La importància actual de l’electrònica
Si haguéssim d’indicar la disciplina tecnològica i el sector industrial corresponent que més han caracteritzat el segle XX i que més han canviat els nostres hàbits i la nostra manera de vida, no hi ha dubte que la tria recauria sobre l’electrònica. Bona part dels aparells i dels instruments que fem servir quotidianament per a comunicar-nos, per a rebre, emmagatzemar i elaborar informacions, o per a gaudir del nostre temps lliure, són “criatures” de l’electrònica. La ràdio, que engeguem per tal de sintonitzar l’emissora que emet la nostra música preferida o que retransmet un partit de futbol; la televisió, que difon en directe imatges d’esdeveniments que tenen lloc a milers de quilòmetres de distància, o l’equip de música, que permet d’escoltar en alta fidelitat la reproducció d’un disc o d’una casset, tots ells són aparells electrònics que funcionen gràcies a l’enginyós muntatge i connexió d’un gran nombre de components minúsculs, com transistors, díodes, resistències o condensadors, que s’empaqueten en l’espai mínim d’un circuit integrat.
També l’ordinador personal, utilitzat a la feina, en la redacció de textos o per a jugar, és un aparell electrònic atapeït dels components esmentats. El mateix podem dir dels potents ordinadors que controlen el trànsit aeri, la gestió d’una gran empresa o les complexes operacions d’un satèl·lit espacial. El telèfon, que ens és tan familiar, no és pròpiament un giny electrònic, però d’alguna manera també és deutor de l’electrònica, ja que, en les centrals de commutació de les modernes xarxes telefòniques, l’establiment de la connexió entre els usuaris s’efectua per mitjà de sofisticats dispositius electrònics.
Si deixem de banda el terreny de l’anomenada electrònica de consum i ens endinsem en el camp de la indústria, observarem que hi ha processos productius sencers gestionats per sistemes electrònics, i que la introducció de l’automació i la robòtica, que representen la novetat principal de la indústria moderna, ha estat possible gràcies a l’ús de maquinària electrònica. Fins i tot en el camp de l’agricultura, l’electrònica acompleix funcions molt importants. Només cal tenir present els grans hivernacles, destinats actualment a una part no gens insignificant del subministrament de productes agrícoles, en què les condicions de temperatura i d’humitat, cabdals per a l’èxit del conreu, són regulades per uns perfeccionats equipaments electrònics.
Potser ja no cal intentar eixamplar més la panoràmica de la presència de l’electrònica en la vida quotidiana, atès que, com bé ens podem imaginar, es tracta d’una presència tan estesa i arrelada que resulta pràcticament impossible d’establir-ne una llista exhaustiva d’aplicacions pràctiques. Amb tot el que hem esmentat fins aquí n’hi ha prou per a adonar-nos que aquest sector tecnològic ocupa un espai bàsic en la nostra vida quotidiana, com també en gran part de l’activitat productiva. L’ús de l’electrònica presenta aplicacions del tot elementals i tradicionals, alhora que fa possible el desenvolupament de sectors tecnològics punta, com la informàtica, l’automació o la indústria aeroespacial.
La presència de l’electrònica, però, no solament ha impregnat indeleblement la vida material, sinó que també ha contribuït a modificar profundament la manera de pensar de la gent, la cultura i els valors de gran part de la societat moderna. Això es veu clarament si es pensa en l’impacte extraordinari que han tingut els aparells de telecomunicació. Per exemple, la ràdio i la televisió, en la mesura que han promogut una circulació d’idees i un coneixement dels usos i els costums de diversos pobles, cosa impensable anteriorment, i que han constituït un mitjà formidable de difusió de missatges publicitaris de tota mena, han comportat una homogeneïtzació de les conductes i dels valors en el si d’una societat desenvolupada, i, a més, han afavorit l’exportació dels valors i dels costums occidentals a altres zones del planeta, amb els possibles avantatges i riscos que això implica.
El desenvolupament de les tecnologies electròniques també ha representat importants innovacions en l’aspecte de l’organització de la producció industrial.
Normalment, quan neix una nova tecnologia, parteix dels coneixements adquirits amb les tecnologies anteriors i n’assumeix els hàbits consolidats pel que fa a la manera de concebre la producció de béns materials. Contràriament a això, la indústria electrònica es va desvincular dels procediments tradicionals. Ja en el cas del primer producte destacat que va aparèixer en aquest sector, la ràdio, el món del treball va haver d’“inventar” les fàbriques de components electrònics, és a dir, els diferents tipus de peces individuals amb què es muntaven els aparells. També van aparèixer, evidentment, les fàbriques de ràdios, però com a centres de muntatge dels aparells a partir de les peces fabricades en altres llocs.
Així doncs, des de l’inici de la seva activitat productora, l’electrònica s’ha configurat com un gran “joc de muntatge” d’elements individuals (els components), en funció de les exigències i les finalitats específiques dels diversos aparells, de manera semblant al sistema de les peces d’un joc de construcció. Des del punt de vista industrial, l’evolució de la producció electrònica ha originat fàbriques de característiques molt diferents, cadascuna de les quals s’ha especialitzat en una sèrie de components. L’enginyer electrònic opera amb certs components per muntar un circuit destinat a certes funcions i, si aquest circuit és apte per a diversos usos potencials, es crea una secció de producció específica o fins i tot una fàbrica sencera per a produir-ne els que convinguin.
Aquesta manera de procedir es veu agilitada per la lleugeresa i les dimensions reduïdes dels components, cosa que en facilita el transport. Això ha provocat que altres sectors industrials adoptin aquest mètode de treball i que, en general, tinguin lloc profundes transformacions en la manera de concebre els processos productius. És el cas, per exemple, de la fàbrica d’automòbils, on abans tenien lloc tots, o gairebé tots, els processos necessaris per a la construcció de les diverses peces de l’automòbil i per al seu muntatge, i que avui, en canvi, és essencialment el punt final del procés, és a dir, el centre de muntatge dels components produïts per altres fàbriques. Els pistons, les bugies, els seients o els eixugavidres es fabriquen en centres de producció autònoms, com també passa amb els condensadors, els transformadors o els transistors utilitzats en una fàbrica que munta ràdios o que “fa” televisors.
En definitiva, l’electrònica ha suposat una revolució no tan sols en l’organització de la producció, sinó també en la manera de produir els béns i en la mentalitat de qui els produeix. L’electrònica i l’automació van de bracet, ja que els avenços electrònics han fet possible el desenvolupament dels mecanismes automàtics. Els sistemes de producció automatitzats aporten sovint una qualitat de treball superior, encara que requereixen un personal amb una rigorosa formació específica. La revolució electrònica implica, per tant, un nivell cultural i tècnic superior per part del treballador. I és lògic que sigui així, perquè quan neix una nova ciència cal sempre saber-ne una mica més per tal de treure’n tot el profit.
Components i circuits electrònics
Podríem definir l’electrònica com l’àrea d’estudi de les propietats i del moviment en el buit i en la matèria d’una partícula diminuta, l’electró, i també dels dispositius que se serveixen de fenòmens electrònics amb la finalitat de generar i elaborar senyals elèctrics.
Els fenòmens elèctrics són els que estan relacionats amb les característiques físiques de l’electró. El seu moviment a l’interior d’un metall genera el corrent elèctric, determinat per una magnitud física que rep el nom de diferència de potencial (vegeu “Electricitat i magnetisme”). Per a entendre millor aquest concepte, podem imaginar un dipòsit ple d’aigua connectat amb un altre dipòsit col·locat més avall, per mitjà d’un conducte que permet l’escolament de l’aigua. El desnivell entre tots dos dipòsits provoca que l’aigua baixi pel conducte. Doncs bé, el desnivell és anàleg a la diferència de potencial i el pas de l’aigua pel conducte és anàleg al corrent elèctric.
Els electrons poden “escolar-se” per l’interior d’un metall, però també poden dipositar-se a l’interior d’una cavitat en què s’ha fet el buit. A partir d’aquesta idea neix l’electrònica.
El díode i el tríode
La primera necessitat que té l’electrònica és de disposar d’electrons en el buit, cosa que s’ aconsegueix introduint un fil elèctric i una placa metàl·lica dins una ampolla de vidre on s’ha fet el buit. Fent-hi passar una quantitat determinada de corrent elèctric, el fil s’escalfa i emet electrons. La diferència de potencial que existeix entre el fil (el càtode del dispositiu) i la placa metàl·lica (l’ ànode) fa possible el pas del corrent a l’interior de l’ampolla. El corrent pot passar en una sola direcció, del fil a la placa. Aquest fenomen, anomenat efecte termoiònic, va ser observat per primer cop per T.A. Edison, l’inventor de la bombeta, el 1883. Sobre aquesta base es va construir, el 1904, el primer díode, que aviat havia de ser un element bàsic de l’electrònica.
Ara bé, el dispositiu que hem descrit només pot funcionar amb el corrent altern si el convertim en corrent d’impulsos. El següent pas consisteix a interposar, entre el filament i la placa, una reixa o elèctrode de control, que té la funció de variar el flux d’electrons entre els dos elements. D’aquesta manera, es crea un component electrònic més perfeccionat, el tríode. Acompleix una funció molt important, que és la d’amplificar el senyal elèctric. I, efectivament, si s’envia a la reixa una informació, com una diferència de potencial, en sortirà considerablement augmentada de la placa del tríode. D’aquesta idea arrenca tota l’electrònica. Només cal traduir la informació que ens interessa en diferència de potencial i, amb el tríode, utilitzar-la per a assolir determinats objectius. Com a exemple, tenim l’antic disc fonogràfic, en què el solc del disc conté, en forma d’aspreses, les “informacions” musicals. L’agulla que el recorre vibra i les seves vibracions són transformades per un cristall en senyals elèctrics, els quals són amplificats pel tríode i enviats a una làmina vibrant, l’altaveu, que els converteix en senyals sonors. Així doncs, la reproducció sonora és possible gràcies al tríode amplificador.
El transistor
En realitat, el tríode va ser superat ben aviat per un altre dispositiu capaç d’amplificar el senyal elèctric: el transistor. El descobriment del transistor al final del 1947 va permetre a l’electrònica fer un veritable salt qualitatiu basat en les propietats conductores dels materials semiconductors. La diferència substancial del transistor respecte del tríode rau en el fet que es tracta d’un element en estat sòlid i que, per tant, no necessita una ampolla de vidre amb el buit fet al seu interior. Els avantatges que se’n deriven són unes dimensions i un cost extraordinàriament reduïts respecte del tríode, aparatós i molt fràgil, característiques que eren comunes a tots els aparells en què s’aplicava, com les ràdios antigues. El cert és que el transistor ha marcat una fita clara en la història de l’electrònica i n’ha determinat dues “eres”: d’una banda, l’etapa de les vàlvules termoiòniques o tubs al buit, que va des de l’inici fins a la meitat del segle XX, i de l’altra, l’etapa del transistor i, més en general, dels circuits integrats, que arriba fins als nostres dies.
El transistor està format per una peça minúscula de material semiconductor, majoritàriament silici, convenientment tractada amb l’afegiment d’impureses (“dopada”, com es diu en llenguatge tècnic), de manera que pugui acomplir les funcions pròpies del tríode o del díode, encabida en una càpsula metàl·lica proveïda de tres pins, que permeten connectar-lo a un circuit elèctric (vegeu “Com funciona un transistor”). Gràcies a unes dimensions tan reduïdes, és possible inserir nombrosos elements idèntics en un espai realment molt petit. Així és com neixen els circuits integrats.
Com funciona un transistor
Esquema del funcionament d’un transistor. L’aplicació d’una tensió elèctrica (voltatge) a la base altera el flux d’electrons (corrent) entre l’emissor i el col·lector.
ECSA
Entre els components electrònics més importants i més estesos hi ha el transistor, un dispositiu capaç d’amplificar, regular, modificar o reduir el senyal elèctric. Es tracta d’una càpsula que conté una làmina de material semiconductor i tres pins de connexió. Per a entendre el funcionament del transistor, és necessari, primer de tot, parlar dels semiconductors.
Un cristall de silici o de germani en estat pur i a baixa temperatura posseeix pocs electrons lliures per a la conducció del corrent elèctric. Per a fer servir aquests elements com a semiconductors, és necessari tractar-los de manera que continguin impureses. Aquestes impureses poden provocar dues conseqüències diferents, ja que o bé aporten electrons a l’interior del cristall (font) o bé, al contrari, roben electrons (drenador). Si a l’interior del cristall semiconductor hi ha una gran abundància d’electrons, es diu que el semiconductor és de tipus n, i si, en canvi, n’hi ha pocs, que és del tipus p.
Atès que l’electró és una càrrega elemental negativa, l’absència d’un electró pot considerar-se com la presència d’una càrrega elemental positiva (forat). Si ajuntem un material semiconductor del tipus n amb un del tipus p, obtindrem una zona de transició anomenada junció. Prop d’aquesta junció, els electrons de la regió n neutralitzen els forats de la regió p (una càrrega negativa en neutralitza una de positiva, és a dir que el conjunt electró-forat és neutre). La zona que envolta la junció perd càrregues lliures i s’anomena zona de càrrega espacial.
El transistor està format per dues parts idèntiques d’un cristall semiconductor i per una part intermèdia de naturalesa diferent. Així doncs, un transistor (n-p-n o p-n-p) és el conjunt de dues juncions, la part intermèdia de les quals té una baixa densitat d’impureses. Vegem el cas, per exemple, d’un transistor n-p-n. Es divideix en tres parts: les dues dels extrems (les n) anomenades emissor i col·lector, d’entrada i de sortida, en què els portadors de càrrega són electrons (negatius), i la regió intermèdia p, anomenada base, independent de les altres dues, en què els portadors de càrrega són els forats, assimilables a càrregues positives. Si el col·lector rep una tensió positiva i l’emissor una de negativa, no hi passa el corrent perquè la càrrega positiva de la base ho impedeix. Però si aquesta càrrega positiva se suprimeix aplicant adequadament una tensió entre la base i l’emissor, aleshores es produeix la conducció d’electricitat. La potència que s’ha dissipat sobre la base és feble, perquè el corrent de base és baix. En canvi, la potència recollida és alta, perquè és alt el corrent al col·lector. Es reprodueixen, doncs, les mateixes condicions que en el tríode: l’emissor substitueix el càtode, la base substitueix la reixa, i el col·lector equival a la placa. Hem descrit com a exemple el transistor bipolar, inventat al final del 1947 pels físics nord-americans J. Bardeen i W. Brattain en aplicar els principis teòrics de W. Schockley (tots tres premi Nobel de física el 1956), però de llavors ençà el transistor ha estat molt perfeccionat. Avui, l’element bàsic dels circuits integrats és majoritàriament el transistor de tecnologia MOS (Metal Oxide Semiconductor), format per una placa de silici dopada (p) amb la incorporació de dues regions dopades (n)(font i drenador), separades. Una capa aïllant cobreix les tres regions, les estabilitza i permet una reducció notable del consum d’energia.
Components actius i components passius
El tríode i el transistor es defineixen com a components electrònics actius per la seva capacitat de captar i amplificar els senyals elèctrics. Paral·lelament, però molt relacionats, s’utilitzen altres elements, com resistències, condensadors o inductors, que s’anomenen passius, en la mesura que no són capaços d’amplificar una informació elèctrica.
La resistència o resistor és un petit cilindre fet d’un material mal conductor de l’electricitat, normalment el carboni. La seva funció consisteix a disminuir la tensió que arriba a un component determinat respecte de la tensió produïda pel generador de corrent (pila o corrent de la xarxa) de l’aparell electrònic. Cada resistor es caracteritza per un valor propi de resistència, expressat en ohms. Si observem un resistor, veurem que té pintades quatre barres. Les tres primeres indiquen, segons un codi convencional, la resistència en ohms, mentre que la quarta n’assenyala la tolerància. Les resistències variables (o potenciòmetres) permeten variar el valor de la tensió d’entrada. N’és un exemple el resistor que permet apujar o abaixar el volum de veu d’una ràdio girant un botó.
El condensador està format de dues parts fetes d’un material conductor de l’electricitat, separades per una fina capa de material aïllant (dielèctric). Es tracta d’un dispositiu que només deixa passar el corrent altern o d’impulsos i barra el pas al corrent continu. Té la propietat d’acumular una càrrega elèctrica durant un cert temps. Aquesta propietat (anomenada capacitat) del condensador es mesura en farads.
L’inductor és un fil de coure enrotllat en espiral entorn d’un nucli constituït de material ferromagnètic. En ocasions es prescindeix fins i tot del nucli. Serveix per a aturar el pas de corrent altern d’alta freqüència i per a anivellar el corrent d’impulsos. La inductància, propietat característica dels inductors, expressada en henrys, mesura la capacitat d’impedir variacions de corrent massa brusques.
Per entendre millor la funció dels components passius, val la pena tornar a recórrer a un exemple “aigualit”. El fet de connectar una resistència a un condensador és anàleg a connectar una aixeta a un got per mitjà d’un tubet. El got representa el condensador, el tubet és la resistència i el nivell de l’aigua a l’interior del got correspon a la diferència de potencial. Pel tubet circula l’aigua que ha d’omplir el got, de la mateixa manera que a través de la resistència circula el corrent elèctric que carrega el condensador. Com més gran sigui el got, o més petit el diàmetre del tubet, més trigarà a omplir-se. Per tant, si es modifiquen els valors de la resistència o de la capacitat del condensador, es pot regular el temps de càrrega. D’aquesta manera, doncs, és possible introduir la dimensió “temps” en els circuits elèctrics.
A més dels components actius (díode, tríode i transistor) i dels passius (resistència, condensador i inductor), que es classifiquen conjuntament com a components electrònics de base, convé tenir present que els aparells electrònics també contenen uns dispositius anomenats transductors, que permeten la conversió de diverses magnituds físiques, per exemple el so i la llum, en corrent elèctric, i, a la inversa, els senyals elèctrics en altres magnituds físiques, per exemple, en senyals sonors i òptics. Entre els transductors més habituals del primer tipus hi ha el micròfon, que converteix ones sonores en impulsos elèctrics, i el termòstat, que transforma la temperatura en senyals elèctrics. Pertanyen al segon tipus l’altaveu, que converteix senyals elèctrics en so; el tub de televisió, que transforma els senyals elèctrics en senyals lluminosos, i les diverses pantalles de visualització, que converteixen els senyals elèctrics en lletres i xifres que es poden visualitzar. Normalment, només es consideren veritables transductors els que converteixen altres magnituds físiques en senyals elèctrics.
Circuits electrònics i circuits integrats
Abans hem comentat que els components actius i passius, connectats entre ells segons un esquema determinat, constitueixen un circuit electrònic. A l’inici de l’electrònica, les connexions es realitzaven per mitjà de fils elèctrics soldats als components. Posteriorment, la tècnica de connexió va evolucionar de manera considerable. Vegem-ho una mica.
Primerament, es dibuixa el circuit amb tots els components i totes les connexions entre els diferents elements i es reprodueix sobre una placa de material aïllant, és a dir, que no deixa passar el corrent. Les línies de les connexions són de coure, el material propi del fil elèctric.
La placa sobre la qual s’ha estampat el circuit disposa d’uns foradets, convenientment repartits, on s’insereixen i se solden els components electrònics. Així doncs, el circuit electrònic es converteix en una placa que conté tots els components i, gràcies a això, resulta molt manejable i fàcil de muntar. L’avenç tecnològic subsegüent ha estat la creació d’un circuit electrònic complet a l’interior d’una única peça minúscula de material semiconductor (generalment de silici), anomenada xip (chip en anglès significa ‘fragment’). El dispositiu que se n’obté rep el nom de microcircuit o circuit integrat (vegeu “La construcció dels circuits integrats”). A diferència dels circuits electrònics normals, en què els components se solden a la placa, en un circuit integrat els components s’apliquen directament en el material semiconductor, el qual ha estat prèviament tractat amb l’addició d’impureses (dopatge). Les parts sotmeses a aquest tractament corresponen als diversos components electrònics. Tot i això, els condensadors i els inductors no poden encabir-se a l’interior del microcircuit, ja que no es poden reduir com els altres.
És evident l’avantatge dels circuits integrats sobre els circuits electrònics tradicionals, ja que permeten efectuar una gran reducció i, per tant, poden reunir en una superfície molt petita un gran nombre de components electrònics. A més, reduint al mínim la distància entre els diversos components d’un circuit, fan possible una acceleració notable del temps de transmissió dels senyals elèctrics i una disminució de la dispersió del corrent. La invenció dels circuits integrats ha obert les portes de la revolució electrònica, i ha permès el desenvolupament espectacular de la tecnologia de l’ordinador. A l’inici dels anys setanta es construïren els primers microprocessadors, uns circuits integrats que contenen tota la unitat central de processament d’un ordinador (vegeu “Les eines informàtiques”).
La construcció dels circuits integrats
El circuit integrat és un circuit electrònic complet que realitza una determinada funció íntegrament, de manera autònoma o amb el complement d’alguns components externs que l’adapten a les diverses aplicacions. Constitueix l’evolució natural del transistor, ja sigui perquè és format per un conjunt de transistors, o bé perquè està construït amb unes característiques tècniques anàlogues. Els circuits integrats fan possible la realització de determinades funcions en espais extraordinàriament reduïts i, per tant, amb una dissipació d’energia mínima.
La fabricació de circuits integrats és una tasca complexa. Es treballa en tres dimensions, superposant diferents capes, anomenades màscares, sobre una base de silici. De fet, es parteix d’un disc molt prim tallat d’una barra cilíndrica de silici monocristal·lí (oblia). El procés de fabricació es basa en la superposició de les distintes màscares sobre l’oblia seguint un ordre establert. Cada màscara és gravada fotogràficament, per mitjà d’un procediment anomenat fotolitografia, sobre l’oblia de silici prèviament oxidada. Quan s’han gravat tots els circuits en l’oblia, es comprova i se secciona per obtenir circuits integrats separats en elements individuals. Cada element és muntat en una càpsula, les sortides dels circuits es connecten als elèctrodes que surten fora de la càpsula, i tot el conjunt és segellat i comprovat.
Electrònica analògica i digital
El desenvolupament de l’electrònica ha convergit ben aviat amb les regles de la matemàtica i de la física i, en certa manera, ha intentat secundar-les. La matemàtica, com també les altres ciències, ha operat sempre de manera o bé contínua o bé discreta. L’electrònica també s’ha desenvolupat seguint aquestes dues vies.
Per entendre una mica més bé la diferència entre una mesura contínua i una de discreta, podem recórrer a un exemple quotidià. En el quadre de comandaments d’un automòbil hi ha, entre altres elements, l’indicador de la velocitat i el comptaquilòmetres. El primer efectua una mesura contínua de la velocitat a què va el vehicle per mitjà d’una agulla que es desplaça per un quadrant graduat i que varia contínuament el seu angle de manera proporcional a la velocitat mesurada. El comptaquilòmetres, en canvi, realitza una mesura discreta, ja que assenyala amb xifres el nombre de quilòmetres recorreguts i el va augmentant una unitat a cada quilòmetre circulat. D’altra banda, avui, alguns automòbils fan servir, en lloc dels tradicionals indicadors de velocitat analògics, uns de digitals, que assenyalen la velocitat amb xifres.
Així doncs, una magnitud física es pot mesurar de forma contínua o discreta. L’electrònica s’ha apropiat aquesta alternativa i ha obert dues vies diferents: una d’analògica (o “anàloga” a la realitat), que aplica la noció de continu, i una altra, més recent, de digital (de “dígit”, que significa xifra) o numèrica, que aplica la noció de mesura discreta. La tria d’una via o de l’altra depèn del tipus d’aplicació que es vulgui realitzar. Si es vol crear un circuit destinat a la reproducció de sons, és convenient fer servir un sistema analògic, mentre que si es vol efectuar unes mesures puntuals, un sistema digital oferirà valors numèrics directament. Amb tot, l’electrònica pot convertir en numèrica una magnitud contínua, ja que una mesura discreta s’acosta cada cop més a una de contínua com més gran sigui el nombre de mesures efectuades en un temps determinat. D’acord amb aquest principi, l’enregistrament sonor també es pot efectuar de forma digital. I, de fet, en el camp de l’enregistrament i la reproducció del so, amb el disc compacte, s’ha introduït l’ús de les tècniques digitals, amb uns resultats d’una qualitat excel·lent.
La mesura de la diferència de potencial (o sigui , com els volts d’una pila, per entendre’ns) és fonamental perquè es compon d’una operació tan interessant com és la conversió analogicodigital. Aquesta operació permet transformar la magnitud variable de manera contínua en una successió de nombres amb què és més fàcil d’operar.
El convertidor analogicodigital és un circuit electrònic integrat per múltiples parts, cadascuna de les quals acompleix una funció determinada. Si esquematitzem aquestes funcions de forma elemental, podem dir que la tensió que s’ha de mesurar es compara periòdicament amb una tensió fixa. La comparació es tradueix en temps, és a dir, com més baixa sigui la tensió d’entrada més breu és el temps. Aquest es mesura numèricament, comptant les oscil·lacions que realitza una mena de pèndol electrònic col·locat a l’interior del circuit. El nombre d’oscil·lacions representa la mesura de la tensió que entra. Però aquesta sèrie d’operacions per a passar de la forma analògica a la digital bloca el dispositiu durant un cert temps. La precisió de la mesura és determinada directament per la suma de les oscil·lacions. La necessitat de mesurar ràpidament comporta una baixa precisió en la mesura. I és que la rapidesa i la precisió, factors que caracteritzen aquest tipus de convertidor, són dos requisits que no s’acorden entre ells. Es parla de convertidor de quatre xifres quan el màxim valor que indica és 9999. La informació de sortida del sistema s’ha de poder llegir mitjançant un sistema electrònic.
Veure amb visualitzadors
Abans hem parlat dels dispositius anomenats transductors, que fan possible la conversió de magnituds físiques en senyals elèctrics, i viceversa. Entre els aparells capaços de traduir els senyals elèctrics en paràmetres físics, n’hi ha uns que s’anomenen visualitzadors i que permeten fer visibles les informacions provinents d’un sistema electrònic. La branca de l’electrònica que s’ocupa d’aquests dispositius es denomina electrònica òptica o optoelectrònica.
L’optoelectrònica
Ara analitzarem com la tecnologia electrònica ha resolt el problema de la lectura dels senyals numèrics produïts a l’interior d’un circuit electrònic. El circuit conté uns pins de connexió encarregats d’enviar els senyals de sortida. Imaginem que hi hagi quatre pins. Poden trobar-se en dues situacions elèctriques, esquematitzades per “H” o per “L”, que corresponen al pas o al no-pas de corrent. Així, es poden produir les situacions següents:
1 2 3 4
L L L L
en què no passa corrent elèctric per cap dels quatre pins. La xifra de sortida és 0. En un altre cas:
1 2 3 4
H L L L
i ara la xifra de sortida és l’1. O bé:
1 2 3 4
L H L L
i aleshores significa que la xifra de sortida és el 2. O encara:
1 2 3 4
H H L L
que vol dir que les xifres de sortida són dues (l’1 i el 2). I així successivament.
Si disposem d’una sèrie de set bombetes, col·locades de manera que formin un vuit, podem fer que s’il·luminin els diversos segments, corresponents a una bombeta cadascun, servint-nos de les combinacions d’encès/apagat que hem il·lustrat, de manera que es formin els nombres desitjats. Entre els pins i els díodes (LED o Light Emitting Diode o ‘díode emissor de llum’), que en els dispositius electrònics acompleixen les funcions de les bombetes, cal interposar un convertidor de codi, que té la funció d’encendre el díode que s’ha d’il·luminar per a formar la xifra desitjada.
Les aplicacions de l’optoelectrònica són nombroses. Les més habituals són les que utilitzen cristalls líquids, i aquestes són les que veurem tot seguit.
Els cristalls líquids
Els cristalls líquids són transparents i sensibles a l’acció elèctrica. El pas de corrent n’ordena les molècules, que bloquen el pas de la llum quan els cristalls s’il·luminen pel darrere. Així, es poden crear nombres o figures diverses.
ECSA
Sovint, en pensar en un cristall, ens imaginem una cosa sòlida, potser com el diamant. Ara bé, s’han descobert algunes substàncies líquides compostes de molècules que s’aglomeren en petits cristalls allargassats. De fet, es tracta d’unes substàncies que, dintre d’un cert interval de temperatura, presenten una organització que no és ni sòlida ni líquida. Aquestes substàncies s’anomenen cristalls líquids.
Els cristalls líquids presenten dues característiques de molt interès des del punt de vista de l’optoelectrònica: són absolutament transparents i mostren una gran sensibilitat a l’acció elèctrica.
Si tenim un recipient d’un vidre molt prim que contingui cristall líquid, veurem que és perfectament transparent a la llum. Però, si fem que les superfícies del recipient siguin aptes per a la conducció elèctrica (dipositant-hi una capa molt prima de material conductor), en aplicar-hi una tensió el cristall líquid es torna opac. La causant d’aquest fenomen és l’acció del corrent elèctric, que “ordena” les molècules del cristall líquid de manera que bloquin el pas de la llum. És a dir, en il·luminar el vidre des de la part posterior, la llum només passa a través del cristall líquid quan no ha estat excitat elèctricament.
Vegem ara de quina manera l’optoelectrònica aprofita aquest fenomen. Es tracta senzillament de disposar sobre el vidre que conté el cristall líquid una sèrie d’elèctrodes de tal manera que s’obtinguin els efectes de visualització desitjats. Si es disposen com a segments, com és el cas dels LED, es pot obtenir un sistema apte per a la visualització dels nombres. En canvi, si són uns punts, es poden visualitzar nombres, lletres de l’alfabet o imatges, que corresponen, evidentment, a les àrees de cristall líquid que, en rebre els estímuls elèctrics, no deixen passar la llum.
L’avantatge principal del cristall líquid, que ha estat la clau del seu èxit, és el baix consum d’energia que requereix per a acomplir la seva funció de visualització. Aquest consum energètic tan reduït permet la seva utilització en aparells elèctrics que funcionen amb piles.
Mesurar el temps amb el quars
Un dels aparells que utilitza una pantalla de cristall líquid per a la visualització dels nombres és el rellotge de polsera digital. En un rellotge d’aquest tipus, no solament l’exposició numèrica ha substituït les busques dels rellotges mecànics tradicionals, sinó que també la manera com batega el “cor” del rellotge és del tot diferent.
La mesura del temps en els rellotges ha anat sempre lligada a dos sistemes. D’una banda, hi ha el rellotge proveït d’un mecanisme que oscil·la amb un període constant, i, de l’altra, el rellotge que compta les oscil·lacions (vegeu “El temps”). En certa manera, el rellotge electrònic manté aquest principi de mesura, i, per tant, ha de disposar de tres elements: 1) un sistema d’oscil·lació que substitueixi el pèndol o el volant d’un rellotge mecànic, 2) un comptador que computi les oscil·lacions produïdes pel primer dispositiu i 3) un sistema que visualitzi el resultat del comptador.
El quars resol el primer problema, ja que se’n fa servir un cristall minúscul tallat amb uns criteris específics. Les propietats piezoelèctriques del quars són utilitzades per a mesurar i controlar la freqüència dels impulsos elèctrics generats pel circuit elèctric de l’aparell. Aquestes propietats es basen en l’aparició de càrregues elèctriques entre les cares oposades del cristall per efecte d’una deformació en aplicar-hi una vibració. Les oscil·lacions transmeses pel quars són molt estables i cent vegades més precises que les obtingudes en un sistema mecànic tradicional.
El segon problema es resol amb un circuit integrat capaç de comptar la freqüència de les oscil·lacions del quars. Atès que aquestes oscil·lacions presenten una freqüència molt elevada, primerament es redueixen a la freqüència d’una oscil·lació per segon, com en el pèndol tradicional. El comptador que rep les oscil·lacions del quars, les divideix de manera que emeti un impuls cada segon. Un altre comptador emet, al seu torn, un impuls cada 60 impulsos del primer comptador, o sigui cada minut (per tant, divideix els impulsos rebuts per 60). El mateix succeeix amb un tercer comptador, que emet un impuls cada 60 impulsos del segon comptador, és a dir, cada hora. Els senyals provinents dels tres comptadors es tradueixen, per mitjà d’altres circuits, en informació que permet variar la indicació numèrica dels segons, dels minuts i de les hores que apareixen a la pantalla de cristall líquid del rellotge.
La introducció del rellotge de quars ha comportat avantatges considerables respecte als sistemes mecànics. És certament més precís, es desgasta menys i no s’espatlla tant perquè no té parts mecàniques; a més, és menys aparatós i més econòmic, ja que els dispositius electrònics que hem esmentat són poc costosos i poden encabir-se en un sol xip.