Electrónica

Compoñentes electrónicos nunha tarxeta con tecnoloxía de montaxe superficial.

A electrónica é a rama da física e especialización da enxeñaría, que estuda e emprega os dispositivos electrónicos que funcionan controlando o fluxo de electróns e outras partículas cargadas electricamente en dispositivos, como por exemplo nos semicondutores e outros. O estudo puro destes dispositivos considérase unha rama da física, mentres que o deseño e a posta en funcionamento de circuítos electrónicos para solucionar problemas prácticos denomínase enxeñaría electrónica. Segundo os compoñentes electrónicos empregados, fálase de electrónica analóxica ou dixital. A diferenza entre ambos está no modo de tratar os sinais, se de forma continua (analóxica) ou discreta (dixital).

As principais utilizacións dos circuítos electrónicos son, por unha banda, o control, proceso e distribución da información e, doutra banda, a distribución e conversión dunha forza electromagnética. Estes dous usos implican a creación ou detección de campos electromagnéticos e correntes eléctricas.

Historia

Unha válvula dobre-tríodo de fabricación rusa.

Algúns transistores bipolares.

Un transistor SMD.

Un circuíto integrado oscilador de 1978.

Amplificadores operacionais.

Un exemplo de montaxe superficial (SMD) dun circuíto electrónico.

As primeiras realizacións da electrónica foron os circuítos receptores e emisores de radio, Guglielmo Marconi foi sen dúbida un pioneiro, pero as súas primeiras radios non se poden considerar máis que unha aplicación da electrotecnia a un problema novo. O verdadeiro salto cualitativo chegou da man do enxeñeiro británico John Ambrose Fleming do University College de Londres que en 1904 inventou o primeiro dispositivo electrónico, o díodo sen carga, a válvula de baleiro ou válvula termoiónica. Pouco despois, en 1906, apareceu o primeiro compoñente electrónico de tres eléctrodos, o tríodo sen carga inventado por Lee De Forest, que permitía amplificar un sinal. A súa aparición fixo posible un gran número de aplicacións, entre outros a telefonía ou os aparellos de control e medida, máis tarde, na década de 1920, posibilitou a emisión da voz por radio e os inicios da televisión na do 1930.

Durante os anos 1930 varios investigadores fixáronse na conmutación rápida como método para facer cálculos complexos utilizando un sistema de numeración binario. As dúas posible posicións dos conmutadores expresarían as dúas únicas cifras posibles: o cero e o un (0 e 1). Os tubos sen carga eran máis rápidos que calquera interruptor mecánico e pronto foron utilizados para as novas máquinas de calcular. A primeira computadora electrónica, coñecida co nome de ENIAC, foi construída pola Universidade de Pensilvania para o Exército dos Estados Unidos de América e presentada o 14 de febreiro de 1946, constaba de 17.468 válvulas sen carga, ocupaba 167m², pesaba 27 toneladas e consumía a mesma electricidade que 10 fogares.

Despois da primeira guerra mundial a electrónica desenvolveuse con rapidez, especialmente no campo da radio, que aquel período chegou ó seu punto culminante da súa aplicación; na teoría de circuítos logrouse un fito fundamental coa invención do primeiro circuíto de reacción o 1927, que se utilizou para conseguir resultados significativamente superiores con poucos compoñentes, mentres que os aparellos de radio facíanse cada vez máis sofisticados pasando dos sinxelo circuítos homodinos do principio, a patróns máis complexos heterodinos e superheterodinos, que garantían unha maior separación entre as estacións de radio e menos ruído.

Un novo punto de inflexión produciuse despois da segunda guerra mundial coa invención do transistor, descuberto o 23 de decembro de 1947 polos estadounidenses John Bardeen, William Shockley e Walter Houser Brattain, investigadores da compañía telefónica American Telephone & Telegraph (ATT), que observaron que cando os contactos eléctricos aplícanse a un cristal de xermanio, a potencia de saída é máis grande que a de entrada. O transistor era un compoñente activo que podía ter as mesmas funcións das válvulas termoiónicas a unha fracción do seu custo, do espazo ocupado e do consumo de enerxía: ademais, os transistores podían ser integrados en dispositivos complexos, os circuítos integrados, que hoxe en día poden conter moitos millóns de transistores (e outros compoñentes como resistencias, condensadores, díodos etc.) e, polo tanto, poden exercer funcións moi complexas cun custo e nun espazo reducidos. O transistor vai achandando o camiño para a aparición da microelectrónica e os compoñentes electrónicos miniaturizados.

En 1955, J. H. Felker creou o primeiro computador totalmente transistorizado nos Laboratorios Bell para a Forza Aérea dos Estados Unidos de América, o TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer o TRansistorized Airborne DIgital Computer), cuns 800 transistores de material semicondutor.

A integración a grande escala iniciouse entre 1958 e 1959 coa invención dos primeiros circuítos integrados, creados de maneira independente por Jack Kilby de Texas Instruments utilizando silicio e por Robert Noyce en Fairchild Semiconductor utilizando xermanio. No ano 2000 Kilby recibiría o Premio Nobel de Física pola súa contribución á invención do circuíto integrado.

O 1971 foi outro ano chave na historia da electrónica porque se definiu e realizou o primeiro microprocesador, o Intel 4004, a primeira CPU completa nun único chip. Creado en Intel por un equipo liderado por Federico Faggin a partir dunha arquitectura deseñada por Marcian Hoff. O 4004 contiña 2.300 transistores e podía procesar unhas 92.000 instrucións por segundo. A partir daquela data a evolución dos microprocesadores foi extremadamente rápida seguindo a Lei de Moore, que indicaba que a capacidade de integración dos microprocesadores, o número equivalente de transistores, duplicaríase cada 18 meses. A finais da década de 1990 empezaron a aparecer factores limitadores como a capacidade de disipación da calor producida ou a rotura do paralelismo entre a capacidade de integración e a capacidade de proceso. Algúns dos deseños máis notables foron: o 8008 de Intel, o Z80 de Zilog, o 68000 de Motorola, ou o 8086 de Intel que deu orixe á arquitectura x86.

Ramas da electrónica

A electrónica pódese subdividir nun conxunto de ramas en función do tipo de sinal que estuda, o tipo de aplicación ou mesmo en función da posición xerárquica do obxecto de estudo dentro do sistema global.

Segundo o tipo de sinais que trata

A electrónica ten por obxecto o tratamento dos sinais eléctricos a través dos compoñentes adecuados, ás veces coa participación dalgún tipo de programa informático. Un sinal é unha manifestación dunha magnitude física que trae información que pode ser tratada. Habitualmente trátase dunha voltaxe ou dunha corrente eléctrica pero tamén pode ser un campo eléctrico ou magnético.

Tradicionalmente os sinais adóitanse a clasificar en tres grupos:

• sinal analóxico
• sinal dixital
• sinal de potencia

Tamén é habitual considerar que os sinais teñen dous compoñentes

sinal = sinal útil + ruído

o sinal útil é a parte do sinal que contén a información que se utiliza, o ruído é calquera perturbación que modifica a parte útil. Esta separación é arbitraria pois depende da utilización que se quere facer do sinal.

Sinal analóxico. Electrónica analóxica

a electrónica analóxica ocúpase do tratamento continuo dos sinais analóxicos, aqueles que presentan unha variación continua ao longo do tempo, en contraposición aos sinais dixitais que só presentan unha serie finita de estados discretos. Os sinais analóxicos poden tomar calquera valor dentro dun espazo continuo (ou continuo por intervalos). A maioría dos sistemas físicos son analóxicos, as magnitudes físicas varían de maneira continua, a temperatura sería un exemplo.

O campo da electrónica analóxica divídese tradicionalmente en varias sub-ramas, entre outras, as que se ocupan de:

• A instrumentación
• As frecuencias de son (ligado coa electroacústica)
• As frecuencias de radio
• As hiperfrecuencias (tamén chamadas frecuencias de radar ou altas frecuencias )
• A produción e a propagación de ondas electromagnéticas
• Os sinais de vídeo
• O tratamento dos sinais analóxicos
• A codificación dos sinais

Sinal dixital. Electrónica dixital

Imaxe dunha versión moderna do microprocesador Intel 4004.

Un microcontrolador

Por oposición á electrónica analóxica, a electrónica dixital ocúpase dos sinais que presentan un espazo de valores discretos e en número finito. No caso máis simple un sinal dixital só pode tomar dous valores posibles, 1 e 0.

A electrónica dixital utilízase especialmente en sistemas que conteñen microprocesadores ou microcontroladores. Un exemplo sería un ordenador, un aparello composto en gran parte por circuítos de electrónica dixital.

Hoxe en día hai unha tendencia a que o tratamento dos sinais dixitais substitúa o tratamento analóxico. No campo das aplicacións domésticas hai exemplos notables, é o caso do son e o vídeo (reprodutor MP3, videocámara, televisión dixital terrestre) onde a electrónica analóxica foi substituída (o caso da fotografía dixital é diferente porque substituíu un procedemento químico de adquisición da imaxe). Con todo non hai que esquecer que os valores discretos non existen no mundo físico real, os fenómenos analóxicos pódense presentar nos circuítos analóxicos, especialmente no caso das altas frecuencias. Ademais algunhas funcións como a medida ou a amplificación son intrinsecamente analóxicas e nunca poderán converterse en discretas. Os sensores son maioritariamente analóxicos.

Dado que os sinais dixitais son tamén discretos no tempo pódese utilizar un oscilador de cuarzo (un reloxo) para sincronizar as diferentes partes dun circuíto. A frecuencia de reloxo, expresada en hertz (Hz), dun circuíto é unha expresión do número de cambios de estado que son posibles en cada segundo. Falaríase de electrónica síncrona. Pero tamén é posible traballar de maneira asíncrona (de maneira independente a un reloxo) se se organiza o funcionamento das diferentes partes do circuíto de forma que se sincronicen mediante o intercambio de sinais de control. Neste caso falaríase de electrónica asíncrona.

Electrónica mixta

Tamén se pode falar de electrónica mixta cando se trata de sistemas nos que coexisten sinais analóxicos e dixitais. Os módulos específicos desta rama da electrónica son os conversores: o conversor analóxico-dixital (CAD) e o conversor dixital-analóxico (CDA). Estes dous circuítos permiten a transformación dun sinal analóxico nun sinal dixital e á inversa, isto permite, por exemplo, que se poidan utilizar módulos totalmente analóxicos como os sensores con circuítos dixitais.

Por exemplo, un termómetro cun indicador dixital toma a temperatura (que é unha magnitude analóxica), mide o seu valor, codifícaa nunha secuencia dixital e despois móstraa en pantalla. As dúas primeiras operacións (captura e medida) son realizadas polos módulos de electrónica analóxica, a terceira (codificación dixital) require unha conversión analóxico-dixital e a última (presentación en pantalla) é un proceso totalmente dixital.

Sinais de potencia. Electrónica de potencia

A electrónica de potencia é o conxunto de técnicas que se interesannan enerxía contida nos sinais eléctricos, a diferenza outras disciplinas da electrónica que se interesan sobre todo na información contida nos sinais. O obxectivo é o control ou a transformación da enerxía eléctrica. A gama de potencia alcanzada varía desde algúns microwatts ata moitos megawatts.

A electrónica de potencia baséase en dispositivos que permiten cambiar a forma da enerxía eléctrica (os conversores, por exemplo os rectificadores) e en dispositivos transdutores como a turbina ou os motores eléctricos. A electrónica de potencia ten como campos de aplicación a electrotecnia doméstica e industrial, onde substitúe antigas solucións electromecánicas.

Segundo a posición xerárquica do obxecto de estudo

Algunhas ramas da electrónica defínense, de maneira independente da aplicación, en función da posición que ocupa o obxecto de estudo dentro da xerarquía dun sistema electrónico.

Física dos compoñentes

No nivel inferior sitúanse os compoñentes electrónicos. A rama que se interesa polo estudo e a concepción dos compoñentes electrónicos elementais denomínase física dos compoñentes ou tecnoloxía dos compoñentes e ten un compoñente de ciencia básica e outro de tecnolóxico, de aquí as dúas posibles denominacións. Utilízanse coñecementos das ciencias fundamentais como a física do estado sólido ou a química, que teñen pouco que ver coa electrónica respecto á enxeñaría de tratamento dos sinais. É un campo que fai de ponte entre a física fundamental e unha ciencia aplicada como é a electrónica. Os compoñentes básicos da electrónica son, hoxe en día, os transistores, as resistencias, os condensadores, o díodos etc.

Enxeñaría electrónica

O campo principal de estudo da enxeñaría electrónica son os circuítos electrónicos. Un circuíto electrónico é un sistema formado por un conxunto de compoñentes electrónicos asociados por interconexións. A palabra circuíto é debida ao feito de que o tratamento se fai grazas á corrente eléctrica que circula entre os compoñentes interconectados. A rama que estuda as propiedades dos circuítos electrónicos recibe o nome de teoría de circuítos, a que se dedica ao estudo da metodoloxía para facer un tratamento específico baseándose nun circuíto denomínase deseño de circuítos. Os sistemas electrónicos modernos comportan a utilización de centenares de millóns de compoñentes elementais. Por esta razón a enxeñaría de circuítos só se ocupa da realización de aplicacións ou módulos relativamente simples, cunhas poucas decenas de compoñentes.

Segundo o tamaño dos circuítos utilizados

Soldado nunha trincheira durante a primeira guerra mundial utilizando unha radio de galena.

Tamén se pode facer unha clasificación en función do tamaño dos circuítos producidos.

Electrónica de válvulas

Unha radio a válvulas de 1941.

Trátase da electrónica que utiliza válvulas como compoñentes activos elementais. Hoxe en día practicamente xa non existe, trátase dun tipo de electrónica en vías de desaparición, só subsiste en forma de tubos catódicos para receptores de televisión (en claro retroceso) e dalgúns compoñentes das emisoras de radio de gran potencia. A única que aínda ten unha certa actividade é a tecnoloxía de válvulas termoiónicas utilizada nos amplificadores de guitarras eléctricas.

O deseño das válvulas fainas moi tolerantes ás sobrecargas e é esta particularidade a que fai que aínda hoxe en día poida ter un certo papel en aplicacións extremas como as emisoras de radio de gran potencia e os tubos de emisión de raios X. Outra aplicación vixente é a dos dínodos que se utilizan para a detección de fotóns nalgúns aparellos médicos.

Electrónica discreta

Fai referencia aos compoñentes elementais individuais ou discretos ensamblados habitualmente sobre placas electrónicas ou circuítos impresos. Hoxe en día este tipo de concepción electrónica só se adoita a utilizar en montaxes experimentais ou no marco da electrónica de afeccionados, o resto foi substituído pola microelectrónica. A pesar de que sobre os circuítos impresos actuais as principais funcións son realizadas polos circuítos integrados seguen a utilizarse compoñentes discretos, esencialmente resistencias e condensadores.

Microelectrónica

Un receptor de radio FM miniaturizado nun reprodutor Mp3 con radio incorporada.

A microelectrónica naceu como resultado do proceso de miniaturización dos compoñentes electrónicos elementais. Este proceso de redución do tamaño empezou nos anos cincuenta coa aparición dos semicondutores e chegou a unha fase extrema a finais do século XX. A medida dos compoñentes non para de minguar, chegando a medidas da orde dalgunhas decenas de nanómetros. Este progreso foi posible grazas aos adiantos logrados no tratamento dos materiais semiconductores, especialmente o silicio, que permitiron crear varios millóns de compoñentes elementais nunha superficie de poucos milímetros cadrados.

A microelectrónica ocúpase dos sistemas electrónicos que utilizan compoñentes de medidas micrométricas e nanométricas. A expresión electrónica integrada sería un sinónimo e refírese a un conxunto de compoñentes integrados nun só circuíto integrado ou chip de semiconductores.

Nanoelectrónica e electrónica molecular

Cando se fala da electrónica moderna o prefixo "micro" empeza a ser obsoleto, despois de que empezaron a aparecer compoñentes cunhas medidas que se teñen que medir en nanómetres, comparables ás das moléculas. Polo tanto fálase de nanoelectrónica, da nanotecnoloxía e da electrónica molecular. Aínda máis, os últimos adiantos técnicos permiten divisar a concepción de compoñentes baseados nas propiedades dos electróns e o seu spin: a spintrónica.

Microsistemes

Co progreso da micro e nanotecnoloxía obsérvase unha fusión de sistemas pertencentes a diferentes dominios da técnica (mecánicos, térmicos, ópticos etc.) ao redor dos circuítos e sistemas electrónicos. Estas fusións son denominadas ás veces sistemas de tratamento de sinais multidominio ou sistemas multidominio. Detrás deste progreso dos microsistemas están os procedementos de mecanizado do silicio que evolucionaron ata tal punto que é posible realizar estruturas tridimensionais sobre cristais de silicio cos circuítos electrónicos. Desde a década de 1990 os microsistemas electromecánicos ou microsistemas electromecánicos (MEMS nas súas siglas inglesas, por Microelectromechanical systems) empezaron a ser producidos e utilizados en grandes cantidades.

Base teórica

Métodos matemáticos

Hai un certo número de ferramentas para a modelización das propiedades electrónicas dos circuítos. Pódense citar os principios fundamentais da electricidade e do electromagnetismo (como por exemplo a lei de Ohm, a lei de Gauss, a lei de Faraday), os modelos de funcionamento dos materiais semicondutores (unión PN, efecto de campo, efecto alude) ou ferramentas matemáticas e estatísticas (número complexo, transformada de Fourier, transformada de ondas).

Os estudos dos sinais de alta frecuencia teñen a súa base teórica nos métodos asociados á análise da propagación das ondas (ecuacións de Maxwell). A utilización de sinais rápidos dentro dun circuíto electrónico require unha análise previa e a utilización de software de simulación específico. O estudo dos compoñentes electrónicos a nivel atómico necesita os resultados e os métodos da mecánica cuántica.

A simulación dos circuítos electrónicos, ás veces de alta complexidade e custo, está moi estendida e a un nivel moi avanzado. Algúns softwares poden integrar un gran número de parámetros, como a temperatura ou os campos electromagnéticos.

Ruído

Un transistor co seu disipador

Como calquera outro sistema, un circuíto electrónico está en contacto coa súa contorna inmediata e tanto pode xerar alteracións sobre esta contorna como ser afectado polas perturbacións presentes na súa contorna. Estas perturbacións reciben o nome de ruído e están asociadas a calquera circuíto electrónico. O ruído defínese como as perturbacións non desexadas que se sobrepoñen sobre o sinal útil e que tenden a escurecer a información contida no sinal. Polo tanto, despois de que afecten negativamente á función dos circuítos, é necesario minimizar estas perturbacións. O ruído non é o mesmo que a distorsión dos sinais que pode causar un circuíto, o ruído pode ser xerado electromagnética ou termicamente, e, neste caso, pode ser diminuído baixando a temperatura de funcionamento do circuíto. En cambio hai casos como o ruído de disparo (Shot noise) que non pode ser eliminado de ningún xeito dado que é debido ás limitacións das propiedades físicas.

Aínda así a mesma evolución da electrónica xera elementos que afectan negativamente á loita contra o ruído, a miniaturización e a integración dos compoñentes e dos sistemas comportan un aumento da sensibilidade ante as perturbacións, do mesmo xeito que o aumento das frecuencias de funcionamento. Por outra banda a xeneralización dos sistemas radioeléctricos tamén fixo aumentar globalmente a presenza dos campos de perturbacións.

Disipación térmica

Un ventilador dunha CPU montado sobre un disipador.

Deseño dun circuíto impreso.

A necesidade de manter a temperatura dos compoñentes dentro dos valores compatibles co seu funcionamento fai necesario tratar o problema da calor xerada polos circuítos electrónicos. Se non se ten en conta este factor, afectaríase ó rendemento e á fiabilidade a longo prazo, ou nalgúns casos máis extremos chegaríase a unha avaría inmediata. As técnicas de disipación da calor inclúen tanto elementos pasivos, como os disipadores, ou activos, como os ventiladores, a pesar de que hai outras técnicas que tamén se utilizan, como o arrefriado por auga ou por aceite que se utiliza nalgúns ordenadores. Todas estas técnicas baséanse en formas de transferencia da calor como a convección, a condución ou a radiación térmica.

Influencia dos raios cósmicos

O tamaño dos actuais compoñentes elementais utilizados pola electrónica fai que tamén sexan sensibles ás partículas da radiación cósmica. Isto fai necesario o estudo desta sensibilidade para atopar os métodos a aplicar para garantir o funcionamento correcto dos sistemas, especialmente nos casos das funcións críticas.

Métodos de deseño

A electrónica moderna baséase exclusivamente nunhas poucas ferramentas e software de deseño asistido por computador. Estas ferramentas permiten todos os procesos do deseño de circuítos, desde a realización dos esquemas, ou o deseño dos circuítos impresos ata a modelización. O deseño de circuítos integrados complexos inclúe etapas intermedias como a síntese lóxica ou a análise dos atrasos. Algúns sistemas de deseño son NIN Multisim, ORCAD ou Eagle PCB entre outros.

Métodos de fabricación

Unha FPGA de Altera.

A fabricación dos circuítos electrónicos diversificouse moito a partir dos anos oitenta. A pesar de que a fabricación de prototipos aínda se pode facer de maneira artesanal, a produción en serie faise en fábricas cada vez máis complexas e custosas pero que permiten a obtención dunha tecnoloxía que cada vez ofrece mellor rendemento e a uns prezos razoables. Mentres a industria da microelectrónica require investimentos cada vez máis importantes para seguir a evolución da tecnoloxía, as industrias de tecnoloxía estándar sobre circuítos impresos buscan mellorar o seu rendemento e abaratar o custo por medio da utilización de robots para a fabricación, ensamblaxe ou test, a xestión da produción asistida por computador ou a deslocalización da produción.

Ao longo dos anos utilizáronse diferentes métodos para conectar os compoñentes aos circuítos electrónicos. Desde as primeiras construcións baseadas en conexións punto a punto cos compoñentes emprazados sobre placas de madeira, cordwood ou wire wrap ata os modernos circuítos impresos (tamén coñecidos como PCB, do inglés Printed circuit board) feitos de materiais como o FR4 ou o SRBP (Synthetic Resin Bonded Paper) aínda máis barato, tamén coñecido como Paxoline ou Paxolin e caracterizado pola súa cor amarela-marrón.

Nos últimos anos tamén empezaron a ser tidos en consideración os aspectos relacionados coa saúde e o medio ambiente derivados da fabricación de equipos electrónicos. En especial nos produtos destinados á Unión Europea a causa da aplicación das directivas sobre "restrición ó uso de substancias perigosas" (que por exemplo levou á prohibición da utilización de chumbo nas soldaduras) e sobre "residuos de aparellos eléctricos e electrónicos".

Un osciloscopio.

Métodos de test

O test dun circuíto electrónico é unha etapa importante xa que é preciso garantir a fiabilidade e o bo funcionamento de sistemas de gran complexidade, polo que pode ser necesario levar a cabo un gran número de simulacións. Pódense diferenciar as probas unitarias para pór a punto os prototipos e as probas en serie, máis ou menos automatizadas, destinadas a identificar os defectos de fabricación e/ou ensamblaxe. Hai un gran número de ferramentas destinadas a facilitar esta etapa: aparellos de medida (polímetro, osciloscopio, analizador de frecuencias), estándares para a medición automatizada (Joint Test Action Group, Geral Purpose Interface Bus ou IEEE-488) ou sistemas automatizados (analizadores con sondas móbiles).

Véxase tamén

Ligazóns externas

• Universidade de California - Física 111 Leccións de electrónica aplicada e temas de electrónica avanzada (en inglés)
• Electrónica de Temperaturas Extremas (en inglés)
• Universidade de Xaén - Electrónica de potencia (en castelán)
• Unicrom.com - "Tutoriales de Electricidad y Electrónica - Analógica y Digital" [sic] (en castelán)