Cómo organizar una sociedad de millones de electrones

Funcionamiento básico de los componentes electrónicos

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Índice

1.Los circuitos eléctricos. Voltaje, intensidad y resistencia
- 1.1.Los circuitos
- 1.2.Voltaje, intensidad y resistencia
  - 1.2.1.Relación entre voltaje, intensidad y resistencia: ley de Ohm
- 1.3.Fuentes de voltaje
- 1.4.Componentes en serie y en paralelo
- 1.5.Materiales semiconductores
2.Componentes electrónicos
- 2.1.Resistencias
  - 2.1.1.Efecto Joule
  - 2.1.2.Resistencia variable
- 2.2.El condensador
  - 2.2.1.Respuesta de un condensador al abrir o cerrar el circuito
- 2.3.La bobina
  - 2.3.1.Respuesta de una bobina al cerrar o abrir el circuito
- 2.4.El transformador
- 2.5.El diodo
- 2.6.El triodo de vacío
- 2.7.El transistor
3.Electrónica digital
- 3.1.Señales analógicas y digitales
- 3.2.Álgebra de Boole
- 3.3.Puertas lógicas
Actividades
Ejercicios de autoevaluación

1.Los circuitos eléctricos. Voltaje, intensidad y resistencia

En este módulo nos introduciremos en el mundo de la electrónica. A finales del siglo XIX, se logró manipular la corriente eléctrica hasta obtener importantes aplicaciones técnicas como las bombillas o los motores eléctricos. Hoy día, los avances tecnológicos vienen marcados por una manipulación más fina de la corriente eléctrica: la electrónica. Los motores eléctricos y las resistencias de las bombillas utilizan las corrientes eléctricas "en masa", para obtener calor, luz o movimiento. Los dispositivos electrónicos permiten manipular los electrones a una escala mucho menor, de modo que lo importante ya no es la cantidad de calor, luz o movimiento que se puede obtener a partir de la energía eléctrica de la corriente, sino la capacidad de manipular pequeñas corrientes con el fin de obtener aplicaciones más complejas.

En los circuitos electrónicos, los electrones forman una especie de sociedad microscópica cuyo complejo tráfico se regula mediante dispositivos electrónicos con funciones muy específicas que amplifican la corriente, transforman la corriente alterna en continua o controlan el paso y la interrupción de la misma.

En este apartado estudiaremos los fundamentos de los circuitos.

1.1.Los circuitos

Un circuito eléctrico es un conjunto de componentes eléctricos conectados entre sí mediante un material conductor y una fuente de energía eléctrica que provoca el movimiento de los electrones.

El material que une los diferentes elementos del circuito debe ser un buen conductor eléctrico, con el fin de que los electrones se puedan mover libremente en su interior. Para ello, los átomos del material deben tener electrones libres en los orbitales más exteriores que puedan pasar con facilidad de un átomo a otro.

El hilo de cobre es el conductor más utilizado para realizar circuitos eléctricos de grandes dimensiones que requieren el uso de cable. La instalación eléctrica de una casa es un ejemplo de este tipo de circuitos, en los que los componentes de los diferentes aparatos que conectamos (bombillas, electrodomésticos, etc.) están unidos mediante un cableado de hilo de cobre. Los hilos conductores están recubiertos por un material aislante, generalmente plástico.

Figura 1

En los circuitos de los ordenadores y de la mayor parte de los aparatos electrónicos, las conexiones entre los diferentes dispositivos no se realizan mediante cables, sino mediante pistas de material conductor dibujadas sobre una placa de material aislante. Estos circuitos reciben el nombre de circuitos impresos. Los circuitos impresos permite conectar multitud de componentes sin que el resultado se convierta en una maraña de cables. Las pistas constituyen diferentes caminos que conectan los componentes del circuito de una forma muy visual y ordenada, como si fueran las calles de una gran ciudad. En los circuitos impresos, todos los componentes están soldados a la placa por una sola cara, de modo que en la otra cara se pueden apreciar las pistas conductoras que unen los diferentes componentes.

Figura 2

Para que los electrones del circuito se mantengan en movimiento, es necesaria una fuente de energía eléctrica, como una pila o un generador de corriente alterna.

Se dice que el circuito está cerrado cuando la corriente eléctrica puede circular por sus componentes. Si el circuito se abre, existe una zona en la que los electrones no pueden continuar su camino y se detiene la corriente. Para regular que el circuito esté abierto o cerrado, se utilizan los interruptores.

Un circuito eléctrico es un conjunto de componentes eléctricos conectados entre sí mediante un material conductor, y una fuente de energía eléctrica que provoca el movimiento de los electrones.

1.2.Voltaje, intensidad y resistencia

En los circuitos eléctricos es necesario que los electrones estén en movimiento con el fin de que los diferentes componentes desarollen sus funciones. Como ya sabemos, los electrones son sensibles al campo eléctrico. Al igual que los objetos con masa adquieren energía potencial al estar a una cierta altura y se ponen en movimiento al caer en el campo gravitatorio, los electrones adquieren energía potencial eléctrica al estar sometidos a una diferencia de voltaje y "caen" en el campo eléctrico. El voltaje indica la energía potencial que adquieren los electrones y que provoca que se pongan en movimiento.

Podemos imaginar un circuito eléctrico como un circuito hidráulico de tuberías. Las tuberías corresponderían al hilo conductor. Desde la fuente de potencial hasta el primer componente eléctrico, el potencial es constante, lo cual sería análogo a que la tubería no tuviera ninguna inclinación hasta llegar al primer componente del circuito. El voltaje entre los extremos de un componente del circuito equivaldría a la diferencia de energía potencial entre los extremos de un componente del circuito hidráulico, es decir, la diferencia de altura de sus extremos que provoca la caída del agua. En un circuito hidráulico, la bomba se encarga de subir el agua hasta la altura máxima, de modo que pueda caer por los diferentes componentes. En un circuito eléctrico, la fuente de voltaje realiza este papel, comunicando a los electrones la energía necesaria para que "asciendan" hasta el valor de voltaje más alto que proporciona la pila. El voltaje se mide en voltios (V) mediante un voltímetro.

La intensidad de la corriente es la cantidad de carga que pasa por una determinada sección del conductor por unidad de tiempo. Sería equivalente al caudal de agua del circuito hidráulico, es decir, si pasa más agua hay más caudal, del mismo modo que si pasan más electrones hay más intensidad de corriente. La intensidad se mide en amperios (A) mediante un amperímetro.

Al igual que en un circuito hidráulico existen zonas en las que el agua se mueve con mayor facilidad y rapidez, dependiendo de la anchura de las tuberías y de los obstáculos con que se encuentre el agua, los diferentes materiales conductores del circuito presentan secciones y propiedades diferentes que dificultan en mayor o menor medida el paso de la corriente. La resistencia eléctrica es una medida de la facilidad con que pueden moverse los electrones por el interior de un material conductor. Si la resistencia es infinita, el material es aislante, es decir, no permite el paso de la corriente eléctrica. La resistencia se mide en ohmios (Ω).

1.2.1.Relación entre voltaje, intensidad y resistencia: ley de Ohm

Continuando con la analogía del circuito hidráulico, para una misma pendiente, cuanto más difícil sea el paso del agua por una zona determinada, menor será el caudal del río en esa zona. Del mismo modo, cuanto mayor sea la resistencia en una zona del circuito, menor será la intensidad de corriente que circulará.

Esta relación se puede expresar mediante la ley de Ohm, expresión matemática que relaciona las tres magnitudes

$V = I \cdot R 6.1$

donde V es el voltaje, I es la intensidad, y R es la resistencia.

Esta relación es válida en los componentes electrónicos llamados resistencias, que tienen como objetivo ofrecer una cierta resistencia al paso de la corriente, pero deja de ser válida en muchos componentes como bobinas, condensadores, etc., en los cuales la relación es mucho más complicada y puede variar con el tiempo.

Siempre que se cierra un circuito se da una cierta resistencia, al menos la del hilo conductor. Sin embargo, la resistencia del hilo conductor es muy pequeña y, por lo tanto, la intensidad que circula por éste, si no hay ningún otro componente, es muy grande. Cuando esto sucede en algún lugar del circuito, de modo que no existe ninguna resistencia que reduzca la intensidad para un mismo voltaje, se dice que se ha producido un cortocircuito. En el caso de un circuito conectado a una pila o a una batería de pequeño voltaje, un cortocircuito puede agotarla de forma inmediata. En el caso de un circuito como el circuito eléctrico del hogar, de mayor voltaje, un cortocircuito puede ocasionar tanta intensidad en el cable conductor que éste se puede fundir.

1.3.Fuentes de voltaje

En los circuitos eléctricos, las fuentes de voltaje hacen un papel análogo al de las bombas hidráulicas en los circuitos hidráulicos: "suben" a los electrones hasta el punto más alto de potencial para que vuelvan a "caer" por todo el circuito. Las fuentes de voltaje suministran energía a los electrones para que mantengan su movimiento por el circuito.

Las fuentes pueden generar corriente continua, con los electrones moviéndose siempre en el mismo sentido, o bien corriente alterna, con los electrones en movimiento oscilatorio.

Las pilas generan corriente continua de unos pocos voltios. Uno de los extremos de la pila consiste en una barra de material cargado positivamente (generalmente, una barra de grafito) y tiene un déficit de electrones (ánodo), mientras que la carcasa de la pila (generalmente, de zinc) está cargada negativamente y tiene un exceso de electrones (cátodo). Al poner en contacto los dos extremos mediante un cable conductor, se genera una corriente de electrones del cátodo hacia el ánodo. Esta corriente es suficiente para mantener en funcionamiento algunos circuitos eléctricos de poco consumo.

Figura 3

Figura 4

Los primeros circuitos eléctricos fueron de corriente continua, alimentados mediante pilas químicas. Debido a las grandes pérdidas que tienen lugar en el transporte de este tipo de corriente, el generador de voltaje siempre estaba cerca de la instalación. Hoy día, los generadores de las centrales eléctricas proporcionan corriente alterna, la cual se transmite con pérdidas mucho menores a través de largas distancias.

En las centrales eléctricas, la electricidad se produce al hacer girar una bobina entre los polos de un gran imán gracias a la presión del agua, ya sea directamente en una caída de agua de un embalse en una central hidroeléctrica, ya sea del vapor del agua calentada en una central térmica o nuclear. Al girar la bobina, el campo magnético que atraviesa sus espiras varía en el tiempo, lo que induce un voltaje alterno en la bobina que se transmite por medio de la red eléctrica. El voltaje de la red eléctrica es de 220 voltios, y hace oscilar a los electrones cincuenta veces por segundo. Al oscilar, el movimiento de los electrones se transmite en forma de onda a lo largo de los cables conductores.

Figura 5

Las fuentes de voltaje suministran energía a los electrones para que mantengan su movimiento por el circuito.

Las fuentes pueden generar corriente continua, en la que los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, o bien corriente alterna, en la que los electrones tienen un movimiento oscilatorio.

1.4.Componentes en serie y en paralelo

Los elementos de un circuito pueden estar conectados en serie, si el paso de la corriente en un elemento va precedido por el paso de la corriente en el otro elemento; o en paralelo, si el paso de la corriente por un elemento no está supeditado al paso de la corriente por el otro elemento.

Figura 6

Los elementos de un circuito pueden estar conectados en serie, si el paso de la corriente a un elemento va precedido por el paso de la corriente al otro elemento; o en paralelo, si el paso de la corriente por un elemento no está supeditado al paso de la corriente por el otro elemento.

1.5.Materiales semiconductores

Gran parte de la electrónica actual se basa en componentes fabricados a partir de materiales semiconductores, como por ejemplo, el silicio o el germanio. Existen dos tipos de semiconductores: los semiconductores tipo N y los semiconductores tipo P.

Para entender el comportamiento de los materiales semiconductores, hay que comprender cómo se comportan conjuntamente todos los átomos del material. No basta con mirar si cada uno de los átomos puede tener electrones poco ligados, como en el caso de los conductores convencionales.

De un modo parecido a la manera en que los electrones de un átomo se encuentran a diferentes "alturas" respecto al núcleo, el conjunto de los electrones de un material semiconductor se encuentra situado en diferentes "bandas", distintos niveles de atadura al conjunto de los núcleos. De este modo, los electrones que permiten el paso de corriente eléctrica se encuentran más o menos libres en una banda poco atada a los núcleos.

Si en la banda menos atada a los núcleos los electrones tienen suficiente "espacio" para moverse con facilidad, entonces la banda conduce la electricidad mediante el movimiento de los electrones. Un semiconductor de este tipo se denomina tipo N, ya que la corriente que circula es negativa, ya que está formada por electrones.

Figura 7

Sin embargo, la banda menos atada a los núcleos puede estar completamente repleta de electrones, sin huecos entre éstos. En este caso, el material se comportaría como un aislante.

Si la banda menos atada a los núcleos está repleta de electrones pero existen huecos entre éstos, ante una diferencia de potencial, los electrones se moverán hacia los huecos para llenarlos, pero lo que en realidad podríamos observar es el movimiento de los huecos positivos como burbujas de aire en el mar de electrones. Puesto que la corriente de los huecos se puede considerar eléctricamente positiva, un conductor de este tipo se denomina de tipo P.

Figura 8

En un semiconductor de tipo N, la corriente que circula es negativa, ya que está formada por electrones.

En un semiconductor de tipo P, la corriente que circula es positiva, ya que está formada por huecos.

2.Componentes electrónicos

Estudiaremos en este apartado los diferentes componentes que pueden formar parte de un circuito eléctronico. Éstos componentes desempeñan funciones específicas que permiten combinarlos para conseguir aplicaciones útiles del circuito.

2.1.Resistencias

Cada componente de un circuito eléctrico funciona correctamente cuando por él circula una intensidad de corriente determinada. El control de la intensidad en cada punto del circuito se lleva a cabo situando resistencias en lugares específicos del circuito. Las resistencias dificultan el paso de corriente. Cuando entre los terminales de una resistencia se aplica una diferencia de potencial, a mayor resistencia, menor será la intensidad de corriente que la atravesará.

Las resistencias dificultan el paso de corriente. Cuando entre los terminales de una resistencia se aplica una diferencia de potencial, a mayor resistencia, menor será la intensidad de corriente que la atravesará.

Valor de las resistencias

Las bandas de colores indican el valor de cada resistencia, así como el margen de error de este valor.

Figura 9

Representación del valor de las resistencias mediante el código de colores. Ved la tabla 1.

Tabla 1

Marcaje mediante franjas de colores
Resistencia = AB · 10^C ± D %	negro marrón rojo naranja amarillo verde azul violeta gris blanco plata oro	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 –2 –1	±1 ±2 ±10 ±5

Marcaje mediante franjas de colores

Color

A y B

D(%)

Resistencia = AB · 10^C ± D %

negro

marrón

rojo

naranja

amarillo

verde

azul

violeta

gris

blanco

plata

oro

–2

–1

±1

±2

±10

±5

Figura 10

2.1.1.Efecto Joule

Cuando una intensidad de corriente atraviesa una resistencia, ésta se calienta y disipa la energía eléctrica en forma de calor. En los circuitos electrónicos, esto es un efecto secundario. Sin embargo, en el circuito de un calefactor eléctrico, el papel de la resistencia es fundamental, ya que es precisamente el componente que genera calor. El aspecto de las resistencias en los circuitos de este tipo ya no es el de la fotografía, sino que la resistencia pasa a ser un componente mucho mayor.

El efecto Joule consiste en la disipación de energía en forma de calor cuando una intensidad de corriente atraviesa una resistencia.

2.1.2.Resistencia variable

Las resistencias variables permiten modificar a voluntad el valor de la resistencia del dispositivo. Se utilizan como reguladores en los circuitos en los que es necesario variar la tensión eléctrica, como por ejemplo, en los controles de volumen en un aparato de sonido o en el control de brillo o de contraste en un monitor.

Este tipo de resistencias tienen un extremo fijo y uno móvil. El extremo móvil permite variar la cantidad de material que debe atravesar la corriente de electrones antes de salir de la resistencia, con lo cual controla la resistencia total que ofrece el componente.

Figura 11

2.2.El condensador

En algunos puntos del circuito, puede ser necesario que la corriente eléctrica no fluya de modo constante, sino que se quede almacenada para ser liberada más tarde. El condensador o capacitor almacena carga eléctrica. Consiste en dos placas metálicas enfrentadas pero sin entrar en contacto, separadas por un material aislante. Cuando la corriente de electrones llega a una de las placas, los electrones se acumulan en ésta, la otra placa se carga positivamente y, en el espacio intermedio, se genera un campo eléctrico uniforme. Este campo eléctrico genera una diferencia de potencial entre ambas placas, es decir, entre las dos terminales del condensador. Mientras una de las dos placas se carga negativamente a causa del exceso de electrones, los electrones de la otra placa son expulsados, con lo cual la corriente continúa su camino por el resto del circuito hasta que el condensador almacena un número máximo de cargas.

La capacidad de almacenamiento de carga eléctrica de un condensador se denomina capacidad (C), y su unidad es el faradio (F).

Figura 12

Figura 13

Esta función de almacenamiento de la carga es el fundamento de la memoria RAM de los ordenadores. En los chips de memoria RAM, una red de condensadores cargados y descargados representa los ceros y los unos de la información digital guardada en éstos.

El condensador o capacitor almacena carga eléctrica. Consiste en dos placas metálicas enfrentadas pero sin entrar en contacto, separadas por un material aislante.

2.2.1.Respuesta de un condensador al abrir o cerrar el circuito

Cuando se cierra un circuito, es decir, cuando el interruptor se pone en la posición on, se genera una señal llamada de escalón. Esta señal es una tensión que pasa de un valor a otro de forma brusca. Si conectamos los extremos del condensador a una pila a partir de un instante dado, la corriente circulará por el circuito a partir de ese instante y podremos decir que el condensador estará sometido a una señal escalón.

Figura 14

A partir del instante t₀, el condensador se irá cargando y, por lo tanto, la tensión en los extremos del condensador irá aumentando hasta el momento en que será igual a la tensión suministrada por la pila. En este momento, la corriente dejará de circular por el circuito, ya que el voltaje del polo positivo de la pila se iguala al voltaje de la cara positiva del condensador, por lo que no existe una tensión que provoque corriente en el circuito. Si añadiésemos una bombilla en serie con el condensador, podríamos apreciar que la bombilla se enciende en el instante t₀ para luego apagarse rápidamente al desaparecer la intensidad de corriente una vez cargado el condensador.

Figura 15

Figura 16

Si, posteriormente, quitamos la pila del circuito y lo cerramos en el instante t₁ para que la corriente pueda circular por éste, la tensión en los extremos del condensador provocará una intensidad de corriente, el condensador se irá descargando y la tensión

Figura 17

La bombilla se encenderá en el instante t₁ en que se cierre el circuito, pero se apagará rápidamente al ir disminuyendo la tensión entre las dos placas del condensador.

Figura 18

La descarga de los condensadores en un aparato eléctrico es uno de los motivos por los cuales no se recomienda manipular los componentes internos del aparato, aunque éste haya sido desconectado, ya que todavía pueden existir tensiones eléctricas remanentes de condensadores no descargados.

Los condensadores requieren de un cierto tiempo tanto para cargarse como para descargarse.

2.3.La bobina

Una bobina está formada por un hilo conductor enrollado sobre un eje. Puesto que la corriente que circula por el hilo crea un campo magnético, la bobina crea en su interior un campo magnético proporcional a la intensidad de corriente y al número de espiras (vueltas) que da el hilo conductor sobre el eje. De este modo, la bobina se comporta como un imán que podemos controlar mediante la intensidad de corriente eléctrica que la atraviesa.

Figura 19

Figura 20

La bobina se comporta como un imán que podemos controlar mediante la intensidad de corriente eléctrica que la atraviesa.

En las unidades de disco duro la información se graba en el disco mediante variaciones de campo magnético generadas por una diminuta bobina situada en el extremo de un cabezal de escritura. Cuando el disco va pasando por debajo de la bobina, los imanes microscópicos que conforman la superficie se van orientando según el campo magnético de ésta.

2.3.1.Respuesta de una bobina al cerrar o abrir el circuito

Al igual que el condensador, la bobina también tiene una respuesta no inmediata cuando se le aplica una diferencia de potencial en sus extremos. Tarda un cierto intervalo de tiempo (muy reducido) en dejar pasar a los electrones libremente. Durante este tiempo, la intensidad va creciendo hasta llegar a un cierto valor máximo. Al aumentar la intensidad que circula por la bobina, la variación de la intensidad provocará una autoinducción en la bobina debida a que intensidades de corriente variables generan campos magnéticos variables y éstos, a su vez, generan corrientes en sentido contrario a las primeras. Es decir, por el hecho de poner en movimiento los electrones de la bobina, ésta ofrece una cierta resistencia a su circulación; resistencia que, sin embargo, desaparece rápidamente cuando se estabiliza la intensidad.

Una vez que los electrones pueden circular por la bobina sin problemas, la tensión en sus extremos desaparece, es decir, se da el mismo potencial eléctrico en ambos extremos y, por lo tanto, la resistencia que ofrece la bobina se vuelve nula.

Figura 21

Si abrimos el interruptor del circuito, la disminución brusca de la intensidad que circula por la bobina provoca una fuerte corriente autoinducida en sentido contrario a la corriente que circulaba por el circuito. Puesto que el circuito está abierto, esta corriente autoinducida en la bobina no puede circular, de modo que se genera una diferencia de potencial entre los extremos del interruptor. Cuando el valor de la intensidad de corriente que circulaba es suficientemente elevado, esta diferencia de potencial provoca una chispa en los extremos del interruptor o, en muchos aparatos conectados a la corriente alterna, entre el enchufe y la clavija.

2.4.El transformador

La función de un transformador en un circuito es la de transformar el voltaje de una corriente alterna.

El transformador está constituido por dos bobinas acopladas. Las bobinas están enrolladas sobre un núcleo de hierro que conduce fácilmente el campo magnético, de forma que el campo magnético creado por una de las dos bobinas atraviesa casi completamente la otra bobina.

Si hacemos variar la intensidad de corriente en una de las dos bobinas, en el denominado primario del transformador, esta intensidad variable provoca un campo magnético que induce una corriente también variable en la segunda bobina o secundario del transformador.

Los electrones de la segunda actuarán como si estuvieran sometidos a una determinada diferencia de potencial, que será mayor cuanto mayor sea el número de espiras de la bobina del secundario. De esta forma, la relación entre el número de espiras de la bobina del primario y el número de espiras del secundario determina la relación entre la tensión en el primario y en el secundario. Así, escogiendo la relación del número de espiras adecuada, podemos transformar una corriente alterna de un determinado voltaje en una corriente alterna de otro voltaje.

Figura 22

Figura 23

Figura 24

La función de un transformador en un circuito es la de transformar el voltaje de una corriente alterna.

2.5.El diodo

El origen de la electrónica se encuentra en las válvulas de vacío que actuaban como diodos. Las válvulas de vacío son dispositivos semejantes a bombillas, en las que el filamento emite electrones al calentarse en lugar de luz. Este fenómeno se denomina efecto termoiónico.

Figura 25

En la válvula de la figura, una diferencia de potencial V₁ provoca una corriente por el filamento que deja en suspensión un gran número de electrones. Sobre el filamento se encuentra una placa metálica P. Si se aplica un voltaje positivo en la placa P, los electrones son atraídos hacia la placa, y esto provoca la circulación de una cierta intensidad por el circuito que se puede medir mediante el amperímetro A. Si se invierte la polaridad de la fuente V₂, el potencial de la placa P pasa a ser negativo y los electrones ya no son atraídos hacia ésta. Esto implica que la corriente en el circuito sólo puede ir en una dirección, del filamento a la placa. Por esta razón recibe el nombre de válvula. Este tipo de válvula de vacío recibió el nombre de diodo de vacío.

Figura 26

El diodo regula el sentido de la intensidad de corriente, de manera que sólo deja pasar la corriente en una dirección.

Figura 27

En la actualidad, los diodos de los circuitos electrónicos están construidos a partir de materiales semiconductores basados en la unión de uno de tipo P, cuyos portadores de carga son los huecos positivos, y uno de tipo N, cuyos portadores de carga son los electrones negativos. Los diodos de semiconductor desarrollan la misma función que los de válvula de vacío, pero en mucho menos espacio y con un gasto energético mucho menor.

En la zona de unión PN se redistribuyen los huecos y las cargas. Si aplicamos una diferencia de potencial a los extremos del semiconductor, de tal modo que en la zona P el voltaje aplicado sea positivo y en la zona N sea negativo, los electrones fluirán sin problemas de la zona N (repelidos por el voltaje negativo) a la zona P (atraídos por el voltaje positivo) y los huecos en sentido contrario, favoreciendo el intercambio continuo de huecos y electrones en el interior del semiconductor. En estas circunstancias, el semiconductor se comportará como un conductor.

Figura 28

Si, por el contrario, aplicamos una diferencia de potencial inversa a la anterior, es decir, de voltaje negativo en la zona P y positivo en la zona N, ni los electrones de la zona N ni los huecos de la zona P se acercarán a la zona de unión. Ambos se dirigirán hacia el exterior del semiconductor sin que exista la posibilidad de que se recombinen y de que se produzca un flujo de corriente. En estas circunstancias, el semiconductor se comportará como un aislante.

Así pues, un semiconductor basado en una unión PN se comporta como un diodo, dejando pasar la corriente sólo en un sentido.

Si el voltaje aplicado al diodo tiene valores positivos y negativos, como en el caso de una corriente alterna, el diodo actúa a modo de rectificador. La rectificación consiste en dejar pasar sólo la parte positiva de la señal de voltaje.

Figura 29

Mediante la combinación del efecto transformador de las bobinas, del efecto rectificador del diodo y del efecto de descarga de los condensadores, las fuentes de alimentación permiten obtener un voltaje continuo a partir del voltaje alterno de la red. En la figura se aprecia la estructura de una fuente de alimentación típica de, por ejemplo, un teléfono móvil o un ordenador portátil. El transformador convierte un voltaje alterno de 220 voltios (V₁) en un voltaje alterno de unos 10 voltios (V₂). Un pequeño circuito basado en diodos permite rectificar la señal alterna, de modo que se obtiene una señal variable pero siempre positiva (V₃). La combinación con un condensador actúa a modo de filtro y permite mantener un voltaje (V₄) caracterizado por una serie de pequeñas caídas de voltaje correspondientes a las sucesivas descargas del condensador. Las características del condensador pueden permitir que la descarga sea suficientemente lenta como para que la señal a la salida sea prácticamente continua (V₅).

Figura 30

Para evitar el efecto de la descarga de las bobinas al abrir un circuito –comentado en el apartado anterior–, muchos interruptores están protegidos con un diodo que evita la intensidad de corriente en sentido contrario al que tiene la corriente durante el funcionamiento. De esta forma se evita que pueda saltar una chispa entre los extremos del interruptor al abrir el circuito.

Tanto las válvulas de vacío de los primeros dispositivos electrónicos como los diodos de semiconductor actuales permiten el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección.

Una de las principales funciones de los diodos en los circuitos electrónicos es la rectificación de los voltajes alternos, es decir, la tarea de convertirlos en voltajes continuos.

2.6.El triodo de vacío

Después de la invención del diodo de válvula de vacío, se introdujo una rejilla entre el filamento emisor de electrones y la placa. Controlando el potencial negativo de la rejilla se podía controlar la intensidad de la corriente, que iba del filamento a la placa P. Con una variación del potencial de la rejilla relativamente pequeña, se podían conseguir grandes cambios en la intensidad de corriente. Esta nueva válvula de vacío se denominó triodo.

La principal aplicación del triodo es como amplificador de señales, ya que una pequeña variación de potencial en la rejilla produce grandes variaciones en el potencial de la placa.

Figura 31

Otra importante aplicación es como interruptor controlado electrónicamente. Basta aumentar el potencial negativo de la rejilla a un valor suficientemente alto como para que los electrones no puedan pasar del filamento a la placa con potencial positivo. Como veremos más adelante, el control de las corrientes de electrones mediante estas válvulas dio origen a los primeros computadores.

Figura 32

2.7.El transistor

El transistor es el equivalente al triodo de vacío pero construido a partir de la unión de materiales semiconductores de tipos P y N. Los transistores constan de tres partes: el emisor, el colector y la base, tal como se aprecia en la figura. Al igual que el triodo, el transistor puede actuar como amplificador o como interruptor electrónico. Cuando se varía el potencial en el extremo emisor, las variaciones de potencial en el extremo colector son mayores, es decir, se amplifican.

Del mismo modo, la corriente a través del transistor puede ser interrumpida cuando se aplica un voltaje suficientemente elevado en la base del transistor, de modo que puede actuar como interruptor. Como veremos en el siguiente apartado, esta función de interruptor del transistor es el fundamento del funcionamiento de los circuitos electrónicos digitales.

Figura 33

Figura 34

Figura 35

El triodo de válvulas de vacío y el transistor pueden actuar como amplificadores de señal aumentando variaciones débiles de voltaje, o como interruptores electrónicos, regulando el paso o no de corriente a través del circuito mediante la aplicación o no de un potencial en el transistor.

3.Electrónica digital

Los ordenadores realizan múltiples operaciones, a veces muy complejas, pero todas basadas en el mismo fenómeno: el tratamiento de la información mediante circuitos de electrónica digital. Cada vez que utilizamos un programa de ordenador, aunque se trate simplemente del sistema operativo que nos permite interaccionar con éste, el procesador lleva a cabo innumerables operaciones básicas. Cualquier instrucción compleja que debe ejecutar el ordenador se compone de multitud de pequeñas instrucciones para que sus componentes realicen pequeñas operaciones. Estas operaciones consisten en cargar o descargar condensadores, permitir o no el paso de corriente por diferentes partes de un circuito, etc.

Componentes electrónicos como los estudiados en el apartado anterior son capaces de obedecer a instrucciones del tipo "si llega un voltaje de más de 5 voltios, deja pasar la corriente". Este tipo de operaciones, denominadas operaciones lógicas, siguen las reglas de la llamada álgebra de Boole.

Los primeros dispositivos capaces de ejecutar instrucciones lógicas fueron los relés electromagnéticos, es decir, simples interruptores activados eléctricamente, y las válvulas de vacío. Sin embargo, el gran paso que inició el desarrollo de la electrónica fue la invención y utilización de los transistores de semiconductor, de tamaño mucho más reducido que las válvulas y con un gasto de energía mucho menor. Los primeros ordenadores eran grandes armarios llenos de válvulas que ocupaban habitaciones enteras para ejecutar operaciones que hoy en día podemos realizar con una simple calculadora de bolsillo basada en transistores de semiconductor.

Figura 36

Todas las operaciones que realizan los ordenadores están basadas en el mismo fenómeno: el tratamiento de la información mediante circuitos de electrónica digital.

Cualquier instrucción compleja que debe ejecutar el ordenador se compone de multitud de pequeñas instrucciones para que los componentes del ordenador realicen pequeñas operaciones.

3.1.Señales analógicas y digitales

El término electrónica digital debe su nombre al hecho de que las señales que se tratan en este tipo de circuitos son señales digitales.

Una señal es analógica cuando puede tomar infinitos valores a lo largo del tiempo, es decir, cuando cambia de manera continua. El voltaje que atraviesa una resistencia variable, por ejemplo, se puede modificar de forma continua, de tal modo que su valor puede ser cualquiera entre un valor máximo y un valor mínimo. El voltaje que genera un micrófono, que traduce las variaciones continuas de la presión del aire (sonido) en variaciones continuas de voltaje, es también una señal analógica.

Figura 37

Una señal es digital cuando sólo puede adoptar un número finito de valores. En los ordenadores, las señales de voltaje son digitales binarias, es decir, sólo pueden adoptar dos valores o niveles lógicos. Una serie de pulsos alternativos de, por ejemplo, 5 voltios y 2 voltios, forman una señal digital binaria en un circuito electrónico.

Figura 38

Los dos niveles lógicos que puede adoptar la señal de los circuitos digitales de los ordenadores se interpretan como unos y ceros, o como verdadero y falso, siguiendo la nomenclatura del álgebra de Boole.

Una señal es analógica cuando puede tomar infinitos valores a lo largo del tiempo, es decir, cuando cambia de manera continua.

Una señal es digital cuando sólo puede adoptar un número finito de valores.

La electrónica digital se basa en circuitos en los que la señal de voltaje es digital binaria, es decir, sólo puede adoptar dos valores o niveles lógicos, que se interpretan como unos y ceros.

3.2.Álgebra de Boole

Los componentes electrónicos en un circuito digital efectúan una operación cuando les llega una o más señales eléctricas digitales binarias. Estas señales son interpretadas como unos (un voltaje más elevado) o ceros (un voltaje más bajo). Las operaciones más sencillas que pueden realizar los componentes electrónicos son las correspondientes a las del álgebra de Boole. Las operaciones básicas de esta álgebra son:

NOT (negación lógica): llega una señal al componente. A la salida encontramos el valor contrario que a la entrada del componente. Es decir, si entra un 1, sale un 0 y si entra un 0, sale un 1. La tabla correspondiente a esta operación es la siguiente:

Tabla 2. Tabla del NOT

NOT
Entrada	Salida
1	0
0	1

AND (Y lógica): al componente llegan dos señales. Si ambas son unos, el resultado de la operación es un 1; en cualquier otro caso, el resultado es 0.

Tabla 3. Tabla del AND

AND
Entrada	Entrada	Salida
1	1	1
0	0	0
0	1	0
1	0	0

OR (O lógica): llegan dos señales al componente. El resultado es 1 si al menos una de las señales de entrada es un 1.

Tabla 4. Tabla del OR

OR
Entrada	Entrada	Salida
1	1	1
0	0	0
0	1	1
1	0	1

XOR (O exclusiva): al componente llegan dos señales. El resultado es 1 siempre que las dos entradas sean de valor distinto, y 0 en el caso de que las entradas sean idénticas.

Tabla 5. Tabla del XOR

XOR
Entrada	Entrada	Salida
1	1	0
0	0	0
0	1	1
1	0	1

EQ (Igualdad): llegan dos señales al componente. El resultado es 1 si las dos señales de entrada tienen el mismo valor, sean unos o ceros.

Tabla 6. Tabla del EQ

EQ
Entrada	Entrada	Salida
1	1	1
0	0	1
0	1	0
1	0	0

NAND (Y lógica negada): llegan dos señales al componente. La operación es la AND negada, es decir, el resultado contrario al que daría la operación AND.

Tabla 7. Tabla del NAND

NAND
Entrada	Entrada	Salida
1	1	0
0	0	1
0	1	1
1	0	1

NOR (O lógica negada): llegan dos señales al componente. La operación es la OR negada, es decir, el resultado contrario al que daría la operación OR.

Tabla 8. Tabla del NOR

NOR
Entrada	Entrada	Salida
1	1	0
0	0	1
0	1	0
1	0	0

Como hemos indicado, estas operaciones se pueden realizar mediante circuitos eléctricos sencillos.

Por ejemplo, la operación OR se puede realizar mediante un par de interruptores en paralelo, tal como podemos observar en el esquema de la figura siguiente. Un interruptor abierto corresponde a un 0, y uno cerrado corresponde a un 1. La bombilla encendida representa un 1, y la bombilla apagada representa un 0.

Figura 39

La corriente llega a la bombilla cuando al menos uno de los dos interruptores está cerrado, es decir, cuando al menos uno de los dos valores de entrada es 1, lo que corresponde a la operación OR aplicada a las dos entradas (los dos interruptores).

La operación AND requiere dos interruptores en serie. Sólo en el caso de que ambos interruptores estén cerrados (adoptando ambos el valor 1) la respuesta será un 1 (bombilla encendida).

Figura 40

Otra operación sencilla de obtener electrónicamente es NOT. Se puede realizar un circuito de manera que la salida corresponda al valor contrario a la entrada mediante un triodo de vacío. Recordemos que en el triodo de vacío, si enviamos corriente a la rejilla, ésta queda cargada negativamente, lo que impide el paso de los electrones desde el filamento hasta la placa cargada positivamente. De este modo, un potencial elevado (un 1) aplicado a la rejilla, que podemos considerar la entrada del dispositivo, implica que no circule corriente (un 0) en el circuito que une el filamento con la placa positiva, es decir, convertimos un 1 en un 0. Del mismo modo, si no aplicamos potencial (un 0) a la rejilla, el circuito queda cerrado y sí que pasa corriente (un 1).

Los componentes electrónicos en un circuito digital efectúan una operación cuando les llega una o más señales eléctricas digitales binarias.

Las operaciones más sencillas que pueden realizar los componentes electrónicos son las correspondientes a las operaciones lógicas básicas del álgebra de Boole, que pueden implementarse mediante circuitos eléctricos sencillos. éstas son: NOT, AND, OR, XOR, EQ, NAND, NOR.

3.3.Puertas lógicas

Tanto los interruptores mecánicos de las figuras del subapartado anterior como los triodos de vacío pueden ser sustituidos por transistores de semiconductor, mucho más rápidos, pequeños y baratos. Las demás operaciones lógicas posibles del álgebra de Boole también se realizan mediante circuitos similares a los anteriores basados en transistores. Puesto que estas operaciones son siempre las mismas, los circuitos que permiten realizarlas se encuentran ya integrados en las denominadas puertas lógicas, y los diseñadores de circuitos digitales las utilizan como componentes básicos, al margen de los transistores que las componen.

En la siguiente figura se presentan los símbolos utilizados para las diferentes puertas lógicas.

Figura 41

Las diferentes puertas lógicas se combinan en los circuitos digitales para efectuar operaciones complejas. Un ejemplo de las operaciones que se pueden realizar son las aritméticas. En la figura se muestra el esquema de un circuito capaz de sumar números. Los números se introducen codificados en binario mediante señales de voltaje digitales que representan ceros o unos en las entradas de la izquierda en el esquema la figura siguiente. Las señales de voltaje en la salida representan en binario la suma de los números introducidos. Circuitos similares pueden realizar el resto de las operaciones aritméticas, y son la base de todas las operaciones que son capaces de realizar los ordenadores.

Figura 42

Figura 43

Figura 44

Todas las operaciones lógicas posibles del álgebra de Boole se realizan mediante circuitos integrados basados en transistores de semiconductor llamados puertas lógicas. Las diferentes puertas lógicas se combinan en un circuito integrado para formar un chip.

Actividades

Actividad 1

Realizad una sencilla animación de un circuito que se pueda abrir y cerrar con un interruptor, con una fuente de alimentación consistente en una pila y con un par de bombillas en serie o en paralelo. Las bombillas deben encenderse cuando el circuito esté cerrado.

Actividad 2

Realizad un pequeño circuito casero mediante una pila pequeña de 1,5 V, una bombilla pequeña de las que utilizan las linternas y cable conductor de hilo de cobre (disponible en las ferreterías). Comprobad que cuando el circuito se cierra, la bombilla se enciende. Comprobad qué materiales (metales, madera, goma, etc.) conducen la corriente eléctrica colocándolos en el circuito. Nota: el voltaje que proporciona una pequeña pila de 1,5 V es absolutamente inofensivo y, practicamente, inapreciable.

Actividad 3

Dibujad un circuito eléctrico en el que aparezcan una fuente de voltaje alterno, un interruptor y los símbolos de todos los componentes explicados en el apartado "Componentes electrónicos".

Actividad 4

No sólo los números, sino también las letras están codificadas en el ordenador mediante códigos binarios. Buscad en Internet la correspondencia entre cada una de las letras del abecedario y el código binario. ¿Cómo se escribe vuestro nombre en este código?

Ejercicios de autoevaluación

1. Un circuito eléctrico es...

a) un circuito de coches con motor eléctrico.

b) un conjunto de componentes eléctricos conectados entre sí mediante un material conductor y una fuente de energía eléctrica que provoca el movimiento de los electrones.

c) un conjunto de componentes eléctricos conectados entre sí mediante un material aislante y una fuente de energía eléctrica que provoca el movimiento de los electrones.

d) un circuito hidráulico con una bomba eléctrica.

2. El voltaje se mide en...

a) voltios.

b) amperios.

c) ohmios.

d) vatios.

3. Si entre dos puntos de un circuito con un voltaje fijo aumentamos la resistencia, la intensidad de la corriente entre estos dos puntos...

a) se mantendrá constante.

b) disminuirá.

c) aumentará.

d) dejará de producirse.

4. En un circuito de corriente alterna...

a) los electrones permanecen siempre en reposo.

b) los átomos oscilan.

c) los electrones oscilan.

d) los electrones se mueven en una sola dirección.

5. Las resistencias

a) dificultan el paso de la corriente eléctrica.

b) almacenan energía en forma de campos magnéticos.

c) sólo dejan pasar la corriente en una dirección.

d) almacenan carga eléctrica.

6. Los condensadores

a) dificultan el paso de la corriente eléctrica.

b) almacenan energía en forma de campos magnéticos.

c) sólo dejan pasar la corriente en una dirección.

d) almacenan carga eléctrica.

7. Los diodos

a) dificultan el paso de la corriente eléctrica.

b) almacenan energía en forma de campos magnéticos.

c) sólo dejan pasar la corriente en una dirección.

d) almacenan carga eléctrica.

8. Los componentes que permiten transformar y rectificar a un tiempo una corriente alterna son

a) la bobina, el diodo y el triodo.

b) el diodo, el condensador y el triodo.

c) la bobina, el diodo y el condensador.

d) la bobina, el diodo y la resistencia.

9. Indicad cuál fue el orden de aparición de los componentes electrónicos que permitieron el gran desarrollo de la electrónica.

a) relés – transistores – válvulas de vacío

b) transistores – relés – válvulas de vacío

c) álvulas de vacío – relés - transistores

d) relés – válvulas de vacío - transistores

10. Una señal de voltaje digital

a) puede tomar cualquier valor.

b) sólo puede tomar dos valores.

c) sólo puede tomar un número finito de valores.

11. Un operador AND sólo da un 1 a la salida cuando

a) las dos entradas son 0.

b) las dos entradas son iguales.

c) las dos entradas son 1.

d) las dos entradas son diferentes.

12. Un operador OR sólo da 0 a la salida cuando

a) las dos entradas son 0.

b) las dos entradas son iguales.

c) las dos entradas son 1.

d) las dos entradas son diferentes.

13. Un operador NOR sólo da 1 a la salida cuando

a) las dos entradas son 0.

b) las dos entradas son iguales.

c) las dos entradas son 1.

d) las dos entradas son diferentes.

14. ¿Qué es una puerta lógica?

a) Un circuito integrado capaz de realizar una operación lógica.

b) Un circuito integrado analógico.

c) Una entrada de corriente en un circuito digital.

Solucionario

1. a) Incorrecto. No, por el circuito no circulan electrones.
b) Correcto.
c) Incorrecto. No, el material que une los elementos debe ser conductor.
d) Incorrecto. No, por el circuito no circulan electrones.

2. a) Correcto.
b) Incorrecto. No, el amperio es una unidad de intensidad.
c) Incorrecto. No, el ohmio es una unidad de resistencia.
d) Incorrecto. No, el vatio es una unidad de potencia.

3. a) Incorrecto.
b) Correcto.
c) Incorrecto.
d) Incorrecto. No. Esto sólo pasará si hacemos la resistencia infinita.

4. a) Incorrecto. No, para que exista corriente, los electrones deben moverse
b) Incorrecto.
c) Correcto.
d) Incorrecto. No. Esto ocurre en un circuito de corriente continua.

5. a) Correcto.
b) Incorrecto. No, esto lo hacen las bobinas.
c) Incorrecto. No, esto lo hacen los diodos.
d) Incorrecto. No, esto lo hacen los condensadores.

6. a) Incorrecto. No, esto lo hacen las resistencias.
b) Incorrecto. No, esto lo hacen las bobinas.
c) Incorrecto. No, esto lo hacen los diodos.
d) Correcto.

7. a) Incorrecto. No, esto lo hacen las resistencias, aunque el diodo puede tener cierta resistencia.
b) Incorrecto. No, esto lo hacen las bobinas.
c) Correcto.
d) Incorrecto. No, esto lo hacen los condensadores.

8. a) Incorrecto. No, el triodo no juega ningún papel en un rectificador.
b) Incorrecto. No, el triodo no juega ningún papel en un rectificador.
c) Correcto.
d) Incorrecto. No, aunque los componentes pueden tener cierta resistencia, las resistencias por sí mismas no juegan ningún papel en un rectificador.

9. a) Incorrecto.
b) Incorrecto.
c) Incorrecto.
d) Correcto.

10. a) Incorrecto. No. Éste es el caso de una señal analógica.
b) Incorrecto. No. Éste es un caso particular de señal digital: la señal digital binaria.
c) Correcto.

11. a) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 1.
b) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 1.
c) Correcto.
d) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 1.

12. a) Correcto.
b) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 0.
c) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 0.
d) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 0.

13. a) Correcto.
b) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 0.
c) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 0.
d) Incorrecto. No, las dos entradas deben ser 0.

14. a) Correcto.
b) Incorrecto. No, son circuitos digitales.
c) Incorrecto.