No existe una frontera definida entre electricidad y electrónica. Simplificando mucho, el mundo de la electricidad trata de la utilización de la electricidad y la electrónica permite el control de la electricidad a nuestra voluntad. La electricidad básica para empezar con arduino es muy sencilla, aunque conviene conocer ciertos detalles importantes.
Para que una placa de arduino pueda funcionar tiene que alimentarse. De la misma manera que cualquier juguete eléctrico debe llevar pilas.
Además, para que un circuito eléctrico o electrónico funcione es preciso cerrarlo conectando los dos polos de una fuente de tensión.
Electricidad básica para empezar con arduino
Las placas basadas en arduino (en el chip ATMEGA328) disponen de un punto desde donde puede obtenerse 5V, otro de 3,3V y varios polos negativos (GND) o referencia de tensión. Estos puntos, desde donde se alimentan componentes como sensores y actuadores, tienen limitaciones en la corriente (potencia) que pueden suministrar. Por esta razón, está limitado el número de componentes que podemos conectar directamente a la placa.
Todas las salidas digitales de la placa proporcionarán 5V cuando lo deseemos. Está limitada la corriente que pueden suministrar.
Cualquier aparato (o actuador, cuando hablamos de arduino) requiere una tensión definida y, en función de su potencia, una intensidad de corriente. Cuanta más potencia, más intensidad. En el caso de nuestros montajes de robótica educativa, cuando hablamos de «aparatos» hablamos de LED, motores, zumbadores, etc.
Hablaremos en esta entrada de los conceptos básicos de electricidad para que nuestros montajes funcionen.
Los niveles de tensión
Las placas de arduino proporcionan tensiones de 5V y de 3.3 V.
Además, permiten una variación en la tensión de salida de sus pines digitales mediante modulación por ancho de pulso (PWM).
La modulación por ancho de pulso consiste en alternar períodos de 5 V con 0 V a una determinada frecuencia: si la mitad del tiempo (de un ciclo) está a 0V y la otra mitad a 5V, la tensión promedio será igual a 2,5 V.
Modulación por ancho de pulso (PWM)
Esa frecuencia puede dividirse en 255 «trozos». Por lo tanto, podemos obtener 255 niveles de tensión entre 0 y 5V.
Sólo los pines marcados en la placa con el símbolo ~ permiten salidas PWM.
Los relés. Cargas de elevado consumo.
Se denomina carga a todo actuador o componente que consume energía eléctrica para transformarla en otra forma de energía. Un LED y un motor, un zumbador, por ejemplo, son cargas.
Un motor consume mucha más energía que un LED, tanta que una placa de arduino puede no ser suficiente para moverlo.
Los relés permiten la alimentación de grandes cargas, es decir, componentes que consumen mucha energía. Un relé permite aislar eléctricamente la señal de control (nuestra salida de arduino) de la potencia de alimentación que puede encender, por ejemplo, una bombilla de 220 V alimentada en corriente alterna.
Bloque de dos relés (fotografía F. Arroyo)
En el caso del bloque de relés de la fotografía, basta con poner a nivel alto uno de los pines del componente (IN1 en el relé inferior e IN2 en el relé superior) para que la bobina del componente se active y cierre (o abra) dos contactos.
Enclavamiento
Si conectamos los dos contactos como cierres de dos circuitos que alimentan equipos que no se pueden activar simultáneamente tenemos lo que se denomina un enclavamiento. O funciona uno o funciona otro, nunca ambos a la vez.
Tensión de referencia
Cuando se trabaja con alimentación externa a la placa de arduino, es muy importante que la referencia de tensión (GND) coincida en ambos casos. La placa de arduino y la fuente externa deben estar conectadas al mismo GND.
Interruptores
El interruptor permite cortar la corriente de alimentación de un circuito.
Cuando construimos un robot, por ejemplo, no es conveniente tener la placa y los motores conectados a la batería permanentemente. En uno de los cables de alimentación, se interpone un interruptor.
Electricidad básica para empezar con arduino: interruptor, abajo a la izquierda (– o) (foto F.Arroyo)
Qué es un divisor de tensión
La placa de arduino cuenta con 6 entradas analógicas. Estas entradas admiten tensiones variables. La mejor manera de obtener una tensión variable en un punto con relación a tierra es a través de un divisor de tensión. Un divisor de tensión está constituido por 2 resistencias, como se muestra en la figura.
Se observa que en el punto medio se tiene una tensión de vsalida = Vcc x R2 / (R1+R2), sin más que aplicar la ley de Ohm.
Si utilizamos un potenciómetro, podemos hacer variar a voluntad la tensión que aparece en vsalida.
Potenciómetro con los 3 pines conectados (fotografía F. Arroyo)
Muchos de los sensores que podemos utilizar con la placa arduino proporcionan una tensión variable producida por una variación de resistencia interna.
Qué es una resistencia de pull-down o pull-up
Ambos conceptos están relacionados con montajes electrónicos, pero son muy importantes, por eso los incluimos en el artículo.
Las resistencias de pull-up y pull-down se introducen porque una entrada digital en arduino debe estar físicamente definida. Por ejemplo, cuando un botón no está pulsado, la entrada a la que lo hemos conectado debe tener un valor, ya sea 0 o 1. Si está indeterminado, nuestro montaje no va a funcionar correctamente.
Resistencias de pull-down y pull-up
Si en estos dos circuitos eliminamos las resistencias, cuando el botón esté en reposo (tal y como está representado), la entrada a la placa estaría indefinida.
En el primer caso, si tenemos conectada la resistencia, cuando el botón está en reposo, la entrada es cero (si pulsamos pasa a 1); en el segundo caso la entrada será 1 (si pulsamos pasa a 0).
Comentaremos que la propia placa de arduino tiene la opción de utilizar una resistencia de pull-up, accesible fácilmente por software. La resistencia de pull down no está implementada.
Con esta entrada sobre electricidad básica para empezar con arduino hemos querido mostrar una parte sencilla pero esencial para poder utilizar la placa.
(fotografía de portada Federico Arroyo)