Puertas Lógicas: Definición, Funcionamiento, Tipos y Aplicaciones
En palabras simples, una Puerta Lógica (Compuerta Lógica) es un componente electrónico de tipo booleano utilizado para ejecutar operaciones lógicas sobre señales binarias (0s y 1s) en circuitos digitales. Las puertas lógicas consisten en un circuito de dos (o más) entradas y una salida, donde el resultado de la salida dependerá de las reglas del tipo de compuerta lógica que se esté manejando en ese momento.
Nota: Durante todo el artículo se tomará la palabra “nivel lógico” para representar el sistema binario, no obstante, también pueden representarse como “verdadero” y “falso” o “encendido” y “apagado”.
¿Para qué Sirven las Puertas Lógicas?
Las compuertas lógicas son un componente más que fundamental para la creación de circuitos digitales, ya que la combinación de las mismas permite realizar tanto tareas simples como complejas.
Existen distintas puertas lógicas (NOR, OR, NOT, etc.), donde cada una cumple una función lógica específica que puede ser entendida mediante su tabla de verdad, no obstante, para este artículo solo tomaremos en cuenta las principales.
Compuertas Buffer
La compuerta lógica Buffer posee una entrada. El nivel lógico (es decir, “0” o “1”) de la entrada será el mismo nivel lógico de su salida. Normalmente, es utilizado para amplificar señales sin la necesidad de tocar su nivel lógico.
Función Booleana: Salida/OUT/Y = A
Puerta Lógica AND
La compuerta lógica AND posee dos (o más) entradas; si ambas poseen un nivel lógico alto (es decir, “1”), la salida tendrá un nivel lógico alto, no obstante, si una (o todas) de las entradas posee un nivel lógico bajo (es decir, “0”), la salida tendrá un nivel lógico bajo.
Función Booleana: Salida/OUT/Y = A · B
Aplicaciones de la Compuerta AND
La puerta lógica AND solo permite la salida de energía a menos que ambas entradas tengan una carga positiva; por lo tanto, su lógica puede ser utilizada en los siguientes ejemplos:
Control de Puertas de los ascensores
Las compuertas lógicas AND son utilizadas en los ascensores con el fin de controlar sus puertas, es decir, para que el ascensor pueda moverse (salida), es necesario que las puertas estén cerradas (es decir, “1”) y que no haya nada que impida su cierre (otro “1”).
Sistema de Control de Acceso
Otro ejemplo es su uso en los sistemas de control, es decir, para que alguien pueda acceder a “x” lugar, se utiliza una compuerta AND para permitir el acceso solo si el lector de huellas y la contraseña son correctos al mismo tiempo.
Puerta Lógica OR
Una compuerta lógica OR posee dos (o más) entradas; si por lo menos una de estas posee un nivel lógico alto, la salida tendrá un nivel lógico alto, sin embargo, si ambas entradas tienen un valor lógico bajo, la salida tendrá un nivel lógico bajo.
Función Booleana: Salida/OUT/Y = A + B
Aplicaciones de la Compuerta OR
La compuerta lógica OR solo permite la salida de un nivel lógico alto solo si una de las dos entradas posee un nivel lógico alto; por consiguiente, su lógica puede ser utilizada en los siguientes ejemplos:
Sistema de Control de Acceso
En los sistemas de control de acceso, la compuerta OR puede ser utilizada para permitir el acceso a “x” lugar solo si se presenta una de las varias condiciones de acceso, es decir, si el usuario decide introducir un código pin en lugar de una contraseña, el usuario podrá acceder a “x” lugar en caso de que cualquiera de las dos opciones sea correcta.
Sistemas de Alarma
En el caso de los sistemas de seguridad, las puertas OR pueden ser utilizadas para encender una alarma/luz solo si se cumple una de varias condiciones de activación, es decir, si el sensor de movimientos detecta alguna variación, la luz/alarma procederá a encenderse.
Puerta Lógica NOT
La compuerta lógica NOT posee una entrada; si el nivel lógico de la entrada es alto, la salida tendrá un nivel lógico bajo; en el caso de que la salida tenga un nivel lógico bajo, la salida tendrá un nivel lógico alto.
Función Booleana: Salida/OUT/Y = Ā
Aplicaciones de la Compuerta NOT
La compuerta NOT permite la salida de un nivel lógico alto solo si la entrada posee un nivel lógico bajo; en palabras simples, la puerta invierte el valor de su entrada; por lo tanto, su lógica puede aplicarse de la siguiente manera:
Control de Compuertas Lógicas
Las compuertas lógicas NOT son comúnmente utilizadas para invertir el nivel lógico antes de que pasen por otra puerta lógica, es decir, en caso de necesitar un nivel lógico alto para una compuerta AND, se utiliza la compuerta NOT para cambiar de “0” a “1”.
Puerta Lógica XOR
La Compuerta Lógica XOR (OR Exclusiva) posee dos (o más) entradas; si las entradas poseen un nivel lógico distinto, la salida tendrá un nivel lógico alto, no obstante, si todas las entradas coinciden en el mismo nivel lógico, la salida resultará en un nivel lógico bajo.
Función Booleana: Salida/OUT/Y = (Ā1 · A2) + (A1 · Ā2)
Aplicaciones de las Puertas Lógicas XOR
La puerta lógica XOR permite la salida de un nivel lógico alto solo si las entradas son opuestas entre sí, es decir, cada entrada debe poseer un nivel lógico distinto. Por consiguiente, su lógica puede ser utilizada en los siguientes ejemplos:
Criptografía
Existe un método de encriptación llamado cifrado de Vernam, el cual consiste en buscar el código ASCII de cada dato original y sumarlo con una palabra clave mediante las operaciones XOR.
Sensores de Movimiento
En sistemas de seguridad, las compuertas XOR son utilizadas para detectar cambios en los sensores de movimiento. Si la señal enviada por el sensor es diferente a la actual, el sensor ha detectado un movimiento, de lo contrario, no se ha detectado ningún movimiento.
Puertas Lógicas NAND
La compuerta lógica NAND es la combinación de una compuerta AND y una compuerta NOT, por lo tanto, sus salidas son la negación de las salidas AND. Las puertas NAND poseen dos (o más) entradas; si todas las entradas poseen un nivel lógico alto, la salida tendrá un nivel lógico bajo, en el caso contrario, la salida tendrá un nivel lógico alto.
Función Booleana: Salida/OUT/Y = NOT (A AND B)
Aplicaciones de la Compuerta NAND
La puerta lógica NAND permite la salida de un nivel lógico alto solo si todas sus entradas no coinciden con un nivel lógico alto. Por consiguiente, su lógica puede aplicarse de la siguiente manera:
Memoria DRAM
Las puertas NAND (y otras puertas) son utilizadas para la construcción de las celdas de memoria de una DRAM como parte del circuito de control y amplificación de las mismas.
Puerta Lógica NOR
La compuerta lógica NOR es la combinación de una compuerta OR y una compuerta NOT; por lo tanto, sus salidas son la negación de las salidas OR. Las puertas NOR poseen dos (o más) entradas; si ambas entradas poseen un nivel lógico bajo, la salida tendrá un nivel lógico alto, en caso contrario, la salida tendrá un nivel lógico bajo.
Función Booleana: Salida/OUT/Y = NOT (A OR B)
Aplicaciones de la Puertas Lógicas NOR
La Puerta Lógica NOR permite la salida de un nivel lógico alto solo si todas sus entradas poseen un nivel lógico bajo. Por consiguiente, su lógica es utilizada de la siguiente manera:
Multiplexores
La puerta lógica NOR permite la salida de un nivel lógico alto solo si todas sus entradas poseen un nivel lógico bajo. Por consiguiente, su lógica es utilizada de la siguiente manera:
Puerta Lógica XNOR
La compuerta lógica XNOR es la combinación de una compuerta XOR y una compuerta NOT; por lo tanto, sus salidas son la negación de las salidas XOR. Las Puertas Lógicas XNOR poseen dos (o más) entradas; si ambas entradas poseen el mismo nivel lógico, la salida tendrá un nivel lógico alto, de lo contrario, la salida tendrá un nivel lógico bajo.
Función Booleana: Salida/OUT/Y = (Ā1 · Ā2) + (A1 · A2)
Aplicaciones de las Puertas Lógicas XNOR
La puerta lógica XNOR permite la salida de un nivel lógico alto solo si las entradas coinciden entre sí, es decir, cada entrada debe tener el mismo nivel lógico. Por consiguiente, su lógica puede ser utilizada en el siguiente ejemplo:
Sistema de Seguridad con Sensores
En un sistema de seguridad, las compuertas XNOR pueden utilizarse para activar la alarma en caso de que una puerta o ventana esté abierta mientras el sistema de seguridad esté activado, es decir, si el sistema de seguridad está activado, el nivel lógico enviado a la puerta XNOR sería de “1”, y si los sensores detectan que una puerta o una ventana está abierta, el nivel lógico enviado a la puerta XNOR sería de “1”, lo que terminaría por activar la alarma.
