Circuitos integrados

Hola alumnos/as, en esta entrada estudiaremos los circuitos integrados, mencionaremos los integrados más importantes y comercializados. Además veremos la evolución que han sufrido dichos integrados, así como el proceso que se lleva a cabo para su fabricación.

Los circuitos integrados o microchips son circuitos electrónicos miniaturizados en los que se pueden acumular miles de componentes electrónicos encapsulados, como transistores o diodos. Hay circuitos integrados que están diseñados para realizar una determinada función. Otros, en cambio, pueden ser programados por ordenador y adaptarse para realizar una gran variedad de tareas. Los circuitos integrados se caracterizan porque:

• Realizan operaciones lógicas: son como las neuronas de nuestro cerebro, es decir, reciben y envían impulsos eléctricos.

• Tienen patillas, que son los terminales de los distintos dispositivos electrónicos que tienen integrados.

• Necesitan ser alimentados con tensión para que puedan funcionar.

• Se identifican con un número grabado y con una muesca que permite diferenciar cada terminal.

Entre los circuitos integrados más usados se encuentran:

• Los reguladores de tensión.

• El 555, que se usa para realizar temporizadores.

• Los amplificadores operacionales.

• Par Darlington (Con el que se aumentan las ganancias de los transistores).

• El L293B, que permite amplificar las señales procedentes de un microcontrolador para activar un motor eléctrico.

• Las puertas lógicas.

El circuito integrado o chip significó el avance en el mundo de la electrónica y permitió la miniaturización de los componentes electrónicos. En un chip se agrupan sobre una lámina de material semiconductor varios componentes electrónicos que cumplen una función determinada, como por ejemplo amplificar una señal.

El primer circuito integrado fue desarrollado en el año 1958 por Jack Kilby para la famosa compañía Texas Instruments, este circuito sólo tenía un transistor y su tamaño era parecido al de una moneda. Supuso un avance tan importante que se le concedió el premio Nobel de Física.

Los chips que se fabrican actualmente incorporan millones de transistores y cada vez se colocan más componentes en menos espacio (Ley de Moore), esto obliga a trabajar cada vez con medidas más pequeñas, inferiores a 1 milésima de milímetro  (unas 20 veces más delgado que un cabello), por lo que para fabricarlos son necesarios unos equipos y condiciones especiales.

El proceso de fabricación de los circuitos integrados es el siguiente:

1. Diseño del circuito integrado.
2. Proceso fotolitográfico para copiar el diseño del circuito sobre una oblea de silicio.
3. Transferencia del circuito sobre la oblea. Caben muchos circuitos sobre una misma oblea.
4. Corte de los circuitos integrados.
5. Soldadura de los terminales del circuito.
6. Montaje sobre el encapsulado de protección.

Aquí tenéis un interesante vídeo sobre como se lleva a cabo el proceso de fabricación de circuitos integrados.

Puertas lógicas

Hola, en esta entrada vamos a estudiar las puertas lógicas que existen en electrónica digital para poder llevar a cabo la implementación de circuitos electrónicos. En concreto veremos los tipos de puertas lógicas, las familias lógicas que existen y como se comercializan dichas puertas.

Como ya vimos en la entrada anterior, las puertas lógicas son circuitos electrónicos especializados en realizar operaciones booleanas. Las puertas lógicas básicas son las tres correspondientes a las operaciones definidas en el álgebra de Boole: se llaman AND, OR y NOT. Que corresponden respectivamente a las siguientes operaciones:

• Multiplicación→ AND

• Suma→OR

• Negación→NOT

Además de estas, existen otras puertas lógicas. La siguiente tabla recoge las más usadas, su simbología y la tabla de verdad asociada.

En este enlace podemos ver un vídeo explicativo del funcionamiento de las puertas lógicas mencionadas anteriormente.

Las primeras puertas lógicas se hicieron con relés. Después con válvulas de vacío y finalmente con transistores (De ahí la importancia que tiene este componente en la electrónica). Actualmente dependiendo de los transistores y otras características, las puertas lógicas se clasifican en familias lógicas:

• Familia RTL (Resistor-Transistor Logic): Sus puertas están fabricadas con transistores bipolares y resistores. Son muy lentas.

• Familia DTL (Diode-Transistor Logic): En esta familia mucho de los resistores que teniían la familia RTL fueron sustituidos por diodos.

• Familia TTL (Transistor-Transistor Logic): Apareció al descubrirse que los circuitos DTL podían  mejorarse utilizando transistores bipolares de emisor múltiple. Sus puertas deben alimentarse a +5V. Las de mayor éxito fueron las de la serie 74.

• Familia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor): Surgió al sustituir los transistores bipolares de la familia TTL por transistores de efecto campo (FET). Su alimentación puede ser de +3 a +15V. Su consumo es reducido y las posibilidades de miniaturización son asombrosas.

Las puertas lógicas no se comercializan individualmente, sino que se presentan empaquetadas en un circuito integrado. Los integrados de la familia CMOS pueden llegar a contener millones de transistores. Los procesos de fabricación mejoran vertiginosamente, lo que permite que las puertas lógicas puedan hacerse cada vez más pequeñas y, por tanto, los circuitos integrados pueden contener un mayor número de ellas. En la imagen siguiente podemos visualizar un circuito integrado en cuyo interior se encuentran las puertas lógicas, en este caso de puertas lógicas AND.

Introducción a la electrónica digital

Hola alumnos/as, en esta entrada vamos a estudiar en que se basa la electrónica digital (Álgebra de Boole) y como se realiza el planteamiento de un problema tecnológico mediante ésta.

Desde pequeños estamos familiarizados con un álgebra que consta de 10 elementos (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9), con las operaciones de suma, resta, multiplicación, división y con una serie de propiedades: conmutativa, asociativa, distributiva. Pero además existen otras álgebras, las cuáles tienen diferentes y extensas aplicaciones, la más importante en la electrónica digital es el álgebra de Boole, inventada por George Boole (1815-1864).

El álgebra de Boole consta solamente de dos elementos, el 0 y el 1 , llamados dígitos binarios o bits.

El exito de dicha álgebra reside en:

• Muchos problemas tecnológicos se pueden traducir de nuestro sistema decimal a un sistema de dos números.

• Podemos identificar los dígitos 0 y 1 con dos estados físicos diferentes, como por ejemplo un interruptor abierto (0) y un interruptor cerrado (1); una bombilla apagada (0) y una bombilla encendida (1).

• Las operaciones booleanas de suma, multiplicación y negación se pueden realizar fácilmente con circuitos electrónicos, neumáticos, hidráulicos. Pero la implementación electrónica tiene importantes ventajas respecto a las demás, ya que es más fiable, más rápida, más económica y además se puede reducir hasta unos niveles microscópicos.

Al igual que todas las álgebras, esta tiene tres operaciones definidas: Multiplicación, suma, negación. Y tiene diferentes propiedades. En este enlace se pueden visualizar las operaciones y propiedades que posee.

A continuación vamos a plantear un ejemplo y vamos a citar los pasos a seguir para poder resolverlo mediante la electrónica digital.

Imaginemos que deseamos que un lámpara funcione solamente cuando estén cerrados simultáneamente dos interruptores, A y B. La solución sería sencilla conectar dos interruptores en serie con la lámpara. Para traducir dicho problema al lenguaje de la lógica digital hay que seguir los siguientes pasos:

Transistores

Hola alumnos/as, en esta entrada vamos a estudiar los transistores y los modo de funcionamiento que poseen. También veremos la utilidad que tienen en diferentes aplicaciones.

El transistor es el componente electrónico más importante y el más utilizado. Está formado por tres capas de material semiconductor, en las que colocamos tres terminales y después encapsulamos para que puedan montarse en un circuito.

                                 Transistores, por PublicDomainPictures (Pixabay), CC0 1.0

Los terminales en los transistores se denominan colector, base y emisor. Las corrientes de base y colector entran en el transistor, mientras que la corriente de emisor sale del dispositivo.

El transistor principalmente tiene dos funciones:

1. Como interruptor, abriendo y cerrando para cortar o dejar  pasar la corriente por el circuito.
2. Como amplificador de señales.

Un transistor puede tener 3 estados posibles dentro un circuito:

• En activa: deja  pasar más o menos corriente (Corriente variable). Al aumentar la intensidad de corriente en la base aumenta la intensidad en el colector, según la ganancia. La ganancia es realmente lo que se amplifica la corriente en el transistor. Por ejemplo una ganancia de 100 significa que la corriente que metamos por la base se amplifica, en el colector, 100 veces, es decir será 100 veces mayor la de colector que la de la base. Como la de colector es muy parecida a la del emisor, podemos aproximar diciendo que la corriente del emisor también es 100 veces mayor que la de la base.

• En corte: No deja pasar la corriente (Corriente nula).  Si no circula corriente por la base no circulará corriente entre el colector y el emisor.

• En saturación: deja pasar toda la corriente (Corriente máxima). Si aumentamos progresivamente el valor de intensidad en la base, llega un momento en el que la intensidad del emisor no sigue aumentando. El transistor se comporta entonces como un interruptor cerrado.

En la imagen de abajo podemos ver los modos de funcionamiento de un transistor viendo el modelo hidráulico equivalente.

Muchas veces para aumentar la sensibilidad de los sensores se recurre a aumentar la ganancia mediante el llamado par Darlington, que consiste en incrementar la ganancia de un sistema utilizando dos transistores en cascada, conectándolos tal y como aparece en la figura de abajo. De esta forma podemos conseguir ganancias muy elevadas. En este enlace tenéis una aplicación del par Darlington.

¿Cómo funciona un cargador de teléfono móvil?

Estimados alumnos y alumnas, aquí os dejo un vídeo explicativo de como se transforma de corriente alterna a corriente continua.  Para ello se usa un transformador, diodos y un condensador.  Por lo que este vídeo sirve para ver un ejemplo directo de las aplicaciones que tienen los componentes electrónicos que hemos estudiado hasta el momento.

Imaginad que queremos cargar nuestro teléfono móvil, pero como ya sabemos la tensión de red es de 230 V en corriente alterna y nuestro móvil necesita cargarse en corriente continua a 5 V. ¿Cómo se logra por medio de la electrónica? En este enlace podéis revisar la diferencia que existe entre la corriente alterna y continua .

Semiconductores. Diodos

Hola alumnos/as, en esta entrada vamos a estudiar los semiconductores. Éstos tienen una gran importancia en la electrónica, ya que muchos componentes electrónicos basan su funcionamiento en los materiales semiconductores.

El silicio y el germanio son dos semiconductores. Normalmente son aislantes, pero si aplicamos un voltaje entre los extremos de estos materiales o  aumentamos su temperatura, comienzan a conducir la electricidad, aunque en unas condiciones inferiores a los materiales conductores.

Por lo que, los materiales semiconductores son aquellos que pueden llegar a conducir la electricidad si reciben energía externa. Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación llamado dopaje. Dicho proceso consiste en la introducción de átomos de otras sustancias. Según las impurezas, los semiconductores pueden ser tipo P o tipo N.

Al unir un semiconductor tipo P con uno tipo N obtenemos un diodo. Al terminal conectado al material P lo llamamos ánodo, y al terminal conectado al material N lo llamamos cátodo. 

Si conectamos el polo negativo de una pila al semiconductor P y el positivo al semiconductor N, el diodo no conduce y por tanto se comporta como un aislante. En este caso se dice que el diodo está polarizado inversamente.

Si conectamos el polo positivo de una pila al semiconductor P y el negativo al semiconductor N, el diodo se vuelve conductor y por tanto conduce corriente. En este caso se dice que el diodo está polarizado directamente.

El diodo LED, llamado diodo emisor de luz, tiene el mismo comportamiento que los diodos, es decir, se vuelve conductor cuando está polarizado directamente. Pero éste tiene la especial característica de que se ilumina cuando conduce corriente. El voltaje para que se vuelva conductor es de unos 2 V y la intensidad de corriente que lo atraviesa es de 20 mA. Por lo que su potencia es muy pequeña (P=V*I), lo que hace que sea muy atractivo en numerosas aplicaciones como equipos de música, televisores, semáforos, carteles luminosos, etc. 

                                Diodo led, por Clker-Free-Vector-Images (Pixabay), CC0 1.0

¿Sabéis soldar componentes electrónicos con estaño?

Hola alumnos/as aquí os dejo un vídeo explicativo de como se lleva a cabo el proceso de soldar componentes electrónicos en una placa de circuito impreso (PCB). 

También me gustaría aclarar que antes de pasar a fabricar una PCB se prueba el funcionamiento del circuito electrónico diseñado en una placa de prueba o placas de inserción (Protoboard), que es un tablero con orificios que se encuentran conectados eléctricamente entre si de manera interna (siguiendo patrones de líneas) en los que se pueden insertar componentes electrónicos y cables para montar los circuitos a probar. En la figura de abajo tenéis una protoboard.

  Protoboard, por halejandropmartz (Pixabay), CC0 1.0

¿Qúe son los condensadores?

Los condensadores permiten almacenar carga eléctrica y usarla después. Constan de dos placas metálicas separadas por un aislante (dieléctrico). A cada placa se le une un terminal para la conexión al circuito. 

La capacidad (C) es la relación entre la carga eléctrica que almacena un condensador y el voltaje al que se somete. Su unidad en el SI es el faradio (F). En la siguiente fórmula se puede apreciar dicha relación existente entre las magnitudes descritas anteriormente:

•   C: Capacidad en faradios
•   q: carga en culombios
•   V: voltaje en voltios

Los valores utilizados en electrónica suelen ser:

-Milifaradio: mF

-Microfaradio: µF

-Nanofaradio: nF

-Picofaradio: pF

                                       Condensadores, por rgouveia (Pixabay), CC0 1.0

Si a un condensador le conectamos una pila entre sus terminales, el condensador se carga casi instantáneamente. El tiempo que invierten este proceso se denomina tiempo de carga. Si luego unimos sus dos terminales, el condensador se descarga casi instantáneamente, proceso que se denomina tiempo de descarga. Controlando el tiempo de carga y descarga se pueden construir temporizadores, para ello hay que colocar una resistencia en serie con el condensador.

Los condensadores los podemos encontrar de: Policarbonato, Poliéster, Tántalo, Cerámico, Electrolítico. Sobre su superficie llevan indicados los valores de capacidad y voltaje máximos que pueden soportar. Fundamentalmente se emplean los condensadores cerámicos y los electrolíticos.

Resistencias eléctricas

Hola, en esta clase vamos a estudiar las resistencias fijas y variables, y dentro de estas últimas, las resistencias cuyo valor varía con la luz o con la temperatura.

• Resistencias fijas: Son aquellas cuyo valor de resistencia eléctrica no varía. En los circuitos electrónicos se usan para limitar la cantidad de corriente que circula por un determinado circuito y proteger algunos componentes por los que no debe circular una intensidad de corriente elevada. En la figura de abajo podemos observar una resistencia fija y su símbolo asociado. Para identificar el valor en ohmios (Ω) de una resistencia emplearemos un código de cuatro franjas de colores. Las tres primeras indican el valor en ohmios de la resistencia, y la cuarta proporciona el valor de la tolerancia, es decir, de la desviación máxima, expresada en tanto por cien, sobre el valor que indican las tres primeras franjas. En este enlace podemos comprobar el  valor de las resistencias.

                     Resistencia eléctrica, por Clker-Free-Vector-Images (Pixabay), CC0 1.0

• Resistencias variables: Son aquellas cuyo valor de resistencia eléctrica varía. Dentro de este tipo de resistencias encontramos 3 tipos:

1.Potenciómetros: Los potenciómetros varían su resistencia entre cero ohmios (Ω) y un valor máximo que aparece indicado en el componente. Para variar el valor de dicha resistencia es necesario girar un eje o desplazar un cursor.

2.Resistencias variables con la temperatura, termistores (NTC y PTC): El valor de resistencia varía según varía la temperatura, por lo que dichas resistencias tienen un gran interés en sistemas automáticos de regulación de temperatura.

      NTC: Si la temperatura aumenta, la resistencia disminuye.

      PTC: Si la temperatura aumenta, la resistencia aumenta.

3.Resistencias variables con la luz (LDR): El valor de resistencia varía en función de la cantidad de luz que reciben.

Diferencia entre Electrónica Analógica y Digital

Hola chic@s, me gustaría comenzar explicando la diferencia entre la electrónica analógica y la electrónica digital. Dicha diferencia es fundamental para entender todo lo que desarrollaremos en este blog.

• Electrónica Analógica: Es la parte de la electrónica que trabaja con variables continuas, de tal forma que una pequeña modificación en alguna variable puede producir un gran cambio en el comportamiento del circuito, así que aquí las variables serán números reales. Es decir, trabaja con corrientes y tensiones que varían continuamente de valor en el transcurso del tiempo.

• Electrónica Digital: Es la parte de la electrónica que trabaja con las variables discretas, lo que implica que una pequeña modificación en alguna de las variables del circuito (siempre que no cambie su valor discreto) no producirá ningún cambio apreciable en el comportamiento del circuito, ya que no depende del valor exacto de la señal. La electrónica digital trabaja con valores de corrientes y tensiones eléctricas que solo pueden poseer dos estados en el transcurso del tiempo. Hay o no hay corriente o tensión, por eso este tipo de electrónica siempre es binaria (2 dígitos, el 0 y el 1).

Por supuesto, un único circuito puede contener ambas ramas, dependiendo de la zona de operación que se analice puede tener un razonamiento analógico o digital.