INNOVACIÓN ELECTRÓNICA

LOS SEMICONDUCTORES EN LA INDUSTRIA ACTUAL

2011-05-19T16:20:00.000-07:00

CONTACTORES ELÉCTRICOS

Los semiconductores, actualmente, junto a los contactores, los relés eléctricos y materiales conductores, son los componentes más utilizados en la industria moderna.

Para los procesos productivos se diseñan automatismos eléctricos alimentados por diferentes voltajes, que consiguen siguiendo unas secuencias determinadas, una automatización total en las cadenas de montajes de las industrias modernas.

Fuente: artículos suite101_silvinobarcelo y perfil autor.

LOS MOTORES DIESEL ESTÁN EN ALZA EN LOS MERCADOS ACTUALES

2011-05-18T16:39:00.000-07:00

MOTOR DIESEL BMW V8

Pese al auge de las energías renovables, en especial de la energía solar, los motores Diesel se han convertido en líderes en ventas de vehículos propulsados por este tipo de motores, cuyo inventor Rodolfo Diesel no se imaginó que iba a tener tanto éxito con el paso del tiempo.

BULLDOZER CATERPILLAR PROPULSADO POR MOTOR DIESEL

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2010-09-14T16:38:00.000-07:00

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2009-11-23T03:21:00.000-08:00

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HISTORIA DE LA PILA.

2009-11-11T05:54:00.000-08:00

La primera pila eléctrica fue dada a conocer al mundo por Volta en 1800, mediante una carta que envió al presidente de la Royal Society londinense. Se trataba de una serie de pares de discos (apilados) de cinc y de cobre (o también de plata), separados unos de otros por trozos de cartón o de fieltro impregnados de agua o de salmuera, que medían unos 3 cm de diámetro. Cuando se fijó una unidad de medida para la diferencia de potencial, el voltio (precisamente en honor de Volta) se pudo saber que cada uno de estos elementos suministra una tensión de 0,75 V aproximadamente, pero ninguno de estos conceptos estaba disponible entonces. Su apilamiento conectados en serie permitía aumentar la tensión a voluntad, otro descubrimiento de Volta. El invento constituía una novedad absoluta y gozó de un éxito inmediato y muy merecido, ya que inició la era eléctrica en que actualmente vivimos, al permitir el estudio experimental preciso de la electricidad, superando las enormes limitaciones que presentaban para ello los generadores electrostáticos, únicos disponibles con anterioridad. Otra disposición también utilizada y descrita por Volta para el aparato estaba formada por una serie de vasos con líquido (unos junto a otros, en batería), en los que se sumergían las tiras de los metales, conectando externamente un metal con otro.
Inmediatamente empezaron a hacerse por toda Europa y América innumerables pruebas con diversos líquidos, metales y disposiciones, tratando de mejorar las características del aparato original, cosa que pocas veces se consiguió, pero que originó una infinidad de distintos tipos de pilas, de los cuales no ha quedado memoria más que de los más notables.
La pila Daniell, dada a conocer en 1836 y de la que luego se han usado ampliamente determinadas variantes constructivas, está formado por un electrodo de Zinc sumergido en una disolución de sulfato de Zinc y otro electrodo de cobre sumergido en una disolución concentrada de sulfato de cobre. Ambos electrolitos están separados por una pared porosa para evitar su reacción directa. En esta situación la tensión de disolución del zinc es mayor que la presión de los iones Zn++ y el electrodo se disuelve, emitiendo Zn++ y quedando cargado negativamente, proceso en el que se liberan electrones y que recibe el nombre de oxidación. En la disolución de sulfato de cobre, debido a su gran concentración de iones Cu++, se deposita Cu sobre el electrodo de este metal que de este modo queda cargado positivamente, mediante el proceso denominado reducción, que implica la incorporación de electrones. Esta pila presenta una diferencia de potencial de entre 1,07 y 1,14 V entre sus electrodos. Su gran ventaja respecto a otras de su tiempo fue la constancia del voltaje generado, debido a la elaborada disposición, que facilita la despolarización, y a la reserva de electrolito, que permite mantener su concentración durante más tiempo.
La pila Grove (1839) utiliza como despolarizador el ácido nítrico NO3H. Su fuerza electromotriz es de 1,9 a 2,0 V. Originariamente utilizaba platino para el ánodo, pero Cooper y Bunsen lo sustituyeron luego por carbón; el cátodo era de zinc tratado con mercurio. Fue muy apreciado por su estabilidad y su mayor energía, a pesar del gran inconveniente que representa la emisión de humos corrosivos. El mismo Grove y en el mismo año elaboró una pila que producía energía eléctrica por medio de la recombinación de hidrógeno y de oxígeno, lo que constituye el precedente de los generadores contemporáneos conocidos como pilas de combustible.
La pila Leclanché (1868) utiliza una solución de cloruro amónico en la que se sumerjen electrodos de cinc y de carbón, rodeado éste último por una pasta de dióxido de manganeso y polvo de carbón como despolarizante. Suministra una tensión de 1,5 V y su principal ventaja es que se almacena muy bien, pues el cinc no es atacado más que cuando se extrae corriente del elemento.
Este tipo de pila sirvió de base para el importante avance que constituyó la pila denominada seca, al que pertenecen prácticamente todas las utilizadas hoy. Los tipos hasta ahora descritos eran denominados húmedos, pues contenían líquidos, que no sólo hacían inconveniente su transporte, sino que solían emitir gases peligrosos y olores desagradables. Las pilas secas, en cambio, estaban formadas por un recipiente cilíndrico de zinc, que era el polo negativo, relleno de una pasta electrolítica, y por una barra de carbón en el centro (electrodo positivo), todo ello sellado para evitar fugas. Previamente se habían realizado otro tipo de pilas secas, como la de Zamboni (1812), pero eran dispositivos puramente experimentales, que no proporcionaban ninguna corriente útil. La sequedad es relativa, en primer lugar porque un elemento rigurosamente seco no suministraría electricidad alguna, de modo que lo que se encuentra en el interior de las pilas es una pasta o gel, cuya humedad se procura por todos los medios conservar, pero además porque el uso y el paso del tiempo tienden a corroer el contendedor, de modo que la pila puede verter parte de su electrolito al exterior, donde puede atacar a otros metales. Por esta razón se recomienda extraerlas cuando no se utilizan durante mucho tiempo o cuando ya han trabajado mucho. Este inconveniente está muy atenuado en los productos de finales del siglo XX gracias a la utilización de recipientes de acero inoxidable, pero todavía se produce alguna vez.
Importantes en otro sentido han sido las pilas patrón, destinadas a usos de calibración y determinación de unidades, como la pila Clark (1870), de zinc y mercurio, cuya tensión era de 1,457 V, y la pila Weston (1891), de cadmio y mercurio, con 1,018 V. Estas tensiones se miden en vacío, es decir, sin tener ninguna carga externa conectada, y a una temperatura constante de 20º C.

LA PILA: DURACIÓN.

2009-11-08T05:52:00.000-08:00

Lo ideal sería que las reacciones químicas internas no se produjeran más que cuando la pila esté en servicio, pero la realidad es que las pilas se deterioran por el mero transcurso del tiempo, aunque no se usen, pues los electrodos resultan atacados en lo que se conoce con el nombre de acción local. Puede considerarse que una pila pierde unos 6 mV por mes de almacenamiento, influyendo mucho en ello la temperatura. Actualmente esto no constituye un problema serio pues, dado el enorme consumo que hay de los tipos corrientes, las que se ofrecen en el comercio son de fabricación reciente. Algunos fabricantes han empezado a imprimir en los envases la fecha de caducidad del producto, lo que es una práctica encomiable.

LA PILA: VOLTAJE.

2009-11-08T05:49:00.000-08:00

El voltaje, tensión o diferencia de potencial que produce un elemento electroquímico viene determinado completamente por la naturaleza de las sustancias de los electrodos y del electrolito, así como por su concentración. Walther Nernst obtuvo el premio Nobel de química de 1920 por haber formulado cuantitativamente y demostrado las leyes que rigen este fenómeno. La conexión de elementos en serie permite multiplicar esta tensión básica cuanto se quiera.
Las propiedades puramente eléctricas de una pila se representan mediante el modelo adjunto. En su forma más sencilla está formado por una fuente de tensión perfecta —es decir, con resistencia interna nula— en serie con un resistor que representa la resistencia interna. El condensador de la versión más compleja es enormemente grande y su carga simula la descarga de la pila. Además de ello entre los terminales también aparece una capacitancia, que no suele tener importancia en las aplicaciones de corriente continua.

Símbolo de una pila (izquierda); modelo eléctrico simplificado (centro); modelo más elaborado (derecha).
Una vez fijada la tensión, la ley de Ohm determina la corriente que circulará por la carga y consecuentemente el trabajo que podrá realizarse, siempre naturalmente que esté dentro de las posibilidades de la pila, que no son infinitas, viniendo limitadas fundamentalmente por el tamaño de los electrodos —lo que determina el tamaño externo de la pila completa— y por su separación. Estos condicionamientos físicos se representan en el modelo de generador como una resistencia interna por la que pasaría la corriente de un generador ideal, es decir, de uno que pudiese suministrar una corriente infinita al voltaje predeterminado.
Conforme la célula se va gastando, su resistencia interna va aumentando, lo que hace que la tensión disponible sobre la carga vaya disminuyendo, hasta que resulte insuficiente para los fines deseados, momento en el que es necesario reemplazarla. Para dar una idea, una pila nueva de las ordinarias de 1,5 V tiene una resistencia interna de unos 0,35 Ω, mientras que una vez agotada puede tener varios. Esta es la razón de que la mera medición de la tensión con un voltímetro no sirva para indicar el estado de una pila; en circuito abierto incluso una pila gastada puede indicar 1,4 V, dada la carga insignificante que representa la resistencia de entrada del voltímetro, pero, si la medición se hace con la carga que habitualmente soporte, la lectura bajará a 1,0 V o menos, momento en que esa pila ha dejado de tener utilidad. Las actuales pilas alcalinas tienen una curva de descarga más suave que las previas de carbón; su resistencia interna aumenta proporcionalmente más despacio.
Cuando se necesita una corriente mayor que la que puede suministrar un elemento único, siendo su tensión en cambio la adecuada, se pueden añadir otros elementos en la conexión llamada en paralelo, es decir, uniendo los polos positivos de todos ellos, por un lado, y los negativos, por otro. Este tipo de conexión tiene el inconveniente de que si un elemento falla antes que sus compañeros, o se cortocircuita, arrastra irremisiblemente en su caída a todos los demás.

Como todas las reacciones químicas, las que se producen dentro de una pila son sensibles a la temperatura, acelerándose normalmente cuando ésta aumenta, lo que se traducirá en un pequeño aumento de la tensión. Más importante es el caso de la bajada, pues cuando se alcanzan las de congelación muchas pilas pueden dejar de funcionar o hacerlo defectuosamente, cosa que suelen advertir los fabricantes. Como contrapartida, si se almacenan las pilas refrigeradas, se prolongará su buen estado.

LA PILA: PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

2009-11-08T05:46:00.000-08:00

Aunque la apariencia de cada una de estas celdas sea simple, la explicación de su funcionamiento dista de serlo y motivó una gran actividad científica en los siglos XIX y XX, así como diversas teorías.
Las pilas básicamente son dos electrodos metálicos sumergidos en un líquido, sólido o pasta que se llama electrolito. El electrólito es un conductor de iones.
Cuando los electrodos reaccionan con el electrolito, en uno de los electrodos (el ánodo) se producen electrones (oxidación), y en el otro (cátodo) se produce un defecto de electrones (reducción). Cuando los electrones sobrantes del ánodo pasan al cátodo a través de un conductor externo a la pila se produce una corriente eléctrica.
Como vemos, en el fondo Se trata de una reacción de oxidación y otra de reducción que se producen simultáneamente.

LA PILA.

2009-11-08T05:40:00.000-08:00

Una pila eléctrica es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo negativo o ánodo y el otro es el polo positivo o cátodo.
Véase también: Acumulador eléctrico
En Argentina la pila volta es una pila común. En castellano ha venido siendo costumbre llamarla así, mientras que al dispositivo recargable o acumulador, se ha venido llamando batería. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas —en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo adosados lateralmente, "en batería"— como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción.
La estructura fundamental de una pila consiste en piezas de dos metales diferentes introducidas en un líquido conductor de la electricidad o electrolito.

Electrónica digital

2009-11-05T23:30:00.000-08:00

La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga de sistemas electrónicos en los cuales la información está codificada en dos únicos estados. A dichos estados se les puede llamar "verdadero" o "falso", o más comúnmente 1 y 0, refiriéndose a que en un circuito electrónico hay (1 - verdadero) tensión de voltaje o hay ausencia de tensión de voltaje (0 - falso). Electrónicamente se les asigna a cada uno un voltaje o rango de voltaje determinado, a los que se les denomina niveles lógicos, típicos en toda señal digital. Por lo regular los valores de voltaje en circuitos electrónicos pueden ir desde 1.5, 3, 5, 9 y 18 voltios dependiendo de la aplicación, así por ejemplo, en un radio de transistores convencional las tensiones de voltaje son por lo regular de 5 y 12 Volts al igual que se utiliza en los discos duros IDE de computadora.

Se diferencia de la electrónica analógica en que, para la electrónica digital un valor de voltaje codifica uno de estos dos estados, mientras que para la electrónica analógica hay una infinidad de estados de información que codificar según el valor del voltaje.

Esta particularidad permite que, usando Álgebra Booleana y un sistema de numeración binario, se puedan realizar complejas operaciones lógicas o aritméticas sobre las señales de entrada, muy costosas de hacer empleando métodos analógicos.

La electrónica digital ha alcanzado una gran importancia debido a que es utilizada para realizar autómatas y por ser la piedra angular de los sistemas microprogramados como son los ordenadores o computadoras.

Los sistemas digitales pueden clasificarse del siguiente modo:

Sistemas cableados:

Combinacionales.
Secuenciales.
Memorias.
Convertidores

Sistemas programados:

Microprocesadores.
Microcontroladores.

EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR

2009-11-02T12:48:00.000-08:00

El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos, uno entre base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso. Esto quiere decir que ente base y emisor tendremos una tensión igual a la tensión directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.

Pero la gracia del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la corriente de base: I_C = β I_B, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Para transistores normales de señal, β varía entre 100 y 300.

Entonces, existen tres configuraciones para el amplificador:

Emisor común

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia tanto de tensión como de corriente y alta impedancia de entrada. En caso de tener resistencia de emisor, R_E > 50 Ω, y para frecuencias bajas, la ganacia en tensión se aproxima bastante bien por la siguiente expresión: ; y la impedancia de salida, por R_C

Como la base está conectada al emisor por un diodo en directo, entre ellos podemos suponer una tensión constante, V_g. También supondremos que β es constante. Entonces tenemos que la tensión de emisor es: $V E = V B - V g$

Y la corriente de emisor: .

La corriente de emisor es igual a la de colector más la de base: . Despejando

La tensión de salida, que es la de colector se calcula como:

Como β >> 1, se puede aproximar: y, entonces,

Que podemos escribir como

Vemos que la parte es constante (no depende de la señal de entrada), y la parte nos da la señal de salida. El signo negativo indica que la señal de salida está desfasada 180º respecto a la de entrada.

Finalmente, la ganancia queda:

La corriente de entrada, , que aproximamos por .

Suponiendo que V_B>>V_g, podemos escribir:

y la impedancia de entrada:

Para tener en cuenta la influencia de frecuencia se deben utilizar modelos de transistor más elaborados. Es muy frecuente usar el modelo en pi.

Base común

La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. la base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganacia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor, que puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizado en el caso de emisor común, nos da la ganancia aproximada siguiente: .

La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos.

Colector común

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganacia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. Esta configuración multiplica la impedancia de salida por 1/β.

El transistor frente a la válvula termoiónica

Antes de la aparición del transistor los ingenieros utilizaban elementos activos llamados válvulas termoiónicas. Las válvulas tienen características eléctricas similares a la de los transistores de efecto de campo (FET): la corriente que los atraviesa depende de la tensión en el borne de comando, llamado rejilla. Las razones por las que el transistor reemplazó a la válvula termoiónica son varias:

Las válvulas necesitan tensiones muy altas, del orden de las centenas de voltios, que son letales para el ser humano.
Las válvulas consumen mucha energía, lo que las vuelve particularmente poco útiles para el uso con baterías.
Probablemente, uno de los problemas más importantes haya sido el peso. El chasis necesario para alojar las válvulas y los transformadores requeridos para su funcionamiento sumaban un peso importante, que iba desde algunos kilos a decenas de kilos.
El tiempo medio entre fallas de las válvulas termoiónicas es muy corto comparado con el de los transistores, sobre todo a causa del calor generado.
Las válvulas presentan una cierta demora en comenzar a funcionar, ya que necesitan estar calientes para establecer la conducción.
El transistor es intrínsecamente insensible al efecto microfónico, muy frecuente en las válvulas.
Los transistores son más pequeños que las válvulas, incluso que los nuvistores. Aunque existe unanimidad sobre este punto, conviene hacer una salvedad: en el caso de dispositivos de potencia, estos deben llevar un disipador, de modo que el tamaño que se ha de considerar es el del dispositivo (válvula o transistor) más el del disipador. Como las válvulas pueden funcionar a temperaturas más elevadas, la eficiencia del disipador es mayor en ellas que en los transistores, con lo que basta un disipador mucho más pequeño.
Los transistores trabajan con impedancias bajas, o sea con tensiones reducidas y corrientes altas; mientras que las válvulas presentan impedancias elevadas y por lo tanto trabajan con altas tensiones pequeñas corrientes.
Finalmente, el costo de los transistores no solamente era muy inferior, sino que contaba con la promesa de que continuaría bajando (como de hecho ocurrió) con suficiente investigación y desarrollo.

Como ejemplo de todos estos inconvenientes se puede citar a la primera computadora digital, llamada ENIAC. Era un equipo que pesaba más de treinta toneladas y consumía 200 kilovatios, suficientes para alimentar una pequeña ciudad. Tenía alrededor de 18.000 válvulas, de las cuales algunas se quemaban cada día, necesitando una logística y una organización importantes.

Cuando el transistor bipolar fue inventado en 1947, fue considerado una revolución. Pequeño, rápido, fiable, poco costoso, sobrio en sus necesidades de energía, reemplazó progresivamente a la válvula termoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto, durante los años 1960, algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en equipos de radio de gama alta, como Collins y Drake; luego el transistor desplazó a la válvula de los transmisores pero no del todo de los amplificadores de radiofrecuencia. Otros fabricantes, de equipo de audio esta vez, como Fender, siguieron utilizando válvulas en amplificadores de audio para guitarras. Las razones de la supervivencia de las válvulas termoiónicas son varias:

El transistor no tiene las características de linealidad a alta potencia de la válvula termoiónica, por lo que no pudo reemplazarla en los amplificadores de transmisión de radio profesionales y de radioaficionados.
Los armónicos introducidos por la no-linealidad de las válvulas resultan agradables al oído humano, por lo que son preferidos por los audiófilos
El transistor es muy sensible a los efectos electromagnéticos de las explosiones nucleares, por lo que se siguieron utilizando válvulas termoiónicas en algunos sistemas de control-comando de cazas de fabricación soviética.

TRANSISTORES Y ELECTRÓNICA DE POTENCIA

2009-10-30T00:47:00.000-07:00

Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado.

TIPOS DE TRANSISTORES

2009-10-29T00:43:00.000-07:00

Transistor de punta de contacto

Fue el primer transistor que obtuvo ganancia, inventado en 1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de germanio sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de emisor es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el colector, de ahí el nombre de "transfer resistor". Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. En la actualidad ha desaparecido.

Transistor de unión bipolar

El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP.

La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o "huecos" (cargas positivas). Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo (P).

La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor esta mucho más contaminado que el colector).

El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.

Transistor de unión unipolar

Tambien llamado de efecto de campo de unión (JFET), fué el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contacrtos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

Transistor de efecto de campo

El transistor de efecto de campo, o FET por sus siglas en inglés, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.

Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.
Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.
Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido.

Fototransistor

Los fototransistores son sensibles a la radiación electromagnética, en frecuencias cercanas a la de la luz.

EL TRANSISTOR: HISTORIA

2009-10-28T10:59:00.000-07:00

Fue el sustituto de la valvula termoiónica de tres electrodos o triodo, el transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE.UU.en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Brattain yWillian Bradford, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.

Al principio se usaron transistores bipolares y luego se inventaron los denominados transistores de efecto de campo (FET). En los últimos, la corriente entre la fuente y la pérdida (colector) se controla usando un campo eléctrico (salida y pérdida (colector) menores). Por último, apareció el semiconductor metal-óxido FET (MOSFET). Los MOSFET permitieron un diseño extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (IC). Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con la denominada tecnología CMOS (semiconductor metal-óxido complementario). La tecnología CMOS es un diseño con dos diferentes MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en un funcionamiento sin carga.

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitadores einductores que son elementos pasivos. Su funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica.

De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es función amplificada de la que se inyecta en el "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común.

Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en el terminal de "base" para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta o reja de control y gradúa la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenador. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al Drenador (D) será función amplificada de la Tensión presente entre la Puerta (Gate) y Fuente (Source). Su funcionamiento es análogo al del triodo, con la salvedad que en el triodo los equivalentes a Puerta, Drenador y Fuente son Reja, Placa y Cátodo.

Los transistores de efecto de campo, son los que han permitido la integración a gran escala que disfrutamos hoy en día, para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios miles de transistores interconectados por centímetro cuadrado y en varias capas superpuestas.

EL TRANSISTOR

2009-10-10T11:06:00.000-07:00

TIPOS DE ENCAPSULADOS DE TRANSISTORES.

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los artefactos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, etc.

GENERADOR ELÉCTRICO

2009-06-01T06:56:00.000-07:00

Nikola Tesla, un inventor serbio-americano, descubrió el principio del campo magnético rotatorio en 1882, el cual es la base de la maquinaria de corriente alterna. También descubrió el sistema de motores y generadores de corriente alterna polifásica que da energía a la sociedad moderna. El generador eléctrico rotativo está destinado a producir fuerzas electromotrices que sean funciones sinusoidales del tiempo. Los alternadores monofásicos producen una sola fuerza electromotriz, los trifásicos producen tres y, en general, los de n fases producen n fuerzas electromotrices. El alternador es una máquina destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica, generando, mediante fenómenos de inducción electromagnética, una corriente alterna. Los alternadores están fundados en el principio de que, en un conductor sometido a un campo magnético variable, se crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.Un alternador consta de dos partes fundamentales: un inductor que crea un campo magnético, y un inducido que es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo magnético. El tamaño de los alternadores es muy variable, desde los de tamaño enorme que hay en las centrales termoeléctricas, los medianos que están situados en las aerogeneradores o los pequeños alternadores que llevan instalados los automóviles y demás medios de transporte.

DISPOSITIVOS ANALÓGICOS.

2009-05-10T00:51:00.000-07:00

Amplificador operacional: amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación.

Condensador: almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancias.

Diodo: rectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión.

Diodo Zener: regulación de tensiones.

Inductor: adaptación de impedancias.

Potenciómetro: variación de la corriente eléctrica o la tensión.

Relé: apertura o cierre de circuitos mediante señales de control.

Resistor o Resistencia: división de intensidad o tensión, limitación de intensidad.

Transistor: amplificación, conmutación.

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS: CONCEPTOS.

2009-05-09T00:43:00.000-07:00

Se denomina circuito electrónico a una serie de elementos o componentes eléctricos (tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes) o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales electrónicas.

Los circuitos electrónicos o eléctricos se pueden clasificar de varias maneras:

Por el tipo de información: Analógicos, Digitales y Mixtos.

Por el tipo de régimen: Periódico, Transitorio y Permanente.

Por el tipo de señal: Corriente continua, Corriente alterna y Mixtos.

Por su configuración: Serie, Paralelo y Mixtos.

Serie ParaleloMixtos

COMPONENTES ELECTRÓNICOS.

2009-05-08T00:34:00.000-07:00

Para la síntesis de circuitos electrónicos se utilizan componentes electrónicos e instrumentos electrónicos. A continuación se presenta una lista de los componentes e instrumentos más importantes en la electrónica, seguidos de su uso más común:

Altavoz: reproducción de sonido.

Cable: conducción de la electricidad.

Conmutador: reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más.

Interruptor: apertura o cierre de circuitos, manualmente.

Pila: generador de energía eléctrica.

Transductor: transformación de una magnitud física en una eléctrica.

Visualizador: muestra de datos o imágenes.

SEÑALES ELECTRÓNICAS

2009-05-07T00:47:00.000-07:00

Es la representación de un fenómeno físico o estado material a través de una relación establecida; las entradas y salidas de un sistema electrónico serán señales variables.

En electrónica se trabaja con variables que toman la forma de Tensión o corriente estas se pueden denominar comúnmente señales.Las señales primordialmente pueden ser de dos tipos:

Variable analógica–Son aquellas que pueden tomar un número infinito de valores comprendidos entre dos límites. La mayoría de los fenómenos de la vida real dan señales de este tipo. (presión, temperatura, etc.)

Variable digital– También llamadas variables discretas, entendiéndose por estas, las variables que pueden tomar un número finito de valores. Por ser de fácil realización los componentes físicos con dos estados diferenciados, es este el número de valores utilizado para dichas variables, que por lo tanto son binarias. Siendo estas variables más fáciles de tratar (en lógica serian los valores V y F) son los que generalmente se utilizan para relacionar varias variables entre si y con sus estados anteriores.

¿ QUE SON LAS RESISTENCIAS ?

2009-05-06T00:36:00.000-07:00

Este vídeo de DFA, habla de las resistencias en general, de sus características, tipos y su fundamento eléctrico y electrónico. Se basa en los apuntes de ELECTRÓNICA BÁSICA APLICADA AL AUTOMÓVIL y consta de los siguientes microvídeos:

¿Qué son las resistencias?
Valores y tolerancias
Tipos de resistencias
Conexión de las resistencias
Aplicación en el automóvil.

¿ QUE SON LOS POTENCIÓMETROS ?

2009-05-05T16:32:00.000-07:00

Potenciómetros o resistencias variables son resistencias que varían su valor determinado por variación de un cursor que lleva en su característica constructiva. El presente video de DFA, trata de las resistencias variables y se componen de cuatro microvideos y son:

¿Qué son las resistencias variables?
Modelos de potenciómetros
Conexionado de los potenciómetros
Aplicación en el automóvil

LOS SEMICONDUCTORES.

2009-05-04T16:26:00.000-07:00

Los semiconductores son cuerpos que permiten el paso de la corriente con mucha dificultad y en determinadas condiciones. En este video de DFA, se explica que son los semiconductores, tipos de éstos (P-N), la uniones tipo P-N y su polarización.

Por otra parte, en este video de GM, se hace una introducción a los semiconductores. Este vídeo es muy didáctico y nos presenta el dopado para la realización de los semiconductores de tipo P y de tipo N.

ELECTRÓNICA BÁSICA APLICADA AL AUTOMÓVIL.

2009-05-03T15:39:00.000-07:00

MÁQUINAS MOORE. MÁQUINAS MEALY ( II ).

2009-05-02T15:31:00.000-07:00

Podemos clasificar las máquinas usando dos modelos diferentes:

(1) Como máquinas Moore.

(2) Como máquinas Mealy.

A continuación tenemos un ejemplo de una máquina Moore, llamada así en honor del Profesor Edward F. Moore (1925-2003) quien propuso este modelo matemático para el estudio de máquinas secuenciales:

La máquina Moore se distingue por ser una máquina en la cual dentro de cada círculo además de especificarse el estado de la máquina se especifican la salida o las salidas que se producen en dicho estado. Las salidas no son necesariamente iguales al estado de la máquina. Pueden serlo, como en el caso del contador binario de conteo ascendente de 4 bits mencionado previamente. Pero si cada una de las terminales Q del contador binario mencionado es conectada a una red de circuitos lógicos que convierte el conjunto de salidas en un conjunto de salidas distintas, entonces es obvio que las salidas producidas serán diferentes a los estados de la máquina. La notación utilizada dentro de cada círculo tiene una forma como 10/11, en donde la primera palabra binaria (10) nos indica el estado de la máquina y la segunda palabra binaria (11) nos indica la salida de la máquina que denominaremos z.En el ejemplo mencionado para una máquina Mealy, tenemos una máquina que podemos suponer fue construída con dos flip-flops. De acuerdo al diagrama, esta máquina puede estar en uno de los siguientes tres estados:

q1q0=00 dando una salida de z1z0=01q1q0=01 dando una salida de z1z0=11q1q0=10 dando una salida de z1z0=11Como en el caso de una máquina de estado finito común y corriente que vimos al principio, las flechas exteriores a los estados (círculos) que salen o llegan a un estado son la entrada o las entradas puestas en la máquina en un momento dado. En este caso, tenemos una máquina Moore que también posee una sola entrada designada como x. El comportamiento de esta máquina dependiendo del valor de la entrada x y del estado q=q1q0 en el que se encuentre la máquina es similar a lo que vimos anteriormente, excepto que si la máquina se encuentra en el estado q1q0=00 tendrá una salida z=z1z0=01.

A continuación tenemos un ejemplo de una máquina Mealy:

La máquina Mealy se distingue por ser una máquina en la cual si la máquina está en cierto estado, entonces al aplicarle cierta entrada transicionará a otro estado produciendo cierta salida como consecuencia de la transición. La notación utilizada en los vértices tiene una forma como 1/0, en donde la primera palabra binaria (1) nos indica la entrada dada a la máquina y la segunda palabra binaria (0) nos indica la salida producida al llevarse a cabo la transición de un estado al siguiente.En el ejemplo mencionado para una máquina Mealy, tenemos una máquina que nuevamente podemos suponer que fue construída con dos flip-flops.

De acuerdo al diagrama, esta máquina puede estar en uno de los siguientes tres estados:

q1q0=00q1q0=01q1q0=11 En este caso, tenemos una máquina Mealy que también posee una sola entrada designada como x. La forma de leer este diagrama de estado es la siguiente: Si la máquina se encuentra en el estado q1q0=00, entonces de acuerdo con la notación en el vértice, 1/1, si se le aplica a la máquina una entrada de 1 entonces en el siguiente "pulso de reloj" transicionará al estado q1q0=01 produciendo una salida de 1. Y por el contrario, si está en ese estado de q1q0=00 y se le aplica a la máquina una entrada de 0, entonces en el siguiente "pulso de reloj" la máquina transicionará al estado q1q0=11 produciendo una salida de 1.Se puede demostrar, con rigor matemático, que toda máquina Moore es equivalente a una máquina Mealy, y viceversa. Con esto queremos decir que dada una máquina Moore podemos producir una máquina Mealy, o dada una máquina Mealy podemos producir una máquina Moore tal que ambas tendrán la misma secuencia de salidas q si ambas son alimentadas la misma secuencia en sus entradas x. La demostración para convertir una máquina Mealy en una máquina Moore requiere aumentar el número de estados.De interés para nosotros es el hecho de que existen programas de computadora que nos permiten convertir cualquier máquina de estado finito en un circuito lógico formado por funciones lógicas básicas y flip-flops.

MÁQUINAS MOORE. MÁQUINAS MEALY ( I ).

2009-05-01T15:21:00.000-07:00

Los circuitos lógicos secuenciales tratados en el texto principal de este blog son estudiados en cursos universitarios superiores desde un punto de vista un poco más formal, utilizando un lenguaje un poco más elegante. En realidad, se está hablando de lo mismo. No hay introducción de nuevas técnicas de diseño que podamos considerar imprescindibles para lo que podemos lograr con lo que ya hemos cubierto. De cualquier modo, este artículo tiene como objetivo cubrir esta perspectiva un poco más formal con la finalidad de hacer este libro lo suficientemente flexible como para que pueda ser utilizado por estudiantes universitarios o por técnicos interesados en proseguir con estudios más formales en la materia de lógica digital.

Recordemos el contador binario de conteo ascendente construído con flip-flops J-K. Supóngase que hemos diseñado un contador binario de conteo ascendente de 4 bits usando cuatro flip-flops J-K, al cual denotaremos aquí como una máquina. En cualquier momento, entre un pulso de la señal de reloj y el pulso que le sigue para llevar de el contador de un estado al siguiente, podemos hablar del estado de la máquina. Si en un momento dado entre un pulso de reloj y el que le sigue nuestro contador binario de 4 bits tiene al primer flip-flop J-K en el estado Q1=1, si el segundo flip-flop está en el estado Q2=0, si el tercer flip-flop J-K está en el estado Q3=0 y si el cuarto flip-flop está en el estado Q4=1, entonces el estado de la máquina es Q1Q2Q3Q4=1001.

Puesto que, por diseño, esta es una máquina sin entradas, el siguiente estado de la máquina será Q1Q2Q3Q4=1010. No puede ser de otra manera, puesto que así se ha diseñado la máquina.

Veamos a continuación una representación para una máquina de estado finito (finite state machine) conocido como diagrama de estados:

Aquí tenemos una máquina que podemos suponer fue construída con dos flip-flops. Cada círculo representa uno de los estados de la máquina, la cual sólo puede estar en un estado en un momento dado. Podemos ver esta representación como un juego en el cual los círculos están dibujados en el suelo y en cualquier momento estamos situados en uno de los círculos. De acuerdo al diagrama, esta máquina puede estar en uno de los siguientes tres estados:

q1q0=00

q1q0=01

q1q0=10
Las flechas exteriores (vértices) a los estados (círculos) que salen o llegan a un estado son la entrada o las entradas puestas en la máquina en un momento dado. En este caso, tenemos una máquina que posee una sola entrada designada como x. Veamos ahora lo que sucede en esta máquina dependiendo del valor de la entrada x y del estado q=q1q0 en el que se encuentre.

Si la máquina se encuentra en el estado q1q0=00 y la entrada es x=1, entonces en el siguiente "pulso de reloj" la máquina pasará al estado q1q0=01. Pero si la entrada es x=0 cuando la máquina se encuentra en el estado , entonces en el siguiente "pulso de reloj" pasará al estado q1q0=10.

Por otro lado, si la máquina se encuentra en el estado q1q0=01 y la entrada es x=1, entonces en el siguiente "pulso de reloj" la máquina pasará al estado q1q0=10. Pero si la entrada es x=0 cuando la máquina se encuentra en el estado q1q0=01, entonces en el siguiente "pulso de reloj" la máquina se mantendrá en el mismo estado, como si estuviese "atorada" sin poder salir de allí.

Así, este diagrama de estados describe por completo el comportamiento de la máquina para todos los estados posibles de la máquina.

GE LOGRA METER 100 DVDs EN UN SOLO DISCO Y A BAJO COSTO

2009-04-29T00:55:00.000-07:00

Científicos del GE Global Research Center GE en Nueva York acaban de anunciar un gran avance en la industria del almacenamiento de datos:
Lograron demostrar con éxito, en laboratorio, una tecnología capaz de almacenar 500 gigabytes en un solo disco de bajo costo y del tamaño de un DVD tradicional. Según ellos, esto equivale a 4 mil veces más información de lo que un cerebro humano puede retener durante la vida promedio de una persona.
La nueva técnica codifica los datos en patrones de luz específicos para posteriormente almacenarlos sobre un material sensible a la luz formando hologramas microscópicos. Éstos actúan como pequeños espejos refractando los patrones luminosos al momento de que el láser actúa sobre ellos.
El almacenamiento holográfico permite almacenar paquete de datos de una manera mucho más densa sobre una superficie en particular que la tecnología óptica convencional que se encuentra en los DVDs comunes.
La ventaja de esta técnica es que el sistema no utiliza la superficie de un disco, sino que todo el volumen del mismo. Algo asó como almacenamiento en 3 dimensiones donde se aprovecha cada rincón del disco.
El proceso de lectura es similar al de los sistemas Blu-ray actuales, pero ofreciendo 20 veces la capacidad de almacenamiento que una sola capa de disco Blu-ray.
En la actualidad existen varias tecnologías que usan la técnica holográfica de almacenamiento, pero ninguna ha llegado a una etapa done sea factible producirlo en masas para que sea comercialmente factible. La nueva tecnología de GE promete romper con la barrera del precio y lograr producir una solución a nivel comercial.

EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( VI )

2009-04-28T01:30:00.001-07:00

A continuación tenemos un ejemplo de cómo la acción de tres interruptores de entrada es convertida en una función lógica elaborada gracias a la programación llevada a cabo sobre el PLC con la ayuda de la computadora:

En este caso, tenemos tres interruptores X1, X2 y X3 de activación manual, todos ellos normalmente abiertos, conectados a sus respectivas entradas al PLC, en el cual gracias a la programación llevada a cabo con la ayuda de la computadora son combinados para formar la siguiente función Boleana:
Y1 = X1∙X2 + X2∙X3 + X1∙X3Con la misma facilidad con la cual formamos esta función Boleana a partir de los tres interruptores conectados a las entradas del PLC podríamos haber formado funciones Boleanas más complejas aún, lo cual nos dá una muestra de las enormes ventajas que tiene el darle capacidades de programación a los controladores lógicos.Ahora se mostrará la implementación en un PLC de algo que ya vimos aquí previamente; la dotación de una "memoria" a una configuración usando para ello la retroalimentación:

En este esquema, podemos ver en el diagrama de escalera que si se oprime manualmente el botón interruptor normalmente abierto X1, identificado como "Activación del Motor", la salida del relevador de control Y1 será energizada con lo cual dicho relevador cerrará uno de sus contactos permitiendo con ello que un motor M1 sea echado a andar. Pero al mismo tiempo, otro de los contactos del relevador de control que está en combinación lógica OR con X1 será también cerrado. Este es el contacto normalmente abierto Y1, y aunque el botón interruptor X1 deje de ser oprimido el motor seguirá trabajando por el efecto "memoria" que está proporcionando la retroalimentación de Y1 hacia sí mismo a través de uno de sus contactos. Si queremos detener el movimiento del motor, tenemos que abrir el contacto normalmente cerrado X2 oprimiendo dicho botón. Obsérvese que en el diagrama de escalera antes de comenzar la acción el interruptor X2 no es mostrado de color rojo pese a que el foquito LED del PLC está encendido indicando suministro de energía, en virtud de que a X2 se le considera "encendido" cuando el contacto es abierto por acción del usuario. El empleo de relevadores electromecánicos de uso pesado para este tipo de función es más común de lo que muchos pudieran imaginarse: cada vez que una persona entra a un ascensor y oprime un botón que marque un piso diferente al piso en el que se encuentra, la puerta del ascensor se cierra y la persona es llevada hacia el piso seleccionado sin necesidad de que la persona tenga que seguir manteniendo oprimido el botón correspondiente a dicho piso. Y una vez que ha llegado a dicho piso, otro contacto interruptor normalmente cerrado se abre "limpiando" con ello la memoria de la requisición del usuario. Pero este tipo de circuito puede trabajar en forma completamente automática sin intervención humana, como lo muestra el siguiente ejemplo animado de un tanque de almacenamiento de líquidos que consta de dos sensores que detectan uno de ellos un nivel bajo de líquido y el otro un nivel alto de líquido (ampliar imagen para poder ver la acción con efectos animados):

En este ejemplo, al principio el tanque está inicialmente vacío y todos los interruptores están en la condición de "verdadero" (True). En el monitor de una computadora que supervisa no sólo lo que ocurre en el diagrama de escalera (puesto a la derecha) sino inclusive en una representación pictográfica de lo que se está controlando (puesto a la izquierda), al empezar con el tanque vacío todos los interruptores aparecen de color verde al igual que los sensores de un nivel bajo del líquido (low level) y un nivel alto del líquido (high level). Estos dos sensores son las entradas en el diagrama de escalera. Es importante remarcar aquí antes de que el ejemplo se pueda prestar a confusiones que en esta representación visual se utiliza el mismo símbolo para un interruptor normalmente cerrado que el que se usa para un interruptor normalmente abierto, y la labor de distinción se debe hacer tomando en cuenta lo que ocurre en el diagrama pictográfico a la izquierda. Al comienzo, el motor de llenado de líquido (fill motor) que aparece como una salida puesta en el segundo peldaño del diagrama de escalera es energizado gracias al contacto normalmente cerrado en el segundo peldaño que es un contacto perteneciente al relevador de control cuya salida a su vez está puesta en la esquina superior derecha del primer peldaño del diagrama de escalera; por lo tanto al comienzo el motor se encuentra trabajando llenando el tanque de líquido. Podemos concluír que los dos interruptores puestos en el primer peldaño del diagrama de escalera son interruptores normalmente cerrados ya que de otra forma por estar ambos en configuración AND el motor de llenado no podría estar trabajando. Al irse llenando el tanque, el sensor de nivel bajo de líquido eventualmente es activado pasando con ello de la condición de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False), destacada con letras de color rojo en el primer interruptor (normalmente cerrado) puesto en el extremo izquierdo del primer peldaño que corresponde precisamente al sensor de nivel bajo de líquido. En el diagrama pictográfico, el mismo sensor de nivel bajo de líquido cambia de color verde a color rojo resaltando su activación. Pero el llenado de líquido no se detiene al abrirse este interruptor, ya que por el efecto "memoria" la corriente eléctrica encuentra un camino alterno (indicado por una línea de color azul). Eventualmente, el tanque se sigue llenando hasta que el sensor de nivel alto de líquido es activado pasando también de la condición de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False). Al ocurrir esto, el segundo interruptor normalmente cerrado del primer peldaño pasa de "verdadero" (True) a la condición "falsa" (False), lo cual corta definitivamente el suministro de energía a la salida correspondiente al relevador de control del motor de llenado que también entra en condición False al ser apagada . De este modo, queda claro que los dos interruptores que aparecen en el primer peldaño del diagrama de escalera son los que corresponden a las entradas proporcionadas por ambos sensores de nivel alto y nivel bajo de líquido. Al apagarse el relevador de control, su salida con la cual se está retroalimentando pasa también a la condición False al igual que su salida con la cual estaba permitiendo la energización del motor de llenado en el segundo peldaño. Es así como todos los interruptores entran en la condición de False en el diagrama de escalera. Al apagarse el motor, el nivel del líquido en el tanque empieza a descender conforme a su uso normal, hasta que eventualmente el nivel del líquido está por debajo del sensor del nivel alto que con ello pasa de la condición False a la condición True. Pero esto no es suficiente para echar a andar el motor de llenado de líquido, ya que es necesario que el sensor de nivel bajo de líquido también entre en la condición True para que el motor empiece a funcionar al energizarse de nuevo el relevador de control, lo cual ocurre eventualmente dando inicio a un nuevo ciclo de llenado automático del tanque.El circuito que acabamos de estudiar es un circuito de ciclo perpetuo. Una vez que ha sido echado a andar, continuará trabajando por sí solo sin intervención humana de ningún tipo mientras reciba suministro de corriente y mientras no falle alguno de los componentes.Independientemente de que las computadoras que llevan a cabo las funciones de inteligencia sobre un PLC han ido aumentando enormemente en grado de sofisticación, los mismos PLC han ido evolucionando en capacidad y en funciones, a grado tal que muchos de los relevadores electromecánicos que dieron origen al PLC son prácticamente obsoletos, desplazados por la presencia de semiconductores de alta potencia capaces de manejar voltajes y corrientes elevados. A continuación tenemos una muestra de un "relevador" de estado sólido en el cual ya no hay bobinas de alambre ni resortes ni palancas mecánicas móviles:

En este relevador de estado sólido, mejor conocido como opto-acoplador (opto-coupler) hay un aislamiento eléctrico total entre su entrada y su salida en virtud de que el acoplamiento interno entre la entrada y la salida se lleva a cabo por medio de la luz, con un diodo LED emitiendo un haz luminoso al cerrarse el interruptor a la entrada, haz luminoso que pone en funcionamiento un opto-triac permitiendo el paso de la corriente alterna a través de la carga. Obsérvese que con esta configuración la entrada es alimentada con una fuente de corriente directa, mientras que la carga recibe por su parte la energía de una fuente de corriente alterna, y todo ello sin necesidad de recurrir a electrónica interna costosa, lo cual ha sido posible gracias al advenimiento de la optoelectrónica que proporciona este tipo de aislamientos entre circuitos distintos utilizando a la luz como intermediaria.Un PLC de "nueva generación" es el Allen-Bradley PLC5, expandible a base de módulos, el cual se muestra a continuación:

La "rejilla" (rack) que alberga los módulos incluye como mínimo una fuente de poder que sea capaz de alimentar las funciones básicas de procesamientos de todos los módulos que sean montados en ella, y debe incluír también un módulo especial fijo (permanente, no-removible) que incorpore un microprocesador o un microcontrolador que llevará a cabo las funciones de control y programación interna dentro del PLC tanto de las entradas como de las salidas. Los módulos opcionales generalmente son módulos para poder manejar entradas o para poder manejar salidas, con distintas capacidades según lo requieran las necesidades de los clientes. Si alguna aplicación requiere súbitamente aumentar el número de relevadores de control de salidas de cinco a treinta, por ejemplo, no hay necesidad de tener que adquirir otro PLC completamente nuevo perdiéndose con ello la inversión original, sólo es necesario adquirir otro módulo para poder aumentar así la capacidad de manejo de salidas del PLC. Esta es esencialmente la idea detrás de la principal ventaja de la modularidad, en contraste con los PLCs que son vendidos como cajas "cerradas" cuyas capacidades no pueden ser ampliadas posteriormente, y es una de las razones por las cuales la computadora de escritorio no ha podido reemplazar por completo a los PLCs como en un principio se creyó que ocurriría.Un PLC de este tipo ofrece una gran flexibilidad a un costo igualmente grande, aunque para aplicaciones de automatización y control industrial y comercial existen controladores lógicos más económicos que inclusive además de ser portátiles se pueden programar directamente en el área de trabajo empleándose la carátula en la cual aparece el diagrama de escalera como medio visual para poder leer, interpretar, y reprogramar si es necesario, cualquiera de los parámetros de los que consta alguna aplicación, como lo es el caso del controlador ZEN fabricado por la empresa japonesa Omron:

Hemos hablado aquí de los controladores lógicos programables, desarrollados a fines de los años sesenta, los cuales están siendo reemplazados por los más modernos controladores programables de automatización (Programmable Automation Controller o PAC), los cuales ofrecen la posibilidad de utilizar algoritmos avanzados de control, manipulación extensiva de bases de datos, simulación de procesos complejos, procesamiento veloz bajo control de microprocesador, y capacidad en el manejo de rangos de memorias que están fuera del alcance de los PLCs.

EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( V )

2009-04-28T01:00:00.000-07:00

Esto lo podemos enunciar mediante un

PROBLEMA: Construír, sobre un diagrama de escalera, el equivalente funcional de un flip-flop J-K tal que los cambios de estado ocurran durante la transición positiva de los "pulsos de reloj".Un equivalente funcional del flip-flop J-K construído con relevadores electromecánicos tiene la siguiente representación en un diagrama de escalera:

Este flip-flop J-K, como puede apreciarse analizando el diagrama de escalera, es un flip accionado con las transiciones positivas de los "pulsos de reloj", lo cual en este caso equivale a la cerradura del contacto normalmente abierto C. En este diagrama tenemos los contactos equivalentes a las terminales J y K así como las salidas Q y Q del flip-flop. Este flip-flop J-K electromecánico actúa de la siguiente manera: Cuando las "entradas" J y K son iguales a un "1" lógico, lo cual en este caso requiere que los contactos normalmente abiertos sean cerrados, el flip-flop cambiará de estado con cada transición positiva en la entrada C, o sea cada vez que el contacto normalmente abierto C sea cerrado. Si la entrada J es igual a un "1" lógico y la entrada K es igual a un "0" lógico, el flip-flop entrará en el estado Q=1 (Q=0) cuando el contacto normalmente abierto C sea cerrado, independientemente del estado anterior que el flip-flop haya tenido. Si la entrada J es igual a un "0" lógico y la entrada K es igual a un "1" lógico, el flip-flop entrará en el estado Q=0 (Q=1) cuando el contacto normalmente abierto C sea cerrado, independientemente del estado anterior que el flip-flop haya tenido. Y si ambas entradas J y K están puestas a un "0" lógico, el estado del flip-flop no cambiará ante las transiciones que ocurran en la entrada C.Recordemos de la sección de problemas resueltos del texto principal cómo del flip-flop J-K podemos derivar los demás flip-flops restantes, tanto el flip-flop T como el flip-flop D. Esto sigue siendo igualmente válido e igualmente fácil de lograr sobre un diagrama de escalera usando relevadores electromecánicos:

PROBLEMA: Construír, sobre un diagrama de escalera, el equivalente funcional de un flip-flop T tal que sus cambios de estado ocurran durante la transición positiva de los "pulsos de reloj".Recuérdese que el flip-flop T es un flip-flop sin terminales de entrada J-K, el cual simplemente cambia de estado con cada transición positiva (o negativa, según sea el caso) en su única terminal de entrada. Esto lo podemos lograr sobre el diagrama anterior substituyendo en dicho diagrama los contactos normalmente abiertos J y K por una conexión "directa" que garantizará el equivalente permanente de un "1" lógico puesto todo el tiempo sobre dichas terminales, con lo cual tendremos un flip-flop de una sola entrada que cambiará de estado cada vez que el contacto normalmente cerrado C se cierre. El diagrama de escalera para este flip-flop J-K será entonces:

Puesto que todas las funciones lógicas combinatorias y secuenciales se pueden implementar mediante relevadores electromecánicos, y puesto que las computadoras de uso actual están construídas con semiconductores que implementan funciones lógicas combinatorias y secuenciales, esto podría hacer suponer que, en principio, podemos construír una computadora de principio a fin utilizando relevadores electromecánicos. Esto fue precisamente lo que se hizo cuando se construyó en los Estados Unidos la computadora Harvard Mark I y en Alemania cuando se construyó la computadora

Z3:http://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_Mark_Ihttp://en.wikipedia.org/wiki/Z3_(computer)

Sin embargo, aún para nuestros tiempos, una computadora construída con relevadores electromecánicos sigue teniendo un costo mucho mayor que una computadora construída con semiconductores, además de ser muchísimo más lenta que su contraparte construída con millones de transistores puestos en un solo "chip" semiconductor.La desventaja de relevadores de retardo de tiempo como los que se han señalado aquí como ejemplos es que los rangos de tiempo que pueden ser seleccionados son sumamente limitados, y una vez que han sido seleccionados solo pueden ser alterados manualmente cada vez que ello sea necesario, lo cual es contrario al espíritu de la automatización. Esta desventaja puede ser superada construyendo relevadores de retardo de tiempo que puedan ser programables a través de una circuito controlador, lo cual nos lleva a la necesidad del diseño de controladores programables.La idea esencial para construír un controlador programable consiste en construír primero un módulo que contenga no uno sino varios relevadores, y el cual en su parte frontal quizá tendrá un aspecto como el siguiente:

Obsérvese que del lado izquierdo tenemos una hilera de tornillos identificados con los símbolos X propios de las entradas representadas en un diagrama de escalera, mientras que del lado derecho tenemos una hilera de tornillos identificados con los símbolos Y propios de las salidas de un diagrama de escalera, siguiendo la práctica de que en los diagramas de escalera las entradas son representadas del lado derecho y las salidas del lado izquierdo. Como el PLC al igual que cualquier otro aparato eléctrico también requiere energía para poder funcionar, este PLC recibe su energía mediante los tornillos L1 y L2 conectados a los rieles de la escalera. Las entradas al PLC serán tomadas del mundo exterior a través de interruptores o sensores y los cables de señal serán fijados en el PLC precisamente con los tornillos. Lo mismo ocurre con las salidas. El uso de tornillos para el fijamiento de cables y alambres es una cuestión de comodidad y conveniencia para los técnicos que habrán de darle mantenimiento a este tipo de aparatos, ya que la alternativa de soldar requiere herramientas que van más allá del uso de un simple desarmador.A continuación, suponiendo que los rieles de la escalera están siendo alimentados con un voltaje de 120 volts AC, podemos ver cómo la entrada X1 a nuestro PLC es energizada al cerrarse el contacto que corresponde a dicha entrada (el multímetro nos confirma la presencia del voltaje de 120 VAC entre la terminal de entrada X1 y la terminal común identificada como Common):

El uso de una terminal común Common nos ayuda a reducir la cantidad de alambrado requerida. Sin la terminal común, se requerirían varios pares de cables para proporcionarle energía a cada una de las entradas X del PLC. Usando un cable común de "retorno de corriente" para todos los casos, la cantidad de alambrado se reduce a la mitad. Podemos ver en la representación de nuestro PLC que a un lado de cada tornillo que corresponde a cada terminal de entrada hay un foquito LED que se enciende confirmándole al técnico la activación de dicha entrada.Ahora tenemos a nuestro PLC energizando la salida Y1 al ser activada dicha salida (el multímetro nos confirma la presencia del voltaje de 120 VAC que está recibiendo la carga):

Posiblemente el lector ya se estará preguntando cuál es la función del conector pequeño que aparece en la parte inferior del PLC identificado como Programming Port.En tiempos de antaño, antes de que hicieran su aparición los transistores, los circuitos integrados y los microprocesadores, la "programación" por así llamarla se llevaba a cabo manualmente, implementándose todo con relevadores electromecánicos ordinarios y con relevadores de retardo de tiempo, con todas las desventajas operacionales que ello implicaba aunque con la relativa simpleza del mantenimiento de equipos de control automático construído con tales controladores. El PLC que hemos descrito, trabajando prácticamente por sí solo, aún se encuentra en numerosas aplicaciones "viejitas". Pero la revolución tecnológica que estamos viviendo está haciendo posible algo que en otros tiempos hubiera sido impensable: conectar el PLC directamente a una computadora personal PC dejándole a la computadora muchas de las labores de "inteligencia". Esto en otros tiempos hubiera estado fuera de cualquier presupuesto porque mientras que un controlador básico podía tener un costo de algunos cientos de dólares, las computadoras que había tenían un costo de varios millones de dólares. Hoy que la brecha se ha cerrado, la conexión de un PLC a una computadora de escritorio (o inclusive a una computadora portátil de bolsillo) se lleva a cabo precisamente mediante un conector en el PLC identificado con algún nombre como puerto de programación, el cual todavía hasta hace poco era conectado a una computadora a través de un cable bajo el protocolo RS-232 pero más recientemente se está conectando a través de un cable bajo el protocolo USB.La ventaja inmediata de poder conectar un PLC a una computadora es que en la misma computadora se puede echar a andar algún programa que no sólo muestre el diagrama de escalera que está siendo implementado, sino que inclusive a través del mismo teclado se pueden modificar muchos de los parámetros en el diagrama de escalera sin necesidad de tener que meter la mano dentro del PLC. Todo se lleva a cabo hoy en día directamente desde la computadora.A continuación tenemos un esquema que ilustra la idea básica de lo que acabamos de describir:

El recuadro de color ciano representa el monitor de una computadora. El interruptor conectado a la entrada X1 del PLC es representado con el mismo símbolo en el monitor de la computadora en un diagrama de escalera, mientras que el foco conectado a la salida Y1 del PLC es representado también como Y1. Cuando se cierra el interruptor X1 y se energiza la carga Y1, ambas acciones aparecen actualizadas de inmediato en el monitor de la computadora en donde tanto el símbolo para X1 como el símbolo para Y1 se tiñen de color rojo (por su parte, en la misma carátula del PLC se encienden los foquitos LED situados a un lado de los tornillos correspondientes al alambre de entrada a X1 y al alambre de salida a Y1 confirmándole al técnico que esas conexiones al PLC han sido activadas):

Si queremos convertir la entrada X1 en un interruptor normalmente cerrado en vez del interruptor normalmente abierto que tenemos aquí, ya no es necesario "salir afuera" con un desarmador en la mano. Con unas modificaciones a través del teclado de la computadora podemos hacer el cambio como el que vemos en el siguiente dibujo:

Esta figura parece igual a la figura anterior. Sin embargo, si observamos con cuidado, veremos que en el monitor de la computadora X1 ya no aparece en el diagrama de escalera como un interruptor normalmente abierto sino como un interruptor normalmente cerrado. En el circuito físico, podemos ver que el interruptor no ha sido "cerrado" y por lo tanto el foquito LED en el PLC está apagado. Pero como X1 ha sido "convertido" por acción de programación en la computadora en un interruptor normalmente cerrado, el hecho de que esté abierto implica que estará suministrando energía para activar la salida Y1 como nos lo confirman tanto el foquito LED en el PLC como el monitor de la computadora. Del mismo modo, si queremos variar un retardo de tiempo en la acción de alguna de las salidas, ya no tenemos que salir para andar moviendo perillas, lo podemos hacer también desde el teclado de la computadora, pudiendo variar el retardo de tiempo en cualquier salida desde microsegundos o milisegundos hasta varias horas o días, con una precisión cronométrica que los hoy ya prácticamente obsoletos relevadores de retardo de tiempo no podían proporcionar.

EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( IV )

2009-04-27T01:30:00.000-07:00

Veamos ahora otro diagrama de escalera en el cual usaremos otro tipo de relevador de tiempo:

En este caso, tenemos otro tipo de relevador de retardo de tiempo. Esto debe ser obvio por la diferencia en el símbolo del contacto interruptor TD1; en el diagrama de escalera previo el símbolo era la punta de una flechita empujando el contacto normalmente cerrado hacia arriba dando a entender que en tal relevador de tiempo el contacto normalmente cerrado se abre después de que ha transcurrido un tiempo prefijado, mientras que aquí en este diagrama de escalera el símbolo del contacto interruptor TD1 es la punta de la flechita apuntando hacia abajo, como si estuviera "jalando" al interruptor normalmente cerrado. En este caso, se trata de un relevador de tiempo que es capaz de tener un "pulso" de salida con una duración de tiempo mayor que la entrada que accionó al relevador de tiempo, lo cual es resaltado con los diagramas de tiempo. Aquí, al cerrarse momentáneamente el interruptor X1, el contacto TD1 en el segundo peldaño se activa inmediatamente y permanecerá cerrado aún después de que el interruptor X1 es regresado nuevamente a su condición de interruptor abierto. El tiempo que este relevador de tiempo mantiene cerrado el contacto TD1 suministrando energía a la carga de salida empieza a correr después de que el contacto X1 es devuelto a su condición de normalmente abierto, lo cual no impide que el relevador TD1 continúe operando.En general, se pueden clasificar cuatro tipos diferentes de relevadores de tiempo:(1) El relevador de tiempo del tipo "normalmente abierto - apertura cronometrada". En este relevador el contacto normalmente abierto se cierra inmediatamente al energizar su bobina, y se abre a un tiempo predeterminado después de haber sido desenergizada la bobina.(2) El relevador de tiempo del tipo "normalmente abierto - cerradura cronometrada". En este relevador el contacto normalmente abierto se cierra a un tiempo predeterminado después de haber sido energizada su bobina. Si en cualquier momento la bobina es desenergizada, el contacto de este relevador se abre inmediatamente sin importar su condición anterior.(3) El relevador de tiempo del tipo "normalmente cerrado - apertura cronometrada". En este relevador el contacto normalmente cerrado se abre a un tiempo predeterminado después de haber sido energizada su bobina. Si en cualquier momento la bobina es desenergizada el contacto de este relevador se cierra inmediatamente sin importar su condición anterior.(4) El relevador de tiempo del tipo "normalmente cerrado - cerradura cronometrada". En este relevador el contacto normalmente cerrado se abre inmediatamente al energizar su bobina, y se cierra a un tiempo predeterminado después de haber sido desenergizada la bobina.La simbología utilizada para la representación de estos cuatro tipos diferentes de relevadores de tiempo varía según el fabricante y los textos consultados. Una representación usada con cierta frecuencia es aquella en la cual cada tipo de relevador de tiempo es identificado por la forma en que son dibujados sus contactos, tal y como lo hemos hecho en los dos últimos diagramas de escalera que acabamos de estudiar. Usando este tipo de simbología, los dibujos que corresponden a cada uno de los cuatro tipos mencionados son los siguientes:

La anterior clasificación puede dejar al lector con la impresión de que un fabricante necesitaría construír cuatro tipos diferentes de relevadores de tiempo para satisfacer todos los requerimientos posibles de todos sus clientes, pero esto no es así, ya que por principio de cuentas de un relevador de tiempo del tipo "normalmente abierto - apertura cronometrada" se puede obtener el relevador de tiempo del tipo "normalmente cerrado - cerradura cronometrada" si es construído desde un principio con contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados, mientras que de un relevador de tiempo del tipo "normalmente abierto - cerradura cronometrada" se puede obtener el relevador de tiempo del tipo "normalmente cerrado - apertura cronometrada" si también es construído desde un principio con contactos normalmente abiertos y normalmente cerrados.Más aún, se puede obtener un relevador de tiempo de acción retardada de uno de acción inmediata o viceversa como lo muestra el siguientePROBLEMA: A partir de un relevador de tiempo "normalmente cerrado - apertura cronometrada", obtener el equivalente de un relevador de tiempo "normalmente abierto - apertura cronometrada".En este caso, el relevador de tiempo "normalmente cerrado - apertura cronometrada" es un relevador de acción retardada (el contacto normalmente cerrado se abre después de cierto tiempo) mientras que el relevador de tiempo "normalmente abierto - apertura cronometrada" es un relevador de acción inmediata (el contacto normalmente abierto se cierra de inmediato).En el circuito mostrado en el siguiente diagrama de escalera:

la acción resultante del circuito será obtenida (observada) en la salida Y (que supondremos se trata de una lámpara). Al oprimirse momentáneamente el botón X, el relevador ordinario CR1 es activado a través del contacto TD1 en el primer peldaño, y permanecerá activado aún después de soltarse el botón X en virtud del contacto normalmente abierto CR1 en combinación lógica OR con el botón interruptor en virtud de haberse cerrado. En el segundo peldaño, el contacto normalmente abierto CR1 también se ha cerrado empezando con la energización de la bobina del relevador de tiempo TD1, y el contacto normalmente abierto CR1 en el tercer peldaño también se energiza activando la salida Y. Resulta obvio que el relevador de tiempo TD1 es un relevador del tipo "normalmente cerrado - apertura cronometrada" porque así lo identifica el símbolo de su contacto puesto en el primer peldaño. Al cabo de un cierto tiempo predeterminado, el relevador de tiempo TD1 actúa de manera tal que el contacto normalmente cerrado TD1 en el primer peldaño se abre, interrumpiendo la alimentación de corriente al relevador ordinario CR1. Esto hace que se corte la energía al relevador de tiempo TD1 en el segundo peldaño y que se corte también la energía a la salida Y. De haber utilizado únicamente el relevador de tiempo TD1 por sí solo, la lámpara Y se habría encendido un tiempo después de haber estado manteniendo oprimido el botón X, mientras que en esta configuración la lámpara Y se enciende de inmediato y se apaga después del tiempo predeterminado.Con la disponibilidad de relevadores de tiempo de uso pesado, podemos hacer una mejora adicional sobre el circuito de control presentado anteriormente para un motor reversible capaz de girar en una dirección (forward) o en la dirección contraria (reverse) según se requiera. Si el motor estuviera moviendo una carga pesada, por ejemplo un abanico grande, el motor podría continuar girando por su propia inercia durante cierta cantidad de tiempo aún después de haberse oprimido el botón stop, lo cual podría representar un problema en caso de que el operador tratase de invertir la dirección del motor sin esperar a que el abanico se haya detenido completamente. Si el abanico continúa girando mientras va perdiendo velocidad y el botón reverse fuera oprimido antes de que el abanico se haya detenido completamente, el motor trataría de sobreponerse a la inercia rotatoria del abanico al intentar ponerse en marcha en reversa, para lo cual tendría que "jalar" cantidades mayores de corriente eléctrica reduciendo con este maltrato tanto la vida del motor como los engranajes mecánicos del abanico y el abanico mismo. Para impedir que esto pueda ocurrir, queremos añadir alguna función de retardo de tiempo al circuito de control del motor para impedir la ocurrencia de un arranque prematuro. Esto lo podemos lograr agregando un par de relevadores de retardo de tiempo TD1 y TD2, cada uno de ellos puestos en paralelo con cada contactor M1 y M2:

Obsérvese que estamos utilizando aquí dos relevadores del tipo normalmente cerrado - cerradura cronometrada. Al utilizar relevadores de tiempo que tardan en volver a su estado normal, estos relevadores nos pueden proporcionar una "memoria" relacionada con el sentido más reciente del giro del motor. Lo que queremos que haga cada uno de los relevadores de tiempo es abrir el brazo de arranque de la dirección opuesta de rotación por varios segundos mientras el abanico se detiene por completo.Si el motor ha estado girando en la dirección forward, tanto el contactor M1 como el relevador de tiempo TD1 habrán estado energizados. De ser así, los contactos normalmente cerrados del relevador TD1 se abrán abierto inmediatamente al haber sido energizado dicho relevador. Cuando el botón stop es oprimido, el contacto TD1 esperará un tiempo predeterminado antes de regresar a su estado normalmente cerrado, manteniendo el circuito correspondiente al botón reverse abierto durante todo ese tiempo, de modo tal que el contactor M2 no podrá ser energizado aunque se oprima el botón reverse. Al cumplir el relevador TD1 con su tiempo predeterminado, el contacto TD1 se cerrará y permitirá que el contactor M2 pueda ser energizado si se oprime el botón reverse. Del mismo modo, el relevador de retardo de tiempo TD2 impedirá que el botón forward pueda energizar al contactor M1 hasta en tanto que el retardo de tiempo prescrito para el relevador TD2 (y el contactor M2) no se haya cumplido.Un circuito de control como el que acabamos de ver generalmente puede ser simplificado con un poco de análisis. Si ponemos un poco de atención, descubriremos que las funciones de protección llevadas a cabo por los relevadores de tiempo TD1 y TD2 han vuelto innecesarios los contactos normalmente cerrados M1 y M2 que habíamos puesto para la función de interlock en caso de que un operador del circuito oprima al mismo tiempo los botones forward y reverse. Por lo tanto, podemos prescindir por completo de tales contactos y utilizar simplemente los contactos TD1 y TD2, puesto que estos se abren inmediatamente en cuanto las bobinas respectivas de dichos relevadores son energizadas, sacando "fuera" a un contactor si el otro contactor es energizado. De este modo, cada relevador de tiempo puede ser usado para una función dual: impidiendo que el otro contactor pueda ser energizado cuando el motor está girando en una dirección, y evitando que tal contactor se pueda energizar hasta que el motor no se haya detenido por completo. Es así como llegamos al siguiente circuito de control simplificado:

Se había afirmado anteriormente que todos los circuitos lógicos, tanto aquellos que forman parte de la lógica combinatoria como los que forman parte de la lógica secuencial construída a base de flip-flops, tienen una implementación equivalente en los diagramas de escalera, pero que en el caso de la lógica secuencial necesitábamos un relevador que nos permitiera efectuar operaciones cronometrizadas. Esto ya lo tenemos con cuatro diferentes tipos de relevadores de tiempo a nuestra disposición, lo cual nos permite llevar a cabo la construcción del elemento lógico secuencial más importante de todos: el flip-flop J-K.

EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( III )

2009-04-27T01:00:00.000-07:00

Si pudimos encontrar el equivalente de las tres funciones lógicas básicas dentro de los diagramas de escalera, si hemos podido construír el equivalente de sistemas con memoria mediante los diagramas de escalera, ¿acaso no será posible construír también el equivalente de otros componentes y bloques lógicos en los diagramas de escalera? Tomemos por ejemplo el flip-flop R-S, el cual se puede construír utilizando ya sea bloques NAND o bloques NOR. Los bloques NOR y los bloques NAND se obtienen con las tres funciones lógicas básicas, mismas funciones que también existen en los diagramas de escalera. Y la función de retroalimentación empleada para construír un flip-flop R-S también puede ser implementada en los diagramas de escalera. Esto nos debe convencer de que, en principio, debemos poder construír algo equivalente en funciones al flip-flop R-S dentro de los diagramas de escalera. Esta sospecha nos conduce a un circuito que podemos considerar como una solución al siguiente:

PROBLEMA: Diseñar el equivalente de un flip-flop R-S usando un diagrama lógico de escalera.Un esquema funcional representativo de lo que andamos buscando es el siguiente:

Si el interruptor normalmente abierto X1 es cerrado así sea momentáneamente, al energizarse el relevador de control CR1 éste relevador por el efecto de la retroalimentación del mismo peldaño que lo alimenta se enciende y se queda encendido, lo cual hace que la salida Y1 en el tercer peldaño se "encienda". Al quedarse encendido CR1 después de haberse oprimido X1, el interruptor normalmente cerrado CR1 que está puesto en el segundo peldaño se abre, cortando así cualquier suministro de corriente que pudiera estarse dando a través de la retroalimentación en dicho peldaño al relevador de control CR2. En otras palabras, esto "limpia" la "memoria" que pudiera haber habido en el segundo peldaño, "apagando" al relevador CR2, lo cual hace que la salida Y2 del cuarto peldaño se "apague" si es que estaba encendida. En este estado de cosas, el relevador CR1 permanece encendido aún con el interruptor X1 abierto, mientras que el relevador de control CR2 permanece apagado, lo cual podemos confirmar visualmente al ver al foco Y1 encendido y al foco Y2 apagado.Ahora cerraremos el interruptor X2 momentáneamente. Al energizarse el relevador de control CR2 éste relevador por el efecto de la retroalimentación en el mismo peldaño (el segundo peldaño de la escalera) que lo alimenta se enciende y se queda encendido, lo cual hace que la salida Y2 en el cuarto peldaño se "encienda". Al quedarse encendido CR2 después de haberse oprimido X2, el interruptor normalmente cerrado CR2 que está puesto en el primer peldaño se abre, cortando así cualquier suministro de corriente que pudiera estarse dando a través de la retroalimentación en dicho peldaño al relevador de control CR1. En otras palabras, esto "limpia" la "memoria" que pudiera haber habido en el primer peldaño, "apagando" al relevador CR1, lo cual hace que la salida Y1 del tercer peldaño se "apague" si es que estaba encendida. En este estado de cosas, el relevador CR2 permanece encendido aún con el interruptor X2 abierto, mientras que el relevador de control CR1 permanece apagado, lo cual podemos confirmar visualmente al ver al foco Y2 encendido y al foco Y1 apagado. La configuración representada por este diagrama de escalera ha pasado de un estado estable con Y1 encendido al oprimirse X1 a otro estado estable con Y2 encendido al oprimirse X2. Esta configuración tiene dos estados estables y por lo tanto es un multivibrador biestable. Si hacemos ahora un ligero cambio de nombres bautizando al interruptor X1 como S, al interruptor X2 como R, a la salida Y1 como Q y a la salida Y2 como Q, resultará obvio que lo que tenemos en nuestras manos es el equivalente funcional de un flip-flop R-S; en este caso el equivalente de un flip-flop construído con bloques NOR.El que hayamos podido crear dentro de los diagramas de escalera no sólo un equivalente completo de los circuitos lógicos que hemos estudiado previamente sino también el equivalente de bloques de memoria convirtiendo en realidad un flip-flop R-S completamente funcional nos debe meditar en que la mayor parte de lo que hemos estudiado se puede trasladar directamente hacia los diagramas de escalera. Y en efecto, no hay obstáculo teórico alguno para poder hacerlo. Esto lo podemos enunciar de modo categórico con el siguiente enunciado:Todos los circuitos lógicos, tanto aquellos que forman parte de la lógica combinatoria como los que forman parte de la lógica secuencial (construída a base de flip-flops) tienen una implementación equivalente en los diagramas de escalera.Este enunciado tiene un alcance amplio; nos está asegurando que podemos construír mediante diagramas de escalera flip-flops D, flip-flops J-K, contadores binarios, etc. Pero aquí el lector puede ser asaltado por una duda. Si recordamos la acción de contadores secuenciales elementales como el contador binario de conteo ascendente, tenemos un elemento que hasta ahora no hemos encontrado en los diagramas de escalera: el elemento tiempo. Con lo que hemos visto, no se ve una manera obvia de poder suministrar el equivalente de los "pulsos de reloj" a los elementos en un diagrama de escalera que les permita poder comportarse como verdaderos circuitos secuenciales. Los diagramas de escalera que hemos estudiado son en cierta forma configuraciones estáticas en las cuales lo que ocurre en un peldaño puede influír directamente sobre lo que ocurre en otros peldaños, pero estos efectos son inmediatos, el factor tiempo no interviene en ellos. Si queremos extender los diagramas de escalera para cubrir también todos los circuitos secuenciales que hemos estudiado en esta obra, necesitamos introducir algún relevador de control en el cual la acción de un tiempo predeterminado tenga un efecto directo, y esto es precisamente lo que haremos a continuación.Sin lugar a dudas, el empleo de relevadores electromecánicos nos suministra con una herramienta poderosa para muchas aplicaciones de control. Pero existe otro tipo de relevador que nos permite hacer realidad operaciones cronometrizadas, el relevador de retardo de tiempo (time delay relay). En este tipo de relevador, al aplicarle un voltaje a su entrada (a su bobina), la acción en sus salidas no ocurre de inmediato, sino que hay un retardo de tiempo tras el cual obtenemos la acción deseada con las salidas normalmente abiertas convirtiéndose en salidas normalmente cerradas y las salidas normalmente cerradas convirtiéndose en salidas normalmente abiertas. En muchos relevadores de tiempo de uso pesado, este retardo de tiempo puede ser seleccionado con una perilla puesta en el mismo relevador, como ocurre con el siguiente relevador de retardo de tiempo de la emprea Potter & Brumfield cuya bobina es activada con 24 volts de corriente directa:

Naturalmente, también hay relevadores de retardo de tiempo activados con la aplicación de corriente alterna, como el siguiente relevador fabricado por la misma empresa Potter & Brumfield:
La perilla puesta en la parte superior de este relevador nos permite variar el retardo de tiempo desde 1 segundo hasta 10 segundos. Las puntas de los contactos en la parte inferior del relevador están puestas en orden octal (ocho terminales) con la entrada a la bobina aplicada en las terminales 2 y 7. Al serle aplicado un voltaje de 120 VAC a este relevador, el contacto normalmente abierto entre las terminales 1 y 3 se vuelve un contacto normalmente cerrado, ocurriendo lo mismo con el contacto normalmente abierto entre las terminales 6 y 8, mientras que el contacto normalmente cerrado entre las terminales 1 y 4 se abre, ocurriendo lo mismo con el contacto normalmente cerrado entre las terminales 5 y 8. Todo esto después de que ha transcurrido el tiempo seleccionado con la perilla. Podemos leer en el mismo relevador que los contactos pueden manejar una corriente de hasta 10 amperes.El relevador de retardo de tiempo que se acaba de describir es el de uso más generalizado, pero no es el único posible. Los contactos de un relevador de tiempo tienen que ser clasificados no sólo por ser normalmente abiertos o normalmente cerrados, sino también según la acción del retardo, ya sea que este retardo ocurra en el sentido de la cerradura del contacto o en el sentido de la apertura del mismo.Desafortunadamente, la simbología para representar los relevadores de retardo de tiempo es amplia y variada, e inclusive mucha de la simbología que hemos visto aquí para representar las entradas, las salidas y los relevadores de control también suele ser diferente de un fabricante a otro. Empezaremos dando aquí la representación de la acción de un relevador de tiempo con un símbolo usado ampliamente aunque no de manera universal:
Obsérvese que seguimos manteniéndonos en la convención de representar tanto la entrada de un relevador (su bobina) como los contactos activados a la salida del mismo con un mismo identificador alfanumérico, en este caso TD1.En el primer peldaño de la escalera, al cerrarse el interruptor X1 manteniéndose cerrado, la bobina del relevador de tiempo TD1 es energizada. Obsérvese que en el segundo peldaño estamos utilizando uno de los interruptores normalmente cerrados del relevador de tiempo TD1.El símbolo del interruptor X1 también aparece en el segundo peldaño de esta escalera. Puesto que son peldaños diferentes en los cuales aparece el interruptor X1, se sobreentiende que en este caso estamos utilizando un interruptor de dos tiros, un interruptor doble con ambos polos normalmente encendidos o normalmente apagados a la vez:

De este modo, al cerrarse X1 suministrándose energía al relevador de tiempo TD1, en el segundo peldaño existe un camino de conducción eléctrica para suministrar energía al "foco" de salida. Si el relevador TD1 fuera un relevador de control ordinario sin acción alguna de retardo de tiempo, entonces el interruptor TD1 en el segundo peldaño se abriría inmediatamente y el foco a la salida se apagaría de inmediato; esto es, nunca lo veríamos encenderse. Pero como se trata de un relevador de retardo de tiempo, la salida normalmente cerrada no se abrirá sino hasta después de que haya transcurrido cierta cantidad de tiempo, digamos un segundo. Una vez que ha transcurrido ese segundo, el contacto normalmente cerrado TD1 en el segundo peldaño se abrirá, cortando el suministro de energía a la salida, aunque el interruptor X1 permanezca cerrado. Esta acción la hemos representado en los diagramas de tiempo puestos debajo del diagrama de escalera, diagramas de tiempo en los que dicho sea de paso nos hemos abstenido de hacer referencia a un "1" lógico o a un "0" lógico como niveles de voltaje en virtud de que la acción lógica que está siendo representada es una de interruptores normalmente cerrados o normalmente abiertos que permiten o impiden el suministro de corriente a la carga de salida.El relevador de retardo de tiempo, por la forma en la que trabaja, en realidad no es más que otra forma de implementación de un componente que ya habíamos visto en uno de los capítulos de la obra principal: el multivibrador monoestable. Y de hecho, con dos relevadores de retardo de tiempo (uno para controlar la duración del tiempo de encendido y el otro para controlar la duración del tiempo de apagado) podemos construír fácilmente un multivibrador astable, cambiando de un estado a otro en forma alternada mientras esté recibiendo un suministro de corriente; y si los tiempos de encendido y apagado son iguales entonces tenemos algo que nos puede proporcionar "pulsos de reloj" como los que utilizamos en los circuitos lógicos secuenciales para hacer pasar el sistema de un estado a otro. Sin embargo, dado el costo de los relevadores de tiempo, implementar este nivel de sofisticación puede resultar mucho más costoso que introducir tales efectos con la ayuda de alguna microcomputadora dedicada a este tipo de aplicaciones como lo veremos posteriormente.

EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( II )

2009-04-26T01:30:00.000-07:00

A continuación, tenemos un relé Deltrol Controls, cuya bobina (coil) requiere un voltaje de 12 volts DC para energizarse:

Podemos leer en la carátula del relevador que se trata de un relevador clasificado como 3PST NO (Three-Pole Single-Throw Normally Open), esto es, un relevador que consta de tres interruptores normalmente abiertos los cuales se cierran al ser energizada la bobina. Podemos leer también en las capacidades de manejo de voltaje y corriente que este relevador puede tolerar corrientes eléctricas de 30 amperes a un voltaje de 300 volts, lo cual es suficiente para poder electrocutar a una persona descuidada que no tome las precauciones necesarias en el uso y mantenimiento de este tipo de relevadores de uso pesado.Los dos relevadores que hemos visto son relevadores cuyas bobinas son activadas mediante la aplicación de un voltaje de corriente directa. Pero también hay relevadores cuyas bobinas pueden ser activadas mediante la aplicación de un voltaje de corriente alternante, como lo es el caso del siguiente relevador de tres polos (interruptores) fabricado por la empresa Deltrol Controls cuya bobina requiere de un voltaje de 24 volts AC para poder accionarse:

Veamos ahora cómo podemos representar la acción de un relevador electromecánico en un diagrama de escalera. Emplearemos en nuestro ejemplo un relevador cuya bobina es accionada con 120 volts de corriente alterna:

Obsérvese el uso de la simbología que habíamos definido previamente para simbolizar a un relevador de control con el símbolo CR (Control Relay). En este diagrama, cuando se cierra el interruptor X1 la bobina del relevador CR1 es energizada, con lo cual el contacto normalmente cerrado (N.C.) se abre cortando el suministro de energía a la salida Y1, mientras que el contacto normalmente abierto (N.A.) se cierra suministrándole energía a la salida Y2. Podemos simplificar este diagrama si convenimos en representar tanto la bobina del relevador como los contactos a la salida del mismo con el mismo símbolo, con lo cual nuestro diagrama de escalera toma el siguiente aspecto:
Este diagrama de escalera se lee de la siguiente manera: en el primer peldaño cuando se cierra el interruptor X1 el relevador CR1 es energizado; al ocurrir esto el contacto normalmente cerrado de CR1 en el segundo peldaño se abre cortando todo suministro de energía a la salida Y1, mientras que en el tercer peldaño el contacto normalmente abierto de CR1 se cierra suministrándole energía a la salida Y2.A continuación tenemos un diagrama de escalera que muestra el modo de funcionamiento de un relevador de control que posee dos interruptores (o polos):

Hemos añadido aquí un símbolo nuevo, el símbolo típico de un indicador visual:
que puede ser una lámpara, un foco, un diodo emisor de luz LED, una lámpara fluorescente o inclusive una señal proporcionada en el monitor de una computadora, que nos provee de una confirmación de que el relevador de control asociado con nuestro indicador visual está trabajando bien, lo cual puede ser de gran ayuda para los técnicos de mantenimiento.Si pudiésemos "montar" físicamente sobre un diagrama de escalera real tanto un interruptor que llamaremos A como un relevador capaz de accionar varias salidas al mismo tiempo en respuesta a la corriente eléctrica recibida al cerrarse el interruptor de entrada A, posiblemente veríamos algo como lo siguiente:

Identificando numéricamente a cada uno de los peldaños de la escalera en orden ascendente al ir bajando, el último diagrama de escalera lo podemos leer de la siguiente manera: al ser cerrado el interruptor X1 ya sea manualmente por un operador o como resultado de una señal enviada por algún otro proceso de control, la bobina del relevador de control que está representada por el símbolo CR1 en el primer peldaño es energizada. En el segundo peldaño tenemos a uno de los interruptores normalmente abiertos del relevador de control CR1, el cual al ser energizada la bobina CR1 se cierra, energizando la salida Y1 que puede ser un motor, una bomba hidráulica, un rayo láser o cualquier otra cosa que requiera ser energizada. En el tercer peldaño tenemos a uno de los interruptores normalmente cerrados del relevador que en este caso se convierte en un interruptor normalmente abierto al ser energizada la bobina CR1 del relevador, cortando el suministro de energía a la "carga" de salida Y2. De nueva cuenta, estamos representando con el mismo símbolo tanto al relevador de control (o mejor dicho, a su bobina) como a sus interruptores normalmente cerrados y sus interruptores normalmente abiertos sobre los cuales actúa. Por último, en el cuarto peldaño el interruptor normalmente abierto CR1 se cierra alimentando de este modo al indicador visual Y3, dando una confirmación visual de que el relevador de control CR1 está trabajando. Obsérvese que al energizarse un relevador de control éste afecta directamente y en forma simultánea todos aquellos peldaños en la escalera que incorporen contactos de salida de dicho relevador. Esta es una consideración de vital importancia a la hora de leer diagramas de escalera.El uso de relevadores electromecánicos nos permite repasar un fenómeno que habíamos encontrado previamente en el estudio de los circuitos lógicos: la aparición de efectos de memoria al llevar a cabo la retroalimentación de señales en circuitos construídos con funciones lógicas básicas, lo cual nos puede llevar a preguntarnos: ¿habrá alguna manera en la cual tales efectos puedan ser reproducidos mediante los diagramas de escalera? La respuesta es afirmativa, y podemos empezar considerando el siguiente diagrama de escalera:

Al inicio, no hay suministro alguno de energía al relevador de control CR1, lo cual cambia cuando cerramos el contacto del interruptor X1 posiblemente oprimiendo algún botón. Al energizarse la bobina del relevador, el contacto normalmente abierto CR1 en la parte inferior del diagrama se cierra. Una vez que esto ocurre, cuando dejamos de oprimir el botón X1 el relevador CR1 de cualquier modo continuará energizado porque al estar energizado el contacto CR1 del mismo relevador permanecerá cerrrado. En efecto, el interruptor X1 ha dejado de ser relevante. Obsérvese la importancia de lo que está sucediendo aquí. El relevador CR1 puede permanecer energizado gracias a que él mismo está proporcionando lo necesario para que el contacto CR1 permanezca cerrado, lo cual a su vez le permite al relevador CR1 seguir energizado. Esto es nada más ni nada menos que una retroalimentación en la cual el relevador de control CR1 se está ayudando "a sí mismo" a permanecer encendido, es algo que podemos llamar el efecto memoria en los diagramas de escalera. Esta acción es reminiscente de algo que vimos al principio de la sección de problemas resueltos correspondiente al capítulo 5, en donde descubrimos que en el siguiente circuito:

si tanto la entrada A como la salida del circuito eran inicialmente cero, al aplicar un "1" a la entrada del circuito la salida del mismo permanece en "1" aunque la entrada A sea regresada a cero, por estarse retroalimentando la la salida de este circuito a su entrada. Así, del mismo modo que la retroalimentación proporciona memoria a los circuitos lógicos, también proporciona efectos de memoria en diseños de sistemas de control representados con diagramas de escalera. Y esto no se trata de una acción parecida, se trata esencialmente de lo mismo, aunque la diferencia de las representaciones esquemáticas obscurezca un poco el hecho. Al menos en lo que a la teoría básica se refiere, se trata de dos representaciones diferentes de una misma cosa.El problema que tenemos en esta implementación de efectos de memoria en el diagrama de escalera es que después de que el interruptor X1 ha sido oprimido momentáneamente, el relevador CR1 queda activado permanentemente no habiendo forma alguna de regresarlo a su estado original que no sea el apagar por completo todo el sistema, lo cual es algo que tal vez no queramos hacer. Vemos pues que resulta no solo deseable sino necesario interrumpir de alguna manera el suminstro de energía al relevador CR1 sin que para ello nos veamos obligados a apagar todo el sistema. Podemos hacerlo con el simple hecho de agregar un interruptor adicional de la siguiente manera:

Al inicio, al cerrarse el interruptor X1, el relevador CR1 es activado a través del contacto normalmente cerrado X2 y el contacto normalmente abierto CR1 se cierra. El relevador CR1 permanece encendido por el efecto de retroalimentación, pero si queremos apagarlo entonces todo lo que tenemos que hacer es activar el interruptor X2, lo cual equivale a abrirlo cortando con ello el suministro de corriente al relevador CR1. Esto que hemos hecho es reminiscente a lo mismo que hicimos en la sección de problemas resueltos del capítulo 5 en donde para "limpiar" la memoria insertamos un bloque AND y un bloque NOT en la manera en la que se muestra:

Al principio de este artículo, en el primer diagrama de escalera mostrado se utilizó como ejemplo un motor eléctrico de 120 VAC que es energizado al cerrarse un interruptor. Pero este no es el único tipo de motor que existe; hay también motores reversibles en los cuales el eje del motor puede girar en sentido de las manecillas del reloj cuando es energizado de cierta manera, y puede girar en sentido contrario a las manecillas del reloj cuando es energizado de otra manera. Generalmente, este tipo de motores trabaja con corriente eléctrica conocida como corriente trifásica, y requiere de tres cables de alimentación en lugar de dos. El circuito de control para un motor reversible emplea un relevador de uso pesado conocido como contactor, que no es más que un conjunto coordinado de varios contactos que se abren o se cierran de manera simultánea. Podemos visualizar un contactor como un relevador común y corriente el cual al energizarle su bobina con una señal de control cierra al mismo tiempo todos sus contactos normalmente abiertos, permitiendo el paso de corrientes eléctricas separadas a través de varios cables:

Un diagrama eléctrico de un motor reversible que es controlado alimentándolo de corriente trifásica a través de dos contactores M1 y M2 es el siguiente:

Cuando se cierran los tres contactos normalmente abiertos del contactor M1, los escobillones del motor (1, 2 y 3) son alimentados por la corriente trifásica a través de los alambres A, B y C de modo tal que el motor gira en un sentido que podemos llamar "hacia adelante" (forward), mientras que si los escobillones del motor son alimentados de otro modo por la corriente trifásica cerrándose los tres contactos normalmente abiertos del contactor M2, el motor gira en sentido inverso que podemos llamar "en reversa" (reverse).Podemos representar en el siguiente diagrama de escalera un circuito de control para este motor reversible:

En este circuito, tenemos un botón interruptor de corriente stop que es un interruptor normalmente cerrado, el cual puede ser utilizado como un "botón de emergencia" para detener el movimiento del motor sin importar el estado en el que se encuentre. Para echar a andar el motor en un sentido, oprimimos momentáneamente el botón normalmente abierto forward, con lo cual la bobina del relevador M1 que cierra los contactos normalmente abiertos del contactor M1 recibe la corriente eléctrica a través del contacto normalmente cerrado M2. Obsérvese que tenemos en esta sub-sección del circuito una configuración que nos proporciona el efecto memoria, esto con la finalidad de que no tengamos que mantener oprimido todo el tiempo el botón forward para mantener al motor trabajando. Del mismo modo, si queremos echar a andar el motor en el sentido inverso, oprimimos momentáneamente el botón normalmente abierto reverse, con lo cual la bobina del relevador M2 que cierra los contactos normalmente abiertos del contactor M2 recibe la corriente eléctrica a través del contacto normalmente cerrado M2. Obsérvese que tenemos aquí otra sub-sección del circuito con una configuración que también nos proporciona el efecto memoria, independiente de la anterior, también con la finalidad de que no tengamos que mantener oprimido todo el tiempo el botón reverse para mantener al motor trabajando. Una vez que hemos echado a andar el motor ya sea oprimiendo el botón forward o el botón reverse, podemos detener posteriormente al motor oprimiendo el botón stop, lo cual corta de tajo la alimentación de corriente a toda la configuración. En este diagrama aparece otro contacto normalmente cerrado que también en un momento dado puede detener por completo el movimiento del motor, el cual inusualmente aparece en el extremo derecho del diagrama en vez de aparecer en el extremo izquierdo. Se trata del contacto OL, que significa Over-Load, el cual es un componente generalmente puesto cerca del motor (o inclusive dentro del mismo motor) para protegerlo en caso de que se presente una Sobre-Carga de corriente. Esto puede ocurrir en caso de que el motor reciba un peso mucho mayor del que está diseñado para manejar, en cuyo caso el motor se "atasca" quedando expuesto a un sobrecalentamiento que puede terminar destruyéndolo en poco tiempo. El interruptor OL puede ser un interruptor térmico, el cual al aumentar la temperatura arriba de cierto límite se abre interrumpiendo el flujo de la corriente.En el circuito que acabamos de ver, la presencia aparentemente superflua de los contactos normalmente cerrados M1 y M2 puestos en el mismo tiene un propósito muy específico. Han sido puestos allí en la eventualidad de que el operador del sistema apriete al mismo tiempo los botones forward y reverse. Si no estuvieran allí dichos contactos, las fases A y B de la corriente trifásica entrarían en corto-circuito por el hecho de que el contactor M1 envía las fases A y B directamente hacia el motor mientras que el contactor M2 las invierte. La fase A entraría en corto-circuito con la fase B y viceversa. Para impedir que esto ocurra, es indispensable diseñar el sistema de modo tal que la energización de un contactor impedirá la energización del otro contactor. Obsérvese en el diagrama de escalera que si oprimimos el botón forward, el contacto normalmente cerrado M1 en la sub-sección inferior se abre de modo tal que aunque se oprima el botón reverse no llegará corriente eléctrica alguna al contactor M2. Del mismo modo, si oprimimos el botón reverse, el contacto normalmente cerrado M2 en la sub-sección superior se abre de modo tal que aunque se oprima el botón forward no llegará corriente eléctrica alguna al contactor M1. Esta técnica de protección es conocida como interlocking.

EL PLC: DIAGRAMAS DE ESCALERA ( I )

2009-04-26T01:00:00.000-07:00

Además de la representación que hemos venido utilizando en este blog de circuitos lógicos capaces de llevar a cabo alguna función, existe otro tipo de representación de los mismos ampliamente utilizada en aplicaciones industriales de automatización y control digital. Se trata de los diagramas de escalera lógica (logic ladder diagrams), conocidos simplemente como los diagramas de escalera. Los diagramas de escalera son un lenguaje visual que permite llevar a cabo la programación de los controladores lógicos programables conocidos comúnmente en la literatura técnica por sus siglas PLC (del inglés Programmable Logic Controller). Esto, en cierta forma, es nuestro punto de introducción hacia las ramas de la robótica y la mecatrónica.Hablando en términos generales, los circuitos integrados tratados previamente son circuitos integrados utilizados fundamentalmente para el procesamiento de datos, para el procesamiento de información, en los cuales se desea economizar al máximo el consumo de energía, y por lo tanto han sido diseñados para poder operar con corrientes eléctricas muy pequeñas. Ciertamente, no son capaces de poder manejar las corrientes eléctricas necesarias para poder encender y apagar motores. Esto requiere de componentes eléctricos para uso pesado (heavy duty) tales como los relevadores electromecánicos estudiados al principio de este libro o como los rectificadores controlados de silicio SCR y los thyristores. Sin embargo, es deseable mantener la misma flexibilidad de poder interconectar estos elementos de control siguiendo un esquema de fácil interpretación y mantenimiento como el que proporcionan los diagramas convencionales de las funciones lógicas básicas. Considérese el siguiente diagrama elemental de un motor activado directamente con voltaje de 120 volts de corriente alterna (el cual podría ser el motor de un ventilador casero, de un taladro, o de una licuadora):

En este diagrama eléctrico cuando el interruptor S se cierra, el motor es energizado y comienza a funcionar, y cuando el interruptor S se abre, el motor deja de funcionar. Con un poco de imaginación, podemos visualizar este diagrama como el peldaño de una escalera, y en efecto este es posiblemente el diagrama de escalera más sencillo que podamos trazar. En un diagrama de escalera, la fuente de energía es representada por los dos "rieles" verticales de la escalera, mientras que los peldaños de la escalera son utilizados para representar los circuitos de control. Los contactos normalmente abiertos de un interruptor o de un relevador son representados mediante dos líneas paralelas verticales (es importante no confundir este símbolo con el símbolo utilizado en los textos de electricidad y electrónica para representar capacitores), mientras que los contactos normalmente cerrados de un interruptor o de un relevador son representados mediante dos líneas paralelas atravesadas con una línea diagonal. Si convenimos en representar la acción de "encendido" del interruptor S como una entrada simbolizada con la letra A y la salida resultante (el encendido del motor) con un círculo y una letra Y, el diagrama de escalera para el circuito anterior será el siguiente:

(Es importante no confundir el símbolo utilizado para representar un interruptor como el interruptor A en el diagrama de arriba con el símbolo utilizado para representar un capacitor en los diagramas eléctricos convencionales.)Un diagrama de escalera puede contener peldaños al igual que una escalera verdadera. Cada peldaño debe contener una o varias entradas, y una o varias salidas. La primera instrucción en un peldaño, puesta del lado izquierdo, siempre debe representar la acción de una entrada, y la última instrucción de un peldaño, puesta del lado derecho, siempre debe representar la acción de una salida.Para nuestra discusión, adoptaremos aquí la siguiente simbología:
X se usará para representar entradas
Y se usará para representar salidas
CR se usará para representar relevadores de control
En un circuito que conste de varias entradas y/o varias salidas y/o varios relevadores de control, a cada uno de estos símbolos se les añadirá un número con el fin de distinguir distintos tipos de entradas, distintos tipos de salidas, y distintos tipos de relevadores de control. De este modo, X1, X2 y X3 representan tres entradas diferentes que pueden ser cada una de ellas interruptores normalmente abiertos:

o interruptores normalmente cerrados:

A continuación tenemos el equivalente de la función lógica OR en un diagrama de escalera, en la cual si cualquiera de los interruptores X1 ó X2 o ambos son cerrados el motor Y arrancará:

Es importante tener en cuenta que el origen de los interruptores X1 y X2, aunque ambos activen la misma salida Y, puede ser diferente. Puede tratarse de dos interruptores situados en puntos remotos de una fábrica, o pueden ser interruptores activados por operadores situados en máquinas distintas. Sin embargo, la acción de ambos interruptores no sólo es algo parecido a la función lógica OR, son la función lógica OR, implementada en un diagrama de escalera.A continuación tenemos el equivalente de la función lógica AND, en la cual es necesario que ambos interruptores X1 y X2 estén cerrados para que la salida Y pueda ser activada:

Y por último, la función inversora NOT se puede implementar en un contacto de entrada utilizando un interruptor que en lugar de estar normalmente abierto está normalmente cerrado, teniendo así el equivalente de la función lógica NOT ya que es necesario "encender" al interruptor X abriendo el contacto para apagar el suministro de energía a la salida Y:

Tenemos pues el equivalente de las tres funciones lógicas básicas para los diagramas de escalera. Y con esto podemos representar cualquier circuito lógico como los que hemos estudiado anteriormente en este libro.Las expresiones Boleanas usadas en los circuitos combinatorios lógicos convencionales pueden ser "traducidas" con pocos problemas hacia un diagrama de escalera. Tal es el caso de la expresión Boleana:
Y = ABC
cuya implementación en un diagrama de escalera es la siguiente:

mientras que para la siguiente expresión Boleana:
Y = ABC + ABC

su contraparte en un diagrama de escalera es:

Los interruptores mostrados en estos diagramas de escalera son interruptores que pueden ser activados tanto por intervención humana como por acción de algún sensor (temperatura, presión, humedad, etc.) Sin embargo, cuando queremos destacar en forma muy explícita algún interruptor que será accionado manualmente por una persona, podemos utilizar el siguiente símbolo cuando se trata de un interruptor normalmente abierto:

o bien el siguiente símbolo cuando se trata de un interruptor normalmente cerrado:

De este modo, un interruptor normalmente cerrado X activado manualmente cuya función no es permitir el paso de la corriente eléctrica a una carga Y sino cerrar el paso de la corriente eléctrica a dicha carga tendrá la siguiente representación en un diagrama de escalera:

Es importante tener en mente que la notación que hemos presentado aquí, aunque difundida en muchos libros de texto, no es adoptada universalmente por todos los fabricantes de equipo cuyo uso está basado en la aplicación de diagramas de escalera. Ejemplo de ello es el siguiente diagrama de escalera que utiliza la notación del fabricante Allen-Bradley:

Este diagrama de escalera representa la misma configuración que vimos previamente cuya expresión Bolena es Y=ABC+ABC.Una diferencia notoria entre estas funciones lógicas de escalera y las funciones lógicas manejadas por los circuitos integrados es que en el diagrama de escalera los voltajes usados para accionar las entradas pueden ser (y de hecho son en muchos casos) diferentes de los voltajes usados para activar las salidas, de modo tal que una entrada puede representar el accionamiento de un relevador energizado con un voltaje DC de 5 volts, mientras que una salida puede representar la aplicación de un voltaje de 120 volts AC a un motor usando los contactos de salida del mismo relevador. En cierta forma, el uso de un relevador electromecánico (o su equivalente en circuitos semiconductores de alta potencia) nos permite manipular cargas pesadas de voltajes y corrientes eléctricas a través de un voltaje mucho más pequeño empleado para activar la bobina del relevador. Esto nos dá ya una pista de que muchas aplicaciones interesantes tienen su origen con el empleo de relevadores, razón por la cual enfocaremos ahora nuestra atención a estos componentes que fueron el punto de partida para la construcción de los primeros controladores lógicos.El relevador de control que estaremos utilizando es idéntico al relevador electromecánico que fue introducido al principio del segundo capítulo de esta obra (Las Tres Funciones Lógicas Básicas), excepto que ahora la salida del relevador en vez de ser interpretada todo el tiempo como una señal de voltaje igual al voltaje con el cual es activada la bobina del relevador ahora puede ser algo con niveles completamente diferentes de voltaje y corriente eléctricas, de modo tal que si bastase un voltaje de 5 volts de corriente directa para activar a un relevador, los contactos representativos de la salida del mismo podrían manejar y suministrar un voltaje de 120 volts de corriente alterna para alimentar un motor eléctrico de uso pesado (como el motor del elevador de un edificio) que tal vez consuma una corriente eléctrica tan grande que esta misma corriente eléctrica posiblemente quemaría el alambre de la bobina del relevador (o mejor dicho, lo fundiría.) La entrada del relevador (su bobina) y la salida (o salidas) del relevador que vienen siendo interruptores normalmente abiertos o normalmente cerrados se pueden considerar eléctricamente aisladas e independientes. A continuación tenemos un relevador Potter & Brumfield cuya bobina requiere un voltaje de 24 volts de corriente directa para energizarse cerrando los contactos normalmente abiertos y abriendo los contactos normalmente cerrados:

Obsérvese que en la cara de este relevador tenemos la explicación clara del diagrama de contactos situados en la parte inferior del mismo; es un relevador que nos proporciona dos interruptores separados (conocidos comúnmente como polos), los cuales al energizarse la bobina no sólo abren al mismo tiempo sus contactos normalmente cerrados sino que cierran otros contactos complementarios (esto se conoce como una acción de dos tiros), y por esto mismo este relevador puede ser clasificado como un relevador de dos-polos dos-tiros (en inglés, DPDT o double-pole double-throw).

EL TEMPORIZADOR 555 ( II )

2009-04-25T01:39:00.000-07:00

El circuito básico para poder utilizar el temporizador 555 como un multivibrador monoestable es el siguiente:

A continuación tenemos un diagrama un poco más detallado mostrando los diagramas de tiempo apropiados para el multivibrador monoestable 555:

El funcionamiento del circuito arriba mostrado es el siguiente referido a los diagramas de tiempos que aparecen a la derecha del circuito: en la terminal de entrada T (trigger) que viene siendo la terminal 2, la aplicación momentánea de un pulso breve de voltaje hace que el voltaje de salida Vout a partir de un tiempo t2 se dispare hasta el máximo valor, a la vez que el condensador C se irá cargando (siguiendo una curva suave) con un voltaje Vc hasta alcanzar el valor máximo de voltaje de la fuente, que en este caso viene siendo de +10 volts, en un tiempo t3. Una vez que el voltaje en el condensador llega a su máximo, el voltaje a la salida Vout se precipita permaneciendo el circuito de aquí en adelante en una condición estable hasta que reciba otro pulso breve de voltaje en la terminal de entrada 2. La duración del pulso de voltaje a la salida en la terminal 3 dependerá de los valores conjuntos de la resistencia R y el condensador C, o mejor dicho en el valor RC que es el que determina la constante de tiempo del circuito.A continuación tenemos el mismo diseño, pero con valores asignados a los componentes eléctricos, el cual tiene a su salida un diodo emisor de luz LED para efectos visuales. Al ser cerrado momentáneamente el interruptor que está en el extremo izquierdo del circuito, se aplica un pulso de entrada (input pulse) instantáneo en la terminal 2 y el diodo LED se enciende, permaneciendo encendido por un lapso de tiempo hasta que termina apagándose.

La acción del anterior circuito se vuelve más clara añadiendo un LED complementario de modo tal que esté encendido cuando el otro está apagado. El siguiente diagrama esquemático animado muestra la acción de lo que ocurre cuando se aplican pulsos breves de entrada (se vuelve aquí necesario llevar a cabo el procedimento de ampliar imagen para poder ver la acción animada):

El temporizador 555 como multivibrador monoestable tiene una gran cantidad de aplicaciones, muchas de las cuales se pueden encontrar en Internet. Una de ellas es la construcción de una punta de prueba lógica (véase el Capítulo 2: Las Tres Funciones Lógicas Básicas) como la siguiente (ampliar imagen):

Esta punta de prueba lógica puede detectar, a través de la terminal de prueba probe, la presencia constante de un "1" lógico (LOGIC 1) confirmada a través del diodo emisor de luz LED 1 rojo, o bien la presencia constante de un "0" lógico (LOGIC 0) en el mismo punto de prueba, confirmada a través del diodo emisor de luz LED 2 verde. Pero puede además, gracias a la presencia del temporizador 555, detectar la presencia de un pulso de muy corta duración. Si queremos confirmar la presencia de un pulso con una duración de unos 2 milisegundos, el pulso ocurre con demasiada rapidez como para poder darnos cuenta de ello a través del diodo emisor de luz roja LED 1. Pero si para detectar la presencia del pulso oprimimos el interruptor eléctrico SW1, entonces el temporizador 555 es energizado estando en condiciones de poder actuar como un multivibrador monoestable, dándonos la confirmación visual del pulso a través del diodo emisor de luz LED 3 amarillo.El circuito básico para poder utilizar el temporizador 555 como un multivibrador astable es el siguiente:

El circuito que ahora se mostrará es la implementación mediante el temporizador 555 de un componente importante que se estudió en la sección de Problemas Resueltos del Capítulo 7, el gatillo Schmitt:

El temporizador 555 es tan versátil y tan popular que aunque una de sus designaciones más conocidas es la de NE555, la cual le fue dada por la empresa Signetics, otros fabricantes han construído sus propias versiones de este circuito integrado, las cuales en principio son compatibles entre sí. La siguiente lista proporciona las designaciones que varios de los fabricanes más conocidos le han dado a su propia versión del temporizador 555:

Otro circuito integrado muy popular, derivado directamente del temporizador 555, es el temporizador 556, cuya única diferencia de su predecesor es que incorpora en el mismo paquete dos temporizadores 555 en lugar de uno solo, los cuales trabajan de manera independiente y tienen en común únicamente las conexiones a la fuente de poder, como puede apreciarse en el diagrama del timer LM556 fabricado por National Semiconductor:

Para proyectos pequeños, la diferencia entre el costo de un timer 555 y un timer 556 es tan poca que bien vale la pena la adquisición de un 556 en lugar de un 555 con tal de tener la flexibilidad de poder utilizar dos temporizadores disponibles en el mismo paquete en lugar de uno solo.

EL TEMPORIZADOR 555 ( I )

2009-04-25T01:00:00.000-07:00

Otro componente de amplia aplicación en los diseños electrónicos es el temporizador o timer (se pronuncia como "taimer"), usado ampliamente para la fijación de tiempos preseleccionados. Al igual que en el caso del microprocesador Intel 8008 y el caso del amplificador operacional 741 que fijaron muchos de los estándares que se usan en la actualidad, existe un circuito integrado muy popular que ha servido como gran "abuelo" precursor de circuitos integrados temporizadores. Se trata del timer 555. Este circuito integrado tiene un aspecto como el siguiente:

El diagrama esquemático interno de un timer 555 típico muestra que este contiene una variedad de componentes tanto analógicos como digitales:

Sin embargo, resulta mucho más instructivo analizar el diagrama de bloques funcionales implementados por los componentes electrónicos con los cuales está construído el timer 555:

Como puede apreciarse en el esquemático funcional del circuito, su diseño incorpora dos amplificadores operacionales no muy diferentes al amplificador operacional cuyo funcionamiento es estudiado en el capitulo correspondiente. Pero además incorpora otro componente que nos debe resultar conocido: un flip-flop R-S. En el diagrama, lo podemos ver identificado como "Control FF" (Flip Flop de Control). Por lo tanto, este es el tipo de circuito que en su interior incorpora electrónica tanto analógica como digital. Al igual que en el caso del amplificador operacional, es necesario agregarle externamente componentes eléctricos adicionales para poder utilizarlo en alguna tarea específica. Generalmente el componente de rigor es un condensador C de alta capacidad que debe ir conectado de la terminal 6 del timer 555 a "tierra eléctrica", la cual va conectada a la terminal 1 del componente. Además de este condensador, se requiere una resistencia de valor elevado, la cual debe ir conectada por un lado a la terminal 7 del componente, y por el otro lado al voltaje que alimenta al componente en la terminal 8. La terminal 2 es la terminal "gatillo" que se utiliza para "disparar" la acción del circuito.El timer 555 puede ser utilizado de dos maneras:1) Como un multivibrador mono-estable.2) Como un multivibrador astable.Al final de la sección de Problemas Resueltos del Capítulo 5, aprendimos cómo un flip-flop R-S en combinación con una línea de retardo puede ser convertido ya sea en un multivibrador mono-estable o en un multivibrador astable. El timer 555 nos permite la realización teórica de este principio, excepto que en este caso usamos a modo de "línea de retardo" un condensador C conectado en serie con una resistencia R, siendo la base un circuito como el siguiente:

El principio detrás de este circuito eléctrico analógico es que al aplicar un voltaje de corriente directa (Vs en el diagrama esquemático) el condensador C no se carga de inmediato sino que se va cargando siguiendo una curva exponencial como la siguiente:

hasta que llega un momento en el cual el condensador está completamente cargado y el voltaje Vout a través del mismo es igual al voltaje Vs aplicado al circuito. La forma de la curva (los tiempos de carga) dependerá de los valores de la resistencia R y del condensador C conectados en serie; entre mayores sean ambos tanto más tiempo tardará el condensador en cargarse hasta su máxima capacidad. Un parámetro físico usado para describir el comportamiento del circuito es la constante de tiempo formada por el producto de la resistencia (en ohms) R y el valor de la capacitancia C (en farads), o sea RC, la cual tiene unidades de tiempo en segundos. Al haber transcurrido un tiempo RC, el condensador se habrá cargado a un 63 por ciento de su capacidad. Y al haber transcurrido unas cinco constantes de tiempo RC, el condensador estará prácticamente cargado en su totalidad.Si además del circuito básico arriba mostrado tenemos un voltaje de referencia Vref en contra del cual el voltaje ascendiente a través del condensador se pueda ir comparando constantemente (para esto podemos usar un comparador de voltaje como el que estudiamos en la sección de Problemas Resueltos) conforme el condensador se va cargando antes de llegar al punto en el cual el condensador alcanza su carga máxima Qmax, de modo tal que cuando después de un tiempo tg el voltaje a través del condensador alcance y supere al voltaje Vref y la salida de "1" del comparador nos indique que ha llegado el momento preciso de producir alguna acción:

tenemos entonces todos los elementos suficientes para poder construír un temporizador.Naturalmente, el diseño puede ser mejorado agregando un flip-flop R-S para que el circuito pueda "recordar" la condición de activación. Y a excepción de la resistencia R y el condensador C que deben ser proporcionados externamente por el diseñista, esto es precisamente lo que tenemos dentro de un temporizador como el timer 555.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ( II )

2009-04-24T01:33:00.000-07:00

El op-amp tiene muchísimas otras aplicaciones para muchísimos otros diseños además del uso que se le acaba de dar arriba para construír amplificadores de señal. A manera de ejemplo, a continuación tenemos un diseño en el cual el op-amp está siendo usado para construír un amplificador para una señal de audio:

Y en el siguiente circuito, tenemos un diseño que nos permite convertir una medición de temperatura en una medición de voltaje, para lo cual utilizamos un componente transductor, el conocido sensor de temperatura AD590 fabricado por la empresa Analogue Devices:

A continuación tenemos lo que en audio se conoce como un filtro activo de paso bajo:

Para un técnico en electrónica, explicar el funcionamiento de un circuito de este tipo, aún sin las fórmulas, no representa gran problema. Para frecuencias lo suficientemente bajas, el condensador (capacitor) C2 puesto en paralelo con la resistencia R2 actúa como un circuito abierto, pudiendo ser ignorado, con lo cual lo que tenemos aquí es esencialmente un amplificador inversor. Y para frecuencias lo suficientemente altas, el condensador C2 actúa como un corto circuito, con lo cual el efecto resistivo de R2 queda nulificado y la ganancia, de acuerdo con la fórmula para el amplificador inversor, se vuelve cero. En pocas palabras, el circuito amplifica y deja pasar las señales de bajas frecuencias (que en una señal de audio correspondería a los sonidos bajos o bass), y bloquea las señales de altas frecuencias. Este comportamiento es representado con una figura conocida como la curva de responsiva a la frecuencia (frequency response curve) que para un filtro de paso bajo toma la siguiente apariencia:

Muchos usuarios de equipo de audio sin saberlo ya están familiarizados con este tipo de curvas de responsiva de frequencia debido a que su equipo cuenta al frente en su panel de controles con varios deslizadores (sliders) que forman parte del ecualizador (equalizer) de su aparato de audio, e inclusive muchos programas de audio para computadora cuentan con la opción de activar y mostrar en la pantalla un ecualizador gráfico (graphic equalizer) como el siguiente (el programa de Microsoft conocido como Windows Media Player para la ejecución de archivos de audio y video en diversos formatos cuenta con su propio ecualizador gráfico activable desde la línea del menú):

La disposición de los controles deslizadores en este tipo de objetos no es casualidad alguna, los controles están situados el uno junto al otro de modo tal que tomados en conjunto sugieran el tipo de responsiva de frecuencia que se le dará a la señal de audio, como lo muestra la gráfica de responsiva de frecuencia del ecualizador gráfico arriba mostrado situada debajo de los controles; obsérvese cómo la disposición de los controles deslizadores en la parte superior parece sugerir la forma de la responsiva de frecuencia en la parte inferior del ecualizador gráfico.Es importante agregar que además del filtro de paso bajo arriba mostrado, con el op-amp también se pueden construír filtros de paso alto (los cuales bloquean las señales de bajas frecuencias permitiendo el paso de las señales agudas de alta frecuencia), filtros de paso de banda (bandpass) que permiten pasar las frecuencias intermedias dentro de cierto rango, filtros Butterworth, filtros Bessel, etc., lo cual por sí solo requiere ser tratado en un curso especializado a nivel universitario.Además del op-amp 741, hay otros op-amps disponibles en el mercado, como el LM324, el cual es un circuito integrado que contiene el equivalente de cuatro op-amps 741, cuyo bajo costo lo hace casi tan accesible como el mismo 741, y el cual tiene otra característica muy deseable: a diferencia del op-amp 741 que requiere de dos fuentes de poder, una positiva (+V) y una negativa (-V) el LM 324 sólo requiere de una fuente de poder. A continuación tenemos el diseño de un filtro activo de paso-de-banda usando uno de los op-amps del LM324, en donde es obvio que estamos utilizando una sola fuente de poder de +15 volts sin necesidad de tener que utilizar una fuente de poder de -15 volts:

El amplificador operacional, con el apoyo de unos cuantos componentes pasivos externos (resistencias y/o condensadores) puede llevar a cabo operaciones aritméticas de suma, resta, multiplicación, e inclusive las operaciones de diferenciación e integración propias del cálculo infinitesimal. Es por esto mismo que no hace mucho tiempo, todavía hasta las décadas de los setentas y los ochentas, los amplificadores operacionales junto con componentes pasivos adicionales eran utilizados como los bloques fundamentales de computadoras analógicas con el fin de poder resolver problemas matemáticos que inclusive involucraban la simulación de sistemas físicos modelados por algo conocido en el campo de las matemáticas como ecuaciones diferenciales, las cuales son fórmulas matemáticas que involucran derivadas como las siguientes:

La desventaja de utilizar amplificadores operacionales para resolver este tipo de problemas es que los resultados tienen una precisión limitada a dos o tres dígitos, porque los valores tanto de las entradas como de las salidas de las operaciones aritméticas o de los sistema físicos que están siendo simulados son esencialmente voltajes, valores medidos. Esta es la razón por la cual el advenimiento de las computadoras digitales volvió obsoleta la tecnología de los amplificadores operacionales aplicada con operaciones matemáticas en mente. De cualquier modo, para aplicaciones especializadas, es bueno saber que esta posibilidad está siempre disponible. Podemos obtener mayores detalles acerca del uso de los amplificadores operacionales en la solución de problemas matemáticos en algún enlace como el siguiente:http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/Semi/SEMI_9.html#xtocid1561110Para poder obtener alguna "práctica" en el uso y manejo de los amplificadores operacionales, se le recomienda al lector visitar el siguiente sitio mantenido por el Profesor Constantinos E. Efstathiou, Director del Laboratorio de Química Analítica de la Universidad Nacional y Kapodristiana de Atenas, en el cual el usuario se puede divertir "jugando" un buen rato con amplificadores operacionales simulados:http://www.chem.uoa.gr/applets/AppletOpAmps/Appl_OpAmps2.htmlEn esta página del Profesor Efstathiou, el simulador de amplificadores operacionales aparece del lado derecho de la pantalla, y en cuyo borde inferior se puede escoger una de varias opciones para poder experimentar: Inverting Amp. (amplificador inversor), Summing Amp (amplificador sumador), Difference Amp (amplificador de diferencias) e Integrator (integrador). La forma en la cual trabaja este simulador es la siguiente: supóngase que se quiere experimentar un rato con la opción más elemental de todas, la opción Inverting Amp. Al seleccionar esta opción, a la izquierda del circuito estará activado únicamente uno de los controles "deslizadores", el control marcado como V1. A un lado del control se le dan al usuario dos opciones de rangos de voltaje, ±2 volts y ±20 volts. Supóngase que las resistencias Ri y Rf tienen valores de 10 KΩ (10 mil ohms) y 100 KΩ (100 mil ohms) respectivamente, lo cual de acuerdo con la fórmula de la ganancia para un circuito inversor dará una ganancia de -10. Suponiendo que se ha seleccionado la opción de ±2 volts, entonces si el control deslizador está situado justo en el extremo medio poniendo a la entrada del circuito un voltaje de 0 volts, a la salida en el indicador numérico simulado leermos un también un voltaje de 0 volts, lo cual era de esperarse porque no se está llevando a cabo la amplificación de nada. Pero si a la entrada ponemos un voltaje de +0.25 volts, a la salida tendremos un voltaje de -2.5 volts. Esto nos indica que el voltaje de entrada está siendo amplificado diez veces, y el cambio de signo en la polaridad de voltaje nos indica que efectivamente se está llevando a cabo una inversión en la polaridad, lo cual era de esperarse para un amplificador inversor. La ventaja del simulador es que le podemos cambiar los valores a las resistencias para cambiar con ello la ganancia del circuito. A manera de ejemplo, si a las resistencias Ri y Rf les damos valores de 20 KΩ (20 mil ohms) y 100 KΩ (100 mil ohms) respectivamente, con lo cual obtendremos una ganancia de -4, entonces si le aplicamos al circuito un voltaje de entrada de +0.25 volts obtendremos un voltaje a la salida de -0.625 volts, como era de esperarse.

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ( I )

2009-04-24T01:00:00.000-07:00

La enorme ventaja de los circuitos lógicos es que no se requiere tener muchos conocimientos de electrónica para poder comprender cómo trabajan funcionalmente dichos circuitos. Y en efecto, en los ocho capítulos principales del libro, prácticamente no se tocó gran cosa que tuviera que ver con cuestiones eléctricas, exceptuando el hecho de que por lo general identificábamos un valor de un "1" lógico con un voltaje generalmente positivo (como +5 volts) y un "0" lógico con un nivel de cero volts, el equivalente a "tierra" eléctrica que en una batería no vendría siendo más que el polo negativo de la batería marcado con el signo menos (-). No hubo ninguna necesidad de entrar en detalles tales como resistencias eléctricas, capacitores, inductores, la ley de Ohm, potencia eléctrica, amperaje, etc. Pudimos avanzar muy bien sobre todos los capítulos sin tener que incursionar en estos detalles.Existen muchos sistemas digitales en los que la mayoría del sistema basa su funcionamiento en electrónica puramente digital. Las computadoras de escritorio son un buen ejemplo de ello. Sin poseer conocimientos detallados de electrónica, cualquiera que haya asimilado los principios esenciales del libro puede muy bien ensamblar un circuito lógico, comprar en el mercado una fuente de poder que proporcione los voltajes requeridos para que los componentes del circuito puedan trabajar, y conectar todo de modo apropiado para que pueda funcionar.Sin embargo, existen también sistemas en los cuales es necesario interconectar componentes propios de la electrónica digital (bloques AND, OR y NOT) que siempre trabajan con valores discretos de voltaje, con componentes propios de la electrónica analógica, en donde se trabaja con voltajes que pueden variar continuamente entre dos límites pudiendo tomar cualquier valor posible entre dichos límites. Estos sistemas son esencialmente sistemas híbridos que combinan en un solo diseño aspectos de la electrónica digital y de la electrónica analógica.El texto principal del libro no presupone de parte del lector conocimiento alguno de electrónica analógica. Sin embargo, no se descarta la posibilidad de que entre los lectores haya técnicos con algunos conocimientos básicos de electrónica analógica que estén tal vez interesados en instruírse un poco más en aquellos circuitos integrados con los cuales los circuitos integrados propios de la electrónica digital suelen interactuar. Es con este auditorio en mente que se ha preparado este Suplemento que trata sobre uno de los componentes más versátiles para el diseños de circuitos analógicos: el amplificador operacional.Así como en la familia lógica de circuitos integrados TTL el circuito integrado 7400 es el componente fundamental de referencia del cual parten todos los demás, y así como en en el mundo de los microprocesadores el microprocesador 8008 marcó la pauta a seguir por todos los demás microprocesadores que le sucedieron, del mismo modo en el mundo de los amplificadores operacionales el punto de referencia es un amplificador designado con el número 741.Si fuéramos a comprar en el mercado un amplificador operacional 741 fabricado por la empresa Motorola, dicho componente tendría el siguiente aspecto físico:

El diagrama esquemático de este circuito integrado en relación con sus ocho terminales muestra las siguientes designaciones funcionales de cada una de dichas terminales o "pins":

Esencialmente, el amplificador operacional es representado en los diagramas esquemáticos tal y como se muestra arriba, como un triángulo, con dos terminales de entrada, una entrada inversora (inverting input) identificada con un símbolo menos (-) y una terminal no-inversora (non-inverting input) identificada con un símbolo más (+).
Precaución: Los términos terminal inversora y terminal no-inversora en un amplificador operacional no tienen absolutamente nada que ver con las definiciones usadas en el mundo de los circuitos lógicos en relación con el bloque NOT.El símbolo triangular utilizado para representar un amplificador operacional encierra cómodamente para nosotros algo que es esencialmente un circuito analógico algo complejo, cuyo esquemático detallado es el siguiente:

Aunque el amplificador operacional lo podemos usar como una "caja negra" sin tener que preocuparnos por los detalles internos que muestra este último diagrama, de cualquier modo tenemos que saber cómo llevar a cabo conexiones externas al mismo para poder obtener del mismo algunas funciones analógicas que nos puedan ser de utilidad. Como su nombre lo indica, este componente es un amplificador, un amplificador de una señal analógica que puede variar continuamente entre un rango de valores. Y al amplificar la señal, lo puede hacer invirtiendo la polaridad de la señal con respecto a la señal de entrada (convirtiendo los valores de voltaje positivos a negativos, y los valores de voltaje negativos a positivos) , en cuyo caso lo usamos como amplificador inversor, o dejando que la polaridad de la señal de salida se mantenga con la misma polaridad que la señal de entrada, o sea como un amplificador no-inversor. Para poder utilizarlo en cualquiera de estas dos maneras, es necesario conectarle a cada configuración unas resistencias eléctricas externas como lo muestran los siguientes diagramas:
En el diagrama superior tenemos un amplificador inversor, y en el diagrama inferior tenemos un amplificador no-inversor. Antes de entrar en detalles sobre el funcionamiento de estos circuitos, observemos primero que para poder trabajar adecuadamente el amplificador operacional requiere de dos voltajes, un voltaje positivo +V aplicado en la terminal 7, y un voltaje negativo -V aplicado en la terminal 4. Si fueramos a proporcionar estos voltajes con baterías externas de modo tal que el voltaje positivo sea +V=+15 volts y el voltaje negativo sea -V=-15 volts, lo haríamos utilizando algo como lo siguiente:

Obsérvese en los diagramos de los dos circuitos amplificadores mostrados arriba que no es necesario conectar ninguna de las terminales del amplificador operacional al punto intermedio entre las dos baterías designado en el esquemático como la tierra eléctrica. Una fuente dual de voltajes fácil de implementar con dos baterías desechables proporcionando un voltaje positivo +V=+9 volts y un voltaje negativo -V=-9 volts sería la siguiente:

Sin embargo, como la desventaja de una fuente dual de voltajes construída con baterías desechables es que las baterías tienen una vida de uso limitada, para un diseño fijo que no se estará moviendo mucho de un lugar a otro se puede construír una fuente dual de voltajes alimentada con corriente alterna de línea como la que se muestra a continuación:

Regresemos ahora a los circuitos amplificadores. La señal de entrada una vez amplificada será proporcionada por el amplificador operacional u op-amp en su terminal de salida 6 (output). La ganancia (gain) del op-amp es la medida de la amplificación de voltaje del circuito y se define simplemente como el valor instantáneo del voltaje de salida Vout en la terminal 6 entre el valor del voltaje Vin de entrada:

De este modo, si el voltaje de entrada es de 1 volt y el voltaje de salida es de 10 volts, el op-amp estará amplificando la señal por un factor de 10: la señal de salida será diez veces más grande que la señal de entrada.Si el diseño que utilizaremos será el de un amplificador inversor, entonces usaremos el circuito designado arriba como "inverting amplifier", y la señal de entrada a ser amplificada deberá ser aplicada en la terminal 2 (inverting input). En este caso, nosotros podemos escoger el factor de amplificación mediante una cuidadosa selección de las resistencias R1 y R2. La ganancia (Gain) del circuito, como podemos ver en la fórmula anexa al circuito, será igual al valor de R2 dividido entre el valor de R1. Si queremos un factor de amplificación de cinco tantos, entonces la resistencia R2 deberá ser cinco veces más grande que la resistencia R1. Una vez escogidos los valores de las resistencias R1 y R2 el valor de la resistencia R3 estará prácticamente prefijado por la fórmula que nos dice cuál debe ser el valor de dicha resistencia (en algunos diseños, se prescinde de esta resistencia por completo). En la fórmula de la ganancia:
Gain = -R2/R1el signo menos indica que la polaridad de la señal estará invertida con respecto a la polaridad de la señal de entrada, que es justo lo que debe hacer un amplificador inversor.Si por el contrario queremos diseñar un amplificador no-inversor, entonces usamos el circuito designado arriba como "non-inverting amplifier", y la señal de entrada a ser amplificada deberá ser aplicada en la terminal 3 (non-inverting input) directamente. Aquí también nosotros podemos escoger el factor de amplificación mediante una cuidadosa selección de las resistencias R1 y R2. La ganancia (Gain) del circuito, como podemos ver en la fórmula anexa al circuito, será igual a 1 sumado al valor de R2 dividido entre el valor de R1. Si queremos un factor de amplificación de tres tantos, entonces la resistencia R2 deberá ser dos veces más grande que la resistencia R1, lo cual sumado a la unidad nos dá una ganancia de tres:
Gain = 1 + (R2/R1) = 1 + (2/1) = 1 + 2 = 3Los valores de las resistencias generalmente deben estar seleccionados en el rango de los miles de ohms (K ohms). Valores demasiado bajos de resistencias, situados por debajo de 1 Kohm, producen corrientes eléctricas grandes que pueden producirle daño al circuito, mientras que valores demasiado grandes de resistencias, situados por encima de 1 Megohm, inducen un efecto indeseable conocido como el ruido térmico (en inglés, thermal noise) o ruido Johnson-Nyquist. A continuación tenemos un amplificador no-inversor construído en torno a un op-amp en el cual se han seleccionado resistencias R1 y R2 con valores respectivos de 1K (mil ohms) y 15K (15 mil ohms), con lo cual obtenemos un factor de multiplicación de 16 sobre la señal de entrada:

LAS COMUNICACIONES ASÍNCRONAS ( IV )

2009-04-23T00:59:00.000-07:00

En artículos anteriores vimos que un "0" lógico y un "1" lógico pueden estar representados no sólo como la ausencia de un voltaje y la presencia de un voltaje de, digamos, +5 volts, sino también como un campo magnético de cierta orientación y un campo magnético de orientación contraria. De hecho, hay muchas otras maneras en las cuales podemos representar un "0" y un "1", tales como la ausencia y la presencia de un rayo de luz. Es así como es posible transmitir señales digitales a través de un cable de fibras ópticas en las cuales el medio de tranmisión es la luz y no un potencial eléctrico. Y aunque podemos transmitir a lo largo de un alambre metálico "pulsos" de voltaje con una forma de onda cuadrada como la que hemos visto en los diagramas de tiempos (esta es precisamente la manera en la cual se llevaba a cabo la transmisión de datos a través del telégrafo mediante el código Morse), no es necesario estar limitados a este tipo de formato. La enorme flexibilidad en la forma en la cual podemos representar un "0" y un "1" nos permite elaborar otros esquemas que suelen ser mucho más eficientes que la simple transmisión de "pulsos" de voltaje de corriente directa, los cuales de cualquier manera no pueden ser utilizados para la transmisión de datos digitales a través de una antena transmisora hasta una antena receptora. El ejemplo más notorio de ello es la representación de un "1" como un "pulso" que en realidad es una onda de alta frecuencia. Esto requiere modular una señal ondulatoria continua usando el nivel de "1" lógico para convertirla en un pulso ondulatorio de alta frecuencia de una manera como la siguiente en la cual la onda portadora (carrier) del "1" es modulada por un "1" convencional produciendo un resultado modulado:

Este esquema conocido como un esquema de modulación de amplitud identifica una señal digital ondulatoria como un "1" lógico, y la ausencia de la misma como un "0" lógico. De este modo, un torrente continuo de información que empieza con la siguiente señal digital binaria mostrada de color azul siendo modulada por la señal ondulatoria de color verde producirá la señal modulada de color rojo que será transmitida hacia afuera:

El aparato transmisor que cambia a la señal digital modulándola antes de ser transmitida recibe el nombre de modulador, mientras que el aparato receptor encargado de recuperar la señal digital removiendo su componente ondulatorio se llama demodulador. Este es precisamente el origen de la palabra modem, MODulador-DEModulador, el aparato capaz de modular señales digitales para enviarlas hacia afuera a través de la línea telefónica en forma de pulsos ondulatorios, y capaz también de demodular los pulsos ondulatorios enviados desde fuera por un transmisor, el cual era un aditamento externo a las computadoras caseras:

antes de ser incorporado adentro de las mismas computadoras cuando los constantes avances de la microelectrónica permitieron miniaturizar todos los componentes de los modems para permitir su inserción en un circuito integrado de alta densidad dentro de la tarjeta madre o como una tarjeta accesoria para ser insertada dentro de una de las ranuras especiales que muchas computadoras tienen para ello.

Existe otro esquema que es precisamente el mismo que fue utilizado inicialmente para la transmisión de señales digitales a través de la línea telefónica usando para ello los primeros modems caseros: mediante señales de tonos audibles. Bajo este concepto, cuando se transmite una señal a través del cable telefónico se hace utilizando dos ondas de frecuencias diferentes para identificar al "0" y al "1". Este esquema es conocido como modulación de frecuencia (aunque también es conocido como FSK o Frequency Shift Keying), esquema en el cual la frecuencia de la señal portadora es alternada entre dos frecuencias diferentes en una manera como la que se muestra a continuación:

Uno de los primeros circuitos integrados utilizados justo para la construcción de los modems que empezaron operando mediante el concepto de tonos es el circuito integrado 4412 fabricado con tecnología CMOS por la empresa Motorola:

Este circuito integrado hoy obsoleto que fue uno de los pioneros para la construcción a gran escala de los primeros modems (externos) trabaja de la siguiente manera: el paquete convierte datos binarios seriales ("unos" y "ceros"), usualmente enviados de y hacia un UART, en el sistema de "tonos" audibles propios para la comunicación telefónica compatibles con el llamado "sistema 103". En el modo Originar, un "0" es transmitido como una señal con una frecuencia de 1070 Hertz (ciclos por segundo) y un "1" es transmitido como una señal con una frecuencia de 1270 Hertz. En el modo Contestar, un "0" es transmitido como una señal con una frecuencia de 2025 Hertz y un "1" es transmitido como 2225 Hertz. Puesto que los modems se usan en pares, el receptor responde con el grupo de tonos que no está siendo transmitido. Esta es precisamente la forma en la cual se lleva a cabo la comunicación en servicios de Internet de baja velocidad. La entrada de la transmisión es compatible con la familia de circuitos lógicos TTL y responde a una transferencia de datos de 300 bauds o menos. La amplitud de una onda típica de la señal de salida es de 300 milivolts rms hacia una carga resistiva de 100 mil ohms. La entrada al receptor debe provenir de un filtro activo sofisticado y bien diseñado y un limitador simétrico con distorsión controlado de algo llamado el "retardo del grupo" (group delay). Esta entrada es compatible con las familias lógicas TTL y CMOS. La salida del Receptor de Datos (terminal "pin" 7) sigue a esta entrada después del proceso de demodulación.

Junto con el UART podemos hablar de otro circuito integrado que además de las capacidades para comunicaciones asíncronas del UART incorpora la capacidad para poder establecer comunicaciones síncronas. Se trata del USART, cuyas siglas significan Universal Synchronous/Asynchronous Receiver-Transmitter, del cual el gran "abuelo" prototipo que marcó la pauta en los diseños posteriores que habrían de seguir es el 8251:

desarrollado originalmente por la empresa Intel, cuyo diagrama funcional de bloques es el siguiente (ampliar imagen):

Existe disponible en Internet, como una cortesía de la Universidad de Hamburgo en Alemania, un programa animado que muestra con una simulación el funcionamiento en modo asíncrono de un USART, la cual se puede accesar en el siguiente domicilio:

http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades
_________/webdemos/50-rtlib/65-usart8251/usart-transmit.html

En esta demostración, si hacemos "clic" sobre el "monitor" que está bosquejado en el extremo derecho del diagrama que contiene al USART 8251, aparecerá una "ventana" típica de las ventanas de texto de la época en la que los monitores de las computadoras sólo tenían capacidad para el trazado de texto sobre un fondo negro y no de gráficos; y lo que se está simulando es una simple terminal receptora de texto a la cual le llega el mensaje clásico que dice "Hello, world!" (Hola, mundo!). Esta "estación terminal" puede ser configurada en su velocidad (baud) y en la paridad que será utilizada para la detección de errores (paridad par, paridad impar, o ninguna paridad). Al entrar en esta página se activa de inmediato el simulador de diagramas de tiempo "Hades Waveform Viewer". El botón derecho del mouse, cuando el cursor está puesto dentro de la "ventana" de simulación del circuito, abre una lista vertical de opciones de menú, en la cual el punto de inicio es la opción "simulación" (simulation) que nos dá las tres posibilidades: stop (detener la simulación), pause (pausar la simulación) y run (correr la simulación), mismas opciones que se encuentran también disponibles en el borde inferior de la ventana principal del simulador. Si la ventana de diagramas de tiempo "Hades Waveform Viewer" no aparece, en este menú del "mouse" la podemos invocar con la opción view de donde escogemos show waveform viewer; y con esta misma opción la podemos seguir invocando cuantas veces sea necesario a lo largo de una simulación. Dentro de la ventana del Hades Waveform Viewer, la punta de la flecha del cursor tiene anexadas permanentemente una línea horizontal y una línea vertical, las cuales nos permiten localizar en forma precisa dentro de la ventana del "Viewer" con el cursor vertical un tiempo específico situado dentro del tiempo de la simulación, y con el cursor horizontal uno de los parámetros (RESET, nCS, CnD, nRD, nWR, DATA, nTXC, TXD,TXRDY, TXE y nCTS) cuyo valor binario será desplegado inmediatamente en el renglón como "Value:". Hay una línea adicional aquí titulada "comment" en la cual se nos describe lo que está sucediendo en cierto intervalo de tiempo. Por su parte, la ventana principal en donde está el circuito (no la ventana Hades Viewer) tiene en su parte inferior un botón i para imprimir el status del simulador, un botón de doble flecha apuntando hacia la izquierda para "reajustar" el tiempo de simulación hasta t=o, un botón de doble flecha apuntando hacia la derecha para correr la simulación en modo "perpetuo" (interactivo) y un botón con una sola flecha apuntando hacia la derecha que nos permite seleccionar un intervalo de tiempo de simulación, el cual tenemos que especificar previamente en la ventana numérica a su derecha así como las unidades de tiempo del intervalo de simulación (nanosegundos, microsegundos, milisegundos, segundos, minutos, horas). Es necesario oprimir este "botón" dos veces para ir más allá del tiempo inicial de simulación programado por el "StimuliGen" con una duración de 0.83 segundos. Los tres "foquitos" LED a la derecha nos indican que la simulación está detenida (foquito rojo), la simulación está pausada (foquito amarillo), o la simulación está corriendo (foquito verde). Se puede afirmar que esta simulación, para haber sido elaborada con propósitos meramente educativos, es una simulación bastantes sofisticada.

Hasta ahora, al hablar acerca de las comunicaciones seriales lo hemos hecho teniendo en mente el protocolo de comunicación serial basado en el estándard RS-232. Es importante señalar aquí que, en buena medida, el protocolo RS-232 para el cual fueron diseñados varios de los circuitos integrados que hemos visto en este Suplemento está siendo superado por un nuevo estándard de comunicaciones seriales más universal, el conocidísimo estándard USB (Universal Serial Bus), el cual es implementado con sus propios circuitos integrados que también se pueden obtener comercialmente en el mercado para el desarrollo de proyectos o la construcción de computadoras.

Existen varias ventajas del estándard USB sobre el estándard RS-232. La primera ventaja es que se pueden conectar varios equipos (impresoras, cámaras digitales, escáners, teclados MIDI, etc.) a una misma computadora sin necesidad de tener que construírle a la computadora puertos de entrada adicionales, ya que se puede utilizar el mismo puerto de entrada USB de la computadora ampliando la capacidad de dicho puerto con un hub expansor:

de modo tal que es posible tener tres o cuatro unidades periféricas distintas enviando información serial a la misma computadora a través de la misma entrada USB de la computadora (anteriormente, si se quería conectar un equipo con modo de comunicación serial a una computadora, había que desconectar el equipo que ya estuviese instalado, frecuentemente la impresora, para utilizar dicho puerto de entrada como canal de intercomunicación con la computadora, lo cual hoy ya no es necesario). Bajo el estándard USB, hasta 127 piezas de equipo (lo cual incluye los hubs expansores de capacidad) se pueden conectar a una misma computadora. El estándard inicial USB fué el USB 1.0, apoyado por sistemas operativos como Windows 98, ofreciendo una capacidad de transmisión de datos de hasta 12 Megabits por segundo; el cual está siendo superado por el USB 2.0 que ofrece las mismas características pero a una velocidad de intercomunicación mucho mayor (40 veces mayor) de 480 Megabits por segundo con las unidades periféricas que se le conecten a la computadora. El siguiente paso evolutivo programado para este estándard es el USB 3.0 que debe poder ofrecer una capacidad de transmisión serial de datos de hasta 4.8 Gigabytes por segundo. Otra ventaja del estándard USB sobre el estándard RS-232 es que las unidades periféricas se pueden conectar, desconectar y volver a conectar en el orden que sea a las entradas USB de la computadora tiempo después de que haya sido encendida la máquina (esta característica es conocida en la literatura técnica como hot swapping), mejor conocida desde el punto de vista del sistema operativo Windows como PnP (Plug-and-Play), lo cual no era posible anteriormente ya que al encender la máquina los programas de "arranque" (contenidos en el BIOS) para los puertos seriales inicializaban todo al inicio y no era posible alterar posteriormente la comunicación.

En su esencia, un cable USB para comunicaciones seriales entre una computadora y una unidad periférica consta de únicamente cuatro alambres aislados en su interior: dos cables para envío de energía eléctrica identificados de la manera usual como power (voltaje) y ground (tierra eléctrica) así como dos alambres identificados como D+ y D-. Los cables de energía eléctrica son requeridos cuando la unidad periférica que está siendo conectada carece de su propia fuente de energía y tiene que ser energizada por la computadora, como es el caso de los flash drives. Cuando una unidad periférica se conecta a la computadora, la computadora (o el hub) detecta la presencia de la unidad periférica mediante una resistencia eléctrica que actúa como pullup dependiendo de que la unidad periférica sea una de baja velocidad (USB 1.0) o de alta velocidad (USB 2.0). Una resistencia pullup puesta en el cable que corresponde a la señal D- indica que se trata de una unidad de baja velocidad, mientras que una unidad periférica de alta velocidad tiene una resistencia pullup en el cable D+. Para el manejo de las señales USB, hay varios circuitos integrados en el mercado, uno de los cuales es el PIC 16C745, de la empresa Microchip. Este Controlador Programable de Interrupciones es en su interior un circuito integrado tan complejo y tan sofisticado que en la literatura técnica se le identifica también como un microprocesador, aunque en el sentido estricto de la palabra no lo es. A continuación tenemos un bosquejo de un PIC 16C745 dispuesto para el manejo de una unidad periférica de baja velocidad, con una resistencia pullup puesta en la línea D-:

A continuación tenemos en mayor detalle un proyecto construído como parte de una tarea escolar por dos estudiantes canadienses como parte de los requerimientos para poder obtener su grado en Ingeniería Física en la University of British Columbia, el cual como puede verse está configurado para ser de baja velocidad:

En la esquina superior derecha de este diagrama esquemático podemos ver las asignaciones que bajo el estandárd USB se deben hacer a cada una de las terminales de un conector USB.

Aquí puede surgir una duda sobre cómo es posible que una computadora pueda distinguir entre las diversas señales digitales que le están enviando varias unidades periféricas a través de lo que es esencialmente una sola línea de entrada. ¿Cómo evitar confundir una señal digital que le está llegando desde una cámara Web con una señal digital que le está llegando de una impresora? La respuesta radica en el hecho de que bajo el estándard USB cada pieza de equipo tiene su propio identificador, algo así como su "nombre propio" y sus apellidos, lo cual le permite a la computadora el poder distinguir -con la ayuda del sistema operativo- una unidad periférica de la otra. De hecho, la primera vez que se conecta con un cable USB una unidad periférica a una computadora en la que nunca antes se había utilizado, lo primero que hará la computadora será buscar entre su "catálogo de equipos USB" interno el "nombre propio" y apellidos de tal unidad periférica, y al no encontrarlo el sistema operativo le pedirá al usuario el disco CD de instalación de los programas drivers que le permitan al sistema operativo poder procesar la información que le envíe dicha unidad periférica. Una vez que se ha llevado a cabo este procedimiento, el sistema operativo agrega tal unidad periférica a su "catálogo interno", de modo tal que la próxima vez que tal unidad periférica se vuelva a conectar a la misma computadora se llevará a cabo la búsqueda de rigor en dicho catálogo interno, y al encontrar que los programas drivers para tal unidad periférica ya están almacenados en el disco duro el sistema operativo cargará dichos drivers en la memoria RAM para poder intercomunicarse con dicha unidad periférica.

Aunque aún es posible ver muchas computadoras que tienen en su parte trasera un puerto para interconectar las impresoras a un conector basado en el estándard RS-232, la mayoría de las nuevas impresoras en el mercado están equipadas ya con un puerto USB para ser interconectadas de este modo a la computadora. De cualquier modo, aunque el estándard RS-232 termine siendo desplazado por completo, mucho de lo que hemos aprendido en este Suplemento sigue siendo completamente válido porque los principios esenciales siguen siendo los mismos, al igual que las tres funciones lógicas básicas AND, NOT y OR sobre las cuales a fin de cuentas se viene basando el diseño de cualquier computadora.

Para obtener más datos sobre los detalles técnicos de los UART, se recomienda consultar el siguiente enlace:

http://www.freebsd.org/doc/en_US.ISO8859-1/articles/serial-uart/

Por otro lado, se puede obtener mayor información sobre el estándard de comunicaciones seriales RS-232 consultando la Wikipedia en el siguiente enlace:

http://en.wikipedia.org/wiki/RS-232

También en la misma Wikipedia se puede obtener mayor información en el siguiente enlace acerca del estándard USB que está desplazando rápidamente al estándard RS-232:

http://en.wikipedia.org/wiki/USB

LAS COMUNICACIONES ASÍNCRONAS ( III )

2009-04-23T00:50:00.000-07:00

Otro componente muy popular con un elevado nivel de integración para auxiliar al microprocesador en su manejo de unidades periféricas es el conocido como Interfaz Programable Periférica (simbolizada en la literatura como PPI, acrónimo del inglés Programmable IPeripheral Inteface), de la cual el circuito integrado 8255 (o su equivalente el 82C55) es quizá uno de los más conocidos. Su relación de terminales "pins" es la siguiente:

A continuación tenemos otro diagrama que muestra al PPI 82C55 no con la asignación física de "pins" arriba mostrada sino con las terminales reacomodadas de modo funcional para que el funcionamiento de este circuito integrado sea un poco más comprensible (ampliar imagen):

Como puede verse, hay tres puertos disponibles para la canalización paralela de datos binarios, el puerto A (port A, seleccionable con una entrada de A₁A₀ = 00), el puerto B (port B, seleccionable con una entrada de A₁A₀ = 01) y el puerto C (port C, seleccionable con una entrada de A₁A₀ = 10). La entrada A₁A₀ = 11 está reservada para girarle una instrucción a este componente para que lleve a cabo alguna de las funciones que puede llevar a cabo. Las líneas D₀ a la D₇ son para canalizar los datos de entrada o de salida de una palabra de 8 bits a través de uno de los tres puertos. En un sistema, este componente se conectaría de una manera como la siguiente:

El siguiente diagrama nos muestra cómo se utilizaría el PPI 82C55 para construír un circuito para llevar cabo la lectura de una de las 16 teclas de un teclado externo:

Obsérvese cómo las teclas del teclado externo están dispuestas en un arreglo rectangular de renglones (conectados independientemente a cuatro de las ocho terminales del puerto A) y columnas (conectadas independientemente a cuatro de las ocho terminales del puerto B). A su máxima capacidad, este mismo diseño se puede ampliar fácilmente para leer cada una de las teclas de un teclado de 64 teclas no muy diferente al que está usando el lector en estos momentos.

Como el nombre del componente lo indica, el PPI 82C55 es programable. A continuación tenemos la forma en la cual la ejecución de las instrucciones se puede llevar a cabo:

Como ya se mencionó previamente, la entrada A₁A₀ = 11 está reservada para girarle una indicación al PPI 82C55 de que una instrucción será llevada a cabo. Al poner esta entrada, los ocho bits a la entrada del puerto A se convierten en un byte de comando (Command Byte A), y los ocho bits a la entrada del puerto B también se convierten en otro byte de comando (Command Byte B). Dependiendo del valor que tenga cada uno de estos ocho bits en cada uno de estos dos bytes de comando, se obtendrá un resultado diferente. Por ejemplo, si al bit 4 del byte de comando A se le pone un valor de 1 lógico, entonces el puerto A se convertirá en un puerto para la entrada de datos, y si se le pone un valor de 0 lógico, se convertirá en un puerto para la salida de datos. El bit 2 del byte de comando A es interesante, porque nos permite seleccionar uno de los modos de operación del PPI 82C55, el cual funcionalmente puede trabajar de hasta tres modos distintos (designados por los fabricantes como mode 0, mode 1, mode 2) de acuerdo con lo que indican los siguientes diagramas:

Existen otros controladores periféricos programables más recientes, además de los ya mencionados que marcaron la pauta a seguir, tales como el PIC12C508/509, el PIC16F84A, el PIC16F628 el PIC18F4550, y el PIC16F87X.

No se entrará más a fondo aquí en el estudio de este tipo de componentes porque ello requeriría de un libro como este.

Es importante señalar que para poder utilizar un UART con el fin de que el microprocesador pueda llevar a cabo comunicaciones seriales hacia el mundo exterior bajo un estandard de comunicaciones seriales como la norma RS-232 (en la cual el "1" lógico está especificado como un voltaje positivo de +15 volts, y el "0" lógico como un voltaje negativo de -15 volts), se requiere otro componente que pueda garantizar las conversiones eléctricas de los niveles de voltaje usados por los otros componentes con los que trabaja el microprocesador (por ejemplo, los niveles de cero volts para un "0" y de +3 volts para un "1" con que funcionan los circuitos integrados TTL), un componente como el transceptor (transceiver) MAX232:

Con la adición de cinco capacitores externos de bajo costo especificados por el fabricante, la conversión realizada por este circuito es llevada a cabo en forma directa sin mayor ciencia:

El diagrama funcional del circuito integrado MAX232 (ampliar imagen):

nos indica que si la terminal de entrada para convertir señales con niveles TTL/CMOS es la terminal 11 (T1IN), entonces las señales ya convertidas a niveles RS-232 se podrán obtener en la terminal 14 (T1OUT); mientras que si la terminal de entrada para convertir señales con niveles RS-232 es la terminal 13 (R1IN), entonces las señales ya convertidas a niveles TTL/CMOS se podrán obtener en la terminal 12 (RIOUT). El circuito integrado proporciona otros dos pares de terminales para lograr lo mismo, los pares 10/7 (conversión TTL/CMOS a RS-233) y 8/9 (conversión RS-232 a TTL/CMOS).

Lo interesante del circuito integrado MAX232 es que aunque puede generar las señales de voltaje RS-232 de +15 volts y -15 volts, lo puede hacer alimentado con una fuente de voltaje de +5 volts.

A continuación (ampliar imagen) se muestra la transmisión de un byte con el cambio de niveles de voltaje en el pin de salida del UART (o y +5 volts) a los niveles de voltaje mayores (-12 volts y +12 volts) requeridos para la transmisión bajo el estándard RS-232, usando el caracter ASCII que representa a la letra "J" (B₇B₆B₅B₄B₃B₂B₁=01001010):

Consideraremos que el bit B₀=0 está siendo usado como bit de paridad. Obsérvese que antes y después de la transmisión del byte se requiere agregarle dos bits al dato que será enviado:

(1) Un bit de comienzo (START) puesto antes del byte, en este caso igual a "0".

(2) Un bit de terminación (STOP) puesto después del byte, en este caso igual a "1".

Al comienzo de la transmisión de cada byte, es necesario añadir el bit de comienzo START para hacerle saber al receptor que un byte de datos va a ser enviado, el cual le permitirá al receptor poder sincronizarse con los bits posteriores. El bit de terminación STOP proporciona un período de tiempo antes de que el siguiente bit de comienzo (START) sea transmitido, y tiene un nivel (ó sentido) opuesto al bit de comienzo para permitirle al bit de comienzo el poder ser "visto" por el receptor. El proceso de "enmarcar" un dato entre un bit de comienzo START y un bit de terminación STOP es conocido en la literatura técnica como framing, y podemos representar un "marco" de la siguiente manera:

en donde el bit de comienzo START está representado a la izquierda de color verde, el bit de paridad que le sigue está representado de color marrón, los siete bits que representan un símbolo ASCII son de color ciano, y el bit de terminación STOP está representado a la derecha de color rojo.

En el siguiente diagrama esquemático simplificado de una microcomputadora tenemos la presencia ineludible de un UART, el UART 16C550, junto con el PPI 82C55 (designado en el diagrama como un bloque funcional PIO, un acrónimo del inglés que significa Programmable Input Output, lo cual para nuestros propósitos no es más que otra designación para los componentes PIC y PPI utilizados en conjunción con el UART para el manejo de las unidades periféricas), junto con el imprescindible MAX232 para el envío y recepción de señales seriales RS-232 de y hacia equipo periférico (ampliar imagen):

LAS COMUNICACIONES ASÍNCRONAS ( II )

2009-04-22T00:48:00.000-07:00

Una derivación del método Manchester es el esquema Manchester diferencial (differential Manchester), en el cual si un "1" es representado por una transición, entonces el "0" es representado por dos transiciones, y viceversa. En el siguiente diagrama tenemos tres palabras binarias distintas, la palabra "000", la palabra "101" y la palabra "011", codificadas bajo el esquema "Manchester diferencial":

Otro esquema es el esquema de Regreso a Cero (Return to Zero ó RZ) en el cual cada vez que aparece un "1" se eleva la señal de un nivel de voltaje bajo a un nivel de voltaje alto, tras lo cual la señal es regresada a su nivel de voltaje bajo:

Existen también otros métodos tales como NRZ-M (Non Return to Zero Mark) en el cual la polaridad de la señal cambia cuando lo que va a ser enviado es "1" y en el cual no hay cambio alguno en la polaridad de la señal cuando lo que va a ser enviado es un "0"; y NRZ-S (Non Return to Zero Space) que trabaja igual que NRZ-M excepto que la polaridad de la señal cambia cuando lo que va a ser enviado es un "0", no habiendo cambio alguno cuando lo que va a ser enviado es un "1". A continuación se presentan los diagramas de tiempo mostrando la palabra binaria enviada "101100101" en los formatos NRZ-L, NRZ-M y NRZ-S:

Así pues, con la selección de un formato de codificación de los datos binarios como el código Manchester, es posible transmitir en forma simultánea una serie de datos binarios así como los pulsos de "reloj" que permitan establecer una sincronización entre el transmisor y el receptor.

La segunda respuesta al dilema de transmitir tanto los datos digitales como la señal sincronizadora radica en uno de los muchos trucos que hay en el costal del ingeniero electrónico. Consiste en "romper" la transmisión de la señal digital que será enviada, subdividiéndola en "paquetes" iguales formados cada uno de ellos una cantidad de algo así como ocho bits (un byte), y al enviar la señal digital -bit por bit- a lo largo de la línea injertamos entre cada "paquete" una serie de pulsos sincronizadores de alta precisión de la manera como se muestra en la siguiente figura:

Como puede verse en este diagrama de tiempos, al inicio de las comunicaciones el transmisor envía cuatro pulsos "sincronizadores" de reloj al receptor para permitirle al receptor poder sincronizar su propio reloj con el reloj del transmisor, los cuales son seguidos del primer dato byte que será enviado, la palabra 00110100, tras lo cual el receptor envía nuevamente otros cuatro pulsos "sincronizadores" para permitirle al receptor volver a sincronizar nuevamente su propio reloj con el reloj del transmisor para compensar por cualquier diferencia pequeña que se haya ido acumulando debido a la imposibilidad física de poder construír dos relojes distintos con calibraciones idénticas. Esencialmente, desde el lado del "transmisor", lo que se está haciendo es convertir la información paralela que está siendo enviada por el microprocesador a información serial que puede ser enviada bit-por-bit a través de un solo canal de intercomunicación:

con pulsos sincronizadores de alta precisión añadidos entre cada "paquete". Se sobreentiende que, del lado del "receptor", habrá electrónica lo suficientemente precisa como para poder extraer del torrente digital que le está llegando las señales de reloj con las cuales se irá "sincronizando" con el reloj del "transmisor" con el fin de poder ir reconstruyendo los datos digitales que le están llegando en "paquetes". Tanto el transmisor como el receptor cuentan con relojes de alta precisión ajustados a la misma frecuencia. Al llegar la señal digital al receptor, lo primero que hace es "sincronizar" su reloj de alta precisión usando para ello la serie de pulsos sincronizadores que está recibiendo al inicio del mensaje. Hecho esto, una vez sincronizados los relojes de ambos, se envía la señal digital en el sobreentendido de que los unos y los ceros estarán subdivididos en el tiempo de acuerdo a lo que marcan los relojes sincronizados. En virtud de que no se está enviando una "señal de reloj" de manera independiente sino que se está incorporando dentro de la misma señal, a este modo de comunicaciones se les conoce como comunicaciones asíncronas.

De hecho, cuando una computadora se está conectando a Internet a través de la línea telefónica o a través de cualquier otro medio, ya sea cable, señal satelital, o cualquier otra cosa que se llegue a inventar en el futuro, después de marcar la línea telefónica la computadora lo que hace es enviar una serie de pulsos preliminares con los cuales trata de que el servidor Web del otro lado se "sincronice" con su señal. Si el receptor no "entiende" el mensaje sincronizador, entonces va ajustando su propia velocidad de diálogo -su propio "reloj interno"- hacia arriba o hacia abajo según se requiera hasta que pueda empezar a sacar sentido alguno del mensaje que está recibiendo. Esta transacción se lleva a cabo a alta velocidad hasta que ambos llegan a un "acuerdo" y se fija una velocidad de transmisión común en ambas vías. Como ya se dijo, es necesario estar enviando los pulsos sincronizadores entre cada "paquete" de información debido a que dos relojes diferentes, por precisos que sean, eventualmente se comenzarán a desfasar, porque siempre uno de ellos será un poquito más lento o más rápido que el otro, aunque sea por una diezmillonésima de segundo, y cuando se están enviando muchos datos digitales a alta velocidad, cualquier desfase se puede acumular rápidamente arruinando la recepción de la señal.

Puesto que el primer gran problema a resolver cuando hicieron su aparición las computadoras de escritorio fue el tratar de intercambiar información a través de la línea telefónica, algo indispensable para la creación de Internet, para poder llevar a cabo las primeras comunicaciones asíncronas a través de los primeros modems se diseñó un circuito integrado que al igual que el microprocesador ha ido evolucionando con el paso del tiempo hasta convertirse por cuenta propia en algo tan complejo como los primeros microprocesadores: el UART (acrónimo del inglés Universal Asynchronous Receiver Transmitter, que significa "Receptor Transmisor Asíncrono Universal).

Con el UART, dos microcomputadoras situadas en puntos remotos que tengan necesidad de comunicarse entre sí lo harán bajo la siguiente configuración:

Como puede verse en el anterior diagrama, el proceso de intercomunicación entre dos microcomputadoras (que en su nivel más básico es en realidad un proceso de intercomunicación entre dos microprocesadores) requiere de dos UARTs, uno instalado cerca de cada máquina.Cuando compramos en la tienda una tarjeta de modem para darle capacidad de intercomunicación Internet por la línea telefónica a una computadora que aún no tiene dicha capacidad, en realidad lo que estamos comprando es un sofisticado UART montado en una tarjeta de circuito impreso, junto con el programa de software driver que le permite a la computadora reconocer al modem durante el proceso de instalación.

Así como los microprocesadores Intel 8086 y Motorola 6800 marcaron la pauta a seguir para los diseños de los microprocesadores utilizados en las computadoras actuales, del mismo modo también hubo dos "grandes abuelos" que han marcado la pauta de los estándares a seguir en comunicaciones seriales asíncronas: el UART 16450 (también conocido como el circuito integrado 8250) y el UART 16550, ambos circuitos integrados de 40 pins. A continuación se muestra la relación de pins para los dos:

El empaque mostrado en ambos diseños es el tipo de encapsulamiento conocido como DIP (Dual In-line Package). El UART 16550 también se puede obtener comercialmente en un empaque "cuadrado" de 44 pins (11 pins colocados a cada lado del cuadrado):

Es común ver instalado en casi todas las computadoras de antaño en muchas tarjetas de modem un UART que está implementando para su comunicación con el mundo exterior un protocolo de comunicaciones seriales conocido como el estándard RS-232:

En este último dibujo tenemos el diseño esencial de una computadora personal (PC) de escritorio cuyo componente central es, naturalmente, un microprocesador (µP) con sus memorias RAM y ROM. La línea roja gruesa que podemos apreciar en el dibujo es esencialmente el bus de datos por medio del cual se pueden sacar datos tanto de la memoria RAM como de la memoria ROM para ser canalizados hacia afuera a través del UART, bajo la coordinación externa de otro componente esencial para que la acción del UART se pueda sincronizar con las labores llevadas a cabo por el microprocesador: el Controlador Programable de Interrupciones (simbolizado en la literatura como PIC, acrónimo del inglés Programmable Interrupt Controller).

Un Controlador Programable de Interrupciones PIC es casi una necesidad cuando se están implementando no sólo comunicaciones seriales con el mundo exterior a través de un modem sino inclusive cuando la computadora simplemente está recibiendo información serial de componentes que le son periféricos a la misma tales como el teclado. Cuando oprimimos una tecla en el teclado, esencialmente le estamos enviando al microprocesador una señal de requisición de interrupción (denotada como IRQ, acrónimo de la expresión inglesa Interrupt Request) diciéndole "necesito que detengas momentáneamente lo que estás haciendo, porque te estoy enviando un dato que necesito que proceses de manera inmediata). Si hubiera un solo componente enviándole señales de interrupción al microprocesador, la tarea sería relativamente fácil y el mismo microprocesador podría atender estas peticiones sin perder mucho tiempo en procesarlas. Pero cuando hay varios componentes tales como un teclado, un módem, una impresora serial, etc., todos ellos enviándole señales de interrupción al microprocesador, el microprocesador por potente que sea puede terminar muy atareado atendiendo estas requisiciones, distrayéndose de sus labores principales de procesamiento de información. Es por ello que, con el fin de aligerar la carga de trabajo del microprocesador, se desarrolló el Controlador Programable de Interrupciones, el cual se encarga de darles su prioridad respectiva a cada una de las interrupciones que se están efectuando en el entorno del microprocesador. Como un ejemplo de un Controlador Programable de Interrupciones, podemos citar el circuito integrado 8259 diseñado y comercializado originalmente por Intel, cuya relación de pins es la siguiente:

Este componente también es un circuito integrado sofisticado por dentro, como podemos verlo en el diagrama esquemático de su lógica interna:

Esencialmente, el Controlador Programable de Interrupciones proporciona una interfaz entre el microprocesador y otros componentes periféricos que requieran la atención del microprocesador, entre ellos el UART. A continuación tenemos un bosquejo de cómo la señal de interrupción enviada por un UART 16550 es canalizada a través del Controlador Programable de Interrupciones 8259 hacia un microprocesador 80x86:

El lector atento se habrá dado cuenta de que el anterior esquema puede manejar hasta 16 requisiciones de interrupción, desde la IRQ0 hasta la IRQ15, provenientes de hasta 16 unidades periféricas, siendo que la relación de pins dada para el PIC 8259 únicamente tiene capacidad para poder manejar hasta ocho requisiciones de interrupción, desde la IRQ0 hasta la IRQ7 (desde el pin 18 hasta el pin 25 en el circuito integrado mostrado más arriba). Y se habrá preguntado ya, ¿de dónde viene esta capacidad extra para manejar requisiciónes de interrupción? La respuesta a esto es sencilla: por diseño, se pueden conectar dos PICs en una configuración Maestro-Esclavo que permite ampliar la capacidad en el manejo de señales de interrupción. A continuación se muestra la manera en la cual se debe llevar a cabo esta inteconexión entre dos PICs:

Ahora puede ver claramente el lector cuál es el verdadero propósito de los pins 12, 13 y 15 (CAS0, CAS1 y CAS2) en el dibujo de la relación de pins del PIC 8259. Son pins para inteconexión en cascada para aumentar la capacidad en el manejo de señales de requisición de interrupción.

A continuación se muestra un diseño más completo en donde se han interconectado en una tarjeta de circuito impreso dos PICs 8259 para aumentar la capacidad de procesamiento de requisiciones de interrupción (como de costumbre, las líneas D0-D7 representan las líneas del bus de datos, para el manejo paralelo de información de los ocho bits de un byte, mientras que las líneas A0-A15 representan las líneas del bus de domicilios):

LAS COMUNICACIONES ASÍNCRONAS ( I )

2009-04-22T00:01:00.000-07:00

Sin lugar a dudas, la comunicación paralela en la cual se pueden enviar simultáneamente varios dígitos binarios (bits) a la vez a través de varios alambres independientes es la que ofrece la mayor rapidez posible. Esto es precisamente lo que se hace al interior de una microcomputadora, en donde a través de un bus formado por ocho o más líneas independientes podemos enviar información en forma paralela. Sin embargo, hay ocasiones en las que esto no se puede llevar a cabo. Frecuentemente queremos enviar hacia el exterior información digital pero no contamos con el lujo de varias líneas independientes que nos permitan enviar simultáneamente dígitos binarios diferentes que representen distintos valores. Un ejemplo de ello es la línea telefónica, en donde no contamos ni siquiera con un grupo de cuatro cables que nos permitan enviar a través de la línea telefónica cuatro bits a la vez. Otro ejemplo de ello es la comunicación satelital, en donde al enviar o recibir algo de un satélite lo logramos mediante una señal electromagnética de alta frecuencia. En tales casos, nos vemos forzados a llevar a cabo la comunicación en forma serial en donde en vez de enviar varios bits a la vez tenemos que enviar de uno en uno. En principio, esto requiere del envío simultáneo de una señal de reloj que le permita al receptor saber cómo distinguir entre un bit y el siguiente. A manera de ejemplo, considérese la siguiente señal digital de 16 bits:

0011010010101110

Suponiendo que la señal sea enviada siguiendo un orden de izquierda a derecha, entonces se enviará primero un "0", tras lo cual se enviará otro "0", tras lo cual se enviará un "1" y después el "1" que le sigue, seguido de un "0", y así sucesivamente. Desde el punto de vista de presencia y ausencia de voltajes en la línea para denotar los "unos" y los "ceros", conforme avanza el tiempo esta señal mostrará el siguiente aspecto:

Si en este diagrama de tiempos borramos los "unos" y los "ceros" que están puestos encima de la señal digital, de cualquier forma podemos recuperar la información escribiéndola de nuevo gracias a los pulsos sincronizados de la "señal de reloj". Obsérvese que el envío de una "señal de reloj" es un complemento indispensable en la transmisión serial de una señal digital. Sin esta señal de reloj, el receptor no tiene forma alguna de saber cuándo y en dónde empieza un "cero" y termina un "uno" o viceversa, como tampoco tiene forma alguna de saber cuál es la duración de cada intervalo de tiempo que subdivide a los "bits" que están siendo enviados. Aunque a primera vista pudiera creerse que la subdivisión del tiempo puede ser extraída por el receptor del intervalo de tiempo más corto detectado en una señal entre un "uno" y un "cero", esto no ofrece garantía alguna. En efecto, si enviamos las siguientes señales digitales de 16 bits, una tras otra:

1111111111111111

0000000000000000

1111111100000000

0000000011111111

y el receptor se basa únicamente en la duración del intervalo más corto, que correspondería a la secuencia "11111111", erróneamente podría concluír que se le ha enviado una señal compuesta de tan sólo 8 bits, la señal "11001001", cuando en realidad se le ha enviado una señal de 64 bits. El problema que tenemos para decodificar la señal basada en los tiempos de transmisión es el mismo que el que tenían los telegrafistas de antaño para comunicarse a través de sus primitivos aparatos mediante el "código Morse". (Generalmente, los telegrafistas trataban de mantener cierto "tiempo" razonable entre la transmisión de cada letra, un "tiempo razonable" que pudiera ser leído "razonablemente" por ambos, y aún así era necesario que el receptor después de haber recibido el mensaje telegráfico retransmitiera el mensaje al que lo envió para ver si no se había cometido error alguno. El problema que tenemos aquí es que en la transmisión de datos digitales estamos transmitiendo no el equivalente de una letra del alfabeto cada dos segundos, sino el equivalente de miles de bits de información a velocidad electrónica con la cual ningún humano se podría dar abasto.)

Queda pues fuera de toda discusión la necesidad de tener que enviar una "señal de reloj" junto con la señal digital para que el receptor pueda recuperar íntegramente el mensaje. El problema estriba en que en muchas ocasiones no tenemos ni siquiera el lujo de contar con un cable extra que nos permita enviar dicha "señal de reloj". El cable telefónico consta en esencia de tan sólo dos alambres, de tan sólo dos líneas, un cable es usado para enviar la señal de corriente eléctrica, y el otro cable es utilizado como "tierra eléctrica" para recibir la corriente de retorno. No existe un tercer cable a través del cual podamos enviar una señal de reloj.

¿Entonces cómo es posible que una computadora pueda enviar y recibir una señal de Internet a través de la línea telefónica?

Hay dos respuestas a este dilema.

La primera respuesta tiene que ver directamente con la selección del formato con el cual están codificados los datos binarios, lo cual requiere tratar un tema que habíamos dejado pendiente hasta ahora.

Empezaremos hablando acerca de algunos tipos de formatos usados para la codificación de datos digitales en preparación para su transmisión a través de un canal de comunicaciones. Un esquema que es la representación más sencilla de todas es el método No Regreso al Nivel Cero (Non Return to Zero Level ó NRZ-L) en el cual el "0" es representado como ningún voltaje (o mejor dicho, cero voltaje) y el "1" es representado por un nivel alto de voltaje. Esta es una representación a la que ya deberíamos de estar acostumbrados, puesto que es precisamente la representación con la cual hemos construído casi todos los diagramas de tiempo mostrados en este libro desde el principio, es el mismo formato que se ha estado utilizando en la construcción de todo los diagramas de tiempo relacionados con el comportamiento de los circuitos digitales combinatorios y secuenciales.

Otra variante es el método NRZ-I (Non Return to Zero Inverted) en la cual solo ocurre una transición cuando aparece un "1" (un "0" no produce ningún cambio). La ventaja de este método es que es más fácil para los circuitos eléctricos detectar un cambio de voltaje que estar midiendo niveles absolutos de voltajes. Este método es el utilizado en las comunicaciones que se llevan a cabo en los puertos USB de las computadoras caseras. La desventaja de este método es que no hay cambio alguno cuando hay una secuencia formada por puros "ceros" además de que no lleva consigo ninguna información que permita al receptor sincronizar su propio "reloj" con el "reloj" con que fue construído el dato recibido. Para superar esta deficiencia, en 1949 hizo su aparición el esquema de codificación Manchester, utilizado ampliamente en las redes de computadoras conectadas bajo la convención Ethernet, en el cual se utiliza una transición de un voltaje bajo a un voltaje alto a la mitad del bit para representar un "1" y una transición de un voltaje alto a un voltaje bajo a la mitad del bit para representar un "0". Para lograr una codificación Manchester, la señal NRZ-L es sometida junto con la señal de "reloj" a una operación de OR-EXCLUSIVO, lo cual transforma a una señal codificada como NRZ-L en una señal Manchester. La ventaja del método Manchester es que envía al mismo tiempo el dato y la información sincronizadora de los pulsos del reloj con los cuales se construyó la palabra binaria, ya que tiene una transición para cada ciclo sin importar que la palabra binaria esté formada por una larga secuencia de "unos" y "ceros". La enorme desventaja es que al recurrir a transiciones a la mitad de cada bit,el ancho de banda requerido para la transmisión de la señal se duplica, de modo tal que una señal codificada en formato NRZ-L que pueda ser enviada en un ancho de banda de 200 Megahertz requerirá un ancho de banda de 400 Megahertz para poder ser enviada. A continuación se muestran los tres esquemas NRZ-L, Manchester y NRZ-I:

PROGAMACIÓN DEL MICROPROCESADOR ( IV )

2009-04-21T00:32:00.000-07:00

La conversión a código binario (usando algún estándard como ASCII) de los símbolos numéricos y alfabéticos de los que consta un programa como el programa BASIC mostrado en el artículo anterior es tan sólo el primer paso previo a la ejecución del programa escrito por un programador. Conforme va entrando este torrente de "unos" y "ceros" a una sección de la memoria RAM reservada para almacenar esta información preliminar, la información sigue sin tener significado alguno para la máquina. Aunque en formato binario, este conjunto de "unos" y "ceros" conocido como código fuente (source code) tiene que ser convertido al lenguaje de máquina que "entiende" el microprocesador, tiene que ser convertido a una secuencia de instrucciones en lenguaje de máquina que puedan ser ejecutadas por la misma máquina, tiene que ser convertido a código objeto (object code). Y esto tiene que ser llevado a cabo por un programa conversor independiente del programa ejecutor que va a llevar a cabo la ejecución del código objeto. Esto significa que, además del programa que se va a ejecutar en la máquina, el cual es un programa ejecutable desarrollado para procesar en un lenguaje como BASIC ó FORTRAN ó COBOL ó cualquiera de las muchas otras variedades existentes, la máquina debe contar también con un programa traductor que convierta al código fuente en código objeto. Y aquí lo que puede fijar un límite absoluto es el tamaño de la memoria RAM disponible. Aunque hoy estamos acostumbrados a memorias RAM que se miden en los gigabytes, hace varias décadas había que conformarse con memorias RAM muchísimo más modestas, a grado tal que una de las primeras memorias RAM construídas a base de ferritas magnéticas (conocida como magnetic core memory) rara vez excedía del medio megabyte para las computadoras más costosas y sofisticadas en el mercado fabricadas entonces por IBM, Honeywell y Burroughs. Inclusive, ante la falta de capacidad de muchas computadoras para poder tener residentes en la memoria RAM al mismo tiempo tanto un programa traductor como el programa ejecutor del código objeto, frecuentemente lo que hacían los administradores del sistema era acomodar las cosas de modo tal de que en vez de tener a varios programas residentes al mismo tiempo en la memoria RAM, lo que se hacía era cargar primero la memoria RAM con el programa traductor, el cual se encargaba de convertir el código fuente a código objeto, tras lo cual con el código objeto ya residente en la memoria RAM se sacaba fuera de la memoria el programa traductor con el fin de cargar el programa ejecutor encargado de procesar el código objeto. Y de hecho, para programas excesivamente grandes, esto es precisamente lo que se lleva a cabo en muchas computadoras de escritorio de uso actual, y quien se encarga de hacer tal cosa automáticamente es ese otro programa que está corriendo todo el tiempo desde el momento en que se enciende la computadora de escritorio hasta el momento en el que se apaga la máquina, ese otro programa conocido como el sistema operativo. Cuando abrimos un programa que requiere de un consumo enorme de memoria RAM, el sistema operativo "guarda" los demás programas en el disco duro hasta que se requiera utilizar uno de dichos programas, en cuyo caso lo vuelve a cargar. Esta es la razón por la cual un sistema multitareas que está corriendo varios programas a la vez en lugar de uno solo en ocasiones manifiesta tardanzas que nos parecen exasperantes.

Así pues, para poder usar ventajosamente cualquier microcomputadora, a menos de que queramos llevar a cabo la programación en lenguaje de máquina nosotros mismos debemos contar por los menos con tres programas: el programa "fuente" como el que hemos puesto arriba en lenguaje BASIC, el programa traductor que convierta las instrucciones del programa fuente en código objeto, y el programa ejecutor en sí (en este caso, BASIC), el cual tomará las instrucciones del código objeto procesándolas una por una en lenguaje de máquina para proporcionarle al usuario las respuestas deseadas. Esto no incluye ese cuarto programa que vendría siendo un sistema operativo, un programa que está corriendo todo el tiempo y el cual nos facilita enormemente las tareas más sencillas tales como el copiado y el almacenado de archivos. El sistema operativo es una gran comodidad para el uso de cualquier computadora, pero aún sin un sistema operativo es posible programas computadoras; y de hecho ninguna de las primeras computadoras contaba con sistema operativo alguno. En su esencia básica, el sistema operativo no tiene mucha ciencia: al encender la máquina el sistema operativo se va cargando en una buena parte de la memoria RAM; una vez que termina de cargarse comienza a ejecutarse esperando instrucciones del usuario. Si el usuario quiere correr un programa como Mathematica o como Photoshop, entonces al seleccionar dicho programa del menú visual el sistema operativo transfiere el control de la computadora a dicho programa. Una vez que el usuario ha terminado de usar la aplicación, el control de la computadora es transferido nuevamente al sistema operativo. De este modo, el día ordinario en cualquier computadora de escritorio transcurre transfiriendo el control de un programa a otro, hasta que llega el momento de apagar la máquina con la orden final en la cual el usuario le pide al sistema operativo que se encarge de "cerrar" todos los archivos pendientes de ser cerrados y llevar la computadora hasta el punto en el cual pueda ser apagada ya sea por el usuario o por el mismo sistema operativo.

El programa anteriormente proporcionado en lenguaje BASIC es en realidad demasiado elemental para lo que BASIC puede hacer. Por principio de cuentas, BASIC puede efectuar operaciones no sólo sobre números enteros sino inclusive sobre números reales en notación decimal, e inclusive es capaz de llevar a cabo algunas operaciones matemáticas sofisticadas. A manera de ejemplo, considérese el siguiente programa BASIC:

10 A=45.68
20 B=17.29
30 C=A+B
40 D=SQR(C)
50 PRINT D
60 END

Esto ya es algo más sofisticado, y está mucho más "en línea" con lo que los diseñistas de las primeras computadoras querían que sus máquinas lograran. La ejecución del programa hará que los números 45.68 y 17.29 sean asignados a localidades en la memoria RAM en las que puedan ser localizados. La presencia del punto decimal prácticamente garantiza que este lenguaje BASIC necesitará más de una sola localidad de memoria RAM para poder almacenar en formato binario cada uno de estos números decimales. Tras esto, los números serán sumados y el resultado será asignado a localidades en la memoria RAM identificados en conjunto como C en donde pueda ser localizado. A continuación, el número identificado como D será llamado por la computadora para sacarle la raíz cuadrada con la ayuda de una palabra reservada por BASIC para su uso exclusivo, SQR, lo cual requerirá de una buena cantidad de instrucciones en lenguaje de máquina que nos resultaría extremadamente tedioso escribir sin incurrir en equivocación alguna. Al final, se imprime el resultado en la pantalla o en alguna impresora con el comando PRINT. Es motivo de reflexión el pensar que el anterior programa, el cual ocupa tan sólo seis líneas de código fuente, para ser ejecutado tendrá que ser convertido por el mismo microprocesador a cientos de instrucciones en lenguaje de máquina.

El lenguaje BASIC que hemos descrito con ejemplos es un lenguaje BASIC en el cual la microcomputadora va "traduciendo" cada línea de código fuente conforme la va encontrando. Así, primero se encuentra con la línea 10, la traduce a lenguaje de máquina, y la ejecuta. Hecho esto, se topa con la siguiente línea, la línea 20, la traduce a lenguaje de máquina, y la ejecuta. La mecánica de traducción línea-por-línea se repite hasta que se llega a la instrucción final en la cual se le indica a la computadora que el procesamiento ha terminado. Este tipo de programas, en los cuales cada instrucción se va traduciendo paso-a-paso, es conocido como interpretadores.

Además de los lenguajes interpretadores como BASIC, existe otro tipo más sofisticado de lenguajes de alto nivel conocidos como compiladores. La diferencia principal entre un programa interpretador y un programa compilador estriba en que el programa compilador no va traduciendo y ejecutando cada instrucción conforme se la va encontrando, sino que primero traduce todas las instrucciones juntas a lenguaje de máquina, tomando el código fuente y produciendo un código objeto, y una vez hecho esto procede a ejecutar todas las instrucciones ya traducidas de un solo golpe. Este último procedimiento es mucho más eficiente porque permite identificar muchos patrones repetitivos eliminando una gran cantidad de redundancias. En castellano, esto significa que los programas de computadora basados en lenguajes de alto nivel que actúan bajo el proceso de compilación suelen ser mucho más rápidos y suelen contener una cantidad menor de instrucciones en lenguaje de máquina que sus equivalentes en lenguajes interpretados. Una forma de poder reconocer de inmediato un programa que ha sido compilado es que, por regla general, son programas que se pueden ejecutar de inmediato porque todas las instrucciones en lenguaje de máquina están contenidas en un solo archivo. Bajo un sistema operativo como Windows, estos son precisamente los programas ejecutables que tienen una extensión como .exe, .bin y .com, son programas que han sido compilados.

En un principio, escribir un programa ejecutable para computadoras personales haciéndolo de la forma más cercana posible al lenguaje de máquina del microprocesador, sin necesidad de tener que ingresar hasta el fondo en los laboriosos detalles del lenguaje ensamblador con sus instrucciones como MOV y JMP, se llevaba a cabo usando un lenguaje como el lenguaje C, descrito por los expertos como "un lenguaje ensamblador de alto nivel", el cual evolucionó posteriormente al lenguaje C++ que permitía incorporar algo novedoso en aquél entonces conocido como la programación orientada-a-objetos (object oriented programming), lo cual se llevaba a cabo escribiendo líneas de código exclusivamente a través de texto escrito. Esto evolucionó posteriormente a una programación con una interfaz visual con muchas ayudas para el programador, de lo cual los ejemplos más notorios son el compilador Borland C++ y el compilador Visual C++ de Microsoft. Una de las enormes ventajas de utilizar un lenguaje como el C++ para redactar programas ejecutables en lugar de utilizar un lenguaje ensamblador es que las instrucciones proporcionadas bajo C++ no son tan específicas para cierto microprocesador en particular, por el contrario, son lo suficientemente generales como para permitir la creación de programas ejecutables para otros microprocesadores con el simple remedio expedito de volver a compilar el mismo código fuente (con cambios mínimos) para producir programas ejecutables para computadoras construídas con otros microprocesadores. A continuación se muestra un primer ejemplo de un programa escrito en el lenguaje C:

Como puede apreciarse en este breve ejemplo, el lenguaje C permite liberalmente la inserción de comentarios en cualquier parte del programa encerrando los mismos entre los símbolos apareados "/*" y "*/". Todo lo que aparezca entre estos símbolos será ignorado por el compilador C al momento de estar compilando el programa. Al igual que el hardware que está basado en las tres funciones lógicas básicas OR, NOT y AND, el lenguaje C está basado en bloques básicos conocidos como funciones. Un programa C es una colección de una o más funciones. Para escribir un programa en lenguaje C, primero creamos las funciones, tras lo cual las agrupamos para formar el programa. Le podemos dar a las funciones creadas por nosotros cualquier nombre, excepto el nombre main, el cual está reservado para la función principal que echa a andar la ejecución del programa. En el ejemplo mostrado, el programa compilado empieza al igual que todo programa C con la ejecución de la función main, cuya acción está definida entre los corchetes "{" y "}". Este programa hace la invocación a una sola función, la función hola, dentro de la cual se invoca también dentro de sus respectivos corchetes "{" y "}" una de varias funciones reservadas por el lenguaje C, la función denominada printf que lleva a cabo la impresión de la hilera de caracteres hola\n puestos entre las dobles comillas. El símbolo "\n" puesto al final de la hilera ordena que una vez que se haya escrito la hilera indicada hola el cursor de la computadora deberá "saltar" hacia la siguiente línea (esto es el equivalente a la acción de la tecla de "Entrada" al estar escribiendo manualmente un texto en un programa como Microsoft Word). El programa mostrado simplemente imprimirá la palabra "hola" en una ventana para el manejo exclusivo de caracteres alfanuméricos (nada de gráficos), tras lo cual regresará el control de la máquina al sistema operativo. Por último, la directiva de preprocesador include puesta al inicio del programa instruye al compilador C que incluya en el proceso de compilación el archivo STDIO.H; este archivo contiene información requerida por el programa para asegurar la operación correcta de las funciones de librería estándard de Entrada/Salida, de las cuales la función printf es una de ellas.

A continuación tenemos un segundo ejemplo de otro programa escrito en lenguaje C:

En el primer ejemplo, la función definida como hola era una función que no recibe ningún tipo de argumento, simplemente imprime la palabra hola en la pantalla. En este segundo ejemplo, se ha definido la función cuadrado, la cual recibe como argumento un número entero identificado arbitrariamente por el usuario con la hilera num, el cual tiene que ser declarado previamente dentro de la función principal main como un argumento de tipo entero con la declaración "int num;" tras lo cual durante la ejecución del programa se le asigna un valor numérico entero a dicha variable con la declaración "num=100". Al ejecutarse la tercera línea del programa invocando la función cuadrado se le pasa el argumento num. Obsérvese que entre los dos paréntesis "(" y ")" que identifican a cuadrado como una función C, el contenido ya no está vacío, el contenido indica que cuadrado recibe como argumento un valor de tipo entero denotado como x (se podría haber usado cualquier otra letra o palabra, esto está a discreción del programador). Obsérvese también que la función printf es una función capaz también de poder recibir argumentos. Aquí, tras recibir como argumento de entrada el entero 100, en la hilera de impresión el símbolo reservado %d invoca el primer argumento puesto después de la hilera principal, o sea x, y el segundo símbolo reservado %d invoca el segundo argumento puesto después de la hilera principal, o sea x*x, lo cual requiere que se lleve a cabo una operación matemática de multiplicación. La acción final resultante de este programa una vez compilado como un archivo ejecutable será que la línea "100 al cuadrado es 10000" sea impresa en la pantalla.

El lenguaje C++ es un paso posterior en la evolución del lenguaje C, y la principal y más importante diferencia con respecto a su predecesor es que como ya se mencionó anteriormente permite la programación orientada-a-objetos, en la cual se diseña una "plantilla" de la cual se pueden obtener instancias que heredan de la misma las características que le programador desee que sean heredables, lo cual evita la repetición de mucho código redundante. Esto es algo muy parecido a lo que hace un usuario de un programa como Microsoft Word cuando al estar trabajando sobre un documento decide abrir un documento nuevo sin dejar el documento anterior sobre el cual está trabajando. Al abrir el segundo documento, el cual es asignado a otra ventana nueva, se abre una segunda instancia de Word con todas las capacidades que tiene la primera instancia del mismo, tras lo cual se puede abrir una tercera instancia, una cuarta instancia, etc., hasta donde lo permita la capacidad de la memoria de la máquina.

Para quienes quieran aprender a construír compiladores (por construír un compilador entendemos escribir en un lenguaje como C++ las líneas de código necesarias para producir un programa lo suficientemente potente como para que este programa pueda a su vez ser clasificado como un compilador BASIC o un compilador FORTRAN o inclusive como un compilador C, un compilador que sea capaz de traducir instrucciones en un programa fuente escritas en BASIC o en FORTRAN o en C como los dos ejemplos que vimos arriba convirtiendo dichas instrucciones en código ejecutable) se recomienda la lectura del libro clásico en la materia "Compilers: Principles, Techniques and Tools" de Alfred V Aho, Ravi Sethi y Jeffrey D. Ullman.

Para quienes quieran aprender el lenguaje de programación C/C++, Internet ofrece la posibilidad de poder descargar gratuitamente varios compiladores C/C++. Un portal que contiene una lista actualizada de varios lugares de los cuales se pueden descargar gratuitamente compiladores es el siguiente:

http://www.thefreecountry.com/compilers/cpp.shtml

Al cierre del año 2007, hay dos sitios de especial interés de los cuales se pueden descargar sin costo alguno compiladores C++ que pueden producir programas ejecutables para el sistema operativo Windows. El primero es Microsoft, del cual se puede efectuar la descarga gratuita del Visual C++ 2008 Express Edition de la siguiente dirección:

http://www.microsoft.com/express/download/

(De este sitio también se puede descargar en forma gratuita el programa-compilador Visual Basic 2008 Express Edition.)

El otro sitio es el de la empresa Borland, del cual se puede hacer una descarga gratuita de Turbo C++ del siguiente domicilio:

http://www.turboexplorer.com/

Además, de la misma empresa, se ofrece el Borland C++ Compiler en su versión 5.5 liberada el 24 de agosto de 2000, procurable del siguiente domicilio:

http://www.codegear.com/downloads/free/cppbuilder

Al momento de escribirse este artículo, el BASIC para computadoras personales trabajando bajo Windows XP y Windows Vista ha evolucionado a fines del 2007 a lo que se conoce como VisualBASIC.net, el cual seguramente seguirá evolucionando en los años que habrán de venir.

PROGRAMACIÓN DEL MICROPROCESADOR ( III )

2009-04-21T00:00:00.000-07:00

Un buen ejemplo de un programa emulador al momento de escribirse este artículo es el programa 8086 Microprocessor Emulator, el cual en su versión de demostración gratuita se puede descargar de Internet del siguiente domicilio:

http://www.emu8086.com/

Este emulador es un programa que puede correr en cualquier computadora que tenga el sistema operativo Windows instalado en ella. Como su nombre lo indica, este emulador emula el comportamiento del microprocesador Intel 8086, el pionero de los microprocesadores. A continuación se muestra una de las "ventanas" propias del emulador:

Del lado izquierdo de la ventana, podemos ver, en un momento dado de la ejecución de un programa en lenguaje de máquina que está siendo emulado, los contenidos de los registros del microprocesador Intel 8086. Podemos ver que este microprocesador 8086 contiene cuatro registros de propósito general: el registro AX, el registro BX, el registro CX y el registro DX. El registro AX que vemos en la "ventana" contiene el número hexadecimal (en sistema numérico base 16) 0003, y lo contiene en dos bytes separados, un byte alto (identificado como H, del inglés "High") y un byte bajo (identificado como L, del inglés "Low"). Juntos, el byte alto H y el byte bajo L de cada registro permiten almacenar un número binario de 16 bits en lo que parece ser un solo registro "virtual" como el registro A o el registro D. Además de este registro, podemos ver la presencia del registro IP, acrónimo del inglés Instruction Pointer. En realidad, este registro es el mismo que anteriormente hemos denominado como el Contador de Programa, el cual es complementado con el registro CS para aumentar su capacidad.

En la "ventana" en el extremo derecho del emulador, tenemos las instrucciones escritas en lenguaje ensamblador con notación mnemónica que nos es más humana, más familiar, que el críptico lenguaje de máquina de unos y ceros, el cual nos permite utilizar instrucciones como JMP (acrónimo del inglés JUMP, el salto incondicional que ya se vió anteriormente) o como INC (acrónimo del inglés INCREMENT) utilizado para incrementar el operando en una unidad. Así, la instrucción en assembler:

JMP 011Eh

significa "saltar al domicilio 011E hexadecimal" (la letra h puesta al final del número deja en claro que se trata de un número hexadecimal), mientras que la instrucción:

INC DH

se lee como "incrementar los contenidos del registro DH en una unidad".

Sin lugar a dudas, escribir un programa así sea elemental en lenguaje ensamblador resulta mucho más ameno que escribirlo en lenguaje de máquina. Pero aunque al principio escribir programas computacionales en lenguaje ensamblador pueda resultar divertido, llega un momento en el que la extensión de dichos programas puede convertirse en algo exasperante. Escribir un programa muy grande siempre tiene la enorme desventaja de que cualquier omisión o equivocación cometida por el programador en una sola línea entre cientos de miles de líneas de código puede hacer que la ejecución del programa se estrelle, produciendo lo que en el argot técnico se conoce como un computer crash. Casi todos los usuarios han experimentado algún problema de este tipo en el cual debido a una situación o combinación de instrucciones no anticipada por los programadores la computadora se "cuelga" y es necesario apagarla para volver a inicializar de nuevo todo el sistema. En este respecto, los programas computacionales son muy poco tolerantes, no admiten ni un solo error humano. El menor error humano en la elaboración de un programa complicado puede salir a flote desagradablemente en lo que comúnmente se denomina como una "falla insecto" o computer bug. Esta es la razón por la cual sistemas operativos complejos como Windows XP, Linux o Windows Vista elaborados sobre millones de líneas de código constantemente tienen que ser actualizados con parches o (patches), debido a situaciones no anticipadas por los programadores que son descubiertas por los usuarios en el campo.

Aunque la creación de los lenguajes ensambladores representa un gran paso evolutivo hacia la reducción de errores de programación, elaborar un programa largo en lenguaje ensamblador puede ser un proceso tardado y costoso. A modo de ejemplo, el procedimiento de sumar dos números enteros "largos" y almacenar el resultado en un tercer entero largo requiere únicamente de una sola intrucción en el lenguaje de alto nivel C:

i = j + k;

pero en un microprocesador como el 8086 esto mismo requiere de seis instrucciones en lenguaje de máquina a través de un programa ensamblador:

...
mov ax,[j]
mov dx,[j+2]
add ax,[k]
adc dx,[k+2]
mov [i],ax
mov [i+2],dx
...

Obviamente, resulta más fácil escribir una sola línea de código en lenguaje C que seis líneas de código en lenguaje ensamblador. Y cuando se trata de elaborar un programa que requiere cientos de líneas de código en lenguaje C, elaborar en lenguaje ensamblador un programa que haga lo mismo posiblemente requerirá miles de líneas de código. Entonces, ¿para qué programar en lenguaje ensamblador, si es más difícil que cualquier otro lenguaje de mayor nivel? Una razón para ello es que la programación en lenguaje ensamblador nos permite tener acceso directo a cualquier parte de la memoria RAM y controlar directamente hasta sus más íntimos detalles la entrada y salida de cualquier unidad periférica conectada al microprocesador. Además, el lenguaje ensamblador es el lenguaje nativo de la máquina, un programa bien escrito en lenguaje ensamblador será el programa más veloz de todos los programas posibles. Sin embargo, la necesidad de mantener bajo control los costos involucrados en un proyecto para la elaboración de un programa complicado prácticamente exige que se recurre directamente a la programación en lenguaje de máquina sólo en aquellos casos en los que sea absolutamente necesario interactuar con el "hardware" de la máquina (los programas drivers proporcionados en un disco CD que requieren ser instalados para que la máquina y el sistema operativo que está corriendo en ella puedan reconocer y utilizar cierta impresora láser ó alguna novedosa cámara digital son ejemplo de ello).

Precisamente por lo arriba señalado, se vuelve deseable tener lenguajes más "compactos" y más parecidos a nuestro lenguaje humano, en los cuales el programa fuente elaborado por el programador contenga la menor cantidad posible de líneas de código. Esta es la razón por la cual de los programas ensambladores se vió la necesidad de tener que evolucionar a lenguajes de alto nivel, lenguajes como BASIC. Con un lenguaje como BASIC, en vez de tener que escribir algo como lo que arriba fue señalado para la suma de los números 17 y 35, escribiríamos algo como lo siguiente:

10_A=17
20_B=35
30_LET C=A+B
40_PRINT C
50_END

Esto es indudablemente mucho más "humano" y mucho más ameno para la búsqueda de posibles errores dentro del mismo programa que lo anterior que teníamos escrito en lenguaje de máquina o lenguaje ensamblador. Traducido a lenguaje cotidiano, lo anterior nos está diciendo, línea por línea, lo siguiente:

Línea 10 → "Asígnese a una localidad A de la memoria RAM el número entero 17"
Línea 20 → "Asígnese a una localidad B de la memoria RAM el número entero 35"
Línea 30 → "Súmense los números en las localidades de memoria A y B, y asígnese el resultado a la localidad C de la memoria RAM" (la palabra reservada LET en la instrucción es optativa, muchas versiones de BASIC la proporcionan con la intención de que el programador le pueda dar una mayor claridad a sus programas)
Línea 40 → "Imprímase (en el monitor o en una impresora) el número contenido en la localidad C de la memoria RAM"
Línea 50 → "El programa ha terminado. Deténgase la ejecución"

El lenguaje BASIC original fue desarrollado en Dartmouth College en 1963 por John George Kemeny y Thomas Eugene Kurtz con el fin de proporcionar a los estudiantes no-especialistas en ciencias computacionales un medio para poder tener acceso a las computadoras. El lenguaje BASIC fue precisamente el primer lenguaje con capacidades de programación que fue distribuído en las primeras computadoras personales caseras, fue el primer lenguaje en ser incorporado dentro del sistema operativo MS-DOS (escrito en varias versiones tales como GW-BASIC y BASICA y QuickBASIC) por una entonces desconocida empresa fundada por dos empresarios igualmente desconocidos, Bill Gates y Paul Allen.

Posiblemente mis lectores se estén preguntando ya cómo se puede llevar a cabo la conversión de algo que está escrito en lenguaje "alfabético" que asemeja al lenguaje de los humanos en las instrucciones de "unos" y "ceros" que la microcomputadora está acostumbrada a manejar en su lenguaje de máquina. Hay varias formas de hacerlo. En la actualidad, en una computadora de escritorio, la conversión inicial a "unos" y "ceros" del texto alfanumérico se comienza a llevar a cabo precisamente cuando se van "tecleando" cada uno de los caracteres en el teclado de la computadora. Al oprimir una tecla, esencialmente se "cierra" un contacto eléctrico que permite que le llegue al microprocesador un código binario correspondiente a cada tecla que fue oprimida. El código binario a ser enviado al microprocesador es enteramente arbitrario, aunque podemos usar como punto de partida alguna convención que haya sido utilizada ampliamente en el pasado reciente. Una convención tal es el código ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Este código asigna una secuencia binaria específica a dígito numérico del cero al nueve:

y a cada letra del alfabeto:

Hay también secuencias binarias reservadas para símbolos tales como el que se usa en la adición aritmética (+), así como otras secuencias binarias reservadas para lo que llamamos caracteres de control, cuyo propósito no es representar en forma binaria una letra o un dígito numérico o un símbolo aritmético sino el proporcionarle información adicional a la computadora sobre cosas tan importantes como el punto de inicio de un programa que va a ser ejecutado y el punto de terminación en el cual la ejecución del programa llega a su conclusión:

Bajo este esquema, un programa elemental BASIC para la suma de los números decimales 5 y 8 asignados primero a localidades en la memoria identificadas como A y B iría entrando a la computadora como un torrente continuo de "unos" y "ceros" en el siguiente orden:

Todavía hasta en tiempos recientes, esta información en formato de "unos" y "ceros" era almacenada no en los discos duros magnéticos sellados que hoy conocemos y mucho menos en los drives portátiles "flash" USB, sino en simples rollos de cinta magnética e inclusive en cintas de papel perforado, en las cuales la presencia de un "uno" era tomada como una perforación en la cinta y la ausencia de una perforación podía ser tomada como un "cero". Estos rollos de cinta permitían almacenar programas completos, los cuales afortunadamente eran extremadamente pequeños en comparación con los que hoy conocemos, programas que en muchas ocasiones en tamaño no excedían ni siquiera los 64K (hoy en día, nadie en su sano juicio pensaría almacenar un programa tan grande como el sistema operativo Windows XP o Windows Vista en tal medio, ya que se requerirían varios miles de rollos abarcando una extensión de varios kilómetros al ser extendidos). Una de las máquinas perforadoras de cinta más populares (de las cuales todavía hay algunas en uso) es el teletipo ASR-33:

en el cual podemos ver a la izquierda del teclado una cinta que está siendo perforada.

PROGRAMACIÓN DEL MICROPROCESADOR ( II )

2009-04-20T00:26:00.000-07:00

Obsérvese que en este ejemplo los números binarios 17 y 35 no fueron colocados en los primeros domicilios de la memoria RAM, o sea en los domicilios A00000 y A00001. Esto se debe a que precisamente en estos domicilios es en donde tenemos que depositar las instrucciones del programa que se irá ejecutando en lenguaje de máquina sobre los números que irán a ser sumados. Así, al arrancar con sus operaciones, el microprocesador irá de inmediato al primer domicilio en donde encontrará la primera instrucción a ser ejecutada así como el domicilio de donde deberá tomar el dato binario a ser procesado. El formato básico será el siguiente:

Op-Code - Operando

Si la memoria RAM tiene capacidad para almacenar en cada domicilio una palabra binaria de 15 bits de capacidad, podemos asignar los primeros tres bits de cada palabra para poner allí la instrucción (en lenguaje de máquina) que deberá ser ejecutada, y los siguientes doce bits para poner allí el operando (domicilios de memoria RAM, etc.) sobre el cual se actuará. Esto ya de por sí nos está diciendo que, dentro del microprocesador, además de la unidad ALU, además de los registros internos de uso temporal, además del Contador de Programa, tenemos que tener un decodificador interno que pueda convertir los tres bits iniciales en ocho instrucciones diferentes en lenguaje de máquina, algo como lo que se muestra en el siguiente dibujo:

En el esquema mostrado, podemos ver que cada microinstrucción interna al microprocesador tiene un propósito diferente. Por ejemplo, la microinstrucción 000 denotada como:

LOAD M, R0

indica al microprocesador que hay que tomar un dato de la memoria RAM y depositar (o mejor dicho, cargar, que en inglés se traduce como LOAD) dicho dato en el registro interno R0 del microprocesador. ¿Y de qué domicilio M de la memoria vamos a tomar el dato? Pues precisamente del domicilio especificado por el operando de diez bits, que en este caso será algo como el domicilio 000000000019 (en donde está depositado el número binario 17). Del mismo modo, la microinstrucción 001 denotada como:

LOAD M, R1

indica al microprocesador que hay que tomar otro dato de la memoria RAM y cargar dicho dato en el registro interno R1 del microprocesador.

Por otro lado, la microinstrucción 100 denotada como:

ADD R0, R1

le indica al microprocesador que debe sumar dentro de su unidad ALU el contenido de los registros internos R0 y R1, depositando el resultado en el registro R0.

Por último, la microinstrucción 010 denotada como:

STORE R0, M

le indica al microprocesador que deposite en la memoria RAM el contenido del registro interno R0 del microprocesador, o sea el resultado previo obtenido de la suma de los registros internos R0 y R1. ¿Y en qué domicilio M de la memoria vamos a depositar el dato? Pues nuevamente en el domicilio especificado por el operando de diez bits. Para nuestros propósitos, estas son todas las instrucciones que necesitamos para poder llevar a cabo nuestra suma binaria de los números 17 y 35.

Hay otra microinstrucción de particular interés en el conjunto del Código de Operaciones de este microprocesador. Es la microinstrucción 110 denotada como:

BRA T

la cual indica que se lleve a cabo un salto incondicional hacia el domicilio de la memoria RAM identificado con la letra T, el cual puede ser ya cualquier domicilio de la memoria RAM y no uno que venía de una secuencia en orden. ¿Y qué sucedería si dentro de cierto domicilio de la memoria RAM hubiese una instrucción especificando un salto hacia el mismo domicilio de la memoria? Pues en tal caso, el microprocesador entraría en lo que se conoce como un bucle perpetuo (infinite loop). Estaría saltando todo el tiempo hacia un domicilio de la memoria RAM que le indica un salto incondicional hacia el mismo domicilio en donde se encuentra otra vez con la misma microinstrucción indicándole un salto hacia el mismo domicilio, repitiéndose la secuencia de modo perpetuo.

El ejemplo crudo que acabamos de ver nos demuestra que, antes de que podamos utilizar ventajosamente algo tan sofisticado como un microprocesador, tenemos que invertir una buena cantidad de tiempo en elaborar programas que puedan convertir nuestro lenguaje humano a un lenguaje de máquina que el microprocesador sea capaz de "comprender", y que puedan llevar a cabo también el proceso inverso para que la microcomputadora nos pueda entregar resultados que nosotros seamos capaces de comprender. Estos programas que son capaces de convertir nuestro lenguaje humano a lenguaje de máquina y el lenguaje de máquina a lenguaje humano, así como los programas ejecutables en sí con los cuales la intención primaria se pueda llevar a cabo (operaciones aritméticas, procesadores de palabras, programas de diseño gráfico, etc.) es lo que se conoce comunmente como el software, y requiere la inversión de cientos de miles de horas-hombre para su elaboración. En programas tan sofisticados como Linux y Windows, se han invertido decenas de millones de horas-hombre, literalmente hablando, para poder tener lo que tenemos en la actualidad. Por sí sólo, el microprocesador es un robot "idiota" incapaz de hacer nada. Son los programas los que realmente le pueden sacar amplia ventaja a lo que las maravillas de la microelectrónica nos pueden ofrecer.

El conjunto de ocho microinstrucciones vistas en el esquema del ejemplo anterior es un conjunto extremadamente limitado de instrucciones. Aunque se puede construír una computadora funcional con un conjunto de instrucciones tan limitado, tal esquema sería muy ineficiente para lo que estamos acostumbrados en la actualidad, y en la práctica se desea tener un conjunto mayor de instrucciones disponibles. Y esto es precisamente lo que se ha venido haciendo conforme ha ido evolucionando el microprocesador. Al ir aumentando la densidad de los circuitos integrados, se ha ido ampliando el conjunto de instrucciones disponibles en lenguaje de máquina.

Habiendo agregado ya un decodificador interno de instrucciones al microprocesador de la manera en la que se ha señalado arriba, tenemos ya un esquema completo de lo que cualquier microprocesador (o para el caso general, cualquier computadora) debe tener en su interior:

Como puede verse, todo microprocesador incluye en su interior una Unidad de Lógica Aritmética ALU, varios registros internos que pueden ser implementados con flip-flops o con una memoria interna RAM como se muestra arriba, un registro de instrucciones, el decodificador de las instrucciones, y el Contador del Programa.

Un buen programa ensamblador no solo debe poder convertir nuestro programa fuente o código fuente en instrucciones en lenguaje de máquina que el microprocesador pueda ejecutar, paso a paso, instrucción por instrucción. También nos debe poder dar la capacidad de poder correr un programa en lenguaje de máquina no "de corrido" de principio a fin ejecutando todas las instrucciones de un golpe continuo sino ejecutando cada instrucción deteniéndose al finalizar la ejecución de cada instrucción, dándonos la capacidad de poder "ver" todo lo que está contenido dentro de cada uno de los registros internos del microprocesador, así como el resultado de la ejecución de cada instrucción. Para esto, existen programas emuladores en el mercado en los cuales el programa se escribe en lenguaje ensamblador y se corre en una computadora de escritorio que tenga un programa emulador cargado y trabajando. Se les llama programas emuladores porque debido a la sofisticación de los mismos no es realmente el microprocesador el que está llevando a cabo la ejecución directa de un programa escrito en lenguaje ensamblador sino es un programa mucho más sofisticado que emula las acciones del microprocesador. Es como si el microprocesador estuviera ejecutando las instrucciones directamente aunque de hecho está ejecutando una cantidad mucho mayor de instrucciones que emulan una cosa más rudimentaria que debería estar sucediendo a su nivel.

PROGRAMACIÓN DEL MICROPROCESADOR ( I )

2009-04-20T00:00:00.000-07:00

La construcción del microprocesador a través de la integración de circuitos en gran escala, así como la construcción de las unidades periféricas de apoyo, así como la construcción de memorias RAM, de discos duros y demás accesorios que constituyen lo que se comúnmente se conoce como el hardware de la máquina, es tan sólo una parte importante pero no suficiente para poder utilizar un microprocesador ventajosamente. No basta con tener una microcomputadora construída con todos sus componentes esenciales. Queda aún la tarea de poder programarla. Todos los programas que serán ejecutados por el microprocesador eventualmente deben ser cargados en la memoria RAM. Pero estos programas deben ser programas que puedan ser efectuados en el lenguaje que entiende la máquina, en su lenguaje de máquina, en su lenguaje de unos y ceros, en el lenguaje binario.

Podemos, si queremos, construír un sistema microprocesador completo, y podemos intentar programarlo en lenguaje de máquina, en el lenguaje de unos y ceros que puede ser procesado de alguna manera por las tres funciones lógicas básicas. Pero tal cosa se puede convertir en una labor extremadamente pesada. A manera de ejemplo, supóngase que queremos utilizar una microcomputadora para efectuar una adición sencilla, para sumar los números 17 y 35. Normalmente, no utilizaríamos una microcomputadora para algo tan sencillo, nosotros mismos haríamos el cálculo manualmente o inclusive mentalmente. Sin embargo, este crudo ejemplo ilustra los enormes problemas que tenemos que enfrentar para poder utilizar una microcomputadora inclusive para las funciones más elementales. Y debe quedar claro que mientras esto no se haya resuelto, no podremos utilizar el microprocesador para cosas más sofisticadas como un procesador de palabras o como instrumento para ejecutar melodías en formato MP3.

Los números 17 y 35 a ser sumados están en nuestro lenguaje natural, en nuestro sistema decimal. Pero la microcomputadora no entiende absolutamente nada de estas cosas, la microcomputadora sólo "comprende" el lenguaje de los unos y ceros eléctricos, la presencia o la ausencia de un voltaje. Para que podamos obtener la suma de la microcomputadora, primero se vuelve necesario convertir cada uno de los números 17 y 35 al sistema de numeración binaria, precisamente el mismo sistema que estudiamos al principio de esta obra. Nosotros mismos llevaremos a cabo esta conversión, postponiendo por lo pronto la posibilidad de dejarle a la máquina la tarea de que ella misma lleve a cabo la conversión de decimal a binario por nosotros.

Una vez hecha la conversión, tenemos que almacenar estos números binarios en alguna parte de la memoria RAM en donde la microcomputadora los pueda localizar. Si lo hacemos manualmente usando interruptores eléctricos, ello nos llevará algo de tiempo aunque tal cosa se puede hacer.

Pero almacenar los números binarios en la memoria RAM no basta. Tenemos que escribir un programa en lenguaje de máquina que, ejecutando una instrucción tras otra, pueda llevar a cabo las operaciones que produzcan el resultado apetecido. Es aquí en donde necesitamos tener acceso al código de operaciones (op-code) del microprocesador. Desde que los primeros microprocesadores aparecieron en el mercado, cada uno de ellos tiene su propio código de operaciones, y todos ellos lo seguirán teniendo mientras la arquitectura esencical en la cual están basados todas los microcomputadoras (conocida como la arquitectura von Neumann) no cambie.

Usando lenguaje de máquina, un programa tentativo podría ser el siguiente:

(1) Recoger del domicilio A00019 de la memoria RAM el primer dato (el número binario 17) y depositarlo en el registro interno X del microprocesador.

(2) Recoger del domicilio A00020 de la memoria RAM el segundo dato (el número binario 35) y almacenarlo en el registro interno Y del microprocesador.

(3) Sumar mediante una suma binaria en la unidad ALU del microprocesador las palabras binarias almacenadas en los registros X y Y del microprocesador, y depositar el resultado (el equivalente binario del número decimal 52) en el registro interno X del microprocesador.

(4) Sacar la información del registro interno X del microprocesador y depositarlo en el domicilio A00019 de la memoria RAM.

(5) Detener la ejecución del programa, una vez que el resultado ha sido puesto en la memoria RAM.

Obsérvese que, en el interior del microprocesador, al llevar a cabo una suma binaria, destruímos uno de los datos originales, el número binario 17 que estaba en el registro X, depositando en dicho registro el resultado final 52. Y al sacar el resultado hacia afuera, depositándolo en la memoria RAM, destruímos también allí el dato original que había en el domicilio A00019. Esto no es de consecuencia alguna, ya que a fin de cuentas estamos interesados en la obtención de un resultado final que una vez obtenido no requiere conservar los datos originales. Esto es algo muy frecuente en el mundo de la programación. Podemos, si queremos, conservar todos los datos originales. Podríamos haber depositado el resultado final en el domicilio A00021 de la memoria RAM, un domicilio que anteriormente no estaba siendo utilizado. Pero esto de inmediato nos exije tener una memoria RAM de mayor capacidad. En procesamientos más complejos en donde se manejan decenas de miles de datos, el tratar de conservar en la memoria RAM información no indispensable nos puede agotar rápidamente nuestros recursos de memoria rápida. Es por ello que, cuando se requiere conservar alguna información previa, se hace uso de una memoria no tan rápida como la memoria RAM pero sí más permanente, es entonces cuando se hace uso de algo como el disco duro de la máquina. En cualquier microcomputadora o computadora de escritorio o inclusive las super-computadoras más sofisticadas, el usuario siempre verá una interacción intensa entre la memoria RAM disponible y el espacio que hay en el disco duro. El disco duro, con las tecnologías disponibles a la entrada del tercer milenio, siempre ofrece una capacidad mayor y más duradera que la que ofrece la memoria RAM. Pero el disco duro es una memoria extremadamente lenta, en términos de rapidez desde el punto de vista de la máquina. Siempre habrá un compromiso entre el uso de la memoria RAM y el espacio disponible en el disco duro, lo cual en sistemas elaborados requerirá la mirada vigilante del encargado de optimizar el funcionamiento de los sistemas de cómputo que tiene bajo su cuidado; esta es precisamente la tarea del administrador de sistemas.

INSTRUCCIONES DEL MICROPROCESADOR 8086 ( II )

2009-04-19T01:30:00.000-07:00

A continuación se presenta el conjunto de instrucciones disponibles dentro de dos de los primeros grandes microprocesadores "abuelos", el microprocesador 8086 y el microprocesador 8088, junto con las descripciones que les fueron dadas originalmente. Es importante señalar que este conjunto de instrucciones está dado en las mnemónicas (abreviaturas de fácil memorización) que fueron dadas por los fabricantes, porque a fin de cuentas todas estas instrucciones en realidad son instrucciones en lenguaje de "unos" y "ceros", y para poder convertir un programa escrito con estas mnemónicas a un programa binario que la máquina pueda correr directamente es necesario utilizar la ayuda de un lenguaje ensamblador (assembler):
aaaASCCI adjust after additionaad
ASCII adjust before divisionaam
ASCII adjust after multiplication
aasASCII adjust after subtraction
adcadd with carryaddadd without
carryandlogical ANDcall targetcall
procedurecbwconvert byte to word
clcclear carry flagcldclear direction flagcliclear interrupt
flagcmccomplement carry flag
cmp destination, sourcecomparecmps source, destinationcompare stringscmpsbcompare string bytescmpswcompare string wordscwdconvert word to doubleworddaadecimal adjust after additiondasdecimal adjust after subtractiondec destinationdecrementdiv sourceunsigned divideesc immediate, sourceescapehithaltidiv sourcesigned integer divideimul sourcesigned integer multiplyin accumulator, portinput from portinc destinationincrementins destination, portinput from port to stringinsbinput from port to string byteinswinput from port to string wordint immediatecall interrupt service routineintointerrupt on overflowiretinterrupt returnjajump if above; (carry flag = 0) and (zero flag = 0)jaejump if above or equal; (carry flag = 0)jbjump if below (carry flag = 1)jbejump if below or equal; (carry flag = 1) or (zero flag = 1)jcjump if carry; (carry flag = 1)jcxzjump if register cx equals 0jejump if equal; (zero flag = 1)jgjump if greater; (sign flag = overflow flag) and (zero flag = 0)jgejump if greater or equal; (sign flag = overflow flag)jljump if less; (sign flag less than or greater than overflow flag)jlejump if less or equal; (sign flag less than or greater than overflow flag) or (zero flag = 1)jnajump if not above (carry flag = 1) or (zero flag = 1)jnaejump if not above or equal (carry flag = 1)jnbjump if not below; (carry flag = 0)jnbejump if not below or equal; (carry flag = 0) and (zero flag = 0)jncjump if not carry; (carry flag = 0)jnejump if not equal; (zero flag = 0)jngjump if not greater; (sign flag less than or greater than overflow flag) or (zero flag = 1)jngejump if not greater or equal; (sign flag less than or greater than overflow flag)jnljump if not less; (sign flag = overflow flag)jnlejump if not less or equal; (sign flag = overflow flag) and (zero flag = 0)jnojump if not overflow; (overflow flag = 0)jnpjump if not parity; (parity flag = 0)jnsjump if not sign; (sign flag = 0)jnzjump if not zero; (zero flag = 0)jojump if overflow; (oveflow flag = 1)jpjump if parity; (parity flag =1)jpejump if parity even; (parity flag = 1)jpojump if parity odd; (parity flag = 0)jsjump if sign; (sign flag = 1)jzjump if zero; (zero flag = 1)jump targetjump unconditionallylahfload (some) flags into register ahlds register, sourceload pointer and register dslea register, sourceload effective addressles register, sourceload pointer and register eslocklock the buslod sourceload stringlodsbload string bytelodswload string wordloop targetloop on register cxloope targetloop on register cx while equalloopz targetloop on register cx while zero flag = 1loopne targetloop on register cx while not equalloopnz targetloop on register cx while zero flag = 0mov destination, sourcemove datamov destination, sourcemove stringmovsbmove string bytemovswmove string wordmul sourceunsigned multiplicationneg destinationtwo's complemente negationnopno operationnot destinationone's complement negationor destination, sourcelogical ORout port, accumulatoroutput to portouts port, sourceoutput from string to portoutsboutput from string byte to portoutswountput from string word to portpop destinationpop from stackpopfpop flagspush sourcepush onto stackpushfpush flagsrcl destination, countrotate through carry-leftrcr destination, countrotate through carry-rightrep string instructionrepeatrepe string instructionrepeat while equalrepz string instructionrepeat while zero flag = 1repne string instructionrepeat while not equalrepnz string instructionrepeat while zero flag = 0ret immediatereturnretf immediatereturn farretn immediatereturn nearrol destination, countrotate leftror destination, countrotate rightsahfstore ah register to flags registersal destination, countshift arithmetic leftsar destination, countshift arithmetic rightsbb destination, sourcesubtract integers with borrowscasb destinationscan stringscaswscan string wordshl destination, countshift leftshr destination, countshift rightstcset carry flagstdset direction flagstiset interrupt-enable flagstos destinationstore stringstosbstore string bytestoswstore string wordsub destination, sourcesubtracttest destination, sourcetest bitswaitwait until not busyxchg destination, sourceexchangexlat sourcetranslate from tablexlatbtranslate from tablexor destination, sourceexclusive ORVarias de estas instrucciones prácticamente delatan la arquitectura del microprocesador. Las instrucciones shl (shift left) y shr (shift right) delatan la presencia de un registro de desplazamiento en ambas vías, que puede ser capaz de ir desplazando una palabra binaria bit-por-bit ya sea hacia la izquierda o hacia la derecha. Por otro lado, las instrucciones pop y push revelan que se puede operar una pila de datos desde del microprocesador.A manera de ejemplo de cómo se usan estas instrucciones para ir forjando un programa elaborado para este microprocesador 8086 de Intel, tenemos el siguiente fragmento escrito en algún lenguaje ensamblador como Turbo Assembler:
...mov ah,0mov al,ahinc al...en donde la primera instrucción mov "carga" el registro AH con el valor de 0 (o mejor dicho, con el byte de cero, "00000000"), con la segunda instrucción mov se copia el valor almacenado en el registro AH al registro AL, y tras esto incrementa en una unidad el contenido del registro AL con la instrucción inc. El resultado final nos deja ambos registros AL y AH "cargados" con el valor 00000000, "limpiando" ambos registros a cero. (La instrucción mov en realidad debería haberse llamado copy, porque el contenido tomado del registro original no es removido de dicho registro.)Aquí tenemos otro ejemplo:
...mov ax,5mov dx,9add ax,dx...
Este pequeño fragmento "carga" el registro AX con el número 5 (o mejor dicho, con el número binario 00000101), tras lo cual "carga" el registro DX con el número 9 (o mejor dicho, con el número binario 00001001), y en la tercera instrucción suma los contenidos en ambos registros dejando el resultado en el registro AX. En castellano, esto ser resumiría como "poner al acumulador en el estado 5 (cargar sus flip-flops con el equivalente binario del número 5), "poner al registro dx en el estado 9", "y sumar el contenido del registro DX al contenido del acumulador dejando el resultado en el acumulador".

INSTRUCCIONES DEL MICROPROCESADOR 8086 ( I )

2009-04-19T01:00:00.000-07:00

Todo microprocesador, desde el primero que hizo su aparición hasta los más complejos en la actualidad, desde el momento en que es puesto a la venta es entregado con un conjunto de instrucciones en lenguaje de máquina en las cuales se detallan las operaciones que el microprocesador es capaz de hacer. En cada versión nueva de microprocesador la primera prioridad es aumentar el número de instrucciones disponibles para ofrecer más opciones de programación al programador.Aunque pudiera parecerle a muchos un ejercicio inútil la familiarización con el conjunto de instrucciones de las operaciones que puede llevar a cabo cualquier microprocesador, es de enorme interés el estar familiarizados con el conjunto "primitivo" de las instrucciones de los primeros microprocesadores que aparecieron en el mercado por una razón muy sencilla: todas las instrucciones de cada microprocesador se han ido incorporando dentro del conjunto de instrucciones del nuevo modelo que lo reemplaza. Esto se debe a una característica impuesta por los consumidores: la demanda de algo conocido como upward compatibility. Esencialmente, esto consiste en el hecho de que una de las grandes inversiones en cualquier computadora personal de escritorio son los programas que se van a ejecutar en ella. A nadie le gusta invertir mucho dinero en la adquisición de programas para utilizar procesadores de palabras como Microsoft Word o hacer diseños gráficos como AutoCAD si dichos programas no se podrán correr en las nuevas computadoras que vayan saliendo al mercado. Esto prácticamente exige a los fabricantes de los microprocesadores continuar incorporando dentro de sus nuevos modelos la capacidad para poder "entender" las instrucciones que podían ser "entendidas" por los modelos previos, ya que de no ser así basta una sola instrucción ausente para poder inutilizar potencialmente una inversión de cientos o quizá miles de dólares en "software". Es por esto que es de enorme interés el lograr una familiarización con los conjuntos de instrucciones de los microprocesadores más sencillos, puesto quien no logra tal cosa menos podrá comprender los nuevos conjuntos de instrucciones mucho más amplios y mucho más complejos de los microprocesadores de la actualidad.Para poder entender el significado del conjunto de instrucciones del microprocesador 8086 es necesario tomar conocimiento de algunos detalles internos a la arquitectura de este microprocesador. Lo más importante es que el 8086 posee varios registros de almacenamiento, construídos cada uno de ellos con 16 flip-flops:

Estos registros pueden ser clasificados en cuatro categorías: el registro de las banderas (flags), los ocho registros de propósito general (AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP y SP, cada uno de 16 bits), el puntero de instrucciones IP, y los registros de segmentos (CS, DS, ES y SS).El problema principal en utilizar únicamente 16 bits para "domiciliar" cada dato contenido en una memoria RAM es que con 16 bits solo se pueden especificar 65,536 ( = 2n = 216 ) localidades diferentes de memoria RAM con todas las combinaciones posibles de "unos" y "ceros" que permite una palabra de 16 bits. Los registros de segmentos son utilizados para un ingenioso esquema de adición de "segmentos" de bits al domicilio básico de 16 bits mediante estos registros especiales, esquema manejado por el microprocesador 8086 con el propósito de poder "domiciliar" más de 65,536 bytes cuando se cuenta únicamente con registros de 16 bits para ello, esto es, cuando se requiere "domiciliar" para la ejecución de cualquier programa decente una cantidad de memoria RAM mucho mayor que la que normalmente podría "domiciliar" un microprocesador limitado al uso de palabras binarias con una extensión de 16 bits. El proceso de ampliación del espacio de memoria "domiciliable" se puede bosquejar en su esencia más sencilla de la siguiente manera:

Es así como en las primeras computadoras personales de escritorio no hubo ninguna dificultad para que el microprocesador 8086 pudiese manejar memorias RAM con una capacidad de un millón de localidades diferentes (1 millón 48 mil 576 para ser exactos) ó 1 Megabytes, con cada localidad almacenando un byte (8 bits) de información:

Generalmente hablando, el registro de las banderas no tiene como objetivo el ser accesado directamente por el programador del microprocesador; estas "banderas" son "izadas" (puestas en "1") cuando ocurre alguna condición especial, por ejemplo cuando el resultado de alguna operación aritmética es cero, lo cual iza la "bandera de cero" o zero flag poniéndo dicho registro en el estado "1". La posición relativa de cada una de las "banderas" en este registro es la siguiente:

Las "banderas" guardadas por el registro son las siguientes:
O = Overflow flag (bandera de sobreflujo)D = Direction flag (bandera de dirección)T = Trap flag (bandera de trampa)S = Sign flag (bandera de signo aritmético)Z = Zero flag (bandera de cero)A = Auxiliary Carry flag (bandera de "llevar" auxiliar)C = Carry flag (bandera de "llevar")El registro AX en el microprocesador es el registro mejor conocido en las computadoras convencionales como el acumulador. Siempre está involucrado cuando se llevan a cabo las operaciones de multiplicación y división, y también es el registro más eficiente de utilizar cuando se llevan a cabo ciertas operaciones aritméticas, lógicas, y de movimiento de datos.El registro BX puede ser utilizado como puntero hacia localidades de la memoria RAM.La especialidad del registro CX es contar.El registro DX es el único registro en el microprocesador 8086 que puede ser utilizado como un puntero hacia domicilios relacionados con las unidades de Entrada/Salida (Input/Output) con las instrucciones IN y OUT.El registro SP es el conocido como el puntero hacia la pila (stack pointer).

TABLET PC de TECHCRUNCH

2009-04-19T00:51:00.000-07:00

Desde que Michael Arrington, director de TechCrunch, se propuso la idea de diseñar un Tablet PC hecho exclusivamente para navegar por Internet con el nombre tentativo de CrunchPad, la comunidad ha estado al tanto de sus avances y ha visto cómo una idea tan ambiciosa se ha ido convirtiendo en un equipo concreto, basado actualmente en una plataforma Intel Atom corriendo Ubuntu, y cuya única labor es interactuar con el hardware y mostrar un navegador web de desarrollo propio basado en WebKit.
Hace poco se filtraron imágenes de la última versión de desarrollo de este Tablet, y lo que se puede ver es muy atractivo: un equipo delgado con pantalla de 12,1″ pensado para leer correos y páginas web, dejando la interacción directa con el usuario al mínimo al prescindir por completo del teclado y mostrando una escueta versión virtual cuando es estrictamente necesario.
Si TechCrunch no pierde el rumbo sería capaz de vender su invento por cerca de USD$300, un precio razonable para las posibilidades que ofrece este dispositivo.