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Electrónica y Servicio, Octubre de 1999, Revista Mensual. Edi-tor Responsable: Felipe Orozco Cuautle. Número Certificado de Reserva de Derechos al Uso Exclusivo de Derechos de Autor 04-1999-041417392100-102. Número de Certificado de Licitud de Título: 10717. Número de Certificado de Licitud en Contenido: 8676. Domicilio de la Publicación: Norte 2 #4, Col. Hogares Mexicanos, 55040, Ecatepec, Estado de México. Im-presión: Impresos Publicitarios Mogue/José Luis Guerra Solís, Vía Morelos 337, Col. Santa Clara, 55080, Ecatepec, Estado de México. Distribución: Distribuidora Intermex, S.A. de C.V. Lucio Blanco 435, Col. San Juan Ixhuaca, 02400, México, D.F. y Centro Japonés de Información Electrónica, S.A. de C.V. Nor-te 2 # 4, col. Hogares Mexicanos, 55040, EcaNor-tepec, Estado de México.
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Ciencia y novedades tecnológicas
...
7
Perfil tecnológico
Del ábaco a las computadoras personales
(Tercera y última parte)... 14
Leopoldo Parra Reynada
Leyes, dispositivos y circuitos
Fundamentos de los semiconductores... 23
Oscar Montoya Figueroa
Qué es y cómo funciona
La operación del DVD... 33
Armando Mata Domínguez
Servicio técnico
El mecanismo "S" en las
videograbadoras Tri-logic... 42
José Luis Orozco Cuautle
Puesta a tiempo del mecanismo tipo "O"
de videocámaras de 8mm... 49
Armando Mata Domínguez
Reproducción de la señal de croma en
videograbadoras Sony... 58
Carlos García Quiroz
La unidad de casete del equipo de
audio Sony TC-H1600... 62
Alvaro Vázquez Almazán
Electrónica y computación
Instalación de un kit de
videoconferencia... 68
Leopoldo Parra Reynada
Proyectos y laboratorio
Construcción de un variac
electrónico (Dimmer)
...75
Leopoldo Parra Reynada
Diagrama
CIENCIA Y NOVEDADES
TECNOLOGICAS
CIENCIA Y NOVEDADES
TECNOLOGICAS
CIENCIA Y NOVEDADES
TECNOLOGICAS
CIENCIA Y NOVEDADES
TECNOLOGICAS
Seguridad ante todo: nuevos métodos
de reconocimiento electrónico
El tema de la seguridad se ha vuelto muy impor-tante -o mejor dicho, preocupante- en los últi-mos años; y no nos referiúlti-mos propiamente a los problemas que pueden ocurrir durante una no-che de paseo, o cuando se deja estacionado el automóvil cerca de alguna colonia de las llama-das "conflictivas"; más bien, estamos hablando de la posibilidad de que alguien ajeno a su em-presa tenga acceso a la información que tanto trabajo le ha costado reunir (proveedores, clien-tes, nómina, procesos de fabricación, etc.). En ocasiones, existe el riesgo de que toda ella sea “pirateada” a través de una conexión externa (tal
vez a través de internet) o simplemente si es que sufre la pérdida o robo de su equipo de cómpu-to, con el riesgo de que sea entregado a una com-pañía rival.
Este problema es especialmente delicado para quienes en una computadora portátil planean y realizan sus negocios; puesto que constantemen-te la llevan de un lugar a otro, es mayor el riesgo de perderla por descuido o por robo; la infor-mación de suma importancia y confidencialidad que contenga en su disco duro, podría ser en-tonces "aprovechada" de algún modo por quien se la haya quedado. Durante mucho tiempo, esta situación se ha tratado de solucionar mediante el uso de contraseñas de entrada o métodos si-milares; pero no deja de ser un sistema
insegu-Lámpara
Prisma Lente
Fibra óptica Cámara CMOS CCD Electrónica de tratamiento Señal video estándar Capturador de cuadro Imagen digital
8 ELECTRONICA y servicio
ro, si tomamos en cuenta que ese alguien tam-bién puede llegar a obtener la clave de acceso a nuestra información.
En la actualidad, parece presentarse una op-ción para solucionar este problema; y todo, gra-cias a ciertos adelantos tecnológicos en el cam-po del reconocimiento de parámetros particulares del usuario; específicamente, de su huella dactilar.
Como usted sabe, en el mundo no existen dos personas que tengan las mismas huellas digitales. A decir verdad, este método ya ha sido ampliamente aprovechado por diversas agencias policiacas para facilitar la labor de identificación de una persona; por lo tanto, si hubiese un mé-todo que durante el arranque del sistema “ras-treara” la huella digital del usuario y comproba-ra que no es la correcta, haría que la máquina se bloqueara; esto se podría utilizar como una
for-ma casi infalible de proteger la inforfor-mación vi-tal de una empresa.
Desgraciadamente, los métodos tradicionales para efectuar este rastreo involucran dispositi-vos ópticos. Esto implica la presencia de una lámpara de luz, un cristal reflejante, unas lentes de enfoque, un dispositivo CCD y finalmente circuitería de apoyo que convierta la señal reco-gida en el CCD en un patrón reconocible por la computadora (figura 1). El resultado consiste en
Figura 2
Superficie del dedo
Sensor Electrodo de titanio conectado a la tierra Capa de protección Polímero piroeléctrico Electrodo de titanio, uno por pixel Figura 3
Integración en un solo chip Sensor CMOS Convertidor analógico-digital Imagen digital
Captación silicio de huellas
aparatos muy pesados y voluminosos, y poco prácticos. Por fortuna, la tecnología electrónica ha permitido que se empiecen a hacer pruebas con “chips de contacto” que rastrean de forma directa una huella digital.
El dispositivo sensor de huellas digitales es algo así como un apretado panal de transistores en tecnología CMOS (figura 2), de modo tal que forman una cuadrícula muy fina sobre la que el usuario puede colocar la yema de su dedo; el aprovechamiento de la minúscula capacitancia que se origina con las ondulaciones de la huella dactilar (figura 3), hace posible obtener un pa-trón bastante fiel de la huella del usuario. Esta huella se digitaliza y se compara con el patrón autorizado (figura 4); si ambos coinciden, se pro-sigue con el arranque del sistema; pero cuando se detectan diferencias significativas, se solicita al usuario que vuelva a hacer el rastreo; si suce-de lo mismo, el sistema se bloquea y ya no pue-de arrancar. Así se logra que sólo el dueño pue-del equipo (cuya huella está autorizada) pueda te-ner acceso a la información.
La ventaja de este método es que el dispositi-vo captor es muy pequeño, puede transportarse fácilmente y es más rígido y resistente que los medios ópticos; por eso es ideal para quienes viajan constantemente por negocios, estudios o investigación.
Con este tipo de protecciones, usted ya no tendrá que preocuparse de que su información pueda ser plagiada.
Las micro-máquinas ya están aquí
Aunque este título podría parecer publicidad de ciertos juguetes de marca popular, en reali-dad hace alusión a minúsculos dispositivos que pueden efectuar movimientos sencillos y que prometen revolucionar por completo la forma en que el ser humano interactúa con el mundo; el tamaño de algunos de ellos, es apenas como el de una célula humana.
La simple suposición de que haya mecanis-mos de tamaño microscópico, contrasta con nuestros conceptos tradicionales; de acuerdo con éstos, una máquina debe poseer engranes,
po-leas, palancas, ruedas, etc., para realmente ser considerada como tal; no obstante, podemos decir que una máquina es todo aquel sistema que realiza algún movimiento con el propósito de solucionar determinado problema. Desde este punto de vista, un microprocesador no sería una máquina a pesar de su poderío y complejidad; en cambio, una palanca sí lo sería.
Pero ¿Es posible construir elementos móviles de tamaño microscópico? Como respuesta, sim-plemente recuerde el DLP o Digital Light Processor de Texas Instruments (figura 5); ya hablamos acerca de él, en el número 6 de esta revista. La superficie de este dispositivo está formada por diminutos espejos cuyo tamaño es parecido al de una célula (figura 6); para controlar la canti-dad de luz que reflejarán éstos, cada uno tiene un “pivote” que le permite girar en un ángulo determinado; así que cuando se desee reflejar la luz, el pivote girará; cuando no se quiera reflejar la luz, el pivote quedará inmóvil. A final de cuen-tas, se dispone entonces de numerosos micro-espejos que se mueven a gran velocidad; y por el simple hecho de que ocurre un desplazamiento físico, puede afirmarse que el DLP es en reali-dad una micro-máquina.
También existen otros tipos de dispositivos miniatura móviles, por ejemplo, en los automó-viles modernos que usan bolsa de protección en caso de choque; es probable que un chip de
sili-Figura 5 Estructura básica de un micro-espejo dentro de un DMD Espejo Punto de torsión Yugo Tope
10 ELECTRONICA y servicio
cio, que cuenta con partes móviles (o sea, una micro-máquina), sea utilizado como el sistema sensor que indica al control de la bolsa, en caso de una sacudida brusca, si ésta debe salir dispa-rada o no.
La compañía Analog Devices (legendaria por las innovaciones que ha desarrollado en muy diversos campos) produce masivamente estos chips que, vistos mediante microscopio, parecen un peine doble con los “dientes” encontrados
(fi-gura 7). En condiciones estáticas o cuando su-fren alguna aceleración moderada, estos dien-tes permanecen separados; mas dicha estructu-ra no es fija, sino que posee movimiento; de ahí que si al conjunto se le aplica una aceleración considerable (como la que ocurre cuando el au-tomovilista sufre un choque), los dientes llegan a entrar en contacto y, por ende, se dispara el mecanismo de la bolsa de aire protectora.
Las enormes ventajas que tienen estos dis-positivos en comparación con opciones seme-jantes convencionales, son su bajo costo (mien-tras que por ejemplo los sensores de presión utilizados antiguamente llegaban a costar más de 50 dólares, un sensor miniatura actual cues-ta menos de 10 dólares) y su cues-tamaño reducido (miden menos de 1mm cuadrado); además, para producirlos masivamente (millones de unidades) pueden emplearse las mismas plantas de fabri-cación de semiconductores.
Figura 6
Resorte Peine fijo
Peine móvil
Contacto Contacto
La estructura del acelerómetro de "Analog Devices" puede miniaturizarse a tal grado, que queda más pequeña que el punto mostrado.
Estos son sólo dos ejemplos de micro-máqui-nas que ya están explotándose comercialmente. En los laboratorios de diseño se está experimen-tando con aplicaciones que van desde cribas miniatura que sólo dejan pasar moléculas de cierto tamaño, hasta turbinas propulsoras cuyas dimensiones son como las de un dedal o gene-radores eléctricos pequeñísimos que sustituirán a las tradicionales baterías secas (figura 8). En tanto todo esto no sea realidad, seguiremos pen-sando que el desarrollo de las micro-máquinas se encuentra aun en sus inicios; pero la prome-sa de que influirán en nuestras vidas, casi tanto como lo ha hecho la electrónica tradicional, merece que estemos a la expectativa.
Tome fotos digitales fácilmente,
con la cámara Sony Mavica
Las cámaras digitales están revolucionando la forma en que los profesionales del diseño (e in-cluso los usuarios en general) toman, almace-nan y manejan sus fotografías. De acuerdo con el método tradicional (que ya tiene más de 100 años), el usuario puede fotografiar lo que desee mientras no se agote el rollo de película; y cuan-do por fin esto sucede, tiene que mandarlo a un proceso de revelado que puede durar horas o minutos. Y si bien desde hace muchos años ya existen las cámaras instantáneas, la calidad de las fotografías obtenidas con ellas dejan mucho que desear (además de que su vida útil suele ser
Figura 8
más corta que la de las fotografías provenientes de cámaras convencionales).
En todo caso, ambos tipos de fotografía pre-sentan un gran inconveniente cuando se les quiere utilizar en alguna edición formada por computadora: para digitalizar la imagen y poderla utilizar en el programa de edición que se esté empleando, es necesario ejecutar un pro-ceso de rastreo con escáner. Quienes alguna vez han hecho esto, saben de la gran cantidad de parámetros que hay que cuidar para que la digitalización quede correcta.
Pero las cámaras digitales prácticamente han eliminado este problema, porque con ellas se registran las imágenes y de manera directa e in-mediata éstas son almacenadas en un formato digital; de tal suerte, sólo resta trasladarlas a la PC para su posterior aprovechamiento o su sim-ple contemplación. Cabe aclarar que la mayoría de las cámaras digitales comerciales utilizan una memoria interna para el almacenamiento de las imágenes fotografiadas; para transportar éstas a la computadora, es preciso emplear un cable especial y un programa de comunicación entre sistema y cámara. Esto las hace poco apropia-das, si -por ejemplo- se desea visualizar una fo-tografía en una computadora que no cuente con el cable ni con el programa en cuestión. ¿Cómo solucionar este problema? Sony ofrece una al-ternativa bastante ingeniosa: el almacenamien-to de las imágenes en un disquete de 3.5 pulga-das estándar (figura 9). Justamente, su línea Mavica está formada por diversas cámaras para
diferentes gustos y necesidades; hay modelos básicos que trabajan con el principio de “apun-tar y disparar” (aptas para el público en general, que lo que realmente desea es conservar imá-genes memorables) y modelos dotados con len-tes zoom y controles semejanlen-tes a los de una cámara profesional de 35mm (pero con la dife-rencia, por supuesto, de que emplean el disque-te como medio de almacenamiento de las imá-genes). De esta manera, en principio usted sólo tiene que capturar las imágenes con su cámara, y extraer de ésta el disquete para introducirlo en
Figura 9
Figura 10
cualquier computadora; luego utilizando cual-quier programa gráfico capaz de visualizar imá-genes en formato JPEG ¡listo! las imáimá-genes apa-recerán entonces en la pantalla de la PC sin el menor problema. (Recuerde que gracias al for-mato JPEG, las imágenes pueden visualizarse también en una MAC, una Amiga o cualquier otro tipo de computadora).
Con soluciones como esta, la fotografía digital dejará de ser un problema de estándares y se convertirá en un simple juego de niños.
El pasado 3 de octubre del presente año, en la ciudad de Tokyo, Japón falleció a la edad de 78 años el señor Akio Morita, fundador y presidente honorario de la compañía Sony Corporation.
Nacido en la ciudad de Nagoya en 1921 y egresado de la Universidad de Osaka, Morita conoció durante la guerra del Pacífico, en 1944, a Masura Ibuka.
En 1946, juntos fundaron la compañía Tokyo Tsunshin Kogyo KK (Tokyo Telecommunications Engineering Corporation) con tan sólo 20 empleados. Durante su sociedad, Ibuka se dedicó al desarrollo del área electrónica, mientras que Morita dirigía el área de expansión, mercadotecnia, finanzas y relaciones humanas. En 1958, Akio Morita avizora el hecho de que algún día la empresa podría ampliar su cobertura hacia el área electrónica, y decide cambiar el nombre de la compañía por el de Sony.
Durante su dirección, Morita lanza a la venta la primera radio de transistores, en 1955; el primer televisor portátil en blanco y negro totalmente transistorizado, en 1960; y el primer reproductor de video casero (VTR), en 1965. En 1960, establece en los Estados Unidos la Sony Corporation of America, con lo cual se inicia su expansión por América Latina.
Muchos de los productos que han sido lanzados al mercado por Sony Corporation son el resultado de las ideas innovadoras y creativas de Morita; éstas dieron paso al nacimiento de un nuevo estilo de vida, ejemplificada claramente con el uso del walkman, el televisor Trinitron, las videocaseteras, el MiniDisc y el Playstation, por mencionar sólo algunos.
Masura Ibuka y AKIO
14 ELECTRONICA y servicio
DEL ABACO A LAS
COMPUTADORAS
PERSONALES
(Tercera y última parte)
DEL ABACO A LAS
COMPUTADORAS
PERSONALES
(Tercera y última parte)
Leopoldo Parra Reynada
Concluiremos ahora la serie de tres
artículos sobre la evolución de los
dispositivos de procesamiento de
datos, que iniciamos en el número
18. Ahora nos enfocaremos a los
estándares de computadoras
personales que se desarrollaron
desde el surgimiento de la PC de
IBM, plataforma que de hecho vino a
revolucionar por completo nuestra
concepción de los procesos de
trabajo y de comunicación.
“Verás que en Norteamérica podrás comprar una computadora PC o una de las nuevas Macintosh por menos de 4,000 dólares”
Tom Clancy “La caza al Octubre Rojo”
Aparición del estándar PC
El panorama en el mundo de la computación a finales de los años 70 y principios de los 80, es-taba formado por dos ramas completamente se-paradas: por un lado se tenían las grandes com-putadoras empresariales (campo dominado ampliamente por IBM), y por otro las microcom-putadoras impulsadas por microprocesadores genéricos y que costaban unos pocos miles de dólares (campo dominado a su vez por Apple Computer con su modelo Apple-II, figura 1).
Ante esa situación, y viendo que un segmen-to importante del mercado se les estaba esca-pando de las manos, IBM decidió entrar al
mun-do de las computamun-doras pequeñas; para ello creó una división especial en Florida, formada por ingenieros y diseñadores que tenían como úni-ca tarea el desarrollo de un sistema computa-cional económico, pero al mismo tiempo lo su-ficientemente poderoso para satisfacer las necesidades de empresas pequeñas y medianas. Fruto de este esfuerzo, fue la presentación, en 1981, de la primera computadora del estándar PC (siglas en inglés de “computadora personal”), la cual a la larga revolucionaría por completo el mundo de la informática.
La IBM PC original se diseñó teniendo en mente una aplicación más enfocada hacia el tra-bajo que hacia el hogar (figura 2), al tiempo que aprovechaba tecnologías ya existentes para mantener bajos los costos y permitir así la rápi-da expansión de la plataforma; por tal motivo, IBM decidió prescindir de una gran cantidad de
elementos con tecnología propietaria, sustitu-yéndolos por componentes genéricos que prác-ticamente cualquier empresa podía adquirir en el mercado electrónico. Asimismo, esta empre-sa estableció un amplio programa de licencias a terceros; en términos prácticos, esto significaba que cualquier persona podía producir una com-putadora similar pagando por ello sólo una pe-queña regalía a IBM.
Dicho planteamiento de apertura, fue uno de los pilares que permitió la rápida aceptación y popularidad de las computadoras PC. Y esta si-tuación se mantiene hasta hoy, pues se calcula que aproximadamente el 85% de las computa-doras que se venden en el mundo son de dicho estándar.
La PC original estaba impulsada por un mi-croprocesador 8088 de Intel (figura 3A), que es una variante de su procesador 8086 de 16 bits. La razón que impulsó a IBM a emplear el 8088 en vez del 8086, es muy sencilla: a finales de los años 70, cuando la PC estaba aún en la mesa de diseño, los microprocesadores más populares en el mundo eran el MC6800 de Motorola, el 8080 de Intel y –sobre todo– el Z-80 de Zilog, todos ellos dispositivos que manejaban palabras de 8 bits; y aunque también en aquella época Intel presentó su 8086 (que ya manejaba palabras de 16 bits), la mayoría de los chips de memoria, de manejo de señales, de intercambio de informa-ción, etc., que se tenían disponibles en el
mer-Figura 1
16 ELECTRONICA y servicio
cado, eran elementos de 8 bits; entonces, si IBM hubiera querido emplear el 8086 como núcleo central de su sistema, prácticamente habría te-nido que diseñar y construir toda la circuitería de apoyo al microprocesador (lo que hubiera re-trasado el lanzamiento e incrementado el pre-cio del producto final).
Al emplear el 8088, que si bien es un micro-procesador de 16 bits seguía manejando sus co-municaciones externas a 8 bits, IBM pudo apro-vechar todos los circuitos de manejo de señal ya existentes para microprocesadores de 8 bits; de este modo pudo acelerar entonces el desarrollo del sistema, así como abaratar considerablemen-te los costos de su fabricación (figura 3B). El 8088 podía manejar un máximo de 1MB de RAM, aun-que, por motivos inciertos, IBM decidió limitar a tan sólo 640 KB la cantidad de memoria dispo-nible para el manejo del sistema, magnitud que ahora nos parece ridícula, pero que a principios de los 80 era impresionante (figura 3C).
También para reducir costos y mantener cierta compatibilidad, los diseñadores de IBM decidie-ron que gran parte de la arquitectura de
comu-nicaciones de este sistema estuviese basada en uno de sus propios modelos anteriores: la com-putadora DataMaster de 8 bits, que había tenido amplia aceptación entre las pequeñas empresas. Precisamente pensando en dichos clientes, los ingenieros de IBM decidieron incorporar en la PC el mismo tipo de conector para tarjetas periféricas (que a la larga sería conocido como Slot ISA-8).
Como justificación de tal movimiento, se con-sideró que muchos de los propietarios de DataMaster habían gastado fuertes sumas para comprar o diseñar tarjetas periféricas que hicie-ran trabajos específicos en sus sistemas; así que estos usuarios podían ser convencidos de adqui-rir una nueva PC, toda vez que era posible se-guir usando las mismas tarjetas prácticamente sin excepción. Y a pesar de que en principio este movimiento tuvo el objetivo de proteger un mer-cado ya cautivo, el concepto de las ranuras de expansión –donde se podían conectar elemen-tos externos– ha sido, indudablemente, uno de los pilares de la gran popularidad de la platafor-ma PC hasta nuestros días.
Figura 3
C Bancos de memoria RAM típicos de una PC-XT
D Unidad de disquete de 5 1/4 pulgadas
B Una parte de los circuitos del chipset
El diseño de la PC se complementaba con una o dos unidades de disquete como medio de al-macenamiento principal (cada disquete podía guardar hasta 360KB de datos, figura 3D), un mo-nitor monocromático tipo TTL (que sólo podía expedir letras, números o símbolos sencillos del estándar ASCII), un teclado de poco más de 80 teclas, una impresora (opcional para imprimir los trabajos en papel) y, si se disponía de mucho di-nero, un disco duro de 10 MB de capacidad (can-tidad irrisoria para nuestros días, pero que en aquella época equivalía a más de 25 disquetes de 360 KB llenos, figura 4).
Como sistema operativo se eligió el MS-DOS de Microsoft (en aquel entonces, una pequeña compañía que prácticamente lo único interesan-te que había producido era una popular versión del lenguaje de programación Basic). Gracias al apoyo de IBM y a la presión ejercida por esta compañía ante ciertos fabricantes de software, casi desde la presentación de este sistema ope-rativo aparecieron algunas aplicaciones que aho-ra son legendarias; tal es el caso de los procesadores de texto WordStar y WordPerfect, la hoja de cálculo Lotus 1-2-3 y la base de datos dBase. Con estas herramientas, una empresa pe-queña o mediana con capacidad de invertir al-rededor de 4,000 dólares para una configuración básica, ya podía hacerse de una computadora que apoyara a sus departamentos de contabili-dad, inventarios o para actividades secretariales. La IBM PC-XT tuvo tal éxito entre el público en general, que no tardaron en aparecer las
co-pias o “clones”; estamos hablando de máquinas que se comportan exactamente igual que una IBM PC, pero que por ser ajenas a esta compa-ñía tienen un menor precio. Una de las marcas pioneras en el campo de los clones, es Compaq; y hasta la fecha, sigue siendo la principal ven-dedora de computadoras en todo el mundo (fi-gura 5).
Otras plataformas de cómputo:
parece Macintosh
La PC-XT y clones se vendieron masivamente durante toda la primera mitad de la década de los 80, casi sin tener ningún tipo de competen-cia que pudiera arrebatarles porciones signifi-cativas del mercado. Sin embargo, esta situación no podía durar indefinidamente; a mediados de la década de los 80 surgieron dos máquinas – también enfocadas al usuario pequeño y media-no– que habrían de revolucionar la interacción hombre/máquina; nos referimos, obviamente, a la Apple Macintosh y a la Commodore Amiga.
Cuando Apple se percató de que estaba per-diendo un gran porcentaje del mercado que ya había ganado con su modelo Apple-II, decidió “reinventar” la computadora personal y poner mucha atención en un aspecto que otros fabri-cantes habían descuidado: la forma de estable-cer comunicación entre el usuario y el sistema. Para ello, se inspiró en la primera interfaz gráfi-ca de usuario desarrollada por los diseñadores
Figura 4
Figura 5 Computadora Compaq, clon de la IBM-PC
18 ELECTRONICA y servicio
del Centro de Desarrollo de Palo Alto de Xerox (el legendario Xerox-PARC); entonces traslada-ron este concepto a una pequeña computadora experimental denominada “Lisa”, la cual fue un completo fracaso comercial debido a su alto pre-cio (aproximadamente 10,000 dólares); no obs-tante, dado que demostró la viabilidad de esta propuesta, se considera que Lisa fue apenas un escalón que llevó al desarrollo de la que sería la computadora más revolucionaria en su momen-to: la Apple Macintosh, presentada al mundo en 1984 (figura 6).
La Apple Macintosh empleaba como núcleo central un microprocesador MC68000 de Motorola (figura 7); desde un principio emplea-ba una interfaz gráfica de usuario, e introdujo al mundo de las computadoras personales un dis-positivo nuevo: el ratón (también desarrollado por Xerox-PARC); con esto, la comunicación entre el usuario y la máquina se hizo más fluida y sencilla (las personas ya no tenían que aprender una gran cantidad de comandos, para dar órdenes a su sistema); además, el hecho de contar con una pantalla capaz de expedir gráficos y no sólo le-tras y números, impulsó a la Macintosh a un ni-cho de mercado que hasta la fecha mantiene: la autoedición y las aplicaciones gráficas avanza-das (programas ahora populares en el mundo de la PC –como PageMaker o PhotoShop–, nacie-ron originalmente en ambiente Macintosh).
Desafortunadamente para el desarrollo de la plataforma, los directivos de Apple decidieron mantener a la Macintosh como una tecnología propietaria, de modo que ninguna empresa ex-terna podía copiar su diseño sin meterse en se-rias dificultades legales; esto condujo a la falta de competencia, a precios altos y a poca difu-sión de la plataforma.
En sus mejores épocas, Macintosh logró aca-parar alrededor del 15% del mercado mundial de computadoras; pero en la actualidad este por-centaje ha descendido aproximadamente 8-10%;
Figura 6
Figura 7
La familia 680x0 de Motorola se utilizó en muy diversas aplicaciones, y no sólo en Macintosh y Amiga.
y no ha caído más, gracias al enorme impulso que significó la nueva creación de Steve Jobs: la iMac (figura 8).
Actualmente la plataforma Macintosh sigue teniendo un público fiel en el mundo de la au-toedición, el diseño gráfico, el retoque fotográ-fico, etc.; en tanto, la iMac ha logrado captar la atención del público que por primera vez va a comprar una computadora y que por ello desea le resulte fácil manejarla y no le genere proble-mas de configuración.
También hace menos de diez años, las Macin-tosh abandonaron los microprocesadores de la serie 68K de Motorola para usar el PowerPC (fi-gura 9), desarrollado conjuntamente por Apple, IBM y Motorola; con esto, la plataforma ha reci-bido un gran impulso en cuanto a potencia de cómputo (lo cual, de cualquier forma, no le ha
servido para terminar con el amplio dominio que en porcentaje de ventas mantiene la plataforma PC).
La Commodore Amiga
El caso de la plataforma Amiga de Commodore es completamente distinto. Esta máquina, que también estaba impulsada por un MC68000 de Motorola (y microprocesadores posteriores), fue una de las primeras en presentar una interfaz gráfica de usuario (figura 10) y en abordar el con-cepto “multimedia” (las computadoras Amiga podían conectarse al televisor, tenían salida para bocinas externas, su pantalla podía manejar múltiples resoluciones y diferentes profundida-des de color ¡al mismo tiempo!); por esta razón, desde su lanzamiento tuvieron aceptación inme-diata entre un segmento muy especializado del público informático (la mayoría de los juegos con alto contenido gráfico que circulaban en el mun-do a finales de los años 80 y principios de los 90, fueron diseñados originalmente en Amiga; lue-go se exportaron a formato PC y Macintosh). Adicionalmente, hubo un segmento de mercado que descubrió cierta particularidad de la plata-forma Amiga, y que decidió aprovecharla para fines específicos: la edición de video.
Si usted es un usuario avanzado de compu-tadoras, seguramente habrá oído hablar de un dispositivo denominado “Video Toaster” o
“tos-Figura 8
Figura 9
Figura 10
Computadora Amiga de Commodore
20 ELECTRONICA y servicio
tadora de video”, nombre curioso para un cir-cuito capaz de combinar dos o más señales de televisión y funcionar como una especie de “switcher” muy avanzado, insertando cortinillas muy interesantes en las transiciones de escenas (hasta la fecha se siguen produciendo comercia-les y programas de televisión, en los que se apre-cia el uso del Toaster). Desafortunadamente para Commodore, el público en general se quedó con la idea de su modelo Commodore-64 (una com-putadora “de juguete”); nunca tomó muy en se-rio a la plataforma Amiga como una máquina de trabajo, situación que contribuyó a la quie-bra a esta empresa en la primera mitad de los años 90; sin embargo, recientemente la plata-forma Amiga parece haber renacido de sus ce-nizas, y parece que ahora sí se ha enfocado casi 100% en el mundo de la edición de video profe-sional y semiprofeprofe-sional.
El mundo de las estaciones de trabajo
Existe un nicho de mercado en el que la plata-forma PC no había podido incursionar sino has-ta hace relativamente muy poco tiempo; se trahas-ta de las estaciones de trabajo, en las que se hacen labores que demandan del sistema un enorme poder de cálculo.
Puesto que la plataforma PC es un desarrollo más bien dirigido al público de bajos ingresos y menores requerimientos técnicos, el segmento de alto poder fue acaparado por diversas em-presas. Entre las de mayor prestigio y éxito, po-demos mencionar a Sun Microsystems y a Silicon Graphics.
El caso de Sun es muy curioso, porque esta empresa atacó el segmento de las computado-ras personales desde un punto de vista que en su tiempo resultaba poco lógico, pero que en la actualidad ha demostrado su validez: decidió abandonar la arquitectura tradicional de los mainframes (una computadora central con mu-chos periféricos), ofreciendo estaciones de tra-bajo como computadoras completas, con su uni-dad de proceso, discos de almacenamiento, etc.; la diferencia estriba en que estos sistemas están diseñados desde un inicio para interconectarse en red, de modo que múltiples usuarios puedan trabajar al mismo tiempo en un mismo proble-ma, cada uno en su máquina. De hecho, el lema de Sun es “La computadora es la red”.
Esto ha hecho de Sun la elección lógica para aplicaciones donde se necesita que una gran cantidad de máquinas trabajen en un objetivo común (Sun suele ser proveedor de eventos como juegos olímpicos o copas de fútbol); en la actualidad, se ha convertido en una de las
plata-Figura 11
Sistemas de Silicon Graphics
formas preferidas para los servidores de acceso a Internet; sin embargo, el público en general conoce poco de esta empresa debido a que está más enfocada a aplicaciones empresariales.
Por su parte, Silicon Graphics se ha concen-trado en un segmento de mercado muy específi-co: el manejo de gráficos muy complejos, que la plataforma PC simplemente no puede soportar (figura 11). Los logros de esta empresa son re-conocidos; ¿recuerda la escena del baile en el salón, de la película “La Bella y la Bestia” de Disney? ¿o la estampida de dinosaurios en “Par-que Jurásico”? todas estas escenas fueron crea-das por computadora usando máquinas Silicon Graphics.
Esta plataforma de cómputo sigue gozando hasta la fecha de una enorme popularidad entre las personas dedicadas al diseño de animación en tercera dimensión, la generación de paisajes por computadora, el desarrollo de juegos tridimensionales, etc.; pero su alto costo la co-loca completamente fuera del alcance del públi-co en general.
Por otra parte, desde diversas fuentes se ha intentado desarrollar plataformas de cómputo alternativas que arrebaten mercado a la PC; en-tre ellas podemos mencionar a las máquinas Next (diseñadas por el propio Steve Jobs); las Network Computers o NC (un desarrollo conjunto de varias empresas, para producir una compu-tadora sencilla que dé al usuario acceso a Internet de forma fácil y económica); la PC Jr. (introducida por IBM, y que fue un fracaso co-mercial), etc. Sin embargo, todavía no hay siste-ma que desplace de su sitio predominante a la plataforma PC.
Evolución reciente de la plataforma PC
Como podrá suponer, la plataforma PC no ha permanecido estática durante los casi 20 años que ya tiene; de hecho, hoy día estamos inmersos en la sexta generación de computadoras perso-nales, y ya comienzan a circular las primeras máquinas de séptima generación. Podemos de-cir que estas máquinas han avanzado según han ido apareciendo nuevos y más poderosos micro-procesadores (ver artículos: Micromicro-procesadores
tipo Slot-1 y AMD Athlon: el primer microprocesa-dor de séptima generación, en los números 16 y 19, respectivamente, de esta publicación), casi siempre de los laboratorios de Intel; pero recien-temente esta compañía ha sido enviada a un segundo lugar tecnológico (tal vez sólo por al-gún tiempo), por uno de sus eternos rivales: AMD.
A mediados de los 80 apareció la segunda generación de PCs, también conocida como “pla-taforma AT” e impulsada por un microprocesa-dor 80286. Esta máquina también tuvo una uni-dad de disquete más grande (en el mismo disco de 5 1/4 pulgadas se podían almacenar hasta 1.2 MB de datos), un monitor a color y con capa-cidad de gráficos (estándar CGA o EGA), mayor cantidad de memoria (se rompe la barrera de los 640 KB), etc.
Podemos decir que con el estándar AT se marcó la pauta que de un modo u otro siguen respetando hasta la fecha las computadoras más avanzadas.
La tercera generación de PCs estuvo impul-sada por un 80386, que es el primer micropro-cesador de 32 bits producido por Intel. Entonces se introdujeron conceptos nuevos como la me-moria protegida, la meme-moria virtual, la multitarea, etc., y se popularizó el monitor VGA de gráficos avanzados; se dieron a conocer los ambientes de trabajo amigables (como Windows) y los programas grandes y complejos que reque-rían de discos duros de ¡más de 100MB de capa-cidad!; además, la memoria RAM llegó a un pro-medio de 4MB, etc. Puede afirmarse que con la llegada del 386, las PC invaden también los ho-gares.
La cuarta generación tuvo como núcleo cen-tral un procesador i486 o clones de compañías rivales de Intel. En esta etapa se populariza el concepto multimedia, por lo que se que añadió a la estructura básica de la PC un lector de CD-ROM y una tarjeta de sonido con sus respectivas bocinas. En esta generación se percibe por pri-mera vez que el postulado de Sun también po-día aplicarse al mundo de las PC, y se incorpo-ran utilidades para la conexión sencilla en red en ambientes como Windows para trabajo en grupo.
La quinta generación de PCs estuvo impulsa-da por microprocesadores tipo Pentium de Intel, K5 y K6 de AMD y el 6X86 de Cyrix. Es en este punto donde la popularidad de Internet obliga al usuario a incorporar un nuevo elemento: el módem; también aumenta considerablemente el poder de cálculo, no sólo gracias al microproce-sador sino también a la inclusión de mayor can-tidad de RAM (el estándar sube hasta 16 MB o más) y de discos duros más grandes (1.0 GB típi-co), lo que permitió el uso de aplicaciones más complejas.
En la actualidad, estamos inmersos en la sexta generación de computadoras personales; sus representantes más conocidos son los procesadores Celeron, Pentium II y III de Intel, el K6-2 y K6-3 de AMD y el M-II de Cyrix, aunque hay otros competidores recientes como el C6 de IDT y el uP6 de Rise Tech. El poder de estos dis-positivos es tal, que se calcula que una persona que posee una máquina de este tipo tiene en su escritorio más poder de cálculo que el que te-nían todas las computadoras que guiaron al
Apollo-11 en su viaje a la luna; y por si fuera poco, los precios de las computadoras se han desplomado de forma tan dramática, que tener en casa un sistema de estos cuesta normalmen-te menos de 1,000 dólares; incluso, hay casos en que se puede conseguir una máquina muy buena por aproximadamente 500 dólares.
Recientemente AMD lanzó al mercado el pri-mer microprocesador de séptima generación: el Athlon; ya comienzan a circular máquinas im-pulsadas por este dispositivo, cuyo desempeño ha demostrado ser superior al del microproce-sador más poderoso de Intel. Esta situación re-sulta casi inédita en el mundo de las PCs, y nos hace concebir la esperanza de que además de Intel otras compañías desarrollen nuevos y más avanzados circuitos que serán el núcleo de las futuras computadoras.
Después de todo, recuerde que este tipo de competencia beneficia finalmente al público con-sumidor; que puede tener en sus manos una má-quina cada vez más poderosa sin que ello impli-que un sacrificio monetario enorme.
FUNDAMENTOS DE LOS
SEMICONDUCTORES
FUNDAMENTOS DE LOS
SEMICONDUCTORES
Oscar Montoya Figueroa
Dependiendo de su capacidad para
conducir la electricidad, existen
materiales que pueden ser
clasifica-dos en tres tipos: conductores, no
conductores y semiconductores; y
bajo ciertas condiciones, existe otro
tipo de materiales llamados
superconductores. Por ser los
mate-riales que se utilizan más
ampliamente en los componentes
electrónicos, en el presente artículo
explicaremos los fundamentos de los
semiconductores.
Introducción
Los aislantes o no conductores son aquellos materiales que presentan una resistencia muy alta a la corriente eléctrica; ejemplo de ellos son el hule, el plástico, el vidrio, el papel, etc.
Por el contrario, y como su nombre lo indica, los conductores son aquellos materiales que ante el paso de la corriente eléctrica presentan una resistencia casi nula; metales como el oro y la plata son excelentes conductores, al igual que el cobre que, por razones de abundancia y pre-cio, es uno de los más utilizados para transmitir electricidad.
Por su parte, los materiales semiconductores presentan la dualidad de comportarse como con-ductores o como aislantes, dependiendo de las condiciones eléctricas y ambientales a las que se les someta; su resistividad disminuye si su temperatura aumenta. Las sustancias más utili-zadas como semiconductores son el silicio y el germanio.
Finalmente, los materiales superconductores presentan una resistencia cero al paso de la co-rriente eléctrica; además, generan campos
mag-24 ELECTRONICA y servicio
néticos tan intensos que pueden emplearse como fuentes de almacenamiento de energía (tabla 1).
Conductores
Para entender de una forma simple por qué los conductores transportan la electricidad activa-mente, revisemos el comportamiento del cobre. Si conectamos un trozo de este material con una batería, circulará una gran cantidad de electro-nes, desde el polo negativo, hasta el polo positivo. El número atómico del cobre es 29; es decir, el núcleo de su átomo contiene 29 protones y 35 neutrones y girando alrededor de él, 29 electro-nes. De esta forma en su primera órbita hay 2 electrones, en la segunda 8, en la tercera 18 y en la última capa (de valencia) sólo un electrón. Esta
es la causa de que la fuerza eléctrica o de atrac-ción con que el electrón de valencia es atraído hacia el núcleo –y que lo mantiene girando alre-dedor de éste– es muy débil; así que basta un pequeño potencial eléctrico, para que el electrón de valencia se desprenda y pase de un átomo a otro hasta llegar al polo positivo de la batería. De ahí que el cobre sea un buen conductor (fi-gura 1).
Es obvio que cuando la batería se conecta al cobre, el potencial eléctrico (fem) afecta a todos los átomos del material; con esto se obliga a los electrones de valencia a desplazarse hacia el polo positivo de la batería, mediante una serie de saltos continuos entre los átomos.
Esto mismo sucede en la gran mayoría de los materiales conductores, y de hecho todos ellos
CONDUCTORES NO CONDUCTORES SEMICONDUCTORES SUPERCONDUCTORES Ante el paso de la corriente
eléctrica, presentan una resistencia casi nula. Materiales conductores:
• El oro • La plata
• El cobre (que por razones de abundancia y precio, es uno de los más utilizados para transmitir electricidad).
Presentan una resistencia muy alta a la corriente eléctrica. Materiales no conductores: • El hule • El plástico • El vidrio • El papel Presentan la dualidad de comportarse como conductores o como aislantes, dependiendo de las condiciones eléctricas y ambientales a las que se les someta. Su resistividad disminuye si su temperatura aumenta. Materiales semiconductores: • Silicio • Germanio
Presentan una resistencia cero al paso de la corriente eléctrica; adem ás, generan campos magn éticos tan intensos que pueden emplearse como fuentes de almacenamiento de energía Tabla 1 29p 35n 2 8 18 1
Distribución electrónica del cobre
El cobre es uno de los materiales conductores más utilizadso en el campo de la electrónica
cuentan con un solo electrón en su última capa (capa de valencia).
No conductores o aislantes
Por su parte, los materiales no conductores o aislantes, por lo general, tienen ocho electrones en su órbita exterior; la fuerza de atracción que mantiene a éstos girando alrededor del núcleo, es relativamente grande; por eso se necesita un potencial eléctrico más elevado para hacer que se desplacen, lo que provoca que la corriente eléctrica que se transporta por estos materiales sea casi nula.
Superconductores
El físico holandés Kamerlingh Onnes, quien re-cibió el premio Nobel de Física en 1913 por el descubrimiento de la superconductividad (figu-ra 2), advirtió que ante tempe(figu-ratu(figu-ras cercanas al cero absoluto (-273º C) ciertos materiales pre-sentaban una resistencia de casi cero ohms.
Es decir, si un alambre de plomo se somete a un baño de helio líquido (cuya temperatura es
de apenas unos cuantos grados por arriba del cero absoluto) y recibe un pequeño voltaje, la corriente inicial fluye indefinidamente, a pesar de que se haya retirado la fuente de alimenta-ción; esto se debe a que la resistencia presenta-da por el plomo, bajo estas circunstancias, es nula. Además el campo magnético generado por el paso de la corriente eléctrica es muy fuerte.
Actualmente se producen cerámicas de diver-sos materiales, que pueden emplearse como superconductores a temperaturas de -175º C. Esto abre una puerta para futuras aplicaciones en la industria electrónica, como puede ser la transmisión de la energía eléctrica sin pérdidas; las celdas solares, que almacenen energía eléc-trica en forma de campos magnéticos; las com-putadoras de tamaños muy reducidos; y los tre-nes eléctricos suspendidos por intensos campos magnéticos.
Semiconductores
La característica común de los semiconductores es que poseen cuatro electrones de valencia; entre los materiales semiconductores más co-munes están el silicio y el germanio.
El silicio, que se encuentra en grandes canti-dades en la arena de mar, forma estructuras or-denadas llamadas cristales (figura 3); en éstos, los átomos se acomodan en forma de retícula constante, es decir, siguen un mismo patrón de orden a todo lo largo del material.
En un cristal de silicio, cada átomo comparte sus electrones de valencia con otros cuatro áto-mos; por eso su capa de valencia queda estruc-turada con ocho electrones, aunque cuatro no le pertenezcan. Esto explica por qué el silicio es totalmente aislante. La atracción que existe en-tre los núcleos de los átomos, confiere una cier-ta fuerza de unión que propicia el intercambio de electrones entre ellos.
A este tipo de enlace se denomina "enlace covalente"; en él, cada átomo se vuelve quími-camente estable y hace del silicio un cuerpo com-pacto.
La descripción que acabamos de hacer, se re-fiere a cristales de silicio químicamente puros o sea, formados únicamente por átomos de
sili-Figura 2 Kamerlingh Onnes recibió el premio Nobel de Física en 1913 por el descubrimiento de la superconductividad
26 ELECTRONICA y servicio
cio. A este tipo de materiales se les llama semiconductores intrínsecos.
Efectos de la temperatura sobre
los semiconductores
En general, cualquier temperatura superior a los -273º C produce un movimiento vibrante entre los átomos de cualquier material; y el silicio no es la excepción, puesto que sus átomos vibran ante el aumento de la temperatura; cuanto ma-yor sea el calor, mama-yores serán las vibraciones. Si las vibraciones son lo suficientemente fuer-tes, se provoca el desprendimiento de uno de los electrones de la órbita de valencia y enton-ces queda un espacio libre denominado hueco (figura 4).
Debido a este hueco, el átomo se comporta como una carga positiva y, como la suma de sus protones es mayor que la de sus electrones,
cual-quier electrón libre que se le acerque será cap-turado para compensar su carga total.
En un cristal semiconductor de silicio se ori-ginan igual cantidad de huecos que de electro-nes libres; en consecuencia, estos últimos se desplazan aleatoriamente de un átomo a otro, provocando el proceso que se conoce como "recombinación".
El tiempo que transcurre entre la liberación y la recombinación de un electrón, se llama "tiem-po de vida"; pero éste es tan corto que puede durar apenas entre unos cuantos nanosegundos (1 X 10-9 seg.) o sólo algunos microsegundos (1 X 10-6 seg.).
Considerando las características anteriores, se deduce que el silicio se comporta más bien como un aislante cuando está químicamente puro porque sólo contiene algunos electrones libres, producto del efecto del calor.
Movimiento de cargas
Si colocamos una muestra de silicio intrínseco entre un par de placas conductoras y las conec-tamos a una batería, el voltaje aplicado ejercerá los siguientes efectos sobre los electrones libres: a) La placa conectada al polo negativo de la ba-tería, repele los electrones libres hacia el lado opuesto (placa positiva); entonces, los electro-nes viajan a través del material realizando continuos saltos desde su órbita externa has-ta el hueco más próximo, y en cada salto el electrón se recombina dejando un hueco en la
Figura 3 Cuando los átomos de silicio o germanio se combinan para formar un sólido, se acomodan siguiendo una configuración ordenada llamada "cristal". N
-
N HuecoCuando una energía es lo suficientemente fuerte, se provoca el desprendimiento de uno de los electrones de la orbita de valencia, y entonces queda un espacio libre denominado "hueco".
posición que acaba de desocupar; y así conti-núan hasta alcanzar el extremo donde se en-cuentra la placa positiva. Los electrones pa-san del semiconductor a la placa y de ésta al interior de la batería.
b) Al mismo tiempo que un electrón sale del se-miconductor con destino a la placa positiva, su lugar es ocupado por otro que proviene de la placa negativa volviendo a iniciar el ciclo, produciendo así millones de recombinaciones durante el proceso. El resultado de este expe-rimento es una pequeña corriente eléctrica cir-culando a través del semiconductor.
Mencionamos anteriormente que un hueco (hole en inglés) es la ausencia de un electrón en un átomo que genera una carga positiva. Ahora bien, si consideramos a los huecos como enti-dades eléctricas, deduciremos que se desplazan en sentido opuesto al de los electrones; es decir, se trasladan del polo positivo de la batería al polo negativo. Cuando se aplica un potencial eléctri-co al material, la placa positiva atrae a los elec-trones libres de los átomos del semiconductor; y cuando los electrones atraviesan la unión, de-jan un hueco en el sitio del que salieron; a su vez, estos huecos atraen a los electrones libres más próximos; entonces estos últimos abando-nan su respectivo lugar, creándose así otros hue-cos. En ese momento, los huecos se han despla-zado ya por dos niveles y, como el proceso es continuo, "viajarán" a través del material hasta alcanzar la placa negativa, donde serán emplea-dos por otros electrones.
El proceso no aumenta ni disminuye, ya que por cada electrón que sale del material ingresa otro por el lado opuesto; y lo mismo sucede con los huecos: por cada hueco que se recombina con un electrón, se genera otro cuando el pri-mer electrón sale del material.
Ahora bien, denominamos "portadores nega-tivos" a los electrones y portadores positivos a los huecos, ya que transportan carga eléctrica de una posición a la otra.
Es importante señalar que en un semiconduc-tor, la corriente es el efecto combinado de hue-cos que se trasladan en un sentido y de los elec-trones que lo hacen hacia en el otro.
Dopado de un semiconductor
La corriente eléctrica que circula por un semi-conductor intrínseco es muy débil (recuerde que éste se comporta casi como un aislante). No obs-tante, para aumentar la intensidad de la corriente que lo atraviesa, se recurre a un proceso que se denomina dopado.
El dopado consiste en agregar al semicon-ductor intrínseco o puro, átomos cuya órbita externa contenga tres o cinco electrones, esto con objeto de proporcionarle huecos o electro-nes libres adicionales. A los elementos que se utilizan para el dopado de semiconductores, se les llaman "impurezas donadoras"; entre ellos destacan el Boro, el Aluminio y el Galio, con tres electrones en su órbita externa; así como el Fós-foro, el Arsénico y el Antimonio, con cinco elec-trones en su capa de valencia.
La elaboración de un semiconductor dopado, consiste en fundir primero el Silicio puro y aña-dir el elemento que actuará como impureza donadora; las cantidades serán determinadas por el fabricante (figura 5). Mientras mayor sea la cantidad de impurezas agregadas, mayor será la conductividad del material y menor su resis-tencia eléctrica, y viceversa.
Figura 5 La fabricación de los semiconductores es una de las industrias más versátiles y modernas de la actualidad.
28 ELECTRONICA y servicio
Cuando un semiconductor presenta alta con-ductividad eléctrica, se dice que es altamente dopado; cuando presenta alta resistencia, se dice que tiene un dopado bajo.
Semiconductor tipo P
Cuando se dopa el Silicio intrínseco con átomos que tienen tres electrones de valencia (trivalen-tes), se forma un semiconductor positivo (tipo P), esto se debe a que adquiere la capacidad de aceptar electrones libres al poseer una mayor cantidad de huecos. Por tal motivo, se dice que los semiconductores tipo P son portadores ma-yoritarios de huecos y portadores minoritarios de electrones.
Semiconductor tipo N
Cuando el silicio intrínseco se dopa con átomos que tienen cinco electrones de valencia (pentavalentes), se dice que es un semiconduc-tor negativo (tipo N); siempre es capaz de donar electrones porque el número de éstos supera al de los huecos. Entonces, los semiconductores tipo N son portadores mayoritarios de electro-nes y portadores minoritarios de huecos.
Algunas aplicaciones
Por sí solos, los semiconductores no son de gran utilidad ya que se comportan como simples
resistores de carbón. No obstante, diferentes combinaciones de ellos dan origen a dispositi-vos de gran versatilidad, tales como los varistores, húmetros, diodos, transistores, tiristores e incluso los circuitos integrados.
En realidad, los diodos y los transistores se inventaron antes del desarrollo tecnológico de los semiconductores, por medio del llamado "tubo de vacío". La invención del tubo de vacío (también llamado "válvula electrónica") permi-tió que se construyeran los primeros aparatos electrónicos; éstos sin embargo eran grandes y pesados, por las propias dimensiones del tubo. Sólo hasta que se descubrió que diversas com-binaciones de semiconductores daban lugar a componentes cuyos efectos son similares a los del tubo de vacío, fue posible construir aparatos electrónicos de pequeñas dimensiones.
El diodo semiconductor
El diodo construido a partir del tubo de vacío, se ha sustituido por uno que utiliza materiales semiconductores; las ventajas de éste son sus dimensiones y peso menores, además de una mayor calidad y durabilidad.
Un diodo semiconductor está constituido por un cristal semiconductor dopado en dos seccio-nes, una tipo N y otra tipo P (figura 6A); su prin-cipal característica es conducir la corriente eléc-trica en un solo sentido; o sea, posee polaridad.
P
N
+ + + + + + + + + Huecos Unión Electrones libres - - - --Estructura de un diodo formado por un semiconductor dopado en dos secciones: una tipo P y otra tipo N
A
B
Esta sencilla peculiaridad le permite, por ejem-plo, convertir la CA en CD, procesar una señal de alta frecuencia de radio y transformarla en una señal de audio, etcétera.
Actualmente hay diversos tipos de diodos semiconductores, cada uno con una función es-pecífica; pero todos se basan en el principio de operación del diodo tipo PN. Estos diodos son diferentes entre sí por los materiales que em-plean, los niveles de dopado y la forma de pola-rización; esto les permite trabajar en diferentes puntos de la curva característica de operación.
Entre los tipos de diodos que más se utilizan en electrónica, está el de unión, el zener, el emi-sor de luz, el fotodiodo y el varicap (figura 6B).
El transistor
En 1951, el triodo de Lee De Forest fue sustitui-do por una invención de William Shockley y sus colaboradores: el transistor de unión H. Hasta ese entonces, todos o casi todos los aparatos electrónicos eran construidos con tubos de va-cío o bulbos.
Por supuesto, el transistor realiza las mismas funciones que un triodo: es rectificador, releva-dor, modulador y amplificareleva-dor, aunque de tama-ño más pequetama-ño; además consume menos ener-gía, su tiempo de vida es mucho mayor y la cantidad de calor que disipa es mínima, por lo que puede operar a temperaturas muy bajas.
El transistor está formado por un cristal de silicio dopado en tres secciones (figura 7A): dos secciones P y una N o dos secciones N y una P; de ahí que a estos tipos de transistores se les denomine PNP y NPN, respectivamente. Las ter-minales de un transistor se denominan "emisor", "base" y "colector", independientemente del tipo que sea.
En los transistores NPN, la corriente eléctrica entra por el emisor, sigue por la base y sale por colector; en los transistores PNP, la corriente entra por el colector, sigue por la base y sale por el emisor.
La principal característica del transistor, es que permite que con una pequeña corriente en su base se obtenga un aumento en la cantidad
Colector Emisor
Base
Colector Emisor
Base
Estructura de un diodo formado por un semiconductor dopado en tres secciones: una tipo P y dos tipo N o viceversa.
N P N P N P
A
B
Uno de los primeros transistores utilizados comercialmente en 1950, y los diferentes tipos que actualmente se emplean.
30 ELECTRONICA y servicio
de corriente que lo atraviesa; esta última sigue las variaciones de la señal aplicada, estamos hablando del principio de amplificación.
Con el transistor en función de amplificador, se han podido construir innumerables circuitos electrónicos para muy diversas aplicaciones.
Entre los diversos tipos de transistores exis-tentes, destacan el bipolar y el de efecto de cam-po (figura 7B).
El varistor
El varistor es otro dispositivo elaborado con materiales semiconductores que conduce elec-tricidad sólo cuando el voltaje supera cierto va-lor específico.
Si se alimenta al varistor con un voltaje me-nor al valor de ruptura (especificado por el fa-bricante), su resistencia será tan grande que nin-guna corriente eléctrica circulará por él. Mas si el voltaje aplicado alcanza o supera el valor de ruptura, su resistencia decaerá instantáneamen-te hasta casi cero ohms; así, permitirá que la corriente eléctrica lo atraviese (figura 8).
Gracias al comportamiento que acabamos de explicar, el varistor se utiliza principalmente como dispositivo de protección de línea.
En realidad, el varistor (también llamado su-presor de transitorios) equivale a dos diodos zener puestos en serie, pero en sentidos opues-tos (vea el artículo "Diodo Zener" en Electrónica y Servicio No. 11).
El húmetro
El húmetro está formado por una base aislante, sobre la cual está grabada una línea curva de
material semiconductor (generalmente de óxi-do de silicio); su función es detectar los niveles de humedad ambiental.
Al conectarse en serie con una fuente de ali-mentación y una carga, el dispositivo presenta un valor de resistencia eléctrica que depende de la humedad en el ambiente (entre mayor sea la humedad menor será la resistencia, y vicever-sa). Por sus características, los húmetros se em-plean en circuitos electrónicos con aplicaciones de control atmosférico.
La conductividad o la resistencia eléctrica de los húmetros varía, porque las moléculas de agua suspendidas en el aire circundante se depositan sobre el óxido semiconductor y así se logra un enlace iónico que permite el paso de la electrici-dad sobre la superficie del material. Esto signifi-ca que las moléculas de agua dopan al óxido semiconductor, con lo cual se obtiene el mismo efecto que cuando se dopa un semiconductor in-trínseco con impurezas donadoras (como en el caso de los diodos o transistores).
Por esta razón el fabricante designa una zona de operación para cada dispositivo, en donde el valor de la resistencia se considera confiable.
Por sí solos, los húmetros no son de gran ayu-da; requieren de un conjunto de circuitos analógico/digital que permitan convertir el va-lor entregado (analógico) en un vava-lor represen-tativo (digital).
El tiristor
Un tiristor es un dispositivo que utiliza retroali-mentación interna para funcionar como ampli-ficador en conmutación (figura 9). Está formado por un semiconductor dopado en más de tres secciones, y se utiliza generalmente en electró-nica industrial para controlar grandes cantida-des de corriente de carga en motores (control de velocidad), calentadores (control de tempe-ratura), sistemas de iluminación (control de in-tensidad de luz), etcétera.
Podemos encontrar en nuestras casas un tiristor en los llamados dimmer, que son contro-les de iluminación para las lamparas incandes-centes.
El tiristor es un dispositivo semiconductor de tres terminales, de las cuales – a través de un
180 V
(voltaje de línea) 180v El varistor no conduce
200 V
(voltaje de línea) 180v El varistor conduce Figura 8
potencial llamado "voltaje de disparo"– una de éstas controla el paso de la corriente eléctrica entre las otras dos.
La característica más importante del tiristor consiste en que, una vez aplicado el voltaje de disparo, se mantiene conduciendo electricidad por tiempo indefinido en tanto no se interrumpa la alimentación del circuito.
Los dos tipos más importantes de tiristores son el SCR (rectificador controlado de silicio), que permite el paso de la corriente en un solo
senti-Figura 9 Tiristor
Figura 10
Los circuitos integrados son bloques pequeños de material semiconductor que contiene en su interior un conjunto de dispositivos interconectados, y que realizan una función determinada.
do y el TRIAC (tiristor de corriente alterna), que permite el paso en ambos sentidos.
El circuito integrado
El circuito integrado apareció en la década de los setenta. Se le denomina "integrado", porque se compone de cientos de elementos interconec-tados y dispuestos sobre una misma base de material semiconductor.
La interconexión de los componentes que lo forman, se realiza durante el proceso de fabri-cación original, en una sola base de algunos milímetros cuadrados (figura 10).
En realidad, un circuito integrado está com-puesto por cientos de dispositivos de tamaño microscópico (resistores, diodos, varistores, tran-sistores, etc.) interconectados. Así que la fun-ción global de cada circuito integrado puede va-riar, dependiendo de los dispositivos con que cuente.
En cuanto a tamaño, rendimiento y capaci-dad de integración, las ventajas que representa este tipo de tecnología son obvias.
A la fecha, casi todos los aparatos electróni-cos cuentan con circuitos integrados; los encon-tramos, tanto en un pequeño radio-receptor, como en un televisor, un automóvil, un aeropla-no, y hasta en los modernos satélites de comu-nicaciones.
LA OPERACION
DEL DVD
LA OPERACION
DEL DVD
Armando Mata Domínguez
Las siglas DVD provienen del
término Disco Versátil Digital,
utilizado para designar tanto a los
reproductores que emplean este
nuevo sistema, como a los discos con
este formato. En el artículo “Del
fonógrafo al disco versátil digital
(DVD)” publicado en el número 3,
explicamos principalmente el
formato DVD. Ahora, en este artículo
nos concentraremos en algunos
aspectos funcionales y en la
estructura de estos equipos.
Qué es el DVD
Desde el punto de vista técnico, el formato em-pleado para los discos CD y DVD es fundamen-talmente el mismo; la diferencia radica princi-palmente en la capacidad de almacenamiento de datos que cada uno presenta.
Un disco DVD puede almacenar información de audio y video simultáneamente, con un tiem-po de duración similar al de una película. Esta característica es de resaltar, si consideramos que su diámetro es similar al disco CD de audio (12 cm).
El aumento en la capacidad de almacena-miento es el resultado de la densidad de datos, aumentada por la menor distancia entre los tracks; esto significa que la distancia de giro de la espiral se ha reducido de 1.6 a 0.74 micras. Además, las dimensiones de los pits se han mo-dificado de 0.83 a 0.4 micras (figura 1). Con esto un disco DVD alcanza la capacidad de almace-nar hasta 4.7 Gbytes en una sola de sus capas.
34 ELECTRONICA y servicio
Por salir del objetivo del presente artículo, le recomendamos que revise los aspectos de gra-bación de datos y métodos de lectura en el nú-mero 3 de esta revista.
Versatilidad de funciones
Ahora bien, las ventajas de almacenamiento de datos que brinda el formato DVD son aprove-chadas por los equipos reproductores para ofre-cen una variedad de funciones, y que sólo pue-den lograrse con un sistema de almacenamiento de esta capacidad; las más sobresalientes son: 1) Selección del idioma. Puede hacerse mediante
control remoto, y si es el caso que la propia película contenga subtítulos en 32 idiomas, la selección de cualquiera de ellos se hace por el mismo medio.
2) Función de multiángulo. Para ofrecer distintas vistas de una misma toma, en el caso de pelí-culas que se hayan filmado con varias cáma-ras de video en diferentes posiciones, el re-productor de DVD cuenta en su control remoto con la tecla angle, por medio de la cual el usuario puede activar esta función para ele-gir el ángulo de imagen que más le agrade. 3) Funciones de multihistoria y clasificación de
película. La primera permite al usuario
disfru-tar hasta de nueve señales simultáneas, por lo que el usuario puede elegir aquella que más le agrade. En tanto, la función de clasifica-ción de historia, ofrece la posibilidad de cali-ficar a la película en turno como apta para toda la familia (A), para adolescentes y adul-tos (B) o sólo para aduladul-tos (C), de acuerdo con las características de los espectadores. Am-bas funciones se habilitan por medio del con-trol remoto.
4) Audio Dolby Digital. Para complementar la ca-lidad de la imagen, el reproductor de DVD cuenta con un sistema de Audio Dolby Digital, conformado por dos canales en el frente y dos canales en la parte posterior (o de surround). El equipo también tiene un canal de audio central, que se encarga de reproducir única-mente voces y un canal extra exclusivo para la reproducción de sonidos dentro de la gama de 3 a 120 Hz (que a pesar de ser inaudibles, gracias al efecto de vibraciones proporcionan cuerpo al sonido).
5) Reproducción de CDs de audio digital. Además de todo lo anterior, el reproductor de DVD es capaz de reproducir en forma totalmente nor-mal los CDs de audio convencionales.
Tipos de discos
En el sistema DVD, se emplea un disco de alta densidad que puede almacenar información equivalente a la de varios discos de audio, de-pendiendo del tipo de disco. Con base en ello, pueden identificarse cuatro tipos diferentes de discos DVD:
• Disco de una cara y una capa, con capacidad de 4.7 gigabytes.
• Disco de dos caras y una capa por cara, con capacidad de 9.4 gigabytes.
• Disco de una cara doble capa, con capacidad de 8.5 gigabytes.
• Disco de doble cara y doble capa, con capaci-dad de 17 gigabytes.
Considerando los datos anteriores, en un disco de una cara y una capa es posible almacenar 133 minutos de película con pistas de audio en tres
1.6µm separación 0.74µm separación 0.80µm mínimo CD DVD 0.4µm mínimo Figura 1
idiomas y subtítulos en cuatro. Esta referencia, sirve para calcular la capacidad de almacena-miento en minutos que tendría un disco de do-ble capa y dodo-ble cara.
La posibilidad de almacenar esta cantidad de imágenes en un disco relativamente pequeño, se logra gracias al uso de la tecnología MPEG2 (MPEG = Moving Picture Experts Group o Grupo de Expertos en Imágenes en Movimiento inte-grantes de la Organización de Estándares Inter-nacionales y que trabajan en la investigación de técnicas de compresión).
La tecnología MPEG2 es un sistema de com-presión de 20 pasos, que permite almacenar imá-genes complejas –y con mucho movimiento– en área más pequeñas; lo cual permite mantener la calidad de imagen de 500 líneas de resolución (tabla 1). Recuerde que la cantidad de líneas de resolución determina la calidad de imagen: a
mayor cantidad de líneas, mejor calidad de ima-gen.
Estructura del reproductor de DVD
Para describir la estructura de estos equipos, to-maremos como referencia el modelo DVP-530D de la marca Sony, que es un reproductor de un solo disco (figura 2).
Tabla 1
Formato VHS 240 líneas de resolución Formato SVHS 400 líneas de resolución Formato V8 280 líneas de resolución Formato HI 8 400 líneas de resolución Formato HI 8 XR 440 líneas de resolución Formato DVD 500 líneas de resolución
Vista posterior
Salida de audio S.1
Salida de componente video Salida de S-video
Salida de video y audio por líneas Figura 2
