Electrónica para niños

Un circuito electrónico en una placa para prototipos.

Un pequeño circuito integrado.

La electrónica es una parte de la física aplicada que estudia cómo se mueven y controlan los electrones y otras partículas con carga eléctrica. Esto ocurre tanto en el vacío como en la materia. El descubrimiento del electrón en 1897 y la invención del tubo de vacío (que podía hacer más grandes las señales eléctricas y corregirlas) marcaron el inicio de la electrónica.

La electrónica trabaja con circuitos eléctricos que usan componentes especiales. Estos componentes pueden ser activos, como los tubos de vacío, transistores, diodos y circuitos integrados. También usa componentes pasivos, como las resistencias. Los aparatos electrónicos suelen tener circuitos hechos principalmente de materiales semiconductores.

Los componentes activos pueden controlar el flujo de electrones, lo que permite amplificar señales muy débiles. La electrónica se usa mucho en el manejo de datos, las telecomunicaciones y el procesamiento de señales. Como los dispositivos electrónicos pueden funcionar como interruptores, es posible procesar información de forma digital. Las conexiones entre los componentes, como las placas de circuito impreso, unen todo para formar un sistema electrónico completo. Ejemplos de estos sistemas son las computadoras o los sistemas de control. Un sistema electrónico puede ser un aparato por sí solo o parte de un sistema más grande.

La ciencia eléctrica y la electromecánica se encargan de generar, distribuir y transformar la energía eléctrica. Esto se hace con cables, motores, generadores y baterías. La electrónica se diferenció de la electricidad alrededor de 1906. Fue cuando Lee De Forest inventó el triodo, un dispositivo que podía amplificar señales de radio y audio sin partes mecánicas. Antes de 1950, a este campo se le llamaba "tecnología de radio".

Hoy en día, la mayoría de los aparatos electrónicos usan componentes semiconductores para controlar los electrones. El estudio de estos dispositivos es parte de la física del estado sólido. El diseño y la construcción de circuitos electrónicos para problemas prácticos es tarea de la ingeniería electrónica.

¿Qué tipos de electrónica existen?

La electrónica se divide en varias áreas importantes:

• Electrónica digital
• Electrónica analógica
• Microelectrónica
• Diseño de circuitos
• Circuitos integrados
• Electrónica de potencia
• Optoelectrónica
• Dispositivos semiconductores
• Sistemas embebidos
• Electrónica de audio
• Telecomunicaciones
• Nanoelectrónica
• Bioelectrónica

¿Cómo empezó la electrónica?

Una tarjeta de circuito impreso.

En 1883, Thomas Alva Edison notó algo curioso. Al poner una lámina de metal dentro de una bombilla para que no se pusiera negra, vio que pasaba una pequeña corriente. Esto ocurría porque los electrones del filamento, al calentarse mucho, salían de sus átomos y eran atraídos por la lámina positiva. A esto se le llamó el efecto Edison.

Más tarde, el ingeniero británico sir John Ambrose Fleming (1849-1945) usó el efecto Edison para crear el diodo. Este fue el primer tubo electrónico al vacío. Tenía un ánodo (positivo) y un cátodo (negativo). El cátodo emitía electrones que eran atraídos por el ánodo. Así, el diodo actuaba como una válvula que solo dejaba pasar la corriente en una dirección.

El siguiente gran avance lo hizo Lee De Forest en 1906 con la invención del triodo. Este dispositivo era como el diodo, pero le añadió una rejilla de control. Esta rejilla permitía cambiar el flujo de electrones, controlando así la corriente. Esto fue clave para crear los primeros amplificadores de sonido, radios y televisores.

A Lee De Forest se le considera el "padre de la electrónica". Antes del triodo, solo se podía convertir la corriente alterna en continua. Pero con el triodo, se pudo amplificar todo tipo de señales, especialmente las de audio y radio. Esto impulsó tanto la industria que, a partir de la década de 1930, se empezó a usar la palabra "electrónica" para describir esta nueva tecnología.

Con el tiempo, las válvulas de vacío mejoraron y se hicieron más pequeñas. Aparecieron otros tipos, como los tetrodos y pentodos.

Pero el gran cambio llegó con el transistor, inventado por John Bardeen y Walter Brattain de Bell Labs en 1948. El transistor permitió que los aparatos, como las radios, fueran mucho más pequeños. El transistor de unión llegó un poco después, en 1949. Hoy en día, es el dispositivo más usado en electrónica. Sus ventajas sobre las válvulas son muchas: es más pequeño, menos frágil, consume menos energía y necesita menos voltaje. El transistor funciona con un material semiconductor (como el silicio), no en vacío.

El transistor tiene tres partes: el emisor, la base y el colector. Funciona de manera similar al triodo: la base controla la corriente que pasa entre el emisor y el colector.

En 1958, Jack S. Kilby creó el primer circuito integrado, que contenía seis transistores en un solo chip. En 1970, Federico Faggin, Ted Hoff y Masatoshi Shima diseñaron el primer microprocesador, el Intel 4004. Hoy, el campo de la electrónica es tan grande que se divide en muchas especialidades. La división principal es entre la electrónica analógica y la electrónica digital.

La electrónica es una de las áreas de la ingeniería con más futuro, junto con la informática.

¿Para qué se usa la electrónica?

La electrónica realiza muchas tareas hoy en día. Los circuitos electrónicos se usan principalmente para controlar, procesar y distribuir información, y para convertir y distribuir energía eléctrica. Esto implica crear o detectar campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. En resumen, la electrónica se aplica en:

• Electrónica de control
• Telecomunicaciones
• Electrónica de potencia

¿Qué son los sistemas electrónicos?

Un sistema electrónico es un grupo de circuitos que trabajan juntos para lograr un objetivo. Para entender un sistema electrónico, podemos dividirlo en tres partes:

1. Entradas o Inputs – Son sensores que toman señales del mundo físico (como temperatura o presión) y las convierten en señales eléctricas (corriente o voltaje). Por ejemplo, un termopar mide la temperatura o una fotoresistencia mide la intensidad de la luz.
2. Circuitos de procesamiento de señales – Son dispositivos electrónicos conectados que manipulan y transforman las señales eléctricas de los sensores.
3. Salidas u Outputs – Son actuadores u otros dispositivos que convierten las señales eléctricas en algo útil físicamente. Por ejemplo, una pantalla que muestra la temperatura o una luz que se enciende automáticamente al oscurecer.

Básicamente, son tres etapas: el sensor, el circuito procesador y el circuito actuador.

Imagina un televisor. Su entrada es una señal que recibe de una antena o un cable. Los circuitos dentro del televisor procesan esta señal para obtener información sobre el brillo, el color y el sonido. Los dispositivos de salida son la pantalla (que convierte las señales en imágenes) y los altavoces (que producen el sonido).

Otro ejemplo es un circuito que mide la temperatura. El sensor podría ser un termopar. El circuito de procesamiento convierte la señal del termopar en un nivel de voltaje adecuado y la envía a una pantalla para mostrar la temperatura. Si la temperatura supera un límite, un sistema de alarma (circuito actuador) se activa.

¿Qué son las señales eléctricas?

Una señal eléctrica es la forma en que un fenómeno físico o un estado material se representa. Las entradas y salidas de un sistema electrónico son señales que cambian.

En electrónica, se trabaja con variables que son voltaje o corriente. Estas se llaman señales y pueden ser de dos tipos:

• Señal analógica – Son señales que pueden tomar un número infinito de valores entre dos límites. La mayoría de los fenómenos naturales (como la presión o la temperatura) producen señales analógicas.
• Señal digital – También llamadas variables discretas, son señales que solo pueden tomar un número limitado de valores. Como es más fácil construir componentes con dos estados distintos, la mayoría de las señales digitales usan solo dos valores (como 0 y 1). Esto las hace más fáciles de procesar.

¿Qué es el voltaje?

El voltaje es la diferencia de potencial entre los extremos de un componente eléctrico. También se puede decir que es la energía que mueve los electrones libres en un material. La unidad de medida del voltaje es el voltio (V). Hay dos tipos de voltaje: continuo y alterno.

• Voltaje continuo (VDC) – Tiene una polaridad fija, como el que dan las pilas, baterías y fuentes de alimentación.
• Voltaje alterno (VAC) – Su polaridad cambia o alterna con el tiempo. Las fuentes de voltaje alterno más comunes son los generadores y la electricidad de casa.

¿Qué es la corriente eléctrica?

La corriente eléctrica es el flujo de electrones libres a través de un material conductor o semiconductor en una dirección. La unidad de medida es el amperio (A). Al igual que el voltaje, la corriente puede ser continua o alterna, dependiendo del tipo de voltaje que la genera.

¿Qué es la resistencia?

La resistencia eléctrica es la propiedad de los materiales que se opone al paso de la corriente. La unidad de medida es el ohmio (Ω). Lo contrario de la resistencia es la conductancia eléctrica.

¿Qué son los circuitos electrónicos?

Un circuito electrónico es un conjunto de elementos o componentes eléctricos (como resistencias, bobinas, condensadores y fuentes) o electrónicos, conectados entre sí. Su propósito es generar, transportar o modificar señales electrónicas. Los circuitos electrónicos se pueden clasificar de varias maneras:

Circuitos analógicos: ¿Cómo funcionan?

Chasis de un variador de frecuencia Hitachi J100.

La mayoría de los aparatos electrónicos analógicos, como las radios, se construyen combinando algunos tipos de circuitos básicos. Los circuitos analógicos usan un rango continuo de voltaje o corriente, no niveles separados como los digitales.

Hay muchísimos tipos de circuitos analógicos, desde uno solo componente hasta sistemas con miles de ellos.

A veces se les llama circuitos lineales, aunque usan muchos efectos no lineales, como mezcladores o moduladores. Buenos ejemplos de circuitos analógicos son los amplificadores de tubos de vacío y transistores, y los osciladores.

Hoy en día, es raro encontrar circuitos que sean completamente analógicos. Los circuitos analógicos modernos pueden usar técnicas digitales para mejorar su rendimiento. A estos se les llama circuitos de "señal mixta".

A veces es difícil distinguir entre circuitos analógicos y digitales, porque tienen elementos de ambos. Por ejemplo, un comparador recibe un voltaje continuo, pero solo da uno de dos niveles de salida digital. De hecho, muchos circuitos digitales se basan en variaciones de circuitos analógicos.

Circuitos digitales: La base de los ordenadores

Los circuitos digitales son circuitos eléctricos que usan un número limitado de niveles de voltaje. Son la forma más común de representar el álgebra booleana y son la base de todos los ordenadores digitales. Para muchos ingenieros, "circuito digital", "sistema digital" y "lógica" significan lo mismo en este contexto. La mayoría de los circuitos digitales usan un sistema binario con dos niveles de voltaje: "0" y "1". El "0" lógico suele ser un voltaje bajo, y el "1" lógico es un voltaje alto. Sin embargo, algunos sistemas usan la definición inversa. La elección de "0" o "1" es flexible para el diseñador.

Se han estudiado lógicas con tres estados (lógica ternaria) y se han hecho algunos prototipos de ordenadores con ellas.

Los ordenadores, los relojes electrónicos y los controladores lógicos programables (que controlan procesos industriales) están hechos con circuitos digitales. Los procesadores de señales digitales son otro ejemplo.

¿Cómo se maneja el calor en la electrónica?

El calor que generan los circuitos electrónicos debe eliminarse para evitar que fallen y para que duren más. Esto se logra principalmente por conducción y convección pasiva. Para disipar más calor, se usan disipadores y ventiladores para enfriar con aire. También existen otras formas de refrigeración, como la líquida. Estas técnicas usan la convección, la conducción y la radiación del calor.

¿Qué es el ruido electrónico?

El ruido electrónico son "perturbaciones no deseadas que se superponen a una señal útil y que dificultan entender su información". El ruido no es lo mismo que la distorsión de la señal. El ruido está presente en todos los circuitos electrónicos. Puede ser generado por campos electromagnéticos o por el calor, y se puede reducir bajando la temperatura de funcionamiento del circuito. Otros tipos de ruido, como el ruido de disparo, no se pueden eliminar porque se deben a limitaciones físicas.

¿Cómo se estudia la electrónica?

Las matemáticas son muy importantes para estudiar electrónica. Para dominar la electrónica, también hay que dominar las matemáticas del análisis de circuitos.

El análisis de circuitos es el estudio de cómo resolver sistemas (generalmente lineales) para encontrar valores desconocidos, como el voltaje en un punto o la corriente en un camino de una red. Una herramienta común para esto es el simulador de circuitos SPICE.

También es muy importante entender la teoría del campo electromagnético en electrónica.

¿Qué es un laboratorio de electrónica?

Debido a lo compleja que es la teoría de la electrónica, la experimentación en el laboratorio es una parte clave para desarrollar dispositivos electrónicos. Estos experimentos se usan para probar los diseños de los ingenieros y encontrar errores. Antes, los laboratorios de electrónica eran espacios físicos con equipos. Pero ahora, se usan mucho los programas de software de simulación de laboratorios, como CircuitLogix, Multisim y PSpice.

Diseño asistido por ordenador (CAD)

Transistores en diferentes formas.

Los ingenieros electrónicos de hoy pueden diseñar circuitos usando bloques ya hechos, como fuentes de alimentación, semiconductores (como transistores) y circuitos integrados. Los programas de automatización del diseño electrónico (EDA) incluyen herramientas para dibujar esquemas y diseñar circuitos impresos. Algunos programas populares son NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB y Schematic, Mentor (PADS PCB y LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA y KiCad.

¿Cómo se ensamblan los componentes?

A lo largo de los años, se han usado muchos métodos para conectar los componentes. Por ejemplo, la electrónica antigua a menudo usaba cables conectados punto a punto, con componentes fijados a tablas de madera. Otros métodos eran la construcción "Cordwood" y el "wire wrap". Hoy en día, la mayoría de los aparatos electrónicos usan placas de circuito impreso hechas de materiales como FR4 o papel aglomerado con resina sintética (SRBP o FR2). La preocupación por la salud y el medio ambiente en el ensamblaje de productos electrónicos ha crecido, especialmente para los productos que van a la Unión Europea.

Diseño de sistemas electrónicos

El diseño de sistemas electrónicos se encarga de cómo diseñar dispositivos y sistemas electrónicos complejos, como los teléfonos móviles y los ordenadores. Este campo abarca desde el diseño y desarrollo de un sistema hasta asegurar que funcione bien, tenga una buena vida útil y se pueda reciclar. Por lo tanto, el diseño de sistemas electrónicos es el proceso de crear y desarrollar dispositivos electrónicos complejos para cumplir con lo que el usuario necesita.

Componentes electrónicos importantes

Para construir circuitos electrónicos, se usan componentes electrónicos e instrumentos electrónicos. Aquí tienes una lista de los más importantes y su uso común:

• Altavoz: Para reproducir sonido.
• Cable: Para conducir la electricidad.
• Conmutador: Para dirigir una señal de entrada a una de varias salidas.
• Interruptor: Para abrir o cerrar circuitos manualmente.
• Pila o batería: Para almacenar energía eléctrica.
• Transductor: Para transformar una magnitud física (como temperatura) en una eléctrica.
• Visualizador: Para mostrar datos o imágenes.

Componentes activos y pasivos

• Amplificador operacional: Para amplificar, regular, convertir señales y conmutar.
• Capacitor: Para almacenar energía, filtrar y adaptar impedancias.
• Diodo: Para corregir señales, regular y multiplicar voltaje.
• Diodo Zener: Para regular voltajes.
• Inductor: Para adaptar impedancias.
• Potenciómetro: Para variar la corriente eléctrica o el voltaje.
• Relé: Para abrir o cerrar circuitos usando señales de control.
• Resistor: Para dividir la corriente o el voltaje, y limitar la corriente.
• Transistor: Para amplificar y conmutar.

Dispositivos digitales

• Biestable: Para controlar sistemas secuenciales (que dependen de estados anteriores).
• Memoria: Para almacenar datos digitales.
• Microcontrolador: Para controlar sistemas digitales.
• Compuerta lógica: Para controlar sistemas combinacionales (que no dependen de estados anteriores).

Dispositivos de potencia

• DIAC: Para controlar la potencia.
• Fusible: Para proteger contra corrientes muy altas.
• Tiristor: Un interruptor semiconductor para controlar la potencia.
• Transformador: Para aumentar o disminuir voltajes, corrientes e impedancia aparente.
• Rectificador controlado de silicio (SCR).
• Triac: Para controlar la potencia.
• Varistor: Para proteger contra voltajes muy altos.

Equipos para medir en electrónica

Los equipos de medición en electrónica se usan para crear estímulos y ver cómo se comportan los dispositivos que se están probando. Para medir cosas como la temperatura, la posición o la cantidad de una sustancia química, se usan sensores y transductores. El sensor detecta los cambios, y el transductor convierte esas mediciones en señales eléctricas. Estas señales pueden ir a instrumentos que leen, registran o controlan lo que se mide. Los sensores y transductores pueden funcionar en lugares lejanos o en ambientes difíciles para las personas.

Algunos dispositivos son a la vez sensor y transductor. Un termopar, por ejemplo, genera un pequeño voltaje que depende de la diferencia de temperatura. Un termistor es una resistencia especial cuyo valor cambia con la temperatura. Un reóstato variable puede convertir el movimiento mecánico en una señal eléctrica. Para medir distancias se usan condensadores especiales, y para detectar luz, fotocélulas. Para medir velocidades, aceleración o flujos de líquidos, se usan otros dispositivos. Casi siempre, la señal eléctrica es débil y necesita ser amplificada por un circuito electrónico. Aquí tienes una lista de los equipos de medición más importantes:

• Galvanómetro: Mide cambios en magnitudes como la intensidad de corriente o el voltaje. Se usa para construir amperímetros y voltímetros analógicos.
• Amperímetro y pinza amperimétrica: Miden la intensidad de la corriente eléctrica.
• Óhmetro o puente de Wheatstone: Miden la resistencia eléctrica. Si la resistencia es muy alta (más de 1 MΩ), se usa un megóhmetro.
• Voltímetro: Mide la tensión (voltaje).
• Multímetro o polímetro: Mide las tres magnitudes anteriores, además de la continuidad eléctrica y el valor de los transistores (PNP y NPN).
• Vatímetro: Mide la potencia eléctrica. Está hecho de un amperímetro y un voltímetro. Puede medir diferentes tipos de potencia eléctrica, como la potencia activa o la potencia reactiva.
• Osciloscopio: Mide cómo cambian la corriente y el voltaje con el tiempo.
• Analizador lógico: Prueba circuitos digitales.
• Analizador de espectro: Mide la energía de las señales en diferentes frecuencias.
• Analizador vectorial de señales: Similar al analizador de espectro, pero con más funciones para señales digitales.
• Electrómetro: Mide la carga eléctrica.
• Frecuencímetro o contador de frecuencia: Mide la frecuencia.
• Reflectómetro de dominio de tiempo (TDR): Prueba la calidad de cables largos.
• Capacímetro: Mide la capacidad eléctrica o capacitancia.
• Contador eléctrico: Mide la energía eléctrica. Puede configurarse para medir energía activa (consumida) o energía reactiva.

Galería de imágenes

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  Diagrama de un sistema electrónico.

Véase también

En inglés: Electronics Facts for Kids