La electrónica es una rama de la física aplicada que comprende la física, la ingeniería, la tecnología y las aplicaciones que tratan con la emisión, el flujo y el control de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente— en el vacío y la materia. La identificación del electrón en 1897, junto con la invención del tubo de vacío, que podía amplificar y rectificar pequeñas señales eléctricas, inauguraron el campo de la electrónica y la edad del electrón.
La placa Arduino ha permitido que el aprendizaje de la electrónica esté al alcance de muchas personas, gracias a su código libre y su enorme cantidad de dispositivos instalables y removibles en esta placa, a través de sus puertos analógicos y digitales.
La electrónica trata con circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos como tubos de vacío, transistores, diodos, circuitos integrados, optoelectrónica y sensores, asociados con componentes eléctricos pasivos y tecnologías de interconexión. Generalmente los dispositivos electrónicos contienen circuitos que consisten principalmente, o exclusivamente, en semiconductores activos complementados con elementos pasivos; tal circuito se describe como un circuito electrónico.
El comportamiento no lineal de los componentes activos y su capacidad para controlar los flujos de electrones hace posible la amplificación de señales débiles. La electrónica es ampliamente utilizada en el procesamiento de datos, en las telecomunicaciones y en el procesamiento de señales. La capacidad de los dispositivos electrónicos para actuar como interruptores hace posible el procesamiento digital de la información. Las tecnologías de interconexión, como los circuitos impresos, la tecnología de empaquetado electrónico y otras formas variadas de infraestructuras de comunicación, completan la funcionalidad del circuito y transforman los componentes electrónicos mixtos en un sistema de trabajo regular, llamado sistema electrónico; son ejemplos las computadoras o los sistemas de control. Un sistema electrónico puede ser un dispositivo independiente o un componente de otro sistema diseñado.
La ciencia y tecnología eléctricas y electromecánicas se ocupan de la generación, distribución, conmutación, almacenamiento y conversión de la energía eléctrica hacia y desde otras formas de energía (usando cables, motores, generadores, baterías, interruptores, relés, transformadores, resistencias y otros componentes pasivos). Esta distinción comenzó alrededor de 1906 con la invención de Lee De Forest del triodo, que hizo posible la amplificación eléctrica de señales de radio y señales de audio débiles con un dispositivo no mecánico. Hasta 1950, este campo se denominaba «tecnología de radio» porque su aplicación principal era el diseño y la teoría de transmisores de radio, receptores y tubos de vacío.
Actualmente, la mayoría de los dispositivos electrónicos usan componentes semiconductores para realizar el control de los electrones. El estudio de los dispositivos semiconductores y la tecnología relacionada se consideran una rama de la física del estado sólido, mientras que el diseño y la construcción de los circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos concierne a la ingeniería electrónica. Este artículo se centra en los aspectos de la ingeniería de la electrónica.
+ LAS RAMAS DE LA ELECTRÓNICA
La electrónica tiene las siguientes ramas:
- Electrónica Digital
La electrónica digital es la rama de la electrónica más moderna y que evoluciona más rápidamente. Se encarga de sistemas electrónicos en los que la información está codificada en estados discretos, a diferencia de los sistemas analógicos donde la información toma un rango continuo de valores.
En la mayoría de sistemas digitales, el número de estados discretos es tan solo de dos y se les denomina niveles lógicos. Estos niveles se representan por un par de valores de voltaje, uno cercano al valor de referencia del circuito (normalmente 0 voltios, tierra o "GND"), y otro cercano al valor dado por la fuente de alimentación del circuito. Estos dos estados discretos reciben muchas parejas de nombres en libros de electrónica y otros textos especializados, siendo los más comunes "0" y "1", "false" y "true", "off" y "on" o "bajo" y "alto" entre otros. Tener solo estos dos valores nos permite usar el álgebra booleana y códigos binarios, los que nos proporciona herramientas muy potentes para realizar cálculo sobre las señales de entrada.
Al hablar de electrónica digital estamos en presencia del mayor avance en cuanto a ciencia electrónica se refiere. Al principio los mecanismos interactuaban entre sí por movimientos y secuencia preconcebidas para obtener un mismo resultado, la invención de las válvulas, luego los transistores, los chips y por último los microprocesadores así como los micro-controladores han llevado a esta ciencia a posicionarse como una de las más precisas en lo que concierne a procesamiento de datos, imagen y vídeos.
Los más complejos sistemas digitales, aplicados y útiles hoy en día son posibles gracias a la integración de los componentes, herramientas, equipos y subsistemas electrónicos, informáticos y mecánicos. En tiempos modernos es tan fácil tocar una pantalla con nuestras manos (pantalla táctil), ejecutar un comando de voz y cambiar un canal o abrir una ventana, apagar y encender una bombilla; todo gracias a la electrónica digital. Como su nombre lo indica ella se sustenta en su propio lenguaje, el lenguaje de código binario "1" y "0", se crean ciclos de palabras, password, secuencias de bit y byte y se hace realidad lo que nunca se pensó poder monitorear en tiempo real un proceso a miles de kilómetros de distancia. Todas las demás ciencias hoy en día se deben a la invención de los sistemas digitales, es difícil pensar en cocinar algo, llamar a un pariente lejano o ir al cine sin dejar a un lado la electrónica digital.
Por eso podemos decir que ella misma contempla los mejores avances y conducen la vida al futuro, claro complementada por las telecomunicaciones y por las ciencias exactas, la informática, la mecatrónica, la ciencia médica con aplicaciones de prótesis, chips cerebrales, los mismos juegos de realidad virtual y videojuegos infantiles y los no tan infantiles. En conclusión, los desarrollos tecnológicos gestados en laboratorios, instalaciones militares, los avances y ayudas humanitarias a países y personas en sitios, aún hoy en día, remotos e inhóspitos, no serían posibles sin esta rama de la ingeniería, la electrónica, pero principalmente, la digital, la cual es hoy en día una de las más importantes, versátil y sigue en avance y crecimiento en tiempos globalizados.
La electrónica digital ha alcanzado una gran importancia debido a que es utilizada para realizar autómatas y por ser la piedra angular de los sistemas microprogramados como son los ordenadores o computadoras.
-. Clasificación
Los sistemas digitales pueden clasificarse del siguiente modo:
* Sistemas Cableados
* Combinacionales
* Secuenciales
* Memorias
* Convertidores
* Sistemas Programados
* Microcontroladores
* Microprocesadoresasificación
- Electrónica Analógica
La electrónica analógica es una rama de la electrónica que estudia los sistemas cuyas variables (tensión, corriente, etc.) varían de una forma continua en el tiempo y pueden tomar (al menos teóricamente) valores infinitos. En contraposición, en la electrónica digital las variables solo pueden tomar valores discretos y tienen siempre un estado perfectamente definido.
Por ejemplo: considerando una medida real concreta, como la longitud total de un coche:
En un sistema digital, esta medida podría ser de 4 metros o de 4 metros y 23 centímetros.
Es posible darle la precisión deseada, pero siempre serán cantidades enteras.
En un sistema analógico, la medida en decimales sería 4,233648596... En teoría hasta que llegásemos a la mínima cantidad de materia existente (siempre que el sistema de medida sea lo suficientemente exacto).
- Historia
Se considera que la electrónica inició con el diodo de vacío inventado por John Ambrose Fleming en 1904. El funcionamiento de este dispositivo está basado en el efecto Edison. Thomas Alva 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. Esto fue muy importante para que se fabricaran los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio, televisores, etcétera.
Conforme pasaba el tiempo, las válvulas de vacío se fueron perfeccionando y mejorando y surgieron otros tipos, como los tetrodos (válvulas de cuatro electrodos), los pentodos (cinco electrodos), otras válvulas para aplicaciones de alta potencia, etcétera. Dentro de los perfeccionamientos de las válvulas se encontraba su miniaturización.
Pero fue definitivamente con el transistor, aparecido de la mano de John Bardeen y de Walter Brattain, de la Bell Telephone en 1948, cuando se hizo posible una mayor miniaturización de aparatos como los radios. El transistor de unión apareció algo más tarde, en 1949; es el dispositivo utilizado actualmente para la mayoría de las aplicaciones de la electrónica analógica. Sus ventajas respecto a las válvulas son, entre otras: menor tamaño y fragilidad, mayor rendimiento energético y menores tensiones de alimentación. El transistor no funciona en vacío como las válvulas, sino en un estado sólido semiconductor (silicio), razón por la que no necesitan centenares de voltios de tensión para funcionar.
-. Válvulas en círculos audiófilos
A pesar de la expansión de los semiconductores, todavía se siguen utilizando las válvulas en pequeños círculos audiófilos, pues parecen ofrecer unas cualidades sonoras que no muestran los transistores.
-. Terminales del transistor
El transistor tiene tres terminales: el emisor, la base y el colector. 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 es posible controlar una gran corriente de colector a partir de una pequeña corriente de base.
-. El diodo semiconductor
El diodo de vacío fue desbancado más rápidamente que las válvulas amplificadoras por el diodo semiconductor, que se empezó a utilizar en 1920, aunque se conocía de más antiguo por ser utilizado en el receptor de radio de galena, un diodo que estaba formado por cristal de galena.
- Microelectrónica
La microelectrónica es un subcampo de la electrónica. Como su nombre indica, la microelectrónica se relaciona con el estudio y la fabricación (o microfabricación) de diseños y componentes electrónicos muy pequeños. Por lo general, pero no siempre, esto significa una menor escala de micrómetros. Estos dispositivos están hechos típicamente de materiales semiconductores. Muchos componentes de diseño electrónico normal están disponibles en un equivalente microelectrónico. Estos incluyen transistores, condensadores, inductores, resistencias, diodos y (naturalmente) aislantes y conductores que se pueden encontrar en dispositivos microelectrónicos. Las técnicas de cableado únicas, como la unión de cables, también se usan a menudo en microelectrónica debido al tamaño inusualmente pequeño de los componentes, cables y almohadillas. Esta técnica requiere equipo especializado y es costosa.
-. Diseño de Circuitos
El diseño de circuitos es la parte de la electrónica que estudia distintas metodologías con el fin de desarrollar un circuito electrónico, que puede ser tanto analógico como digital.
En función del número de componentes que forman al ser integrados se habla de diferentes escalas de integración. Las fronteras entre las distintas escalas son difusas, pero se denominan SSI (Small Scale of Integration) los circuitos de baja complejidad (algunas docenas de componentes en un mismo chip), MSI (Medium Scale of Integration) y LSI (Large Scale Integration) los circuitos de media y alta complejidad, y finalmente VLSI (Very Large Scale Integration) para circuitos extraordinariamente complejos, hasta cientos de millones de transistores. En esta última categoría entrarían los microprocesadores modernos.
El diseño se realiza a distintos niveles. Por una parte tenemos la parte física, donde se diseña la estructura real de los componentes electrónicos que constituyen el circuito, sus dimensiones, materiales. Por encima podemos encontrar métodos de diseño de cada vez más alto nivel, hasta llegar a los llamados lenguajes de descripción de hardware. Estos permiten introducir descripciones de los distintos bloques funcionales de un sistema para su simulación, verificación e incluso para la generación automática del circuito físico con la herramienta de síntesis apropiada. Algunos de los lenguajes de descripción de hardware más conocidos y empleados son VHDL y Verilog. En general los circuitos analógicos no permiten este grado de automatización y se requiere un diseño más artesano, donde la distribución física de los componentes desempeña un papel fundamental en el resultado final. En la automatización de diseño de circuitos integrados, el término "diseño de circuito" a menudo se refiere al paso del ciclo de diseño que genera los esquemas del circuito integrado. Por lo general, este es el paso entre el diseño lógico y el diseño físico.
-. Proceso
El diseño de circuitos formales generalmente involucra una serie de etapas. A veces, se escribe una especificación de diseño después de ponerse en contacto con el cliente. Se puede escribir una propuesta técnica para cumplir con los requisitos de la especificación del cliente. La siguiente etapa implica la síntesis en el papel un esquemático diagrama de circuito, un circuito eléctrico o electrónico abstracto que cumpla con las especificaciones. Se debe realizar un cálculo de los valores de los componentes para cumplir con las especificaciones operativas en condiciones específicas. Se pueden realizar simulaciones para verificar la exactitud del diseño.
Se puede construir una placa de pruebas u otra versión prototipo del diseño para probarlo con la especificación. Puede implicar la realización de alteraciones en el circuito para lograr el cumplimiento. Se debe elegir el método de construcción, así como todas las piezas y materiales que se utilizarán. Hay una presentación de información de componentes y diseño a los dibujantes, ingenieros de diseño y mecánicos, para la producción de prototipos. A esto le sigue la prueba o la prueba de tipo de una serie de prototipos para garantizar el cumplimiento de los requisitos del cliente. Por lo general, hay una firma y aprobación de los planos finales de fabricación y puede haber servicios posteriores al diseño (obsolescencia de componentes, etc.).
-. Especificación
El proceso de diseño de circuitos comienza con la especificación, que establece la funcionalidad que debe proporcionar el diseño terminado, pero no indica cómo se logrará. La especificación inicial es básicamente una descripción técnicamente detallada de lo que el cliente quiere que logre el circuito terminado y puede incluir una variedad de requisitos eléctricos, como qué señales recibirá el circuito, qué señales debe emitir, qué fuentes de alimentación son disponible y cuánta energía se permite consumir. La especificación también puede (y normalmente lo hace) establecer algunos de los parámetros físicos que debe cumplir el diseño, como el tamaño, el peso y la resistencia a la humedad., rango de temperatura, salida térmica, tolerancia a la vibración y tolerancia a la aceleración.
A medida que avanza el proceso de diseño, los diseñadores volverán con frecuencia a la especificación y la alterarán para tener en cuenta el progreso del diseño. Esto puede implicar ajustar las especificaciones que el cliente ha proporcionado y agregar pruebas que el circuito debe pasar para ser aceptado. Estas especificaciones adicionales se utilizarán a menudo en la verificación de un diseño. Los cambios que entren en conflicto o modifiquen las especificaciones originales del cliente casi siempre tendrán que ser aprobados por el cliente antes de que se pueda actuar.
La identificación correcta de las necesidades del cliente puede evitar una condición conocida como "fluencia de diseño" que ocurre en ausencia de expectativas iniciales realistas, y luego al no comunicarse completamente con el cliente durante el proceso de diseño. Puede definirse en términos de sus resultados; "en un extremo hay un circuito con más funcionalidad de la necesaria, y en el otro hay un circuito con una funcionalidad incorrecta". Sin embargo, se pueden esperar algunos cambios y es una buena práctica mantener las opciones abiertas el mayor tiempo posible porque es más fácil quitar elementos de repuesto del circuito más adelante que colocarlos.
-. Diseño
El proceso de diseño implica pasar de la especificación al inicio, a un plano que contiene toda la información necesaria para ser construido físicamente al final, esto normalmente ocurre pasando por una serie de etapas, aunque en un circuito muy simple se puede hacer en un solo paso. 5 El proceso normalmente comienza con la conversión de la especificación a un diagrama de bloques de las diversas funciones que debe realizar el circuito, en esta etapa no se considera el contenido de cada bloque, solo lo que debe hacer cada bloque, esto en ocasiones se refiere como un diseño de "caja negra". Este enfoque permite dividir la tarea posiblemente muy complicada en tareas más pequeñas que pueden abordarse en secuencia o dividirse entre los miembros de un equipo de diseño.
Luego, cada bloque se considera con más detalle, todavía en una etapa abstracta, pero con mucho más énfasis en los detalles de las funciones eléctricas que se proporcionarán. En esta etapa o en etapas posteriores, es común que se requiera una gran cantidad de investigación o modelado matemático sobre lo que es y no es factible de lograr. Los resultados de esta investigación pueden retroalimentarse en etapas anteriores del proceso de diseño, por ejemplo, si uno de los bloques no se puede diseñar dentro de los parámetros establecidos para él, puede ser necesario modificar otros bloques en su lugar. En este punto, también es común comenzar a considerar cómo demostrar que el diseño cumple con las especificaciones y cómo se probará (que puede incluir herramientas de autodiagnóstico).
-. Componentes de circuitos individuales.
Finalmente, los componentes individuales del circuito se eligen para llevar a cabo cada función en el diseño general, en esta etapa también se decide el diseño físico y las conexiones eléctricas de cada componente, este diseño comúnmente toma la forma de obra de arte para la producción de una placa de circuito impreso. o Circuito integrado. Esta etapa suele llevar mucho tiempo debido a la amplia gama de opciones disponibles. Una restricción práctica en el diseño en esta etapa es la estandarización, mientras que un cierto valor de componente puede calcularse para su uso en alguna ubicación en un circuito, si ese valor no se puede comprar a un proveedor, entonces el problema aún no se ha resuelto... Para evitar esto, se puede aplicar una cierta cantidad de 'ingeniería de catálogo' para resolver las tareas más mundanas dentro de un diseño general.
Un área de rápido desarrollo tecnológico es el campo del diseño de circuitos nanoelectrónicos.
-. Costos
Cuadro comparativo entre transistores de efecto de campo. Generalmente, el costo de diseñar circuitos está directamente relacionado con la complejidad de los circuitos finales. Cuanto mayor sea la complejidad (cantidad de componentes y novedad del diseño), más horas de tiempo de un ingeniero calificado serán necesarias para crear un producto funcional. El proceso puede ser tedioso, ya que la creación de detalles o características minuciosos puede requerir cualquier cantidad de tiempo, materiales y mano de obra. Como tener en cuenta los efectos de modificar tamaños de transistores o códecs. En el mundo de la electrónica flexible, la sustitución de los sustratos de poliimida, ampliamente utilizados, con materiales como PEN o PET para producir componentes electrónicos flexibles, podría reducir los costos en factores de 5 a 10.
Los costos de diseñar un circuito son casi siempre mucho más altos que los costos de producción por unidad, ya que el costo de producción y la función del circuito dependen en gran medida del diseño del circuito.
Aunque los métodos típicos de producción de PCB implican la fabricación sustractiva, existen métodos que utilizan un proceso de fabricación aditiva, como el uso de una impresora 3D para "imprimir" un PCB. Se cree que este método cuesta menos que la fabricación aditiva y elimina la necesidad de gestionar los residuos por completo.
-. Verificación y prueba
Una vez que se ha diseñado un circuito, se debe verificar y probar. La verificación es el proceso de pasar por cada etapa de un diseño y asegurarse de que hará lo que la especificación requiere. Este es con frecuencia un proceso altamente matemático y puede involucrar simulaciones por computadora a gran escala del diseño. En cualquier diseño complicado, es muy probable que se encuentren problemas en esta etapa y pueden implicar una gran cantidad de trabajo de diseño para rehacerlos para solucionarlos.
Las pruebas son la contraparte de la verificación en el mundo real, las pruebas implican construir físicamente al menos un prototipo del diseño y luego (en combinación con los procedimientos de prueba en la especificación o agregados) verificar que el circuito realmente hace lo que fue diseñado.
-. Software de diseño
En el software del DSD visual, el circuito lógico del circuito complementario se implementa mediante el código del programa de compilación. Estos tipos de programas de software están creando circuitos más económicos y eficientes para todo tipo de circuitos. Se implementan simulaciones funcionales para verificar funciones lógicas correspondientes a expresiones lógicas en nuestros circuitos propuestos. Las arquitecturas propuestas son modeladas en lenguaje VHDL. El uso de este lenguaje crea circuitos más eficientes que no solo son más baratos sino que duran más. Estos son solo dos de los muchos programas de diseño que asisten la planificación de circuitos para la producción.
-. Prototipos
La creación de prototipos es una parte importante de hacer simple algo que es complejo. El diseño del circuito obliga a seguir repasarlo y corregir errores. El diseño de circuitos es un trabajo muy riguroso que reclama hacerlo sin cometer errores. Los diseñadores de circuitos deben probarlos muchas veces para asegurarse de que su diseño funcione de manera eficiente y, sobre todo, sea seguro para que un consumidor lo compre y lo use. La creación de prototipos es una gran parte de cualquier trabajo eléctrico porque es muy meticuloso y directo. Sin el uso de prototipos, los errores cometidos serían constantes en el trabajo que se está realizando. A estos trabajadores se les paga para hacer circuitos eléctricos y mantener seguros en casa a todos los que compran estos circuitos eléctricos. Los peligros de no crear prototipos y enviar un circuito eléctrico defectuoso incluyen los incendios y cables calientes, lo que hará que alguien no se dé cuenta y que se queme o se lastime gravemente en el peor de los casos.
-. Resultados
Cada circuito eléctrico comienza con un simulador de placa de circuito de cómo se armarán los componentes finales y muestra cómo funcionará el circuito virtualmente. Un plano es el dibujo del diseño técnico y el producto final. Cuando está confeccionado, se usa el plano para armar el circuito. El circuito puede ejecutar cualquier cosa, desde una aspiradora hasta un gran televisor en una sala de cine. Todo esto lleva mucho tiempo y ciertos conocimientos necesarios. El circuito eléctrico es algo básico en la vida cotidiana.
-. Documentación
Cualquier diseño comercial normalmente incluirá también un elemento de documentación; la naturaleza precisa de esta documentación variará según el tamaño y la complejidad del circuito y el país en el que se vaya a utilizar. Como mínimo, la documentación normalmente incluirá al menos la especificación y los procedimientos de prueba para el diseño y una declaración de cumplimiento con las regulaciones vigentes. En la UE, este último elemento normalmente adoptará la forma de una Declaración CE que enumera las directivas europeas que se cumplen y nombra a una persona responsable de su cumplimiento.
- Circuito Integrado
Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una estructura de pequeñas dimensiones de material semiconductor, normalmente silicio, de algunos milímetros cuadrados de superficie (área), sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado plástico o de cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre el circuito integrado y un circuito impreso.
Los CI se hicieron posibles gracias a descubrimientos experimentales que mostraban que artefactos semiconductores podían realizar las funciones de los tubos de vacío, así como a los avances científicos de la fabricación de semiconductores a mediados del siglo xx. La integración de grandes cantidades de pequeños transistores dentro de un pequeño espacio fue un gran avance en la elaboración manual de circuitos utilizando componentes electrónicos discretos. La capacidad de producción masiva de los circuitos integrados, así como la fiabilidad y acercamiento a la construcción de un diagrama a bloques en circuitos, aseguraba la rápida adopción de los circuitos integrados estandarizados en lugar de diseños utilizando transistores discretos.
Los CI tienen dos principales ventajas sobre los circuitos discretos: costo y rendimiento. El bajo costo es debido a los chips; ya que posee todos sus componentes impresos en una unidad de fotolitografía en lugar de ser construidos un transistor a la vez. Más aún, los CI empaquetados usan mucho menos material que los circuitos discretos. El rendimiento es alto ya que los componentes de los CI cambian rápidamente y consumen poca potencia (comparado sus contrapartes discretas) como resultado de su pequeño tamaño y proximidad de todos sus componentes. Desde 2012, el intervalo de área de chips típicos es desde unos pocos milímetros cuadrados a alrededor de 450mm², con hasta 9 millones de transistores por mm².
Los circuitos integrados son usados en prácticamente todos los equipos electrónicos hoy en día, y han revolucionado el mundo de la electrónica. Computadoras, teléfonos móviles, y otros dispositivos electrónicos que son parte indispensable de las sociedades modernas, son posibles gracias a los bajos costos de los circuitos integrados.
-. Historia
El 15 de abril de 1949, el ingeniero alemán Werner Jacobi2 (Siemens AG) completa la primera solicitud de patente para circuitos integrados con dispositivos amplificadores de semiconductores. Jacobi realizó una típica aplicación industrial para su patente, la cual no fue registrada.
Más tarde, la integración de circuitos fue conceptualizada por el científico de radares Geoffrey Dummer (1909-2002), que estaba trabajando para la Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa Británico, a finales de la década de 1940 y principios de la década de 1950.
Recién empleado por Texas Instruments, Jack S. Kilby registró sus ideas iniciales sobre el circuito integrado en julio de 1958, demostrando con éxito el primer ejemplo integrado de trabajo el 12 de septiembre de 1958. En su solicitud de patente del 6 de febrero de 1959, Kilby describió su nuevo dispositivo como «un cuerpo de material semiconductor [...] en el que todos los componentes del circuito electrónico están completamente integrados». Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase. El primer cliente de la nueva invención fue la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.
En el año 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la enorme contribución de su invento al desarrollo de la tecnología.
Robert Noyce desarrolló su propio circuito integrado, que patentó unos seis meses después. Además resolvió algunos problemas prácticos que poseía el circuito de Kilby, como el de la interconexión de todos los componentes; al simplificar la estructura del chip mediante la adición de metal en una capa final y la eliminación de algunas de las conexiones, el circuito integrado se hizo más adecuado para su producción en masa. Además de ser uno de los pioneros del circuito integrado, Robert Noyce también fue uno de los cofundadores de Intel Corporation, uno de los mayores fabricantes de circuitos integrados del mundo.
Los circuitos integrados se encuentran en todos los aparatos electrónicos modernos, tales como relojes, automóviles, televisores, reproductores MP3, teléfonos móviles, computadoras, equipos médicos, etc.
El desarrollo de los circuitos integrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores, particularmente los transistores, pueden realizar algunas de las funciones de las válvulas de vacío.
La integración de grandes cantidades de diminutos transistores en pequeños chips fue un enorme avance sobre el ensamblaje manual de los tubos de vacío (válvulas) y en la fabricación de circuitos electrónicos utilizando componentes discretos.
La capacidad de producción masiva de circuitos integrados, su confiabilidad y la facilidad de agregarles complejidad, llevó a su estandarización, reemplazando circuitos completos con diseños que utilizaban transistores discretos, y además, llevando rápidamente a la obsolescencia a las válvulas o tubos de vacío.
Son tres las ventajas más importantes que tienen los circuitos integrados sobre los circuitos electrónicos construidos con componentes discretos: su menor costo; su mayor eficiencia energética y su reducido tamaño. El bajo costo es debido a que los CI son fabricados siendo impresos como una sola pieza por fotolitografía a partir de una oblea, generalmente de silicio, permitiendo la producción en cadena de grandes cantidades, con una muy baja tasa de defectos. La elevada eficiencia se debe a que, dada la miniaturización de todos sus componentes, el consumo de energía es considerablemente menor, a iguales condiciones de funcionamiento que un circuito electrónico homólogo fabricado con componentes discretos. Finalmente, el más notable atributo, es su reducido tamaño en relación con los circuitos discretos; para ilustrar esto: un circuito integrado puede contener desde miles hasta varios millones de transistores en unos pocos milímetros cuadrados.
Los avances que hicieron posible el circuito integrado han sido, fundamentalmente, los desarrollos en la fabricación de dispositivos semiconductores a mediados del siglo xx y los descubrimientos experimentales que mostraron que estos dispositivos podían reemplazar las funciones de las válvulas o tubos de vacío, que se volvieron rápidamente obsoletos al no poder competir con el pequeño tamaño, el consumo de energía moderado, los tiempos de conmutación mínimos, la confiabilidad, la capacidad de producción en masa y la versatilidad de los CI.
Entre los circuitos integrados más complejos y avanzados se encuentran los microprocesadores, que controlan numerosos aparatos, desde teléfonos móviles y horno de microondas hasta computadoras. Los chips de memorias digitales son otra familia de circuitos integrados, de importancia crucial para la moderna sociedad de la información. Mientras que el costo de diseñar y desarrollar un circuito integrado complejo es bastante alto, cuando se reparte entre millones de unidades de producción, el costo individual de los CI por lo general se reduce al mínimo. La eficiencia de los CI es alta debido a que el pequeño tamaño de los chips permite cortas conexiones que posibilitan la utilización de lógica de bajo consumo (como es el caso de CMOS), y con altas velocidades de conmutación.
A medida que transcurren los años, los circuitos integrados van evolucionando: se fabrican en tamaños cada vez más pequeños, con mejores características y prestaciones, mejoran su eficiencia y su eficacia, y se permite así que mayor cantidad de elementos sean empaquetados (integrados) en un mismo chip (véase la ley de Moore). Al tiempo que el tamaño se reduce, otras cualidades también mejoran (el costo y el consumo de energía disminuyen, y a la vez aumenta el rendimiento). Aunque estas ganancias son aparentemente para el usuario final, existe una feroz competencia entre los fabricantes para utilizar geometrías cada vez más delgadas. Este proceso, y lo esperado para los próximos años, está muy bien descrito por la International Technology Roadmap for Semiconductors.
-. Crisis de los micro procesadores
El confinamiento mundial derivado de la pandemia del COVID-19 en el año 2020 ha provocado un aumento sin precedentes en la demanda de microprocesadores, lo que ha colapsado la industria mundial. El precio de los microchips ha subido con picos de hasta el 30 por ciento en los últimos 12 meses. Decenas de fábricas que dependen de los microprocesadores han retrasado su producción o cerrado temporalmente, incluso en España. Esta crisis amenaza a los consumidores y pone en evidencia las debilidades de una tecnología que podría haber tocado techo. Además, supone un punto de inflexión para occidente, que hasta ahora dominaba el mercado tecnológico en materia de desarrollo de microchips.
La industria de los microchips se enfrenta a otro importante obstáculo: la Ley de Moore, que según algunos especialistas estaría empezando a fallar. En 1965 Gordon Moore, co-fundador de Intel, formuló la ley que lleva su nombre, según la cual el número de transistores que puede contener un microchip se duplica cada dos años. Este postulado ha permitido desarrollar ordenadores cada vez más potentes y con un menor coste. Sin embargo, a partir de 2010 el ritmo de la innovación ha empezado a ralentizarse. En 2015 el CEO de Intel, Bryant Krzanich, reconoció que había una discontinuidad a la hora de miniaturizar los componentes de manera rentable. Para fabricar un microchip de última generación se requiere de una tecnología muy cara y compleja, la “litografía ultravioleta extrema”.
-. Popularidad
Solo ha transcurrido medio siglo desde que se inició su desarrollo y los circuitos integrados se han vuelto casi omnipresentes. Computadoras, teléfonos móviles y otras aplicaciones digitales son ahora parte de las sociedades modernas. La informática, las comunicaciones, la manufactura y los sistemas de transporte, incluyendo Internet, todos dependen de la existencia de los circuitos integrados. De hecho, muchos estudiosos piensan que la revolución digital causada por los circuitos integrados es uno de los sucesos más significativos de la historia de la humanidad.
+ ELECTRÓNICA DE POTENCIA
La expresión electrónica de potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles y fuertes.
En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia.
De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluye tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.
El principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de una forma eficiente, por lo que se evitan utilizar elementos resistivos, potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off, encendido y apagado).
-. Dispositivos semiconductores de potencia
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de dispositivos semiconductores de potencia, los cuales derivan del diodo o el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:
* Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés).
* Triac.
* Transistor IGBT, sigla para Insulated Gate Bipolar Transistor, Transistor Bipolar con compuerta aislada.
* Tiristor GTO, sigla para Gated Turnoff Thyristor, Tiristor apagado por compuerta.
* Tiristor IGCT, sigla para Insulated Gate Controlled Thyristor, Tiristor controlado por compuerta.
* Tiristor MCT, sigla para MOS Controlled Thyristor.
-- Convertidores de la energía eléctrica
Conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos.
Dichos dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:
* Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua.
* Inversores: convierten corriente continua en corriente alterna.
* Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna de otra frecuencia menor.
* Choppers: convierten corriente continua en corriente continua de menor o mayor tensión.
En la actualidad esta disciplina está cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo de potentes motores.
-. Aplicaciones
Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes:
* Fuentes de alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente de alimentación de los ordenadores.
* Control de motores eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se utiliza en la actualidad en los sistemas de aire acondicionado. Esta técnica, denominada comercialmente como "inverter" sustituye el antiguo control encendido/apagado por una regulación de velocidad que permite ahorrar energía. Asimismo, se ha utilizado ampliamente en tracción ferroviaria, principalmente en vehículos aptos para corriente continua (C.C.) durante las décadas de los años 70 y 80, ya que permite ajustar el consumo de energía a las necesidades reales del motor de tracción, en contraposición con el consumo que tenían los vehículos controlados por resistencias de arranque y frenado. Actualmente el sistema chopper sigue siendo válido, pero ya no se emplea en la fabricación de nuevos vehículos, puesto que actualmente se utilizan equipos basados en el motor trifásico, mucho más potente y fiable que el motor de colector.
* Calentamiento por inducción: Consiste en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia, generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios convertidores electrónicos de frecuencia. La aplicación más vistosa se encuentra en las cocinas de inducción actuales.
* Otras: Como se ha comentado anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia. Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interfase entre fuentes de energía renovables y la red eléctrica, etc.
Las líneas de investigación actuales buscan la integración de dispositivos de potencia y control en un único chip, reduciendo costes y multiplicando sus potenciales aplicaciones. No obstante existen dificultades a salvar como el aislamiento entre zonas trabajando a altas tensiones y circuitería de control, así como la disipación de la potencia perdida.
+ OPTOELECTRÓNICA
La optoelectrónica es el nexo entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz.
La optoelectrónica es la tecnología que combina la óptica y la electrónica. Este campo incluye a muchos dispositivos basados en la acción de una unión pn.
-. Usos
Los sistemas optoelectrónicos son cada vez más frecuentes, hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato eléctrico y no ver un panel lleno de luces o de dígitos más o menos espectaculares. Por ejemplo, la mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo (LED) que nos avisa de que las pilas se han agotado y que deben cambiarse. Los tubos de rayos catódicos con los que funcionan los osciloscopios analógicos y los televisores, las pantallas de cristal líquido, los modernos sistemas de comunicaciones mediante fibra óptica.
Los dispositivos optoelectrónicos se denominan opto aisladores o dispositivos de acoplamiento óptico.
La optoelectrónica simplemente se dedica a todo objeto o cosa que esté relacionado con la luz, como por ejemplo los teléfonos móviles, aparatos electrónicos, etc.
+ DISPOSITIVO SEMICONDUCTOR
Un dispositivo semiconductor es un componente electrónico que emplea las propiedades electrónicas de los materiales semiconductores, principalmente del silicio, el germanio y el arseniuro de galio, así como de los semiconductores orgánicos. Los dispositivos semiconductores han reemplazado a los dispositivos termoiónicos (tubos de vacío) en la mayoría de las aplicaciones. Usan conducción electrónica en estado sólido, como diferente del estado gaseoso o de la emisión termoiónica en un gran vacío.
Los dispositivos semiconductores se fabrican tanto como dispositivos individuales discretos, como circuitos integrados (CI), que consisten en un número -desde unos pocos (tan pocos como dos) a miles de millones- de dispositivos fabricados e interconectados en un único sustrato semiconductor, también denominado oblea.
Los materiales semiconductores son tan útiles debido a que su comportamiento puede ser fácilmente manipulado por la adición de impurezas, conocidas como dopaje. La conductividad semiconductora puede ser controlada por la introducción de un campo eléctrico o magnético, por la exposición a la luz o el calor, o por deformación mecánica de una rejilla monocristalina dopada; por lo que, los semiconductores pueden ser excelentes sensores. La conducción de corriente en un semiconductor se produce a través de electrones y agujeros móviles o "libres", conocidos conjuntamente como portadores de carga. El dopaje de un semiconductor como el silicio con una pequeña cantidad de átomos de impurezas, tales como el fósforo o boro, aumenta en gran medida el número de electrones o agujeros libres dentro del semiconductor. Cuando un semiconductor dopado contiene huecos en exceso que se llama "tipo p" y cuando contiene un exceso de electrones libres se conoce como de "tipo n", donde p (positivo para agujeros) o n (negativo para electrones) es el signo de los portadores de carga móviles mayoritarios. El material semiconductor que se utiliza en dispositivos se dopa en condiciones muy controladas en una instalación de fabricación, o fab, para controlar con precisión la ubicación y la concentración de dopantes tipo-p y tipo-n. La unión que se forma entre los semiconductores de tipo-n y tipo-p se denominan junturas p-n.
+ SISTEMA EMBEBIDO
Un sistema embebido (también, sistema embarcado o sistema empotrado, sistema integrado, sistema incrustado) es un sistema de computación basado en un microprocesador o un microcontrolador diseñado para realizar una o algunas pocas funciones dedicadas, frecuentemente en un sistema de computación en tiempo real. Al contrario de lo que ocurre con los ordenadores de propósito general (como por ejemplo una computadora personal o PC) que están diseñados para cubrir una amplia gama de necesidades, los sistemas embebidos se diseñan para cubrir necesidades específicas. En un sistema embebido la mayoría de los componentes se encuentran incluidos en la placa base (tarjeta de vídeo, audio, módem, etc.) y muchas veces los dispositivos resultantes no tienen el aspecto de lo que se suele asociar a una computadora. Algunos ejemplos de sistemas embebidos podrían ser dispositivos como un taxímetro, un sistema de control de acceso, la electrónica que controla una máquina expendedora o el sistema de control de una fotocopiadora entre otras múltiples aplicaciones.
Por lo general los sistemas embebidos se pueden programar directamente en el lenguaje ensamblador del microcontrolador o microprocesador incorporado sobre el mismo, o también, utilizando los compiladores específicos, pueden utilizarse lenguajes como C o C++; en algunos casos, cuando el tiempo de respuesta de la aplicación no es un factor crítico, también pueden usarse lenguajes Orientados a Objetos como JAVA.
Puesto que los sistemas embebidos se pueden fabricar por decenas de millares o por millones de unidades, una de las principales preocupaciones es reducir los costes. Los sistemas embebidos suelen usar un procesador relativamente pequeño y una memoria pequeña para ello. Los primeros equipos embebidos que se desarrollaron fueron elaborados por IBM en los años 1980.
Los programas de sistemas embebidos se enfrentan normalmente a tareas de procesamiento en tiempo real.
Existen también plataformas desarrolladas por distintos fabricantes que proporcionan herramientas para el desarrollo y diseño de aplicaciones y prototipos con sistemas embebidos desde ambientes gráficos, algunos ejemplos de estas son: Arduino, mbed, Raspberry Pi, BeagleBone, etc.
-. Componentes
En la parte central se encuentra el microprocesador, microcontrolador, DSP, etc. Es decir, la CPU o unidad que aporta capacidad de cómputo al sistema, pudiendo incluir memoria interna o externa, un micro con arquitectura específica según requisitos.
La comunicación adquiere gran importancia en los sistemas embebidos. Lo normal es que el sistema pueda comunicarse mediante interfaces estándar de cable o inalámbricas. Así un SI normalmente incorporará puertos de comunicaciones del tipo RS-232, RS-485, SPI, I²C, CAN, USB, IP, Wi-Fi, GSM, GPRS, DSRC, etc.
El subsistema de presentación tipo suele ser una pantalla gráfica, táctil, LCD, alfanumérico, etc.
Se denominan actuadores a los posibles elementos electrónicos que el sistema se encarga de controlar. Puede ser un motor eléctrico, un conmutador tipo relé etc. El más habitual puede ser una salida de señal PWM para control de la velocidad en motores de corriente continua
El módulo de E/S analógicas y digitales suele emplearse para digitalizar señales analógicas procedentes de sensores, activar diodos ledes, reconocer el estado abierto cerrado de un conmutador o pulsador, etc.
El módulo de reloj es el encargado de generar las diferentes señales de reloj a partir de un único oscilador principal. El tipo de oscilador es importante por varios aspectos: por la frecuencia necesaria, por la estabilidad necesaria y por el consumo de corriente requerido. El oscilador con mejores características en cuanto a estabilidad y coste son los basados en resonador de cristal de cuarzo, mientras que los que requieren menor consumo son los RC. Mediante sistemas PLL se obtienen otras frecuencias con la misma estabilidad que el oscilador patrón.
El módulo de energía (power) se encarga de generar las diferentes tensiones y corrientes necesarias para alimentar los diferentes circuitos del SE. Usualmente se trabaja con un rango de posibles tensiones de entrada que mediante conversores ac/dc o dc/dc se obtienen las diferentes tensiones necesarias para alimentar los diversos componentes activos del circuito
Además de los conversores ac/dc y dc/dc, otros módulos típicos, filtros, circuitos integrados supervisores de alimentación, etc.
El consumo de energía puede ser determinante en el desarrollo de algunos sistemas embebidos que necesariamente se alimentan con baterías, con lo que el tiempo de uso del SE suele ser la duración de la carga de las baterías.
+ MICROPROCESADORES Y MICROCONTROLADORES
Un microprocesador es una implementación en forma de circuito integrado (IC) de la Unidad Central de Proceso CPU de una computadora. Frecuentemente nos referimos a un microprocesador como simplemente “CPU”, y la parte de un sistema que contiene al microprocesador se denomina subsistema de CPU. Los microprocesadores varían en consumo de potencia, complejidad y coste.
Los subsistemas de entrada/salida y memoria pueden ser combinados con un subsistema de CPU para formar una computadora o sistema embebido completo. Estos subsistemas se interconectan mediante los buses de sistema (formados a su vez por el bus de control, el bus de direcciones y el bus de datos).
El subsistema de entrada acepta datos del exterior para ser procesados mientras que el subsistema de salida transfiere los resultados hacia el exterior. Lo más habitual es que haya varios subsistemas de entrada y varios de salida. A estos subsistemas se les reconoce habitualmente como periféricos de E/S.
El subsistema de memoria almacena las instrucciones que controlan el funcionamiento del sistema. Estas instrucciones comprenden el programa que ejecuta el sistema. La memoria también almacena varios tipos de datos: datos de entrada que aún no han sido procesados, resultados intermedios del procesado y resultados finales en espera de salida al exterior.
Es importante darse cuenta de que los subsistemas estructuran a un sistema según funcionalidades. La subdivisión física de un sistema, en términos de circuitos integrados o placas de circuito impreso (PCB) puede y es normalmente diferente. Un solo circuito integrado (IC) puede proporcionar múltiples funciones, tales como memoria y entrada/salida.
Un microcontrolador (MCU) es un IC que incluye una CPU, memoria y circuitos de E/S. Entre los subsistemas de E/S que incluyen los microcontroladores se encuentran los temporizadores, los convertidores analógico a digital (ADC) y digital a analógico (DAC) y los canales de comunicaciones serie. Estos subsistemas de E/S se suelen optimizar para aplicaciones específicas (por ejemplo, audio, video, procesos industriales, comunicaciones, etc.).
Hay que señalar que las líneas reales de distinción entre microprocesador, microcontrolador y microcomputador en un solo chip están difusas, y se denominan en ocasiones de manera indistinta unos y otros.
En general, un SE (Sistema Electrónico) consiste en un sistema con microprocesador cuyo hardware y software están específicamente diseñados y optimizados para resolver un problema concreto eficientemente. Normalmente un SE interactúa continuamente con el entorno para vigilar o controlar algún proceso mediante una serie de sensores. Su hardware se diseña normalmente a nivel de chips, o de interconexión de PCB, buscando la mínima circuitería y el menor tamaño para una aplicación particular. Otra alternativa consiste en el diseño a nivel de PCB consistente en el ensamblado de placas con microprocesadores comerciales que responden normalmente a un estándar como el PC-104 (placas de tamaño concreto que se interconectan entre sí “apilándolas” unas sobre otras, cada una de ellas con una funcionalidad específica dentro del objetivo global que tenga el SE). Esta última solución acelera el tiempo de diseño pero no optimiza ni el tamaño del sistema ni el número de componentes utilizados ni el coste unitario. En general, un sistema embebido simple contará con un microprocesador, memoria, unos pocos periféricos de E/S y un programa dedicado a una aplicación concreta almacenado permanentemente en la memoria. El término embebido o empotrado hace referencia al hecho de que el microcomputador está encerrado o instalado dentro de un sistema mayor y su existencia como microcomputador puede no ser aparente. Un usuario no técnico de un sistema embebido puede no ser consciente de que está usando un sistema computador. En algunos hogares las personas, que no tienen por qué ser usuarias de una computadora personal estándar (PC), utilizan del orden de diez o más sistemas embebidos cada día.
Las microcomputadoras en estos sistemas controlan electrodomésticos tales como: televisores, videos, lavadoras, alarmas, teléfonos inalámbricos, etc. Incluso una PC tiene sistemas embebidos en el monitor, impresora, y periféricos en general, adicionales a la CPU de la propia PC. Un automóvil puede tener hasta un centenar de microprocesadores y microcontroladores que controlan cosas como la ignición, transmisión, dirección asistida, frenos antibloqueo (ABS), control de la tracción, etc.
Los sistemas embebidos se caracterizan normalmente por la necesidad de dispositivos de E/S especiales. Cuando se opta por diseñar el sistema embebidos partiendo de una placa con microcomputador también es necesario comprar o diseñar placas de E/S adicionales para cumplir con los requisitos de la aplicación concreta.
Muchos sistemas embebidos son sistemas de tiempo real. Un sistema de tiempo real debe responder, dentro de un intervalo restringido de tiempo, a eventos externos mediante la ejecución de la tarea asociada con cada evento. Los sistemas de tiempo real se pueden caracterizar como blandos o duros. Si un sistema de tiempo real blando no cumple con sus restricciones de tiempo, simplemente se degrada el rendimiento del sistema, pero si el sistema es de tiempo real duro y no cumple con sus restricciones de tiempo, el sistema fallará. Este fallo puede tener posiblemente consecuencias catastróficas.
Un sistema embebido complejo puede utilizar un sistema operativo como apoyo para la ejecución de sus programas, sobre todo cuando se requiere la ejecución simultánea de los mismos. Cuando se utiliza un sistema operativo lo más probable es que se tenga que tratar de un sistema operativo de tiempo real (RTOS), que es un sistema operativo diseñado y optimizado para manejar fuertes restricciones de tiempo asociadas con eventos en aplicaciones de tiempo real. En una aplicación de tiempo real compleja la utilización de un sistema operativo de tiempo real multitarea puede simplificar el desarrollo del software.
-. Arquitecturas
Arquitectura básica
Una PC embebida posee una arquitectura semejante a la de un PC. Brevemente estos son los elementos básicos:
-. Microprocesador
Es el encargado de realizar las operaciones de cálculo principales del sistema. Ejecuta código para realizar una determinada tarea y dirige el funcionamiento de los demás elementos que le rodean, a modo de director de una orquesta.
-. Memoria
En ella se encuentra almacenado el código de los programas que el sistema puede ejecutar así como los datos. Su característica principal es que debe tener un acceso de lectura y escritura lo más rápido posible para que el microprocesador no pierda tiempo en tareas que no son meramente de cálculo. Al ser volátil el sistema requiere de un soporte donde se almacenen los datos incluso sin disponer de alimentación o energía.
-. Caché
Memoria más rápida que la principal en la que se almacenan los datos y el código accedido últimamente. Dado que el sistema realiza microtareas, muchas veces repetitivas, la caché hace ahorrar tiempo ya que no hará falta ir a memoria principal si el dato o la instrucción ya se encuentra en la caché. Dado su alto precio tiene un tamaño muy inferior (8-512 KB) con respecto a la principal (8-256 MB). En el interior del chip del microprocesador se encuentra una pequeña caché (L1), pero normalmente se tiene una mayor en otro chip de la placa madre (L2).
-. Disco duro
En él la información no es volátil y además puede conseguir capacidades muy elevadas. A diferencia de la memoria que es de estado sólido este suele ser magnético. Pero su excesivo tamaño a veces lo hace inviable para PC embebidas, con lo que se requieren soluciones como unidades de estado sólido. Otro problema que presentan los dispositivos magnéticos, a la hora de integrarlos en sistemas embebidos, es que llevan partes mecánicas móviles, lo que los hace inviables para entornos donde estos estarán expuestos a ciertas condiciones de vibración. Existen en el mercado varias soluciones de esta clase (DiskOnChip, CompactFlash, IDE Flash Drive, etc.) con capacidades suficientes para la mayoría de sistemas embebidos (desde 2 MB hasta más de 1 GB). El controlador del disco duro de PC estándar cumple con el estándar IDE y es un chip más de la placa madre.
-. Disco flexible
Su función era la de almacenamiento, pero con discos con capacidades mucho más pequeñas y la ventaja de su portabilidad. Normalmente se encontraban en computadora personal estándar pero no así en una PC embebida. A 2016, llevan varios años en total desuso en PC comunes.
-. BIOS-ROM
BIOS (Basic Input & Output System, sistema básico de entrada y salida) es código que es necesario para inicializar la computadora y para poner en comunicación los distintos elementos de la placa madre. La ROM (Read Only Memory, memoria de solo lectura no volátil) es un chip donde se encuentra el código BIOS.
-. CMOS-RAM
Es un chip de memoria de lectura y escritura alimentado con una pila donde se almacena el tipo y ubicación de los dispositivos conectados a la placa madre (disco duro, puertos de entrada y salida, etc.). Además contiene un reloj en permanente funcionamiento que ofrece al sistema la fecha y la hora.
-. Chipset
Chip que se encarga de controlar las interrupciones dirigidas al microprocesador, el acceso directo a memoria (DMA) y al bus ISA, además de ofrecer temporizadores, etc. Es frecuente encontrar la CMOS-RAM y el reloj de tiempo real en el interior del Chip Set.
-. Entradas al sistema
Pueden existir puertos para mouse, teclado, vídeo en formato digital, comunicaciones serie o paralelo, etc.
-. Salidas del sistema
Puertos de vídeo para monitor o televisión, pantallas de cristal líquido, altavoces, comunicaciones serie o paralelo, etc.
-. Ranuras de expansión para tarjetas de tareas específicas
Que pueden no venir incorporadas en la placa madre, como pueden ser más puertos de comunicaciones, acceso a red de computadoras vía LAN (Local Area Network, red de área local) o vía red telefónica: básica, RDSI (Red Digital de Servicios Integrados), ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Loop, Lazo Digital Asíncrono del Abonado), Cablemódem, etc. Un PC estándar suele tener muchas más ranuras de expansión que una PC embebida. Las ranuras de expansión están asociadas a distintos tipos de bus: VESA, ISA, PCI, NLX (ISA + PCI), etc.
Existen fabricantes que integran un microprocesador y los elementos controladores de los dispositivos fundamentales de entrada y salida en un mismo chip, pensando en las necesidades de los sistemas embebidos (bajo coste, pequeño tamaño, entradas y salidas específicas, etc.). Su capacidad de proceso suele ser inferior a los procesadores de propósito general pero cumplen con su cometido ya que los sistemas donde se ubican no requieren tanta potencia. Los principales fabricantes son STMicroelectronics (familia de chips STPC), AMD (familia Geode), Motorola (familia ColdFire) e Intel.
En cuanto a los sistemas operativos necesarios para que un sistema basado en microprocesador pueda funcionar y ejecutar programas suelen ser específicos para los sistemas embebidos. Así nos encontramos con sistemas operativos de bajos requisitos de memoria, posibilidad de ejecución de aplicaciones de tiempo real, modulares (inclusión solo de los elementos necesarios del sistema operativo para el sistema embebido concreto), etc. Los más conocidos en la actualidad son Windows CE, QNX y VxWorks de WindRiver.
-. Aplicaciones
En una fábrica, para controlar un proceso de montaje o producción. Una máquina que se encargue de una determinada tarea puede contener numerosos circuitos electrónicos y eléctricos para el control de motores, hornos, etc. que deben ser gobernados por un procesador, el cual ofrece una interfaz persona–máquina para ser dirigido por un operario e informarle al mismo de la marcha del proceso.
Puntos de servicio o venta (POS, point of sale). Las cajas donde se paga la compra en un supermercado son cada vez más completas, integrando teclados numéricos, lectores de códigos de barras mediante láser, lectores de tarjetas bancarias de banda magnética o chip, pantalla alfanumérica de cristal líquido, etc. El sistema embebido en este caso requiere numerosos conectores de entrada y salida y unas características robustas para la operación continuada.
Puntos de información al ciudadano. En oficinas de turismo, grandes almacenes, bibliotecas, etc. existen equipos con una pantalla táctil donde se puede pulsar sobre la misma y elegir la consulta a realizar, obteniendo una respuesta personalizada en un entorno gráfico amigable.
Decodificadores y set-top boxes para la recepción de televisión. Cada vez existe un mayor número de operadores de televisión que aprovechando las tecnologías vía satélite y de red de cable ofrecen un servicio de televisión de pago diferenciado del convencional. En primer lugar envían la señal en formato digital MPEG-2 con lo que es necesario un procesado para decodificarla y mandarla al televisor. Además viaja cifrada para evitar que la reciban en claro usuarios sin contrato, lo que requiere descifrarla en casa del abonado. También ofrecen un servicio de televisión interactiva o web-TV que necesita de un software específico para mostrar páginas web y con ello un sistema basado en procesador con salida de señal de televisión.
Sistemas radar de aviones. El procesado de la señal recibida o reflejada del sistema radar embarcado en un avión requiere alta potencia de cálculo además de ocupar poco espacio, pesar poco y soportar condiciones extremas de funcionamiento (temperatura, presión atmosférica, vibraciones, etc.).
* Equipos de medicina en hospitales y ambulancias UVI móvil.
* Máquinas de revelado automático de fotos.
* Cajeros automáticos.
* Pasarelas (Gateways) Internet-LAN.
Y un sinfín de posibilidades aún por descubrir o en estado embrionario como son las neveras inteligentes que controlen su suministro vía Internet, PC de bolsillo, etc.
- Ventajas
Los equipos industriales de medida y control tradicionales están basados en un microprocesador con un sistema operativo privativo o específico para la aplicación correspondiente. Dicha aplicación se programa en ensamblador para el microprocesador dado o en lenguaje C, realizando llamadas a las funciones básicas de ese sistema operativo que en ciertos casos ni siquiera llega a existir. Con los modernos sistemas PC embebida basados en microprocesadores i486 o i586 se llega a integrar el mundo del PC compatible con las aplicaciones industriales. Ello implica numerosas ventajas:
Posibilidad de utilización de sistemas operativos potentes que ya realizan numerosas tareas: comunicaciones por redes de datos, soporte gráfico, concurrencia con lanzamiento de hilos, etc. Estos sistemas operativos pueden ser los mismos que para PC compatibles (Linux, Windows, MS-DOS) con fuertes exigencias en hardware o bien ser una versión reducida de los mismos con características orientadas a los PC embebidos.
Al utilizar dichos sistemas operativos se pueden encontrar fácilmente herramientas de desarrollo software potentes así como numerosos programadores que las dominan, dada la extensión mundial de las aplicaciones para PC compatibles.
Reducción en el precio de los componentes hardware y software debido a la gran cantidad de PC en el mundo.
-. Electrónica de audio
La electrónica de audio o audioelectrónica es la implementación de diseños de circuitos electrónicos para realizar las conversiones de señales de ondas de sonido/presión a señales eléctricas o viceversa.
Los circuitos electrónicos considerados una parte de la electrónica de audio también se pueden diseñar para lograr ciertos operaciones de procesamientos de señal, con el fin de hacer alteraciones particulares de la señal mientras se encuentra en la forma eléctrica.
-. Telecomunicación
Una telecomunicación es toda transmisión y recepción de señales de cualquier naturaleza, típicamente electromagnéticas, que contengan signos, sonidos, imágenes o, en definitiva, cualquier tipo de información que se desee comunicar a cierta distancia.
Por metonimia, también se denomina telecomunicación (o telecomunicaciones, indistintamente) nota a la disciplina que estudia, diseña, desarrolla y explota aquellos sistemas que permiten dichas comunicaciones; de forma análoga, la ingeniería de telecomunicaciones resuelve los problemas técnicos asociados a esta disciplina.
Las telecomunicaciones son una infraestructura básica del contexto actual. La capacidad de poder comunicar cualquier orden militar o política de forma casi instantánea ha sido radical en muchos acontecimientos históricos de la Edad Contemporánea —el primer sistema de telecomunicaciones moderno aparece durante la Revolución Francesa—. Pero además, la telecomunicación constituye hoy en día un factor social y económico de gran relevancia. Así, estas tecnologías adquieren una importancia como su utilidad en conceptos de la globalización o la sociedad de la información y del conocimiento; que se complementa con la importancia de las mismas en cualquier tipo de actividad mercantil, económico-financiera, profesional y empresarial. Los medios de comunicación de masas también se valen de las telecomunicaciones para compartir contenidos al público, de gran importancia a la hora de entender el concepto de sociedad de masas.
La telecomunicación incluye muchas tecnologías como la radio, televisión, teléfono y telefonía móvil, comunicaciones de datos, redes informáticas, Internet, radionavegación o GPS o telemetría. Gran parte de estas tecnologías, que nacieron para satisfacer necesidades militares o científicas, ha convergido en otras enfocadas a un consumo no especializado llamadas tecnologías de la información y la comunicación, de gran importancia en la vida diaria de las personas, las empresas o las instituciones estatales y políticas. Es por este contexto que la tendencia actual es la comunión de la telecomunicación con otras disciplinas como la informática, la electrónica o la telemática para diseñar y ofrecer estos productos y servicios, lo suficientemente complejos y multidisciplinares como para que la frontera entre la aportación de dichas disciplinas no sea percibida por las personas —a pesar de que un informático, un eléctrico y un telecomunicador tengan distintos ámbitos disciplinarios—.
-. Etimología y evolución del término
El término «telecomunicación» tiene su origen en el francés Télécommunication, palabra que inventó el ingeniero Édouard Estaunié al añadir a la palabra latina communicare —compartir— el prefijo griego tele-, que significa distancia. Con este término pretendía usar una misma palabra para denominar a la «transmisión del conocimiento a distancia mediante el uso de la electricidad», que hasta ese momento era la telegrafía y la telefonía, y lo publicó por primera vez en Traité Practique de Télécommunication Électrique (Télégraphie-Téléphonie) de 1904.
El castellano asimiló con éxito el préstamo en varios ámbitos de la vida pública, académica, política y empresarial. Ya en el 1907 se impartía una asignatura de «telecomunicación» en la Escuela Oficial de Telegrafía de Madrid con los contenidos de telefonía, telegrafía, radiotelegrafía y radiotelefonía; y en el año 1920 Juan Antonio Galvarriato publicó El Correo y la Telecomunicación en España. La vida política también se habituó a usar el término y, en 1921, el gobierno de Manuel Allendesalazar solicitó un ambicioso plan de ampliación de los «servicios de Telecomunicación», que si bien nunca llegó a materializarse debido al Desastre de Annual, demuestra el uso del término en castellano. De hecho, en esa época «telecomunicación» era sinónimo de modernidad, por lo que se incorporó al nombre de muchas compañías de la época como la "Compañía Ibérica de Telecomunicación" de Antonio Castilla López en 1916 o la "Compañía de Telecomunicación y Electricidad" en 1919.
La consolidación real del término a nivel internacional llegó con la constitución de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) en la Conferencia de Madrid de 1932, en la que se definió «telecomunicación» como «toda comunicación telegráfica o telefónica de signos, señales, escritos, imágenes y sonidos de cualquier naturaleza, por hilos, radio u otros sistemas o procedimientos eléctrica o visual (semáforos)». El avance de la telecomunicación acabó por dejar desfasada esta definición y, en el actual Reglamento de Radiocommunicaciones, se redefine el término:
« Telecomunicación: Toda transmisión, emisión o recepción de signos, señales, escritos, imágenes, sonidos o informaciones de cualquier naturaleza por hilo, radioelectricidad, medios ópticos u otros sistemas electromagnéticos (CS).
+ NANOELECTRÓNICA
La nanoelectrónica se refiere al uso de la nanotecnología en componentes electrónicos, especialmente en transistores. Aunque el término nanotecnología se usa normalmente para definir la tecnología de menos de 100 nm de tamaño, la nanoelectrónica se refiere, a menudo, a transistores de tamaño tan reducido que se necesita un estudio más exhaustivo de las interacciones interatómicas y de las propiedades mecánico-cuánticas. Es por ello que transistores actuales (como por ejemplo CMOS90 de TSMC o los procesadores Pentium 4 de Intel), no son listados en esta categoría, a pesar de contar con un tamaño menor que 90 o 65 nm.
A los dispositivos nanoelectrónicos se les considera una tecnología disruptiva ya que los ejemplos actuales son sustancialmente diferentes que los transistores tradicionales. Entre ellos, cabe destacar la electrónica de semiconductores de moléculas híbridas, nanotubos / nanohilos de una dimensión o la electrónica molecular avanzada.
El sub-voltaje y la nanoelectrónica de sub-voltaje profundo son campos específicos e importantes de I+D, y la aparición de nuevos circuitos integrados operando a un nivel de consumo energético por procesamiento de un bit próximo al teórico (fundamental, tecnológico, diseño metodológico, arquitectónico, algorítmico) es inevitable. Una aplicación de importancia que pueda beneficiarse finalmente de esta tecnología, en lo referente a operaciones lógicas, es la computación reversible.
Aunque todas estas actividades son muy prometedoras aún están bajo desarrollo y no van a estar disponibles en el mercado en un futuro próximo. Por ejemplo, se estima que el proceso de reducción de transistores de 22 nm a 16 nm será de 6 años, en vez de 2 como habitualmente se tarda en reducir. Puesto que el silicio no opera bien a menos de 22 nm, tiene que investigarse otro método como uso de grafeno o High-K.
-. Nanofabricación
Por ejemplo, transistor de un electrón (basado en el principio de bloqueo de Coulomb), que involucran la operación de un transistor con un único electrón. Los sistemas nanoelectromecánicos también pertenecen a esta categoría.
La nanofabricación puede ser usada para fabricar vectores paralelos de nanohilos ultradensos, como una alternativa a la síntesis individual de nanohilos.
-. Electrónica de nanomateriales
Además de ser diminutos y permitir a un mayor número de transistores ser agrupados en un único chip, la estructura uniforme y simétrica de nanotubos permite una mayor movilidad de electrones, una constante dieléctrica mayor (mayor frecuencia) y una característica simétrica electrón/hueco.
Las nanopartículas también pueden usarse como punto cuántico.
-. Electrónica molecular
Los dispositivos unimoleculares son una posibilidad adicional. Estas estructuras harían un uso importante de autoensamblaje molecular, diseñando los subcomponentes para la construcción de una estructura mayor o incluso un sistema completo por sí solo. Esto puede ser muy útil para computación reconfigurable, y podría incluso reemplazar la tecnología actual de FPGA.
La electrónica molecular es una nueva tecnología que se encuentra en su fase inicial, pero es alentadora para la consecución de verdaderos sistemas de electrónica molecular en el futuro. Una de las aplicaciones de electrónica molecular más prometedoras fue propuesta por Ari Aviram, investigador de IBM, y por Mark Ratner, químico teórico en sus publicaciones de 1974 y 1988 Molecules for Memory, Logic and Amplification (al español, Moléculas para Memoria, Lógica y Amplificación).
Este es un de los múltiples caminos en los que un diodo / transistor a nivel molecular podría sintetizarse por la química orgánica. Se ha propuesto un sistema modelo con una estructura de carbón spiro con un diodo molecular de una longitud a lo largo de aproximadamente medio nanómetro, que podría conectarse con cables moleculares de politiofeno. Cálculos teóricos mostraron que el diseño es, en principio, válido y que hay esperanzas de que un sistema así pueda funcionar.
-. Otras aproximaciones
La tecnología nanoiónica estudia el transporte de iones en lugar de electrones en sistemas a nanoescala.
La tecnología nanofotónica estudia el comportamiento de luz a nanoescala, desarrollando dispositivos que se basen en este comportamiento.
-. Dispositivos nanoelectrónicos
* Radios
Se han desarrollado nanoradios basados en nanotubos de carbón.
* Computadores
La nanoelectrónica promete ayudar a crear CPUs más potentes que los que puedan fabricarse con técnicas de fabricación de circuitos integrados convencionales. Actualmente se están investigando una seria de posibilidades incluyendo nuevas formas de nanolitografía, así como el uso de nanomateriales tales como nanohilos o pequeñas moléculas, en lugar de los tradicionales componentes de tecnología CMOS. Los transistores de efecto campo han hecho uso de ambos, semiconductores de nanotubos de carbón y semiconductores de nanohilos heteroestructurados.
* Producción energética
Se está investigando la posibilidad de usar nanocables y otros materiales a nanoescala con la esperanza de crear células solares más baratas y eficientes que las que son posibles con células solares planas de silicio. Se da por hecho que una tecnología solar más eficiente sería de gran importancia para satisfacer las necesidades globales de energía.
También se está investigando la producción energética para dispositivos que operarían in vivo, denominados bio-nano generadores.
- Diagnosis médica
Hay un enorme interés en crear dispositivos nanoeléctricos que puedan detectar concentraciones de biomoleculas en tiempo real para su uso en la diagnosis médica, es por ello por lo que surge el concepto de nanomedicina. Una línea paralela de investigación persigue la creación de dispositivos nanoelectrónicos que puedan interactuar con células individuales para su uso en la investigación biológica básica. A estos dispositivos se les denomina nanosensores. Una miniturización a esta escala respecto a sensores proteomicos 'in vivo permitiría nuevos avances en el seguimiento de la salud y en tecnologías militares y de vigilancia
+ BIOELECTRÓNICA
La bioelectrónica es un campo de investigación que converge la biología y la electrónica. En el campo de la medicina, implica la estimulación electrónica del sistema nervioso como medio para curar enfermedades.1
- Definiciones
Un ribosoma es una máquina molecular que utiliza la dinámica de las proteínas.
En el primer seminario de la C.E.C., celebrado en Bruselas en noviembre de 1991, se definió a la bioelectrónica como "el uso de materiales biológicos y arquitecturas biológicas para sistemas de procesamiento de información y nuevos dispositivos". La bioelectrónica, específicamente la electrónica biomolecular, se describió como "la investigación y el desarrollo de materiales orgánicos e inorgánicos de inspiración biológica y de arquitecturas de hardware de inspiración biológica para la aplicación de nuevos sistemas de procesamiento de información, sensores y actuadores, y para la fabricación molecular hasta la escala atómica". El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), una agencia del Departamento de Comercio de los Estados Unidos, definió la bioelectrónica en un informe de 2009 como "la disciplina resultante de la convergencia de la biología y la electrónica".
Entre las fuentes de información sobre este campo se encuentran el Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IEEE) con su revista científica Biosensors and Bioelectronics publicada desde 1990 por la editorial Elsevier. La revista describe el alcance de la bioelectrónica como buscando: "[...] explotar la biología en conjunción con la electrónica en un contexto más amplio que abarque, por ejemplo, las células de combustible biológico, la biónica y los biomateriales para el procesamiento de información, el almacenamiento de información, los componentes electrónicos y los actuadores. Un aspecto clave es la conexión entre los materiales biológicos y la micro y nanoelectrónica".
-. Historia
El primer estudio conocido de la bioelectrónica tuvo lugar en el siglo xviii, cuando el científico Luigi Galvani aplicó un voltaje a un par de ancas de rana desprendidas. Las patas se movieron, desencadenando el inicio de la bioelectrónica. La tecnología electrónica se ha aplicado a la biología y la medicina desde que se inventó el marcapasos y con la industria de sistemas de diagnóstico por imagen. En 2009, una investigación sobre las publicaciones que utilizaban el término en el título o en el resumen sugería que el centro de actividad estaba en Europa (43%), seguido por Asia (23%) y los Estados Unidos (20%).
-. Materiales
La bioelectrónica orgánica es la aplicación de material orgánico electrónico al campo de la bioelectrónica. Los materiales orgánicos (es decir, que contienen carbono) son muy prometedores cuando se trata de interactuar con los sistemas biológicos. Las aplicaciones actuales se centran en la neurociencia y las infecciones.
Los recubrimientos con polímeros conductores, un material electrónico orgánico, muestran una mejora masiva en la tecnología de los materiales. Era la forma más sofisticada de estimulación eléctrica. Mejoró la impedancia de los electrodos en la estimulación eléctrica, resultando en mejores resultados y reduciendo las "reacciones electroquímicas secundarias dañinas". Los Transistores Electroquímicos Orgánicos (OECT, siglas en inglés), inventados en 1984 por Mark Wrighton junto a sus colegas, tenían la capacidad de transportar iones. Esto mejoró la relación señal-ruido y da una baja medida de la impedancia. La Bomba Electrónica de Iones Orgánicos (OEIP), un dispositivo que podría ser usado para apuntar a partes específicas del cuerpo y órganos para aplicar la medicina, fue creado por Magnuss Berggren.
Como uno de los pocos materiales bien establecidos en la tecnología CMOS, el nitruro de titanio (TiN) resultó ser excepcionalmente estable y muy adecuado para aplicaciones de electrodos en implantes médicos.
-. Tarjeta de circuito impreso
Edison fue el primero que observó en 1883 la emisión termoiónica o efecto Edison, 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 ingeniero británico sir John Ambrose Fleming (1849-1945) aplicó el efecto Edison a un tubo para detectar las ondas hertzianas e inventó así el diodo, primer tubo electrónico en el que se había hecho el vacío y en cuyo interior existía un ánodo (electrodo positivo) y un cátodo (electrodo negativo). Al alcanzar el estado de incandescencia, el cátodo emitía electrones con carga negativa que eran atraídos por el ánodo; es decir, el diodo actuaba como una válvula que solo dejaba pasar la corriente en un sentido.
El otro gran paso lo dio Lee De Forest cuando inventó el triodo en 1906.4 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 se podía 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 a 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 voltajes 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 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 mitos5 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 procesamiento, 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 fotoresistencia 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.
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 termopar, 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 Eléctricas
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 entre sí.
En electrónica se trabaja con variables que toman la forma de tensión o corriente estas se pueden denominar 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.
-. Voltaje
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
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 voltajes continuas o alternas, las corrientes también pueden ser continuas o alternas, dependiendo del tipo de voltaje que se utiliza para generar estos flujos de corriente.
-. Resistencia
Es la propiedad física mediante la cual los materiales tienden a oponerse al flujo de la corriente. La unidad de este parámetro es el ohmio (O). 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 continua
* De corriente alterna
* Mixtos
* Serie
* Paralelo
* Mixtos
* Circuitos analógicos
La mayoría de los aparatos electrónicos de analógica, como los receptores de radio, se construyen a partir de combinaciones de unos pocos tipos de circuitos básicos. Los circuitos analógicos utilizan un rango continuo de voltaje o corriente en lugar de niveles discretos como en los circuitos digitales.
El número de circuitos analógicos diferentes que se han ideado hasta ahora es enorme, sobre todo porque un "circuito" puede definirse como cualquier cosa, desde un solo componente hasta sistemas que contienen miles de componentes.
Los circuitos analógicos se denominan a veces circuitos lineales aunque se utilizan muchos efectos no lineales en los circuitos analógicos, como mezcladores, moduladores, etc. Algunos buenos ejemplos de circuitos analógicos son los amplificadores de tubos de vacío y transistores, los amplificadores operacionales y los osciladores.
Rara vez se encuentran circuitos modernos que sean totalmente analógicos. Hoy en día, los circuitos analógicos pueden utilizar técnicas digitales o incluso de microprocesador para mejorar su rendimiento. Este tipo de circuito suele denominarse "de señal mixta" en lugar de analógico o digital.
A veces puede resultar difícil diferenciar los circuitos analógicos de los digitales, ya que tienen elementos de funcionamiento tanto lineal como no lineal. Un ejemplo es el comparador, que recibe un rango continuo de tensión pero solo emite uno de los dos niveles de un circuito digital. Del mismo modo, un amplificador de transistor sobrecargado puede adoptar las características de un interruptor controlado que tiene esencialmente dos niveles de salida. De hecho, muchos circuitos digitales se implementan como variaciones de circuitos analógicos similares a este ejemplo... después de todo, todos los aspectos del mundo físico real son esencialmente analógicos, por lo que los efectos digitales solo se realizan restringiendo el comportamiento analógico.
+ CIRCUITOS DIGITALES
Los circuitos digitales son circuitos eléctricos basados en un número de niveles de tensión discretos. Los circuitos digitales son la representación física más común del álgebra booleana, y son la base de todos los ordenadores digitales. Para la mayoría de los ingenieros, los términos "circuito digital", "sistema digital" y "lógica" son intercambiables en el contexto de los circuitos digitales. La mayoría de los circuitos digitales utilizan un sistema binario con dos niveles de tensión denominados "0" y "1". A menudo, el "0" lógico es un voltaje más bajo y se denomina "Bajo", mientras que el "1" lógico se denomina "Alto". Sin embargo, algunos sistemas utilizan la definición inversa ("0" es "Alto") o se basan en la corriente. A menudo, el diseñador de la lógica puede invertir estas definiciones de un circuito a otro, según le convenga para facilitar su diseño. La definición de los niveles como "0" o "1" es arbitraria.
La lógica ternaria (con tres estados) (con tres estados) se ha estudiado la lógica, y se han hecho algunos prototipos de ordenadores.
Los ordenadores, los relojes electrónicos y los controladores lógicos programables, utilizados para controlar los procesos industriales, están construidos con circuitos digitales. Los Procesadores de señales digitales son otro ejemplo.
-. Disipación de calor y gestión térmica
El calor generado por los circuitos electrónicos debe disiparse para evitar fallos inmediatos y mejorar la fiabilidad a largo plazo. La disipación del calor se consigue principalmente por conducción/convección pasiva. Los medios para lograr una mayor disipación incluyen disipador de calor y ventiladores para la refrigeración por aire, y otras formas de refrigeración de ordenadores como la refrigeración líquida. Estas técnicas utilizan la convección, la conducción y la radiación de la energía térmica.
-. Ruido
El ruido electrónico se define6 como «las perturbaciones no deseadas superpuestas a una señal útil que tienden a oscurecer su contenido informativo». El ruido no es lo mismo que la distorsión de la señal causada por un circuito. El ruido está asociado a todos los circuitos electrónicos. El ruido puede ser generado electromagnéticamente o térmicamente, lo que puede disminuirse bajando la temperatura de funcionamiento del circuito. Otros tipos de ruido, como el ruido de disparo no pueden eliminarse, ya que se deben a limitaciones en las propiedades físicas.
.- Teoría de la electrónica
Los métodos matemáticos son parte integral del estudio de la electrónica. Para llegar a dominar la electrónica es necesario también dominar las matemáticas del análisis de circuitos.
El análisis de circuitos es el estudio de los métodos de resolución de sistemas generalmente lineales para variables desconocidas, como el voltaje en un determinado nodo o la corriente a través de un determinado camino de un red. Una herramienta analítica habitual para ello es el simulador de circuitos SPICE.
También es importante para la electrónica el estudio y la comprensión de la teoría del campo electromagnético.
-. Laboratorio de electrónica
Debido a la compleja naturaleza de la teoría de la electrónica, la experimentación en el laboratorio es una parte importante del desarrollo de dispositivos electrónicos. Estos experimentos se utilizan para probar o verificar el diseño del ingeniero y detectar errores. Históricamente, los laboratorios de electrónica han consistido en dispositivos y equipos electrónicos ubicados en un espacio físico, aunque en años más recientes la tendencia ha sido hacia el software de simulación de laboratorios de electrónica, como CircuitLogix, Multisim y PSpice.
-. Diseño asistido por ordenador (CAD)
Los ingenieros electrónicos actuales tienen la capacidad de diseñar circuitos utilizando bloques de construcción prefabricados como fuentes de alimentación, semiconductores (es decir, dispositivos semiconductores, como transistores) y circuitos integrados. Los programas de software de automatización del diseño electrónico incluyen programas de captura de esquemas y programas de diseño de circuitos impresos. Los nombres más populares en el mundo del software EDA son NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB y Schematic, Mentor (PADS PCB y LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad y muchos otros.
-. Métodos de embalaje
A lo largo de los años se han utilizado muchos métodos diferentes para conectar los componentes. Por ejemplo, la electrónica primitiva utilizaba a menudo cableado punto a punto con componentes fijados a tableros de madera para construir circuitos. Otros métodos utilizados eran el Cordwood construction y el wire wrap. En la actualidad, la mayoría de los aparatos electrónicos utilizan placas de circuito impreso fabricadas con materiales como FR4, o el más barato (y menos resistente) papel aglomerado con resina sintética (SRBP, también conocido como Paxoline/Paxolin (marcas comerciales) y FR2), caracterizado por su color marrón. La preocupación por la salud y el medio ambiente en relación con el ensamblaje de productos electrónicos ha aumentado en los últimos años, especialmente en el caso de los productos destinados a la Unión Europea.
- Diseño de sistemas electrónicos
El diseño de sistemas electrónicos se ocupa de las cuestiones de diseño multidisciplinar de dispositivos y sistemas electrónicos complejos, como los teléfonos móviles y los ordenadores. El tema abarca un amplio espectro, desde el diseño y el desarrollo de un sistema electrónico hasta el aseguramiento de su correcto funcionamiento, vida útil y reciclaje.7 El diseño de sistemas electrónicos es, por tanto, el proceso de definición y desarrollo de dispositivos electrónicos complejos para satisfacer los requisitos especificados del usuario.
- 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 o batería: acumulador de energía eléctrica.
* Transductor: transformación de una magnitud física en una eléctrica.
* Visualizador: muestra de datos o imágenes.
* Dispositivos analógicos (algunos ejemplos)
* Amplificador operacional: amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación.
* Capacitor: 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: 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.
* Compuerta lógica: control de sistemas combinacionales.
* Dispositivos de potencia
* DIAC: control de potencia.
* Fusible: protección contra sobre-corrientes.
* Tiristor: interruptor semiconductor para el control de potencia.
* Transformador: elevar o disminuir voltajes, corrientes, e impedancia aparente.
* Rectificador controlado de silicio (SCR).
* Triac: control de potencia.
* Varistor: protección contra sobre-voltajes.
-. 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 se presenta una lista de los 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 MO) 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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