Kitabı oku: «Reparar (casi) cualquier cosa», sayfa 4
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Componentes electrónicos
Aprender las bases de los fenómenos eléctricos para entender el funcionamiento de un dispositivo electrónico. Para reparar placas electrónicas, es necesario conocer y distinguir los componentes electrónicos y saber cómo se pueden dañar.
«Ley de Sattinger – Funcionaría mejor si lo enchufara».
Arthur Bloch – La ley de Murphy
Aunque este manual ha sido escrito no solo para principiantes, he pensado añadir un capítulo de «repaso» para ayudar a quienes, sin ser expertos, deseasen intentar algunas reparaciones. Para aquellos que han comprado también mis otros libros, esta parte debería hacer de complemento para añadir algunas informaciones ausentes, que en los libros precedentes Electrónica para makers y Manual de Arduino no he tratado. En este capítulo presentaré los componentes fundamentales, con algunos detalles específicos, útiles para reparaciones.
Corriente y tensión
Para funcionar, todo circuito eléctrico debe estar alimentado con una fuente de energía. Normalmente, cuando se construyen prototipos es preferible utilizar fuentes poco peligrosas, como baterías o alimentadores. Los que están más «equipados» utilizan una fuente de alimentación de banco ajustable para establecer valores de tensión y corriente como se desee. Algunos modelos de alimentadores ofrecen más tensiones de alimentación y pueden incluso ser programados para hacer cambiar los valores en el tiempo. La corriente eléctrica es un fenómeno misterioso para el principiante y, desafortunadamente, invisible: es difícil imaginar cómo una fuerza que no se ve puede llegar a animar pequeñas piezas metálicas. Como ya sabéis, esto podría compararse al agua que circula por una tubería.
Figura 2.1 – La corriente eléctrica es comparable al agua que circula por una tubería.
Con el término «corriente» se entiende la cantidad de cargas eléctricas que cruzan la sección de un conductor (de un cable eléctrico) en un segundo. La corriente es, por tanto, comparable al flujo, es decir, a la cantidad de agua que pasa por la sección de un tubo en un segundo. La unidad de medida de la corriente es el amperio, que es también el 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, en el caso de que sean muy pequeñas, como las corrientes interceptadas por la radio, también en microamperios [µA]. Un miliamperio es igual a 0,001 amperios, un microamperio es igual a 0,000001 amperios. Por convención, se asume que la corriente fluye del polo positivo al polo negativo de un generador. Por norma general, el polo positivo se identifica con un signo “+” y se asocia al color rojo, mientras que el polo negativo se identifica con un signo “-” y utiliza el color negro.
La corriente que encontramos en los circuitos puede ser de tipo continua o alterna. La corriente continua tiene un valor constante en el tiempo. Es la corriente que puede suministrar una batería o un alimentador. En los textos ingleses, se indica con las siglas DC (Direct Current). La corriente alterna es una corriente que varía periódicamente en el tiempo: circula un poco en una dirección y después, brevemente, en la dirección opuesta. Si recurrimos una vez más a la analogía con el agua, es como si tuviéramos una bomba giratoria que empuja el agua, dentro de una tubería, hacia un sentido y hacia el otro. No debemos confundirnos con la corriente variable y la corriente alterna. La corriente alterna es un caso especial de corriente variable, donde la intensidad y el sentido cambian periódica y regularmente entre un valor máximo y uno mínimo; el ejemplo típico es la corriente suministrada por las tomas domésticas. Otro aspecto eléctrico muy importante y conocido es la tensión. Normalmente, cuando tenemos en nuestras manos un dispositivo eléctrico es lo único que nos preocupa. La tensión eléctrica o diferencia de potencial es equivalente al desnivel «eléctrico» que existe entre dos puntos. Volvamos a la metáfora del agua, que puede circular por una tubería solo si existe un desnivel. Por razones similares, la corriente eléctrica puede circular si hay un desnivel... o mejor dicho, una diferencia de potencial, que es como decir que dos puntos se encuentran a alturas distintas.
Imaginemos que podemos acumular un cierto número de cargas positivas en un punto determinado del espacio y que ponemos a una distancia concreta un segundo grupo de cargas negativas. Entre ambos grupos de cargas se crea un campo eléctrico, de manera que, si colocáramos una pequeña carga positiva en este campo, esta se desplazaría hacia el grupo de signo negativo, modificando su energía. Una carga eléctrica quieta en un campo eléctrico posee un cierto nivel de energía potencial, solo por el hecho de estar en un punto concreto y de permanecer allí quieta. La energía potencial depende de la posición y de nada más (por eso se parece a la altura en la cual colocamos la tubería con el agua). El voltaje se obtiene dividiendo la energía potencial entre la cantidad de energía necesaria para desplazarla. Se habla de diferencia de potencial porque es difícil realizar medidas absolutas, pero es más difícil hacer comparaciones y proporcionar medidas de diferencia de potencial. La unidad de medidad de la tensión es el voltio, por el nombre del conde y científico Alessandro Volta (1745-1827), famoso también por haber inventado la pila y haber descubierto el metano. Para medir la tensión, es preciso utilizar un voltímetro, aunque actualmente con un multímetro o tester es posible efectuar cualquier tipo de medida, incluso las de voltaje.
Normalmente los circuitos «comunes» se alimentan con tensiones de algunos voltios. Una pequeña señal puede alcanzar eventualmente algunos milivoltios de tensión. En cambio, si os encontráis con un dispositivo alimentado con una tensión de kilovoltios, os aconsejo que os mantengáis alejados, porque podría ser muy peligroso: de hecho, cuando el voltaje es muy elevado, la corriente puede circular por el espacio que la separa entre un conductor y el otro generando una descaga eléctrica, como un pequeño rayo. ¡Mejor no encontrarse cerca en estos casos!
Tensión y corriente, por tanto, van siempre juntas y originan señales. En los circuitos se encuentran aquellas señales que contienen información y pueden variar en el tiempo de un modo continuo o «discreto». La tensión de una señal que cambia constantemente entre un valor máximo y mínimo (y que, por tanto, puede asumir todos los valores posibles) es una señal analógica. Una señal que utiliza solo dos valores, uno máximo y uno mínimo, se define como digital. Actualmente, casi todos los circuitos eléctronicos contienen microcontroladores, es decir, pequeños ordenadores, y, por tanto, las señales digitales son muy habituales.
La analogía «acuática» es muy práctica para entender el funcionamiento de la mayor parte de los fenómenos, pero si se toma al pie de la letra, puede llevarnos a una serie de errores o conclusiones erróneas. En un tratamiento muy simplificado, podría pensarse que la corriente eléctrica se comporta igual que un flujo de agua o que pequeñas partículas cargadas en movimiento, pero en realidad la corriente eléctrica está generada por un flujo de cargas eléctricas, que en un primer momento se consideraron partículas o pequeñas bolas con carga positiva, pero aun así esto no basta para explicar todos los fenómenos. Para tener una explicación completa, sobre todo ante corrientes que cambian en el tiempo, debemos utilizar conceptos más modernos, pero muy complejos, donde las partículas son en realidad campos y ondas.
Un problema típico del modelo «acuático» podemos encontrarlo ya con un simple circuito formado por una batería conectada a una resistencia y después a una bombilla. La resistencia debería hacer que llegara a la bombilla la cantidad correcta de corriente y que hubiera en sus extremos la tensión justa de alimentación. Así, podríamos imaginar el flujo de partículas que sale del polo positivo de la batería para llegar a la resistencia, que debería obstaculizarle el paso. Las partículas diezmadas llegarían en menor cantidad a la bombilla, encendiéndola menos, para después volver al polo negativo de la batería. Con este sencillo modelo, si colocáramos primero la bombilla y después la resistencia, tendríamos un problema, porque podríamos pensar que la bombilla se encenderá completamente porque la corriente la alcanza a pleno rendimiento y solo a continuación es reducida por la resistencia. Como ya sabéis, las cosas no son exactamente así y la posición de la resistencia es indiferente, pues no se debe considerar el transcurso de la corriente, sino todo su conjunto.
Combinar corriente y tensión
Para que un circuito electrónico pueda funcionar correctamente, se necesitan dos condiciones: que esté alimentado por la tensión correcta y que le sea suministrada la corriente necesaria. Todo circuito recibe tensión y corriente por parte de un alimentador integrado o externo, una batería o cualquier generador de energía. La tensión suministrada por el generador y aquella que necesita el circuito deben coincidir. Es admisible que la tensión de alimentación sea ligeramente inferior a la nominal del circuito. Es imposible que un alimentador suministre exactamente la tensión «nominal»o «declarada» debido a múltiples factores y la tolerancia de los componentes, que, por ejemplo, cambia con la temperatura o las condiciones ambientales. Normalmente, los diseñadores, para evitar problemas, mantienen una tensión ligeramente inferior. Si el circuito necesita 5 voltios, el alimentador podría suministrar 4,9 o 4,5 voltios. En algunos casos, la tensión del alimentador podría ser incluso ligeramente superior y, a veces, llegar a los 5,5 voltios. Aunque es aceptable, no es bueno que sea más alta porque algunos elementos trabajarían al límite y se deteriorarían más rápido.
Figura 2.2 – La tensión de alimentación de un dispositivo debe ser siempre igual a la solicitada o, como máximo, ligeramente inferior.
Podemos trasladar la cuestión a la analogía hidráulica, imaginando que el alimentador es 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 moverla. En cambio, si la cascada es demasiado alta y la rueda del molino es demasiado pequeña, la caída del agua dañará o destruirá completamente la rueda.
Figura 2.3 – La tensión es como una cascada de agua: para no dañar la rueda del molino, su altura debe ser la adecuada.
Si la tensión del alimentador es inferior a la requerida por el circuito, este no funcionará. Si intentamos alimentar un dispositivo eléctrico que necesita tres baterías de 1,5 voltios con una única batería, el dispositivo difícilmente dará señales de vida. Si conectáramos el dispositivo a cuatro o cinco baterías, correríamos el riesgo de quemarlo.
La corriente esconde una cuestión más turbia. Por miedo a que se pueda comportar como la tensión, deberíamos evitar que superara el valor admisible que requiere el circuito. En realidad, la corriente eléctrica se comporta de diferente manera. Tener un alimentador de mucha capacidad no comporta ningún riesgo porque es el circuito «usuario» el que manda.
Si para funcionar el circuito necesita 1 amperio, bastará con conectar un alimentador capaz de suministrar esta cantidad de corriente o un valor superior. Si el alimentador puede suministrar 5 amperios, estos no serán absorbidos por el circuito «usuario» si este ha sido diseñado para necesitar solo uno. Imaginemos que nos encontramos a orillas del Po. Por el río circula una gran cantidad de agua. Sumergimos un tubo en el río y extraemos agua para hacer funcionar el ya conocido molino. ¿Qué ocurrirá? El tubo se llenará completamente de agua que, después, hará trabajar la rueda del molino. Ahora imaginemos que estamos a orillas de un pequeño y poco lleno canal de la baja Lombardía. Si los mosquitos nos lo permiten, sumergimos el tubo en el agua, el cual esta vez costará que se llene y la rueda del molino no girará.
Figura 2.4 – La corriente es comparable al flujo del agua y, por tanto, debe llenar por completo el tubo para que el molino pueda girar. Si la disponibilidad de agua es mayor, se utilizará solo aquella que se necesite para llenar el tubo.
En mi taller tengo un alimentador regulable en el cual puedo ajustar como desee la tensión o la corriente. Para poner en marcha un circuito que funciona a 5 voltios y que requiere 1 amperio de corriente, debo ajustar la regulación del voltaje exactamente a 5 voltios (o un poco menos). Si ajustara la tensión a 7 voltios, el circuito se quemaría (¡no lo hagáis!). El alimentador permite regular también la corriente.
Si la corriente se ajusta a 0 amperios, el circuito permanece apagado, aunque la tensión sea la correcta, porque no le llega corriente. Es como si hubiera colocado mi tubo en un torrente seco. Al aumentar la corriente hasta 0,5 amperios, el circuito podría empezar a ponerse en marcha. Algunos dispositivos funcionarían de forma incorrecta o podrían dañarse. Si llevamos la corriente a 1 amperio, el circuito funcionará correctamente. ¿Qué ocurriría si llevara la corriente hasta 15 amperios? ¿Explotaría todo? ¡No! Sería como si sumergiera mi tubo en el Po: el tubo se llenaría por completo y el molino tendría toda el agua que necesitaría.
Un circuito requerirá solo la cantidad de corriente necesaria para su funcionamiento. Un circuito dañado podría no absorber del todo la corriente o absorber una cantidad demasiado elevada y, por tanto, sospechosa. Para medir la corriente que circula en el circuito se necesita un amperímetro (o un multímetro utilizado como tal). Si tenéis un alimentador de laboratorio con tensión y corriente regulables, podréis leer la corriente absorbida directamente en este instrumento.
Cuando un dispositivo presenta un cortocircuito, la necesidad de corriente será muy elevada. Probablemente, habrá componentes que se sobrecalienten y algunos podrían quemarse e, incluso, explotar. Si observáis que la aguja del amperímetro salta hacia arriba, ¡apagad de inmediato el alimentador!
Resistencia
Tensión y corriente no son conceptos independientes y están vinculados por la resistencia del circuito. La resistencia, es decir, la dificultad con la cual la corriente atraviesa un material, se mide en ohmios, que se representan con la letra griega omega (“Ω”). Para designar el nombre de la unidad de medida se ha utilizado el nombre de su descubridor, el científico alemán George Simon Alfred Ohm (1789-1854). La relación entre tensión y corriente define la resistencia y está regida por la famosa ley de Ohm, según la cual:
R = V / I
Las otras formas de la ley de Ohm son:
I = V / R
y
V = I · R
Si sabemos la relación entrelas tres medidas, es posible realizar sencillos cálculos teóricos para extraer uno de los tres componentes conociendo los otros dos. Un circuito que presenta una resistencia de 100 ohmios, al que aplicamos 12 voltios, absorberá una corriente de
I = 12 / 100 = 0,12 A
O bien si sabemos que la tensión aplicada a un circuito es de 5 voltios y que la corriente que absorbe es de 100 mA, podemos extraer su resistencia:
R = 5 / 0,1 = 50 Ω
La resistencia de un conductor se indica con un número que representa las dificultades que encontrará la corriente al recorrerlo. Cuanto mayor sea el valor, más difícil será atravesarlo. También en este caso es posible encontrar una analogía hidráulica: una resistencia es comparable a un tubo con un punto más estrecho por el cual al líquido le cuesta circular. Cuanto mayor sea el valor de la resistencia, más estrecha será la conducción. Existen situaciones en las cuales es preferible tener una resistencia muy baja, como cuando es necesario llevar la corriente de un punto a otro. Ningún conductor es perfecto e incluso los mejores, como el cobre o, aún mejor, la plata, que tienen una resistencia muy baja, presentan un valor mínimo. El cobre presenta una resistividad de 0,0000000168 ohmios por metro. La plata llega a los 0,0000000162 ohmios por metro, mientras que el hierro tiene un valor unas diez veces superior, igual a 0,0000000968 ohmios por metro. El vidrio, un aislante, tiene una resistividad de unos 1.000.000.000.000.000 ohmios por metro.
Figura 2.5 – La resistencia de un conductor es comparable a un tubo que se estrecha en un punto.
La resistencia en un conductor es proporcional a la longitud del cable y, por tanto, cuanto mayor sea el cable, mayor será la resistencia total. El valor depende también del tipo de cable (trenzado o de conductor completo) y del diámetro de los conductores. Los valores que se obtienen son siempre bajos, pero no debemos descuidarlos si las corrientes son elevadas, porque podríamos encontrarnos con sorpresas inesperadas. Imaginad que estáis analizando una máquina alimentada por una batería de 12 voltios desde la cual salen unos cables de 1 metro de longitud que llegan hasta el dispositivo que deben alimentar. Si el cable, por su fabricación, presenta una resistencia de 0,1 ohmios y la corriente que atraviesa el circuito es de 10 amperios, según la ley de Ohm, observaremos que la caída de tensión en los extremos del cable será de 1 voltio y, por lo tanto, ¡el dispositivo no será alimentado a 12 voltios sino a 11! Esta situación puede parecer inverosímil y, en cambio, es muy frecuente en vehículos, que utilizan dispositivos que requieren unos cuantos amperios de corriente y donde los cables recorren largas distancias. Cuando una corriente atraviesa una resistencia o un cable, parte de la energía eléctrica se transforma en calor. Por este motivo, cualquier dispositivo y cualquier cable se caracterizan por una potencia nominal que puede soportar. Si la corriente es demasiado elevada, el elemento de sobrecalentará y podría dañarse o quemarse por completo.
Potencia
Para mover algo, es necesario suministrar energía, incluso para desplazar cosas diminutas como los electrones. El desplazamiento puede suceder en distintos tiempos: un segundo, una hora o un año. Cuanto más rápido sea el movimiento, mayor será la potencia necesaria. Mi viejo libro de física, en una página ya amarillenta, muestra una fórmula según la cual la potencia es igual a la cantidad de energía dividida entre el tiempo: una acción será más potente cuanto mayor sea la rapidez con que se realice. La potencia eléctrica se mide en vatios (con una "W" como símbolo), en honor a James Watt, quien en 1800 se deleitaba con máquinas de vapor, caballos y otras diabluras, midiendo tiempos y energías. La potencia para los circuitos eléctricos se puede calcular multiplicando la tensión medida entre los terminales de un componente por la corriente con que lo atraviesa:
P = V · I
Si un circuito está alimentado con una pila de 9 voltios y la corriente que lo atraviesa es de 200 mA, la potencia absorbida será igual a:
P = 9 · 0,2 = 1,8 W
La fórmula se comporta correctamente con las corrientes continuas, pero podría dar valores no muy fiables si la utilizáramos con corrientes alternas, para las cuales se aplica una fórmula más compleja, que podréis encontrar en cualquier libro de electrotécnica. Aunque el resultado sería aproximado, podríamos utilizar la fórmula de la potencia para extraer la corriente que absorbe un electrodoméstico. Si en la etiqueta de un secador vemos escrito 1.000 W y la alimentación es la de red a 220 voltios, podríamos extraer la corriente (aproximada) absorbida:
I = P / V = 1.000 / 220 = 4,5 A
Es posible modificar la fórmula de la potencia utilizando la ley de Ohm. Si:
V = I · R
podemos sustituir esta última expresión en la fórmula de la potencia, obteniendo:
P = V · I = I · R · R = I2 · R
La potencia se escribe aquí en función de la corriente y la resistencia. Es posible extraer también una versión de la fórmula con relación al voltaje:
P = V · I = V · V / I = V2 / R
Utilizando la relación entre corriente y resistencia, podemos calcular cuánta potencia atravesará un componente con una resistencia determinada y saber si el elemento tiene o no el tamaño correcto. Imaginemos que tenemos un circuito que absorbe 2 amperios y que presenta una resistencia de 100 ohmios. Por lo tanto, tenemos que:
P = I2 · R = 2 · 2 · 100 = 400 W
Si el circuito no es capaz de soportar dicha potencia, podría dañarse.
