Descubre los principios básicos de la Electrónica digital

La electrónica digital representa una de las ramas más importantes de la electrónica en general, y es considerada por muchos como la más revolucionaria para la tecnología. Si estas interesado en conocer más sobre ella, no dejes de leer este interesante artículo.

electronica digital

¿Que es la ciencia de la Electrónica?

Esta ciencia es un derivado de la física, y toma prestado los principios de muchas otras ciencias para complementar sus principios, como lo son la ingeniería y la tecnología. Las aplicaciones disponibles para la ciencia de la electrónica son muy variadas, pero se enfocan principalmente en la transmisión, el trayecto y la manipulación de aquellas partículas que se encuentren cargadas con electricidad, como lo son los electrones. Al mismo tiempo, estas cargas eléctricas pueden escontrarse en el “vació” o en la “materia”, algo que sucede como una ley Física.

Debemos destacar que, dentro de la electrónica la unidad del “Electrón” es su eje principal, ya que sin este la ciencia no sería posible. El ser humano logro descubrir esta carga eléctrica en el año 1987, mismo año en el cual se invento el tubo de vacío, el cual permitía amplificar y detectar pequeñas señales eléctricas, como las emitidas por los electrones. Gracias a esto y a finales del año se inauguro de manera oficial la ciencia de la electrónica.

La electrónica en general trabajo utilizando circuitos eléctricos controlados, los cuales a su vez poseen de manera interna componentes eléctricos activos como pueden ser los tubos de vacío, los diodos, sensores y los transistores. Del mismo modo, de forma interna también se encuentran componentes eléctricos pasivos, y una que otra tecnología que permita la interconexión entre todas las partes.

Electrónica básica

Si bien, la ciencia de la electrónica es bastante extensa y algo difícil de conocer en su totalidad, hay una manera de conocerla de forma general y es aprendiendo electrónica básica. Para ello se debe tener un conocimiento sobre su origen dentro de la física y su especialización que se logro al fusionarla con la ingeniería.

Continuando con esto, la electrónica básica trabaja con el flujo de electrones u otras cargas eléctricas sencillas a través de un camino, ya sea vacío o materia. Para realizar este proceso suelen utilizarse circuitos eléctricos, los cuales tienen la capacidad el movimiento de la energía eléctrica en estas cargas.

Un ejemplo de las aplicaciones que podrían hacerse con los conocimientos de la electrónica básica sería el diseño propio de un circuito eléctrico, con esto seríamos capaces de manejar la trayectoria que seguirían las cargas eléctricas.

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Ramas de la electrónica

Lo cierto es que la electrónica creció tanto que necesito dividir sus conocimientos en diferentes ramas para estudiarlas por separadas. Esta separación dio como resulta la creación de 7 ramas que se encargaban de un área en concreta, las cuales son:

  • Electrónica Digital: Es considerada la más importante y revolucionara de todas las ramas. Actualmente dentro de la electrónica es la que posee más campo, además de ser la que ha permitido el crecimiento de la mayoría de las tecnologías más novedosas.
  • Microelectrónica: En si, la microelectrónica posee todas las características de la ciencia en general, pero aplicada en proporciones mucho más pequeñas de lo visto comúnmente. Un ejemplo claro sería la nanotecnología que ha ido desarrollándose desde hace ya algunos años.
  • Electrónica Analógica: Es una de las ramas principales de la electrónica y se encarga de aquellas variables que pueden variar de manera sucesiva en distintos momentos. Las principales variables son la “Tensión” y la “Corriente”.
  • Diseño de circuitos: El diseño de circuitos es una parte de la electrónica que se especializa en la construcciones de circuitos eléctricos.
  • Circuitos integrados: Una rama de la electrónica que se encuentra centrado en circuitos eléctricos con dimensiones pequeñas y diseñados  a partir de materiales semiconductores de electricidad. Normalmente son conocidos como “chip”.
  • Electrónica de potencia: La rama que se encarga de diferenciar las aplicaciones de aquellos dispositivos que usan electricidad, tomando en cuenta la capacidad del voltaje y la corriente, especialmente aquellos realmente altos.
  • Optoelectrónica: Es una de las ramas más curiosas y extravagantes de la electrónica, ya que es un nexo entre los sistemas ópticos y los eléctricos. Para realizar un circuito optoeléctrico es necesario que los materiales este relacionados con la energía que genera las luz y sea compatible con las cargas eléctricas.

electrónica digital

Electrónica digital

Podemos definir a la electrónica digital como una de las ramas principales de la electrónica, junto a la electrónica analógica, encargándose de los sistemas electrónicos que poseen información codificada y se transmite en estados discretos. Es la rama que actualmente se encuentra más modernizada y ha tenido una fuerte influencia en la sociedad al permitir la creación de nuevas tecnologías.

Dentro de la electrónica digital se utilizan “sistemas digitales” y no los convencionales “sistemas eléctricos”, los primeros de estos suelen transmitir su información de manera discreta al usar algo llamado “estados discretos” los cuales solo poseen 2 números, a los cuales se les denomina niveles lógicos. Dichos niveles son presentados dependiendo del valor de su voltaje; el primero de ellos representando el voltaje que posee el circuito de referencia, y el segundo en los voltios que posee la fuente de alimentación.

Dentro de la electrónica básica estos 2 estados son muy trabajados y suelen ser denominados con distintos nombre de pareja, como lo son: “0 & 1”, “true & false”, “on & off”, “strong & weak” y “bajo & alto”.

En la electrónica digital poseer solo estos 2 valores nos permite utilizar el “Álgebra booleana” y los “Códigos binarios”, lo que nos ofrece un conjunto de técnicas y herramientas para conocer la señal que obtenemos en la entrada y en la salida. Todo esto esto es diseñado dentro de los sistemas digitales, donde se captan las frecuencias de cargas recibidas.

Clasificación de los sistemas digitales

Los sistemas digitales son la base para que la electrónica digital funcione, y el hecho que esta sea una rama tan amplia dentro de la ciencia ha creado que sea necesario diseñar distintos tipos de sistemas digitales para que sean compatibles con todos los dispositivos. Entre los principales sistemas digitales tenemos:

Sistemas cableados

Conocido bajo otros nombres como “Lógica de cableado” o “Lógica de contactos programados”, los sistemas cableados son aquellos que permiten realizar un control semiautomático o automático de las cargas eléctricas que recibe y transmite. Esta clase de sistema es aplicado dentro de dispositivos físicos debido a la necesidad de un conector y un receptor de energía eléctrica.

Combinacionales

Tienen como principal característica que, la salida y la transmisión de cargas eléctricas poseen exactamente el mismo valor que las que entraron. Esto sistemas con increíblemente precisos y los retardos que puedan existir son debido a los propios dispositivos y no por el sistema. El quema de un sistema combinacional es el siguiente:

Secuenciales

A diferencia de los anteriores, el valor de la carga eléctrica de salida sen encuentra relacionada con la carga de entada y el “estado del sistema”. Esto sucede ya que ahora la historia que poseía el aparato eléctrico afecta también el recorrido de las cargas, osea que ahora el sistema tiene de cierta forma memoria.

¿Que tan importante es para la Electrónica en general?

Cuando decidimos mencionar la electrónica digital estamos hablando sobre la rama que más a crecido dentro de toda la ciencia de la electrónica, y que en la actualidad ha cambiado el mundo con los conocimientos que ha proporcionado. Un ejemplo perfecto de la importancia que esta ha demostrado son los mecanismos que se encargaban del procesamiento de datos; primeramente estuvieron las válvulas, posteriormente se inventaron los transistores, luego de estos llego la innovación de los chips y por último los microprocesadores.

Cabe resaltar que aquellos sistemas digitales más complejos que existen en la actualidad son aplicados gracias a todos los componentes, equipos, herramientas e información que fue descubierta por la electrónica digital. Su dominio ha llegado a tal punto que incluso posee un lenguaje propio, el cual es conocido como el código binario. Lo quieran o no, todas las ciencias de la actualidad dependen de cierta manera de la electrónica digital para continuar investigando, ya que el uso de la misma ha llegado a tal extremo que la gran mayoría de nuestras acciones aplican de una forma u otra la electrónica digital.

Posibilidades futuras

Esta rama de la Electrónica es la que ha obtenido los avances más revolucionarios y aquella que ha logrado la mayo evolución hasta ahora, por lo cual no sería raro que en el futuro siga expandiéndose y consiga abrir más posibilidades para los seres humanos. La creación de nueva tecnología tendrá que estar relacionada de alguna manera con la electrónica digital, y por ello será necesario que esta siga creciendo para cumplir las nuevas necesidades que exijan los nuevos inventos del futuro.

Estas posibilidades son infinitas si tomamos en cuenta lo amplio del ámbito de esta ciencia, ya que puede ayudar en el desarrollo de tecnologías para militares, espaciales, industriales, humanitarios, computarizadas, virtuales, gastronómicas y cualquier otra área que se te ocurra. Los inventos que pueden ser creados utilizando la electrónica digital son casi infinitos y continúan creciendo con el pasar de los años.

Si bien, la electrónica digital ha conseguido una gran importancia en nuestra sociedad actual, las teorías a futuro indican una cultura aun más dependiente de esta rama y es sumamente probable que los seres humanos del futuro sigan utilizándola por un largo tiempo.

Historia de la electrónica digital

Incluso dentro de su propia ciencia y fuera de ella, la Electrónica digital ha sido una tecnología revolucionara de suma importancia y que cada día se vuelve más utilizada por los seres humanos. En los años pueden verse reflejados el acelerado crecimiento que incluso marco el tiempo y la posiciono como aquella tecnología que lidera el mercado en la vida moderna de las personas.

En los primeros años de la electrónica digital, las creaciones que eran posibles gracias ha ella estaban limitadas, pero en nuestros tiempos la evolución de esta rama nos ha permitido el desarrollo y creación masiva de tecnologías que la utilizan a un costo relativamente bajo y accesible para la mayoría de las personas. Entre los inventos que han marcado el tiempo podemos mencionar: Computadores, teléfonos, calculadoras, robots y otros cuantos dispositivos digitales.

Invención de la Electrónica Digital

Podríamos decir que la llegada de la electrónica la obtuvimos gracias al científico “John -Ambrose Fleming”, el cual fue la persona que diseño el Diodo de vacío, una de las tecnologías básicas para la electrónica digital incluso en la actualidad y que ayudo a sentar los principios de esta ciencia. Dicha invención se encontraba utilizando la investigación realizada por “Edison” años atrás.

En el año 1883 Edisón noto que la emisión “Termiónica”, al exponer una lámina dentro de un bombillo, consiguiendo evitar el ennegrecimiento que se realizaba de manera común en la ampolla de vidrio, por culpa del filamento del carbón. Posteriormente este conocimiento fue utilizado en el año 1904 por John para diseñar el diodo de vacío.

Su invención utilizaba una buena cantidad de energía térmica, la cual trataba de escapar del núcleo que creaba una fuerza de atracción hacia él mismo (conocida como emisión termoiónica”, de manera que la energía atravesara el vacío que se encontraba dentro del bombilla y fueran atraídos por la polaridad positiva de la lámina metálica. Esto fue lo más parecido a un control del recorrido de las cargas eléctrica que existía hasta esos años y sin darse cuenta comenzaban a crear los principios del control de electrones.

Posteriormente “Lee De Forest” fue la persona encargada de diseñar el “triodo de vacío” tan solo 2 años más parte (1906). Podríamos decir que este es prácticamente igual que el “diodo”, pero este contaba con una rejilla de control, la cual se encontraba ubicada en el cátodo y la placa. Este cambio tan sencillo permitía la capacidad de modificar la nube electrónica que se generaba en el cátodo y nos daba la posibilidad de variar de manera ligera la corriente que se manejaba en la placa.

Crecimiento exponencial

Teniendo en cuenta lo conseguido en los años anteriores, la rama de la Electrónica Digital había crecido casi al mismo ritmo que las otras ramas, incluso siendo más lenta que otras vistas con mayor potencial como la Electrónica Analógica. A pesar de todo esto, comenzaría un cambio a gran escala con la llegada del Transistor.

Este curioso dispositivo fue inventado en el año 1948, gracias a “Bardeen y Brattain” de “Bell Telephone”. Las capacidades de este invento para controlar las cargas eléctricas y su recorrido fue lo que impulso en gran medida la producción a gran escala de aparatos que manejaban la electricidad, siendo los más destacados de la época las radios. Posterior a esto, en el año 1949 surgió en Transistor de unión, el cual continua siendo el dispositivo que se utiliza en la mayoría de las tecnologías electrónicas.

Las puertas lógicas

Las puertas o compuertas lógicas son uno de los componentes eléctricos más importantes dentro de la electrónica digital, ya que sin ellas sería imposible el transito de las cargas eléctricas a través de los sistemas digitales. Estas puertas son representadas comúnmente por un símbolo en específico, y son divididas en 2 grupos principales “Entrada” y “Salida”.

En el caso de las puertas de entrada, estas pueden ser 1,2 o más de ellas, lo cual permite la captación de más cargas eléctricas. Por otro lado las puertas de salida siempre son 1 por cada dispositivo digital, y esta se encarga de realizar una única función. Debido a esto y el a los Niveles Lógicos, fue creado el lenguaje binario. Cuando comienza a transitar la electricidad por el dispositivo esta pasa por la puerta de entrada con un valor en específico, y al pasar por la puerta de salida se trata de tomar valores en función a los obtenidos en la entrada.

Estas puertas lógicas al mismo tiempo representan también un circuito eléctrico en si misma, e incluso poseen su propia tabla de verdad. En dicha tabla se pueden observar todos los posibles valores que pueden ser obtenidos en la puertas de entrada y los correspondientes valores en la salida según la función. Teniendo esto en cuenta, existen sub-tipos de puertas, entre los cuales podemos mencionar:

Puertas lógicas de Igualdad

La función que es utilizada en este tipo de puertas representa que, aquel valor que ha sido expresado por la puerta de salida será siempre igual al valor que había sido recibido por la puerta de entrada. Este tipo de puertas suelen ser complejas de diseñar, ya que es necesario calcular que tanto el valor de entra como el de salida sean exactos o por lo menos muy parecidos.

Un ejemplo sencillo de este tipo de puertas podemos apreciarlos en las lámparas digitales, en estos casos nuestra puerta de salida sería el bombillo de la lámpara y el circuito eléctrico que este posee y su puerta de entrada sería el interruptor que permite que las cargas eléctricas comiencen el recorrido para hacer funcionar el dispositivo.

Nuestro interruptor (que es la puerta de entrada” utiliza un lenguaje binario para funcionar, primeramente se encuentra en un estado “off” si no lo hemos activado, lo cual conlleva que nuestro lámpara se mantenga apagada (poseyendo el mismo valor en ambas puertas). Pero en el momento de pulsemos el interruptor pasaríamos a un estado “on” y comenzarían transitar las cargas eléctricas.

Puertas NO O NOT

Es prácticamente una versión contraria de las puertas de igualdad, ya que el valor de la puerta de entrada es el inverso del expresado en la puerta de salida. Al momento en el cual un dispositivo comienza a funcionar, la tabla de verdad utiliza la misma variable de 2 valores binarios, pero que esta vez toman un valor contrario entre sí.

Teniendo en cuenta que la función y la tabla de la verdad nos dicen que el valor de la entra es el mismo que el de la salida pero invertido, utilizaremos el mismo ejemplo de la lámpara. En este caso nuestra puerta de salida se encuentra en todo momento en un estado “on” al mantener la lámpara encendida, y nuestra fuente de entrada al ser activa lo que hace es convertir ese estado a “off”.

Cabe resaltar que este tipo de puertas lógicas que terminan invirtiendo el valor en la salida poseen un circulo en el extremo en la mayoría de los casos para identificarse.

Puertas O o OR

A diferencias de las anteriores, esta clase puertas poseen 2 entradas (por ejemplo 2 interruptores en vez 1 solo) y una sola salida. En estos casos la tabla de verdad donde se ven los posibles más valores es más amplia, ya que el hecho de poseer 2 puertas de entradas incrementa las posibilidades.

En este caso podríamos decir que una puerta de salida se encuentra en un estado “off” y para que este cambie es necesario que alguna de las puertas de entrada (los interruptores) sean activados para convertirlo en un estado “on”. La diferencia radica en los valores obtenidos al utilizar una puerta u otra, y dependiendo de los valores el funcionamiento varía en el dispositivo.

Puertas ADN

Esta clase de puerta utiliza una función de multiplicación de valores en serie, teniendo en cuenta los contactos generados por las cargas eléctricas. En otras palabras, para que nuestra puerta de salida pueda ser activa es necesario que ambas puertas de entradas estén transmitiendo cargas eléctricas.

En este caso utilizaremos de ejemplo una balanza electrónica digital que sería utilizada en una tienda. Nuestra puerta de salida serían el precio que aparece al pesar cierta masa de producto en específico, y las puertas de entrada son la baldosa donde se coloca la masa y los datos colocados para identificar el producto. Al activar estas 2 puertas de entrada, podemos conocer la interpretación de la puerta de salida. En otras palabras, se multiplican los valores de entrada para obtener el de salida.

Puertas NAD

Es un tipo de puertas algo especial y curioso, ya que es necesario que ambas puertas de entrada estén activas para que la puerta de salida funcione. Por ejemplo si usamos nuevamente la balanza electrónica digital, el precio sería nuevamente nuestra puerta de salida, y la baldosa y los datos ingresados del productos nuestras puertas de entrada. La diferencia sería que, ninguno de las puertas causaría una reacción si no activamos ambas puertas de entrada.

En otras palabras su función dependería del trabajo conjunto de ambas puertas de entrada, ya que es necesario que ambas transfieran las cargas para que el dispositivo trabaje como lo hace usualmente.

Flip Flop electrónica digital

Podemos definir el flip flop como un término para identificar a aquellos dispositivo que poseen 2 estados pre-programados con software distintos, para permitir al artefacto realizar aquellas operaciones lógicas de manera secuencial. En la actualidad este tipo de tecnología es muy usado para el trabajo del almacenamiento y transferencia de archivos en formatos digitales y es normal verlos mencionados con el nombre de “registros”.

https://www.youtube.com/watch?v=Jhc_B94N4jk

Dichos datos que son almacenados podemos encontrarlos en un jenguaje binario, algo que permite los 2 estados anteriormente descritos en los ejemplos, como lo son “off” y “on” o sus otros nombres.

Características

Las características principales de un Flip Flop son:

  • Únicamente se podrá utilizar un puerta de salida: Es posible diseñar dispositivos que cuenten con más de una puerta de salida, pero solamente podrán asimilar el estado de 1 de ellas a la vez. Por esta razón se destaca que solo puede haber una puerta de salida y 1 o más puertas de entrada.
  • Puertas complementarias: En el caso de que existan varias puertas en el Flip Flop, estas tendrán como objetivo principal complementarse entre sí.
  • Cambios de estado: Los flip Flop pueden poseer varios puertas de entradas al mismo tiempo, y dependido de estas el estado de la puerta de salida puede verse afectado.

Tipos de Flip Flop

Los Flip Flop pueden dividirse en varios tipos dependiendo de sus características, pero todos se encuentran agrupados en 2 géneros tomando en cuenta sus puertas de entrada.

  • Asíncronos: Este tipo de Flip Flop necesita ser creado con entradas de control para funcionar. Suele ser bastante utilizado en los Flip Flop de clase “RS”.
  • Síncronos: Al igual que los anteriores, necesita poseer entradas de control, pero al mismo tiempo también necesita una entrada de sincronismo (la cual es conocida como entrada de reloj).

Flip Flop RS

Este tipo de Flip Flop es creado con 2 puertas de entra tipo NOR y posee 2 posibles puertas de salida, a pesar que solo podremos utilizar una al mismo tiempo. Podríamos decir que una puerta de entrada y salida son presentadas con el valor binario “0” y las otas 2 puertas utilizarían el valor “1”.

Ambas puertas que poseen el mismo valor binario tienen un estado distinto en el dispositivo. Dado el caso que ninguna de las puertas sea activada, se mantendrá el último estado que fue utilizado.

Flip Flop T

Es un tipo de Flip Flop donde dependiendo de la cantidad de carga generada y transmitida por la puerta de entrada, la puerta de salida puede interpretarla de maneras distintas y generar diversos estados. En otras palabras nuestra puerta de entrada podría tener la capacidad de generar los estados “0”, “1” y “2” y la puerta de salida reacciona de maneras distintas dependiendo de la puerta de entrada, adaptándose a las cargas recibidas.

Flip Flop JK

Es una variación de los Flip Flop de tipo RS, donde todavía se mantiene la necesidad de activar ambas puertas de entradas para que funcione la puerta de salida. La diferencia radica en el hecho que, al activarse las 2 puertas de entrada, la puerta de salida realiza un inversión de estado, al cambiar a un valor contrario al poseído anteriormente.

Flip Flop D

Probablemente el tipo de Flip Flop más sencillo y fácil de diseñar de todos. En este caso son utilizadas únicamente 2 puertas para llevar a cabo la función del dispositivo, 1 para entrada y 1 para salida. La puerta de entrada de encarga de permitir el acceso a las cargas y llegar a la puerta de salida una vez que ha sido realizado un pulso de reloj. En otras palabras, que las cargas atravesaron una sección del dispositivo antes de llegar a la puerta de salida.

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