positiva, pero en realidad son electrones, es decir, partículas con carga negativa. Los metales están formados por átomos repletos de electrones que pueden moverse fácilmente. Por este motivo, la corriente circula bien por el cobre y el hierro, que se definen como conductores. Imaginemos que tenemos una batería y una lámpara y lo conectamos todo con cable eléctrico. Del polo positivo de la batería surgirán cargas eléctricas, desplazándose a lo largo del cable y encendiendo la lámpara, para posteriormente regresar al punto de partida, en el polo negativo. El cable puede compararse con una tubería y los electrones con las moléculas de agua que circulan por ella. El polo positivo de la batería puede ser sustituido por un grifo y el polo negativo por el desagüe en el cual termina el agua al finalizar su recorrido.

Figura 1.6 - El agua y los electrones se comportan (a veces) de forma muy parecida.

La corriente tiene una dirección, indicada también con el término polaridad, porque las cargas circulan siempre del polo positivo al negativo. El primero que presentó esta idea fue Benjamin Franklin, quien no tenía los instrumentos ni los conocimientos físicos necesarios para darse cuenta de que, en realidad, la corriente era producida por los electrones con carga negativa y no por las hipotéticas partículas positivas. Franklin describió simplemente lo que podía observar con sus propios ojos. Hemos permanecido siempre vinculados a esta convención, si bien en realidad los electrones se mueven del polo negativo al positivo. El polo positivo habitualmente se indica con el signo + o con color rojo, mientras que el polo negativo se indica con el signo - o con color negro. ¿Cómo se mide la corriente? Medir el flujo de un conducto es bastante sencillo: necesitamos un cronómetro y un contador para medir los litros de agua que salen de la tubería. El flujo depende del diámetro del tubo y de la velocidad del agua, y es igual al número de litros que atraviesan la sección de la tubería por segundo. Podrían pasar diez, cien o mil litros por segundo. Para medir la corriente se procede de un modo parecido, solo que, en lugar de medir litros de agua, debemos contar las cargas eléctricas o la cantidad de electrones que pasan por un cable eléctrico en un segundo (o mejor dicho, por una sección del cable).

Figura 1.7 - La corriente se mide contando el número de cargas que atraviesan la sección de un cable por segundo.

La unidad de medida de la corriente es el amperio, que viene también del nombre de su descubridor, el físico francés André-Marie Ampère (1775–1836). El símbolo del amperio es una A y en las fórmulas la corriente se indica normalmente con la letra I. Cuando las corrientes son pequeñas, se pueden expresar en miliamperios (mA), y si son muy pequeñas, como las corrientes interceptadas por las radios, también en microamperios (μA). Un miliamperio es igual a 0,001 amperios y un microamperio es igual a 0,000001 amperios.

Figura 1.8 - André-Marie Ampère (1775–1836).

Ríos como el Po o el Nilo, por los cuales circulan enormes cantidades de agua por segundo, se pueden comparar con grandes conductos eléctricos, también denominados líneas eléctricas, que desde las centrales eléctricas llegan hasta las ciudades. Un río como el Ticino o el Lambro podría compararse con el cable por el cual pasa la corriente necesaria para mover un tranvía de la ATM1. La manguera de los bomberos podría compararse con el cable que hace funcionar una gran máquina, como una prensa o un torno industrial. Y el grifo de casa podría compararse con el cable que va desde la toma de pared hasta nuestra tostadora.

Tabla 1.1 – ¿Cuánta corriente se necesita?

La corriente eléctrica se mide con un amperímetro, que, a diferencia de lo que hemos visto, no mide el número de electrones que pasan por un cable, sino que utiliza un sistema distinto, aunque muy eficaz. El clásico amperímetro es un instrumento electromecánico dotado de una lanceta y una escala graduada y se encuentra normalmente en los cuadros eléctricos industriales. Para nuestras medidas, utilizaremos un multímetro o tester, un instrumento que puede ejecutar distintos tipos de medidas eléctricas, entre las cuales la de corriente.

Figura 1.9 - Amperímetro con lanceta.

Corriente alterna y continua

La corriente que utilizaremos en nuestros circuitos es de tipo continuo: su valor se mantiene constante en el tiempo. Es la corriente que puede proporcionar una batería o un alimentador. En los libros ingleses se indica también con las letras DC (Direct Current). La corriente alterna es una corriente que varía periódicamente en el tiempo: circula en una dirección y, después, en la dirección opuesta. Volviendo una vez más a la analogía del agua, es como si tuviéramos una bomba rotativa que empuja el agua, dentro de una tubería, en una dirección y en otra.

Figura 1.10 - Analogía hidráulica para la corriente alterna: una bomba de pistón empuja el agua en un sentido y en otro, periódicamente.

La corriente que llega a nuestras casas es de este tipo y fue utilizada por primera vez por el genial Nikola Tesla. A finales de 1800, las primeras empresas de distribución eléctrica decidieron utilizar este tipo de corriente porque es más fácil de distribuir y es menos peligrosa que la corriente continua, si bien tiene un voltaje elevado. La corriente alterna que encontramos en las tomas de corriente domésticas tiene un valor que varía cíclicamente en el tiempo, pasando de valores negativos a positivos, y se indica con las letras AC (Alternate Current). En Europa cumple cincuenta ciclos por segundo (50 hercios), mientras que en los Estados Unidos y en otros estados de América del Sur cumple los sesenta ciclos por segundo. La corriente alterna no se puede almacenar, a diferencia de la corriente continua, y origina una serie de fenómenos secundarios que la hacen un poco más complicada de tratar: se necesitan ciertos conocimientos matemáticos y un poco más de experiencia. En este libro no la trataremos, pero si os interesa profundizar en este tema, os aconsejo que consultéis un libro de electrotécnica.

Tamaños y multiplicadores: números de ingenieros

En electrónica se utilizan números muy variados; en una misma fórmula podemos tener tamaños enormes combinados con otros microscópicos. Para realizar cálculos, deberíamos utilizar números con muchísimos ceros. Para evitar escribir cada vez todos estos números deberíamos utilizar la notación exponencial con base diez: un tema para ingenieros y científicos que a cualquiera de nosotros podría provocarnos dolor de estómago. Por ejemplo, el número 100 podría escribirse como 10·10 o bien con la forma 102 (diez elevado a dos). 1.000 se convierte en 10·10·10 que se escribe como 103 (diez elevado a tres). 200 pasa a ser 2·102. Los números con coma pueden escribirse así:

Aunque esta manera de expresar los números es un poco extraña, ayuda muchísimo en los cálculos, porque no debemos indicar todos los ceros y porque los exponentes tienen interesantes propiedades, entre las cuales la que reza que si dos números tienen la misma base (el diez) y se insertan en la misma multiplicación, sus exponentes pueden ser sumados:

En una división, los coeficientes de números con la misma base se pueden restar:

Del ejemplo anterior, podemos entender que si un número con exponente se encuentra en el denominador de una fracción, puede ser colocado en el numerador cambiándole el signo al exponente:

Para hacerlo todavía más sencillo, los electrónicos decidieron eliminar también los exponentes y utilizar abreviaturas. En los libros y artículos de electrónica podemos encontrarnos con siglas como las siguientes:

Para los tamaños que van más allá de la unidad tenemos:

La tensión o diferencia de potencial

Muchas veces hemos formulado preguntas como estas: “¿A cuánto funciona este electrodoméstico?, A 220 V, o bien ¿Con qué baterías funciona este juguete?, Utiliza una pila de 9 V”.

Recuperemos la metáfora del agua, la cual puede circular si existe un desnivel. Por razones similares, la corriente eléctrica puede circular si existe un desnivel o una diferencia de potencial, que es como decir que dos extremos se sitúan en alturas distintas.

Figura 1.11 - El agua puede circular por una tubería si existe un desnivel entre sus dos extremos.

Si tomamos un tubo muy largo, lo ponemos en el suelo y lo llenamos de agua, esta saldrá por el otro extremo con poca fuerza. Ahora bien, si elevamos uno de los dos extremos, el agua saldrá con mucha más fuerza. Cuanto mayor sea el desnivel, mayor será la fuerza (o presión) a la salida del tubo. Podemos imaginarnos la tensión como el desnivel desde el cual cae el agua: es como la altura de una cascada de agua.

Supongamos que podemos acumular un cierto número de cargas positivas en un punto y colocar a cierta distancia un segundo grupo de cargas negativas. Entre ambos grupos de cargas se crea un campo eléctrico, del mismo modo que, si pusiéramos una pequeña carga positiva en este campo, esta se desplazaría hacia el grupo con signo negativo modificando su energía. Una carga eléctrica, quieta en un campo eléctrico, posee un determinado nivel de energía potencial solo por el hecho de estar en un punto preciso y de permanecer quieta en él. La energía potencial depende únicamente de la posición, de nada más (por eso se asemeja a la altura a la cual ponemos el tubo con el agua). El voltaje se obtiene dividiendo la energía potencial entre la cantidad de carga de la partícula y expresa la cantidad de energía necesaria para desplazarla. Se habla de diferencia de potencial porque resulta difícil realizar medidas absolutas y es más fácil hacer comparaciones y proporcionar medidas relativas.

La unidad de medida de la tensión es el voltio, del nombre del conde y científico Alessandro Volta (1745–1827), famoso también por ser el inventor de la pila y descubrir el metano.

Figura 1.12 - Alessandro Volta (1745–1827).

Las diferencias de potencial se miden con un voltímetro. Existen voltímetros electromecánicos con galvanómetro, que, normalmente, se encuentran en los cuadros eléctricos. Nosotros utilizaremos un práctico multímetro o tester, un instrumento que puede ejecutar distintos tipos de medidas eléctricas, entre las cuales se encuentra la de la tensión.

Si queremos utilizar un tubo muy largo para que salga el agua con cierta fuerza o cubrir distancias largas, es preciso que la diferencia de altura entre los extremos del tubo sea importante. Es lo que ocurre en las centrales eléctricas que generan corriente de alto voltaje (incluso cientos de miles de voltios), para después introducirla en una línea de alta tensión que viaja cientos de quilómetros. Al final de la línea la tensión se reduce con un transformador antes de ser transportada hasta las casas o las fábricas.

Figura 1.13 – Para recorrer grandes distancias es preciso que la tensión sea muy elevada.

La tensión de la corriente que llega a nuestras casas y que utilizan la mayor parte de los electrodomésticos es de unos 220 voltios. Los pequeños electrodomésticos utilizan tensiones inferiores, de 12 o 15 voltios. En los cables USB que conectamos a nuestro ordenador tenemos 5 voltios. Las diferencias de potencial elevadas son muy peligrosas (aunque por norma general cuenta la combinación de corriente y tensión), porque las tensiones elevadas pueden superar obstáculos e, incluso, perforar capas de aislante: pensemos en los rayos que atraviesan miles de metros de aire para acabar en el suelo.

Para evitar que un circuito quede dañado, y que nosotros mismos nos hagamos daño, es necesario comprobar que:

• la tensión sea correcta;

• exista suficiente corriente.

La alimentación de un circuito la proporciona un generador, término mediante el cual se designa un alimentador, una batería o cualquier cosa capaz de proporcionar corriente o tensión. La tensión que proporciona el generador y la que necesita el circuito deben coincidir. Supongamos que el alimentador sea una pequeña cascada de agua y el circuito, un pequeño molino. Si la rueda del molino es demasiado grande, la cascada no conseguirá llenar la rueda del molino y hacer que se mueva. En cambio, si la cascada es demasiado alta y la rueda del molino es muy pequeña, la caída del agua dañará o destruirá por completo la rueda.

Figura 1.14 - Para hacer rodar la rueda del molino, la cascada debe tener la altura adecuada.

Si la tensión del alimentador es inferior a la tensión que necesita el circuito, este no funcionará. Si intentamos alimentar un dispositivo eléctrico que necesita tres pilas de 1,5 voltios con una única pila, difícilmente el dispositivo dará señales de vida. Si conectáramos el dispositivo a cuatro o cinco pilas, seguramente lo quemaríamos.

Figura 1.15 – Para funcionar, cada dispositivo necesita una tensión adecuada.

Todo circuito consume una cantidad determinada de corriente. Si le proporcionamos poca corriente, el circuito no funcionará o se encenderá de modo incorrecto. Imaginemos que estamos en la orilla del Po. Por este río circula una gran cantidad de agua. Sumergimos un tubo en el río y sacamos agua para hacer girar nuestro molino. ¿Qué ocurrirá? El tubo se llenará con el agua suficiente para hacer trabajar la rueda del molino.

Figura 1.16 – Un río con una gran capacidad puede proporcionar toda el agua necesaria.

Ahora imaginemos que estamos en la orilla de una pequeña y pobre acequia de la región de la Bassa Lodigiana. Si los mosquitos nos lo permiten, intentamos sumergir el tubo en el agua, el cual, ahora, será difícil que se llene y la rueda del molino no rodará. En mi laboratorio tengo un alimentador regulable en el cual puedo ajustar la tensión o la corriente según mis necesidades. Para encender un circuito que funciona a 5 voltios y que necesita un amperio de corriente, debo ajustar la regulación del voltaje exactamente a 5 voltios (o un poco menos). Si aumentase la tensión hasta 7 voltios, el circuito se quemaría (¡no lo hagáis!). El alimentador cuenta también con un regulador para la corriente. Si la corriente se ajusta a 0 amperios, el circuito está apagado, aunque la tensión sea correcta, porque no le llega corriente. Es como si hubiera metido mi tubo en un torrente sin agua. Aumentando la corriente hasta 0,5 amperios, el circuito podría ponerse en marcha y encenderse. Algunos dispositivos podrían funcionar de forma incorrecta o incluso dañarse. Ajustando la corriente a un amperio, el circuito funcionará bien. ¿Qué ocurriría si aumentáramos la corriente hasta 15 amperios? ¿Explosionaría todo? ¡No! Es como si hubiera sumergido mi tubo en el Po: el tubo se llena por completo y el molino tiene toda el agua que necesita.

Figura 1.17 - Los alimentadores de laboratorio pueden regular corriente y tensión.

Potencia

Para hacer mover cualquier cosa es necesario proporcionar energía, así como para desplazar cosas minúsculas como los electrones. El desplazamiento puede llevarse a cabo en momentos distintos: un segundo, una hora o un año. Cuanto más rápido sea el movimiento, mayor será la potencia. Mi viejo libro de física, en una página amarillenta, muestra una fórmula que dice que la potencia es igual a la cantidad de energía dividida entre el tiempo: una acción será más potente cuanto más rápidamente se realice.

La potencia eléctrica se mide en vatios (cuyo símbolo es W), en honor a James Watt, que en 1800 se deleitaba con máquinas de vapor, caballos y otras diabluras, midiendo tiempos y energías. La potencia eléctrica para los circuitos eléctricos se puede calcular multiplicando la tensión medida entre los terminales de un dipolo por la corriente que lo atraviesa.

Tenemos un circuito alimentado con una pila de 9 voltios. La corriente que circula por el circuito es de 0,1 A y la potencia absorbida será igual a:

La fórmula se comporta correctamente con las corrientes continuas, pero podría dar valores no del todo correctos si la utilizáramos con corriente alterna, para la cual se utiliza una fórmula más compleja (que no trataremos).

Aunque el resultado sería aproximado, podríamos usar la fórmula de la potencia para saber la corriente que absorbe un electrodoméstico. Si en la placa de un secador leemos 1.000 W y la alimentación es la de red, a 220 V, podríamos dar con la corriente absorbida:

Tiempos y frecuencias

Otra de las variables importantes que utilizaremos con los circuitos electrónicos es el tiempo. En ocasiones no se habla de tiempo, sino de frecuencia, es decir, del número de eventos o de ciclos que se producen en un segundo. Si golpeamos un tambor con una baqueta cuatro veces en un segundo, estamos produciendo un sonido a 4 hercios. Por lo tanto, los golpes están separados uno de otro por un tiempo de:

La fórmula para calcular la frecuencia es:

La letra T indica el periodo, es decir, la duración total de un evento que se repite. Para una corriente alterna, el periodo es el tiempo necesario para que la corriente cumpla un ciclo completo, partiendo de 0, llegando al máximo, bajando hasta el valor mínimo y regresando a 0.

Figura 1.18 – El periodo es el tiempo necesario para cumplir un ciclo completo.

Tenemos claro que a los electrónicos no les gustan los números con muchas comas ni muchos ceros y que son bastante perezosos. Es por ello que prefieren hablar de hercios (Hz) en lugar de eventos que ocurren cada 0,00000012 s.

Las corrientes continuas tienen una frecuencia de 0 Hz, porque no cambian nunca.

Anillos de tensión y nodos de corriente

Veamos ahora algunas características respecto al comportamiento de tensiones y corrientes que nos serán muy útiles para entender el funcionamiento de los circuitos electrónicos. Conectamos entre sí los terminales (también llamados reóforos) de unos dipolos. Los terminales están unidos por un nodo, que es un punto muy especial para los fenómenos eléctricos. Recurramos a nuestra analogía habitual: una conexión hidráulica está formada por distintos tubos que se conectan en un único punto. En este caso, si por un tubo llega agua, esta se esparce por los otros tubos. Si el agua llegara desde más tubos, se equilibraría por sí misma, distribuyéndose e intentando salir de los tubos disponibles. Lo que no podría ocurrir nunca es que el agua fluyera de todos los tubos: ¿desde dónde llegaría? ¡El agua no puede materializarse de la nada! La situación contraria, es decir, que el agua llegara de todos los tubos, también sería un problema.

Figura 1.19 – La suma de las corrientes en un nodo siempre es igual a cero.

Podemos observar el mismo comportamiento en las corrientes: en un nodo pueden entrar o salir distintas corrientes, lo importante es que, si entra una cantidad determinada de corriente, la misma cantidad sea la que salga. En un nodo llegan cuatro cables o hilos por los cuales fluyen las corrientes: i1, i2, i3, i4. Una regla sería: la corriente que entra en el nodo es de signo positivo, mientras que si sale, el signo es negativo. La suma de todas las corrientes en el nodo siempre debe ser igual a cero.

Esta fórmula se denomina Ley de corrientes de Kirchhoff. Si las corrientes de la figura 1.19 valen:

i4 se calculará del siguiente modo:

La corriente i4 es de signo positivo y, por tanto, según la regla que hemos establecido, será entrante en el nodo.

Un circuito es una red de componentes dónde podemos identificar mallas, es decir, anillos. Un anillo está formado por un camino cerrado que podemos recorrer caminando solo por los elementos del circuito: cables y componentes. Un circuito contiene varios anillos, los cuales tienen partes en común.

Figura 1.20 - El circuito de la figura tiene tres mallas.

La tensión en los extremos de un dipolo se puede indicar con una flecha que ayuda a identificar la polaridad, porque su punta señala el polo positivo. También podríamos medir esta tensión con un tester o un multímetro, aunque solo podremos leer algo si el componente se encuentra en un circuito y está alimentado. A menudo no se conoce el sentido de la tensión (es decir, por qué parte es positivo y por cuál, negativo), por lo que podemos sencillamente dibujar las flechas sobre los dipolos en el sentido que queramos. Si, tras haber efectuado los cálculos, resulta que la tensión tiene un valor negativo, será suficiente con girar el sentido de la flecha.

Figura 1.21 – En la primera figura, hemos dibujado primero las flechas de color azul y después hemos hecho los cálculos. De ellos se desprende que la tensión en el dipolo número tres es negativa. En la segunda figura hemos redibujado la flecha en el tercer dipolo orientada correctamente.

Existe una versión del Teorema de tensiones de Kirchhoff: si sumamos las diferencias de potencial de los lados de un anillo cualquiera, veremos que su suma es igual a cero. Esta regla vale para cualquier anillo del circuito y, de hecho, es más o menos como resolver un sudoku.

Figura 1.22 – En este circuito se han calculado las tensiones de cada dipolo. La suma de las tensiones de cada posible anillo es siempre igual a cero.

En el circuito dibujado en la figura 1.22 ya se han calculado las tensiones para cada dipolo. Así, podemos comprobar fácilmente que, en tres posibles anillos del circuito, la suma de las tensiones siempre es igual a cero.

La ley de Ohm

Ahora que ya sabemos los conceptos fundamentales de corriente y tensión, vamos a intentar ponerlos en práctica estudiando un simple circuito compuesto por un resistor, un led y una batería de 9 voltios. Más adelante trataremos estos componentes. De momento, necesitamos saber que:

• el resistor es un componente que reduce la corriente que circula en un circuito;

• el resistor obstaculiza el paso de la corriente, así como un tubo con una constricción obstaculiza el paso del agua;

• un led es una especie de lámpara;

• el led tiene polaridad, por lo que, si lo conectamos al revés, no se encenderá;

• el led se alimenta con una tensión de unos 2 voltios y una corriente entre los 10 y los 20 mA;

• si no respetamos los valores de tensión y corriente para el led, corremos el riesgo de dañarlo.

Figura 1.23 – El esquema del sencillo circuito que queremos calcular.

La pregunta que muchos se hacen cuando tienen un led entre las manos es: “¿Qué resistencia le pongo para no quemarlo?”.

Seguidamente, veamos cómo calcular la resistencia adecuada utilizando la ley de Ohm y algunas observaciones sencillas. Si conectáramos directamente el led a la batería de 9 voltios, este se encendería un instante y, después, se quemaría. El led necesita unos 2 voltios y nosotros lo hemos conectado a una batería de 9 voltios: ¡demasiados! Para encender correctamente el led, necesitamos una resistencia que hará que sobre el componente se produzca una caída de tensión de 2 voltios. Para nuestro experimento utilizaremos una batería de 9 voltios con un clip. La batería debe poder proporcionar al menos 10 miliamperios, si no el led no se encenderá, aunque esto no supone ningún problema porque una batería de 9 voltios puede proporcionar corrientes mucho mayores.

Ya hemos visto que el voltaje se puede comparar con la altura de una cascada por la que cae agua. Podemos imaginarnos la batería de 9 voltios como una cascada de 9 metros de altura y el led, como la rueda de un molino de dos metros de diámetro: se necesitará como máximo una cascada de dos metros de altura. Si situáramos el molino debajo de la cascada de 9 metros, lo destruiríamos. La resistencia sirve en este caso para romper la caída del agua de la cascada desde los 9 metros de altura. Por lo tanto, sobre la resistencia habrá una cascada de siete metros de altura.

Ahora, debemos sustituir las cascadas por las tensiones que podemos representar con flechas: por una parte, tenemos la flecha roja con los 9 voltios de la batería, juntamente con las flechas azules de los usuarios, es decir, de la resistencia y el led. Como hemos visto, la suma de las tensiones a lo largo del anillo siempre debe ser igual a cero (Kirchhoff).

Figura 1.24 – Las tensiones están dibujadas como cascadas de agua: para no dañar el led, debemos romper la caída del agua.

En términos de voltaje, podemos observar que:

• la batería proporciona 9 voltios;

• el led necesita como máximo 2 voltios;

• la resistencia sirve para romper el voltaje y adaptarlo al led;

• la resistencia puede soportar una tensión de 7 voltios sin dañarse.

Probemos a sumar las tensiones. Las tensiones pueden tener signo positivo o negativo, nosotros decidimos la regla. Podemos decir que, si recorremos el anillo en sentido horario, las tensiones que concuerdan con la rotación tienen el signo + y las que son distintas tienen el signo -.

Que podemos rescribir así:

Ahora que conocemos algunos de los valores, los podemos sustituir en la fórmula:

El resultado es igual a la tensión que queremos encontrar en los extremos de la resistencia. Ahora calculamos la corriente: en el circuito deben circular 20 mA, porque son los que necesita el led. La batería puede proporcionar cientos de miliamperios, pero el led y la resistencia crearán unas condiciones según las cuales solo circule la corriente necesaria. Seguidamente centrémonos en la resistencia: tenemos 7 voltios en sus extremos y la atraviesa una corriente de 20 mA.

La ley de Ohm, que relaciona los valores de tensión, corriente y resistencia, se escribe así:

donde V indica la tensión, I la corriente y R la resistencia. También se puede escribir de las siguientes formas:

Para calcular la resistencia para nuestro circuito, insertamos los valores en la fórmula:

La resistencia correcta tiene un valor de 350 Ω. En el mercado no existen resistencias de 350 Ω porque se fabrican solo con unos valores determinados. El valor de resistencia que se acerca más es 390 Ω.

Ahora vamos a calcular la potencia consumida por la resistencia. Hemos visto que la potencia es igual a la tensión por la corriente:

La ley de Ohm dice que:

Por lo que la potencia puede escribirse como sigue:

Si sustituimos en la fórmula los valores que conocemos:

En el mercado existen distintos modelos de resistencia capaces de soportar diferentes potencias. En este caso, bastará una resistencia común de 1/4 de vatio, es decir, de 0,25 vatios. Si hubiéramos elegido una resistencia de potencia inferior, habríamos podido sufrir un sobrecalentamiento del componente... ¡o incluso podría haberse quemado!

Medidas eléctricas

Los fenómenos eléctricos son invisibles. No podemos ver los electrones que circulan por un cable metálico. Y también es imposible contarlos de manera efectiva. A pesar de estas dificultades, podemos medir corrientes y tensiones detectando efectos secundarios, como los campos electromagnéticos, provocados por el movimiento de las corrientes. Ya hemos visto que para medir corrientes y tensiones deberían utilizarse voltímetros o amperímetros, aunque es mucho más práctico utilizar un tester o multímetro, es decir, un instrumento capaz de medir distintas magnitudes eléctricas. Los tester tienen una pantalla numérica o una aguja, un selector rotativo y tres o cuatro orificios para insertar sondas, es decir, un par de lápices con la punta de metal, conectadas a unos cables. Las sondas son siempre una roja y una negra, que son los colores convencionales que corresponden al positivo (rojo) y al negativo (negro).

Figura 1.25 - Un multímetro digital moderno y un tester analógico de aguja.

Se pueden adquirir instrumentos a buen precio que miden solo tensión, corriente y resistencia por menos de diez euros, así como modelos más complicados y caros que pueden medir también capacidad, frecuencia, inductancia, transistor, diodos y temperaturas. Todavía se pueden encontrar modelos de aguja que pueden intimidar un poco, porque a menudo presentan muchas escalas de medida superpuestas y varios orificios (bujes) en los cuales se insertan las sondas. En realidad, los distintos modelos tienen una serie de características comunes y, cuando se aprende a utilizar uno, el resto no presenta ninguna dificultad. Todos los modelos tienen un buje con el texto COM que significa común. En este orificio se conecta siempre la sonda negra, la del polo negativo. Tenemos también un orificio con el texto V/OHM para medir tensiones y resistencias, y uno o más orificios para la corriente, normalmente identificados con mA y A. Las entradas para las corrientes están separadas, porque las medidas de una determinada entidad requieren una protección especial para el usuario y para los circuitos del tester. Las corrientes que utilizaremos en nuestros experimentos llegarán como máximo a unos pocos cientos de miliamperios.

El instrumento está dotado de un selector giratorio para ajustar el tipo de medida y el flujo (o la precisión). El selector está dividido en sectores. En el sector para los voltajes tenemos distintos ajustes, por ejemplo, los siguientes: 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V. Los instrumentos modernos y más costosos se adaptan solos a las magnitudes que se desea medir. Si quisiéramos medir una tensión de 10 voltios con el instrumento ajustado a 2 voltios, no dañaríamos el tester, pero la lectura se hará a gran escala (en la pantalla aparece una advertencia o un texto especial). Lo mismo ocurre para medidas de corrientes y resistencias.

Figura 1.26 – Los multímetros tienen siempre un buje COM, un buje para las medidas de tensión y resistencia y uno o más para las medidas de corriente.

Medir tensiones

La medida de la tensión es una operación no invasiva: no es necesario modificar los circuitos para llevar a cabo una detección, sino que basta con apoyar las sondas en dos puntos del circuito para leer la diferencia de potencial.

Para medir una tensión, insertamos la sonda roja en el buje con el texto V, que significa voltaje, y la sonda negra, en el buje COM. A continuación, giramos el selector del instrumento hacia el flujo correcto. Si desconocemos la tensión que estamos midiendo, podemos partir del valor máximo e ir bajando. Es realmente importante ajustar correctamente el selector, porque en ocasiones pueden aparecer manchas debido a la tensión continua (indicadas como VDC), distintas a las de la tensión alterna (VAC). Algunos instrumentos cuentan incluso con un buje para la tensión alterna y otro para la tensión continua, por lo que debemos estar atentos a dónde insertamos la sonda. A veces, en lugar de las siglas VDC y VAC aparecen símbolos gráficos: para la corriente continua se utiliza una línea flanqueada por puntos y para la corriente alterna, una línea recta junto a una tilde ~.

Vamos a intentar medir las tensiones presentes en el circuito de la figura 1.23. El circuito utiliza una pila de 9 voltios, por lo que empezamos comprobando la tensión que encontramos en sus dos polos:

1. encendemos el tester;

2. conectamos la sonda negra en el buje COM;

3. ajustamos el tester para medir una tensión continua, girando el selector hasta VDC con un flujo mayor a 9 voltios (mi tester cuenta con 20 V);

4. conectamos la sonda roja al buje VDC;

5. apoyamos la sonda negra sobre el polo negativo de la batería;

6. con la sonda roja tocamos el polo positivo;

7.