MANEJO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS. CUARTO SEMESTRE.
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MANEJO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS. CUARTO SEMESTRE.
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MANEJO DE CIRCUITOS ELECTRONICOS.
CUARTO SEMESTRE.
El cuadernillo de ejercicios del módulo Manejo de Circuitos Electrónicos, segundo
semestre, fue desarrollado por los docentes de la Academia de Electromecánica
Industrial y la Jefatura de Proyecto de Formación Técnica de la Dirección General
de CONALEP Felipe Benicio Martinez Chapa en trabajo colegiado con la
Academia Electromecánica industrial.
Aprobación Director General del CONALEP FELIPE BENICIO MARTINEZ
CHAPA
Víctor Israel González Alcantar
Aprobación Formación Técnica
Martha Delia Chávez González
Ma. Pilar Almonaci Valadez
Ana Lourdes Barajas Pérez
Revisión
Martha Delia Chávez González
Ma. Pilar Almonaci Valadez
Ana Lourdes Barajas Pérez
Francisco Daniel Carrillo Hernández
Autores
Gabriela Ortiz Sánchez
Luis Mario Solorio Vázquez
Eri Gonzalo Barros Muños
Programa de estudios de la materia
Rubrica de aprendizaje Contenido 1.1.1 Construye una fuente
regulada, considerando diodos rectificadores de media onda o de onda completa y reguladores en su estructura.
A. Manejo de diodos. · Materiales semiconductores. ·El diodo. - Teoría y funcionamiento. - Características. - Tipos.
B. Identificación de las aplicaciones de . _ circuitos con diodos.
· Polarización. · Aplicaciones. - Rectificadores. - Sujetadores. - Dobladores. - Reportadores. - Reguladores. · Otros diodos. · Construcción de una fuente regulada.
1.2.1 Arma tres circuitos amplificadores clase “A”, clase “B” y clase “C”, validando su Funcionamiento
A. Manejo de los principios de operación del transistor. · El transistor. - Teoría y funcionamiento. - Características y usos. - Tipos. · Configuraciones básicas.
B. Identificación de la operación del transistor como amplificador. · Configuraciones de amplificadores. - Amplificador tipo “A”. - Amplificador tipo “B”. - Amplificador tipo “AB”. - Amplificador tipo “C”. · Aplicaciones de los diferentes tipos de amplificadores.
1.3.1 Construye una aplicación de un circuito de conmutación con transistores.
A. Identificación de la operación del circuito básico del transistor como conmutador. · Región de Saturación. · Región de corte. · Usos y características. · Funcionamiento y cálculo del circuito.
B. Manejo de las configuraciones de conmutación con transistores más comunes. · Conmutación usando una resistencia Rs. · Conmutación usando un capacitor. · Conmutación con transistor de efecto de campo FET.
C. Identificación de las aplicaciones de circuitos conmutadores basados en transistores. · Industriales · Domesticas.
2.1.1 Arma 3 circuitos de compuertas lógicas y analiza su comportamiento, comparándolo con respecto al análisis matemático desarrollado.
A. Análisis de circuitos lógicos empleando álgebra booleana. · Postulados básicos · Dualidad · Teoremas fundamentales
B. Operación de circuitos de conmutación. · Formas algebraicas de las funciones de conmutación - Formas SOP y POS - Formas canónicas · Compuertas lógicas - AND - OR - NAND - NOR - XOR - XNOR
C. Análisis de circuitos combinatorios. · Método algebraico · Método de la tabla de verdad · Análisis de diagramas de tiempo
D. Síntesis de circuitos combinatorios. · Redes - AND-OR y NAND - OR-AND y NOR - Circuitos de 2 niveles · Circuitos AND-OR-Inversor · Factorización
E. Simplificación de funciones de conmutación. · Caracterización de los métodos de minimización · Mapas de Karnaugh -Relación entre tablas de verdad y diagramas de Venn -Mapas K de 4 o más variables · Trazo de funciones en forma canónica sobre un mapa K
2.3.1 Construye un circuito de control de tiempo, empleando circuitos con temporizadores y flip-flop’s. HETEROEVALUACIÓN.
A. Operación de circuitos de tiempo. · Astable. -Funcionamiento. -Calculo del circuito. · Monoestable. -Funcionamiento. -Calculo del circuito.
B. Operación de circuitos con flip – flop’s. · Flip-flop SR. -Tabla de excitación. -Características de tiempos. -Estructura y funcionamiento del circuito. · Flip-flop
C. -Tabla de excitación. -Características de tiempos. -Estructura y funcionamiento del circuito. · Flip-flop
D. -Tabla de excitación. -Características de tiempos.
-Estructura y funcionamiento del circuito.
Unidad 1: Manejo de circuitos analógicos.
Propósito de la unidad: Manejar circuitos electrónicos analógicos básicos,
empleando diodos y transistores de propósito general, para amplificar o
conmutar señales eléctricas.
1.1 Maneja circuitos basados en diodos, aplicándolos a sistemas electrónicos.
Antes de empezar…
Debe quedar claro algunos temas de la construcción y funcionamiento de los
dispositivos electrónicos.
La construcción de cualquier dispositivo electrónico discreto (individual) de
estado sólido (estructura de cristal duro) o circuito integrado, se inicia con un
material semiconductor de la más alta calidad.
Los semiconductores son una clase especial de elementos cuya conductividad se
encuentra entre la de un buen conductor y la de un aislante.
Los semiconductores de un solo cristal como el germanio (Ge) y el silicio (Si) tienen una
estructura cristalina repetitiva, en tanto que compuestos como el arseniuro de galio (GaAs),
el sulfuro de cadmio (CdS), el nitruro de galio (GaN) y el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP)
se componen de dos o más materiales semiconductores de diferentes estructuras atómicas.
Los tres semiconductores más frecuentemente utilizados en la construcción
de dispositivos electrónicos son Ge, Si y GaAs
ENLACE COVALENTE Y MATERIALES INTRÍNSECOS
Para apreciar plenamente por qué Si,
Ge y GaAs son los semiconductores
más utilizados por la industria
electrónica, hay que entender la
estructura atómica de cada uno y
cómo están enlazados los átomos
entre sí para formar una estructura
cristalina. Todo átomo se compone de
tres partículas básicas: electrón,
protón y neutrón. En la estructura
entrelazada, los neutrones y los
protones forman el núcleo; los
electrones aparecen en órbitas fijas
alrededor de éste. El modelo de Bohr
de los tres materiales aparece en la
figura 1.
Ilustración 1 figura 1
En un cristal de silicio o germanio puros, los cuatro electrones de valencia de un átomo forman
un arreglo de enlace con cuatro átomos adyacentes, como se muestra en la figura 2 Este
enlace de átomos, reforzado por compartir electrones, se llama enlace covalente.
MATERIALES TIPO n Y TIPO p
Como el Si es el material más utilizado como material base (sustrato) en la construcción de dispositivos
de estado sólido, el análisis en ésta y en las siguientes secciones se ocupa sólo de semiconductores Si.
Como el Ge, el Si y el GaAs comparten un enlace covalente similar, se puede ampliar fácilmente el
análisis para incluir el uso de otros materiales en el proceso de fabricación.
Un material semiconductor que ha sido sometido al proceso de dopado se conoce como material extrínseco.
Hay dos materiales extrínsecos de inmensurable importancia en la fabricación de dispositivos
semiconductores: materiales tipo n y tipo p. Cada uno se describe con algún detalle en las siguientes
subsecciones.
Material tipo n
Tanto los materiales tipo n como los tipos p se forman
agregando un número predeterminado de átomos de
impureza a una base de silicio. Un material tipo n se
crea introduciendo elementos de impureza que
contienen cinco electrones de valencia (pentavelantes)
Material tipo p
El material tipo p se forma dopando un cristal de
germanio o silicio puro con átomos de impureza que
tienen tres electrones de valencia. Los elementos más
utilizados para este propósito son boro, galio e indio.
El efecto de uno de estos elementos, el boro, en una
base de silicio se indica en la figura
DIODO SEMICONDUCTOR
El diodo semiconductor, con aplicaciones demasiado numerosas de mencionar, se crea uniendo un
material tipo n a un material tipo p, nada más que eso; sólo la unión de un material con un portador
mayoritario de electrones a uno con un portador mayoritario de huecos. La simplicidad básica de su
construcción refuerza la importancia del desarrollo de esta área de estado sólido.
¿Qué es un diodo?
Un diodo es un dispositivo semiconductor que actúa esencialmente como un interruptor unidireccional para la corriente. Permite que la corriente fluya en una dirección, pero no permite a la corriente fluir en la dirección opuesta.
Los diodos también se conocen como rectificadores porque cambian corriente alterna (CA) a
corriente continua (CC) pulsante. Los diodos se clasifican según su tipo, voltaje y capacidad de corriente.
Los diodos tienen una polaridad determinada por un ánodo (terminal positivo) y
un cátodo (terminal negativo). La mayoría de los diodos permiten que la corriente fluya solo cuando se aplica tensión al ánodo positivo. En este gráfico se muestran varias
configuraciones de los diodos
Ilustración 2Tipos de diodos comerciales
Cuando un diodo permite un flujo de corriente, tiene polarización directa. Cuando un diodo
tiene polarización inversa, actúa como un aislante y no permite que fluya la corriente.
Extraño pero cierto: la flecha del símbolo del diodo apunta en sentido opuesto al sentido del flujo de electrones. Razón: los ingenieros concibieron que el símbolo y sus esquemas
muestran la corriente que fluye desde el lado positivo (+) de la fuente de voltaje hacia el lado negativo (-). Es la misma convención que se utiliza para los símbolos de semiconductores que incluyen flechas; la flecha apunta en la dirección permitida del flujo
"convencional" y contra la dirección permitida del flujo de electrones.
El modo de prueba de diodos de un multímetro digital produce un pequeño voltaje entre las
puntas de prueba suficiente para aplicar polarización directa a la juntura de un diodo. La caída de tensión normal es de 0.5 V a 0.8 V. La resistencia de un diodo en buen estado con
polarización directa debe variar de 1000 ohmios a 10 ohmios. Cuando se aplica polarización inversa, la pantalla de un DMM muestra OL (que indica resistencia muy alta).
POLARIZACIÓN DEL DIODO
Lo ideal VS lo práctico
Una analogía utilizada con frecuencia para describir el comportamiento de un diodo
semiconductor es un interruptor mecánico. En la figura 1.21a el diodo está actuando como un
interruptor cerrado que permite un flujo abundante de carga en la dirección indicada. En la
figura 1.21b el nivel de corriente es tan pequeño en la mayoría de los casos que puede ser
aproximado como 0 A y representado por un interruptor abierto.
HOJA DE ESPECIFICACIONES
Normalmente, el fabricante proporciona datos sobre dispositivos semiconductores específicos en una
de dos formas. Con más frecuencia, dan una descripción muy breve, tal vez limitada a una página.
En otras ocasiones proporcionan un examen completo de las características mediante gráficas,
material gráfico, tablas, etc. En uno u otro caso, son piezas con datos específicos que se deben
incluir para el uso apropiado del dispositivo. Incluyen:
1. El voltaje en directa VF (a una corriente y temperatura especificadas)
2. La corriente máxima en directa IF (a una temperatura especificada)
3. La corriente de saturación en inversa IR (a un voltaje y temperatura especificados)
4. El.valor nominal de voltaje inverso [PIV, PRV, o V(BR), donde BR proviene del término
“breakdown” (ruptura) (a una temperatura especificada)]
Diodo Emisor de Luz (LED)
El uso creciente de pantallas digitales en calculadoras, relojes y en todas las formas de instrumentos,
ha contribuido a un gran interés sobre estructuras que emiten luz cuando se polarizan
apropiadamente. Los dos tipos de uso común que realizan esta función son el diodo emisor de luz
(LED, por sus siglas en inglés) y la pantalla de cristal líquido (LCD, por sus siglas en inglés).
APLICACIONES DE DIODO
El análisis de circuitos electrónicos puede seguir uno de dos caminos: utilizar las características reales,
o aplicar un modelo aproximado para el dispositivo.
El circuito de la figura 2.1 es la más sencilla de las configuraciones de diodo, y servirá para describir
el análisis de un circuito con un diodo empleando sus características reales. En la siguiente sección
reemplazaremos las características por un modelo aproximado del diodo y compararemos las
soluciones; la del circuito de la figura 2.1 se reduce a determinar los niveles de corriente y voltaje
que satisfagan, al mismo tiempo, tanto las características del diodo como los parámetros seleccionados
de la red
Configuración de diodos en SERIE
Ésta es una aproximación válida en la mayoría de las aplicaciones que emplean diodos. Si se utiliza
este hecho se obtendrán equivalentes aproximados del diodo de silicio y el diodo ideal que
aparecen en la tabla 2.1.
En general, un diodo está “encendido” si la corriente establecida por las fuentes aplicadas es tal
que su dirección concuerda con la de la flecha del símbolo del diodo y VD 0.7 V para silicio; VD
0.3 V para germanio, y VD 1.2 V para arseniuro de galio.
En la figura 2.10 se invirtió el diodo de la figura 2.7. Reemplazando mentalmente el diodo con un
elemento resistivo como se muestra en la figura 2.11 se pone de manifiesto que la dirección resultante
de la corriente no coincide con la flecha del símbolo del diodo. El diodo está “apagado” y el resultado
es el circuito equivalente de la figura 2.12. Debido al circuito abierto, la corriente a través del diodo
es de 0 A y el voltaje a través de R es el siguiente:
VR = IRR = IDR = 10 A2R = 0 V
La ley de voltajes de Kirchhoff define el hecho que VR = 0 V establece E volts a través del circuito
abierto. Siempre tenga en cuenta que, en cualesquier circunstancias, CD, valores instantáneos de ca,
pulsos, etc., ¡la ley de voltajes de Kirchhoff se debe cumplir!
EJERCICIOS PARA PRACTICAR...
Realiza los siguientes ejercicios para reforzar conocimientos de la unidad:
ENTRADAS SENOIDALES; RECTIFICACIÓN DE MEDIA ONDA
La función de este circuito es eliminar uno de los dos semiciclos de una señal alterna senoidal,
proveniente del secundario del transformador. El componente electrónico que se usa para este fin es
el diodo, que tiene la propiedad de conducir en un solo sentido.
El esquema y las formas de onda son las que se representan en la figura.
R1 carga o elemento al que vamos a alimentar con la tensión rectificada. Vsec, tensión de entrada al
rectificador (V secundario).
Aplicamos una onda senoidal a la entrada (transformador reductor). En el semiciclo positivo el diodo
queda polarizado directamente y se comporta prácticamente como un interruptor cerrado (excepto
los 0.6V de la barrera de potencial). Esto hace que por el circuito circule una corriente cuya forma de
onda está representada en la siguiente figura.
En el semiciclo negativo, es diodo se polariza inversamente (ánodo más negativo que el cátodo),
comportándose como un interruptor abierto. No existe corriente por el circuito y en la resistencia de
carga R1 no hay caída de tensión, esto supone que toda la tensión de entrada estará en extremos
del diodo como se ve en la siguiente figura.
Teniendo en cuenta las propiedades de la señal alterna de corriente, las ecuaciones se muestran a
continuación:
RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
Un rectificador de onda completa es un circuito empleado para convertir una señal de corriente
alterna de entrada (Vi) en
corriente continua de salida (Vo)
pulsante. A diferencia del
rectificador de media onda, en
este caso, la parte negativa de la
señal se convierte en positiva o
bien la parte positiva de la señal
se convertirá en negativa, según
se necesite una señal positiva o
negativa de corriente continua.
A continuación, se muestra el
circuito empleado para hacer un
rectificador de onda completa
usando cuatro diodos (puente de
Graetz).
En este caso se emplean cuatro
diodos con la disposición de la
figura. Al igual que antes, sólo son
posibles dos estados de
conducción, o bien los diodos 1 y 3 están en directa y conducen (tensión positiva) o por el contrario
son los diodos 2 y 4 los que se encuentran en directa y conducen (tensión negativa).
Esta es la configuración usualmente empleada para la obtención de onda continua.
1.2.1 Arma tres circuitos amplificadores clase “A”, clase “B” y
clase “C”, validando su funcionamiento
Construcción de un transistor
El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de material
tipo n y una de material tipo p o de dos capas de material tipo p y una de material tipo n.
El primero se llama transistor npn y el segundo transistor pnp. Ambos se muestran en la figura
3.2 con la polarización de cd apropiada.
OPERACIÓN DEL TRANSISTOR
A continuación, describiremos la operación básica del transistor utilizando el transistor pnp de la figura
3.2a. La operación del transistor npn es exactamente la misma con los roles de los electrones y huecos
intercambiados. En la figura 3.3 se volvió a dibujar el transistor pnp sin polarización entre la base y
el emisor. El ancho de la región de empobrecimiento se redujo a causa de la polarización aplicada y
el resultado fue un intenso flujo de portadores mayoritarios del material tipo p al material tipo n.
En la figura 3.5 se aplicaron ambos potenciales de polarización a un transistor pnp, con los flujos de
portadores mayoritarios y minoritarios resultantes indicados. Observe los anchos de las regiones de
empobrecimiento donde se ve con claridad cuál unión es polarizada en directa y cual lo está
polarizada en inversa. Como se indica una gran cantidad de portadores mayoritarios se difundirá a
través de la unión p–n polarizada en directa hacia el material tipo n. La pregunta es entonces si estos
portadores contribuirán directamente con la corriente de base IB o si pasarán directamente al material
tipo p. Como el material tipo n emparedado es muy delgado y su conductividad es baja, un número
muy pequeño de estos portadores tomarán esta ruta de alta resistencia hacia la base. La magnitud
de la corriente de base es por lo general del orden de micro-amperes, en comparación con los
miliamperes de las corrientes del emisor y el colector.
El mayor número de estos portadores mayoritarios se difundirá a través de la unión polarizada en
inversa hacia el material tipo n conectado al colector como se indica en la figura La razón de la
facilidad relativa con que los portadores mayoritarios pueden atravesar la unión polarizada en
inversa es fácil de entender si consideramos que en el caso del diodo polarizado en inversa los
portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores minoritarios en el material tipo p.
En otras palabras, ha habido una inyección de portadores minoritarios en el material tipo n de la
región de la base. Si se combina esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios de la
región de empobrecimiento atravesarán la unión polarizada en inversa de un diodo explica el flujo
indicado en la figura.
Aplicando la ley de las corrientes de Kirchhoff al
transistor de la figura 3.5 como si fuera un nodo único
obtenemos:
Amplificadores de Potencia: clasificación, clase A, B, AB, C
1. Clasificación de los amplificadores
La primera clasificación que podemos hacer con los amplificadores viene determinada por las
frecuencias con las que van a trabajar. Si las frecuencias están comprendidas dentro de la banda
audible los amplificadores reciben el nombre de amplificadores de audio frecuencia o amplificadores
de Baja frecuencia. (amplificadores A.F. o amplificadores B.F., respectivamente).
En el tema anterior veíamos que en las transmisiones vamos a utilizar otros amplificadores que
trabajan con la gama alta de frecuencias, las radio frecuencias (amplificadores de R.F). Dentro de
las dos gamas de amplificadores vistas, también, podemos hacer una clasificación atendiendo a su
forma de trabajo:
a) Amplificadores de tensión: son los que su principal misión es suministrar una tensión mayor en su
salida que en su entrada
b) Amplificadores de potencia: aquellos que, aparte de suministrar una mayor tensión, suministran
también un mayor corriente (amplificación de tensión y amplificación de corriente y, por ende,
amplificación de potencia).
Podemos, según esto, tener: amplificadores de tensión (tanto para B.F. como para R.F.) y
amplificadores de potencia (también, para ambas gamas de frecuencias).
En este tema únicamente vamos a entrar en los amplificadores de potencia, que son los que nos
interesan para iniciar el campo de las R.F., el resto los damos por estudiados y aprendidos (porque
son los montajes de amplificadores que se estudian en los principios básicos).
2. Clase de amplificadores de potencia
Tal y como decíamos en el punto anterior, este tipo de amplificadores (amplificadores de potencia,
ya sean para B.F. o para R.F.), tienen la particularidad de que en su salida tenemos ganancia de
tensión y de corriente con respecto a la señal de entrada.
Este tipo de amplificadores pueden entregarnos en su salida toda la señal de entrada o una parte
de la misma; atendiendo a esta característica, los amplificadores de potencia, podemos clasificarlos
de la siguiente forma:
A. Amplificadores de clase A: un amplificador de potencia funciona en clase A cuando la tensión de
polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la
corriente de salida circule durante todo el período de la señal de entrada.
B. Amplificadores de clase B: un amplificador de potencia funciona en clase B cuando la tensión de
polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la
corriente de salida circule durante un semiperíodo de la señal de entrada.
C. Amplificadores de clase AB: son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificador
de potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal
de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un
período y más de un semiperíodo de la señal de entrada.
D. Amplificadores de clase C: un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión de
polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la
corriente de salida circule durante menos de un semiperíodo de la señal de entrada.
Alguien puede que haya visto, en algún libro o manual de reparación, una notación tipo a esto:
Amplificador clase AB1 o también amplificador clase B2; estas notaciones vienen de los antiguos
amplificadores con válvulas.
Amplificadores Clase A – Amplificador de tensión
Como esto no pretende ser más que un repaso, vamos a centrarnos en un único montaje: el
amplificador de tensión clase A con conexión emisor común.
En este tipo de montaje, para que el amplificador nos entregue en su salida la señal de entrada
convenientemente amplificada, y sin recortes de esta señal, debemos polarizar el transistor de forma
que en reposo la tensión de polarización de la base (Vb) lleve a este, al transistor, a un punto medio,
aproximadamente, de su curva característica estática (gráfico inferior).
Amplificadores tipo B
En la figura vemos como el amplificador en clase A (en azul), debido a que su curva de respuesta es
casi continua, la continuación en las senoides de la señal de salida es uniforme; en el amplificador de
clase B (en rojo), debido al desplazamiento de las curvas, se produce un pequeño salto entre las
senoides de la señal de salida (se producen armónicos).
A este salto entre las dos senoides es a lo que se le conoce como distorsión de cruce del amplificador;
el “aplanamiento” al que tiende la señal es debido a que en la señal de salida se producen armónicos
impares de la frecuencia de la señal.
En este tipo de montajes, una cuestión a tener en cuenta (muy importante) es que los dos transistores
deben tener las mismas características en cuanto a tensiones, ganancias, etc.
Si no ponemos dos transistores con las mismas características, puede ocurrir que, uno de los semiciclos
tenga más amplitud que el otro (debido a que un transistor tiene más ganancia que otro) con lo que
aumentaríamos la distorsión de la etapa.
UNIDAD 2 ELECTRÓNICA DIGITAL
MAGNITUDES ANALÓGICAS Y DIGITALES Los circuitos electrónicos pueden dividirse en dos amplias categorías: digitales y analógicos.
La electrónica digital utiliza magnitudes con valores discretos y la electrónica analógica
emplea magnitudes con valores continuos.
Magnitud analógica
Una magnitud analógica es aquella que toma valores continuos.
Por ejemplo, la temperatura varía dentro de un rango continuo de valores. A lo largo de un día, la
temperatura no varía por ejemplo entre 20ºC y 25ºC de forma instantánea, sino que alcanza todos
los infinitos valores que hay en ese intervalo. Si dibujamos la gráfica de la temperatura de un día
típico de verano, tendríamos una curva continua suave como la mostrada en Figura 1.1. Otros ejemplos
de magnitudes analógicas son el tiempo, la presión, la distancia y el sonido.
MAGNITUD DIGITAL
Una magnitud digital es aquella que toma un conjunto de valores discretos.
En las aplicaciones de electrónica, la representación digital presenta ciertas ventajas sobre
la representación analógica. La principal ventaja es que los datos digitales pueden ser
procesados y transmitidos de forma más fiable y eficiente que los datos analógicos. También,
los datos digitales disfrutan de una ventaja importante cuando es necesario su
almacenamiento. Por ejemplo, cuando la música se convierte a formato digital puede
almacenarse de manera más compacta y reproducirse con mayor precisión y claridad de lo
que es posible en formato analógico. El ruido (fluctuaciones de tensión no deseadas) no afecta
a los datos digitales tanto como a las señales analógicas.
UN SISTEMA ELECTRÓNICO ANALÓGICO
Un sistema de altavoz, que se emplea para amplificar el sonido de modo que pueda ser
escuchado por una gran audiencia, es un ejemplo de una aplicación de electrónica digital. El
diagrama básico de la Figura 1.3 ilustra cómo estas ondas sonoras, que son analógicas por
naturaleza, son captadas por un micrófono y convertidas en una pequeña variación analógica
de tensión denominada señal de audio. Esta tensión varía de forma continua a medida que
el volumen y la frecuencia del sonido varían, y se aplica a la entrada de un amplificador
lineal. La salida del amplificador, que es una reproducción amplificada de la tensión de
entrada, se aplica al altavoz. El altavoz convierte de nuevo la señal de audio amplificada
en ondas sonoras con un volumen mucho mayor que el sonido original captado por el
micrófono.
SISTEMA QUE UTILIZA MÉTODOS DIGITAL Y ANALÓGICO
Un reproductor de CD es un ejemplo de un sistema en que se emplean tanto circuitos digitales
como analógicos. El diagrama de bloques simplificado de la Figura 1.4 ilustra el principio
básico. La música en formato digital se almacena en el CD. Un sistema óptico de diodos láser
lee los datos digitales del disco cuando éste gira y los transfiere al convertidor digital-
analógico (DAC, Digital-to-Analog Converter). El DAC transforma los datos digitales en una
señal analógica que es una reproducción eléctrica de la música original. Esta señal se
amplifica y se envía al altavoz para que podamos disfrutarla. Cuando la música original se
grabó en el CD se utilizó el proceso inverso del descrito aquí, y que utilizaba un convertidor
analógico-digital (ADC, Analog-to-Digital Converter).
DÍGITOS BINARIOS, NIVELES LÓGICOS Y FORMAS DE ONDA
DIGITALES
La electrónica digital utiliza sistemas y circuitos en los que sólo existen dos estados posibles.
Estos estados se representan mediante dos niveles de tensión diferentes: ALTO (HIGH) y
BAJO (LOW). Estos dos estados también pueden representarse mediante niveles de corriente,
bits y relieves en un CD o en un DVD, etc. En los sistemas digitales como las computadoras, las
combinaciones de los dos estados, denominadas códigos, se emplean para representar
números, símbolos, caracteres alfabéticos y otros tipos de datos. El sistema de numeración de
dos estados se denomina binario y los dos dígitos que emplea son 0 y 1. Un dígito binario
se denomina bit
DÍGITOS BINARIOS Y NIVELES LÓGICOS
Cada uno de los dos dígitos del sistema binario, 1 y 0, se denomina bit, que es la contracción
de las palabras binary digit (dígito binario). En los circuitos digitales se emplean dos niveles
de tensión diferentes para representar los dos bits. Por lo general, el 1 se representa
mediante el nivel de tensión más elevado, que se denomina nivel ALTO (HIGH) y 0 se
representa mediante el nivel de tensión más bajo, que se denomina nivel BAJO (LOW)
ALTO (HIGH) = 1 y BAJO (LOW) = 0
FORMAS DE ONDAS DIGITALES
Las formas de onda digitales consisten en niveles de tensión que varían entre los estados o
niveles ALTO y BAJO. La Figura 1.6(a) muestra que un impulso positivo se genera cuando la
tensión (o la intensidad) pasa de su nivel normalmente BAJO hasta su nivel ALTO y luego
vuelve otra vez a su nivel BAJO. El impulso negativo de la Figura 1.6(b) se genera cuando la
tensión pasa de su nivel normalmente ALTO a su nivel BAJO y vuelve a su nivel ALTO. Una
señal digital está formada por una serie de impulsos.
Características de la forma de onda
La mayoría de las formas de onda que se pueden encontrar en los sistemas digitales están
formadas por series de impulsos, algunas veces denominados también trenes de impulsos, y
pueden clasificarse en periódicas y no periódicas. Un tren de impulsos periódico es aquel que
se repite a intervalos de tiempo fijos; este intervalo de tiempo fijo se denomina período (T).
La frecuencia (f) es la velocidad a la que se repite y se mide en hercios (Hz). Por supuesto, un
tren de impulsos no periódico no se repite a intervalos de tiempo fijos y puede estar formado
por impulsos de distintos anchos y/o impulsos que tienen intervalos distintos de tiempo entre
los pulsos. En la Figura 1.8 se muestra un ejemplo de cada tipo.
PUERTAS (O COMPUERTAS) LÓGICAS
Los símbolos distintivos y tablas de verdad para los distintos tipos de puertas lógicas (sólo
para dos entradas) se muestran en la Figura
Las Compuertas Lógicas son circuitos electrónicos conformados internamente por transistores
que se encuentran con arreglos especiales con los que otorgan señales de voltaje como
resultado o una salida de forma booleana, están obtenidos por operaciones lógicas binarias
(suma, multiplicación). También niegan, afirman, incluyen o excluyen según sus propiedades
lógicas. Estas compuertas se pueden aplicar en otras áreas de la ciencia como mecánica,
hidráulica o neumática.
Las compuertas lógicas son circuitos electrónicos diseñados para obtener resultados booleanos
(0,1), los cuales se obtienen de operaciones lógicas binarias (suma, multiplicación).
Compuerta NOT
En la compuerta NOT, el estado de la salida es inversa a la entrada. Evidentemente, una
negación.
Q = - Q = Q'
El inversor (circuito NOT) realiza la operación denominada inversión o complementación. El
inversor cambia un nivel lógico al nivel opuesto. En términos de bits, cambia un 1 por un 0, y
un 0 por 1.
Compuerta AND
Para la compuerta AND, La salida estará en estado alto (1, ACTIVADO) de tal manera que
solo si las dos entradas se encuentran en estado alto. Por esta razón podemos considerar que
es una multiplicación binaria.
Operación
Q = A*B
La puerta AND es una de las puertas básicas con la que se construyen todas las funciones
lógicas. Una puerta AND puede tener dos o más entradas y realiza la operación que se
conoce como multiplicación lógica.
La compuerta OR
la compuerta OR, la salida estará en estado alto cuando cualquier entrada o
ambas estén en estado alto. De tal manera que sea una suma lógica.
Operación
Q=A+B
La puerta OR es otra de las puertas básicas con las que se construyen todas las
funciones lógicas. Una puerta OR puede tener dos o más entradas y realiza la
operación que se conoce como suma lógica.
¿Cómo son las compuertas en físico?
Las compuertas lógicas las podemos encontrar hoy en día en dispositivos
llamados "Circuitos Integrados"
Estructura y distribución de las compuertas en los circuitos integrados
Para los circuitos integrados, tienen el nombre inicial como 74, pero los siguientes dos digitos
son para identificar el tipo de compuerta lógicas que se quisiera utilizar. Ejemplo
74XX
7404 – Compuerta NOT
7408 – Compuerta AND
7432 – Compuerta OR
La compuerta NAND
El término NAND es una contracción de NOT−AND, e implica una función AND con la salida
complementada (negada). En la Figura 3.25(a) se muestra el símbolo lógico estándar para
la puerta NAND de 2 entradas y su equivalente empleando los símbolos de la puerta AND
seguida de un inversor, donde el símbolo ≡ significa “equivalente a”. En la parte (b) se muestra
el símbolo rectangular.
Algebra Booleana (Algebra de Boole)
El álgebra de Boole son las matemáticas de los sistemas digitales. Es indispensable tener unos
conocimientos básicos del álgebra booleana para estudiar y analizar los circuitos lógicos.
Suma Booleana
la suma booleana es equivalente a la operación OR y a continuación se muestran sus reglas
básicas junto con su relación con la puerta OR
En el álgebra de Boole, un término suma es una suma de literales. En los circuitos lógicos, un
término suma se obtiene mediante una operación OR, sin que exista ninguna operación AND
en la expresión. Algunos ejemplos de términos de suma son:
Un término suma es igual a 1 cuando uno o más de los literales del término es 1. Un término
suma es igual a 0 sólo si cada uno de los literales son iguales a 0
Multiplicación Booleana
La multiplicación booleana es equivalente a la operación AND
En el álgebra de Boole, un término producto es un producto de literales. En los circuitos lógicos,
un término suma se obtiene mediante una operación AND, sin que existe ninguna operación
OR en la expresión. Algunos ejemplos de términos de multiplicación son
Un término producto es igual a 1 sólo si cada uno de los literales del término es 1. Un término
producto es igual a 0 cuando uno o más de los literales son iguales a 0.
EJEMPLO 1
EJEMPLO 2
Reglas del álgebra booleana
La Tabla 4.1 enumera las doce reglas básicas, muy útiles, para la manipulación y
simplificación de expresiones booleanas. Las nueve primeras reglas las veremos en términos
de su aplicación a las puertas lógicas. Las reglas 10 a 12 se obtendrán a partir de las reglas
más sencillas y de las leyes anteriormente explicadas.
Análisis Booleano de los circuitos Lógicos
El álgebra de Boole proporciona una manera concisa de expresar el funcionamiento de un
circuito lógico formado por una combinación de puertas lógicas, de tal forma que la salida
puede determinarse por la combinación de los valores de entrada.
Para obtener la expresión booleana de un determinado circuito lógico, la manera de
proceder consiste en comenzar con las entradas situadas más a la izquierda e ir avanzando
hasta las líneas de salida, escribiendo la expresión para cada puerta. Para el circuito ejemplo
de la Figura 4.16, su expresión booleana se determina de la siguiente manera:
1. La expresión de la puerta AND situada más a la izquierda cuyas entradas son C y D es
CD.
2. La salida de la puerta AND situada más a la izquierda es una de las entradas de la puerta
OR y B es su otra entrada. Por tanto, la expresión para la puerta OR es B+CD.
3. La salida de la puerta OR es una de las entradas de la puerta AND situada más a la
derecha, siendo A su otra entrada. Por tanto, la expresión de esta puerta AND será A(B+CD),
que es la expresión final de salida del circuito completo.
Mapas de Karnaugh
Un mapa de Karnaugh proporciona un método sistemático de simplificación de expresiones
booleanas y, si se aplica adecuadamente, genera las expresiones sumas de productos y
producto de sumas más simples posibles, conocidas como expresiones mínimas.
Un mapa de Karnaugh es similar a una tabla de verdad, ya que muestra todos los valores
posibles de las variables de entrada y la salida resultante para cada valor. En lugar de
organizar en filas y columnas como una tabla de verdad, el mapa de Karnaugh es una matriz
de celdas en la que cada celda representa un valor binario de las variables de entrada. Las
celdas se organizan de manera que la simplificación de una determinada expresión consiste
en agrupar adecuadamente las celdas. Los mapas de Karnaugh se pueden utilizar para
expresiones de dos, tres, cuatro y cinco variables, pero nos ocuparemos únicamente de los
casos de tres y cuatro variables para ilustrar los principios.
Mapa de Karnaugh de 3 variables
El mapa de Karnaugh de tres variables es una matriz de ocho celdas, como se muestra en la
Figura 4.21(a). En este caso, A, B y C se emplean para denominar a las variables, aunque
podían haberse usado cualesquiera otras letras. Los valores binarios de A y B se encuentran
en el lado izquierdo (observe la secuencia) y los valores de C se colocan en la parte superior.
El valor de una determinada celda es el valor binario de A y B, en la parte izquierda de la
misma fila combinado con el valor de C en la parte superior de la misma columna. Por
ejemplo, la celda de la esquina superior izquierda tiene un valor binario de 000 y la celda
inferior derecha tiene un valor binario de 101. La Figura 4.21(b) muestra los términos
producto estándar representados por cada celda del mapa de Karnaugh.
LATCHES
El latch S-R (SET-RESET)
Un latch es un tipo de dispositivo lógico biestable o multivibrador. Un latch S-R (Set-Reset) con
entrada activa a nivel ALTO se compone de dos puertas NOR acopladas, tal como se muestra
en la Figura 7.1(a); un latch con entrada activa a nivel BAJO está formado por dos puertas
NAND conectadas tal como se muestra en la Figura 7.1(b). Observe que la salida de cada
puerta se conecta a la entrada de la puerta opuesta. Esto origina la realimentación
(feedback) regenerativa característica de todos los latches y flip-flops.
El temporizador 555
En la Figura 7.53 se muestra un diagrama funcional con los componentes internos de un
temporizador 555. Los comparadores son dispositivos cuyas salidas están a nivel ALTO
cuando la tensión en la entrada positiva (+) es mayor que la tensión en la entrada negativa
(-), y están a nivel BAJO cuando la tensión de entrada negativa es mayor que la tensión de
entrada positiva.
Uso de herramientas.
Para realizar los ejercicios y de una forma imperativa y práctica para
el alumno. Puede utilizar las siguiente herramienta o app de celular.
Esta aplicación permite simular circuitos o componentes digitales que
se vieron en los temas previos en la unidad
Ejercicios
1. Simular las compuertas AND, OR y NOT y comparar resultados
2. Realizar las conexiones de compuertas lógicas y dar los
resultados con las con las indicaciones de estado de las
compuertas.
A B C D SALIDA
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
1 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 1
1 0 1 0
1 0 1 1
1 1 0 0
1 1 0 1
1 1 1 0
1 1 1 1
3. A través del Link, pedir solicitud para poder ver y realizar las
prácticas que se encuentran en la página de Facebook.
Practica HOLA electrónica digital https://www.facebook.com/ponce.martines/videos/2516566561777903
Parte 2 https://www.facebook.com/ponce.martines/videos/2518264678274758
Utilizando la app de celular https://www.facebook.com/groups/254420342257047
Electrónica digital: Números Binarios https://www.facebook.com/ponce.martines/videos/2623006957800529
