1. Capítulo 1 · 2
Physical Computing:
Sensing and Controlling the Physical
World with Computers.
Carmen Gloria Cárcamo Losada // MI6 // Taller Representación

2. Capítulo
1
Electricidad

3. 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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4. 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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5. 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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6. Compras
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Descripción de elementos
necesarios para partir.
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7. 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.
MICROCONTROLADORES
Son 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 analógica
El 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 digital
Todos los microcontroladores recomendados deben tener 16
pines I/O digitales, excepto para el PIC 18F452, que tiene
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Salida analógica
El 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 ejecución
Es 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.
Precio
El PIC 18F452 es el microprocesador más económico pero
su entorno de desarrollo es más caro, los otros microproce-
sadores tienen entornos gratuitos.
Cantidad de memoria
Para los microprocesadores recomendados no es un tema
relevante, dado que todos están en el mismo rango en térmi-
nos de memoria.
Poder
Para 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 nivel
Ejemplos: 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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8. Microcontroladores de nivel medio
Ejemplos: 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 bajo
Ejemplos: 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 COMUNES
Interruptores (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.
Resistencias
Convierten 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 Variables
Las 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.
Condensadores
Es 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).
Diodos
Sólo 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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9. Transistores y relevadores
Son dispositivos de conmutación, a diferencia de los inte-
rruptores normales, éstos pueden ser activados por una se-
ñal eléctrica desde un microcontrolador.
Cables
Los 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 voltaje
Son componentes que convierten un diverso rango de volta-
je a un voltaje fijo.
RC Servomotor
Son fáciles de controlar con un microcontrolador y tienen un
amplio rango de movimiento controlado.
Conector Serial
Son los conectores que permiten conectar el cable serial al
tablero (breadboard).
Cable Serial
Se 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 reloj
Son 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.
Cabezales
Son 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 Proyectos
Cuando 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 Cables
Son útiles para el fijar los cables y evitar se salgan de la pla-
ca o tablero.
Adaptador USB
Algunos 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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10. 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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