Introducción a la Electrónica
¿Qué es la electrónica?. Es el campo de la ingeniería y de la física aplicada que estudia el diseño y fabricación de circuitos y dispositivos electrónicos. A través de la electrónica es posible medir y procesar señales para luego realizar acciones sobre el mundo.
La electrónica ofrece una cantidad de opciones increíbles para capturar señales, procesarlas y entregarlas de vuelta. Estos apuntes no son un curso profundo de electrónica. En este apartado vamos a dar una pequeña pincelada a la electrónica tratando de ver cómo aplicarla en su forma más sencilla a proyectos electromecánicos que podamos tener.
¿Cómo se pasa del mundo físico al eléctrico?
La electrónica se nos presenta como una herramienta muy versátil que nos permite hacer un montón de cosas. Por ejemplo, podemos adquirir señales; podemos tomar señales del mundo físico y llevarlas al mundo electrónico. Podemos procesar información. Eso también nos permite, por supuesto, trabajar sobre esas señales que hemos adquirido. Y luego esas señales nos permiten realizar acciones sobre el mundo físico. Entonces, es un lazo que parte desde la adquisición, luego sigue con el procesamiento, y, posteriormente, continúa con la realización de acciones a través de señales. La electrónica nos permite disponer de un ejército de electrones anónimos que trabajan para uno. Todos estos millones de electrones están trabajando para lo que se les programe.
Sensores
Sensores y transductores, estos son los que nos permiten adquirir señales, y funcionan para diferentes variables. Sensores de temperatura, presión, sonido, luz, distancia, aceleración, ángulo, contacto, señales eléctricas, gas, partículas, etcétera. Existen muchos otros tipos de sensores que nos permiten capturar señales desde el mundo físico.
Procesadores
Luego tenemos el procesador que permite procesar información. Hay diversos tipos, analógicos, digitales; y, dentro de los digitales, están programables o no programables, están los procesadores incrustado, que son parte de un sistema electrónico más complicado, que puede incluir sensores y actuadores. Existen procesadores de propósito general y, en general, estos procesadores nos permiten diversos niveles de prestaciones. Existen procesadores con miles de millones de compuertas lógicas, literalmente. En cambio, nosotros podemos usar procesadores analógicos, que pueden incluir, por ejemplo, un par de operaciones matemáticas y puede ser suficiente para hacer algo.
Ítem | Descripción |
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Circuito Integrado (IC) |
Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una estructura de pequeñas dimensiones de material semiconductor, habitualmente silicio. (IC, Wikipedia). Uno de los más comunes es el temporizador IC 555, que se utiliza en la generación de temporizadores, pulsos y oscilaciones. El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiempo, como un oscilador, y como un circuito integrado flip flop. (IC555, Wikipedia). Si bien no es un procesador, es un componente importante de ellos y se pueden realizar múltiples proyectos solo usando este microchip. |
Procesador Analógico |
Los ejemplos de procesamiento analógico de señales incluyen: el filtro pasa banda y filtro pasa bajos, entre otros filtros de señales para baja frecuencia y radio frecuencia, los controles de volumen, graves y agudos en equipos de música, y los controles de contraste y brillo en los televisores. El procesamiento analógico de la señal incluye elementos comunes como capacitores, resistencias, inductores, transistores o circuitos integrados. (Procesador Analógico, Wikipedia). |
Procesador Digital No Programable |
Un procesador digital no programable es un dispositivo digital que realiza tareas específicas sin la posibilidad de ser reprogramado por el usuario. En otras palabras, su función está definida por su hardware y no por software o instrucciones que puedan ser modificadas. Ejemplos: FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays), ASICs (Application-Specific Integrated Circuits), Procesadores de Señales Digitales (DSP). (DSP, Wikipedia). |
Procesador Digital Programable |
Un procesador digital programable (PDSP) es un microprocesador de propósito general, diseñado específicamente para aplicaciones de procesamiento de señales digitales (DSP). Estos procesadores permiten realizar operaciones numéricas a alta velocidad sobre señales digitales, como audio, video o datos de sensores, para tareas como filtrado, ecualización, compresión, entre otras. (DSP, Wikipedia) |
Microcontrolador |
La principal diferencia entre un microprocesador y un microcontrolador radica en su diseño y aplicación. Un microprocesador es un procesador de propósito general que se utiliza en computadoras y otros dispositivos que requieren potencia de cálculo considerable. Los microcontroladores, por otro lado, son circuitos integrados que integran un procesador, memoria y periféricos en un solo chip, diseñados para aplicaciones específicas e incrustadas. (Microcontrolador vs Microprocesador, AWS) Entre ellos el màs popular es el PIC16f877a, un microcontrolador de 8 bits de la familia PIC ideal para proyectos simples, debido a su arquitectura de 8 bits, 18 pines, y un conjunto de instrucciones RISC muy amigable para memorizar y fácil de entender. (PIC1687X, Wikipedia) |
Actuadores y Transductores
Luego tenemos actuadores y transductores (dispositivo que transforma una forma de energía en otra) que nos permiten realizar acciones. Tenemos de diverso tipo, sonido, por ejemplo, un parlante; transductores de luz como, por ejemplo, encender una luz que indique algo, o pueden ser también una pantalla donde yo puedo mirar algo, y esto también es una forma de un transductor. de luz que tiene diferentes píxeles. Cada uno de estos puntos de la pantalla es un píxel y cada uno de estos se ilumina independientemente.
Existen también actuadores de movimiento como, por ejemplo, un motor, que nos permite realizar acciones físicas. Existen transductores de calor como una estufa o una resistencia eléctrica, entre otros.
Electricidad
La electricidad es crucial cuando queremos procesar información; cuando pensamos en capturar, procesar o entregar señales, esto es sensor, procesar, procesador, y entregar señales a través de un actuador, inevitablemente, terminamos pensando en el uso de la electricidad y ¿por qué será eso?, ¿por qué no podemos, por ejemplo, capturar señales en otro medio, que no sea eléctrico? Podríamos hacerlo tal vez en un medio hidráulico, o un medio mecánico o, tal vez, de otra forma, en un medio óptico. El problema es que los fotones viajan a la velocidad de la luz y luego se van; en caso del sistema mecánico, a veces es muy complicado hacer que un sistema mecánico opere rápidamente; en caso de la electricidad, las respuestas son comparables a las de la velocidad de la luz pero, además, podemos guardar señales, y eso permite un nivel de procesamiento que solo la electricidad es capaz de otorgar.
Esquema de un Sistema Electrónico
El siguiente esquema presenta el funcionamiento de un sistema electrónico en general. Los sensores son los que nos permiten capturar señales del mundo físico; el procesador, que nos permite procesar estas señales y, luego, los actuadores, que nos permiten actuar sobre el mundo físico.
Científicos Destacados
La siguiente es una pequeña lista de los científicos que dan nombre a las distintas unidades que se utilizan en electrónica y electricidad.
Nombre |
Descripción |
Alessandro Volta (18 de febrero de 1745, 5 de marzo de 1827) |
Fue un químico y físico italiano famoso principalmente por el descubrimiento del metano en 1776 y la invención y desarrollo de la pila eléctrica en 1799. La unidad de fuerza electromotriz del Sistema Internacional de Unidades ha llevado el nombre de voltio en su honor desde 1881. |
André-Marie Ampère (20 de enero de 1775, 10 de junio de 1836) |
Fue un matemático y físico francés. Formuló en 1827 la teoría de la electrodinámica, esencial al desarrollo del electromagnetismo, inventó el solenoide, e imaginó la primera teoría microscópica del magnetismo de materiales y una teoría del magnetismo terrestre. El amperio (en francés ampère) se llama así en su honor. |
James Prescott Joule (24 de diciembre de 1818, 11 de octubre de 1889) |
Fue un físico inglés, conocido sobre todo por sus investigaciones en termodinámica. Descubrió su relación con el trabajo mecánico, lo cual le condujo a la teoría de la energía. La unidad internacional de energía, calor y trabajo, el joule, fue bautizada en su honor. |
Michael Faraday (22 de septiembre de 1791, 25 de agosto de 1867) |
Fue un científico británico que estudió el electromagnetismo y la electroquímica. Sus principales descubrimientos incluyen la inducción electromagnética, el diamagnetismo y la electrólisis. La unidad nombrada en su honor se denomina faradio, La cual es la unidad de capacidad eléctrica del Sistema Internacional de Unidades (SI). |
Heinrich Rudolf Hertz (22 de febrero de 1857, 1 de enero de 1894) |
Fue un físico alemán que descubrió el efecto fotoeléctrico, la propagación de las ondas electromagnéticas y las formas para producirlas y detectarlas. La unidad de medida de la frecuencia, el hercio (Hertz, en la mayoría de los idiomas), lleva ese nombre en su honor. |
James Watt (19 de enero de 1736, 25 de agosto de 1819) |
Fue un ingeniero mecánico, inventor y químico escocés. El vatio o watt (símbolo: W) es la unidad para la potencia. Es igual a 1 julio por segundo (1 J/s). |
Georg Simon Ohm (16 de marzo de 1789, 6 de julio de 1854) |
Fue un físico y matemático alemán que aportó a la teoría de la electricidad la ley de Ohm. Conocido principalmente por su investigación sobre las corrientes eléctricas. La unidad de resistencia eléctrica, el ohmio, recibe este nombre en su honor. |