Electrónica
Definición
La electrónica es la disciplina que se ocupa del desarrollo y la aplicación de dispositivos y sistemas que implican el flujo de electrones en el vacío, en medios gaseosos y en semiconductores. La electrónica trata con circuitos eléctricos que involucran componentes eléctricos activos tales como tubos de vacío, transistores, diodos, circuitos integrados, optoelectrónica y sensores, componentes eléctricos pasivos asociados y tecnologías de interconexión. Comúnmente, los dispositivos electrónicos contienen circuitos que consisten principalmente o exclusivamente en semiconductores activos complementados con elementos pasivos; tal circuito se describe como un circuito electrónico.
La electrónica se considera una rama de la física y la ingeniería eléctrica.
El comportamiento no lineal de los componentes activos y su capacidad para controlar los flujos de electrones hace posible la amplificación de señales débiles. La electrónica es ampliamente utilizada en el procesamiento de información, las telecomunicaciones y el procesamiento de señales. La capacidad de los dispositivos electrónicos para actuar como conmutadores hace posible el procesamiento de la información digital. Las tecnologías de interconexión como las placas de circuitos, la tecnología de empaquetado de productos electrónicos y otras formas variadas de infraestructura de comunicación completan la funcionalidad del circuito y transforman los componentes combinados en un sistema de trabajo regular.
La ciencia y la tecnología eléctrica y electromecánica se ocupan de la generación, distribución, conmutación, almacenamiento y conversión de energía eléctrica hacia y desde otras formas de energía (utilizando cables, motores, generadores, baterías, interruptores, relés, transformadores, resistencias y otros componentes pasivos). ) Esta distinción comenzó alrededor de 1906 con la invención de Lee De Forest del triodo, que hizo posible la amplificación eléctrica de señales de radio débiles y señales de audio con un dispositivo no mecánico. Hasta 1950 este campo se llamó "tecnología de radio" porque su principal aplicación era el diseño y la teoría de transmisores de radio, receptores y tubos de vacío.
Hoy en día, la mayoría de los dispositivos electrónicos usan componentes semiconductores para realizar control electrónico. El estudio de los dispositivos semiconductores y la tecnología relacionada se considera una rama de la física de estado sólido, mientras que el diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos se encuentran bajo ingeniería electrónica. Este artículo se centra en aspectos de ingeniería de la electrónica.
Sucursales de electrónica
La electrónica tiene sucursales de la siguiente manera:
- Electrónica digital
- Electrónica analógica
- Microelectrónica
- Diseño de circuito
- Circuitos integrados
- Electrónica de potencia
- Optoelectrónica
- Dispositivos semiconductores
- Sistemas embebidos
Dispositivos y componentes electrónicos
Un componente electrónico es cualquier entidad física en un sistema electrónico utilizado para afectar los electrones o sus campos asociados de una manera consistente con la función prevista del sistema electrónico. Por lo general, los componentes están destinados a conectarse entre sí, usualmente soldando a una placa de circuito impreso (PCB), para crear un circuito electrónico con una función particular (por ejemplo, un amplificador, receptor de radio u oscilador). Los componentes pueden empaquetarse individualmente o en grupos más complejos como circuitos integrados. Algunos componentes electrónicos comunes son condensadores, inductores, resistencias, diodos, transistores, etc. Los componentes a menudo se clasifican como activos (por ejemplo, transistores y tiristores) o pasivos (por ejemplo, resistencias, diodos, inductores y condensadores).
Historia de componentes electrónicos
Los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) se encontraban entre los primeros componentes electrónicos. Eran casi exclusivamente responsables de la revolución electrónica de la primera mitad del siglo XX. Tomaron electrónica de los trucos de salón y nos dieron radio, televisión, fonógrafos, radar, telefonía de larga distancia y mucho más. Desempeñaron un papel de liderazgo en el campo de la transmisión de microondas y de alta potencia, así como de los receptores de televisión hasta mediados de la década de 1980. Desde entonces, los dispositivos de estado sólido se han apoderado por completo. Todavía se utilizan tubos de vacío en algunas aplicaciones especializadas, como amplificadores de RF de alta potencia, tubos de rayos catódicos, equipos de audio especializados, amplificadores de guitarra y algunos dispositivos de microondas.
En abril de 1955, el IBM 608 fue el primer producto de IBM en utilizar circuitos de transistores sin tubos de vacío y se cree que es el primer calculador todo transistorizado que se fabrica para el mercado comercial. El 608 contenía más de 3.000 transistores de germanio. Thomas J. Watson Jr. ordenó a todos los futuros productos de IBM el uso de transistores en su diseño. A partir de ese momento, los transistores se usaron casi exclusivamente para lógica de computadora y periféricos.
Tipos de circuitos
Los circuitos y componentes se pueden dividir en dos grupos: analógico y digital. Un dispositivo particular puede consistir en circuitos que tienen uno u otro o una combinación de los dos tipos.
Circuitos analógicos
La mayoría de los dispositivos electrónicos analógicos, como los receptores de radio, se construyen a partir de combinaciones de algunos tipos de circuitos básicos. Los circuitos analógicos usan un rango continuo de voltaje o corriente en lugar de niveles discretos como en los circuitos digitales.
La cantidad de circuitos analógicos diferentes hasta ahora diseñados es enorme, especialmente porque un 'circuito' se puede definir como cualquier cosa, desde un solo componente hasta sistemas que contienen miles de componentes.
Los circuitos analógicos a veces se denominan circuitos lineales, aunque se usan muchos efectos no lineales en circuitos analógicos, como mezcladores, moduladores, etc. Buenos ejemplos de circuitos analógicos incluyen tubos de vacío y amplificadores de transistores, amplificadores operacionales y osciladores.
Rara vez se encuentran circuitos modernos que son completamente analógicos. En la actualidad, los circuitos analógicos pueden usar técnicas digitales o incluso de microprocesador para mejorar el rendimiento. Este tipo de circuito se suele llamar "señal mixta" en lugar de analógico o digital.
A veces puede ser difícil diferenciar entre circuitos analógicos y digitales ya que tienen elementos de operación lineal y no lineal. Un ejemplo es el comparador que toma un rango continuo de voltaje pero solo emite uno de dos niveles como en un circuito digital. De manera similar, un amplificador de transistor saturado puede asumir las características de un interruptor controlado que tiene esencialmente dos niveles de salida. De hecho, muchos circuitos digitales se implementan realmente como variaciones de circuitos analógicos similares a este ejemplo; después de todo, todos los aspectos del mundo físico real son esencialmente analógicos, por lo que los efectos digitales solo se realizan al restringir el comportamiento analógico.
Circuitos digitales
Los circuitos digitales son circuitos eléctricos basados en una cantidad de niveles discretos de voltaje. Los circuitos digitales son la representación física más común del álgebra de Boole, y son la base de todas las computadoras digitales. Para la mayoría de los ingenieros, los términos "circuito digital", "sistema digital" y "lógica" son intercambiables en el contexto de los circuitos digitales. La mayoría de los circuitos digitales usan un sistema binario con dos niveles de voltaje etiquetados como "0" y "1". A menudo, la lógica "0" será una tensión más baja y se denominará "Baja", mientras que la lógica "1" se denomina "Alta". Sin embargo, algunos sistemas usan la definición inversa ("0" es "Alto") o están basados en la corriente. Con bastante frecuencia, el diseñador lógico puede invertir estas definiciones de un circuito a otro según lo considere oportuno para facilitar su diseño. La definición de los niveles como "0" o "1" es arbitraria.
Se ha estudiado la lógica ternaria (con tres estados) y se han fabricado algunos prototipos de computadoras.
Las computadoras, los relojes electrónicos y los controladores lógicos programables (utilizados para controlar los procesos industriales) están construidos con circuitos digitales. Los procesadores de señal digital son otro ejemplo.
Bloques de construcción:
- Puertas lógicas
- Adders
- Chancletas
- Contadores
- Registros
- Multiplexores
- Disparadores de Schmitt
Dispositivos altamente integrados:
- Microprocesadores
- Microcontroladores
- Circuito integrado específico de la aplicación (ASIC)
- Procesador de señal digital (DSP)
- Arreglo de puerta programable de campo (FPGA)
Disipación de calor y gestión térmica
El calor generado por los circuitos electrónicos debe disiparse para evitar fallas inmediatas y mejorar la confiabilidad a largo plazo. La disipación de calor se logra principalmente por conducción / convección pasiva. Los medios para lograr una mayor disipación incluyen disipadores de calor y ventiladores para la refrigeración por aire y otras formas de refrigeración por computadora, como el enfriamiento por agua. Estas técnicas usan convección, conducción y radiación de energía térmica.
ruido
El ruido electrónico se define como perturbaciones no deseadas superpuestas a una señal útil que tiende a oscurecer su contenido de información. El ruido no es lo mismo que la distorsión de la señal causada por un circuito. El ruido está asociado con todos los circuitos electrónicos. El ruido puede generarse electromagnética o térmicamente, lo que se puede reducir al disminuir la temperatura de funcionamiento del circuito. Otros tipos de ruido, como el ruido de disparo, no pueden eliminarse ya que se deben a limitaciones en las propiedades físicas.
Teoría electrónica
Los métodos matemáticos son esenciales para el estudio de la electrónica. Para dominar la electrónica, también es necesario dominar las matemáticas del análisis de circuitos.
El análisis de circuitos es el estudio de métodos para resolver sistemas generalmente lineales para variables desconocidas, como la tensión en un determinado nodo o la corriente a través de una determinada rama de una red. Una herramienta analítica común para esto es el simulador de circuito SPICE.
También es importante para la electrónica el estudio y la comprensión de la teoría del campo electromagnético.
Laboratorio de electrónica
Debido a la naturaleza compleja de la teoría de la electrónica, la experimentación de laboratorio es una parte importante del desarrollo de dispositivos electrónicos. Estos experimentos se utilizan para probar o verificar el diseño del ingeniero y detectar errores. Históricamente, los laboratorios de electrónica han consistido en dispositivos electrónicos y equipos ubicados en un espacio físico, aunque en los últimos años la tendencia ha sido hacia el software de simulación de laboratorio de electrónica, como CircuitLogix, Multisim y PSpice.
Diseño asistido por computadora (CAD)
Los ingenieros electrónicos de la actualidad tienen la capacidad de diseñar circuitos utilizando bloques de construcción prefabricados, como fuentes de alimentación, semiconductores (es decir, dispositivos semiconductores, como transistores) y circuitos integrados. Los programas de software de automatización de diseño electrónico incluyen programas de captura esquemática y programas de diseño de placa de circuito impreso. Los nombres populares en el mundo del software EDA son NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB y Schematic, Mentor (PADS PCB y LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad y muchos otros.
Métodos de construcción
Muchos métodos diferentes de conexión de componentes se han utilizado a lo largo de los años. Por ejemplo, los primeros equipos electrónicos a menudo usaban cableado punto a punto con componentes conectados a placas de madera para construir circuitos. La construcción de cable y la envoltura de alambre fueron otros métodos utilizados. La mayoría de los dispositivos electrónicos actuales utilizan placas de circuitos impresos hechos de materiales como FR4, o el más económico (y menos resistente) papel sintético de resina sintética (SRBP, también conocido como Paxoline / Paxolin (marcas comerciales) y FR2), caracterizado por su color marrón. Las preocupaciones ambientales y de salud asociadas con el ensamblaje de dispositivos electrónicos han recibido mayor atención en los últimos años, especialmente para productos destinados a la Unión Europea, con su Directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS) y Directiva de Residuos de Equipos Eléctricos y Electrónicos (WEEE).