Teoría del módulo – Módulo 3 – Fundamentos de lógica digital

Bienvenido al mundo de la electrónica digital, donde todo es una decisión. A diferencia del mundo analógico, donde los valores pueden ser cualquier cosa (como la perilla de volumen de una radio), el mundo digital es binario: es ENCENDIDO o APAGADO, SÍ o NO, 1 o 0. En este módulo, exploraremos cómo las computadoras y los dispositivos inteligentes toman decisiones utilizando pequeños bloques de construcción llamados Puertas Lógicas. Pasaremos de ideas abstractas a construir circuitos reales que pueden 'pensar' de formas simples.

El Mundo Binario: ¿Sí o No?

Imagina un interruptor de luz. Solo tiene dos posiciones: arriba o abajo. La luz está brillando o está oscura. No hay un ‘tal vez’. Esta es la esencia de la lógica digital. En electrónica, representamos estos dos estados como niveles de voltaje. Usualmente, 5 voltios representan ‘ENCENDIDO’ (o Lógica 1, o Alto), y 0 voltios representan ‘APAGADO’ (o Lógica 0, o Bajo).

Cada decisión compleja que toma una computadora es solo una colección masiva de estas simples preguntas de Sí/No. Antes de construir sistemas complejos, debemos entender a los tomadores de decisiones básicos. Los llamamos ‘Puertas Lógicas’ porque actúan como porteros: miran las entradas que llegan y deciden si abren la puerta y dejan fluir la electricidad hacia la salida.

La Puerta AND: Ambos Deben Decir Sí

El primer tomador de decisiones es la puerta AND. Piensa en esto como un guardia de seguridad muy estricto. Pregunta: ‘¿Se cumple la condición A Y se cumple la condición B?’. Si la respuesta a ambas es sí, la salida es sí. Si falta aunque sea una, la respuesta es no.

Exploramos este concepto en el Caso práctico: Sistema de Seguridad de Doble Llave. Imagina una bóveda de banco o una prensa industrial peligrosa. No quieres que una persona pueda activarla accidentalmente. Requieres dos llaves separadas giradas exactamente al mismo tiempo. En nuestro circuito, el LED (la salida) solo se enciende cuando presionas el botón A Y el botón B. Esta es la puerta lógica más segura porque exige un acuerdo total de todas las entradas.

La Puerta OR: Cualquier Opción Sirve

A veces, queremos ser más flexibles. La puerta OR es un tomador de decisiones generoso. Pregunta: ‘¿Es verdadera la condición A O es verdadera la condición B?’. No le importa cuál sea, y está perfectamente feliz si ambas son verdaderas. Mientras al menos una entrada esté activa, la salida se enciende.

Verás esto en acción durante el Caso práctico: Control de iluminación desde dos puntos. Piensa en la luz de tu pasillo. Podrías querer encenderla desde el interruptor al pie de las escaleras O desde el interruptor en la parte superior. En este proyecto, presionar cualquiera de los botones envía una señal que pasa a través de la puerta para encender el LED. Es la lógica de la conveniencia y los múltiples puntos de acceso.

La Puerta NOT: El Rebelde

El tercer bloque fundamental es la puerta NOT, también conocida como Inversor. Esta puerta es contraria. Lo que sea que le digas, hace lo opuesto. Si le das una señal Alta (ENCENDIDO), emite una señal Baja (APAGADO). Si no le das nada (APAGADO), enciende la salida.

Esto puede parecer inútil al principio, pero es crítico para la seguridad. Demostramos esto en el Caso práctico: Alarma de puerta abierta. En un sistema de seguridad, una puerta cerrada generalmente completa un circuito (enviando una señal de ‘Sí’). Pero queremos que la alarma esté en silencio cuando la puerta está cerrada. Usamos una puerta NOT para que cuando la puerta esté cerrada (Entrada Alta), la alarma esté APAGADA. Cuando el ladrón abre la puerta, el circuito se rompe (Entrada Baja), y la puerta NOT invierte esto a Alto, haciendo sonar la alarma.

Visualizando la Inversión

Puede ser complicado visualizar la electricidad cambiando de estado, así que usamos indicadores para ayudarnos a ver la lógica. En el Caso práctico: Inversor de señal con indicador LED, configuramos un circuito que hace obvia esta relación. Usamos dos LEDs: uno que muestra lo que entra en la puerta, y uno que muestra lo que sale.

Cuando presionas el botón, el LED de entrada se enciende, pero el LED de salida se apaga. Cuando sueltas el botón, la entrada se oscurece, pero el LED de salida brilla intensamente. Este efecto de ‘sube y baja’ confirma que el chip está invirtiendo activamente tu comando. Es el bloque de construcción fundamental para crear luces parpadeantes o alternar estados en las computadoras.

El Peligro de los Pines Flotantes

Hay una trampa oculta en la electrónica digital llamada el ‘pin flotante’. Imagina una cometa volando en el viento sin cuerda. Va arriba, abajo, a la izquierda y a la derecha de manera impredecible. Una entrada de puerta lógica que no está conectada a nada actúa como esa cometa. Recoge electricidad estática del aire y de tu mano, cambiando aleatoriamente entre ENCENDIDO y APAGADO.

Para solucionar esto, usamos resistencias ‘Pull-up’ o ‘Pull-down’. Estas son como la cuerda para la cometa. Una resistencia pull-up conecta débilmente la entrada al voltaje positivo, asegurando que cuando no estás presionando un botón, el chip definitivamente vea una señal ‘Alta’. Fuerza a la entrada indecisa a tomar una elección, asegurando que tu Caso práctico: Sistema de Seguridad de Doble Llave no se active aleatoriamente solo porque alguien pasó caminando con un suéter de lana.