Electrónica

La electrónica es una disciplina de innumerables aplicaciones en las sociedades avanzadas. Detrás de la mayor parte de los electrodomésticos, autómatas y sistemas de información existen circuitos basados en el silicio, un elemento químico abundante en la corteza terrestre que constituye la materia prima base de la electrónica de estado sólido.

Desde el punto de vista eléctrico, la materia puede clasificarse en dos grandes grupos de materiales: conductores y aislantes. La clasificación anterior se realiza atendiendo a la capacidad de permitir o impedir la circulación de electrones. En la realidad se puede afirmar que todos los materiales pueden llegar a ser conductores si se someten a tensiones elevadas o, por el contrario, pueden comportarse como aislantes si éstas son reducidas.

La electrónica de estado sólido se fundamenta en las propiedades de unas sustancias que, aunque por su estructura son aislantes, se convierten en conductoras controladas como consecuencia de su manipulación química. El control consiste básicamente en regular la intensidad de corriente que atraviesa un componente a través de alguno de sus terminales.

La electrónica como disciplina se divide en dos grandes áreas temáticas conocidas como electrónica analógica y electrónica digital. La primera trabaja directamente con las magnitudes conservando su forma. En cambio, la electrónica digital transforma todas las magnitudes en secuencias formadas por dos únicos valores. En la actualidad, la tendencia recurre cada vez más a la electrónica digital en el ámbito del proceso, reservando la analógica al campo del acondicionamiento de las señales con el medio.

El estudio de ambas disciplinas puede realizarse de forma independiente, si bien las realizaciones físicas de la electrónica digital tienen que recurrir en mayor o menor medida a la electrónica analógica.

En la actualidad, la mayor parte de los sistemas electrónicos de consumo están constituidos por circuitos digitales. Computadoras, televisores de pantalla plana, reproductores de audio e incluso programadores de electrodomésticos modernos son sistemas digitales.

Semiconductores

Se llama semiconductor a un elemento químico cuya estructura atómica presenta cuatro electrones en la órbita de valencia. Según esta descripción, el germanio y el silicio son semiconductores. El germanio tiene 32 protones en su núcleo y 32 electrones en orbitales de la corteza exterior, según una configuración electrónica que los distribuye desde dentro hacia fuera en un grupo de dos, un grupo de ocho, un grupo de 18 y finalmente, en la órbita más externa, un grupo de cuatro. Asimismo, el silicio, con catorce protones en el núcleo y catorce electrones en los orbitales exteriores, posee una configuración electrónica que distribuye los electrones en órbitas que contienen dos, ocho y cuatro, respectivamente.

El silicio es el semiconductor más utilizado en aplicaciones prácticas, entre otras razones porque es muy abundante en la corteza terrestre y fácil de obtener. Los átomos de silicio se combinan entre sí para formar cristales en los que cada átomo comparte sus electrones con los adyacentes. Cada par de átomos establece, por tanto, una relación fuertemente ligada, por compartir esos dos electrones, conocida como enlace covalente.

Un átomo de silicio establecerá cuatro enlaces covalentes de forma que, al final, presentará una configuración electrónica «real» de ocho electrones en su órbita externa. Estos ocho electrones producen estabilidad química y hacen del cristal de silicio un buen aislante a temperatura ambiente.

Estructura de la corteza del germanio, con 32 electrones distribuidos en sus orbitales atómicos.

A medida que aumenta la temperatura, la vibración de los átomos puede provocar que un electrón adquiera la energía suficiente para situarse en una órbita mayor y convertirse en un electrón libre. La salida de este electrón provocará la aparición de un hueco que puede considerarse, a efectos prácticos, como una carga positiva en movimiento. Debe insistirse en que un hueco electrónico no es una partícula en sí, sino un espacio vacío capaz de atraer, por cuestiones de equilibrio energético, cualquier electrón cercano.

En condiciones normales de temperatura, en un cristal de silicio se crea el mismo número de electrones libres que de huecos electrónicos, cuya recombinación se produce de forma cíclica. Este proceso genera un flujo de electrones y, con ello, un flujo equiparable de huecos electrónicos.

Representación esquemática de la estructura atómica del silicio, con catorce electrones en su corteza.

Semiconductores extrínsecos

Los semiconductores reciben el nombre de intrínsecos cuando no sufren ninguna manipulación y están, así, formados por material puro. Sin embargo, para aumentar el número de electrones libres o de huecos, los semiconductores se «dopan» de manera controlada introduciendo en ellos otros elementos. Este tipo de materiales reciben el nombre de semiconductores extrínsecos.

El dopado se puede realizar con dos tipos de elementos. Una primera técnica consiste en añadir átomos pentavalentes, que tienen cinco electrones en su órbita externa. Su presencia en el cristal provoca irremediablemente la aparición de un electrón libre de exceso. El arsénico, el antimonio o el fósforo constituyen impurezas de este tipo y se denominan donadores.

Otra posibilidad para provocar el dopado consiste en usar átomos trivalentes como el aluminio, el boro y el galio. Los elementos de este tipo, al tener solamente tres electrones de valencia, provocan en combinación con el silicio la aparición de huecos por falta de electrones suficientes. Estos átomos se denominan aceptores.

Esquema básico de un semiconductor intrínseco.

El uso de uno u otro tipo de impureza provoca la aparición de dos tipos de semiconductores extrínsecos, denominados de tipo n y de tipo p. Los primeros están dopados con impurezas pentavalentes, por lo que tienen exceso de electrones libres que se denominan portadores mayoritarios. Los huecos que existen en cada momento como producto del proceso de liberación y recombinación por energía térmica se denominan portadores minoritarios.

El semiconductor de tipo n recibe este nombre como abreviatura de «negativo», debido a su abundancia de electrones frente a huecos. Los semiconductores de tipo p, o «positivos», están dopados con impurezas trivalentes, por lo que en esta ocasión los huecos serán los portadores mayoritarios y los electrones libres los minoritarios. La letra p se puede asociar a defecto de electrones o proliferación de huecos electrónicos.

Unión PN

La unión PN es el resultado de unir dos fragmentos de material, uno de tipo p con otro de tipo n. Esta unión tiene propiedades sorprendentemente útiles y constituye el fundamento de los componentes electrónicos.

Al unir el material de tipo p con el material de tipo n, algunos de los electrones libres del lado n atraviesan la unión y, al convertirse en portadores minoritarios en la zona p, tienen gran probabilidad de ser atrapados por un hueco. A medida que los electrones son atrapados por los huecos, se crea en ambos lados de la unión un par de iones. En el lado n, al tratarse de impurezas pentavalentes que pierden un electrón, se forma un ion positivo, mientras que en el lado p, con impurezas trivalentes, la desaparición de un hueco (incorporación de un electrón) genera iones negativos.

Con el paso del tiempo, el número de iones aumenta en ambos lados, para formar dipolos inmóviles por efecto de los enlaces covalentes. La aparición de estos dipolos en la zona intermedia engendra un área vacía de portadores que se llama zona de depleción. Esta zona posee un campo eléctrico provocado por los dipolos que induce la aparición de una barrera de potencial que impide que nuevos electrones de la zona n pasen hacia la p. El valor de esta barrera de potencial es de 0,7 voltios aproximadamente en el silicio, y de unos 0,3 voltios en el germanio.

Esquema de una unión PN.

Polarización directa e inversa

La polarización directa de una unión PN se obtiene al conectar una fuente de tensión continua de manera que el polo positivo de la fuente se una a la zona p, mientras que el polo negativo se enlaza con la zona n. En este tipo de polarización, si la tensión de la fuente supera la barrera de potencial, un electrón saldrá del polo negativo de la fuente recorriendo el conductor hasta alcanzar el cristal.

Por la zona n, el electrón se desplazará como electrón libre hasta alcanzar el área de depleción donde se recombinará con un hueco, para convertirse en un electrón de valencia. Circulará como tal por el cristal p hasta llegar de nuevo a la fuente por el polo positivo. Por tanto, una unión PN con polarización directa permite la circulación de corriente siempre que la polarización supere la barrera de potencial.

Al invertir los polos de la fuente, el cristal p queda conectado con el terminal negativo y el cristal n con el positivo. Como consecuencia, los portadores mayoritarios de cada zona se verán atraídos hacia la fuente, produciéndose un ensanchamiento de la zona de depleción y, con ello, aumentando la barrera de potencial. En este caso, la unión impide la circulación de corriente y se comporta como un circuito abierto, ya que la diferencia de potencial de sus extremos será la misma que la tensión inversa aplicada.

Esquemas de los fenómenos de polarización directa (izquierda) e inversa (derecha) de una unión PN.

Esquemas de los fenómenos de polarización directa (izquierda) e inversa (derecha) de una unión PN.

Sin embargo, a pesar de los efectos de la fuente, existe siempre una pequeña corriente provocada por la aparición de portadores minoritarios como producto de la energía térmica. En su mayor parte, estos portadores se recombinan con los mayoritarios de su cristal, aunque algunos de los producidos en la zona de depleción cruzan la unión y generan una pequeña corriente en el circuito. Ésta recibe el nombre de corriente inversa de saturación y se representa por Is.

Si la tensión de la fuente en una polarización inversa aumenta lo suficiente y sobrepasa los límites se dice que alcanza la tensión de ruptura. En estos valores, el cristal presenta una gran cantidad de portadores minoritarios en la zona de depleción que se ven atraídos con fuerza y que provocarán colisiones con los electrones de valencia causando un efecto avalancha que destruirá el cristal.

Teoría de las bandas de energía

Existe otra forma de afrontar el estudio de los semiconductores y las uniones PN, consistente en recurrir exclusivamente a la energía. Los electrones que ocupan los orbitales más cercanos al núcleo poseen menor energía que aquellos que están más alejados. De hecho, para que un electrón que ocupa un orbital próximo al núcleo se aleje de éste, es necesario proporcionarle la energía suficiente para que sobrepase fuerzas de atracción que el núcleo genera sobre él y pueda alejarse a un nivel energético superior. Como analogía, sucede lo mismo cuando se levanta un objeto del suelo, ya que es necesario aplicarle energía que se acumula en forma potencial.

Experimentalmente, la energía citada se puede percibir cuando el suceso es el contrario, es decir, cuando un electrón que ocupa un nivel energético superior desciende a otro inferior y, en consecuencia, desprende energía en forma de luz, calor o cualquier otra radiación. Éste es uno de los principios del funcionamiento de los diodos electroluminiscentes (led, por sus siglas en inglés), que se usan en aparatos electrónicos como componentes de señalización o incluso como sistemas de iluminación de alta visibilidad (luces de freno de vehículos modernos, paneles informativos, etc.).

Los paneles informativos de las terminales de aeropuertos y otros muchos lugares están constituidos a menudo por diodos electroluminiscentes (LED).

Las bandas energéticas exteriores de un átomo se denominan de valencia y de conducción; la primera es la responsable de los enlaces atómicos, mientras que la segunda garantiza la circulación de los electrones libres. Cuando un electrón alcanza la banda de conducción genera un hueco en la banda de valencia; así, el movimiento de electrones se realiza en la banda de conducción y el de huecos en la de valencia.

Los cristales de tipo n tienen numerosos electrones en la banda de conducción y algunos huecos en la de valencia por efecto de la temperatura. En los cristales de tipo p sucede lo contrario, ya que existen muy pocos electrones libres y son numerosos los huecos de la banda de valencia.

Al estudiar la unión PN desde el enfoque de las bandas energéticas hay que tener en cuenta que los niveles energéticos de los cristales de tipo p son algo más elevados que los de tipo n. Ello se debe a que los átomos trivalentes, al tener tres protones en su núcleo, atraen con menos fuerza a sus electrones que los núcleos de los átomos pentavalentes. Esta diferencia se manifiesta de forma gradual cuando se unen ambos cristales.

En la unión pn sin polarización, los electrones de la banda de conducción del cristal n atraviesan la unión y se recombinan con los huecos de valencia del cristal de tipo p. Esta recombinación genera energía y provoca la aparición de la barrera de potencial como consecuencia de los cambios que se producen en los niveles energéticos de las bandas.

En concreto, las bandas del material n descienden en su nivel energético respecto a las homólogas del tipo p, aumentando así la diferencia. En el equilibrio, un electrón situado en la banda de conducción del cristal n necesitará energía adicional para pasar a la banda de conducción del cristal p. Esta energía adicional es la barrera de potencial que, en el silicio, se sitúa aproximadamente en 0,7 voltios.

La polarización directa de una unión PN consigue reducir la diferencia energética. En la práctica se puede interpretar diciendo que la fuente empuja hacia arriba el nivel energético de los electrones del lado n, favoreciendo el paso hacia el lado p y, con ello, la conducción.

Diodo

El dispositivo electrónico que alberga en su interior una unión PN se denomina diodo. El diodo dispone de dos terminales, uno conectado al cristal p y llamado ánodo y otro conectado al cristal n y denominado cátodo. El símbolo del diodo recuerda a una flecha que apunta al cátodo. Este criterio es fácil de recordar si se recurre al sentido de la corriente convencional.

Símbolo del diodo usado comúnmente en electrónica.

El diodo es un dispositivo de comportamiento no lineal. Esto significa que si se representa en una gráfica la relación entre la tensión y la corriente, el resultado obtenido no será una línea recta, como hubiera ocurrido, por ejemplo, en una resistencia.

El estudio en profundidad del diodo se realiza a través de tres aproximaciones. La primera considera un dispositivo ideal que, básicamente y simplificando al máximo, permite la circulación de la corriente cuando se polariza directamente y la proscribe si la polarización es inversa. Por tanto, un diodo se puede considerar como un cortocircuito cuando se polariza en directo y como un circuito abierto si la polarización es inversa.

La segunda aproximación incorpora el concepto de barrera de potencial. Presenta a un diodo como un dispositivo que, cuando adquiere polarización directa con una diferencia de potencial superior a 0,7 voltios (en el silicio), permite la circulación de corriente manteniendo entre sus terminales la tensión de 0,7 voltios con independencia de la corriente que lo atraviese. En polarización inversa sigue siendo un circuito abierto.

La tercera y última aproximación tiene en cuenta además la existencia de una resistencia interna. Ésta provoca que la caída de tensión entre los terminales no sea totalmente independiente de la corriente que lo cruza.

Parámetros del diodo

Todos los dispositivos y componentes electrónicos comerciales disponen de una hoja de características realizada por el fabricante. En estas hojas aparecen todos los detalles eléctricos y físicos del componente, incluidas las dimensiones físicas correctamente acotadas.

Entre los parámetros más importantes de un diodo destaca la tensión inversa de ruptura, que representa la tensión máxima a la que se puede someter un diodo concreto en polarización inversa sin destruirlo. En las hojas se especifican con detalle los valores para situaciones distintas, como pueden ser la tensión inversa repetitiva de pico, la inversa de pico de funcionamiento y la de bloqueo de corriente continua.

Otros parámetros interesantes son la corriente máxima con polarización directa, la caída de tensión con polarización directa y la corriente inversa máxima. En todos los casos, estos valores son extremos y deben evitarse, por lo que los diseñadores añaden factores de seguridad para evitar averías y aumentar el tiempo de vida útil de los componentes.

Recta de carga. El punto de funcionamiento de un diodo en un circuito queda determinado por los valores concretos de tensión y corriente que soporta. Uno de los métodos utilizados para determinar este punto denominado Q es el cálculo y posterior trazado de la recta de carga sobre la curva característica del modelo. Observando la expresión que relaciona la tensión y la corriente en un circuito formado por una fuente, una resistencia y un diodo, se concluye que se trata de una relación lineal, por lo que gráficamente generará una línea recta:

I = (Vfuente – Vdiodo)/R

Dado que el trazado de una recta está determinado por dos puntos, se comienza calculando la corriente que atravesaría el circuito cuando la caída de tensión en el diodo fuera cero. El resultado constituye el primer par de valores que representa el primer punto (0 voltios; IVdiodo=0). En concreto, este punto es el corte con el eje OX de la recta de carga.

Curva característica de un diodo.

Para determinar el otro punto se busca el corte con el eje OY, considerando ahora que la corriente que atraviesa el circuito es cero; se calcula la tensión necesaria. Este resultado es inmediato, ya que tales circunstancias se dan sólo cuando la tensión en el diodo es igual a la de la fuente. Por tanto, el segundo punto será (VI=0; 0).

Si se traza la recta que une ambos puntos se obtiene la recta de carga del circuito. Ésta representa los valores de tensión y corriente posibles para dicho circuito, atendiendo a los valores de la fuente y de la resistencia. Para introducir los efectos del diodo es necesario acoplar o superponer la curva característica que el fabricante proporciona del modelo concreto de diodo. El corte entre la curva y la recta establece el punto Q (VQ; IQ), denominado punto de funcionamiento o trabajo.

Circuitos con diodos

A pesar de la sencillez conceptual de los diodos y de que aparentemente podría parecer que sus aplicaciones prácticas serían reducidas, estos dispositivos se emplean en gran cantidad de circuitos. La rectificación es una etapa importante en la transformación de señal alterna en continua. Su objetivo es eliminar el semiciclo negativo de la señal alterna o sustituirlo por su equivalente positivo. Los primeros circuitos se llaman rectificadores de media onda, mientras que los segundos se conocen como rectificadores de onda completa. Estos últimos son energéticamente más interesantes que los primeros.

En la rectificación de media onda, basta un diodo en serie con la señal para realizar todo el proceso, ya que durante el semiciclo positivo el diodo se comporta como un cortocircuito y permite la circulación de señal. Sin embargo, durante el semiciclo negativo, el diodo aparece con polarización inversa, comportándose como un circuito abierto e impidiendo la circulación de corriente. Según la segunda aproximación del diodo, la única diferencia entre la señal de entrada y la de salida serán los 0,7 voltios necesarios para superar la barrera de potencial.

Representación esquemática de un puente de diodos.

La rectificación de onda completa requiere como mínimo dos diodos, aunque es más habitual la configuración denominada puente de diodos. Mientras la primera necesita que la señal de alterna proceda de un dispositivo con toma central, la configuración en puente no establece ningún requisito. La rectificación es un proceso asociado a las fuentes de alimentación lineales por lo que, para llevarla a cabo con dos diodos, el transformador ha de disponer de la mencionada toma central. Para los rectificadores de onda completa se comercializa un componente integrado llamado puente de diodos, lo que simplifica su fabricación.

El uso de condensadores y diodos permite diseñar circuitos multiplicadores de tensión que presentan en la salida un múltiplo de la señal de entrada. Circuitos de este tipo se usan en tubos de rayos catódicos (los antiguos televisores o monitores informáticos).

Los circuitos multiplicadores trabajan en realidad rectificando la señal y aprovechando la carga acumulada en condensadores distribuidos apropiadamente. De esta forma se consigue obtener valores que superen la tensión de la fuente de alimentación. Los multiplicadores pueden trabajar sólo en un semiciclo o aprovechar toda la potencia de la señal. En el primer caso se denominan multiplicadores de media onda; los segundos son de onda completa.

Otra aplicación usual de los diodos es en circuitos limitadores. Un limitador establece un nivel máximo de señal de salida, por lo que impide que la señal de entrada que supere dicho nivel alcance la salida. Los limitadores se usan como conversores de una señal sinusoidal en una señal cuadrada aproximada, dado que la conformación de la señal se limita a recortar las crestas manteniendo la forma sinusoidal del resto. Otra aplicación usual es como circuito de protección.

Circuito rectificador de corriente.

Los cambiadores de nivel son circuitos que añaden una componente de corriente continua a una señal alterna, obteniendo como resultado una señal que mantiene su forma original pero desplazando su ubicación en términos absolutos. Los cambiadores de nivel pueden ser positivos o negativos según sea el signo de la componente y se usan en aplicaciones específicas como, por ejemplo, las señales internas de un televisor.

Un detector de pico a pico es un circuito formado por un cambiador y rectificador. Su aplicación permite conocer el valor pico a pico de una señal incluso cuando ésta no responde a las formas convencionales de la corriente alterna.

Acoplamiento y retorno. Los diodos se utilizan en muchas ocasiones como componentes de protección. El acoplamiento entre los generadores y la carga se puede proteger con un diodo para evitar que las señales puedan reflejarse, es decir, cambiar su sentido y provocar daños al generador. En otras ocasiones, los diodos pueden evitar problemas provocados por el uso indebido de un equipo. Por ejemplo, al insertar las pilas en un mando a distancia, el usuario puede equivocarse y colocar la polaridad invertida. Un diodo en paralelo evitaría una mala conexión.

En aplicaciones con condensadores, los diodos aparecen como garantes del retorno de corriente continua, evitando que se produzca un cambio de nivel no deseado. También se emplean en fragmentos de red en los que se desee evitar la circulación de la corriente en un sentido o para evitar las fuerzas contraelectromotrices que tienen lugar como consecuencia de la descarga de la energía magnética acumulada en bobinas e inductores. Por ello, es habitual su disposición en paralelo con la bobina de los relés orientada en sentido contrario al de la circulación de la corriente de excitación.

Limitador de corriente.

Diodos especiales

En los párrafos siguientes se hará un breve repaso de algunos de los tipos de diodos de uso más representativo en la electrónica. Tales son los diodos Zener, láser y Schottky, los led, los displays de siete segmentos y los optoacopladores.

Diodo Zener. Especialmente diseñado para trabajar con polarización inversa, el diodo Zener se comporta en polarización directa como un diodo convencional. Aparece en circuitos que lo hacen trabajar en la zona de ruptura. Mientras que un diodo convencional presentaría en polarización inversa la misma tensión que la fuente que provoca esta polarización siempre que no se sobrepasen los valores de seguridad, el Zener, si la fuente que lo mantiene en inversa supera un valor concreto (depende del modelo), fija una tensión entre sus terminales y la mantiene aunque la fuente aumente su valor.

Por esta razón, se habla de regulador Zener o estabilizador Zener (esta segunda forma es más apropiada porque regulador hace referencia a un circuito más complejo). Este dispositivo se usa en circuitos en los que se desea mantener una tensión de salida cuyo valor sea independiente de la carga. Obviamente, este valor de tensión debe ser alcanzado y superado por la fuente. Para evitar que el diodo Zener se destruya por efecto de una corriente elevada, se interpone una resistencia limitadora en serie.

led. El diodo emisor de luz o fotoemisor, más conocido por sus siglas en inglés led, es un dispositivo optoelectrónico que emite radiación lumínica cuando lo atraviesa una corriente eléctrica. El origen de esta radiación reside en la disipación de energía que se produce cuando los electrones de una banda energética descienden a otra inferior.

En los led, los elementos químicos que permiten esta emisión visible de luz son el galio, el arsénico y el fósforo, entre otros. En consecuencia, los fabricantes producen diodos fotoemisores de distintos colores e intensidades. Estos dispositivos presentan una gran variedad de aplicaciones. Actualmente, se emplean en iluminación, señalización nítida a distancia en paneles de tráfico, semáforos y luces traseras de vehículos, etc.

El circuito típico que permite excitar un led está formado por una fuente y una resistencia. La fuente proporciona la tensión de funcionamiento que, como mínimo, debe superar la barrera de potencial, algo superior a los 0,7 voltios del silicio. Por término medio son aproximadamente unos 2 voltios, aunque este valor depende del fabricante y del modelo concreto de led.

La resistencia tiene como objetivo limitar la corriente que circule por el led y situarla en un valor concreto donde el dispositivo proporcione la máxima luminosidad sin dañarse. Los valores de corriente óptima se especifican en las hojas de datos del fabricante; por término medio, se establecen entre 10 y 50 mA. Para calcular el valor concreto de la resistencia se aplica la ley de Ohm en el contexto de una malla simple según la segunda ley de Kirchhoff.

Rs = (Vs – Vled)/Is

Existen diodos led cuya luz no es visible para el ser humano. Se trata de los led infrarrojos empleados, por ejemplo, en la comunicación entre los mandos a distancia y los equipos electrónicos domésticos. Estos led emiten una radiación invisible convenientemente modulada o codificada que transporta una señal.

Diodos electroluminiscentes conocidos abreviadamente por LED.

En los equipos receptores existe un componente llamado fotodiodo (puede ser también un fototransistor) capaz de captar la radiación y transformarla en una señal eléctrica que se interpreta en la electrónica de control. En la actualidad, este tipo de comunicación se usa en multitud de equipos y compite en determinadas aplicaciones con la transmisión mediante radiofrecuencia. Muchas computadoras, teléfonos móviles o navegadores gps incorporan esta tecnología para comunicarse con otros dispositivos.

Display de siete segmentos. Un componente muy habitual que utiliza led es el display de siete segmentos. El display dispone de siete led en forma de segmento rectangular distribuidos por la superficie de un componente que forma la figura de un ocho. Cada segmento se identifica por una letra (A a G) y se ilumina de forma independiente. Si se iluminan, por ejemplo, los segmentos A, B, C, D, G, se obtendrá la forma de un tres.

Estos componentes se utilizan en multitud de aparatos electrónicos para señalizar cantidades. Hoy en día existen displays muy complejos formados por multitud de led y gobernados por microcontroladores, que permiten incluso dibujar y trazar imágenes.

Los displays de siete segmentos (aunque normalmente disponen de ocho segmentos, porque incorporan un LED adicional con forma de punto) se fabrican en dos configuraciones básicas: ánodo común y cátodo común. Los primeros tienen una conexión única para el ánodo de todos los segmentos y un cátodo por cada segmento, de manera que para gobernar el encendido hay que conectar al polo negativo el cátodo de los segmentos elegidos.

El cátodo común es el terminal que comparten todos los segmentos. Por tanto, para encender algunos hay que poner bajo tensión el ánodo de los segmentos deseados. En algunos displays se incluyen resistencias de limitadores de corriente, lo que simplifica el circuito. En los sistemas digitales existen circuitos especializados en convertir una señal digital que represente un número en binario en una combinación de siete salidas directamente conectables a este componente a través de las resistencias mencionadas.

Optoacoplador. Es un circuito cuyo aspecto exterior se asemeja a un circuito integrado (aparece encapsulado de igual forma que éstos). El optoacoplador alberga en su interior un diodo led y un fotodiodo. Desde el exterior sólo se pueden observar los terminales de ambos componentes, aunque en el interior existe un canal que permite que ambos elementos establezcan contacto óptico.

Representación esquemática de un optoacoplador: a la izquierda, el transistor; a la derecha, el fototransistor.

El funcionamiento es muy sencillo, ya que en realidad lo que sucede es que cuando una señal excita al LED, éste emite una señal luminosa que alcanza al fotodiodo que se encarga de permitir la circulación de la corriente en su circuito. Desde el punto de vista eléctrico existen dos circuitos separados, porque realmente no están conectados entre sí; en cambio, hay una comunicación óptica.

Los optoacopladores se sitúan en las entradas de los equipos donde una mala conexión eléctrica podría destruir el aparato. Con el uso de este sistema se protegen los aparatos y circuitos internos ya que, en el peor de los casos, el único afectado sería el propio optoacoplador. Las conexiones de este tipo garantizan el aislamiento galvánico.

Diodos Schottky y láser. En aplicaciones muy exigentes donde la frecuencia de trabajo es muy alta es necesario utilizar diodos diseñados específicamente para estas condiciones de trabajo (los diodos convencionales no podrían conmutar a alta velocidad). Estos diodos especiales se denominan Schottky. En el diodo Schottky no existe la llamada zona de depleción, por lo cual no hay cargas acumuladas. Así pues, la conmutación es mucho más rápida y responde a las exigencias de equipos electrónicos, como pueden ser las computadoras.

Por su parte, el diodo láser emite radiación coherente y puntual. Con la óptica adecuada y acoplado a un circuito de control, se utiliza en multitud de aplicaciones que van desde la simple señalización a distancia y la medición precisa hasta el fundamento de las comunicaciones basadas en fibra óptica.

Electrónica digital

La electrónica digital trabaja con secuencias de señales cuyo dominio de definición puede tomar exclusivamente dos valores. Tradicionalmente se utilizan el cero y el uno para representarlos, aunque físicamente se trata de valores de tensión concretos.

La electrónica digital está ligada directamente a un conjunto de leyes, teoremas y proposiciones del campo de la lógica. Este sustrato teórico permite realizar multitud de operaciones. Los circuitos digitales fundamentales o básicos están representados a través de las puertas lógicas. En concreto, las puertas lógicas implementan las operaciones básicas de la lógica booleana, es decir las funciones and (y), or (o) y not (no), así como sus derivadas nand (no-y), nor (no-o) y las especiales xor (o exclusiva) y xor negada (no-o exclusiva).

Tipos de puertas lógicas.

Combinando adecuadamente este tipo de circuitos se pueden construir sistemas combinacionales, entendidos como aquéllos cuya salida depende exclusivamente de la combinación de datos presentes a la entrada. Un circuito combinacional responde a un comportamiento que puede representarse a través de una tabla de verdad en la que aparecen todas las combinaciones posibles de los valores de las entradas asociados con la salida correspondiente.

La simplificación de funciones correspondientes a circuitos combinacionales se realiza aplicando métodos de simplificación o directamente a través de la aplicación de las leyes y teoremas de la lógica. La industria fabrica circuitos combinacionales de mayor complejidad que las puertas lógicas con objeto de resolver funciones concretas, como son decodificadores, codificadores, multiplexores, demultiplexores, comparadores, etc. En la actualidad, los circuitos combinacionales están aún presentes en multitud de aplicaciones en las que el uso de tecnologías más complejas no estaría justificado por razones de simplicidad o coste.

El principal inconveniente de los circuitos combinacionales es su incapacidad para almacenar el estado anterior de un sistema. Para añadir memoria a los circuitos digitales y aumentar así las posibilidades de aplicación surgieron los biestables, cuyo diseño garantiza su capacidad para memorizar un valor de entre dos posibles. Los biestables son, de este modo, la base de todos los circuitos capaces de almacenar valores y retenerlos cuando la señal de excitación desaparezca. Esta propiedad llevada a la práctica constituye el fundamento de los circuitos secuenciales.

En los circuitos secuenciales, las salidas dependen de la combinación de datos presentes a la entrada junto con el estado anterior del sistema. Entre los circuitos secuenciales más sencillos están los contadores y los registros de desplazamiento. Los circuitos secuenciales se clasifican en circuitos síncronos y asíncronos. En los primeros, el cambio de estado se produce de acuerdo a una señal común de reloj o sincronismo que afecta a todos los componentes por igual y simultáneamente, garantizando que el cambio se realice de forma coordinada.

Circuitos síncronos.

En los circuitos secuenciales asíncronos, por su parte, los cambios o transiciones de estado entre los elementos individuales pueden ser consecuencia de cambios en otros componentes, produciéndose así un cierto grado de escalonamiento en los cambios que puede provocar la aparición de estados intermedios no deseados. La ventaja de estos últimos frente a los síncronos reside en la sencillez comparativa de sus diseños.

Mientras que la representación gráfica del comportamiento de un circuito combinacional se puede realizar con una tabla de verdad, en los circuitos secuenciales es necesario recurrir a tablas de estado complejas que incluyan estados anteriores o, de forma mucho más interesante, emplear diagramas de estados y transiciones. Estos diagramas se denominan autómatas.

Los autómatas se clasifican en finitos e infinitos, dependiendo del número de estados, y en deterministas e indeterministas. Se entiende por indeterministas aquellos que poseen múltiples transiciones posibles para el mismo estado e idénticas condiciones de entrada.

La electrónica digital se implementa comercialmente en circuitos integrados. En las últimas décadas del siglo xx se ha asistido a una vertiginosa evolución en estos dispositivos y en los equipos que los utilizan. Uno de los parámetros más utilizado ha sido la clasificación de los circuitos integrados, abreviados como ci, en virtud del número de componentes incluidos en cada circuito.

La tecnología de los circuitos integrados miniaturizados ha revolucionado el mundo de la electrónica y de los dispositivos automáticos.

A principios de la década de 1960, la tecnología ssi (Small Scale Integration, integración a pequeña escala) permitía agrupar hasta un centenar transistores en un circuito integrado. A medida que avanzó la década se desarrollaron circuitos integrados capaces de albergar varios cientos de transistores, en la llamada tecnología msi (Medium Scale Integration, integración de escala media).

Ya en la década de 1970 apareció la tecnología lsi (Large Scale Integration, integración a gran escala) que permite hablar de miles de componentes en un solo circuito integrado y que contribuyó al gran desarrollo de la computación al permitir fabricar microprocesadores y microcontroladores de tamaño asequible y notable potencia. En los años ochenta llegó la tecnología vlsi (Very Large Scale Integration, integración a muy gran escala), con valores que oscilaban entre diez y cien mil dispositivos. La industria ha desarrollado posteriormente la ulsi (Ultra Large Scale Integration, integración de escala ultraalta) con densidades que alcanzan varios millones de transistores por circuito integrado.