Qué es una compuerta lógica y la tabla de la verdad

Una puerta lógica es un tipo de componente de hardware que realiza una operación lógica en dos entradas. Puede considerarse como un circuito digital o un conmutador que produce una salida basada en la función booleana que implementa. La salida de cada puerta lógica es verdadera (1) o falsa (0), dependiendo de las entradas binarias que reciba, en la electrónica digital estos estados se traducen a voltajes eléctricos, donde 1 se representa como un voltaje alto y 0 como un voltaje bajo.

Estos circuitos están diseñados para realizar operaciones lógicas como la suma o la multiplicación, entre las compuertas más comunes se encuentran AND, OR, AND (Y), OR (O), XOR (XOR) y NOT (NO). Es importante destacar que estas compuertas se pueden conectar entre sí para crear nuevas funciones, lógicas más complejas y construir circuitos más grandes. Cada puerta también tiene una tabla de verdad que describe sus salidas para diferentes combinaciones de entrada. 

te daremos unos ejemplos para que entiendas lo genial que es usar las compuertas lógicas en la electrónica y su importancia en diferentes eventos cotidianos

1) Control de acceso: Un ejemplo común de compuerta lógica AND es utilizado en sistemas de control de acceso. Por ejemplo, en un edificio de oficinas, se utiliza una tarjeta de acceso y un código de seguridad para acceder al edificio. La compuerta lógica AND se encarga de verificar que tanto la tarjeta como el código sean válidos antes de permitir el acceso.

2) Sistemas de alarma: Un ejemplo de compuerta lógica OR es utilizado en sistemas de alarma de hogar. Por ejemplo, si se activa un sensor de movimiento o un sensor de puerta abierta, la alarma se activa. La compuerta lógica OR se encarga de verificar que cualquiera de los sensores se haya activado antes de activar la alarma.

3) Control de semáforos: Un ejemplo de compuerta lógica NOT es utilizado en sistemas de control de semáforos. Por ejemplo, si un sensor detecta tráfico en una calle, el semáforo se pone en rojo. La compuerta lógica NOT se encarga de verificar que no haya tráfico en la calle antes de poner el semáforo en verde.

4) Sistema de automatización de casa: Un ejemplo de compuerta lógica NAND es utilizado en sistemas de automatización de casa. Por ejemplo, si se activa un sensor de movimiento y un sensor de puerta abierta al mismo tiempo, se enciende la luz del pasillo. La compuerta lógica NAND se encarga de verificar que ambos sensores se hayan activado antes de encender la luz.

5) Sistema de control de clima: Un ejemplo de compuerta lógica XOR es utilizado en sistemas de control de clima. Por ejemplo, si un sensor detecta que la temperatura es demasiado alta y otro sensor detecta que la humedad es demasiado baja, el sistema de aire acondicionado se activa. La compuerta lógica XOR se encarga de verificar que solo uno de los sensores se haya activado antes de activar el aire acondicionado.

¿Por qué son importantes las compuertas lógicas?

Las compuertas lógicas son importantes porque son los bloques básicos de la electrónica digital, cada compuerta lógica es un circuito electrónico que toma una o varias entradas y devuelve una sola salida, basándose en una función booleana específica, su finalidad es facilitar las operaciones lógicas entre dos o más señales dentro de un circuito. Una puerta lógica es esencialmente un dispositivo electrónico que toma señales de entrada de una o más fuentes y produce una salida basada en un conjunto predeterminado de condiciones. Esto la convierte en un componente fundamental para los sistemas analógicos y digitales, ya que permite realizar operaciones complejas con un mínimo de circuitos.

El uso de puertas lógicas permite diseñar circuitos lógicos capaces de realizar cálculos complejos con menos componentes de los que se necesitarían sin ellas. Como tales, son esenciales para el desarrollo de dispositivos digitales y circuitos electrónicos modernos. Gracias a las puertas lógicas, los ingenieros pueden crear soluciones eficaces, fiables y rentables a problemas complejos.

Una de las compuertas más comunes es la compuerta AND, la cual devuelve una salida de 1 solo si sus entradas son 1. Por ejemplo, si queremos encender una luz solo si dos interruptores están activados, podemos conectar ambos interruptores a una compuerta AND, y conectar la salida de la compuerta a la luz. De esta manera, si ambos interruptores están activados, la salida de la compuerta será 1 y la luz se encenderá, pero si solo uno de los interruptores está activado, la salida será 0 y la luz no se encenderá.

Otra compuerta común es la compuerta OR, la cual devuelve una salida de 1 si cualquiera de sus entradas es 1. Por ejemplo, si queremos encender una luz con cualquiera de dos interruptores, podemos conectar ambos interruptores a una compuerta OR y conectar la salida de la compuerta a la luz. De esta manera, si cualquiera de los dos interruptores está activado, la salida de la compuerta será 1 y la luz se encenderá.

Existe una compuerta llamada NOT, que actúa como un inversor, si la entrada es 1, la salida será 0, y si la entrada es 0, la salida será 1.

Existen también compuertas más complejas, como la compuerta XOR (o exclusiva), que devuelve una salida de 1 solo si una de sus entradas es 1 y la otra es 0.

Las compuertas lógicas también se pueden combinar entre sí para obtener nuevas funciones. Por ejemplo, podemos conectar la salida de una compuerta AND a la entrada de una compuerta NOT para obtener una compuerta AND negada.

¿Cómo funcionan las compuertas lógicas?

Las compuertas lógicas son circuitos electrónicos que realizan operaciones lógicas binarias (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR) y se utilizan en la electrónica digital para procesar información, cada compuerta lógica tiene una o varias entradas y una sola salida, y su funcionamiento depende de la función booleana específica que realiza.

Una de las compuertas lógicas más utilizadas es la compuerta AND, que toma dos o más entradas y devuelve una salida de 1 solo si todas sus entradas son 1, esto es útil para crear circuitos de conmutación como un sistema de seguridad en el que la puerta solo se abre si se introduce un código correcto y se gira la llave correcta.

Otra compuerta lógica importante es la compuerta NOT, que actúa como un inversor, cambiando una señal de 0 a 1 o de 1 a 0. Esto es útil para invertir señales en un circuito, como un indicador de luz que se encienda cuando un interruptor está apagado.

Además, las compuertas lógicas también se utilizan en la programación de computadoras y en la construcción de circuitos integrados. Por ejemplo, las compuertas AND, OR y NOT se utilizan en la construcción de circuitos lógicos y en la creación de circuitos integrados.

Tipos de Compuertas lógicas y tablas de verdad

Las puertas lógicas y las tablas de verdad son componentes fundamentales de los circuitos digitales. Se utilizan para realizar operaciones lógicas en entradas binarias, como AND, OR y NOT. Las puertas lógicas pueden combinarse entre sí para crear funciones lógicas más complejas, como NAND y NOR. Una tabla verdadero-falso es un gráfico que enumera todas las combinaciones posibles de valores de entrada y el valor de salida resultante para cada combinación.

Las tablas verdadero-falso pueden utilizarse para diseñar o solucionar problemas de circuitos digitales rápidamente, ya que proporcionan una representación visual de cómo se comportará el circuito en diferentes situaciones. Combinando puertas lógicas con tablas verdadero-falso, los ingenieros y diseñadores pueden construir sistemas digitales complejos que controlan casi cualquier cosa.

Cada compuerta lógica tiene una o varias entradas y una sola salida, y su funcionamiento depende de la función booleana específica que realiza.

Una de las herramientas más útiles para entender cómo funcionan las compuertas lógicas es la tabla de verdad. Una tabla de verdad es una tabla que muestra todas las posibles combinaciones de entradas y la correspondiente salida para una compuerta lógica dada.

Por ejemplo, consideremos una compuerta AND con dos entradas A y B y una salida C. La tabla de verdad para esta compuerta mostraría todas las combinaciones posibles de A y B (0 o 1) y la salida correspondiente (0 o 1) de acuerdo con la función lógica de la compuerta AND, que es solo 1 si ambas entradas son 1.

Compuerta AND

La puerta lógica AND es un tipo de puerta lógica digital que realiza la operación lógica AND. Esto significa que sólo emitirá un «1» o una señal «alta» cuando sus dos entradas sean «1» o «alta». En otras palabras, para que la salida sea alta, ambas entradas deben ser altas. El símbolo de una puerta AND se parece a una Y invertida con dos entradas y una salida. A veces también se denomina operador producto booleano por su relación con las funciones lógicas del álgebra de Boole.

Generalmente, una puerta AND puede tener dos o más entradas y una salida, pero también pueden hacerse con una sola entrada. La tabla de verdad de la puerta AND muestra cómo se corresponde cada combinación de entradas con su estado de salida. Esto puede ser útil para determinar cómo afectarán las distintas combinaciones de señales al sistema global.

te daremos 3 ejemplos para que logres entenderlas con mucha mas facilidad

1) Un ejemplo de compuerta AND en la electrónica podría ser un sistema de seguridad para una casa. Supongamos que se quiere que la puerta principal se abra solo si se ingresa la contraseña correcta en el teclado y se escanea una tarjeta de acceso válida. La compuerta AND se encarga de comparar ambas entradas (contraseña correcta y tarjeta de acceso válida) y solo si ambas son verdaderas, entonces la salida (abrir la puerta) será activada.

2) Otro ejemplo de compuerta AND en la electrónica podría ser en un automóvil. Supongamos que se quiere que el motor del coche solo se encienda si se presiona el pedal del freno y se gira la llave de encendido. La compuerta AND se encarga de comparar ambas entradas (presionar el pedal del freno y girar la llave de encendido) y solo si ambas son verdaderas, entonces la salida (encender el motor) será activada.

3) Un tercer ejemplo de compuerta AND en la electrónica podría ser en un sistema de iluminación automático. Supongamos que se quiere que las luces se enciendan solo cuando se detecta movimiento y cuando la luz natural es baja. La compuerta AND se encarga de comparar ambas entradas (detecta movimiento y baja luz natural) y solo si ambas son verdaderas, entonces la salida (encender las luces) será activada.

Compuerta OR

La puerta lógica OR es un componente importante en electrónica y circuitos digitales, tiene dos entradas y una salida, siendo la salida el resultado de una operación lógica en las dos entradas. La salida es alta (1) si una o ambas entradas son altas (1).

Si ambas entradas son bajas (0), la salida también es baja (0). Esto hace posible que un circuito reaccione de forma diferente dependiendo de si una o ambas entradas están activas. La puerta lógica OR puede utilizarse para controlar diversos componentes de un circuito, como LED, transistores, relés, etc. También es útil para combinar varias señales en una señal combinada que pueda ser utilizada por otras partes del circuito.

un ejemplo podría ser si queremos encender una alarma si se activa cualquiera de dos sensores de movimiento, utilizaríamos una compuerta OR.

Compuerta NOT o INV (inversor)

La puerta lógica NOT también conocida como inversor es un componente fundamental de los circuitos lógicos digitales, este es un dispositivo de una sola entrada y una sola salida que produce la salida binaria opuesta para cualquier entrada dada, por ejemplo, si la entrada es ALTA (1), la salida será BAJA (0, la puerta NOT puede representarse en álgebra booleana como una expresión de ‘NOT A’, y su tabla de verdad muestra las salidas correspondientes de 0 ó 1 cuando A es 0 ó 1.

La puerta NOT tiene muchos usos, como formar puertas lógicas más grandes, como las puertas OR y AND, combinándolas con otras puertas lógicas. También puede utilizarse para invertir señales o para crear lógica negativa invirtiendo las entradas y salidas de un sistema. Como una de las formas más básicas de la lógica digital, la puerta NOT es un bloque de construcción importante para crear circuitos y sistemas más complejos.

te daremos 3 ejemplos para que los puedas entender mucho mas fácil

1) Un interruptor de luz en un cuarto. La compuerta NOT funciona como el interruptor de encendido y apagado de la luz. Si la entrada es «encendido» (1), la salida será «apagado» (0) y viceversa.

2) Un control remoto para un televisor. La compuerta NOT funciona como el botón de encendido y apagado de la televisión. Si la entrada es «encendido» (1), la salida será «apagado» (0) y viceversa.

3) Un sistema de seguridad para una casa. La compuerta NOT funciona como el sensor de movimiento que activa o desactiva el sistema de alarma. Si la entrada es «sin movimiento» (0), la salida será «alarma activada» (1) y viceversa.

Compuerta NAND

La compuerta lógica NAND es uno de los dispositivo lógico digitales más utilizados en la electrónica moderna, es una puerta de entrada múltiple y salida única que funciona como una puerta AND pero con una salida invertida. La salida de la puerta NAND será ALTA (1) sólo si todas sus entradas son BAJAS (0). Si alguna de sus entradas es ALTA (1), la salida será BAJA (0). Esto la hace útil para aplicaciones como operaciones booleanas y cálculos aritméticos.

Las puertas NAND se construyen normalmente a partir de transistores, diodos o relés y se pueden encontrar en ordenadores, routers y otros dispositivos electrónicos, también pueden utilizarse como bloques de construcción para crear circuitos lógicos más complejos. Las puertas NAND son versátiles, relativamente sencillas de construir y rentables. Ofrecen velocidades de conmutación rápidas, bajo consumo, bajos niveles de ruido y gran fiabilidad. Por eso se han convertido en una de las puertas lógicas más importantes de los sistemas digitales actuales.

acá te daremos unos ejemplos para que puedas entenderlas, recuerda mirar los gráficos para que veas su lógica contra lo que te comentamos :

1) Imagina que estás jugando un videojuego en el que debes recolectar monedas para ganar. Cada vez que recolectas una moneda, una compuerta NAND se activa y te permite avanzar al siguiente nivel. Sin embargo, si no tienes suficientes monedas, la compuerta NAND no se activa y no puedes avanzar.

2) En un sistema de seguridad para una casa, una compuerta NAND se utiliza para determinar si se activa la alarma. Si ambos sensores de movimiento y la puerta principal están cerradas, la alarma no se activa. Sin embargo, si alguno de los sensores detecta movimiento o la puerta está abierta, la compuerta NAND activa la alarma.

3) En un sistema de riego automatizado para un jardín, una compuerta NAND se utiliza para determinar si el sistema de riego se activa. Si el sensor de humedad detecta que el suelo está seco y el sensor de clima indica que no está lloviendo, la compuerta NAND activa el sistema de riego. Sin embargo, si el suelo ya está húmedo o está lloviendo, el sistema de riego no se activa.

Compuerta NOR

Una puerta lógica NOR es un tipo importante de circuito lógico digital, es una combinación de dos puertas NOT y una puerta OR que permite que dos o más entradas produzcan una salida, La salida es ALTA (1) si todas las entradas son BAJAS (0) y BAJA (0) si al menos una entrada es ALTA (1), esto convierte a la puerta NOR en un elemento fundamental de los circuitos informáticos, como los chips de memoria y los microprocesadores, donde puede utilizarse para controlar el flujo de datos.

Una ventaja clave de la puerta lógica NOR es que requiere menos componentes que otros tipos de puertas lógicas, lo que puede dar lugar a diseños de circuitos más baratos y eficientes. Además, debido a su simplicidad, la puerta lógica NOR puede implementarse fácilmente utilizando transistores o circuitos integrados para una gran variedad de aplicaciones.

te damos 3 ejemplos para que entiendas mas fácil este tipo de compuerta :

1) En un sistema de seguridad de un edificio, la compuerta lógica NOR se utiliza para determinar si una puerta está cerrada o no. La entrada A sería la señal de un sensor de puerta cerrada y la entrada B sería la señal de un sensor de puerta abierta. Si ambas entradas son 0 (puerta cerrada y puerta abierta), entonces la salida sería 1 (puerta cerrada y segura).

2) En un sistema de control de tráfico, la compuerta lógica NOR se utiliza para determinar si un semáforo debe cambiar de verde a rojo. La entrada A sería la señal de un detector de vehículos en la intersección y la entrada B sería la señal del temporizador del semáforo. Si ambas entradas son 0 (no hay vehículos y el tiempo del semáforo ha expirado), entonces la salida sería 1 (cambio de semáforo a rojo).

3) En un sistema de sonido para un evento en vivo, la compuerta lógica NOR se utiliza para determinar si un micrófono está encendido o apagado. La entrada A sería la señal de un interruptor de encendido/apagado y la entrada B sería la señal de un sensor de ruido. Si ambas entradas son 0 (interruptor apagado y no hay ruido), entonces la salida sería 1 (el micrófono está apagado y no emite sonido).

Compuerta XOR o Negada

La puerta lógica XOR, también conocida como negada o es un tipo de puerta lógica digital que permite comparar dos entradas y producir una salida dependiendo del estado de esas dos entradas, la puerta XOR producirá una salida de 1 cuando una entrada esté alta y la otra baja, cuando ambas entradas están en el mismo estado (ambas altas o ambas bajas) la salida será 0.

Esto hace que las puertas XOR sean útiles para aplicaciones que requieren la comparación entre dos valores, como la comparación de dos señales binarias, por ejemplo, si una entrada es una señal de un sensor de movimiento que indica que se ha detectado movimiento y la otra entrada es una señal de un sistema de alarma que indica si está activado o no, se puede utilizar una puerta XOR para determinar si el movimiento debe activar el sistema de alarma. el sencillo funcionamiento de la puerta XOR la convierte en un componente versátil en muchos sistemas digitales.

3 ejemplos de compuertas lógicas XOR

1) En un colegio, una compuerta XOR podría ser utilizada para controlar el acceso a una sala de computadoras. Si dos tarjetas diferentes son presentadas al mismo tiempo, una para el estudiante y otra para el profesor, la puerta se abriría. Si una sola tarjeta es presentada, la puerta permanecería cerrada.

2) En un sistema de seguridad, una compuerta XOR podría ser utilizada para controlar el acceso a un edificio. Si dos llaves diferentes son presentadas al mismo tiempo, una para el empleado y otra para el gerente, la puerta se abriría. Si una sola llave es presentada, la puerta permanecería cerrada.

3) En un sistema de automatización del hogar, una compuerta XOR podría ser utilizada para controlar la encimera de la cocina. Si dos dispositivos de control diferentes son utilizados al mismo tiempo, uno para el horno y otro para la estufa, la encimera se encendería. Si un solo dispositivo es utilizado, la encimera permanecería apagada.

Compuerta Logica XNOR

La puerta lógica XNOR es una versión de dos entradas de la puerta lógica XOR, pero con una salida invertida, es lógicamente equivalente a una puerta AND seguida de un inversor, y funciona como puerta universal en los circuitos digitales, la salida de una puerta XNOR es verdadera cuando ambas entradas son iguales y falsa cuando son diferentes.

Cuando una de las entradas es alta, la otra debe ser baja para que la salida sea verdadera. En términos de álgebra booleana, la operación XNOR se representa mediante un signo de igualdad con una línea encima (≡), este símbolo indica que dos valores son iguales u opuestos dependiendo de sus valores de entrada. La operación XNOR también se puede utilizar para comparar dos números binarios y determinar si tienen valores similares o diferentes.

Se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones como procesamiento de datos, dispositivos de memoria, circuitos aritméticos, etc., lo que la convierte en una de las puertas más importantes para los sistemas digitales.

Símbolos de las compuertas lógicas

los siguientes son símbolos usados para las compuertas lógicas

Compuerta AND: &

Compuerta OR: |

Compuerta NOT o INV: !

Compuerta NAND: !&

Compuerta NOR: !|

Compuerta XOR: ^

Compuerta XNOR: !^

Compuerta AND de tres entradas: &&

Compuerta OR de tres entradas: ||

Compuerta AND NOT o NAND: &!

Compuerta OR NOT o NOR: |!

Compuerta AND OR NOT o XNOR: ^!

Compuerta OR AND NOT o XOR: !^&

Compuerta AND OR NOT AND NOT o XNOR: ^!&!

Compuerta OR AND NOT OR NOT o XOR: !^|!

Compuerta AND OR NOT AND NOT OR NOT o XNOR: ^!&!|!

Limitaciones de las puertas lógicas

Las puertas lógicas son elementos esenciales de los circuitos lógicos, pero también tienen ciertas limitaciones, las puertas lógicas sólo pueden procesar una entrada a la vez, lo que significa que las operaciones complejas requieren varias puertas para llevarse a cabo, además la salida de una puerta lógica está limitada por sus parámetros de diseño; sólo puede operar dentro de un rango específico de valores; debido a la naturaleza de su diseño, las puertas lógicas son propensas a errores cuando se exponen a temperaturas extremas y otros factores ambientales.

Por ejemplo, una puerta lógica puede fallar si se aplica demasiada tensión o si no pasa suficiente corriente por el circuito. Por eso es importante que los ingenieros tengan en cuenta estas limitaciones al diseñar circuitos lógicos. A pesar de estas deficiencias, las puertas lógicas siguen siendo una herramienta inestimable para crear sistemas digitales fiables y eficientes.

Otra limitación de las compuertas lógicas es su capacidad de procesamiento limitado, a medida que aumenta la complejidad de un circuito o sistema, es posible que las compuertas lógicas ya no puedan manejar la cantidad de información necesaria para el funcionamiento adecuado del sistema y se hace inutil utilizarlas, esto puede ser especialmente problemático en sistemas de procesamiento de datos masivos, como los sistemas de inteligencia artificial o los sistemas de análisis de datos que reemplazan por algoritmos de programación.

Algunos IC TTL más utilizados para el diseño de Puertas Lógicas

Hay una gran variedad de circuitos integrados para el diseño de puertas lógicas, y cada tipo tiene sus propias ventajas e inconvenientes. algunos de los circuitos integrados más populares para el diseño de puertas lógicas son TTL, ECL, CMOS, BiCMOS, FPGAs y ASICs. TTL (Transistor-Transistor Logic) es uno de los tipos de circuitos integrados más antiguos utilizados en sistemas digitales y sigue siendo muy utilizado hoy en día debido a su bajo coste. ECL (Emitter Coupled Logic) tiene mayor velocidad y menor consumo que otros circuitos integrados, pero es más caro. CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) es una opción de bajo consumo compatible con muchos tipos de dispositivos de memoria. BiCMOS (Bipolar-CMOS) combina las tecnologías TTL y CMOS para ofrecer mayor velocidad y rendimiento con menor consumo que cualquiera de ellas por separado.

Los FPGA (Field Programmable Gate Arrays) permiten a los diseñadores configurar sus propios circuitos personalizados, mientras que los ASIC (Application Specific Integrated Circuits) se diseñan específicamente para un fin o aplicación. Independientemente del tipo de circuito integrado que elija para su diseño de puerta lógica, es importante conocer los pros y los contras antes de tomar una decisión.

acá te damos una lista de IC populares para el control de compuertas lógicas :

7400: Un IC quad NAND gate

7402: Un IC quad NOR gate

7404: Un IC hex inverter

7408: Un IC quad AND gate

7432: Un IC OR gate

74138: Un IC de decodificador de tres entradas

74139: Un IC de codificador de dos entradas

74157: Un IC de multiplexor de dos entradas

74161: Un IC de contador de cuatro bits

74164: Un IC de desplazamiento de ocho bits.

74LS00: NAND gate quad 2-input

74LS01: NOR gate quad 2-input

74LS02: OR gate quad 2-input

74LS03: AND gate quad 2-input

74LS04: NOT gate hex inverter

74LS08: AND gate quad 2-input

74LS10: NAND gate triple 3-input

74LS11: AND gate triple 3-input

74LS20: NAND gate dual 4-input

74LS21: AND gate dual 4-input

74LS27: NOR gate triple 3-input

74LS30: NAND gate octal 2-input

74LS32: OR gate quad 2-input

74LS38: AND-OR-INVERT gate quad 2-input

74LS40: NAND gate dual 4-input

74LS42: AND gate dual 4-input

74LS47: BCD to 7-segment decoder/driver

74LS48: BCD to 7-segment decoder/driver

74LS51: OR gate quad 2-input

74LS73: J-K flip-flop

74LS74: D flip-flop

74LS75: 4-bit parallel-in/parallel-out shift register

74LS76: J-K flip-flop

74LS78: 4-bit binary counter

74LS83: 4-bit binary adder

74LS86: quad 2-input exclusive-OR gate

74LS90: decade counter

74LS93: 4-bit binary counter

74LS107: J-K flip-flop

74LS109: dual J-K master-slave flip-flop

74LS112: J-K flip-flop

74LS113: J-K flip-flop

74LS122: retriggerable monostable multivibrator

74LS123: retrigger