Electrónica Discreta

La "electrónica" es la ciencia que estudia la conducción eléctrica tanto en sólidos conductores (cables), en el vacío, en los gases o en los semiconductores; utilizando dispositivos basados en estos fenómenos, como por ejemplo los bulbos de vacío (actualmente en desuso, salvo raras excepciones), transistores, diodos, etc.
La electrónica hoy está practicamente en cada etapa de nuestras vidas.
La electrónica digital, ya sea de corriente o de tensión continua, utiliza en cambio señales discretas, o sea, señales eléctricas que apenas poseen dos condiciones o estados posibles. Mientras que la electrónica analógica estudia el funcionamiento de las señales que varían constantemente sin tomar valores discretos definidos.
Las señales que caracterizan la voz humana, por ejemplo, varían en amplitud y frecuencia con el tiempo, y son una forma de señales analógicas. Esto quiere decir lo siguiente: en un momento dado la señal presenta una cierta amplitud y determinada frecuencia. Un instante después puede ocurrir la variación de esta amplitud en forma continua hasta alcanzar, digamos, un cierto nivel, después de lo cual volverá a variar en sentido contrario, de forma también continua, a medida que transcurre el tiempo. La amplitud de esta señal (señal analógica) podrá asumir cualquier valor entre dos establecidos con anterioridad.
En las señales digitales, al contrario de las analógicas, la amplitud varía abruptamente de un valor límite a otro también límite, no existiendo estados o fases intermedias entre estos dos límites.
La figura 1 representa señales digitales y analógicas. Note como la tensión varía repentinamente entre los dos estados: estado alto y estado bajo en la señal digital. El estado alto puede ser caracterizado como la tensión "más positiva" de la señal y el estado bajo por la tensión "más negativa" de esa señal.
Puede ser a la inversa, es decir: estado alto = tensión más negativa, y estado bajo = tensión más positiva; en este último caso decimos que la lógica usada es la negativa (lógica negativa) y, evidentemente, en el primer caso decimos que la lógica es positiva, o sea, al mayor valor, el estado alto, y al menor, el estado bajo (lo que está perfectamente de acuerdo con nuestros principios).

Compuertas Lógicas Digitales

Los circuitos lógicos básicos o elementales constituyen el fundamento de las aplicaciones de la electrónica digital. El debido agrupamiento de estos circuitos básicos permite la realización de operaciones más complejas de la electrónica digital; es necesario, por lo tanto, una atención muy especial al estudio que sigue a fin de poder, en un futuro no lejano, entender y, quizás, elaborar circuitos lógicos altamente complejos.
Para que el lector tenga una idea de cuán importantes son estos circuitos lógicos, basta que haga una analogía con las cuatro operaciones fundamentales (+, -, x, y %) de las matemáticas: a partir de ellas se creó una enorme ciencia que poca gente conoce en su totalidad. ¡Lo mismo ocurre con la electrónica digital!
Para describir con cierta claridad el comportamiento de cada uno de los circuitos lógicos apelamos a nuestro elemento conocido: el "relé", con sus contactos, y nuestra no menos conocida lámpara incandescente.

Circuito Lógico "Y"
Consideramos el circuito eléctrico de la figura 2 en el cual la bobina del relé RL1, cuando está debidamente alimentada por la tensión de la fuente de alimentación B1 de Vcc volt, cierra su contacto A y la tensión Vcc será aplicada al interruptor B del segundo relé cuyo comportamiento es similar al anterior, si bien le toca a éste realizar el último enlace para que se encienda la lámpara LPD1. En la forma en que se encuentra el circuito, la lámpara no enciende, pues no recibe alimentación por los contactos de los relés cuyos solenoides, como podemos ver, están en potencial nulo, así como la extremidad libre de LPD1. Ahora, como los potenciales de entrada son nulos (Va=Vb=0 volt) y porque el de salida también lo está, podemos establecer, de acuerdo con lo visto anteriormente, que:
Cuando a toma el valor L y b toma el valor L, entonces, la lámpara s está apagada, porque toma el valor L

Lo cual se puede escribir:

a Æ 0
= s Æ 0 - lámpara apagada
b Æ 0

Donde a y b representan las dos entradas del circuito de la figura 2 y s, su salida.
Supongamos ahora que aplicamos la tensión de la batería (Vcc) solamente a la entrada b.
En ese caso, el solenoide del relé RL2 será activado y su contacto B conmutará pero la lámpara LPD1 no encenderá, pues el contacto A de RL1 no permitirá la aplicación de la tensión Vcc, tal como se muestra en la figura 3. Así, podemos elaborar el siguiente razonamiento lógico, de acuerdo a lo expresado anteriormente:

a Æ L (0)
= s Æ L (0) - lámpara apagada
b Æ H (1)
Lo expuesto resume las condiciones lógicas de la nueva "posición" del circuito.
Llevando solamente la entrada (a) al estado lógico alto (H) será el turno del relé RL para operar, el cual cerrará su contacto como ilustra la figura 4. Así como en el caso anterior, LPD1 no encenderá (estado lógico bajo - 0) porque el contacto B de RL2 impide que la lámpara se encienda. Así seguimos teniendo el siguiente cuadro descriptivo:

a Æ H (1)
= s Æ L (0) - lámpara apagada
b Æ L (0)
La lámpara LPD1 sólo se encenderá cuando los contactos A y B de los relés estén cerrados, lo que ocurre únicamente si se aplica, simultáneamente, la tensión Vcc (estado alto - H) en ambas entradas, a y b, tal como se ve en la figura 5. Será:

a Æ H (1)
= s Æ H (1) - lámpara encendida
b Æ H (1)

En síntesis, la lámpara LPD1 del circuito "Y" de la figura 2 sólo tomará el nivel alto cuando se aplica a ambas entradas un nivel de tensión alto en relación a tierra, o sea, cuando el contacto A y el contacto B estuvieran operados. Esa característica fundamental hace que el circuito descripto sea designado circuito lógico "Y", u operador lógico "Y", o simplemente operador "Y". En inglés se lo designa "logic AND gate", de donde proviene la expresión compuerta lógica "Y" o compuerta lógica AND, como también se le conoce. Un circuito lógico Y puede ser realizado de varias formas diferentes, teniendo particular importancia la implementación con componentes electrónicos de concepción reciente (semiconductores). Es así que para definir un circuito lógico Y no hace falta considerar el circuito propiamente dicho; basta representar el circuito por un símbolo apropiado que no acarree ambigüedades. Está claro que esta especie de "caja negra" debe presentar, para el circuito analizado, dos entradas, a y b, y una salida única, s. Los símbolos más usuales de estas compuertas son los que aparecen en la figura 6, para un operador AND de dos entradas y una única salida.
Representando la condición de ausencia de tensión por "0" (cero) y la condición de existencia de tensión (Vcc) por "1" (uno) y atendiendo a la característica fundamental del circuito lógico Y, podemos decir que el circuito queda completamente definido por la siguiente Tabla de Verdad (se llama así a la tabla que define el funcionamiento de un componente):

ENTRADA ENTRADA SALIDA
a b s
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

En esta tabla, llamada tabla de verdades del circuito lógico Y, están definidas todas las combinaciones posibles para las dos entradas, proporcionando 22 = 4 combinaciones posibles; para un operador Y de 3 entradas tendríamos 23 = 8 combinaciones posibles. En terminos de tensión, la tabla de arriba toma el siguiente aspecto en que: L - 0 y H - 1:

ENTRADA SALIDA
a b s
L L L
L H L
H L L
H H H

Verificamos que la salida sólo asume el nivel alto cuando ambas entradas se encuentran en ese estado lógico, o sea, alto.

Circuito Lógico "O"
Consideremos ahora el circuito de la figura 10, en el cual los contactos A y B de los relés RL1 y RL2 están conectados en paralelo. Compare este circuito con el circuito de la figura 2 y vea que, en este último, los contactos se encontraban en serie.
Dejando las entradas a y b según aparecen en la figura 7, o sea, abiertas, la lámpara LPD 1 no enciende pues no recibe alimentación a través de los contactos de cada uno de los relés cuyos solenoides están sin alimentación.
La relación matemática que explica lo expuesto es la siguiente:

a Æ L (0)
Æ s Æ L (0) - lámpara apagada
b Æ L (1)

Donde a y b indican las dos entradas del circuito de la figura 7 y s su salida.
Ahora, supongamos que sólo se aplica la tensión de la batería en la entrada b. Como ambos extremos del solenoide de RL2 están sometidos a una tensión elevada, implica la conmutación del contacto B asociado a ese relé; con lo cual la lámpara LPD1 se encenderá (estado lógico alto en la salida del circuito). Matemáticamente:

a Æ L (0)
Æ s Æ H (1) - lámpara encendida
b Æ H (1)

La lámpara LPD1 también se encenderá cuando el solenoide del relé RL1 esté debidamente alimentado con la tensión, Vcc, de la batería, tal como se muestra en la figura 8.
Será entonces:
a Æ H (1)
Æ s Æ H (1) - lámpara encendida
b Æ L (0)

Cuando ambas entradas del circuito lógico "O" son llevadas, simultáneamente, al nivel alto, o sea a Vcc volt, es obvio que la salida del circuito asumirá el estado lógico alto (H) y, evidentemente, la lámpara se encenderá como en los dos últimos casos (figura 9). Según lo visto en este circuito lógico, la tabla de verdad será la siguiente:

ENTRADA SALIDA
a b s
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

En términos de tensión, la tabla se traduce como:

ENTRADA SALIDA
a b s
L L L
L H H
H L H
H H H
Donde: L = O y H = 1
Del análisis de las tablas de verdad de los operadores lógicos vistos podemos llegar a la siguiente conclusión:

- El operador Y puede ser asociado a la operación "multiplicación", y el operador lógico O a "suma".
- El comportamiento de estos dos circuitos lógicos es "dual": el circuito Y sólo proporciona 1 (o H) en su salida únicamente cuando se aplica a ambas entradas el estado lógico 1 (H); la salida del operador lógico O (o L) sólo asume el estado lógico O (o L) cuando, simultáneamente, todas sus entradas son llevadas al estado lógico O (L).

La figura 10 presenta los símbolos comúnmente usados para la representación gráfica del operador O.

En la figura 11 se representa una compuerta "O" de tres entradas cuya tabla de verdad es la siguiente:

ENTRADA SALIDA
a b c s
L L L L
H L L H
L H L H
H H L H
L L H H
H L H H
L H H H
H H H H

Tal como sucede en el circuito lógico Y, el circuito lógico O también puede ser implementado de muchas maneras diferentes de la considerada en la figura 7, también teniendo aquí particular importancia la implementación con diodos y transistores, usada en los circuitos integrados.
El circuito lógico O también suele ser designado "circuito lógico O inclusiva", o simplemente "O inclusiva". Esto porque como veremos más adelante, existe otro tipo de O, el "exclusivo". También es de uso corriente el término inglés "OR" para designar el circuito O.