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 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 de circuitos
electrónicos para resolver
problemas prácticos forman 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:
Circuito
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 tríodo 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 Tríodo,
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 Tríodo 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 mitos más extendidos.
El transistor tiene tres terminales (el emisor, la base y el colector) y se
asemeja a un tríodo: 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 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:
Electrónica de control
Telecomunicaciones
Electrónica de potencia
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 u 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 termo couple, 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 pre programado 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
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
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
Analógicos
Digitales
Mixtos Periódico
Transitorio
Permanente De corriente
continúa
De corriente alterna
Mixtos Serie
Paralelo
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. Micro controlador: 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 configurarse para medir energía activa
(consumida) o energía reactiva.
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