Introducción a la Electrónica

La electrónica es la rama de la ingeniería que estudia y diseña circuitos para controlar el flujo de electrones en dispositivos semiconductores y componentes eléctricos. Su propósito principal es manipular señales eléctricas para realizar diversas funciones, como procesamiento de datos, comunicaciones y automatización.

Se fundamenta en la teoría electromagnética, la Ley de Ohm, las leyes de Kirchhoff, el teorema de Thevenin, el teorema de Norton, entre otros principios físicos y matemáticos que permiten el análisis de circuitos eléctricos y electrónicos.

Principales hitos históricos

• Siglo XIX: Se establecen las bases de la electricidad y el magnetismo con los trabajos de Michael Faraday y James Clerk Maxwell.
• 1904: John Ambrose Fleming desarrolla la válvula termoiónica o diodo de vacío, el primer componente electrónico.
• 1926: Julius Edgar Lilienfeld patenta el primer concepto de transistor de efecto de campo (FET), aunque no se pudo construir en la época.
• 1947: William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain crean el primer transistor bipolar en los laboratorios Bell.
• 1958: Jack Kilby de Texas Instruments desarrolla el primer circuito integrado.
• 1971: Intel introduce el primer microprocesador comercial, el Intel 4004, dando inicio a la revolución de la computación moderna.
• Actualidad: La electrónica se ha miniaturizado al nivel de los nanómetros, permitiendo la fabricación de procesadores con miles de millones de transistores.

Usos y Aplicaciones

• Sistemas embebidos: Dispositivos como microcontroladores y FPGA para tareas específicas.
• Automatización industrial: Controladores lógicos programables (PLC), sensores y sistemas SCADA.
• Electrónica de potencia: Convertidores de energía, fuentes conmutadas, inversores.
• Electrónica de consumo: Smartphones, televisores, electrodomésticos inteligentes.
• Medicina: Equipos de diagnóstico como resonancia magnética, electrocardiógrafos.

Curiosidades

• Un transistor en un procesador moderno puede ser hasta 10,000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.
• La miniaturización ha llegado al punto de que existen transistores de un solo átomo, lo que marca el límite físico de la Ley de Moore.

En la imagen, el Intel 4004, el primer microprocesador comercial, tenía 2.300 transistores en el año 1971. Hoy en día un microprocesador reciente como el Intel Core i9-13900K tiene 14.200 millones de transistores.

Clasificación de los Componentes Electrónicos

1. Componentes Pasivos

No requieren alimentación externa para operar, solo responden a las señales eléctricas.

• Resistencias: Limitan la corriente.
• Condensadores: Almacenan carga eléctrica.
• Bobinas: Almacenan energía en campos magnéticos.

2. Componentes Activos

Requieren una fuente de energía externa para funcionar.

• Diodos: Permiten el paso de corriente en un solo sentido.
• Transistores: Amplifican y conmutan señales.

3. Componentes Electromecánicos

Intervienen en la conversión de energía eléctrica en energía mecánica.

• Relés: Interruptores electromagnéticos.
• Motores eléctricos: Conversión de energía eléctrica en movimiento.

Principales Componentes Electrónicos

1. Resistencia

Es un componente pasivo que limita o regula el flujo de corriente eléctrica en un circuito. Su valor se mide en ohmios (Ω) y su comportamiento se rige por la Ley de Ohm

• Existen fijas, variables, térmicas (NTC/PTC), fotoresistencias (LDR).
• El código de colores determina el valor resistivo.
• Su uso frecuente se da en división de tensión, limitación de corriente en LEDs, protección de componentes.
• Se mide en ohmios (Ω)

2. Condensador

Es un dispositivo que almacena y libera energía en forma de carga eléctrica. Se mide en faradios (F) y su principal propiedad es la capacitancia (C).

• Tipos: Electrolíticos, cerámicos, de tántalo, de película.
• Usos: Filtros de señales, estabilización de voltaje, circuitos de acoplamiento y desacoplamiento.
• Curiosidad: Puede mantener carga incluso después de desconectar el circuito.
• Desarrollado en el siglo XVIII (botella de Leyden).

3. Bobina (Inductor)

Es un componente pasivo que almacena energía en forma de campo magnético cuando circula corriente eléctrica. Su unidad de medida es el henrio (H) y su principal propiedad es la inductancia (L).

• Usos: Transformadores, filtros de ruido en fuentes conmutadas, motores eléctricos.
• Curiosidad: Almacena energía en su campo magnético y puede generar picos de voltaje al desconectarse abruptamente.
• Su desempeño esta altamente relacionado con los estudios de Faraday y Lenz.

4. Potenciómetro

Es una resistencia variable que permite ajustar manualmente la cantidad de resistencia en un circuito, modificando la caída de voltaje o el flujo de corriente.

• Inventado en el siglo XIX.
• Usos: Control de volumen en radios, ajuste de sensibilidad en sensores.
• Puede usarse como divisor de tensión.

5. Diodo

Es un dispositivo semiconductor que permite el paso de corriente en una única dirección. Se caracteriza por tener una unión ánodo-cátodo con una caída de voltaje determinada.

• Descubierto con materiales semiconductores en el siglo XX.
• Usos: Rectificación de corriente, protección de circuitos.
• Existen tipos especializados como el diodo Zener y el diodo Schottky.

6. Diodo LED

Es un tipo especial de diodo que emite luz cuando se polariza en directo. Su principio de funcionamiento se basa en la electroluminiscencia.

• Inventado en 1962 por Nick Holonyak.
• Usos: Indicadores luminosos, pantallas, iluminación eficiente.
• Su eficiencia ha permitido el desarrollo de iluminación LED en hogares.

7. Display de 7 Segmentos

Es un dispositivo de visualización que usa siete segmentos LED o LCD para representar números y algunos caracteres alfanuméricos.

• Se popularizó en calculadoras y relojes digitales.
• Usos: Paneles de control, relojes, contadores digitales.

8. Transistor

Inventado en 1947 en los laboratorios Bell por William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain, es un componente semiconductor que amplifica o conmuta señales eléctricas. Existen bipolares (BJT) y de efecto de campo (FET).

• Tipos: NPN, PNP, MOSFET, JFET.
• Usos: Circuitos amplificadores, interruptores electrónicos, procesadores.

9. Protoboard

Es una placa de pruebas utilizada para montar circuitos electrónicos sin necesidad de soldadura.

• Usos: Pruebas rápidas sin necesidad de soldadura.
• Curiosidad: Internamente tiene líneas de cobre organizadas estratégicamente.
• Popularizado en la década de 1970.

10. Multímetro Digital

Es un instrumento de medición que permite medir voltaje, corriente y resistencia, entre otras magnitudes eléctricas.

• Usos: Medición de voltaje, corriente, resistencia, continuidad.
• Evolucionó de los galvanómetros del siglo XIX.
• Algunos modelos incluyen medición de temperatura y frecuencia.

Ley de Ohm

Expresa la relación entre voltaje (V), corriente (I) y resistencia (R) en un circuito eléctrico, estableciendo que la corriente eléctrica (I) que circula por un conductor es directamente proporcional a la tensión (V) aplicada e inversamente proporcional a la resistencia (R) del circuito.

Establecida por Georg Simon Ohm en 1827. Inicialmente fue rechazada, pero posteriormente se validó y se convirtió en la base de la electrónica moderna.

Su uso se da en diseño de circuitos eléctricos y electrónicos mediante el cálculo de los valores de resistencia, corriente y voltajes.

La unidad de resistencia, el ohmio (Ω), se adoptó en honor a Georg Ohm.

Ejemplo Práctico

Si una resistencia de 10 Ω se conecta a una fuente de 5V, la corriente que circula será: