UD4. Circuítos Electrónicos de Control

1. CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA

La electricidad está presente en la mayoría de las actividades que realizamos a diario, ya que empleamos tecnologías que requieren de esta forma de energía. Así, utilizamos electricidad en la maquinaria eléctrica (taladros, sierras, robots...), los electrodomésticos (lavadoras, frigoríficos...), los dispositivos electrónicos (televisiones, ordenadores, móviles, consolas...) y el transporte (trenes, autobuses, coches...).

Sin embargo, cada aparato eléctrico ha sido construido con sus propias características, y las corrientes que recorren cada uno de ellos también son diferentes. Distinguimos dos tipos de corriente eléctrica: corriente continua y corriente alterna.

Corriente Continua (CC)

Es aquella en la que los electrones circulan en un único sentido, y su valor es constante a lo largo del tiempo.

Es el caso de la corriente suministrada por pilas y baterías. (Por ejemplo, los smartphones incorporan en su interior baterías recargables de corriente continua fabricadas con iones de litio).

Corriente Alterna (CA)

Es aquella en la que los electrones circulan cambiando de sentido, y cuyo valor varía de forma cíclica (onda senoidal).

Es el caso de la corriente que proporciona cualquier enchufe de una vivienda. (La corriente alterna en las viviendas es proporcionada por la compañía eléctrica, que transporta la electricidad desde las centrales hasta la toma de corriente).

Sabías que...

Muchos aparatos disponen de un elemento que transforma la corriente alterna de la red eléctrica en corriente continua: es la fuente de alimentación. Esta puede verse, por ejemplo, externamente en ordenadores portátiles e internamente en los PC.

2. MAGNITUDES ELÉCTRICAS: LA ANALOGÍA DEL AGUA

Para entender cómo funciona la electricidad invisible dentro de los cables, vamos a imaginarnos que los cables son tuberías por las que circula agua (electrones). Dependiendo de cómo se mueva esa agua, hablaremos de tres magnitudes fundamentales:

2.1. Tensión o Voltaje (V) $\rightarrow$ "La Fuerza del Agua"

Imagina una cascada. El agua cae con fuerza porque hay una diferencia de altura entre arriba y abajo.

Definición: Es la energía o "presión" que empuja a los electrones por el circuito. Sin voltaje, los electrones no se mueven (igual que el agua no se mueve en una tubería plana).
Unidad: Se mide en Voltios (V).
Instrumento: Se mide con el Voltímetro.
Cómo se conecta: En Paralelo (como si pincharas dos puntos de la tubería para ver la diferencia de presión entre ellos).

2.2. Intensidad de Corriente (I) $\rightarrow$ "La Cantidad de Agua"

Imagina ahora el caudal de un río. No es lo mismo un arroyo pequeño que el río Amazonas, aunque ambos lleven agua.

Definición: Es la cantidad de electrones que pasan por el cable en un segundo. Si pasan muchos, hay mucha intensidad (como un río caudaloso); si pasan pocos, hay poca intensidad (como un hilo de agua).
Unidad: Se mide en Amperios (A).
Instrumento: Se mide con el Amperímetro.
Cómo se conecta: En Serie (hay que "cortar" la tubería y poner el aparato en medio para contar cuánta agua pasa por dentro).

2.3. Resistencia Eléctrica (R) $\rightarrow$ "El Ancho de la Tubería"

Imagina que pisas una manguera o que la tubería se hace muy estrecha y se llena de piedras. Al agua le costará pasar, ¿verdad?

Definición: Es la oposición o dificultad que pone un material a que pasen los electrones.
Mucha resistencia: Tubería fina y atascada (pasa poca corriente).
Unidad: Se mide en Ohmios ($\Omega$).
Poca resistencia: Tubería ancha y limpia (pasa mucha corriente).
Instrumento: Se mide con el Óhmetro. (¡Ojo! Se mide siempre con el circuito apagado).

2.4. El Polímetro (Multímetro)

En lugar de llevar tres aparatos distintos en la mochila (voltímetro, amperímetro y óhmetro), los técnicos usan una herramienta "navaja suiza" llamada Polímetro.

La Ruleta Central: Nos permite elegir qué queremos medir (V, A o $\Omega$).
Las Puntas de Prueba: Son los cables (Rojo y Negro) que usamos para "tocar" el circuito.
- Negro (COM): Siempre va a tierra/masa.
- Rojo: Se conecta donde queremos medir.

REGLA DE ORO DE SEGURIDAD:

Nunca intentes medir la Intensidad (Amperios) colocando el aparato en Paralelo (como si fueras a medir Voltios). ¡Provocarás un cortocircuito y podrías fundir el fusible del polímetro!

3. RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS

En un circuito eléctrico, las magnitudes eléctricas guardan una relación matemática entre sí. Esta relación se conoce como ley de Ohm.

La ley de Ohm establece que, en un circuito eléctrico, la intensidad eléctrica es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia que ofrece dicho circuito.

Matemáticamente: $$I = V/R$$

$$V = I \cdot R$$ $$I = V/R$$ $$R = V/I$$

Es posible calcular cualquiera de las tres magnitudes, dadas las otras dos.

Para facilitar el estudio de circuitos eléctricos, sustituiremos cada receptor particular por un receptor genérico (resistencia eléctrica).

Circuito en serie

Un circuito en serie es un divisor de voltaje o tensión eléctrica. El circuito en el que se disponen varios receptores conectados uno a continuación del otro decimos que está conectado en serie. La ley de Ohm aplicada a este tipo de circuitos exige simplificarlo en un único receptor equivalente, cuyo valor es la suma de las resistencias de todos los receptores.

Circuito en paralelo

Un circuito en paralelo es un divisor de intensidades de corriente. El circuito en el que todos los receptores están conectados a la vez al generador es un circuito en paralelo. De igual modo, la ley de Ohm exige simplificar el circuito dado en otro circuito cuya resistencia equivalente se obtiene de la siguiente expresión matemática:

$$R_T = \frac{1}{\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}}$$

Circuito mixto

Existen circuitos cuyos receptores se conectan unos en serie y otros en paralelo dentro de los mismos. Son los denominados circuitos mixtos. El cálculo de las tensiones e intensidades de estos receptores exige una simplificación del circuito, que dependerá de las conexiones particulares de cada circuito, de forma que se resolverán las asociaciones parciales dentro de él para finalmente obtener un circuito en serie o un circuito en paralelo.

4. ENERGÍA Y POTENCIA ELÉCTRICA

Energía y potencia son dos conceptos muy relacionados entre sí.

Energía (E)

Se define energía (E) como la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, y su unidad de medida es el julio (J). Otras unidades son la caloría ($1\ cal = 4,18\ J$) y el vatio x hora ($1\ Wh = 3600\ J$).

Potencia (P)

Se define potencia (P) como la energía consumida en la unidad de tiempo, y su unidad de medida es el vatio (W). $(P=E/t)$.

En circuitos eléctricos: $$P = V \cdot I$$ (1 vatio = 1 voltio x 1 amperio)

La potencia total del circuito es la suma de las potencias de los receptores.

4.1. Eficiencia energética

El ser humano busca obtener energías en procesos cada vez más eficientes (con menos pérdidas), minimizando los perjuicios ocasionados al planeta. Esto necesariamente conlleva un uso racional de la energía, optimizando los procesos productivos y reduciendo la dependencia energética.

Se define la eficiencia energética como el uso racional y eficiente de la energía. La eficiencia energética busca no solo un rendimiento óptimo, sino también un compromiso de respeto con el medioambiente.

Por eso, las centrales alternativas basadas en fuentes de energía inagotables tienen un papel determinante en la obtención de energías limpias, como la central solar (térmica y fotovoltaica), la eólica, la de la biomasa, la maremotriz o la geotérmica.

Por otro lado, como consumidores de energía, la eficiencia energética busca la sensibilización en el ahorro energético con medidas como el uso de electrodomésticos más eficientes (etiqueta energética), aislamientos térmicos adecuados, climatizadores eficientes, uso racional del agua caliente, iluminación led, mayor uso del transporte público o de vehículos híbridos o eléctricos, etc.

5. COMPONENTES ELECTRÓNICOS: LAS PIEZAS DEL LEGO

Si la electricidad es el agua que corre por las tuberías, los componentes electrónicos son las piezas que ponemos en esas tuberías para controlar el agua. Unos la frenan, otros la dejan pasar solo en un sentido y otros actúan como grifos. Vamos a dividir los componentes en dos familias:

5.1. Resistencias: Los "Estrechamientos"

Ya sabemos que la resistencia frena a los electrones.

Resistencias Fijas: Son tuberías estrechas fijas. Siempre frenan igual. Sirven para proteger a componentes delicados (como un guardaespaldas que frena a la multitud).
Resistencias Variables (Potenciómetros): Son como un grifo manual que puedes girar. Tú decides si pasa mucha o poca corriente (ej. el botón de volumen de la radio).
Sensores (LDR, NTC): Son resistencias especiales que cambian solas según el ambiente.
- LDR (Luz): Si hay luz, la tubería se ensancha (deja pasar corriente). Si es de noche, se cierra. ¡Así funcionan las farolas automáticas!
- NTC (Temperatura): Si hace calor, dejan pasar corriente.

5.2. El Diodo: La Válvula de "Solo Ida"

Imagina una puerta giratoria que está trabada y solo gira hacia la derecha.

Función: El diodo es un componente que solo deja pasar la corriente en un sentido. Si los electrones intentan volver hacia atrás, el diodo les cierra la puerta (bloqueo).

El Diodo LED: Es un diodo "fiestero". Cuando los electrones consiguen pasar a través de él, emite luz.

Ojo: Como es un diodo, tiene polaridad. Si lo conectas al revés, ni se enciende ni deja pasar corriente. (Pata larga = Positivo).

5.3. El Transistor: El "Grifo Mágico" (¡Lo más importante!)

El transistor es el invento más importante del siglo XX. Sin él no existirían los móviles ni los ordenadores. Aunque parezca complejo con sus tres patas, en realidad funciona exactamente igual que un GRIFO de agua.

Vamos a identificar sus tres patas con las partes de un grifo:

Pata del Transistor	Parte del Grifo	Función
Emisor (E)	Tubería de entrada	Por donde entra el agua a presión.
Colector (C)	Tubería de salida	Por donde sale el agua.
Base (B)	La Llave de paso	Es el mando que tú tocas con la mano.

¿Cómo funciona la magia?

Con un pequeñito esfuerzo en la llave (Base), controlas un chorro enorme de agua (Colector-Emisor).

Modo Corte (Grifo Cerrado): Si no metes corriente por la Base (no giras la llave), no pasa nada de corriente entre Emisor y Colector. El circuito está apagado.
Modo Saturación (Grifo Abierto a tope): Si metes un poco de corriente en la Base, el "grifo" se abre del todo y pasa toda la corriente. Actúa como un Interruptor.
Modo Activo (Amplificación): Si abres la llave a medias, controlas el caudal. Una señal pequeña en la base (tu voz en un micrófono) se convierte en una señal idéntica pero grande en la salida (el sonido en los altavoces). ¡Eso es amplificar!

5.4. El Circuito Integrado: La "Caja Negra"

¿Qué pasa si metemos miles de transistores, diodos y resistencias dentro de una pastilla de plástico negro del tamaño de una uña? Pues que tenemos un Chip o Circuito Integrado.

En lugar de montar el Lego pieza a pieza, te compras el bloque ya montado que hace una función compleja (como un temporizador, un cerebro de calculadora o un procesador de móvil).

6. ELECTRÓNICA DIGITAL: EL CEREBRO BINARIO

Hasta ahora hemos visto resistencias que frenan electrones o transistores que actúan como grifos. Pero, ¿cómo consiguen los ordenadores "pensar" o guardar una foto usando electricidad? La respuesta está en simplificar al máximo.

6.1. ¿Analógico o Digital?

Para entenderlo, miremos a nuestro alrededor:

Mundo Analógico (La vida real): Las cosas cambian suavemente. La luz del sol no pasa de "apagado" a "encendido" de golpe; amanece poco a poco, hay infinitos niveles de luz. El volumen de tu voz puede ser susurro, medio, alto, grito...
Mundo Digital (El ordenador): A las máquinas no se les dan bien los matices ("un poco", "bastante"). Ellas prefieren certezas: Sí o NO, TODO o NADA, BLANCO o NEGRO.

El Bit: Es la unidad mínima de información.

1 (Encendido / High): Hay corriente (normalmente 5 Voltios). Significa "SÍ" o "Verdadero".

0 (Apagado / Low): No hay corriente (0 Voltios). Significa "NO" o "Falso".

6.2. Las Puertas Lógicas: Tomando Decisiones

Un chip de ordenador no es más que millones de pequeños "porteros" electrónicos que toman decisiones muy simples basándose en si les llega corriente (1) o no (0). A estos porteros los llamamos Puertas Lógicas. Vamos a explicar las tres fundamentales usando situaciones de la vida cotidiana para entender sus Tablas de Verdad (que son solo listas de "qué pasa si...").

A) La Puerta AND (Función "Y") $\rightarrow$ "El Exigente"

Imagina que quieres desbloquear tu móvil. Para que se desbloquee, necesitas dos cosas a la vez. Esta puerta es muy estricta: tienen que cumplirse TODAS las condiciones.

Símbolo: Se parece a una letra "D" mayúscula.

Ejemplo: Para sacar dinero del cajero necesitas:

Meter la tarjeta (A) Y...
Saber el número PIN (B).

Si solo metes la tarjeta pero no sabes el PIN $\rightarrow$ NO saca dinero (0).
Si sabes el PIN pero no tienes tarjeta $\rightarrow$ NO saca dinero (0).
Solo si tienes tarjeta (1) Y pin (1) $\rightarrow$ Sí saca dinero (1).

Entra A	Entra B	¿Sale 1?
0	0	0 (No)
1	0	0 (No)
0	1	0 (No)
1	1	1 (¡Sí!)

B) La Puerta OR (Función "O") $\rightarrow$ "El Flexible"

Esta puerta es mucho más relajada. Para que se active, le basta con que CUALQUIERA de las condiciones sea verdadera.

Símbolo: Tiene forma de punta de flecha curva.

Ejemplo: Vas a una tienda y quieres pagar.

¿Tienes efectivo? (A) O...
¿Tienes tarjeta? (B).

Con que tengas una de las dos cosas, ya puedes comprar. Solo te irás sin la compra si no llevas ni efectivo (0) ni tarjeta (0).

Entra A	Entra B	¿Sale 1?
0	0	0 (No)
1	0	1 (Sí)
0	1	1 (Sí)
1	1	1 (Sí)

C) La Puerta NOT (Función "NO") $\rightarrow$ "El Rebelde"

Esta es la más sencilla pero la más curiosa. Es un inversor. Hace siempre lo contrario de lo que le digas. Solo tiene una entrada.

Símbolo: Un triángulo con un pequeño círculo en la punta.

Ejemplo: El sensor de choque de un robot.

¿Detectas obstáculo? (Entrada = 1) $\rightarrow$ ¡Frena! (Salida a motores = 0).
¿No detectas nada? (Entrada = 0) $\rightarrow$ ¡Avanza! (Salida a motores = 1).

Entra A	¿Sale?
0	1
1	0

6.3. Del 0 al Fortnite

Puede parecer que con "Y", "O" y "NO" no se puede hacer mucho. Pero si conectas miles de estas puertas entre sí, puedes crear circuitos que sumen números (Calculadora). Si conectas millones, puedes crear un procesador que pinte gráficos en 3D (Consola). Todo el mundo digital, desde un mensaje de WhatsApp hasta este documento, está construido sobre millones de estas pequeñísimas decisiones de "Sí" o "No".