La Electrónica es un campo de la ingeniería y de la
física aplicada relativo al diseño y aplicación de
dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo
funcionamiento depende del flujo de electrones para la
generación, transmisión, recepción y almacenamiento de
información. Esta información puede consistir en voz o música
(señales de voz) en un receptor de radio, en una imagen en una
pantalla de televisión, o en números u otros datos en un
ordenador o computadora.
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Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para
procesar esta información, incluyendo la amplificación de
señales débiles hasta un nivel utilizable; la generación de
ondas de radio; la extracción de información, como por ejemplo
la recuperación de la señal de sonido de una onda de radio (demodulación);
el control, como en el caso de la superposición de una señal
de sonido a ondas de radio (modulación), y operaciones
lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar en
las computadoras.
2 ANTECEDENTES HISTÓRICOS
La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX
propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con
estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales,
algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos
telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores
que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de
radio. Por ejemplo, con los tubos de vacío se pudieron
amplificar las señales de radio y de sonido débiles, y además
podían superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El
desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseñados para
funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la
tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra
Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante
la guerra y poco después de ella.
Hoy día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi
completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus
aplicaciones. Al incorporar un conjunto de materiales
semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite
las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un coste,
peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los
progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores,
atribuible en parte a la intensidad de las investigaciones
asociadas con la iniciativa de exploración del espacio, llevó
al desarrollo, en la década de 1970, del circuito integrado.
Estos dispositivos pueden contener centenares de miles de
transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la
construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de
los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y
vídeo, y satélites de comunicaciones.
3 COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Los circuitos electrónicos constan de componentes electrónicos
interconectados. Estos componentes se clasifican en dos
categorías: activos o pasivos. Entre los pasivos se incluyen
los reóstatos, los condensadores y los inductores. Los
considerados activos incluyen las baterías (o pilas), los
generadores, los tubos de vacío y los transistores.
3.1 Tubos de vacío
Un tubo de vacío consiste en una cápsula de vidrio de la que
se ha extraído el aire, y que lleva en su interior varios
electrodos metálicos. Un tubo sencillo de dos elementos
(diodo) está formado por un cátodo y un ánodo, este último
conectado al terminal positivo de una fuente de alimentación.
El cátodo (un pequeño tubo metálico que se calienta mediante
un filamento) libera electrones que migran hacia él (un
cilindro metálico en torno al cátodo, también llamado placa).
Si se aplica una tensión alterna al ánodo, los electrones sólo
fluirán hacia el ánodo durante el semiciclo positivo; durante
el ciclo negativo de la tensión alterna, el ánodo repele los
electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a través
del tubo. Los diodos conectados de tal manera que sólo
permiten los semiciclos positivos de una corriente alterna (c.a.)
se denominan tubos rectificadores y se emplean en la
conversión de corriente alterna a corriente continua (c.c.)
(véase Electricidad). Al insertar una rejilla, formada por un
hilo metálico en espiral, entre el cátodo y el ánodo, y
aplicando una tensión negativa a dicha rejilla, es posible
controlar el flujo de electrones. Si la rejilla es negativa,
los repele y sólo una pequeña fracción de los electrones
emitidos por el cátodo puede llegar al ánodo. Este tipo de
tubo, denominado triodo, se puede utilizar como amplificador.
Las pequeñas variaciones de la tensión que se producen en la
rejilla, como las generadas por una señal de radio o de
sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de
electrones desde el cátodo hacia el ánodo y, en consecuencia,
en el sistema de circuitos conectado al ánodo.
3.2 Transistores
Los transistores se componen de semiconductores. Se trata de
materiales, como el silicio o el germanio, dopados (es decir,
se les han incrustado pequeñas cantidades de materias
extrañas), de manera que se produce un exceso o una carencia
de electrones libres. En el primer caso, se dice que el
semiconductor es del tipo n, y en el segundo, que es del tipo
p. Combinando materiales del tipo n y del tipo p se puede
producir un diodo. Cuando éste se conecta a una batería de
manera tal que el material tipo p es positivo y el material
tipo n es negativo, los electrones son repelidos desde el
terminal negativo de la batería y pasan, sin ningún obstáculo,
a la región p, que carece de electrones. Con la batería
invertida, los electrones que llegan al material p pueden
pasar sólo con muchas dificultades hacia el material n, que ya
está lleno de electrones libres, en cuyo caso la corriente es
prácticamente cero.
El transistor bipolar fue inventado en 1948 para sustituir al
tubo de vacío triodo. Está formado por tres capas de material
dopado, que forman dos uniones pn (bipolares) con
configuraciones pnp o npn. Una unión está conectada a la
batería para permitir el flujo de corriente (polarización
negativa frontal, o polarización directa), y la otra está
conectada a una batería en sentido contrario (polarización
inversa). Si se varía la corriente en la unión de polarización
directa mediante la adición de una señal, la corriente de la
unión de polarización inversa del transistor variará en
consecuencia. El principio se puede utilizar para construir
amplificadores en los que una pequeña señal aplicada a la
unión de polarización directa provocará un gran cambio en la
corriente de la unión de polarización inversa.
Otro tipo de transistor es el de efecto campo (FET, acrónimo
inglés de Field-Effect Transistor), que funciona sobre la base
del principio de repulsión o de atracción de cargas debido a
la superposición de un campo eléctrico. La amplificación de la
corriente se consigue de modo similar al empleado en el
control de rejilla de un tubo de vacío. Los transistores de
efecto campo funcionan de forma más eficaz que los bipolares,
ya que es posible controlar una señal grande con una cantidad
de energía muy pequeña.
3.3 Circuitos integrados
La mayoría de los circuitos integrados son pequeños trozos, o
chips, de silicio, de entre 2 y 4 mm2, sobre los que se
fabrican los transistores. La fotolitografía permite al
diseñador crear centenares de miles de transistores en un solo
chip situando de forma adecuada las numerosas regiones tipo n
y p. Durante la fabricación, estas regiones son
interconectadas mediante conductores minúsculos, a fin de
producir circuitos especializados complejos. Estos circuitos
integrados son llamados monolíticos por estar fabricados sobre
un único cristal de silicio. Los chips requieren mucho menos
espacio y potencia, y su fabricación es más barata que la de
un circuito equivalente compuesto por transistores
individuales.
3.4 Reóstatos
Al conectar una batería a un material conductor, una
determinada cantidad de corriente fluirá a través de dicho
material. Esta corriente depende de la tensión de la batería,
de las dimensiones de la muestra y de la conductividad del
propio material. Los reóstatos de resistencia conocida se
emplean para controlar la corriente en los circuitos
electrónicos. Se elaboran con mezclas de carbono, láminas
metálicas o hilo de resistencia, y disponen de dos cables de
conexión. Los reóstatos variables, con un brazo de contacto
deslizante y ajustable, se suelen utilizar para controlar el
volumen de aparatos de radio y televisión.
3.5 Condensadores
Los condensadores están formados por dos placas metálicas
separadas por un material aislante. Si se conecta una batería
a ambas placas, durante un breve tiempo fluirá una corriente
eléctrica que se acumulará en cada una de ellas. Si se
desconecta la batería, el condensador conserva la carga y la
tensión asociada a la misma. Las tensiones rápidamente
cambiantes, como las provocadas por una señal de sonido o de
radio, generan mayores flujos de corriente hacia y desde las
placas; entonces, el condensador actúa como conductor de la
corriente alterna. Este efecto se puede utilizar, por ejemplo,
para separar una señal de sonido o de radio de una corriente
continua, a fin de conectar la salida de una fase de
amplificación a la entrada de la siguiente.
3.6 Inductores
Los inductores consisten en un hilo conductor enrollado en
forma de bobina. Al pasar una corriente a través de la bobina,
alrededor de la misma se crea un campo magnético que tiende a
oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la
corriente (véase Inducción). Al igual que un condensador, un
inductor se puede usar para diferenciar entre señales rápida y
lentamente cambiantes. Al utilizar un inductor conjuntamente
con un condensador, la tensión del inductor alcanza un valor
máximo a una frecuencia específica que depende de la
capacitancia y de la inductancia. Este principio se emplea en
los receptores de radio al seleccionar una frecuencia
específica mediante un condensador variable.
3.7 Dispositivos de detección y transductores
La medición de magnitudes mecánicas, térmicas, eléctricas y
químicas se realiza empleando dispositivos denominados
sensores y transductores. El sensor es sensible a los cambios
de la magnitud a medir, como una temperatura, una posición o
una concentración química. El transductor convierte estas
mediciones en señales eléctricas, que pueden alimentar a
instrumentos de lectura, registro o control de las magnitudes
medidas. Los sensores y transductores pueden funcionar en
ubicaciones alejadas del observador, así como en entornos
inadecuados o impracticables para los seres humanos.
Algunos dispositivos actúan de forma simultánea como sensor y
transductor. Un termopar consta de dos uniones de diferentes
metales que generan una pequeña tensión que depende del
diferencial térmico entre las uniones (véase
Termoelectricidad). El termistor es un reóstato especial, cuya
resistencia varía según la temperatura. Un reóstato variable
puede convertir el movimiento mecánico en señal eléctrica.
Para medir distancias se emplean condensadores de diseño
especial, y para detectar la luz se utilizan fotocélulas
(véase Célula fotoeléctrica). Para medir velocidades,
aceleraciones o flujos de líquidos se recurre a otro tipo de
dispositivos. En la mayoría de los casos, la señal eléctrica
es débil y debe ser amplificada por un circuito electrónico.
4 CIRCUITOS DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
La mayoría de los equipos electrónicos requieren tensiones de
c.c. para su funcionamiento. Estas tensiones pueden ser
suministradas por baterías o por fuentes de alimentación
internas que convierten la corriente alterna, que se puede
obtener de la red eléctrica que llega a cada vivienda, en
tensiones reguladas de c.c. El primer elemento de una fuente
de alimentación de c.c. interna es el transformador, que eleva
o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado para el
funcionamiento del equipo. La función secundaria del
transformador es servir como aislamiento de masa (conexión a
tierra) eléctrica del dispositivo a fin de reducir posibles
peligros de electrocución. A continuación del transformador se
sitúa un rectificador, que suele ser un diodo. En el pasado se
utilizaban diodos de vacío y una amplia variedad de diferentes
materiales (cristales de germanio o sulfato de cadmio) en los
rectificadores de baja potencia empleados en los equipos
electrónicos. En la actualidad se emplean casi exclusivamente
rectificadores de silicio debido a su bajo coste y alta
fiabilidad.
Las fluctuaciones y ondulaciones superpuestas a la tensión de
c.c. rectificada (percibidas como un zumbido en los
amplificadores de sonido defectuosos) pueden filtrarse
mediante un condensador. Cuanto más grande sea el condensador,
menor será el nivel de fluctuación de la tensión. Es posible
alcanzar un control más exacto sobre los niveles y
fluctuaciones de tensión mediante un regulador de tensión, que
también consigue que las tensiones internas sean
independientes de las fluctuaciones que se puedan encontrar en
un artefacto eléctrico. Un sencillo regulador de tensión que
se utiliza a menudo es el diodo de Zener, formado por un diodo
de unión pn de estado sólido que actúa como aislante hasta una
tensión predeterminada. Por encima de dicha tensión, se
convierte en un conductor que deriva los excesos de tensión.
Por lo general, los reguladores de tensión más sofisticados se
construyen como circuitos integrados.
5 CIRCUITOS AMPLIFICADORES
Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para
aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal.
Los amplificadores lineales incrementan la señal sin
distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que
la salida es proporcional a la entrada. Los amplificadores no
lineales permiten generar un cambio considerable en la forma
de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan
para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales
se emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de
alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y
demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la
amplitud. Aunque los tubos de vacío tuvieron gran importancia
en los amplificadores, hoy día se suelen utilizar circuitos de
transistores discretos o circuitos integrados.
5.1 Amplificadores de sonido
Los amplificadores de sonido, de uso común en radios,
televisiones y grabadoras de cintas, suelen funcionar a
frecuencias inferiores a los 20 kilohercios (1 kHz = 1.000
ciclos por segundo). Amplifican la señal eléctrica que, a
continuación, se convierte en sonido con un altavoz. Los
amplificadores operativos, incorporados en circuitos
integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos
acoplados a la corriente continua, son muy populares como
amplificadores de sonido.
5.2 Amplificadores de vídeo
Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para
señales con un rango de frecuencias de hasta 6 megahercios (1
MHz = 1 millón de ciclos por segundo). La señal generada por
el amplificador se convierte en la información visual que
aparece en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal
regula el brillo de los puntos que forman la imagen. Para
realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar
en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las
señales, con baja distorsión. Véase Grabación de vídeo.
5.3 Amplificadores de radiofrecuencia
Estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los
sistemas de comunicaciones de radio o televisión. Por lo
general, sus frecuencias van desde 100 kHz hasta 1 gigahercio
(1 GHz = 1.000 millones de ciclos por segundo), y pueden
llegar incluso al rango de frecuencias de microondas.
6 OSCILADORES
Los osciladores constan de un amplificador y de algún tipo de
retroalimentación: la señal de salida se reconduce a la
entrada del amplificador. Los elementos determinantes de la
frecuencia pueden ser un circuito de inductancia-capacitancia
sintonizado o un cristal vibrador. Los osciladores controlados
por cristal ofrecen mayor precisión y estabilidad. Los
osciladores se emplean para producir señales de sonido y de
radio con una amplia variedad de usos. Por ejemplo, los
osciladores sencillos de radiofrecuencia se emplean en los
teléfonos modernos de botones para transmitir datos a la
estación telefónica central al marcar un número. Los tonos de
sonido generados por los osciladores también se pueden
encontrar en relojes despertadores, radios, instrumentos
electrónicos, computadoras y sistemas de alarma. Los
osciladores de alta frecuencia se emplean en equipos de
comunicaciones para controlar las funciones de sintonización y
detección de señales. Las emisoras de radio y de televisión
utilizan osciladores de alta frecuencia y de gran precisión
para generar las frecuencias de transmisión.
7 CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN Y TEMPORIZACIÓN
Los circuitos de conmutación y temporización, o circuitos
lógicos, forman la base de cualquier dispositivo en el que se
tengan que seleccionar o combinar señales de manera
controlada. Entre los campos de aplicación de estos circuitos
se pueden mencionar la conmutación telefónica, las
transmisiones por satélite y el funcionamiento de las
computadoras digitales.
La lógica digital es un proceso racional para adoptar
sencillas decisiones de “verdadero” o “falso” basadas en las
reglas del álgebra de Boole. Verdadero puede estar
representado por un 1, y falso por un 0, y en los circuitos
lógicos estos numerales aparecen como señales de dos tensiones
diferentes. Los circuitos lógicos se utilizan para adoptar
decisiones específicas de “verdadero-falso” sobre la base de
la presencia de múltiples señales “verdadero-falso” en las
entradas. Las señales se pueden generar por conmutadores
mecánicos o por transductores de estado sólido. La señal de
entrada, una vez aceptada y acondicionada (para eliminar las
señales eléctricas indeseadas, o ruidos), es procesada por los
circuitos lógicos digitales. Las diversas familias de
dispositivos lógicos digitales, por lo general circuitos
integrados, ejecutan una variedad de funciones lógicas a
través de las llamadas puertas lógicas, como las puertas OR,
AND y NOT y combinaciones de las mismas (como NOR, que incluye
a OR y a NOT). Otra familia lógica muy utilizada es la lógica
transistor-transistor. También se emplea la lógica de
semiconductor complementario de óxido metálico, que ejecuta
funciones similares a niveles de potencia muy bajos pero a
velocidades de funcionamiento ligeramente inferiores. Existen
también muchas otras variedades de circuitos lógicos,
incluyendo la hoy obsoleta lógica reóstato-transistor y la
lógica de acoplamiento por emisor, utilizada para sistemas de
muy altas velocidades.
Los bloques elementales de un dispositivo lógico se denominan
puertas lógicas digitales. Una puerta Y (AND) tiene dos o más
entradas y una única salida. La salida de una puerta Y es
verdadera sólo si todas las entradas son verdaderas. Una
puerta O (OR) tiene dos o más entradas y una sola salida. La
salida de una puerta O es verdadera si cualquiera de las
entradas es verdadera, y es falsa si todas las entradas son
falsas. Una puerta INVERSORA (INVERTER) tiene una única
entrada y una única salida, y puede convertir una señal
verdadera en falsa, efectuando de esta manera la función
negación (NOT). A partir de las puertas elementales se pueden
construir circuitos lógicos más complicados, entre los que
cabe mencionar los circuitos biestables (también llamados flip-flops,
que son interruptores binarios), contadores, comparadores,
sumadores, y combinaciones más complejas.
En general, para ejecutar una determinada función es necesario
conectar grandes cantidades de elementos lógicos en circuitos
complejos. En algunos casos se utilizan microprocesadores para
efectuar muchas de las funciones de conmutación y
temporización de los elementos lógicos individuales. Los
procesadores están específicamente programados con
instrucciones individuales para ejecutar una determinada tarea
o tareas. Una de las ventajas de los microprocesadores es que
permiten realizar diferentes funciones lógicas, dependiendo de
las instrucciones de programación almacenadas. La desventaja
de los microprocesadores es que normalmente funcionan de
manera secuencial, lo que podría resultar demasiado lento para
algunas aplicaciones. En tales casos se emplean circuitos
lógicos especialmente diseñados.
8 AVANCES RECIENTES
El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los
campos de las comunicaciones, la gestión de la información y
la informática. Los circuitos integrados han permitido reducir
el tamaño de los dispositivos con el consiguiente descenso de
los costes de fabricación y de mantenimiento de los sistemas.
Al mismo tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los
relojes digitales, las computadoras portátiles y los juegos
electrónicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro
avance importante es la digitalización de las señales de
sonido, proceso en el cual la frecuencia y la amplitud de una
señal de sonido se codifica digitalmente mediante técnicas de
muestreo adecuadas, es decir, técnicas para medir la amplitud
de la señal a intervalos muy cortos. La música grabada de
forma digital, como la de los discos compactos, se caracteriza
por una fidelidad que no era posible alcanzar con los métodos
de grabación directa.
La electrónica médica ha progresado desde la tomografía axial
computerizada (TAC) hasta llegar a sistemas que pueden
diferenciar aún más los órganos del cuerpo humano. Se han
desarrollado asimismo dispositivos que permiten ver los vasos
sanguíneos y el sistema respiratorio. También la alta
definición promete sustituir a numerosos procesos fotográficos
al eliminar la necesidad de utilizar plata.
La investigación actual dirigida a aumentar la velocidad y
capacidad de las computadoras se centra sobre todo en la
mejora de la tecnología de los circuitos integrados y en el
desarrollo de componentes de conmutación aún más rápidos. Se
han construido circuitos integrados a gran escala que
contienen varios millones de componentes en un solo chip. Se
han llegado a fabricar computadoras que alcanzan altísimas
velocidades en las cuales los semiconductores son reemplazados
por circuitos superconductores que utilizan las uniones de
Josephson (véase Efecto Josephson) y que funcionan a
temperaturas próximas al cero absoluto.
