puertas electronicas

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.

Partes necesarias en una puerta electrónica

Para poder practicar con las puertas TTL, necesitas primero algunas piezas o partes de equipamiento. A continuación damos una lista de lo más imprescindible que hará falta para empezar a crear nuestra puerta electrónica:

  • Una placa de conexiones sin soldaduras (podemos usar una placa de circuito integrado si queremos, pero tendremos que soldar).
  • Un voltímetro, o también un polímetro si ya tenemos uno (suele ser más usual).
  • Una fuente de alimentación regulada de 5 voltios.
  • Un grupo de chips TTL para experimentar.
  • Varios LEDs para ver la salida de las puertas.
  • Cables para poder unir todas las conexiones en la placa mencionada anteriormente.

Todas estas parte juntas no cuestan mucho dinero, y dependiendo donde vayamos, puede que no llega a los 40 euros. Repasemos algunos detalles para estar más familiarizados con los objetos con los que vamos a trabajar:

  • Una placa sin soldaduras (breadbord) es un dispositivo que hace fácil cablear los circuitos sin necesidad de soldar y de una forma rápida y limpia.
  • Un polímetro es un aparato electrónico que nos permite medir varias cosas con respecto con la corriente eléctrica, como son los intensidad, la resistencia, y lo que nos interesa, el voltaje. Con esto sabremos de forma exacta que la fuente de alimentación nos está suministrando el voltaje correcto.
  • Todas las demás partes mencionadas son fáciles de conseguir excepto la fuente de 5 voltios. No es tan sencillo encontrar una fuente de alimentación simple regulada de 5 voltios. De todos modos, buscando bien en tiendas especializadas o en Internet, nos dará la oportunidad de conseguir una.
  • Un LED (diodo emisor de luz) es una mini bombilla que se ilumina en ciertas circunstancias. Se utilizan para ver la salida de la puerta electrónica. Se usaran resistencias para proteger los diodos y que no se quemen.

Por supuesto, no son objetos que podamos encontrar en la tienda de la esquina. Aunque no son difíciles de conseguir, se aconseja buscar en Internet una tienda dedicada por completo a la electrónica y componentes en nuestra ciudad. Si vivimos alejados de una ciudad grande y es complicado encontrar todas las piezas, las podemos conseguir directamente por Internet, y muchas veces más barato que en una tienda.

¿Cómo funciona la fuente de 5v?

necesitaremos una fuente de alimentación regulada de 5 voltios para hacer funcionar los chip TTL. Como también se dijo, aunque puede que sean algo difíciles de conseguir, haciendo una búsqueda en tiendas especializadas o en Internet, nos proporcionará la forma de conseguir esta fuente de 5v. Si tienes un viejo video juego de Atari por algún sitio, puede que ya tengas una fuente de estas características.

Sea como sea, necesitas 5 voltios y al menos 0,3 amperios, aunque no hace falta que sea de más de 2 amperios, por lo que no compres más potencia de la que necesitas. Una cosa que puedes hacer, es comprar la fuente de alimentación, cortar el conectar y acceder a los cables de proporcionan los 5 voltios y la tierra. Esto funcionara bien y puede que sea el camino más fácil. Puedes usar el voltímetro o polímetro para asegurarte que se produce el voltaje que necesitas.

La alternativa que tienes es construir tu propia fuente de 5v con un pequeño transformador. Lo que necesitas es un transformador que produce de 7 a 12 voltios de corriente continua y con una intensidad de 100 miliamperios. Consistiría en quitar el conector del transformador y separar los dos cables. Pelaremos el aislante de cable un centímetro  más o menos.

Una vez que los cable están pelados, conecta el transformador – ADVERTENCIA – Una vez que esté conectado, nunca dejes que ambos extremos de los cables se toquen, o posiblemente el transformador se queme y que de inservible.

Usa el polímetro (o voltímetro) para medir el voltaje. Te quieres asegurar de que el transformador está  produciendo aproximadamente el voltaje deseado (puede ser algo más alto, pero no hay problema). Tu transformador está actuando como una batería, por lo que también quieres determinar que cable es el negativo y cual es el positivo.

Engancha las puntas negras y rojas del polímetro a los cables del transformador de forma aleatoria y comprueba si el voltaje es negativo o positivo. Si es negativo, cambia las puntas del polímetro. Ahora sabes que el cable al que está conectada la punta negra es el cable negativo (tierra) y el otro es el cable positivo.

Como construir el regulador de corriente

Para construir el regulador, necesitarás tres partes necesarias: Un regulador de voltaje 7805 de 5 voltios en una caja TO-220 y dos capacitadores electrolíticos de entre cien y mil microfaradios. El 7805 recoge un voltaje entre 7 y 30 voltios y lo regula a 5 voltios. El primer capacitador coge cualquier onda que viene del transformador para que el 7805 pueda estar recibiendo un voltaje de entrada lineal, y el segundo capacitador actúa como un balanceador de carga para asegurar una salida consistente del 7805. El 7805 tiene tras patillas.

Si miras a este elemento de frente (el lado donde está impreso el modelo), las patillas son de izquierda a derecha, voltaje de entrada (de 7 a 30 voltios), tierra y el voltaje de salida (los 5 voltios).

Los dos capacitadores están representados por líneas paralelas. Los signos “+” indican que los capacitadores electrolíticos están polarizados: Hay un terminal positivo y negativo en un capacitador electrolítico (uno de ellos estará marcado. Te debes asegurar que consigues la polaridad correcta cuando instalas el capacitador. Puedes construir tu regulador en tu placa de conexión sin soldaduras (breadboard). Para hacer esto, debes entender como está cableada internamente una placa sin soldaduras. La siguiente figura muestra como están realizadas las conexiones en una de estas placas:

En los bordes externos de la placa, hay dos líneas de terminales que hacen un recorrido a lo largo de la placa. Todos estos terminales están internamente conectados. Normalmente, se funciona con 5 voltios positivos en uno de los terminales y hay una tierra en el siguiente. En el centro de la placa hay un canal. En cada uno de los lados del canal hay grupos de cinco terminales interconectados.

Puedes usar tu voltímetro para poder ver las interconexiones. Pon el polímetro en ohmios y pon los terminales en diferentes puntos de la placa usando dos finos cables para cada terminal del polímetro (Las puntas del polímetro puede que sean demasiado gruesos para caber en los agujeros de la placa).

Con el polímetro configurado en ohmios, lo que se mide es la resistencia. La resistencia será cero si hay una conexión entre dos puntos (une las puntas del polímetro para comprobarlo), e infinito si no hay una conexión (separa las puntas para verlo) Verás que los puntos de la placa realmente están conectados como se muestra en el diagrama. Otra manera de ver las conexiones es abrir un poco la tapa en la parte trasera de la placa y ver las conexiones metálicas.

Ahora hay que conectar las partes del regulador:

  • Conecta el cable de tierra del transformador a una de las líneas largas externas de la placa.
  • Conecta el elemento 7805 en tras de las líneas de de 5 posiciones.
  • Conecta la tierra desde la línea donde los has conectado a la patilla central del 7805 con un cable (tierra) – simplemente corta un trozo de cable corto, pélalos en ambos extremos y conéctalos.
  • Conecta el cable positivo del transformador a la patilla izquierda del 7805 (entrada).
  • Conecta un capacitador desde la patilla izquierda a la tierra del 7805 a tierra, prestando atención a la polaridad.
  • Conecta la patilla de 5 voltios del 7805 a la otra fila larga de la placa.
  • Conecta el segundo capacitador entre los 5 voltios y los terminales de tierra de la placa.

Ya se ha creado el regulador. En ambas imágenes en la parte superior, la línea desde los transformadores llega desde la izquierda. Se puede ver la línea de tierra del transformador conectada directamente en la fila de tierra que recorre la placa hasta el final. La fila superior suministra los 5 voltios positivos y está conectada directamente al pin de 5+ del 7805. El capacitador de la izquierda filtra el voltaje del transformador, mientras que el de la izquierda filtra los 5 voltios producidos por el 7805. El LED conecta entre los 5+ y la tierra a través de la resistencia, y nos permite saber cuando el suministro eléctrico está activado.

Conecta el transformador y mide el voltaje de entrada y salida del 7805. Deberías poder ver exactamente 5 voltios saliendo del 7805, y cualquier voltaje que está suministrando el transformador. Si no es así, desconecta de inmediato el transformador y haz lo siguiente:

  • Quita los capacitadores. Conecta por un momento el transformador y verifica si ha cambiado algo.
  • Asegúrate de que el cable de tierra y el cable positivo del transformador no están cambiados (si lo está, es probable que el 7805 esté muy caliente o quemado).
  • Asegúrate de que el transformador está produciendo algún voltaje desconectándolo y verificándolo con el polímetro.

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