CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA: EL ELECTRÓN
La electricidad tiene su origen en el movimiento de una pequeña partícula llamada electrón que forma parte del átomo.
El átomo es la porción más pequeña de la materia y está compuesto por un núcleo donde se encuentran otras partículas, como los protones (con carga eléctrica positiva) y los neutrones (sin carga).
Alrededor del núcleo giran en órbitas los electrones, que tienen carga negativa y hay tantos electrones como protones, por lo que el átomo se encuentra equilibrado eléctricamente.
Un átomo puede tener muchos electrones, situados en órbitas que giran alrededor del núcleo. Hay fenómenos que consiguen arrancar electrones de las órbitas externas del átomo, quedando entonces deficitario de cargas negativas (el átomo se convierte así en un ion positivo).
Al producirse el abandono de un electrón de su órbita queda en su lugar un “hueco” el cual atraerá a un electrón de un átomo contiguo, de este modo se densencadena una cascada
de electrones arrancados de otros átomos contiguos para ir rellenando huecos sucesivos, y así se produce una circulación de electrones.
La fuerza que obliga a los electrones a circular por un conductor depende de la diferencia de electrones existentes en los extremos de ese conductor.Si en un extremo se tienen muchos electrones mientras que en el otro apenas hay, aparecen aquí huecos, la tendencia natural es que se produzca una circulación de electrones hacia el extremo donde hay huecos, para alcanzar así un equilibrio.
La diferencia existente en el número de electrones entre un extremo y otro, y que determina la “fuerza” con la que circulan, recibe el nombre de diferencia de tensión, lo que significa que cuanta mayor tensión exista en los extremos de un conductor mayor es también el número de electrones que hay dispuestos en un lado para desplazarse hacia el otro.
MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES
No todos los átomos tienen la misma facilidad para desprender electrones de sus órbitas y originar una corriente eléctrica; hay cuerpos como los metales (cobre, plata, hierro, etc.) donde los electrones fluyen con facilidad, mientras que otros materiales (madera, plástico, caucho) encuentran mucha dificultad. Los primeros son los llamados conductores y los segundos no conductores o aislantes. No obstante entre ambos se encuentran los semiconductores, elementos cuya conductividad eléctrica depende de las condiciones del circuito y de la composición química que interviene en su formación.
ORIGEN DE LA ELECTRICIDAD
Los fenómenos que consiguen arrancar electrones y establecer una corriente pueden ser de diverso origen:
- Térmico: los termopares son la unión de dos metales con diferente potencial termoeléctrico que al ser calentados generan corriente.
- Piezoeléctrico: la deformación física experimentada por un cristal de cuarzo genera corriente en los extremos del mismo.
- Fotoeléctrico: al incidir la luz en determinados compuestos de silicio se desprenden electrones, y se establece una corriente.
- Magnético: por inducción magnética sobre un conductor se genera corriente, tal es el caso de la dinamo, el alternador, la magneto, etc.
- Químico: la reacción química de dos compuestos puede originar el desprendimiento de electrones y la circulación de corriente, es el caso de las pilas y baterías.
CIRCUITO ELÉCTRICO
El circuito eléctrico es parecido a un circuito hidráulico ya que puede considerarse como el camino que recorre la corriente (el agua) desde un generador de tensión (también denominado como fuente) hacia un dispositivo consumidor o carga.
La carga es todo aquello que consume energía para producir trabajo: la carga del circuito puede ser una lámpara, un motor, etc. (en el ejemplo de la ilustración la carga del circuito es una sierra que produce un trabajo).
La corriente, al igual que el agua, circula a través de unos canales o tuberías; son los cables conductores y por ellos fluyen los electrones hacia los elementos consumidores.
En el circuito hidráulico, la diferencia de niveles creada por la fuente proporciona una presión (tensión en el circuito eléctrico) que provoca la circulación de un caudal de líquido intensidad); la longitud y la sección del canal ofrecen un freno al paso del caudal (resistencia eléctrica al paso de los electrones). De modo análogo en el circuito eléctrico, la corriente que fluye por un conductor depende de la tensión aplicada a sus extremos y la resistencia que oponga el material conductor; cuanto menor sea la resistencia mejor circulará la corriente.
UNIDADES ELÉCTRICAS
Con lo expuesto hasta ahora pueden definirse las tres principales unidades eléctricas: la tensión, la intensidad y la resistencia.
- Tensión eléctrica (U): Se denomina tensión eléctrica (o también voltaje) a la fuerza potencial (atracción) que hay entre dos puntos cuando existe entre ellos diferencia en el número de electrones. En los polos de una batería hay una tensión eléctrica y la unidad que mide la tensión es el voltio (V).
- Corriente eléctrica (I): Al la cantidad de electrones o intensidad con la que circulan por un conductor, cuando hay una tensión aplicada en sus extremos, se le denomina corriente eléctrica o intensidad. La unidad que mide la intensidad es el amperio (A).
- Resistencia eléctrica (R) Los electrones que circulan por un conductor encuentran cierta dificultad a circular libremente ya que el propio conductor opone una pequeña resistencia; resistencia que depende de la longitud, la sección y el material con que está construido el conductor.La corriente fluirá mejor cuanto mayor sea la sección y menor la longitud. La unidad que mide la resistencia es el ohmio (Ω).
LEY DE OHM
Existe una relación entre las tres unidades eléctricas (voltio, amperio y ohmio) de tal modo que puede definirse cada una de ellas con la combinación de las otras dos, así por ejemplo
puede decirse que:
1 amperio es la corriente que circula por un conductor de 1 ohmio cuando se aplica un 1 voltio de tensión.
Como el resultado de esta expresión matemática es una ecuación, puede despejarse cualquier valor incógnita partiendo de los otros dos. Combinando las fórmulas de la Ley de Ohm puede representarse gráficamente mediante un triángulo en cuyo interior se ha situado cada unidad (voltio, amperio y ohmio), de tal modo que los valores situados arriba se encuentran dividiendo por los de abajo y los que se encuentran debajo se hallan multiplicando entre ellos.
Para conocer la fórmula que permita calcular una de las magnitudes desconocidas, basta con tomar las otras dos y relacionarlas según su posición determinada en el triángulo: voltios dividen or amperios u ohmios, mientras que para averiguar los voltios basta con multiplicar
los ohmios por los amperios.
POTENCIA ELÉCTRICA
La potencia se define como la energía o trabajo consumido o producido en un determinado tiempo.
En los circuitos eléctricos la unidad de potencia es el vatio (W) y su definición está relacionada con la tensión aplicada y la intensidad que circula por un circuito: se dice que un vatio es la energía (trabajo) que libera un amperio en un circuito con una tensión de un voltio.
Como la ecuación de la Ley de Ohm y la fórmula de la potencia tienen unidades en
común, pueden relacionarse unas con otras y obtenerse un formulario que permita
calcular cualquier unidad combinando dos.
La presente “rueda” es un formulario completo de las unidades eléctricas, donde
puede obtenerse de dos magnitudes conocidas otra que sea incógnita.
W = U x I
(1 vatio = 1 voltio x 1 amperio)
Como el resultado de esta expresión matemática es una ecuación (similar a la de la Ley de Ohm) puede deducirse un valor conociendo los otros dos y así obtener tres fórmulas matemáticas que permitan resolver cualquier incógnita.
Para conocer la fórmula de cálculo de una de las magnitudes desconocidas, basta con tomar las otras dos y relacionarlas según su posición determinada en el triangulo:
W = V x A
A = W:V
V = W: A
CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA
La corriente continua (c.c.) es producida por generadores que siempre suministran la corriente en la misma dirección; tal es el caso de dinamos, células fotoeléctricas, pilas, etc. En el automóvil se utiliza corriente continua porque puede almacenarse en la batería garantizando así su disponibilidad cuando se precise.
La corriente continua no varía su valor en función del tiempo: en la pantalla de un osciloscopio aparece como una línea horizontal referenciada a un nivel de cero voltios (línea de masa). La distancia de la línea de tensión a la línea de masa indica la magnitud (amplitud) de la tensión.
La corriente alterna (c.a.) no puede almacenarse en baterías, pero es mucho más fácil y barata de producir gracias a los alternadores.
La corriente alterna cambia de polaridad cíclicamente siendo alternativamente
positiva y negativa respectivamente. La forma de onda depende del generador que la produce, pero siempre hay una línea de cero voltios que divide a la onda en dos picos simétricos. Las características de la
corriente alterna son: la frecuencia (ciclos en un segundo) y la tensión de pico a pico; aunque suele utilizarse el valor de tensión eficaz (tensión RMS).
ELECTROMAGNETISMO
El magnetismo producido por efecto de la electricidad se denomina electromagnetismo y encuentra numerosas aplicaciones en la industria:generadores eléctricos como dinamos o alternadores, transformadores, relés, motores, etc.
El fundamento del electromagnetismo se basa en que cuando una bobina de cable arrollada a un soporte formando espiras o devanados es atravesada por una corriente eléctrica, crea a su alrededor un campo magnético (similar a un imán natural).
El campo magnético creado por la bobina resultará más intenso cuanto mayor sea el número de espiras de la bobina y la intensidad de corriente que circula. Para aumentar y reforzar el campo magnético creado por la bobina, se arrolla sobre un núcleo de hierro.
EL ALTERNADOR
El alternador es un generador que proporciona una gran intensidad, pero la corriente generada es alterna y debe ser rectificada en continua.
Como el alternador funciona a régimen variable, ya que gira en relación a las revoluciones del
motor, es necesario un sistema de regulación que controle la producción de electricidad independientemente del régimen y el estado de la batería.
Básicamente, el alternador del automóvil esta compuesto por la agrupación de tres conjuntos.
- El grupo INDUCTOR, gira accionado por la polea (rotor) y es donde se encuentran las bobinas de excitación que al recibir corriente de la batería a través del regulador crea un fuerte campo magnético.
- El grupo INDUCIDO, situado en el la parte fija: denominada también como estactor y es donde se induce la corriente.
- El grupo RECTIFICADOR, formado por la placa de los diodos rectificadores que se encargarán de convertir la corriente alterna en continua.
CIRCUITO EN SERIE Y EN PARALELO
Circuito en serie
El montaje en serie se utiliza cuando es necesario “regular” o limitar la corriente en un circuito. Intercalando con el elemento consumidor una o varias resistencias se consigue “frenar” el paso de la corriente ya que al producirse una caída de tensión se reduce la que llega al elemento.
Circuito en paralelo
El montaje en paralelo es el de uso más frecuente ya que se emplea cuando interesa aplicar toda la tensión de la batería directamente sobre el elemento consumidor, tal es el caso de la mayoría de circuitos de la red eléctrica del automóvil: faros, luz de posición, intermitentes, limpiaparabrisas, alzacristales, etc., prácticamente todos los dispositivos eléctricos
del automóvil conectan en paralelo
CIRCUITOS IMPRESOS
Un circuito impreso o PCB en inglés, es una tarjeta o placa utilizada para realizar el emplazamiento de los distintos elementos que conforman el circuito y las interconexiones eléctricas entre ellos.
Antiguamente era habitual la fabricación de circuitos impresos para el diseño de sistemas mediante técnicas caseras, sin embargo esta práctica ha ido disminuyendo con el tiempo. En los últimos años el tamaño de las componentes electrónicas se ha reducido en forma considerable, lo que implica menor separación entre pines para circuitos integrados de alta densidad. Teniendo también en consideración las actuales frecuencias de operación de los dispositivos, es necesaria una muy buena precisión en el proceso de impresión de la placa con la finalidad de garantizar tolerancias mínimas.
Los circuitos impresos más sencillos corresponden a los que contienen caminos de cobre (tracks) solamente por una de las superficies de la placa. A estas placas se les conoce como circuitos impresos de una capa, o en inglés, 1 Layer PCB.
Los circuitos impresos más comunes de hoy en día son los de 2 capas o 2 Layer PCB. Sin embargo, dependiendo de la complejidad del diseño del físico del circuito (o PCB layout), pueden llegar a fabricarse hasta de 8 o más layers.
Soldermask o máscara de soldado
Para montar los componentes electrónicos en los circuitos impresos se requiere de un proceso de ensamblado, que puede ser manual o mediante maquinaria especializada. Los procesos de ensamblado requieren la utilización de soldadura para poder fijar los componentes a la placa. Para evitar que la soldadura pueda cortocircuitar accidentalmente dos tracks pertenecientes a nodos distintos se utiliza una máscara de soldado, o soldermask en inglés. Esta máscara de soldado es un barniz que se aplica a los circuitos impresos en la etapa de fabricación y puede ser de variados colores. El color que se utiliza más frecuente es el verde seguidos del rojo y azul.
Serigrafía o silkscreen
La serigrafía es el proceso en donde se imprime sobre la máscara de soldado información conducente a facilitar la labor del ensamblado y de posterior verificación. Generalmente se imprime para indicar puntos de prueba como también la posición, orientación y referencia de las componentes que conforman el circuito. También puede utilizarse para cualquier propósito que el diseñador requiera, como por ejemplo para el nombre del producto, compañía, instrucciones de configuración, etc. La serigrafía puede ir en ambas capas externas o caras del circuito impreso. En inglés se conoce como silkscreen u overlay.
Stackup o pila de capas
Tal como se dijo en al principio de este artículo, los circuitos impresos o PCBs pueden fabricarse de varias layers o capas. Cuando una PCB es diseñada mediante un software CAD EDA, se suelen especificar varias capas en el diseño que no necesariamente son conductoras, como por ejemplo la serigrafía, máscara de soldado, etc. Esto puede prestarse para confusión ya que generalmente uno se refiere a layers o capas solamente cuando se está hablando de las que son conductoras. De ahora en adelante cuando nos se refiramos al concepto de capa o layer sin el sufijo CAD, nos estamos refiriendo solamente a las capas que son conductoras.
Tal como se dijo en al principio de este artículo, los circuitos impresos o PCBs pueden fabricarse de varias layers o capas. Cuando una PCB es diseñada mediante un software CAD EDA, se suelen especificar varias capas en el diseño que no necesariamente son conductoras, como por ejemplo la serigrafía, máscara de soldado, etc. Esto puede prestarse para confusión ya que generalmente uno se refiere a layers o capas solamente cuando se está hablando de las que son conductoras. De ahora en adelante cuando nos se refiramos al concepto de capa o layer sin el sufijo CAD, nos estamos refiriendo solamente a las capas que son conductoras.
Pads
Un pad es una superficie de cobre en un circuito impreso o PCB que permite soldar o fijar la componente a la placa. Existen dos tipos de pads; los thru-hole y los smd (montaje de superficie).
Los pads thru-hole están pensados para introducir el pin de la componente para luego soldarla por el lado opuesto al cual se introdujo. Este tipo de pads es muy similar a una via thru-hole.
Los pads smd están pensados para montaje superficial, es decir, soldar la componente por el mismo lado de la placa en donde se emplazó.
Caminos de cobres ( pistas o tracks)
Un track es un camino conductor de cobre que sirve para conectar un pad (donde descansa el pin o terminal de un componente) a otro. Los tracks pueden ser de distinto ancho dependiendo de las corrientes que fluyen a través de ellos.
Cabe destacar, que en altas frecuencias es necesario calcular el ancho del track de forma que exista una adaptación de impedancias durante todo su recorrido (más de este tema en una futura publicación).
