TEMA 1: SISTEMAS ELECTRÓNICOS

1. SISTEMAS ELECTRÓNICOS La electrónica es la parte de las Cien

SEMICONDUCTORES, pero no solo de ellos. La diferencia con la otra rama denominada

ambas ramas están profundamente relacionadas. En la

eléctrico, cuando funciona con tensiones e intensidades bajas

miliamperios), cuando se destina a aplicaciones de

radio.

Los sistemas electrónicos se ocupan de captar la información procedente del mundo exterior y convertirla en

señales eléctricas, procesar estas señales y transformarlas en otra fuente de energía que produce un cierto efecto.

En general los sistemas constan de tres bloques funcionales claramente diferenciados:

� Bloque de entrada, que sirve para introducir la orden o la señal

� Bloque de proceso, que se ocupa de transformar la señal de entrada en otra capaz de accionar el módulo de

salida.

� Bloque de salida, que se encarga de realizar la acción correspondiente

La corriente eléctrica consiste, básicamente, en un flujo de electrones que circulan a través de un elemento

conductor. Este flujo puede ser constante o variable, lo que da lugar a distintos tipos de corriente:

� Cuando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina

� Si los electrones cambian periódicamente de sentido, tendremos

La conversión entre ambos tipos de señales es de vital importancia en los sistemas electrónicos. Por ejemplo, la

información de un CD de audio es digital, al escucharla es una señal analógica que previamente ha sido convertida

mediante un circuito electrónico llamado conversor analógico

Según el tipo de señales con las que trabaja, la electrónica actual se

� Electrónica analógica que opera con señales que varían en un intervalo de tensiones continuo.

� Los sistemas electrónicos digitales

que corresponden a dos valores de tensión.

Un circuito electrónico es una asociación de componentes que realizan un determinad

eléctricas. Los componentes de un circuito electrónico se pueden

� Los componentes activos capaces de generar, amplificar o controlar las señales eléctricas (baterías, diodos,

transistores)

TEMA 1: SISTEMAS ELECTRÓNICOS

es la parte de las Ciencias Físicas que se dedica a la conducción

SEMICONDUCTORES, pero no solo de ellos. La diferencia con la otra rama denominada

profundamente relacionadas. En la práctica, podemos decir que un circuito es

, cuando funciona con tensiones e intensidades bajas (unos pocos voltios y con un consumo de pocos

miliamperios), cuando se destina a aplicaciones de cálculo (informática), control automático

se ocupan de captar la información procedente del mundo exterior y convertirla en

cesar estas señales y transformarlas en otra fuente de energía que produce un cierto efecto.

En general los sistemas constan de tres bloques funcionales claramente diferenciados:

, que sirve para introducir la orden o la señal.

, que se ocupa de transformar la señal de entrada en otra capaz de accionar el módulo de

, que se encarga de realizar la acción correspondiente.

consiste, básicamente, en un flujo de electrones que circulan a través de un elemento

conductor. Este flujo puede ser constante o variable, lo que da lugar a distintos tipos de corriente:

uando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina

Si los electrones cambian periódicamente de sentido, tendremos corriente alterna

Una señal eléctrica es un conjunto codificado de impulsos eléctricos

capaz de transmitir información. Las señales utilizadas pueden ser de dos

tipos: analógicas o digitales:

� La señal analógica es una señal continua y puede tomar cualquier

valor entre dos valores cualesquiera.

� La señal digital es una señal discreta; es decir, sol

determinados instantes. Puede tomar únicamente valores concretos,

transmitidos habitualmente en el sistema de codificación binario.

entre ambos tipos de señales es de vital importancia en los sistemas electrónicos. Por ejemplo, la

información de un CD de audio es digital, al escucharla es una señal analógica que previamente ha sido convertida

mediante un circuito electrónico llamado conversor analógico-digital.

con las que trabaja, la electrónica actual se puede dividir en dos ramas:

que opera con señales que varían en un intervalo de tensiones continuo.

tales tratan con señales que solamente adoptan dos estados eléctricos:

que corresponden a dos valores de tensión.

es una asociación de componentes que realizan un determinad

. Los componentes de un circuito electrónico se pueden clasificar en dos categorías:

capaces de generar, amplificar o controlar las señales eléctricas (baterías, diodos,

1

conducción eléctrica en elementos

SEMICONDUCTORES, pero no solo de ellos. La diferencia con la otra rama denominada Electricidad es pequeña, y

n circuito es electrónico, y no

(unos pocos voltios y con un consumo de pocos

automático o manejo de señales de

se ocupan de captar la información procedente del mundo exterior y convertirla en

cesar estas señales y transformarlas en otra fuente de energía que produce un cierto efecto.

, que se ocupa de transformar la señal de entrada en otra capaz de accionar el módulo de

consiste, básicamente, en un flujo de electrones que circulan a través de un elemento

conductor. Este flujo puede ser constante o variable, lo que da lugar a distintos tipos de corriente:

uando los electrones se mueven siempre en el mismo sentido, el flujo se denomina corriente continua.

corriente alterna.

es un conjunto codificado de impulsos eléctricos

de transmitir información. Las señales utilizadas pueden ser de dos

es una señal continua y puede tomar cualquier

es una señal discreta; es decir, solo existe en

determinados instantes. Puede tomar únicamente valores concretos,

transmitidos habitualmente en el sistema de codificación binario.

entre ambos tipos de señales es de vital importancia en los sistemas electrónicos. Por ejemplo, la

información de un CD de audio es digital, al escucharla es una señal analógica que previamente ha sido convertida

puede dividir en dos ramas:

que opera con señales que varían en un intervalo de tensiones continuo.

tratan con señales que solamente adoptan dos estados eléctricos: 1 y 0,

es una asociación de componentes que realizan un determinado tratamiento de las señales

clasificar en dos categorías:

capaces de generar, amplificar o controlar las señales eléctricas (baterías, diodos,

2

� Los componentes pasivos son aquellos que no proporcionan ganancia, pero sí consumen o almacenan

energía eléctrica (resistencias, condensadores, bobinas).

2. FUENTE DE ALIMENTACIÓN Muchos aparatos eléctricos y casi todos los aparatos electrónicos necesitan una fuente de alimentación de corriente

continua para funcionar. Una fuente de alimentación es un dispositivo que transforma la tensión alterna de la red en

una tensión continua de valor adecuado y estable.

Está formada por los siguientes elementos o bloques:

� Transformador, que se ocupa de reducir o aumentar la tensión eléctrica, hasta que tome el valor de tensión

que necesitamos.

� Rectificador, que transforma la corriente alterna en continua, empleando para ello un puente de diodos.

� Filtro, cuya función es suavizar la señal y mejorar la continuidad, para lo que se utiliza un condensador

electrolítico conectado en paralelo.

� Estabilizador, que se ocupa de que la señal de salida tenga una tensión constante, para lo que se emplea una

resistencia y un diodo zener.

3. CIRCUITO INTEGRADO Los circuitos integrados o microchips son circuitos electrónicos miniatuarizados en los que se pueden acumular miles

de componentes electrónicos encapsulados, como

transistores o diodos.

La aparición de estos chips supuso una revolución

por, entre otras, las siguientes razones:

1. Miniaturización: Usando chips se pueden fabricar

aparatos muy complejos en un tamaño reducido.

2. Enorme reducción de costes: Los chips se

fabrican en serie de forma automatizada y, al ser

3

tan pequeños, utilizan muy poca cantidad de material.

3. Desarrollo tecnológico: La aparición en el mercado de cientos de circuitos integrados diferentes y cada vez con

mayores prestaciones ha hecho posible la aparición de nuevos inventos en muchos campos de la tecnología, como la

informática, la automatización y las comunicaciones.

Fueron inventados en 1958 por Jack Kilby en la empresa Texas Instruments y pocos años después de su aparición sus

aplicaciones ya eran muy numerosas, actualmente están en casi todos los aparatos eléctricos y electrónicos. La

repercusión de este invento, uno de los más importantes del siglo XX, fue reconocido mundialmente al concederse a

Kilby el premio Nobel de física en el año 2000.

Un chip está formado por:

� Partes exteriores

o Encapsulado, normalmente de plástico, aunque también puede ser de cerámica. Llevan escrito la

referencia del CI (número identificativo). Tiene dos marcas

� Una muesca que sirve de guía para colocar correctamente el chip en un circuito.

� Un pequeño punto que indica cuál es la pata nº1. La numeración de las patas es importante

porque cada una de ellas tiene una función diferente.

La función del encapsulado es proteger al circuito miniaturizado que hay en su interior. Unas

conexiones eléctricas conectan el circuito con las patas.

o Las patas o pines que son metálicas y su función es conectar el circuito interior del chip con el

exterior.

� Chip de silicio: El circuito miniaturizado está grabado en una pequeña plaquita de silicio de pocos milímetros

de lado que se llama chip y que, por extensión da nombre a todo el conjunto. La palabra inglesa chip se

podría traducir como “pedacito”. Hay que ampliar el chip más de 100 veces para poder ver los componentes

individuales y sus conexiones.

El material más importante de los chips es el silicio, un material semiconductor que se obtiene de arena rica en sílice

(siO2). A partir de la arena se extrae el silicio y se purifica. El silicio puro se introduce en un horno y se le da forma de

lingotes cilíndricos. Estos lingotes se cortan en láminas muy delgadas, las obleas. Sobre las obleas se graban

mediante técnicas muy complejas decenas o centenares de circuitos miniaturizados. Posteriormente las obleas se

cortan para obtener los circuitos individuales (chips), que finalmente se encapsulan.

Entre los circuitos integrados más usados se encuentran:

� Los reguladores de tensión

� El 555, que se usa para realizar temporizadores

� Los amplificadores operacionales

� Las puertas lógicas, que realizan la toma de decisiones en el control del proceso.

� Los microprocesadores. Estos chips tienen decenas de millones de transistores y otros componentes

electrónicos, lo que les permiten manejar grandes cantidades de información y realizar cálculos matemáticos

a gran velocidad. Su encapsulado es de cerámica y, debido a su gran complejidad, tienen centenares de

patas para conectarse con el resto de los componentes del ordenador.

4. CIRCUITOS LÓGICOS Al diseñar y manejar una máquina, es preciso tomar decisiones: parar un motor después de que dé un determinado

número de vueltas; desviar el flujo de aceite por un cierto conducto, que suene una alarma cuando se abre

determinada puerta,… Muchas de estas decisiones se pueden automatizar; para ello, se utilizan dispositivos que se

comportan siempre de la misma manera ante un fenómeno concreto. Este tipo de dispositivos podrían llamarse

dispositivos lógicos, ya que toman decisiones según la información que reciben.

4

Una puerta lógica es un dispositivo lógico que tiene una, dos o más entradas binarias, cada una de las cuales solo

puede recibir dos tipos de señales (encendido o apagado; abierto o cerrado; 0 o 1…) y que genera una cierta señal de

salida que está unívocamente determinada por la señal de entrada.

Combinando distintas puertas lógicas, se pueden montar circuitos que permiten llevar a cabo tareas de control y de

cálculo de forma automática. Estos circuitos se llaman circuitos lógicos de control.

5

5. LÓGICA DIGITAL Se define la base de un sistema de numeración como el número de símbolos distintos que tiene. Normalmente

trabajamos con el sistema decimal que tiene 10 dígitos:

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.

La representación de un número N en un sistema de base b, puede

realizarse mediante el desarrollo

en forma polinómica.

N=anbn + an-1b

n-1 + ... + a1b

1 + a0b

0 + a-1b

-1 + ...

Donde:

b: base del sistema.

ai: coeficientes que representan las cifras de los números.

5.1. Sistema binario. Consta de dos dígitos el 0 y el 1. A cada uno de ellos se le llama bit

(binary digit). La forma de contar en este sistema es similar al

decimal, es decir: 0, 1, 10, 11, 100, 101, 110, 111, 1000,...

� Para cambiar un número de sistema binario a decimal se

procede de la siguiente forma:

� Primero se expresa el número binario en su polinomio

equivalente, a continuación se calcula el polinomio y el

resultado es el número en base 10.

abcde,fg (2)= N (10)

N = a24 + b2

3 + c2

2 + d2

1 + e2

0 + f2

-1 + g2

-2

De la coma a la izquierda son los exponentes positivos y de la coma a

la derecha son los exponentes negativos.

� Para realizar el cambio de base decimal a base binaria de

procede como se indica a continuación:

Se divide número decimal por dos, continuamente hasta que todos los

restos y cocientes sean 0 o 1. El número binario será el formado por el

último cociente (bit de mayor peso) y todos los restos.

5.2. Álgebra de Boole El álgebra creada por el matemático George Boole consta únicamente

de dos elementos, llamados dígitos binarios o bits: el 0 y el 1. Boole

nunca conoció las tremendas repercusiones de su álgebra, cuyo éxito

reside en lo siguiente

1. Muchos problemas tecnológicos pueden traducirse de nuestro sistema numéricos decimal a un sistema de

dos números (lenguaje binario)

2. Podemos identificar los dígitos 0 y 1 con dos estados físicos diferentes; por ejemplo, un interruptor abierto

(0) y un interruptor cerrado (1); una bombilla apagada (0) y una bombilla encendida (1)

3. Las operaciones booleanas de suma, multiplicación y negación se pueden realizar físicamente con circuitos

electrónicos, neumáticos, hidráulicos, etc,… Pero la implementación electrónica tiene importantes ventajas

respecto a las demás: es más fiable, más rápida, más barata y, además, miniaturizable hasta niveles

microscópicos.

6

5.3. Funciones lógicas, tabla de verdad

La función lógica S, es una expresión algebraica en la que se

relacionan las variables independientes (a,b,c...) mediante las

operaciones lógicas.

La forma más simple de definir una función lógica es mediante su

tabla de verdad. Consiste en establecer todas las posibles

combinaciones de las variables independientes en forma de tabla, e

indicar el valor de S

para cada una de ellas.

El número total de

combinaciones es 2n,

siendo n el número de

ellas. El primer paso

en resolución de

circuitos lógicos es la

obtención de la tabla

de verdad y

posteriormente

obtener la función lógica a partir de esta. A continuación se muestra

como obtener la función a partir de la tabla de verdad.

Se puede obtener de dos formas, como suma de productos

(Minterms) o como producto de sumas (Maxterms).

Para obtener la función en suma de productos (Minterms) se opera de

la forma siguiente: Se deben tomar todas las combinaciones posibles

de las variables donde la función tiene como valor “1”, asignado el

nombre de la variable cuando vale “1” y en nombre negado cuando

vale “0”, multiplicando

las variables de una

combinación. Y se suman

todos los términos

obtenidos de esta manera.

Para obtener la función en productos de sumas (Maxterms) se opera

de la forma siguiente: Se deben tomar todas las combinaciones

posibles de las variables donde la función tiene como valor 0,

asignado el nombre de la variable cuando vale 0 y en nombre negado

cuando vale 1, sumando las variables de una combinación. Y se

multiplican todos los términos obtenidos de esta manera.

Nosotros vamos a trabajar como suma de productos.

5.4. Simplificación de funciones Tal como obtenemos una función a partir de la tabla de verdad, no se trata de la expresión más reducida de la

misma. Por lo que se hace necesario simplificarla. Cuanto menor es el tamaño de la función, es más rápida su

resolución y el coste económico de implementación también es menor.

7

� Simplificación mediante propiedades.

Se trata de aplicar las propiedades y teoremas del álgebra de Boole para obtener una función más reducida.

Para explicar este método lo mejor es emplear una función como ejemplo:

S = a ⋅ b ⋅ c + a ⋅ b ⋅ c + a ⋅ b ⋅ c + a ⋅ b ⋅ c ·

a) Primero agrupamos términos en parejas que tengan el mayor número de variables iguales. Se puede utilizar el

mismo término varias veces si es necesario.

Propiedad distributiva.

S = a ⋅ b ⋅ (c + c) + a ⋅ c ⋅ (b + b)

b) Las parejas (c + c) = 1 y (b + b) = 1. Ley del complementario.

S = a ⋅ b ⋅1+ a ⋅ c ⋅1

c) Quitamos el 1. Elemento neutro para la multiplicación.

S = a ⋅ b + a ⋅ c

Esta ya es la expresión simplificada de la función inicial. Generalmente es necesario aplicar más propiedades hasta

llegar a ella.

� Simplificación mediante mapas de Karnaugh.

Es un método gráfico de simplificación que se usa cuando se utilizan

pocas variables. Se trata de una tabla donde se colocan las variables de

manera que la intersección de las variables obtiene el valor que toma la

función para esas variables. Además la distribución es tal que siempre

las combinaciones adyacentes (que se diferencian en un bit) quedan

juntas. El mapa de dos variables es:

Los valores internos 0, 1, 2 y 3 indican la combinación natural de las

variables a y b, que tomaran el valor “0” o “1” según corresponda.

Para obtener un mapa de tres variables se crea el simétrico del de

dos variables y se añade una variable nueva de valor “0” para el mapa

antiguo y de valor “1” para el nuevo. Esto puede hacerse

horizontalmente o verticalmente. Ahora el valor de cada

combinación debe colocarse en la celda correspondiente.

Para obtener el mapa de cuatro variables, se parte del mapa de

tres y creamos el simétrico horizontal o vertical del anterior.

Ponemos la nueva variable yle añadimos “0” a los valores del mapa

antiguo y “1” a los del mapa nuevo.

Se opera de la misma forma para crear el resto de mapas.

Para obtener la expresión simplificada de una función con este

sistema de procede de la forma siguiente:

� Una vez seleccionado el mapa según sea el número de

variables, a partir de la tabla de verdad se sitúan los “1” o “0” en la

celda correspondiente. En el caso de que existan términos indefinidos (X) se toman como “1” o “0” en cada

celda como más interese.

� Formar grupos de unos, con el siguiente criterio:

a) Se toman todos los unos que no se puedan agrupar con ningún otro.

b) Se forman grupos de dos unos que no puedan formar grupos de cuatro.

c) Se forman grupos de cuatro unos que no puedan formar grupos de ocho.

d) Etc.

8

e) Cuando se cubran todos los unos se detiene el proceso.

f) Cada grupo de unos debe formar una figura de cuatro lados teniendo en cuenta que el mapa se cierra por

los extremos laterales,

superior e inferior.

� Una vez establecidos los grupos se obtiene la expresión de S. Esta será una suma de tantos términos como

grupos distintos de unos haya. Para cada uno de los grupos, si una variable toma el valor “0” en la mitad de

las casillas y “1” en la otra mitad, no aparecerá el término; si toma el valor “1” en todas las casillas del grupo

aparecerá de forma directa; y si toma el valor “0”, de forma inversa.

Veamos un ejemplo:

5.5. Implementación con puertas Una vez obtenida la función simplificada, podemos implementarla con

puertas lógicas que la resolverán. Si en la función aparecen todos los

términos negados en primer lugar realizamos la negación de todas las

variables y luego las operaciones.

9

5.6. Resolución de problemas lógicos. Para resolver un problema real se deben seguir los siguientes pasos:

1. Identificar las entradas y salidas del sistema. Las entradas serán las variables que tomarán el valor “0” o “1”

en cada caso. Las salidas valdrán “1” cuando deban activarse.

2. Crear la tabla de verdad con todas las variables de entrada para cada salida.

3. Obtener la función simplificada, bien utilizando las propiedades del álgebra de Boole o bien mediante el

mapa de Karnaugh.

4. Implementar la función con puertas.