Electrónica y sus orígenes

NOMBRE DE LA INSTITUCION: INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD MADERO CARRERA: INGENIERIA ELECTRONICA ALUMNO: GARCIA DEL ANGEL JUAN MANUEL MATERIA: FUNDAMENTOS DE INVESTIGACION TRABAJO: “LA ELECTRONICA” Introduccion En este escrito se dara a conocer informacion sobre la electronica, sus conceptos, antecedentes, avances y componentes. Asi como sus aplicaciones y una parte de su historia, tambien se analizaran algunos aparatos que se utilizan para ciertas mediciones en este campo.

Concepto #1 Es el campo de la ingenieria y de la fisica aplicada al diseno y aplicacion de dispositivos, por lo general circuitos electronicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generacion, transmision, recepcion, almacenamiento de informacion, entre otros. Los circuitos electronicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta informacion, incluyendo la amplificacion de senales debiles hasta un nivel que se pueda utilizar. Concepto #2

Es la rama de la fisica y especializacion de la ingenieria, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conduccion y el control del flujo microscopico de los electrones u otras particulas cargadas electricamente. Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde los semiconductores hasta las valvulas termoionicas. El diseno y la construccion de circuitos electronicos para resolver problemas practicos forma parte de la electronica

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y de los campos de la ingenieria electronica, electromecanica y la informatica en el diseno de software para su control.

El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnologia se suele considerar una rama de la fisica, mas concretamente en la rama de ingenieria de materiales. Historia Se considera que la electronica comenzo con el diodo de vacio inventado por John Ambrose Fleming en 1904. El funcionamiento de este dispositivo esta basado en el efecto Edison. Edison fue el primero que observo en 1883 la emision termoionica, al colocar una lamina dentro de una bombilla para evitar el ennegrecimiento que producia en la ampolla de vidrio el filamento de carbon.

Cuando se polarizaba positivamente la lamina metalica respecto al filamento, se producia una pequena corriente entre el filamento y la lamina. Este hecho se producia porque los electrones de los atomos del filamento, al recibir una gran cantidad de energia en forma de calor, escapaban de la atraccion del nucleo (emision termoionica) y, atravesando el espacio vacio dentro de la bombilla, eran atraidos por la polaridad positiva de la lamina. El otro gran paso lo dio Lee De Forest cuando invento el triodo en 1906.

Este dispositivo es basicamente como el diodo de vacio, pero se le anadio una rejilla de control situada entre el catodo y la placa, con el objeto de modificar la nube electronica del catodo, variando asi la corriente de placa. Este fue un paso muy importante para la fabricacion de los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio, televisores, etc. Conforme pasaba el tiempo, las valvulas de vacio se fueron perfeccionando y mejorando, apareciendo otros tipos, como los tetrodos (valvulas de cuatro electrodos), los pentodos (cinco electrodos), otras valvulas para aplicaciones de alta potencia, etc.

Dentro de los perfeccionamientos de las valvulas se encontraba su miniaturizacion. Pero fue definitivamente con el transistor, aparecido de la mano de Bardeen y Brattain, de la Bell Telephone, en 1948, cuando se permitio aun una mayor miniaturizacion de aparatos tales como las radios. El transistor de union aparecio algo mas tarde, en 1949. Este es el dispositivo utilizado actualmente para la mayoria de las aplicaciones de la electronica. Sus ventajas respecto a las valvulas son entre otras: menor tamano y fragilidad, mayor rendimiento energetico, menores tensiones de alimentacion, etc.

El transistor tiene tres terminales (el emisor, la base y el colector) y se asemeja a un triodo: la base seria la rejilla de control, el emisor el catodo, y el colector la placa. Polarizando adecuadamente estos tres terminales se consigue controlar una gran corriente de colector a partir de una pequena corriente de base. En 1958 se desarrollo el primer circuito integrado, que alojaba seis transistores en un unico chip. En 1970 se desarrollo el primer microprocesador, Intel 4004. En la actualidad, los campos de desarrollo de la electronica son tan vastos que se ha dividido en varias disciplinas especializadas.

La mayor division es la que distingue la electronica analogica de la electronica digital. Componentes electronicos Los circuitos electronicos constan de componentes electronicos interconectados. Estos ponentes se clasifican en dos categorias: activos o pasivos. Entre los pasivos se incluyen las resistencias, los condensadores y las bobinas. Los considerados activos incluyen las baterias (o pilas), los generadores, los tubos de vacio y los transistores. Tubos de vacio Un tubo de vacio consiste en una capsula de vidrio de la que se ha extraido el aire, y que lleva en su interior varios electrodos metalicos.

Un tubo sencillo de dos elementos (diodo) esta formado por un catodo y un anodo, este ultimo conectado al terminal positivo de una fuente de alimentacion. El catodo (un pequeno tubo metalico que se calienta mediante un filamento) libera electrones que migran hacia el (un cilindro metalico en torno al catodo, tambien llamado placa). Si se aplica una tension alterna al anodo, los electrones solo fluiran hacia el anodo durante el semiciclo positivo; durante el ciclo negativo de la tension alterna, el anodo repele los electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a traves del tubo.

Los diodos conectados de tal manera que solo permiten los semiciclos positivos de una corriente alterna (CA) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la conversion de corriente alterna a corriente continua (CC) . Al insertar una rejilla, formada por un hilo metalico en espiral, entre el catodo y el anodo, y aplicando una tension negativa a dicha rejilla, es posible controlar el flujo de electrones. Si la rejilla es negativa, los repele y solo una pequena fraccion de los electrones emitidos por el catodo pueden llegar al anodo. Este tipo de tubo, denominado triodo, puede utilizarse como amplificador.

Las pequenas variaciones de la tension que se producen en la rejilla, como las generadas por una senal de radio o de sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de electrones desde el catodo hacia el anodo y, en consecuencia, en el sistema de circuitos conectado al anodo. Transistores Los transistores se componen de semiconductores. Se trata de materiales, como el silicio o el germanio, dopados (es decir, se les han incrustado pequenas cantidades de materias extranas con reacciones quimicas), de manera que se produce una abundancia o una carencia de electrones libres.

En el primer caso, se dice que el semiconductor es del tipo n, y en el segundo que es del tipo p. Combinando materiales del tipo n y del tipo p puede producirse un diodo. Cuando este se conecta a una bateria de manera tal que el material tipo p es positivo y el material tipo n es negativo, los electrones son repelidos desde el terminal negativo de la bateria y pasan, sin ningun obstaculo, a la region p, que carece de electrones. Con la bateria invertida, los electrones que llegan al material p pueden pasar solo con muchas dificultades hacia el material n, que ya esta lleno de electrones libres, en cuyo caso la corriente es casi cero.

El transistor bipolar fue inventado en 1948 para sustituir al tubo de vacio triodo. Esta formado por tres capas de material dopado, que forman dos uniones PN (bipolares) con configuraciones PNP o NPN. Una union esta conectada a la bateria para permitir el flujo de corriente (polarizacion negativa frontal, o polarizacion directa), y la otra esta conectada a una bateria en sentido contrario (polarizacion inversa). Si se varia la corriente en la union de polarizacion directa mediante la adicion de una senal, la corriente de la union de polarizacion inversa del transistor variara en consecuencia.

El principio puede utilizarse para construir amplificadores en los que una pequena senal aplicada a la union de polarizacion directa provocara un gran cambio en la corriente de la union de polarizacion inversa. Otro tipo de transistor es el de efecto de campo (FET, acronimo ingles de Field-Effect Transistor), que funciona sobre la base del principio de repulsion o de atraccion de cargas debido a la superposicion de un campo electrico. La amplificacion de la corriente se consigue de manera similar al empleado en el control de rejilla de un tubo de vacio.

Los transistores de efecto de campo funcionan de forma mas eficaz que los bipolares, ya que es posible controlar una senal grande con una cantidad de energia muy pequena. Circuitos integrados La mayoria de los circuitos integrados son pequenos trozos, o chips, de silicio, de entre 2 y 4 mm2, sobre los que se fabrican los transistores. La fotolitografia permite al disenador crear centenares de miles de transistores en un solo chip situando de forma adecuada las numerosas regiones tipo n y p. Durante la fabricacion, estas regiones son interconectadas mediante conductores minusculos, a fin de producir circuitos especializados complejos.

Estos circuitos integrados son llamados monoliticos por estar fabricados sobre un unico cristal de silicio. Los chips requieren mucho menos espacio y potencia, y su fabricacion es mas barata que la de un circuito equivalente compuesto por transistores individuales. Resistencias Al conectar una bateria a un material conductor, una determinada cantidad de corriente fluira a traves de dicho material. Esta corriente depende de la tension de la bateria, de las dimensiones de la muestra y de la conductividad del propio material. Las resistencias se emplean para controlar la corriente en los circuitos electronicos.

Se elaboran con mezclas de carbono, laminas metalicas o hilo de resistencia, y disponen de dos cables de conexion. A las resistencias variables se le llaman reostatos o potenciometros, con un brazo de contacto deslizante y ajustable, suelen utilizarse para controlar el volumen de radios y televisiones. Condensadores Los condensadores estan formados por dos placas metalicas separadas por un material aislante. Si se conecta una bateria a ambas placas, durante un breve tiempo fluira una corriente electrica que se acumulara en cada una de ellas.

Si se desconecta la bateria, el condensador conserva la carga y la tension asociada a la misma. Las tensiones rapidamente cambiantes, como las provocadas por una senal de sonido o de radio, generan mayores flujos de corriente hacia y desde las placas; entonces, el condensador actua como conductor de la corriente alterna. Este efecto puede utilizarse, por ejemplo, para separar una senal de sonido o de radio de una corriente continua, a fin de conectar la salida de una fase de amplificacion a la entrada de la siguiente. Bobinas Las bobinas (tambien llamadas inductores) consisten en un hilo conductor enrollado.

Al pasar una corriente a traves de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo magnetico que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la corriente. Al igual que un condensador, una bobina puede utilizarse para diferenciar entre senales rapida y lentamente cambiantes (altas y bajas frecuencias). Al utilizar una bobina conjuntamente con un condensador, la tension de la bobina alcanza un valor maximo a una frecuencia especifica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este principio se emplea en los receptores de radio al seleccionar una frecuencia especifica mediante un condensador variable.

Dispositivos de deteccion y transductores La medicion de magnitudes mecanicas, termicas, electricas y quimicas se realiza empleando dispositivos denominados sensores y transductores. El sensor es sensible a los cambios de la magnitud a medir, como una temperatura, una posicion o una concentracion quimica. El transductor convierte estas mediciones en senales electricas, que pueden alimentar a instrumentos de lectura, registro o control de las magnitudes medidas. Los sensores y transductores pueden funcionar en ubicaciones alejadas del observador, asi como en entornos inadecuados o impracticables para los seres humanos.

Algunos dispositivos actuan de forma simultanea como sensor y transductor. Un termopar consta de dos uniones de diferentes metales que generan una pequena tension que depende del diferencial termino entre las uniones. El termistor es una resistencia especial, cuyo valor de resistencia varia segun la temperatura. Un reostato variable puede convertir el movimiento mecanico en senal electrica. Para medir distancias se emplean condensadores de diseno especial, y para detectar la luz se utilizan fotocelulas.

Para medir velocidades, aceleracion o flujos de liquidos se recurre a otro tipo de dispositivos. En la mayoria de los casos, la senal electrica es debil y debe ser amplificada por un circuito electronico. Aplicaciones de la electronica La electronica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electronicos son el control, el procesado, la distribucion de informacion, la conversion y la distribucion de la energia electrica. Estos dos usos implican la creacion o la deteccion de campos electromagneticos y corrientes electricas.

Entonces se puede decir que la electronica abarca en general las siguientes areas de aplicacion: * Electronica de control * Telecomunicaciones * Electronica de potencia Sistemas electronicos Un sistema electronico es un conjunto de circuitos que interactuan entre si para obtener un resultado. Una forma de entender los sistemas electronicos consiste en dividirlos en las siguientes partes: 1. Entradas o Inputs – Sensores (o transductores) electronicos o mecanicos que toman las senales (en forma de temperatura, presion, etc. ) del mundo fisico y las convierten en senales de corriente o voltaje. 2.

Circuitos de procesamiento de senales – Consisten en piezas electronicas conectadas juntas para manipular, interpretar y transformar las senales de voltaje y corriente provenientes de los transductores. 3. Salidas o Outputs – Actuadores u otros dispositivos (tambien transductores) que convierten las senales de corriente o voltaje en senales fisicamente utiles. Equipos de medicion Los equipos de medicion de electronica se utilizan para crear estimulos y medir el comportamiento de los Dispositivos Bajo Prueba (DUT por sus siglas en ingles). A continuacion presentamos una lista de los mas equipos de medicion mas importantes: Galvanometro: mide el cambio de una determinada magnitud, como la intensidad de corriente o tension (o voltaje). Se utiliza en la construccion de Amperimetros y Voltimetros analogicos. * Amperimetro y pinza amperimetrica: miden la intensidad de corriente electrica. * Ohmetro o puente de Wheatstone: miden la resistencia electrica. Cuando la resistencia electrica es muy alta (sobre los 1 M-ohm) se utiliza un megohmetro o medidor de aislamiento. * Voltimetro: mide la tension. * Multimetro o polimetro: mide las tres magnitudes citadas arriba, ademas de continuidad electrica y el valor B de los transistores (tanto PNP como NPN). Vatimetro: mide la potencia electrica. Esta compuesto de un amperimetro y un voltimetro. Dependiendo de la configuracion de conexion puede entregar distintas mediciones de potencia electrica, como la potencia activa o la potencia reactiva. * Osciloscopio: miden el cambio de la corriente y el voltaje respecto al tiempo. * Analizador logico: prueba circuitos digitales. * Analizador de espectro: mide la energia espectral de las senales. * Analizador vectorial de senales: como el analizador espectral pero con mas funciones de demodulacion digital. Electrometro: mide la carga electrica. * Frecuencimetro o contador de frecuencia: mide la frecuencia. * Reflectometro de dominio de tiempo (TDR): prueba la integridad de cables largos. * Capacimetro: mide la capacidad electrica o capacitancia. * Contador electrico: mide la energia electrica. Al igual que el vatimetro, puede cofigurarse para medir energia activa (consumida) o energia reactiva. Avances recientes El desarrollo de los circuitos integrados ha revolucionado los campos de las comunicaciones, la gestion de la informacion y la informatica.

Los circuitos integrados han permitido reducir el tamano de los dispositivos con el consiguiente descenso de los costes de fabricacion y de mantenimiento de los sistemas. Al mismo tiempo, ofrecen mayor velocidad y fiabilidad. Los relojes digitales, las computadoras portatiles y los juegos electronicos son sistemas basados en microprocesadores. Otro avance importante es la digitalizacion de las senales de sonido, proceso en el cual la frecuencia y la amplitud de una senal de sonido se codifica digitalmente mediante tecnicas de muestreo adecuadas, es decir, tecnicas para medir la amplitud de la senal a intervalos muy cortos.

La musica grabada de forma digital, como la de los discos compactos, se caracteriza por una fidelidad que no era posible alcanzar con los metodos de grabacion directa. La electronica medica a llegado hasta a sistemas que pueden diferenciar aun mas los organos del cuerpo humano. Se han desarrollado asimismo dispositivos que permiten ver los vasos sanguineos y el sistema respiratorio. Tambien la alta definicion promete sustituir a numerosos procesos fotograficos al eliminar la necesidad de utilizar plata.

La investigacion actual dirigida a aumentar la velocidad y capacidad de las computadoras se centra sobre todo en la mejora de la tecnologia de los circuitos integrados y en el desarrollo de componentes de conmutacion aun mas rapidos. Se han construido circuitos integrados a gran escala que contienen varios centenares de miles de componentes en un solo chip. Han llegado a fabricarse computadoras que alcanzan altisimas velocidades en las cuales los semiconductores son reemplazados por circuitos superconductores que utilizan las uniones de Josephson y que funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto.