Representación gráfica de circuitos
Para describir de una forma sencilla y clara la estructura y la composición de un circuito eléctrico se utilizan esquemas gráficos. En ellos se representa cada dispositivo del circuito mediante un símbolo estandarizado y se dibujan todas las interconexiones existentes entre ellos. Por ejemplo, un circuito muy simple sería:
En el esquema anterior podemos apreciar cuatro dispositivos (presentes prácticamente en cualquier circuito) representados por su símbolo convencional: una pila o batería (cuya tarea es alimentar eléctricamente al resto de componentes), una resistencia (componente específicamente diseñado para oponerse al paso de la corriente, de ahí su nombre), un LED (componente que se ilumina cuando recibe corriente) y un interruptor. En este ejemplo, la batería creará la diferencia de potencial necesaria entre sus dos extremos -también llamados "bornes" o "polos"- para que se genere una corriente eléctrica, la cual surgirá desde su polo positivo (el marcado con el signo "+"), pasará a través de la resistencia, pasará seguidamente a través del LED (iluminándolo, por tanto) y llegará a su destino final (el polo negativo de la batería) siempre y cuando el interruptor cierre el circuito.
Aclaremos lo que significa "cerrar un circuito". Acabamos de decir que si existe una diferencia de potencial, aparecerá una corriente eléctrica que siempre circula desde el polo positivo de la pila hasta el negativo. Pero esto solo es posible si existe entre ambos polos un camino (el circuito propiamente dicho) que permita el paso de dicha corriente. Si el circuito está abierto, a pesar de que la batería esté funcionando, la corriente no fluirá. La función de los interruptores es precisamente cerrar o abrir el circuito para que pueda pasar la corriente o no, respectivamente. En el esquema siguiente esto se ve más claro:
Por otro lado, los circuitos se pueden representar alternativamente de una forma ligeramente diferente a la mostrada anteriormente, utilizando para ello el concepto de "tierra" (también llamado "masa"). La "tierra" ("ground" en inglés) es simplemente un punto del circuito que elegimos arbitrariamente como referencia para medir la diferencia de potencial existente entre este y cualquier otro punto del circuito. En otras palabras: el punto donde diremos que el voltaje es 0. Por utilidad práctica, normalmente el punto de tierra se asocia al polo negativo de la pila. Este concepto nos simplificará muchas veces el dibujo de nuestros circuitos, ya que si representamos el punto de tierra con el símbolo
, los circuitos se podrán dibujar de la siguiente manera:
También podremos encontrarnos con esquemas eléctricos que muestren intersecciones de cables. En este caso, deberemos fijarnos si aparece dibujado un círculo en el punto central de la intersección. Si es así, se nos estará indicando que los cables están física y eléctricamente conectados entre sí. Si no aparece dibujado ningún círculo en el punto central de la intersección, se nos estará indicando que los cables son vías independientes que simplemente se cruzan en el espacio.
Conexiones en serie y en paralelo
Si diversos componentes se conectan entre sí en paralelo, a todos ellos se les aplica la misma tensión por igual (es decir, cada componente trabaja al mismo voltaje). Por otro lado, la intensidad de corriente total será la suma de las intensidades que pasan por cada componente, ya que existen varios caminos posibles para el paso de los electrones.
Si la conexión es en serie, la tensión total disponible se repartirá (normalmente, de forma desigual) entre los diferentes componentes, de manera que cada uno trabaje sometido a una parte de la tensión total. Es decir: la tensión total será la suma de las tensiones en cada componente. Por otro lado, la intensidad de corriente que circulará por todos los componentes en serie será siempre la misma, ya que solo existe un camino posible para el paso de los electrones.
Se puede entender mejor la diferencia mediante los siguientes esquemas, en los que se puede ver la conexión en serie y en paralelo de dos resistencias:
Gracias a la Ley de Ohm podemos obtener el valor de alguna magnitud eléctrica (V, I o R) si conocemos previamente el valor de alguna otra involucrada en el mismo circuito. Para ello, debemos tener en cuenta las particularidades de las conexiones en serie o en paralelo.
Veamos esto usando como ejemplo el circuito de las dos resistencias en serie:
En el esquema anterior V1 representa el voltaje aplicado a R1 y V2 el voltaje aplicado a R2. Si tenemos por ejemplo una fuente de alimentación eléctrica (una pila) que aporta un voltaje de 10V y dos resistencias cuyos valores son R1 = 1Ω y R2 = 4Ω respectivamente, para calcular la intensidad que circula tanto por R1 como por R2 (recordemos que es la misma porque solo existe un único camino posible) simplemente deberíamos realizar la siguiente operación: I = 10V/(1Ω + 4Ω) = 2A, tal como se muestra en el esquema anterior.
Veamos ahora el circuito de las dos resistencias en paralelo:
En el esquema anterior I1 representa la intensidad de corriente que atraviesa R1 e I2 la intensidad de corriente que atraviesa R2. Si tenemos por ejemplo una fuente de alimentación eléctrica (una pila) que aporta un voltaje de 10V y dos resistencias cuyos valores son R1 = 1Ω y R2 = 4Ω, respectivamente, para calcular la intensidad que circula por R1 deberíamos realizar (tal como se muestra en el esquema) la siguiente operación: I1 = 10V/1Ω = 10A; para calcular la intensidad que circula por R2 deberíamos hacer: I2 = 10V/4Ω = 2,5A; y la intensidad total que circula por el circuito sería la suma de las dos: I = I1 + I2 = 10A + 2,5A = 12,5A.
A partir de los ejemplos anteriores, podemos deducir un par de fórmulas que nos vendrán bien a lo largo de todo el libro para simplificar los circuitos. Si tenemos dos resistencias conectadas en serie o en paralelo, es posible sustituirlas en nuestros cálculos por una sola resistencia cuyo comportamiento sea totalmente equivalente. En el caso de la conexión en serie, el valor de dicha resistencia (R) vendría dado por R = R1 + R2, y en el caso de la conexión en paralelo, su valor equivalente se calcularía mediante la fórmula R = (R1 * R2)/(R1 + R2), tal como se puede ver en el siguiente diagrama:
Un dato interesante de tener en cuenta (que se deduce de la propia fórmula) es que cuando se conectan resistencias en paralelo, el valor de R resultante siempre es menor que el menor valor de las resistencias implicadas.
El divisor de tensión
La mayor o menor cantidad de reducción que consigamos en la tensión final dependerá del valor de la resistencia que utilicemos como divisor: a mayor valor de resistencia, mayor reducción. De todas formas, hay que tener en cuenta además que la tensión obtenida asimismo depende del valor de la tensión original: si aumentamos esta, aumentaremos proporcionalmente aquella también. Todos estos valores los podemos calcular fácilmente usando un ejemplo concreto, como el del esquema siguiente:
Tal como se puede ver, tenemos una fuente de alimentación eléctrica (una pila) que aporta un voltaje de 10V y dos resistencias cuyos valores son R1 = 1Ω (la cual hará de divisor de tensión) y R2 = 4Ω, respectivamente. Sabemos además que la intensidad I es siempre la misma en todos los puntos del circuito -ya que no hay ramificaciones en paralelo-. Por lo tanto, para calcular V2 (es decir, el voltaje aplicado a R2, el cual ha sido rebajado respecto al aportado por la pila gracias a R1), nos podemos dar cuenta de que I = V2/R2 y que I = V/(Rl + R2), por lo que de aquí es fácil obtener que V2 = (R2 * V)/(R1 + R2). Queda entonces claro de la expresión anterior lo dicho en el párrafo anterior: que V2 siempre será proporcionalmente menor a V, y según sea R1 mayor, V2 será menor.
Las resistencias "pull-up" y "pull-down"
Las resistencias "pull-up" (y "pull-down") son resistencias normales, solo que llevan ese nombre por la función que cumplen: sirven para asumir un valor por defecto de la señal recibida en una entrada del circuito cuando por ella no se detecta ningún valor concreto (ni ALTO ni BAJO), que es lo que ocurre cuando la entrada no está conectada a nada (es decir, está "al aire"). Así pues, este tipo de resistencias aseguran que los valores binarios recibidos no fluctúan sin sentido en ausencia de señal de entrada.
En las resistencias "pull-up" el valor que se asume por defecto cuando no hay ningún dispositivo externo emisor de señal conectado a la entrada es ALTO y en las "pull-down" es el valor BAJO, pero ambas persiguen el mismo objetivo, así que la elección de una resistencia de tipo "pull-up" o "pull-down" dependerá de las circunstancias particulares de nuestro montaje. La diferencia entre unas y otras está en su ubicación dentro del circuito: las resistencias "pull-up" se conectan directamente a la fuente de señal externa y las "pull-down" directamente a tierra.
Veamos un ejemplo concreto de la utilidad de una resistencia "pull-down". Supongamos que tenemos un circuito como el siguiente (donde la resistencia de 100 ohmios no es más que un divisor de tensión colocado en la entrada del circuito para protegerla).
Cuando el interruptor esté pulsado, la entrada del circuito estará conectada a una señal de entrada válida, que supondremos binaria (es decir, que tendrá dos posibles valores: ALTO -de 5V, por ejemplo- y BAJO -de 0V-), por lo que el circuito recibirá alguno de estos dos valores concretos y todo estará ok. En cambio, si el interruptor se deja de pulsar, el circuito se abrirá y la entrada del circuito no estará conectada a nada. Esto implica que habrá una señal de entrada fluctuante (también llamada "flotante" o "inestable") que no nos interesa. La solución en este caso sería colocar una resistencia "pull-down" así:
En este ejemplo la resistencia "pull-down" es de 10KΩ. Cuando el interruptor esté pulsado, la entrada del circuito estará conectada a una señal de entrada válida, como antes. Cuando el interruptor se deje de pulsar, la entrada del circuito estará conectada a la resistencia "pull-down", la cual tira hacia tierra (que es una referencia siempre fija).
Alguien podría pensar que cuando el interruptor esté pulsado, el circuito recibirá la señal de entrada pero también estará conectado a tierra a través de la resistencia "pull-down": ¿qué pasa realmente entonces? Aquí está la clave de por qué se usa la resistencia "pull-down" y no se usa una conexión directa a tierra: la oposición al paso de los electrones provenientes de la señal externa que ejerce la resistencia "pull-down" provoca que estos se desvíen siempre a la entrada del circuito. Si hubiéramos conectado la entrada del circuito a tierra directamente sin usar la resistencia "pull-down", la señal externa se dirigiría directamente a tierra sin pasar por la entrada del circuito porque por ese camino encontraría menor resistencia (pura Ley de Ohm: menos resistencia, más intensidad).
Con una resistencia "pull-up" se podría haber conseguido lo mismo, tal como muestra el siguiente esquema. En este caso, cuando el interruptor está pulsado la señal exterior se desvía a tierra porque encuentra un camino directo a ella (por lo que la entrada del circuito no recibe nada -un "0"-) y cuando el interruptor se deja sin pulsar es cuando la entrada del circuito recibe la señal exterior. Hay que tener cuidado con esto.
En los ejemplos anteriores hemos utilizado resistencias "pull-up" o "pull-down" de 10KΩ. Es una norma bastante habitual utilizar este valor concreto en proyectos de electrónica donde se trabaja en el rango de los 5V, aunque, en todo caso, si queremos afinarlo algo más, podemos calcular su valor ideal utilizando la Ley de Ohm a partir de la corriente que consuma el circuito.
Algunos esquemas más de resistencias "pull-up" y "pull-down" para que quede más claro el concepto:
Y eso es todo.
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