Diferenciando entre electrónica analógica y digital para dummies extremos

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Con este artículo comenzamos el primero de una serie de artículos teóricos para iniciaros paso-a-paso en la electrónica, intentando quitar todos los elementos realmente innecesarios que hemos visto en un millón de libros y artículos y centrarnos en ofreceros de verdad unas bases sólidas y sencillas para que os defendáis en vuestra guerra contra la obsolescencia.

Todo lo que expondremos tendrá una razón de ser para ir poco a poco sin perderse y con pie firme, buscaremos que sean claros y a su vez ofrezcan suficientes referencias para los que quieran avanzar en algún punto concreto de una manera más ágil por su cuenta.
 
Internet está plagada de información, pero sin una guía clara de lo que buscamos estamos perdidos, así que nuestro principal interés será ir marcando un camino claro para que podáis usar la información que aquí os demos para saber cómo profundizar y tener claro los términos, técnicas, equipamientos, tecnologías, etc. que necesitareis para profundizar en el camino sin perderos y poder consultar cualquier otra fuente para reforzar vuestra preparación sin que la gran tela de araña os atrape hasta haceros desistir.
 
Somos conscientes de lo aburrida que puede llegar a ser esta materia para algunos, pero ante todo queremos ser honestos, queremos echar una mano y a veces la teoría, admitámoslo, es un poco pesada para algunos, pero aquí pasamos de la audiencia y la publicidad, así que recordar si ponemos algo es porque es importante y necesario, aunque os parezca un tostón, simplificaremos y os lo pondremos fácil, aunque todo tiene un límite y no vamos a quitar más de la cuenta para conseguir un Like o una visita, aquí hemos llegado para cambiar las cosas.
 
El principio, ¿Qué es y que estudia la electrónica?
 
En principio, si nos ponemos académicos, la electrónica como ciencia se encarga de estudiar los fenómenos relacionados con el transporte de la carga eléctrica en medios naturales al igual que la investigación y construcción de dispositivos, circuitos y sistemas basados en ellos, así pues esta ciencia se divide en dos grandes ramas que es importante diferenciar. Aunque llevamos escuchando los dos términos toda nuestra vida y solemos diferenciarlos por intuición diferenciarlos en el plano técnico es otra cosa…
 
Creo que cualquier aficionado que intenta iniciarse en el mundo de la reparación de sus electrodomésticos y equipos electrónicos debe tener clara esta diferenciación y sus conceptos básicos, comencemos ,una definición sencilla (tranquilos si no comprendéis algún termino, poco a poco os lo iremos aclarando):
 

• Electrónica analógica:

Aquí tendríamos la electrónica que trabaja con variables continuas, de tal forma que una pequeña modificación en alguna variable puede producir un gran cambio en el comportamiento del circuito, así que aquí las variables serán números reales.
 

• Electrónica digital

Esta es la parte de la electrónica que trabaja con las variables discretas, lo que implica que una pequeña modificación en alguna de las variables del circuito (siempre que no cambie su valor discreto) no producirá ningún cambio apreciable en el comportamiento del circuito que no depende del valor exacto de la señal.
 
Por supuesto, un único circuito puede contener ambas ramas, dependiendo de la zona de operación que se analice puede tener un razonamiento analógico o digital.
 
¿Resulta lioso a nivel teórico a que sí?, tranquilos que os lo vamos a aclarar, poco a poco:
Variables, variables y mas variables…
 
Para empezar he nombrado el término variable no sé cuantas veces, si no sois muy aficionados a las matemáticas o las ciencias, lo limitaremos a algo muy sencillo para empezar:
 
Entendamos variable, como los distintos valores que puede tomar una señal, una corriente, una tensión o una fuente de información que estamos midiendo, así por ejemplo si tomamos un aparato de hacer mediciones eléctricas (un tester, o polímetro, -mirar nuestro artículo sobre el tema-) y medimos la tensión por ejemplo, de una batería de coche antes de ponerlo en marcha y a continuación de arrancarlo la  medimos cada 5 segundos procediendo a anotar los valores resultantes del polímetro, obtendremos distintos valores de la tensión en la batería ( que normalmente tenderán a subir, por ejemplo en parado será 12.65 V y luego comenzará a ascender paulatinamente al encender el motor… 12.67V, 12.69V, 12.71… hasta estabilizarse aproximadamente en 14.4 V que es la tensión máxima de carga que debe ofrecer el alternador del coche (el aparato encargado de cargar la batería de nuestro vehículo) dependiendo del tipo de batería.
Pues bien, estos valores que hemos obtenido y anotado serian variables de un sistema eléctrico analógico cuyo rango de funcionamiento oscilaría aproximadamente entre 11.5 V y 14.7 V, siendo los valores que hemos tomado variables de este sistema cuyo valor ha cambiado con el tiempo.
 
Estas variables  como hemos observado habrán variado suavemente y ascendido de forma continua hasta un punto determinado (14.5 V) donde más o menos se habrá estabilizado, pequeñas variaciones en la medición de estas variables (como que partamos de  valores como 12.5V y en un minuto no pasemos de 12.6V, o que en apenas un segundo ascendamos de 12.7 V a 14.5 V podría indicar un mal funcionamiento de la batería o el alternador, ya que esas pequeñas variaciones en el sistema nos indican que algo no va bien, pese a que esos valores están dentro del rango (escala de valores) en el que opera este sistema eléctrico.
 
Expresado gráficamente obtendríamos algo así:

Esquema que nos muestra un sistema eléctrico analógico sencillo, como pudiera ser el de la carga de batería de un vehículo (batería cargada y en buenas condiciones), donde las pequeñas variaciones en las variables afectan al sistema (en este caso observamos como se ha iniciado el proceso de carga de la batería  en el vehículo, al encender el motor y poner en marcha el alternador, que rápidamente eleva la tensión del sistema tras una ligera caída por el proceso de consumo causado por el encendido del motor )
 
En el siguiente gráfico, procederemos a mostrar la misma toma de valores (variables) en el encendido del sistema eléctrico de un vehículo con la batería en mal estado, donde se podrá observar una leve variación de las variables en los primeros instantes del encendido, pero que suponen una grave alteración en el sistema, pues nos indica que la batería puede estar en malas condiciones pudiendo llegar a impedir que el motor arranque, es decir, como hemos comentado en la definición teórica: “una pequeña modificación en alguna variable puede producir un gran cambio en el comportamiento del circuito”

Podemos observar como en los primeros instantes del encendido los valores “caen” excesivamente durante un instante, pese a operar “dentro del rango” para a continuación “ascender” más rápido de lo normal. Esas pequeñas variaciones en el sistema nos pueden indicar un grave problema en el sistema: La batería ha alcanzado su vida “útil” y es incapaz de acumular energía, requiere de mantenimiento (pérdida de electrolito), etc…
 
Y ahora los estados, variables y señales en la electrónica digital…
 
Pues bien como hemos comentado al principio, la electrónica digital estudia las señales eléctricas en forma de señales discretas, eso quiere decir que las señales están muy bien identificadas y se puede limitar su interpretación a tan solo dos estados posibles frente a un determinado nivel de tensión, descartando ligeras alteraciones y asimilando su valor a los dos valores principales. (O sea, que a diferencia del ejemplo de la batería, es como si solo dos valores importaran, por ejemplo 0V y 12V, así en el ejemplo anterior, sería como conectar y desconectar la batería a una bombilla a modo de sistema morse y el resto de sus valores  (señales), o bien se asociaran a 0V o a la conexión de la batería al circuito 12V, descartando si las lecturas son 11.5V, 12.0V, 13.3V o 14.1 V , todas estas variables serían entonces variables discretas de un sistema binario:

Ejemplo del circuito anterior transformado en un circuito binario básico, donde solo encontraríamos dos estados: Alto (conexión) y  Bajo (desconexión)
 
Estos dos estados principales son pues:
 

• Estado alto (High o H): asociado al valor lógico 1
• Estado bajo (Low o L): asociado al valor lógico 0

 
Así, si suponemos que un sistema digital trabaja con una señal eléctrica con un rango entre 0 y 5 voltios, entonces 5 voltios y todas la señales similares (por ejemplo: 5.05V, 5.02V, 4.95V, 4,99 V ) será el estado alto (high) o lógico 1, mientras que 0 voltios y su rango asimilables (por ejemplo: 0.01V, 0,03V, -0.02V,-0.01) será el estado bajo (low) o lógico 0
A esta interpretación la llamamos lógica positiva que es el comúnmente aplicado en el diseño de circuito, aunque existe la contraria que lógicamente llamamos lógica negativa.

Señal analógica representada en función de la variación del voltaje a lo largo del tiempo. Podemos observar que su rango oscila entre los +5V y los -3V, esta señal podría representar por ejemplo la onda analógica procedente de una guitarra eléctrica “camino” de un amplificador. Obviamente, pequeñas variaciones en la onda, provocarán una alteración en el sonido que reproducirá el amplificador.
 
Composición de un circuito: parte analógica y digital
 
Aclarado esto, lo siguiente que debemos comprender es el concepto de sistema digital, como el sistema presente en cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales. Cualquier sistema digital es a su vez una combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital ,es decir que solo pueden tomar los valores discretos de 0 y 1.
 
Lo común en la mayoría de dispositivos y circuitos es que posean una parte de razonamiento analógico de otro digital, muchos electrodomésticos, aparatos audiovisuales, nuestros vehículos y la mayoría de aparatos con los que entramos en contacto en nuestro día a día, suelen ser electrónicos aunque suelen contener elementos mecánicos, magnéticos o neumáticos lo que obliga a una interconexión entre ellos y una lógica de comunicación.

Edison y su fonógrafo 1887 , fue la primera máquina usada para capturar el sonido de manera analógica, Brady-Handy Photo Collection (Library of Congress)
 
Diferencias entre señales analógicas y digitales
 
Una señal analógica no es más que un voltaje (una corriente o flujo de electrones, imaginemos algo similar a una corriente de agua) que varía suave y de forma continua. Una señal de audio no sería más que una corriente que fluctúa de acuerdo con las variaciones del audio.
 
Sin embargo las señales digitales a diferencia de las analógicas, no varían de forma continua, si no que sufren variaciones abruptas dentro de un rango:
 0V-3V, 0V-5V, etc.…o sea que estas variaciones entre dos estados, se interpretan a modo de un código binario.
 
Así pues en un sistema analógico los valores o magnitudes varían a lo largo del tiempo de forma continua a modo de distancia, temperatura, velocidad, tensión, etc., por lo que la electrónica analógica opera con señales que poseen múltiples niveles (rangos), por ejemplo el motor eléctrico de un cochecito de juguete podrá operar en un rango de 0V a 12V según queramos que vaya más o menos rápido, mientras que un deportivo eléctrico real podría operar por ejemplo entre 0V y 400V a máxima velocidad.
Sin embargo lo normal en la electrónica digital que contengan los dos vehículos, independientemente de la velocidad que cojan, será que adopten un rango discreto entre 0V y +5V, para asignar los dos estados posibles en sus sistemas de control digital.

Ejemplo de señal digital, operando dentro del rango 0V +3V, si comenzamos a contar desde el segundo 0 en “pasos” de 25 milisegundos obtendríamos la secuencia binaria: 01001100011100. Pequeñas variaciones en el voltaje de cada estado por ejemplo 2.9V, 3.1V ,0.01V o 0.2V no afectarán a valor transmitido,  quedando estos valores equiparados respectivamente a los siguientes estados: 3V (High), 3V (High), 0V (Low) y 0V (Low) y por tanto la información binaria resultante sería: 1,1,0,0.
 
Forma de onda
 
En electrónica la información está ligada a la forma de onda, es decir si en un gráfico aplicamos puntos a las variaciones de una magnitud según el tiempo obtendremos información a través de la interpretación de las formas resultantes, que comúnmente serán ondas que varían con el paso del tiempo.
Esta información se perderá si la onda se degrada, es decir cualquier inducción de ruido o señales parásitas no deseadas deformarán la información contenida en la señal de origen, por lo que cada tipo de circuito según el rango con el que trabaje y en qué condiciones, requerirá de elementos electrónicos diferentes que impidan la degradación de la señal y ayuden a trabajar con ella (interpretarla, ampliarla, modificarla, etc.…).
 
Por lo contrario en la informática digital, los medios para modificar, transportar, almacenar y recuperar las señales es muy distinto al que permite dar soluciones a los problemas planteados en las señales analógicas. En esencia todo consiste en convertir las señales en números. Una vez esta señal es representada como una serie de números, estos se podrán manipular, almacenar, recuperar y transportar.
 
Ahora que ya entendemos un poco la diferencia entre electrónica analógica y digital vamos a ver un poco más los planteamientos de los sistemas digitales, para empezar estos se dividen en dos grandes grupos:
 
 
Sistemas Combinacionales y Secuenciales
 
 

• Sistemas Combinacionales

La salida del sistema solo depende de la entrada presente, o sea no necesita elementos o módulos de memoria ya que la salida ofrecida no depende de entradas previas. Así de sencillo ,la señal (información) entra en el sistema, esta se procesa y se ofrece un resultado.
 

• Sistemas Secuenciales

Aquí la salida depende tanto de la entrada actual como de las anteriores, por lo que esta clase de sistemas requerirán de elementos de memoria que almacenen los eventos ocurridos con anterioridad en el sistema. Por su naturaleza, estarán gobernados por señales de reloj, que pautan el devenir del procesado de las señales (información), por lo que los llamaremos “síncronos” en contraposición lógica frente a los “asíncronos” que no usen esta regulación temporal.

George Boole (1815-1864) Matemático inglés al que debemos el álgebra que aplicamos en computación para operar con los estados básicos 1 y 0 (sistema binario)- Haks
 
Álgebra de Boole
 
Como ya hemos comentado, en la electrónica digital estos valores discretos se transforman en números, partiendo de dos estados básicos 1 y 0, a esto que conocemos como sistema binario había que aplicarle una matemática especial que permitiera operar con facilidad y eficacia con ellos, así como facilitar la construcción de los dispositivos electrónicos necesarios para trabajar con estas señales con una lógica que pudiera ser implementada técnicamente con los conocimientos disponibles, pues bien, para estos sistemas digitales binarios usamos una herramienta básica que debemos conocer: el álgebra Boole  (En honor al matemático inglés George Boole 1815-1864), el álgebra de Boole se aplica de forma generalizada en el diseño electrónico desde que Claude Shannon la aplicara en 1948  para el diseño de circuitos de comunicación biestables.
 
Cuando empleamos el álgebra de Boole  en electrónica se suele emplear la misma denominación que para las puertas lógicas (los operadores electrónicos básicos que hemos comentado que eran necesarios para implementar tecnológicamente esas matemáticas) AND (Y), OR (O) y NOT (NO), ampliándose con X-OR (O exclusiva) y su negadas NAND (NO Y), NOR (NO O) y X-NOR (equivalencia). Las variables con las que trabajamos pueden representarse con letras mayúsculas o minúsculas, y pueden tomar los valores  0 y 1, es decir los dos valores discretos presentes en un circuito digital.
(Esto no hace falta de momento que lo entendáis o sepáis manejarlo, os lo ponemos para que lo vayáis viendo y familiarizando)
 
Esto es un resumen a grandes rasgos de dicha matemática algebraica, al igual que la diferencia entre electrónica analógica y digital, esperamos haya ayudado a los más principiantes a diferenciarla y empezar a distinguir un poco las bases de este mundillo que con el tiempo esperamos poder explicaros poco a poco.
 
En el próximo artículo de electrónica profundizaremos en el siguiente paso que debemos conocer con más profundidad: El Sistema Binario, para así entender como los humanos transformamos ese lenguaje digital de las maquinas de unos y ceros en algo que podamos entender con facilidad, veréis que con unas pocas nociones básicas tendréis una preparación más que suficiente para enfrentaros al 90% de los problemas de la obsolescencia digital, que exijan del conocimiento de este lenguaje aparentemente indescifrable.

Manuel Castelló (Kasmangou)

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