Electrónica

La electrónica es una disciplina científica y de ingeniería que estudia y aplica los principios de la física para diseñar, crear y operar dispositivos que manipulan electrones y otras partículas con carga eléctrica . Es un subcampo de la física ^{[ 1 ] [ 2 ]} y de la ingeniería eléctrica que utiliza dispositivos activos como transistores , diodos y circuitos integrados para controlar y amplificar el flujo de corriente eléctrica y convertirla de una forma a otra, como de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) o de señales analógicas a señales digitales .

Los dispositivos electrónicos han influido significativamente en el desarrollo de muchos aspectos de la sociedad moderna, como las telecomunicaciones , el entretenimiento, la educación, la sanidad, la industria y la seguridad. El principal motor del avance de la electrónica es la industria de los semiconductores , que produce continuamente dispositivos y circuitos electrónicos cada vez más sofisticados para satisfacer la demanda global. La industria de los semiconductores es una de las más grandes y rentables de la economía mundial , con ingresos anuales que superaron los 481.000 millones de dólares en 2018. La industria electrónica también abarca otros sectores que dependen de dispositivos y sistemas electrónicos, como el comercio electrónico, que generó más de 29 billones de dólares en ventas online en 2017.

El desarrollo del detector de cristal por Karl Ferdinand Braun , el primer dispositivo semiconductor , en 1874 y la identificación del electrón en 1897 por Sir Joseph John Thomson , junto con la posterior invención del tubo de vacío que podía amplificar y rectificar pequeñas señales eléctricas , inauguraron el campo de la electrónica y la era electrónica. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Las aplicaciones prácticas comenzaron con la invención del diodo por Ambrose Fleming y el triodo por Lee De Forest a principios del siglo XX, lo que hizo posible la detección de pequeños voltajes eléctricos, como las señales de radio de una antena de radio .

Los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) fueron los primeros componentes electrónicos activos que controlaban el flujo de corriente influyendo en el flujo de electrones individuales , y permitieron la construcción de equipos que utilizaban la amplificación y rectificación de corriente para darnos radio , televisión , radar , telefonía de larga distancia y mucho más. El crecimiento inicial de la electrónica fue rápido, y para la década de 1920, la radiodifusión comercial y las telecomunicaciones se estaban generalizando y los amplificadores electrónicos se utilizaban en aplicaciones tan diversas como la telefonía de larga distancia y la industria de la grabación musical. ^{[ 5 ]}

El siguiente gran avance tecnológico tardó varias décadas en aparecer, cuando John Bardeen y Walter Houser Brattain inventaron el primer transistor de contacto puntual funcional en los Laboratorios Bell en 1947. ^{[ 6 ]} Sin embargo, los tubos de vacío continuaron desempeñando un papel principal en el campo de la transmisión de microondas y alta potencia, así como en los receptores de televisión, hasta mediados de la década de 1980. ^{[ 7 ]} Desde entonces, los dispositivos de estado sólido prácticamente los han reemplazado por completo. Los tubos de vacío todavía se utilizan 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, la IBM 608 fue el primer producto de IBM en utilizar circuitos de transistores sin tubos de vacío y se cree que fue la primera calculadora totalmente transistorizada fabricada para el mercado comercial. ^{[ 8 ] [ 9 ]} La 608 contenía más de 3000 transistores de germanio . Thomas J. Watson Jr. ordenó que todos los futuros productos de IBM utilizaran transistores en su diseño. A partir de entonces, los transistores se utilizaron casi exclusivamente para circuitos lógicos de computadoras y dispositivos periféricos. Sin embargo, los primeros transistores de unión eran dispositivos relativamente voluminosos y difíciles de fabricar en masa , lo que los limitó a una serie de aplicaciones especializadas. ^{[ 10 ]}

El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} Fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo ser miniaturizado y producido en masa para una amplia gama de usos. ^{[ 10 ]} Sus ventajas incluyen alta escalabilidad , ^{[ 17 ]} asequibilidad, ^{[ 18 ]} bajo consumo de energía y alta densidad . ^{[ 19 ]} Revolucionó la industria electrónica , ^{[ 20 ] [ 21 ]} convirtiéndose en el dispositivo electrónico más utilizado en el mundo. ^{[ 22 ] [ 23 ]} El MOSFET es el elemento básico en la mayoría de los equipos electrónicos modernos. ^{[ 24 ] [ 25 ]} A medida que crecía la complejidad de los circuitos, surgieron problemas. ^{[ 26 ]} Un problema era el tamaño del circuito. Un circuito complejo como una computadora dependía de la velocidad. Si los componentes eran grandes, los cables que los interconectaban debían ser largos. Las señales eléctricas tardaban en recorrer el circuito, lo que ralentizaba el ordenador. ^{[ 26 ]} La invención del circuito integrado por Jack Kilby y Robert Noyce resolvió este problema al fabricar todos los componentes y el chip a partir del mismo bloque (monolito) de material semiconductor. Los circuitos se podían fabricar más pequeños y el proceso de fabricación se podía automatizar. Esto dio lugar a la idea de integrar todos los componentes en una oblea de silicio monocristalino , lo que condujo a la integración a pequeña escala (SSI) a principios de la década de 1960, y luego a la integración a mediana escala (MSI) a finales de la década de 1960, seguida de la VLSI . En 2008, los procesadores de mil millones de transistores estuvieron disponibles comercialmente. ^{[ 27 ]}

Un componente electrónico es cualquier componente, activo o pasivo, de un sistema o dispositivo electrónico . Los componentes se conectan entre sí, generalmente mediante soldadura a una placa de circuito impreso (PCB), para crear un circuito electrónico con una función específica. Los componentes pueden presentarse individualmente o en grupos más complejos como circuitos integrados . Los componentes electrónicos pasivos son condensadores , inductores y resistencias , mientras que los componentes activos son dispositivos semiconductores como transistores y tiristores , que controlan el flujo de corriente a nivel electrónico. ^{[ 28 ]}

Las funciones de los circuitos electrónicos se pueden dividir en dos grupos: analógicas y digitales. Un dispositivo en particular puede constar de circuitos que incluyan uno u otro tipo, o una combinación de ambos. Los circuitos analógicos son cada vez menos comunes, ya que muchas de sus funciones se están digitalizando.

circuitos digitales

Los circuitos digitales son circuitos eléctricos basados ​​en niveles de voltaje discretos. Utilizan álgebra booleana y constituyen la base de todas las computadoras digitales y los microprocesadores. Abarcan desde simples compuertas lógicas hasta grandes circuitos integrados que emplean millones de dichas compuertas.

Los circuitos digitales utilizan un sistema binario con dos niveles de voltaje, denominados 0 y 1 , para indicar el estado lógico. Generalmente, el nivel lógico 0 corresponde a un voltaje menor y se denomina Bajo , mientras que el nivel lógico 1 se denomina Alto . Sin embargo, algunos sistemas utilizan la definición inversa ( 0 es Alto ) o se basan en la corriente. Con frecuencia, el diseñador lógico puede invertir estas definiciones de un circuito a otro según lo considere conveniente para facilitar su diseño. La definición de los niveles como 0 o 1 es arbitraria. ^{[ 29 ]}

Se ha estudiado la lógica ternaria (con tres estados) y se han fabricado algunos prototipos de computadoras, pero no han logrado una aceptación práctica significativa. ^{[ 30 ]} Universalmente, las computadoras y los procesadores de señales digitales se construyen con circuitos lógicos digitales que utilizan transistores como los MOSFET en las compuertas lógicas electrónicas para generar estados binarios.

• Puertas lógicas
• Víboras
• Chanclas
• Contadores
• Registros
• Multiplexores
• Disparadores Schmitt

Dispositivos altamente integrados:

• chip de memoria
• Microprocesadores
• Microcontroladores
• Circuito integrado de aplicación específica (ASIC)
• Procesador de señal digital (DSP)
• Matriz de puertas programables en campo (FPGA)
• Matriz analógica programable en campo (FPAA)
• Sistema en chip (SOC)

El diseño de sistemas electrónicos aborda los aspectos multidisciplinarios del diseño de dispositivos y sistemas electrónicos complejos, como teléfonos móviles y ordenadores . El tema abarca un amplio espectro, desde el diseño y desarrollo de un sistema electrónico ( desarrollo de nuevos productos ) hasta garantizar su correcto funcionamiento, vida útil y eliminación . ^{[ 31 ]} Por lo tanto, el diseño de sistemas electrónicos es el proceso de definir y desarrollar dispositivos electrónicos complejos para satisfacer los requisitos específicos del usuario.

Debido a la complejidad de la teoría electrónica, la experimentación en laboratorio es fundamental para el desarrollo de dispositivos electrónicos. Estos experimentos se utilizan para probar o verificar el diseño del ingeniero y detectar errores. Tradicionalmente, los laboratorios de electrónica han consistido en dispositivos y equipos electrónicos ubicados en un espacio físico, aunque en los últimos años la tendencia se ha inclinado hacia el uso de software de simulación de laboratorios electrónicos , como CircuitLogix , Multisim y PSpice .

A lo largo de los años se han utilizado diversos métodos para conectar componentes. Por ejemplo, en los inicios de la electrónica se solía emplear el cableado punto a punto, con componentes fijados a placas de prototipos de madera para construir circuitos. Otros métodos utilizados fueron la construcción con leña y el enrollado de cables . La mayoría de los dispositivos electrónicos modernos utilizan placas de circuito impreso fabricadas con materiales como FR-4 y FR-2 . Los componentes eléctricos generalmente se montan en las placas de circuito impreso mediante orificios pasantes o montaje superficial .

En los últimos años, las preocupaciones sanitarias y medioambientales asociadas al ensamblaje de productos electrónicos han cobrado mayor relevancia.

La industria electrónica se compone de varias ramas. La fuerza motriz central de toda la industria electrónica es la industria de semiconductores , ^{[ 34 ]} que registró ventas anuales de más de 481  mil millones de dólares en 2018. ^{[ 35 ]} El sector industrial más grande es el comercio electrónico , ^{[ 36 ]} que generó más de 29  billones de dólares en 2017. ^{[ 37 ]} El dispositivo electrónico más fabricado es el transistor de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET), con un estimado de 13 sextillones de MOSFET fabricados entre 1960 y 2018. ^{[ 38 ]} En la década de 1960, los fabricantes estadounidenses no pudieron competir con empresas japonesas como Sony y Hitachi , que podían producir bienes de alta calidad a precios más bajos. Sin embargo, en la década de 1980, los fabricantes estadounidenses se convirtieron en líderes mundiales en el desarrollo y ensamblaje de semiconductores. ^{[ 39 ]} 

Sin embargo, durante la década de 1990 y posteriormente, la industria se trasladó mayoritariamente al este de Asia (un proceso que comenzó con el traslado inicial de la producción en masa de microchips a esa región en la década de 1970), ya que allí se disponía ampliamente de mano de obra abundante y barata, así como de una creciente sofisticación tecnológica. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

Durante tres décadas, la participación de Estados Unidos en la capacidad global de fabricación de semiconductores disminuyó del 37% en 1990 al 12% en 2022. ^{[ 41 ]} El principal fabricante de semiconductores de Estados Unidos, Intel Corporation , quedó muy por detrás de su subcontratista Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) en tecnología de fabricación. ^{[ 40 ]}

Para entonces, Taiwán se había convertido en la principal fuente mundial de semiconductores avanzados ^{[ 41 ] [ 40 ]} —seguido de Corea del Sur , Estados Unidos , Japón , Singapur y China . ^{[ 41 ] [ 40 ]}

También existen importantes instalaciones de la industria de semiconductores (que a menudo son filiales de un productor líder con sede en otro lugar) en Europa (especialmente en los Países Bajos ), el sudeste asiático, Sudamérica e Israel . ^{[ 40 ]}

• Horowitz, Paul ; Hill, Winfield (1980). El arte de la electrónica . Cambridge University Press. ISBN 978-0521370950.
• Mims, Forrest M. (2003). Introducción a la electrónica . Master Publishing, Incorporated. ISBN 978-0-945053-28-6.

• Serie de entrenamiento en electricidad y electrónica de la Armada de 1998 (NEETS). Archivado el 2 de noviembre de 2004 en Wayback Machine.
• DOE 1998 Ciencia eléctrica, Manual de fundamentos, 4 vols.
  • Vol. 1, Teoría básica de la electricidad, Teoría básica de la corriente continua
  • Vol. 2, Circuitos de CC, Baterías, Generadores, Motores
  • Vol. 3, Teoría básica de la corriente alterna, Componentes reactivos básicos de la corriente alterna, Potencia básica de la corriente alterna, Generadores básicos de corriente alterna
  • Vol. 4, Motores de CA, Transformadores, Instrumentos de prueba y dispositivos de medición, Sistemas de distribución eléctrica