¿Cómo funcionan las puertas electrónicas?

 Si llevas algún tiempo metido en el mundo de la electrónica, puede que sepas que los dispositivos electrónicos dependen de las puertas o valores boolean. También dependen de otros elementos, como son los relés para poder formar las puertas o pasarelas electrónicas. Sin embargo, los modernos ordenadores no usan relés, y en su lugar usan chips. ¿Qué pasa si quieres experimentar con puertas boolean y chips? ¿Qué pasaría si quisieras construir tus propios dispositivos digitales? Resulta que no es tan difícil. Veremos a continuación de una forma sencilla, como introducirnos en esta interesante tecnología y lo que debemos saber sobre los conceptos básicos.

Si has leído algo sobre la lógica booleana, sabrás que hay varias puertas fundamentales con las que opera, y estas puertas son los bloques de construcción de todos los dispositivos digitales. Estas puertas se combinan juntas para formar funciones de alto nivel. Si quieres experimentar con estas puertas, la manera más fácil es comprar algo llamado chips TTL y rápidamente cablear circuitos en una placa integrada especial que no necesita soldaduras llamada “solderless breadboard” o placa sin soldaduras.

Si miras hacia atrás en la tecnología de los ordenadores, podrás ver que estos dispositivos están diseñados alrededor de las puertas boolean. Sin embargo, las tecnologías utilizadas para implementar estas puertas han cambiado dramáticamente con el paso de los años. Las primeras puertas electrónicas fueron creadas utilizando relés. Estas puertas eran lentas y algo voluminosas. Las válvulas reemplazaron a los relés. Las válvulas de tubo eran mucho más rápidas pero también eran algo voluminosas, y también tenían el problema que se quemaban, al igual que lo hace una bombilla. Sin embargo, una vez que los transistores fueron perfeccionados, los ordenadores empezaron a ser construidos a partir de discretos transistores.

Los transistores tienen muchas ventajas: son altamente fiables, consumen poco y la diferencia de tamaño es enorme si lo comparamos con relés o válvulas. Estos transistores podían actuar de forma  independiente, significando que cada transistor era un dispositivo único. Cada uno de ellos venía en una pequeña lata de metal del tamaño de un guisante con tres cables conectados. Se pueden necesitar tres o cuatro transistores  y varias resistencias y diodos para crear una puerta electrónica.

En los años sesenta, se inventaron los circuitos integrados. Los transistores, diodos y resistencias podían ser fabricados juntos en un chip de silicona. Esto derivó en los SSI IC, que consiste en un pequeño chip de silicona de unos 3 milímetros donde puede haber unos veinte transistores y otros componentes conectados. Un típico chip de estas características puede contener de cuatro a seis puertas individuales. Esto hizo que los ordenadores pudieran ser más pequeños y fáciles de fabricar.

Según la fabricación de chips fue mejorando, más y más transistores pudieron se integrados en un solo chip. Esto llevo a la creación de los chips MSI, que tenían múltiples componentes y múltiples puertas electrónicas. Después de esto, los LSI permitieron a los diseñadores encajar todos los componentes  en un simple microprocesador en un solo chip. El procesador 8080 de Intel, fue el primer microprocesador comercial de gran éxito. Era un chip LSI que contenía 4800 transistores. A partir de ahí, los VLSI han aumentado el número de transistores desde entonces.

Para poder experimentar con puertas electrónicas, tenemos que volver atrás en el tiempo y usar los anteriormente comentados SSI IC. Estos chips están todavía disponibles en cualquier sitio y son muy fiables y baratos. Puedes construir todo lo que quieras con ellos, creando una puerta a la vez. El IC específico que usaremos con de una familia llamada TTL (Transistor Transistor Logic). Estos chips son los más comunes, y son llamados de la serie 7400. Puede que haya cien tipos diferentes de estos chips en la serie, que van desde simples puertas AND hasta completos ALUs, que son unidades lógicas aritméticas.

Los chips de la serie 7400 vienen en los llamados DIPs (dual inline packages), que son lo que comúnmente conocemos por integrados. Son pequeños paquetes de plástico de color negro con varias pines que sobresalen (los hay de varios números) que provee de las conexiones a las puertas electrónicas que hay en su interior. La manera más fácil de construir algo con estas puertas es usar una placa sin soldaduras mencionada al principio del artículo. Este tipo de placa te permite cablear y conectar todas las cosas simplemente poniendo trozos de cables en los agujeros de conexión.

Todas las puertas electrónicas necesitan una fuente de energía eléctrica. Las puertas TTL usan 5 voltios para operar. Estos chips son particularmente sensibles sobre este voltaje, por lo que tenemos que usar una fuente de alimentación limpia y regulada que nos proporcione esos 5 voltios. Otros tipos de chips son menos caprichosos con los voltajes aunque tienen otras características especiales que debemos tener en cuenta.

En la siguiente parte del artículo, veremos como poner todo junto y empezar nuestro pequeño experimento con las puertas electrónicas. Lo puedes ver haciendo clic aquí.

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