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Qué es la electrónica?




Enviado por luis.ernesto




    1.
    Introducción

    2.
    Antecedentes
    históricos


    4.
    Circuitos electrónicos de uso
    frecuente

    5. Amplificadores de
    sonido

    6. Circuitos
    Lógicos

    7. Avances recientes

    1. Introducción

    La electrónica es el 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, almacenamiento de
    información, entre otros. Esta información puede consistir en voz o
    música
    como en un receptor de radio, en una
    imagen en una
    pantalla de televisión, o en números u otros
    datos en un
    ordenador o computadora.

    Los circuitos
    electrónicos ofrecen diferentes funciones para
    procesar esta información, incluyendo la
    amplificación de señales débiles hasta un
    nivel que se pueda utilizar; el generar 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 introducir 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 pudieron amplificarse 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 ponentes se clasifican
    en dos categorías: activos o
    pasivos. Entre los pasivos se incluyen las resistencias,
    los condensadores
    y las bobinas. Los considerados activos incluyen
    las baterías (o pilas), los
    generadores, los tubos de vacío y los transistores.

    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
    (CA) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la
    conversión de corriente alterna
    a corriente continua (CC) .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
    pueden llegar al ánodo. Este tipo de tubo, denominado
    triodo, puede utilizarse 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.

    Transistores

    Los transistores se componen de semiconductores. Se
    trata de materiales,
    como el silicio o el germanio, dopados (s decir, se les han
    incrustado pequeñas cantidades de materias extrañas
    con reacciones químicas), de manera que se produce una
    abundancia o unacarencia 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
    puede producirse 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 casi
    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 puede utilizarse 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 de 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 manera
    similar al empleado en el control de
    rejilla de un tubo de vacío. Los transistores de efecto de
    campo funcionan de forma más eficaz que los bipolares, ya
    que es posible controlar una señal grande con una cantidad
    de energía muy pequeña.

    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.

    Resistencias

    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. Las resistencia 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. A las resistencias
    variables se
    le llaman reóstatos o potenciometros, con un brazo de
    contacto deslizante y ajustable, suelen utilizarse para controlar
    el volumen de radios
    y televisiones.

    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
    puede utilizarse, 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.

    Bobinas

    Las bobinas (también llamadas inductores)
    consisten en un hilo conductor enrollado. 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. Al igual que un
    condensador, una bobina puede utilizarse para diferenciar entre
    señales rápida y lentamente cambiantes (altas y
    bajas frecuencias). Al utilizar una bobina conjuntamente con un
    condensador, la tensión de la bobina 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.

    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
    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.

    4. Circuitos
    electrónicos de uso frecuente

    Circuitos de alimentación
    eléctrica (Fuentes)

    La mayoría de los equipos electrónicos
    requieren tensiones de CC para su funcionamiento. Estas tensiones
    pueden ser suministradas por baterías o por fuentes de
    alimentación internas que convierten la corriente alterna,
    que puede obtenerse de la red eléctrica que
    llega a cada vivienda, en tensiones reguladas de CC. El primer
    elemento de una fuente de alimentación de CC 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 CC 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 puedan encontrarse 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.

    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 suelen utilizarse circuitos de transistores discretos
    o circuitos integrados.

    5. Amplificadores de
    sonido

    Los amplificadores de sonido, de uso común en
    radios, televisiones y grabadoras de cintas, suelen funcionar a
    frecuencias entre 2 y 20 kiloherz (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.

    Amplificadores de vídeo

    Los amplificadores de vídeo se utilizan
    principalmente para señales con un rango de frecuencias de
    hasta 6 megaherz (1 MHz = 1 millón de ciclos por segundo).
    La señal generada por el amplificador se convierte en la
    información visual por ejemplo la 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.

    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 gigaherz (1 GHz = 1.000
    millones de ciclos por segundo), y pueden llegar incluso al rango
    de frecuencias de microondas.

    Osciladores

    Los osciladores constan de un amplificador y de
    algún tipo de realimentación: 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 en una amplia
    variedad de usos. Por ejemplo, los osciladores sencillos de
    radiofrecuencia se emplean en los modernos teléfonos de
    teclas para transmitir datos a la
    estación telefónica central al marcar un
    número. Los tonos de sonido generados por los osciladores
    también pueden encontrarse 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.

    6. Circuitos Lógicos

    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 tipos de circuitos pueden mencionarse
    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. El estado
    verdadero se 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 pueden construirse circuitos lógicos
    más complicados, entre los que pueden mencionarse 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.

    7. 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 a llegado hasta 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 centenares de miles de componentes en un solo
    chip. Han llegado a fabricarse computadoras que alcanzan
    altísimas velocidades en las cuales los semiconductores
    son reemplazados por circuitos superconductores que utilizan las
    uniones de Josephson y que funcionan a temperaturas cercanas al
    cero absoluto.

     

     

    Autor:

    codetel

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