sábado, 23 de marzo de 2013

Electrónica para dummies 1: ¿Que es el Voltaje?

En esta nueva serie de entradas pretendo ilustrar conceptos básicos de electrónica, de forma que sean fáciles de comprender por cualquiera, independientemente de los conocimientos en electrónica que posea. Esto no significa que vaya a ser fácil, sino que comenzaremos por el principio. Estos conceptos son importantes y necesarios para aquel  que quiera realizar  cualquier proyecto de electrónica de forma autónoma, por sencillos que sean. Además, dominar estos conceptos, le permitirá reconocer problemas en sus circuitos, que de otra forma no sería capaz de detectar. Para comenzar, hoy vamos a hablar del voltaje. Aunque parezca raro, no siempre se tiene un concepto adecuado del término voltaje y eso impide entender el funcionamiento de los sistemas electrónicos. Como he dicho antes, voy a intentar explicarlo desde el principio, ciñéndome a los principios físicos fundamentales del fenómeno.
En la figura anterior, se muestra una resistencia $R1$ y conectada entre dos valores, por un lado el valor $+5$ y al otro $GND$. Para comenzar habría que definir que significan estos valores. Como explicaré mas adelante, el símbolo $GND$ se refiere al punto de referencia de nuestro circuito, es lo que vendríamos a definir como el valor de voltaje 0 de nuestro circuito, aunque como veremos un poco más adelante esto no es del todo así. Para ser estrictos, $GND$ es la referencia sobre la que debemos medir el voltaje de cualquier punto en nuestro circuito, por lo que se debe entender que en el punto donde está escrito el valor $+5$ hay 5 voltios más que en el punto $GND$. Particularizando esto, para el caso de una placa arduino, el pin marcado como $+5$ es la salida del regulador de tensión, esto significa que hay un elemento en la placa, que se ocupa de garantizar que en entre $GND$ y ese punto siempre hayan $5V$ de diferencia. Pero cuidado, un regulador de tensión, será capaz de garantizar esto, hasta un limite, si le pedimos demasiada energía, en este caso está limitado por la corriente, esta tensión ya no serán $5V$ sino que podría caer, pero a esto le dedicaremos una entrada mas adelante. Para lo que vamos a explicar, supondremos que nuestro regulador es capaz de darnos una corriente infinita, tanta como le exijamos.

El primer concepto que debemos corregir es, el de pensar en la tensión como un valor único en un punto. Cuando decíamos en el caso anterior, que a un lado de la resistencia hay $0V$ o $GND$ y en el otro $+5V$ lo que estamos diciendo que es que están cayendo $5V$ en la resistencia que hemos puesto entre esos dos puntos, o lo que es lo mismo, que entre los dos bornes de la resistencia hay una diferencia de tensión de $5V$.
Para ver esto, en mas detalle, veamos el ejemplo siguiente:

En este caso, la diferencia de tensión entre los bornes exteriores sigue siendo de $5V$, pero ¿Que tensión hay en el punto intermedio?. Pues para responder a esta pregunta habría que establecer que la tensión será igual a la tensión que hay entre los bornes exteriores, menos la que caiga en la resistencia R1. Si por ejemplo, establecemos que $R1=R2$, la tensión que caerá en cada resistencia será de aproximadamente $2,5V$, es decir la diferencia de tensión entre sus bornes será de $2,5V$ y por lo tanto si medimos la tensión del punto $P1$ respecto a $GND$ veremos ese valor de tensión. Esto es lo que se llama, divisor de tensión, y le dedicaremos una entrada mas adelante. Este comportamiento, tiene su explicación en el fundamento físico que explica el voltaje y que se basa en la energía potencial. Para explicar lo que viene a continuación introduciremos la conocida formula que define la tensión como $V=IR$. Si analizamos detenidamente esta formula, podremos darnos cuenta, que viene a decir que para que exista voltaje entre dos puntos, debe haber una intensidad y una resistencia, ya que si la intensidad es cero, el voltaje sería cero y de igual modo si la resistencia fuese cero la diferencia de tensión entre los dos puntos sería cero. Es muy importante, tener claro que no tiene sentido hablar de tensión en un punto concreto de un circuito, la tensión o voltaje es una forma de energía potencial, y la energía potencial se define como energía almacenada que puede ser usada para realizar un trabajo, por ejemplo el trabajo que se realiza al ir de un sitio a otro o en el caso de un circuito electrónico el trabajo necesario que es preciso realizar para atravesar una resistencia. 

Podríamos imaginar que sujetamos una pelota en el aire, como es lógico, si la soltamos caerá a suelo. Esto ocurre porque al sujetar la pelota en el aire, ésta almacena energía que contrarresta la fuerza que la tierra ejerce sobre ella atrayéndola. Esta energía, mide la capacidad del sistema para realizar un trabajo, en este caso el trabajo consiste en caer al suelo y el sistema mano-pelota-suelo la contiene, nuestra mano es lo único que impide que este trabajo se realice.

En este símil, la energía potencial de la pelota se corresponde con la energía que almacena el sistema al estar la pelota en este punto, respecto a la que almacenaría el sistema si la pelota se encontrase en el suelo. Por tanto la energía potencial es la energía que el sistema tiene almacenada y que liberará en forma de energía cinética si soltamos la pelota mientras esta realiza el trabajo de ir desde nuestra mano al suelo. Según lo comentado, hay que fijarse que no tiene sentido hablar de energía potencial sin tener un punto de referencia, en este caso la energía potencial de la pelota en nuestra mano es mayor a la energía potencial que tendría en el suelo, esto es lo que se traduce en que si nada se opone a este recorrido lo recorrerá irremediablemente ,o lo que es lo mismo, si la soltamos caerá.

Cuando la pelota se encuentra en el suelo, no cae, pero esto no significa que su energía potencial sea cero ya que su energía potencial habría que medirla respecto a otro punto de referencia. Si la medimos con respecto al propio suelo, su energía potencial es cero, pero si la medimos con respecto a un punto 100 metros por debajo del suelo, la energía potencial será mayor en la superficie del suelo que en dicho punto, esto explica porqué si hacemos rodar la pelota por el suelo hasta un barranco, la pelota se precipitará por éste, liberando la energía potencial almacenada en forma de energía cinética. Esto también explica porqué la energía potencial siempre debe medirse como relación entre dos puntos, y por eso siempre se debe hablar de diferencia de potencial. Partiendo de esta explicación y teniendo en cuenta que el potencial o voltaje es un tipo de energía potencial, se puede explicar el fenómeno del que partimos al comienzo del post. Si no existe diferencia de potencial, no habrá circulación de electrones, es decir intensidad, que viene a ser como la caída de la pelota al suelto. Pero en este caso, además existe otra variable a tener en cuenta que es la resistencia, si no existe una resistencia entre el punto de mayor potencial y el de menor potencial, los electrones serán atraídos por completo y por tanto no habrá diferencia de potencial, ambos puntos tendrán el mismo potencial, pero si interponemos una resistencia, esta retendrá parte de los electrones al igual que nuestra mano retenía la pelota. Esto hará que se acumule energía entre ambos lados de la resistencia en forma de energía potencial, y con este razonamiento se llega a la conclusión de que la energía potencial en un punto $V1$ respecto a la energía potencial en otro punto $V2$ es igual a $V1-V2=IR$.
Para finalizar, se puede aprovechar esta explicación para describir un nuevo fenómeno que ocurre cuando la energía potencial entre dos puntos es mayor a cero y la resistencia es cercana a cero, es decir, si $(V1-V2)>0$, y la resistencia entre esos dos puntos es cero, llegaríamos a una incongruencia matemática ya que tendríamos $(V1-V2)=I0$ y al mismo tiempo que $(V1-V2)>0$. Esto vendría a significar que $I={(V1-V2)\over 0}$, lo que solo se podría resolver si la intensidad fuese infinita. Esto es lo que comúnmente se conoce como cortocircuito, y es lo que ocurre cuando conectamos dos puntos que contienen diferente energía potencial sin poner una resistencia de por medio.

En este caso el de mayor potencial tiene capacidad de liberar energía para emitir corriente hasta el de menor potencial, de forma que al estar conectados directamente sin una resistencia, se liberaría esta energía en forma de intensidad sin freno alguno, lo que podría provocar que se caliente el circuito en ese punto llegando a quemarse o estropeando algún componente. Por este motivo siempre debemos evitar que esto ocurra en nuestros diseños, y para evitarlo nunca debemos conectar dos puntos con diferente energía potencial sin poner una resistencia por medio.