Mínima electrónica para Arduino

La robótica es una ciencia aplicada que se ocupa del desarrollo de sistemas automatizados. Es una ciencia compleja que consiste en ingeniería electrónica, ingeniería eléctrica, mecánica, cibernética, telemecánica, mecatrónica, informática, ingeniería de radio y posiblemente algo más. Cualquier proyecto con microcontrolador, o con arduino consta de una parte de programación y otra de electrónica. Como parte de mis lecciones, estudiaremos la electricidad más básica, suficiente para poder hacer los montajes. Ya hemos estudiado programación y trabajando con Arduino (y microcontroladores ATmega / ATtiny), queda todavía la parte electrónica. En este bloque combinaré software y hardware para una mayor claridad.


Introducción a la electrónica Arduino.

Electricidad fundamental

El voltaje se mide en voltios ( V ) y la corriente, en amperios ( A ), según los nombres de los científicos que descubrieron los valores correspondientes. El voltaje y la corriente están conectados a través de una magnitud que se llama resistencia, y las tres se relacionan por la ley de Ohm (Ohm). Más sobre electrónica de arduino a continuación.

La corriente eléctrica es esencialmente un flujo de partículas cargadas que se mueven de un polo a otro (desde polo positivo a negativo). Los polos tienen un llamado potencial , que se puede comparar con la altura del nivel del agua, es decir, su energía potencial: por ejemplo, tenemos dos recipientes con agua ubicados a diferentes alturas. Se coloca una tubería entre los recipientes (por ahora consideramos que la tubería está cerrada). Entonces, el voltaje es la diferencia de potencial, es decir, qué tan rápido puede fluir el agua a través de la tubería: si los recipientes están ubicados al mismo nivel, la diferencia de potencial será 0, es decir, el agua no fluirá (voltaje 0 Voltios). Si un recipiente está ubicado en 0 y el segundo a una altura de 5, habrá tensión entre ellos, es decir, diferencia de potencial 5-0 o 5 voltios. El voltaje se denota por la V. Voltaje: es un valor estático, potencial, muestra la «velocidad» potencial del agua en la tubería, porque cuanto mayor es la diferencia, mayor es la velocidad. Pero ahora abrimos la tubería y el agua comienza a fluir .

La corriente eléctrica es el proceso mismo de movimiento de electrones (partículas de agua), y físicamente se define como el número de electrones por unidad de tiempo, es decir, en nuestra analogía, este es el volumen de agua que fluye a través de la tubería por unidad de tiempo. Al cerrar el circuito (al igual que el agua) la corriente fluye desde el polo positivo al negativo. La corriente se marca con la letra I de intensidad y se mide en Amperios. Y aquí es donde entra en juego la propia tubería, que en nuestro caso es el cable de conexión.

La tubería en nuestra analogía es un conductor, es decir, un cable entre más y menos. Cuanto mayor sea el diámetro de la tubería, más agua puede fluir a través de ella por unidad de tiempo, ¿verdad? Esa es la misma historia con el cable. En total, tenemos tres características:

  • El diámetro o el área de la sección transversal de la tubería: cuanto más grande sea, más fácil fluirá el agua. La sección transversal se denota por S.
  • Cuanto más larga sea la tubería, más difícil será que el agua fluya a través de ella: intente bombear agua a través de una manguera a través de una de 100 metros. La longitud del conductor está indicada por L.
  • La tubería tiene una rugosidad, la llamada resistividad especifica. Cuanto más resistividad, más difícil será que el agua fluya, es decir, más velocidad perderá. La resistividad está indicada por la letra r .

Estas tres características dan la resistencia del tubo, que se denota por R, y se considera por la fórmula R = r * L / S. La resistencia se mide en ohmios y conecta voltaje y corriente: conociendo el voltaje (la altura del recipiente) y la resistencia del conductor (características de la tubería), podemos estimar la corriente que fluirá en él. Esta relación se denomina la Ley de Ohm y describe una fórmula muy simple: I = V / R . Hablaremos sobre cómo aplicar la fórmula a la electrónica a continuación.

El flujo de agua y electrones se puede caracterizar por una cantidad como la potencia (P). La potencia se mide en vatios (W), denotada por la letra P (Power) y relacionada por la fórmula P = V * I, potencia igual a voltaje por intensidad. Sustituyendo aquí la ley de Ohm, puede pasar de una cantidad a otra y obtener un conjunto completo de fórmulas:

Tabla de la ley de Ohm
Tabla de la ley de Ohm

Mediciones con multímetro.

Como su nombre lo indica, se usa un multímetro para medir varias cantidades eléctricas. Un dispositivo multifuncional combina un voltímetro, amperímetro, ohmímetro, continuidad y también puede tener funciones adicionales como un termopar o un generador de baja frecuencia, verificación de capacitores y transistores.

Los probadores analógicos con una escala y una flecha casi nunca se encuentran, ya que durante mucho tiempo han sido suplantados por los instrumentos digitales disponibles. Estos últimos, además de la precisión y el número de modos, difieren en el tipo de determinación de valores. Los automáticos muestran el resultado inmediatamente después de seleccionar el modo, en los manuales es necesario configurar adicionalmente el rango de medición.

Todos los multímetros tienen un diseño similar. En el panel frontal hay una pantalla, debajo hay un interruptor giratorio de modos, y justo debajo, conectores para conectar sondas. Algunos modelos tienen botones para encender la luz de fondo, almacenar lecturas y para otras funciones adicionales.

Funciones del multimetro
Funciones del multímetro

Los cables con sondas, que deben tocar la pieza durante la medición, se conectan a los conectores correspondientes. El cable negro siempre va al enchufe marcado como COM, y el rojo, según la medida o corriente seleccionada. Si no excede los 200 mA, ira al conector VΩmA, si excede, se colocará en 10ADC (10A MAX). En la vida cotidiana, no se encuentran corrientes tan altas, por lo que se usa principalmente el conector VΩmA.

Los números en la escala indican el valor máximo que se puede verificar en este rango. Por ejemplo, en el modo DCV 20, el voltaje de CC se mide de 0 a 20 V. Si es de 21 V, debe cambiar un paso hacia arriba, a la posición 200. Es importante seleccionar el rango de acuerdo con el valor medido, de lo contrario, el multímetro se deteriorará.

Cómo medir voltaje CC con un multímetro

Asegúrese de que los cables de prueba estén conectados correctamente.

Cambie al modo de voltaje continuo. Por lo general, se indica con los símbolos V con una línea recta y discontinua o DCV.

En multímetros con selección de rango manual, establezca adicionalmente el valor de medición aproximado, o mejor, un paso más alto. Si no está seguro, comience con el máximo y baje gradualmente.

Selección de rango de medición
Selección de rango de medición

Toque las sondas a los contactos y mire la pantalla. Si se muestra un signo menos junto con un dígito, significa que la polaridad está invertida: la sonda roja toca el menos y la sonda negra toca el más.

En un multímetro de mano, es posible que deba ajustar el rango de medición. Si la pantalla es uno, debe aumentar el límite de medición, si es cero, los símbolos OL o OVER – bájelo.

Cómo medir voltaje CA con un multímetro

Compruebe que las sondas estén conectadas correctamente.

Encienda el modo de voltaje CA. Está marcado con V ~ o ACV.

En los multímetros de mano, establezca también el valor de medición aproximado. Mejor una muesca más alta o la más alta.

Lleve las sondas a los contactos que desee medir y lea las lecturas de la pantalla. Si el multímetro tiene rango manual y la pantalla es uno, aumente el límite de medición, si es cero (OL, OVER), bájelo.

Cómo medir la resistencia con un multímetro

Asegúrese de que los cables de prueba estén conectados correctamente.

Configure el modo de medición de resistencia. Se denota con el símbolo Ω.

Si el probador es de mano, seleccione un rango de medición aproximado.

Toque las sondas a los terminales de la resistencia y vea su resistencia en la pantalla. En un multímetro de mano, si es necesario, ajuste el rango de medición hacia arriba o hacia abajo.

Selección de rango de medición en ohmios
Selección de rango de medición en ohmios

ATENCION- No mida resistencia en circuitos o cables que tengan o puedan tener tensión.

Cómo probar un diodo o la continuidad de un circuito con multímetro

Inserta los cables de prueba en los terminales correctos del multímetro.

Cambie al modo de continuidad de diodo indicado por el símbolo de flecha con una línea vertical.

Conecte las agujas de los cables de prueba a los cables del diodo. El multímetro mostrará la caída de voltaje en la pantalla. Si intercambia las sondas, entonces con un diodo en buen funcionamiento, habrá una medida en la pantalla y con un diodo defectuoso, cualquier otro número.

Medición de diodo con el multímetro
Medición de diodo con el multímetro

En el mismo modo, puede hacer sonar un buzzer, pero primero debe desconectarlos. Si no se viola la integridad, sonará un pitido, si hay un circuito abierto, la pantalla simplemente mostrará una unidad, OL u OVER.

Cómo medir la corriente con un multímetro

Conecte los cables de prueba a los terminales correctos del multímetro según el valor actual.

Configure el modo de medición de corriente (DCA, mA).

Selección de corriente en multímetro
Selección de corriente en multímetro

Conecte los cables de prueba en serie. A diferencia del voltaje y la resistencia, la corriente no se mide en paralelo. Es decir, no solo necesita tocar dos puntos del circuito o los pines de la pieza, sino conectar el multímetro al circuito abierto. ¡Si se conecta en paralelo, el dispositivo puede resultar dañado!

El consumo actual se muestra en la pantalla. Si el multímetro es de mano, es posible que deba cambiar el rango para obtener resultados más precisos.

Circuito para medir la corriente
Circuito para medir la corriente

Alimentación.

Todos los módulos, sensores, pantallas y en general cualquier pieza de hardware conectada, además de la lógica (señales de control), necesitan energía. La energía siempre viene por dos cables, se llaman más y menos, pero en electrónica, generalmente se usa corriente continua y los cables se llaman comun («tierra», GND , 0 Voltios) y positivo («más», VCC , el nombre puede diferir). Es la diferencia de potencial la que da el voltajeGround GND no es solo un cero para la potencia: todos los cables lógicos también funcionan en conjunto con relaciona a tierra. La señal no viaja a lo largo de un cable, para la conexión siempre necesita al menos dos, uno de los cuales es GND! Es por eso que la tierra para todos los dispositivos conectados suele ser la misma, todos los cables están conectados a un GND común, que es responsable tanto de la fuente de alimentación como del funcionamiento de los otros cables. Aquí hay un ejemplo de un proyecto con una estación meteorológica, donde hay varios módulos, pero la tierra y la energía para todos están conectados a un mismo punto:

Esquema de cableado de la estación meteorológica
Esquema de cableado de la estación meteorológica

Color del cable de conexión.

El color de los cables de alimentación juega un papel importante, es decir, muestra qué cable es, más o menos, Gnd o Vcc. Si toma una fuente de alimentación y corta su enchufe, lo más probable es que vea los siguientes pares de colores. En cualquier caso, se recomienda tomar un multímetro y asegurarse de la ubicación de los cables antes de conectarlos a una placa u otro dispositivo:

  • Blanco y negro – negro es GND
  • Rojo y negro – negro es GND
  • Rojo y blanco – blanco es GND

Ley de Ohm.

La ley de Ohm es una de las leyes más importantes; muchas cosas están ligadas a su base en el mundo de la electricidad. Esta ley es una de las que hay que entender con precisión: recordar la fórmula no es un problema, todo el mundo la conoce, pero lamentablemente solo unos pocos pueden entenderla y aplicarla. I = V / R El amperaje es igual al voltaje dividido por la resistencia. Por tanto, cuanto mayor sea la resistencia, menor será la corriente. ¿Cuándo y dónde juega su papel?

Sección del cable

No es ningún secreto que los cables tienen diferentes grosores, es decir, área de la sección transversal. Cuanto mayor sea la sección transversal del cable, más corriente puede pasar a través de sí mismo sin pérdidas (las llamadas caídas) de voltaje, esto se deduce de la fórmula para calcular la resistencia del conductor: R = r * L / S, donde r es la resistividad especifica del material, L es su longitud, S – área de la sección. Cuanto mayor sea el área S , menor será la resistencia y más corriente puede pasar a través del conductor.

Longitud del cable

También se puede ver en la fórmula que el material y la longitud del conductor también afectan la resistencia del conductor. ¿De dónde vienen las pérdidas? Cuanto mayor sea la resistencia del cable, mayor será la tensión a través de él que caerá a una corriente alta. Un ejemplo sencillo: conectamos una tira de LED de 12 voltios. Se sabe de antemano que la cinta consume 4 amperios a 12 voltios, y en los cálculos es posible reemplazar aproximadamente la cinta con una resistencia de 12/4 = 3 ohmios. Si aplica 12 voltios a la cinta, consume 4 amperios, pero este es un caso ideal. Conectaremos con cables, los cables también tienen resistencia (no tenemos en cuenta la resistencia interna de la fuente de alimentación). Digamos que tomamos cables largos y delgados, cuya resistencia total es de 0,5 ohmios. La resistencia total del circuito será de 3.5 Ohms, fluirá una corriente en el circuito 12 / 3.5 = 3.4 Amperios. En ambos consumidores, el voltaje «caerá» proporcionalmente a su resistencia: en el cable 1,72 voltios y 10,28 en la cinta. ¿Qué significa eso? La cinta no brilla a pleno brillo porque no funciona con 12 voltios. Si acortamos los cables que conectan la cinta o los reemplazamos por cables más gruesos, cuya resistencia total será de 0.05 Ohm, la cinta obtendrá un voltaje de 11.8 voltios, que ya está cerca de 12. La moraleja de este experimento mental es muy simple: cuanto más corriente necesita la carga, más grueso debe tomar el cable.

¿Cómo estimar la sección transversal? Puede utilizar tablas y calculadoras, que están completas en Internet, así como medir el voltaje que ha llegado a la carga con fines de control. Si es mucho menos de lo necesario, entonces debe cambiar el cable, verificar la conexión o la fuente de alimentación, hablaremos de esto más adelante. En cuanto a la electrónica, todo tipo de sensores, módulos y otros sensores suelen consumir corrientes muy pequeñas, y se pueden utilizar cables de montaje muy delgados para conectarlos. Las excepciones son antenas GPS / GPRS y otros módulos de comunicación, matrices LED, servoaccionamientos. Los motores, conjuntos de LED (cintas, matrices), elementos calefactores y otras cargas potentes deben conectarse con cables gruesos, pero mejor averigüe su consumo: el consumo de corriente de un sensor o hardware en particular siempre se escribe en la especificación.

¿Qué sucede si conecta una carga potente con un cable largo y delgado? Dicho cable tendrá una alta resistencia, cuando fluye una gran corriente en este cable, el voltaje caerá, y se convierte automáticamente en calor. Resultado: el cable se calienta y la carga recibe menos voltaje del que sale de la fuente de alimentación, es decir, el voltaje se “pierde” (en forma de calor) en el cable largo y delgado.

Punto de conexión

La resistencia del circuito está influenciada no solo por la longitud, el tipo de material y la sección transversal del cable, los lugares donde se conectan los conductores pueden tener un efecto mucho mayor: también tienen una resistencia llamada «resistencia de contacto«. Cuanto mayor sea la resistencia de contacto, más voltaje caerá a través de él y menos voltaje recibirá el consumidor. Una caída de voltaje en un cable o contacto hace que fluya una corriente, y esta corriente se convierte en calor. En otras palabras, si conecta una carga potente con cables delgados, además del trabajo de la carga a fuerza parcial, obtendrá cables calentados. Si se conecta con cables gruesos, pero conecta mal los conductores, el punto de contacto se calentará. Es por eso que los consumidores grandes tienen terminales masivos, terminales de tornillo y abrazaderas. También para la mayoría de conectores existen estándares actuales, que pueden pasar sin lastimarse y sin una fuerte caída de voltaje. Seleccione conectores de acuerdo con la corriente que deben transportar. Para la lógica, los dupones ordinarios (puentes) son adecuados para cargas inferiores a amperios: conectores jst (como en servos), para corrientes altas: terminales de tornillo, conectores banana, xt60 u otros de potencia.

Fuente de Alimentación

La pregunta más común surge con las fuentes de alimentación, esta pregunta suena más o menos así: “¿Arduino no se quemará con una fuente de alimentación de 5V 5A? Necesita 20 mA». Amigo, el usb 2.0, con el que Arduino está conectado a una computadora, puede entregar una corriente de hasta 500 mA. La conclusión es que la carga tomará tanta corriente como necesite y la fuente de alimentación tendrá un margen de corriente. Esto significa que si toma una fuente de alimentación de 5V y 50A y le conecta un Arduino, tomará sus 20 mA y dejará 49.98A para otros consumidores.

Si intenta tomar más corriente de la fuente de alimentación de la que puede proporcionar, puede ocurrir lo siguiente:

  • La tensión caerá.
  • La fuente de alimentación se calienta.
  • La fuente de alimentación irá «en caída»
  • La fuente de alimentación al final fallará.
  • En el caso de una batería, la falla puede ir acompañada de efectos de luz y ruido =)

Estas opciones pueden aparecer en diferentes combinaciones, tal vez incluso todas juntas. La caída de voltaje es un valor calculado y depende de la resistencia interna de la fuente de alimentación (lea la ley de Ohm para un circuito completo). En la práctica, debe averiguar cuántos amperios consumirá el circuito y seleccionar una fuente de alimentación con un margen de corriente, ¡pero no menos que el calculado! Recuerde, la carga tomará tantos amperios como necesite dependiendo de su “resistencia equivalente” y voltaje de suministro.

Mucha gente pregunta al estilo de «qué pasa si le doy 20 amperios a Arduino». Usando una fuente de voltaje, no puede suministrar amperios, solo puede suministrar voltios, la carga tomará sus propios amperios. Y esos amperios que se indican en la fuente de alimentación son la corriente máxima que la fuente de alimentación puede dar sin dañarse a sí misma.

Si estamos hablando de una fuente de corriente (controlador LED), entonces la lógica es la siguiente: el propio controlador establece el voltaje al que se establece en el circuito la corriente indicada en él. Si conecta el Arduino a una fuente de corriente y lo pone por encima de 25 mA, entonces la fuente de corriente aumentará el voltaje por encima de 5,5 voltios y simplemente quemará la placa, eso es correcto. Pero es poco probable que se encuentre con una fuente de corriente con la que desee alimentar sus dispositivos electrónicos, porque todas las fuentes de alimentación «ordinarias» son fuentes de voltaje. Las fuentes de corriente doméstica son cargadores de batería y controladores LED.


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