ELECTRÓNICA
Para otros
usos de este término, véase Electrónica (desambiguación).
Detalle de
un circuito integradoSMD.
Circuito
electrónico sobre una placa para prototipos o protoboard
La electrónica es
la rama de la física y especialización de la ingeniería, que
estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el
control del flujo microscópico de los electrones u otras partículas
cargadas eléctricamente.
Utiliza una
gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde
los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y
la gran construcción decircuitos electrónicos para resolver problemas
prácticos forma parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería
electrónica, electromecánica y la informática en el diseño
de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos
semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la física, más concretamente
en la rama de ingeniería de materiales.
Historia
Se considera que la electrónica comenzó con el diodo de
vacío inventado por John Ambrose Fleming en 1904. El
funcionamiento de este dispositivo está basado en el efecto Edison. Edison fue
el primero que observó en 1883 la
emisión termoiónica,
al colocar una lámina dentro de una bombilla para
evitar el ennegrecimiento que producía en la ampolla de vidrio el filamento de carbón.
Cuando se polarizaba positivamente la lámina metálica respecto al filamento, se
producía una pequeña corriente entre el filamento y la lámina. Este hecho se
producía porque los electrones de
los átomos del
filamento, al recibir una gran cantidad de energía en
forma de calor,
escapaban de la atracción del núcleo (emisión termoiónica) y, atravesando el
espacio vacío dentro de la bombilla, eran atraídos por la polaridad positiva de
la lámina.
El otro gran
paso lo dio Lee De Forest cuando
inventó el triodo en 1906.
Este dispositivo es básicamente como el diodo de vacío, pero se le añadió una
rejilla de control situada entre el cátodo y
la placa, con el objeto de modificar la nube electrónica del cátodo, variando
así la corriente de placa. Este fue un paso muy importante para la fabricación
de los primeros amplificadores de
sonido, receptores de radio,televisores,
etc.
Lee De Forest
es considerado el Padre de la electrónica, ya que antes del Triodo, solo nos
limitábamos a convertir la corriente alterna en corriente directa o continua, o
sea, solo se construían las fuentes de Alimentación, pero con la creación del
Triodo de Vacío, vino la Amplificación de todo tipo de señales, sobre todo la
de Audio, la Radio, la TV y todo lo demás, esto hizo que la industria de estos
equipos tuvieran un repunte tan grande que ya para las décadas superiores al
1930 se acuñara la palabra por primera vez de "Electrónica" para
referirse a la tecnología de estos equipos emergentes.
Conforme
pasaba el tiempo, las válvulas de vacío se
fueron perfeccionando y mejorando, apareciendo otros tipos, como los tetrodos (válvulas
de cuatro electrodos), los pentodos (cinco
electrodos), otras válvulas para aplicaciones de alta potencia, etc. Dentro de
los perfeccionamientos de las válvulas se encontraba su miniaturización.
Pero fue
definitivamente con el transistor,
aparecido de la mano de Bardeen y Brattain,
de la Bell Telephone
Company, en 1948,
cuando se permitió aún una mayor miniaturización de aparatos tales como las
radios. El transistor de
unión apareció algo más tarde, en 1949.
Este es el dispositivo utilizado actualmente para la mayoría de las
aplicaciones de la electrónica. Sus ventajas respecto a las válvulas son
entre otras: menor tamaño y fragilidad, mayor rendimiento energético, menores
tensiones de alimentación, etc. El transistor no funciona en vacío como las
válvulas, sino en un estado sólido semiconductor(silicio),
razón por la que no necesita centenares de voltios de tensión para funcionar.
A pesar de la
expansión de los semiconductores, todavía se siguen utilizando las válvulas en
pequeños círculos audiófilos,
porque constituyen uno de sus mitos1 más
extendidos.
El transistor
tiene tres terminales (el emisor, la base y el colector) y se asemeja a un triodo:
la base sería la rejilla de control, el emisor el cátodo, y el colector la
placa. Polarizando adecuadamente estos tres terminales se consigue controlar
una gran corriente de colector a partir de una pequeña corriente de base.
En 1958 se
desarrolló el primer circuito integrado,
que alojaba seis transistores en un único chip. En 1970 se
desarrolló el primer microprocesador, Intel 4004.
En la actualidad, los campos de desarrollo de la electrónica son tan vastos que
se ha dividido en varias disciplinas especializadas. La mayor división es la
que distingue la electrónica
analógica de la electrónica
digital.
La electrónica es,
por tanto, una de las ramas de la ingeniería con mayor proyección en el futuro,
junto con la informática.
Aplicaciones
de la electrónica
La electrónica
desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos
de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, la distribución de información,
la conversión y la distribución de la energía eléctrica.
Estos dos usos implican la creación o la detección de campos
electromagnéticos y corrientes
eléctricas. Entonces se puede decir que la electrónica abarca en
general las siguientes áreas de aplicación:
- Sistemas electrónicos
Un sistema
electrónico es un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para obtener
un resultado. Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en
dividirlos en las siguientes partes:
- Entradas o Inputs – Sensores (o transductores)
electrónicos o mecánicos que toman las señales (en forma de temperatura,
presión, etc.) del mundo físico y las convierten en señales de corriente o
voltaje. Ejemplo: El termopar, la foto resistencia para medir la
intensidad de la luz,
etc.
- Circuitos de procesamiento
de señales – Consisten en artefactos electrónicos
conectados juntos para manipular, interpretar y transformar las señales de
voltaje y corriente provenientes de los transductores.
- Salidas o Outputs – Actuadores u
otros dispositivos (también transductores) que convierten las señales de
corriente o voltaje en señales físicamente útiles. Por ejemplo:
un display que nos registre la temperatura, un foco o sistema de
luces que se encienda automáticamente cuando esté oscureciendo.
Básicamente
son tres etapas: La primera (transductor), la segunda (circuito procesador) y
la tercera (circuito actuador).
Como ejemplo supongamos un televisor.
Su entrada es una señal de difusión recibida por una antena o
por un cable. Los circuitos de procesado de señales del interior del televisor
extraen la información sobre el brillo,
el color y
el sonido de
esta señal. Los dispositivos de salida son un tubo de rayos
catódicos o monitor LCD que convierte las señales electrónicas
en imágenes visibles
en una pantalla y unos altavoces. Otro ejemplo puede ser el de un circuito que
ponga de manifiesto la temperatura de un proceso, el transductor puede ser un
termocouple, el circuito de procesamiento se encarga de convertir la señal de
entrada en un nivel de voltaje (comparador de voltaje o de ventana) en un nivel
apropiado y mandar la información decodificándola a un display donde
nos dé la temperatura real y si esta excede un límite preprogramado activar un
sistema de alarma (circuito actuador) para tomar las medida pertinentes.
Señales
electrónicas
Es la
representación de un fenómeno físico o estado material a través de una relación
establecida; las entradas y salidas de un sistema electrónico serán señales
variables.
En electrónica
se trabaja con variables que
toman la forma de Tensión o corriente estas
se pueden denominar comúnmente señales.Las señales primordialmente pueden ser
de dos tipos:
- Variable
analógica–Son aquellas que pueden tomar un número infinito de
valores comprendidos entre dos límites. La mayoría de los fenómenos de la
vida real dan señales de este tipo. (presión, temperatura, etc.)
- Variable
digital– También llamadas variables discretas, entendiéndose
por estas, las variables que pueden tomar un número finito de valores. Por
ser de fácil realización los componentes físicos con dos estados
diferenciados, es este el número de valores utilizado para dichas
variables, que por lo tanto son binarias. Siendo estas variables más
fáciles de tratar (en lógica serían los valores V y F) son los que
generalmente se utilizan para relacionar varias variables entre sí y con
sus estados anteriores
- Tensión
Es la diferencia de
potencial generada entre los extremos de un componente o
dispositivo eléctrico. También podemos decir que es la energía capaz de poner
en movimiento los electrones libres de un conductor o semiconductor. La unidad
de este parámetro es el voltio (V).
Existen dos tipos de tensión: la continua y la alterna.
- Voltaje
continuo (VDC) –Es aquel que tiene una polaridad definida,
como la que proporcionan las pilas, baterías y fuentes de alimentación.
- Voltaje
Alterno (VAC) .- –Es aquel cuya polaridad va cambiando o
alternando con el transcurso del tiempo. Las fuentes de voltaje alterno
más comunes son los generadores y las redes de energía doméstica
- Corriente eléctrica
Artículo
principal: Corriente
eléctrica.
También
denominada intensidad, es el flujo de electrones libres a través de un
conductor o semiconductor en un sentido. La unidad de medida de este parámetro
es el amperio (A).
Al igual que existen tensiones continuas o alternas, las intensidades también
pueden ser continuas o alternas, dependiendo del tipo de tensión que se utiliza
para generar estos flujos de corriente.
Resistencia
Artículo
principal: Resistencia
eléctrica.
Es la
propiedad física mediante la cual todos los materiales tienden a oponerse al
flujo de la corriente. La unidad de este parámetro es el Ohmio (Ω). No debe
confundirse con el componente resistor.
La propiedad inversa es la conductancia
eléctrica.
Circuitos
electrónicos
Se denomina circuito
electrónico a una serie de elementos o componentes eléctricos
(tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes) o
electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar,
transportar o modificar señales electrónicas. Los circuitos electrónicos o
eléctricos se pueden clasificar de varias maneras:
Por el tipo
de información
|
Por el tipo
de régimen
|
Por el tipo
de señal
|
Por su
configuración
|
|
Mixtos
|
Permanente
|
Mixtos
|
Mixtos
|
Componentes
Para la síntesis de
circuitos electrónicos se utilizan componentes electrónicos e instrumentos
electrónicos. A continuación se presenta una lista de los
componentes e instrumentos más importantes en la electrónica, seguidos de su
uso más común:
- Altavoz:
reproducción de sonido.
- Cable:
conducción de la electricidad.
- Conmutador:
reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más.
- Interruptor:
apertura o cierre de circuitos, manualmente.
- Pila:
generador de energía eléctrica.
- Transductor:
transformación de una magnitud física en una eléctrica (ver enlace).
- Visualizador:
muestra de datos o imágenes.
- Dispositivos
analógicos (algunos ejemplos)
- Amplificador
operacional: amplificación, regulación, conversión de señal,
conmutación.
- condensador:
almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancias.
- Diodo:
rectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión.
- Diodo Zener:
regulación de tensiones.
- Inductor:
adaptación de impedancias.
- Potenciómetro:
variación de la corriente eléctrica o la tensión.
- Relé:
apertura o cierre de circuitos mediante señales de control.
- Resistor o
Resistencia: división de intensidad o tensión, limitación de
intensidad.
- Transistor:
amplificación, conmutación.
- Dispositivos
digitales
- Biestable:
control de sistemas
secuenciales.
- Memoria:
almacenamiento digital de
datos.
- Microcontrolador:
control de sistemas
digitales.
- Puerta lógica:
control de sistemas
combinacionales.
- Dispositivos de
potencia
- DIAC:
control de potencia.
- Fusible:
protección contra sobre-intensidades.
- Tiristor:
control de potencia.
- Transformador:
elevar o disminuir tensiones, intensidades, e impedancia aparente.
- Triac:
control de potencia.
- Varistor:
protección contra sobre-tensiones.
- Equipos de medición
Los equipos de
medición de electrónica se utilizan para crear estímulos y medir el
comportamiento de los Dispositivos Bajo Prueba (DUT por sus siglas en
inglés).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 término entre las uniones. El termistor es una
resistencia especial, cuyo valor de 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. Para medir velocidades, aceleración 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. A continuación presentamos una lista de los más equipos de
medición más importantes:
- Galvanómetro:
mide el cambio de una determinada magnitud, como la intensidad de
corriente o tensión (o voltaje). Se utiliza en la construcción de
Amperímetros y Voltímetros analógicos.
- Amperímetro y pinza
amperimétrica: miden la intensidad de corriente
eléctrica.
- Óhmetro o puente de
Wheatstone: miden la resistencia
eléctrica. Cuando la resistencia eléctrica es muy alta (sobre
los 1 M-ohm) se utiliza un megóhmetro o
medidor de aislamiento.
- Voltímetro:
mide la tensión.
- Multímetro o
polímetro: mide las tres magnitudes citadas arriba, además de continuidad
eléctrica y el valor B de los transistores (tanto
PNP como NPN).
- Vatímetro:
mide la potencia
eléctrica. Está compuesto de un amperímetro y un voltímetro.
Dependiendo de la configuración de conexión puede entregar distintas
mediciones de potencia eléctrica, como la potencia
activa o la potencia
reactiva.
- Osciloscopio:
miden el cambio de la corriente y el voltaje respecto al tiempo.
- Analizador
lógico: prueba circuitos
digitales.
- Analizador de
espectro: mide la energía espectral de las señales.
- Analizador
vectorial de señales: como el analizador espectral pero con más
funciones de demodulación digital.
- Electrómetro:
mide la carga
eléctrica.
- Frecuencímetro o contador de
frecuencia: mide la frecuencia.
- Reflectómetro
de dominio de tiempo (TDR): prueba la integridad de cables
largos.
- Capacímetro:
mide la capacidad
eléctrica o capacitancia.
- Contador
eléctrico: mide la energía
eléctrica. Al igual que el vatímetro, puede cofigurarse para
medir energía activa (consumida) o energía reactiva.
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