Capítulo 1 · 2

Physical Computing: Sensing and Controlling the Physical World with Computers.

Carmen Gloria Cárcamo Losada // MI6 // Taller Representación

Capítulo1

Electricidad

Transducción: Conceptos básicos de electricidad

Se entiende por Transducción a la conversión de una forma de energía en otra. Se refiere a convertir una intención en acción, es convertir una energía física en energía eléctrica de manera tal que un computador puede leerlo/sentirlo/decodifi-carlo. Desde la perspectiva del computador, es hacer que la ener-gía eléctrica “salga” (output) como movimiento, luz, calor o alguna forma de energía. El eje principal de este concepto es la energía eléctrica, por lo tanto es importante entender como funciona la electricidad para entender y hacer que su-cedan las cosas.

Todos los dispositivos eléctricos y electrónicos explotan el hecho de que los electrones se tienden a moverse desde un punto de mayor energía a uno de menor energía. Si se pro-vee de una conexión positiva –de mayor energía o potencia-, una conexión negativa –energía más baja o tierra- y un con-

ductor a través del cual fluyen los electrones. Así, los electro-nes se desplazarán desde la fuente energética (power) a tie-rra. En este enlace se pueden insertar varios dispositivos eléctricos y hacerlos funcionar a voluntad.

La energía eléctrica siempre sigue un camino de menor resis-tencia hacia la tierra. En la medida que sea mejor el conduc-tor, más fácil será para que los electrones fluyan.

Si se acumula suficiente energía eléctrica, los electrones po-drán fluir a través de este conductor, inclusive el aire. Por ejemplo los rayos eléctricos es una energía que se genera en las nubes y fluye por el aire hasta llegar a la tierra.

Un circuito es un ciclo cerrado que contiene una fuente de energía eléctrica, por ejemplo una batería y una carga como por ejemplo una ampolleta. La energía fluye desde el termi-

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nal positivo de la batería a través de los cables a la ampolle-ta, y desde la ampolleta al terminal negativo de la batería. La ampolleta resiste el flujo de energía convirtiéndola en luz y calor. En todo circuito bien diseñado toda la energía eléctri-ca es convertida a otra forma de energía por medio de dispo-sitivos como ampolletas, estufas, etc.

A través del switch o interruptor se puede detener o activar el flujo de los electrones. Cada componente que uno utiliza en un circuito tiene características eléctricas determinadas. Una batería puede proporcionar/emitir una cierta cantidad de energía eléctrica y una ampolleta puede resistir cierta can-tidad de energía eléctrica. Es necesario entender los requeri-mientos de cada componente para no sobrecalentar o fallar por falta de energía ese dispositivo.

Hay características eléctricas básicas que se encuentran en todo tipo de circuito:

1. Voltaje se mide en voltios y se refiere al nivel relativo de la energía entre dos puntos del circuito.

2. Corriente se mide en amperes (amps) y se entiende por la cantidad de energía eléctrica que pasa por cualquier pun-to del circuito.

3. Resistencia – Ohms- o la cantidad de cualquier compo-nente del circuito resiste.

Estos tres factores están relacionados y todos se afectan entre sí. Los dispositivos eléctricos resisten el flujo de la co-rriente y la convierten en otras formas de energía. Un circuito sin suficiente resistencia es su carga provoca un cortocircui-to y éste debe ser evitado a toda costa. Un circuito es un circuito cerrado, por lo que toda la energía que viene de la batería debe acomodarse de acuerdo a la resistencia de su

carga. Si un circuito no utiliza la energía suficiente ocasiona el sobrecalentamiento de la batería y termina por reventar.

La combinación entre corriente y voltaje se entiende como potencia (poder eléctrico) y se mide en watts (volts x amps). La cantidad de watts que se designa a un circuito determina-rá el poder de éste y el tipo de trabajo capaz de ejecutar.

Por lo general no es necesario utilizar la ley Ohm, sin embar-go, es necesario al menos coincidir una fuente de alimenta-ción a la carga. Al comprar cualquier aparato eléctrico es im-portante ver la cantidad de voltaje que puede tomar y la can-tidad de corriente que necesita. Algunas veces sólo se espe-cifican la cantidad de volts o watts, en este caso se debe aplicar la ecuación amps= watts/volts para saber los ampe-res necesarios. Es importante además asegurarse de hacer coincidir el voltaje con la especificación del dispositivo.

Electricidad versus Electrónica

Se puede entender a la electrónica como un subconjunto de circuitos eléctricos que se utiliza para transmitir información. Por lo general los circuitos electrónicos no necesitan una gran cantidad de energía eléctrica. Se requiere de muy poca energía para registrar un mensaje en el cerebro o en otro equipo como por ejemplo un LED o transistor. Cuando se utiliza la energía eléctrica para realizar un trabajo físico como por ejemplo encender un motor, se necesita más poder eléc-trico. Por lo general los componentes de entrada necesitan menor cantidad de energía que los componentes de salida.

Existen dos formas en las que se suministra el la energía eléctrica: corriente directa y alterna.

- Fuente de corriente directa (DC) es la que suministra co-rriente en un cable y tierra en el otro, y el voltaje entre ellos es constante con el cable de suministro siempre a un voltaje más alto.

- Fuente de corriente alterna (AC) alterna el voltaje en los dos cables.

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Es más fácil suministrar la energía eléctrica a través de ca-bles largos usando AC, es por este motivo que se utiliza co-mercialmente. La potencia que sale de la toma de corriente es de 120 volts en USA y de 220 volts en Europa y Asia. Los componentes electrónicos generalmente utilizan DC a un voltaje menor cercano a los 5 volts. Ëstos generalmente ne-cesitan muy poco amperaje por lo que se utilizan convertido-res o transformadores que convierten 120/220 volts de AC a 5 a 12 volts DC.

¿Cómo fluye la energía?

Existen dos propiedades básicas de la energía eléctrica que son útiles para construir circuitos:

- La electricidad siempre favorece el camino con menor resistencia a la tierra. Esto significa que cada vez que la electricidad tiene dos posibles caminos a seguir, ésta segui-rá la que tiene menor resistencia.

- Toda la energía eléctrica en un circuito debe ser utiliza-da. Todos los componentes de un circuito tienen que utilizar la energía que se está colocando en éste. Si hay exceso de energía los componentes se sobrecalentarán y el sistema dejará de funcionar.

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Compras2

Descripción de elementos necesarios para partir.

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Solderless Breadboard (placa sin soldadura)

El tablero es la base de todos los circui-tos. Un tablero es una herramienta para sostener los compo-nentes del circuito y conectarlos. Tiene agujeros para los ca-

bles de conexión y “pins” para la mayoría de los componen-tes. Permite ajustar y trabajar los cables con facilidad aho-rrando tiempo debido a que no es necesario soldarlos para conectarlos entre sí.

MICROCONTROLADORESSon el centro de la mayoría de los proyectos. Se pueden en-contrar microcontroladores de distintos niveles.

Características Ambiente de programación: Se utiliza BASIC como lenguaje de programación y sus variantes más complejas (BasicX BA-SIC). Otros microcontrolador como el PIC se puede progra-mar utilizando C, pero es más compleja y se requiere de ma-yor expertise.

Entrada analógicaEl Basic Stamp 2 es el único microcontrolador que no tiene entradas analógicas, pero permite “Falsear” (ajustar) siempre que todos los sensores son resistencias variables. El Basic Atom Pro24 tiene cuatro entradas analógicas. El BX-24 y el PIC 18F452 tienen ocho entradas analógicas de cada una.

Entrada y salida digitalTodos los microcontroladores recomendados deben tener 16 pines I/O digitales, excepto para el PIC 18F452, que tiene 33.

Salida analógicaEl PIC 18F452 es el único microcontrolador recomendado que puede proporcionar un pulso modulado específico con salida analógica continua que no interrumpe la ejecución del programa. El BX-24 y el átomo básico Pro24 son otras va-riantes.

Velocidad de ejecuciónEs relevante saber cuántas instrucciones por segundo pue-de ejecutar el microcontrolador. El PIC es el más rápido, se-guido por el Atom Basic Pro24, luego el BX-24, el Basic Stamp2 es el más lento. Otro factor a considerar es la veloci-dad de la de transmisión máxima que el chip puede utilizar para la comunicación en serie. Si se necesita comunicar un dispositivo que tiene una velocidad de transmisión en parti-cular (por ejemplo, dispositivos MIDI comunican a 31.250 bits por segundo), entonces será necesario que el micropro-cesador pueda funcionar a esa velocidad.

PrecioEl PIC 18F452 es el microprocesador más económico pero su entorno de desarrollo es más caro, los otros microproce-sadores tienen entornos gratuitos.

Cantidad de memoriaPara los microprocesadores recomendados no es un tema relevante, dado que todos están en el mismo rango en térmi-nos de memoria.

PoderPara los microprocesadores recomendados el PIC es el con menor gasto energético. En general con los otros micropro-cesadores la diferencia es insignificante al agregar dispositi-vos externos como motores y dispositivos de audio.

Microcontroladores de alto nivelEjemplos: Making Things’ Teleo system, Infusion Systems’ I- Cubed, Electrovoce’s MIDITools, Ezio

Se pueden comprar cajas que pueden hacer tareas de com-putación físicas populares. Tienen conectores sencillos para todo, desde el cable poder y los puertos de interruptores, potenciómetros, y motores.

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Microcontroladores de nivel medioEjemplos: Parallax’s Basic Stamp 2, NetMedia’s BX-24, Basic Micro’s Basic Atom Pro 24.

El Basic Stamp y el Basic Stamp 2 (BS-2) son los dos micro-controladores de nivel medio de bajo costo. Estos módulos se ejecutan más lento que los procesadores de nivel bajo debido a que los lenguajes de programación sacrifican efi-ciencia por facilidad de uso. Los entornos de software para la programación de estos módulos son simples y fáciles de usar y gratuitos.

Microcontroladores de nivel bajoEjemplos: PIC chips, SX chips, Atmel (AVR) chips

Estos procesadores en comparación con los chips de nivel medio y alto, requieren la creación de más circuitos sólo pa-ra encenderlos. Además es necesario entender de electróni-ca con un poco más de profundidad.

COMPONENTES COMUNESInterruptores (switches)Dejan pasar o interrumpen el flujo de la electricidad. Un inte-rruptor simple tiene dos cables intercambiables. Éstos están unidos a dos contactos en el interior del switch que pueden ponerse en contacto entre sí o estar separados debido a la acción del interruptor. Los interruptores están clasificados por el máximo de voltaje y corriente que puedan conducir. Los interruptores son generalmente abiertos (N.O) o cerra-

dos (N.C). El primero solo conducirá energía cuan-do se active, y uno nor-malmente cerrado sólo cuando no esté activado.Los interruptores pueden ser momentáneos o de

palanca. Los momentá-neos (o botones) retoman su posición normal al soltar el bo-tón. Los interruptores de luz son interruptores de palanca.

ResistenciasConvierten la energía electica en calor. Previenen cortocircui-tos. Las resistencias tiene dos conductores sin polaridad- no tienen un lado positivo o negativo-, por lo tanto, son inter-cambiables. Las resistencias se clasifican en Ohms indican-do la resistencia que ofrecen a un circuito, y en watts la po-tencia máxima que pueden resistir.

El valor de una resistencia puede ser identificado por: El pa-quete, decodificación de las rayas en un gráfico y la compro-bación con un multímetro de su resistencia.

Resistencias VariablesLas resistencias variables resisten el flujo de energía en diver-sos grados. Son transductores comunes de salida análoga. Son capaces de convertir un cambio de calor en un cambio de resistencia. La resistencia más común es el potencióme-tro.

CondensadoresEs capaz de almacenar energía, cuando se quita la corriente el condensador libera su carga. Los condensadores sirven además para regular el flujo de energía irregular, liberar carga o guardar le exceso de carga cuando hay subidas de corrien-te. Los condensadores se clasifican según la cantidad de carga que almacenan que se llama capacitancia (capacidad de mantener energía eléctrica) y se mide en Faradios (F).

DiodosSólo permiten que la electricidad fluya a través de él en un solo sentido. Esto significa que están polarizados, por lo que pueden ser ubicados en una dirección del circuito.

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Transistores y relevadoresSon dispositivos de conmutación, a diferencia de los inte-rruptores normales, éstos pueden ser activados por una se-ñal eléctrica desde un microcontrolador.

CablesLos cables que se utilizan para conectar componentes vie-nen en una amplia gama de tamaños y tipos. Por ejemplo un cable grueso puede llevar mayor cantidad de corriente. Los

cables tiene dos variedades, los de núcleo sólido y los tren-zados. El cable de núcleo sólido es más rígido y mejor para los circuitos de construcción ya que se ajusta más fácilmente al Breadbroad o placa sin sol-dadura. El cable trenzado tiene muchas hebras finas de alambre lo que lo hace más

flexible para trabajar.

Regulador de voltajeSon componentes que convierten un diverso rango de volta-je a un voltaje fijo.

RC ServomotorSon fáciles de controlar con un microcontrolador y tienen un amplio rango de movimiento controlado.

Conector SerialSon los conectores que permiten conectar el cable serial al tablero (breadboard).

Cable SerialSe utilizan para la comunicación entre computadores y mi-crocontroladores. Se utilizan tanto para descargar nuevos programas en el microcontrolador, como para enviar mensa-jes entre el programa del microcontrolador y el programa del computador.

Cristales de relojSon cronometradores para procesadores de bajo nivel. Sólo se necesitarán cristales de reloj si se planea utilizar un proce-sador de bajo nivel en lugar de un módulo de nivel medio. Existen en una variedad de velocidades.

CabezalesSon postes metálicos pequeños a los que se puede soldar cables de varios componentes con el fin de hacer una cone-xión buena y rígida a la placa (breadboard).

Caja de ProyectosCuando se ha terminado un proyecto y para protegerlos se guarda el tablero (breadboard) en una caja. Cualquier caja puede servir, ésta debe ser lo suficientemente grande para dejar espacio en los la lados y sobre el tablero.

Ajusta CablesSon útiles para el fijar los cables y evitar se salgan de la pla-ca o tablero.

Adaptador USBAlgunos microcontroladores se comunican con los computa-dores a través de comunicación serial. Si el equipo sólo tie-ne un puerto USB, se necesitará un adaptador USB.

HERRAMIENTAS

Se necesitan pocas herramientas para construir proyectos electrónicos. Entre ellas están un soldador, soldadura ya que se requerirá según el proyecto de fijar ciertas conexiones al tablero. Alicates de punta fina ya que los tableros o placas son muy pequeños y a veces es difícil trabajar y manipular los elementos sólo con los dedos. Pelacables, cortacables, desatornilladores pequeños, taladro y brocas, también son necesarios. Una mini prensa servirá para poder fijar los ele-

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mentos como componentes, soldadura y otros, sin que se muevan y así trabajar con mayor precisión y comodidad.

Un medidor de voltaje, resistencia y continuidad permitirá probar las propiedades eléctricas de los componentes o del circuito. Una pistola de silicona permitirá aislar algunos ca-bles. Finalmente será importante tener todo organizado para evitar que se dañen los componentes o se confundan entre sí.

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