Las compuertas lógicas son uno de los conceptos fundamentales de la electrónica digital. Se encuentran presentes en computadoras, teléfonos celulares, sistemas de control, microcontroladores y prácticamente cualquier dispositivo electrónico digital.
Aunque al principio sus símbolos y tablas pueden parecer complicados, su funcionamiento es bastante sencillo: una compuerta lógica recibe una o más señales de entrada, realiza una operación lógica y produce una señal de salida.
En esta guía aprenderás qué son las compuertas lógicas, cómo funcionan las compuertas AND, OR, NOT, NAND, NOR y XOR, cómo interpretar sus tablas de verdad y cuáles son algunos de los circuitos integrados utilizados para construirlas físicamente.
¿Qué es una compuerta lógica?
Una compuerta lógica es un circuito electrónico diseñado para realizar una operación lógica con una o varias señales de entrada.
En electrónica digital normalmente trabajamos con dos estados:
0 = nivel bajo, apagado o falso
1 = nivel alto, encendido o verdadero
Por ejemplo, podemos imaginar dos interruptores llamados A y B como entradas y un LED como salida F.
Entrada A + Entrada B → Compuerta lógica → Salida F
Dependiendo del tipo de compuerta utilizada y del estado de las entradas, la salida será 0 o 1.
Esta forma de representar todas las combinaciones posibles recibe el nombre de tabla de verdad.
¿Qué es una tabla de verdad?
Una tabla de verdad muestra todas las combinaciones posibles de las entradas de una compuerta lógica y el resultado correspondiente en su salida.
Por ejemplo, si tenemos dos entradas A y B, existen cuatro combinaciones posibles:
| A | B |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
| 1 | 1 |
El resultado de la salida dependerá de la compuerta que utilicemos.
A continuación veremos las principales.
Compuerta lógica AND
La palabra AND significa “Y”.
Esta compuerta produce una salida igual a 1 solamente cuando todas sus entradas tienen valor 1.
Podemos imaginarla como una condición en la que deben cumplirse dos requisitos al mismo tiempo.
Tabla de verdad AND
| A | B | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Su expresión lógica puede representarse como:
F = A · B
Ejemplo de una compuerta AND
Imagina una máquina que solamente puede funcionar cuando:
A = la puerta de seguridad está cerrada
B = el operador presiona el botón de encendido
La máquina funcionará únicamente cuando A Y B se cumplan simultáneamente.
Un circuito integrado muy conocido que contiene compuertas AND es el 74LS08.
Compuerta lógica OR
La palabra OR significa “O”.
La salida de una compuerta OR será 1 cuando al menos una de sus entradas sea 1.
Tabla de verdad OR
| A | B | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Su expresión lógica es:
F = A + B
Ejemplo de una compuerta OR
Supongamos que tenemos un sistema de alarma.
La alarma puede activarse cuando:
A = se abre una puerta
B = se abre una ventana
Si cualquiera de los dos sensores se activa, la alarma se encenderá.
Un circuito integrado utilizado para implementar compuertas OR es el 74LS32.
Compuerta lógica NOT
La compuerta NOT, también conocida como inversor, funciona de manera diferente porque normalmente utiliza solamente una entrada.
Su función consiste en invertir el estado recibido:
Si entra 0, sale 1.
Si entra 1, sale 0.
Tabla de verdad NOT
| A | F |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
Su expresión lógica se representa como:
F = Ā
Ejemplo de una compuerta NOT
Podemos imaginar un sistema en el que queremos encender una luz cuando un sensor no detecta iluminación.
Cuando el sensor cambia de estado, la compuerta NOT invierte el resultado.
Un circuito integrado muy utilizado para esta función es el 74LS04.
Compuerta lógica NAND
La palabra NAND proviene de combinar:
NOT + AND
Es decir, realiza la operación de una compuerta AND y posteriormente invierte su resultado.
Por esta razón, su tabla de verdad es exactamente lo contrario de AND.
Tabla de verdad NAND
| A | B | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Su expresión lógica es:
F = ¬(A · B)
Una característica muy importante de NAND es que se considera una compuerta universal.
Esto significa que utilizando solamente compuertas NAND es posible construir otras funciones lógicas como AND, OR y NOT.
Uno de los circuitos integrados más conocidos que contiene compuertas NAND es el 74LS00.
Compuerta lógica NOR
La compuerta NOR combina las operaciones:
NOT + OR
Primero realiza la operación OR y después invierte el resultado.
Por lo tanto, su salida será 1 únicamente cuando todas sus entradas sean 0.
Tabla de verdad NOR
| A | B | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Su expresión lógica es:
F = ¬(A + B)
Al igual que NAND, la compuerta NOR también es una compuerta universal.
Un circuito integrado común para realizar esta función es el 74LS02.
Compuerta lógica XOR
La compuerta XOR, también llamada OR exclusiva, produce una salida igual a 1 cuando sus entradas son diferentes.
Es decir:
Si A y B son iguales → salida 0
Si A y B son diferentes → salida 1
Tabla de verdad XOR
| A | B | F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Su expresión puede representarse como:
F = A ⊕ B
Ejemplo de una compuerta XOR
XOR resulta útil cuando necesitamos detectar si dos señales son diferentes.
También aparece en circuitos digitales utilizados para realizar operaciones binarias, como los sumadores.
Un circuito integrado conocido que contiene compuertas XOR es el 74LS86.
Tabla comparativa de las compuertas lógicas
| Compuerta | Significado | ¿Cuándo la salida es 1? | Circuito integrado |
|---|---|---|---|
| AND | Y | Cuando todas las entradas son 1 | 74LS08 |
| OR | O | Cuando al menos una entrada es 1 | 74LS32 |
| NOT | NO | Invierte el valor de entrada | 74LS04 |
| NAND | NO-Y | Contrario de AND | 74LS00 |
| NOR | NO-O | Contrario de OR | 74LS02 |
| XOR | O exclusiva | Cuando las entradas son diferentes | 74LS86 |
¿Qué son los circuitos integrados 74LS?
Las compuertas lógicas no existen solamente como símbolos en los diagramas. También podemos encontrarlas físicamente dentro de circuitos integrados.
La familia 74LS contiene diferentes circuitos digitales. Cada modelo está diseñado para realizar determinadas funciones lógicas.
Por ejemplo:
74LS08 → AND
74LS32 → OR
74LS04 → NOT
74LS00 → NAND
74LS02 → NOR
74LS86 → XOR
Dentro de cada circuito integrado normalmente encontramos varias compuertas independientes, por lo que un solo chip puede utilizarse para realizar diferentes partes de un circuito digital.
Importante: antes de conectar cualquier circuito integrado debemos consultar su datasheet para identificar correctamente los pines de alimentación, entradas y salidas, además de comprobar el voltaje de operación correspondiente.
¿Dónde se utilizan las compuertas lógicas?
Las compuertas lógicas son la base de una enorme cantidad de sistemas digitales.
Se utilizan, por ejemplo, en computadoras, calculadoras, teléfonos celulares, sistemas de alarma, controles industriales, sistemas automotrices, dispositivos electrónicos, microprocesadores y microcontroladores.
Cuando combinamos muchas compuertas podemos construir circuitos más complejos capaces de realizar operaciones, almacenar información y tomar decisiones de acuerdo con determinadas condiciones.
Por eso comprender AND, OR y NOT es uno de los primeros pasos para entender cómo funcionan los sistemas digitales.
Compuertas lógicas y programación
La lógica que aprendemos con las compuertas también aparece posteriormente cuando comenzamos a programar.
Por ejemplo, en muchos lenguajes utilizados con microcontroladores podemos establecer varias condiciones antes de ejecutar una acción.
Un programa puede necesitar comprobar:
“Si el botón A está presionado Y el sensor B está activado, entonces enciende el LED.”
Conceptualmente estamos aplicando la misma idea que aprendimos con una compuerta AND.
Por eso estudiar compuertas lógicas ayuda posteriormente a comprender mejor las condiciones, operadores lógicos y programación de microcontroladores como Arduino.
Actividad: practica las tablas de verdad
Para comprobar que entendiste el tema, intenta completar las siguientes preguntas sin observar las tablas anteriores:
- En una compuerta AND, ¿qué salida obtenemos si A=1 y B=1?
- En una compuerta OR, ¿qué ocurre si A=0 y B=1?
- ¿Qué salida produce NOT cuando su entrada es 0?
- ¿Qué diferencia existe entre AND y NAND?
- ¿Cuándo produce una salida 1 una compuerta NOR?
- ¿Cuándo produce una salida 1 una compuerta XOR?
- ¿Qué significa que NAND y NOR sean compuertas universales?
Después puedes comprobar tus respuestas utilizando las tablas de verdad de esta página.
Conclusión
Las compuertas lógicas son los bloques fundamentales de la electrónica digital. A partir de operaciones relativamente sencillas con valores 0 y 1, podemos construir circuitos capaces de realizar tareas cada vez más complejas.
Las principales compuertas que debemos conocer son AND, OR, NOT, NAND, NOR y XOR.
Aprender a reconocer sus símbolos, tablas de verdad y funcionamiento facilitará posteriormente el estudio de circuitos integrados, sistemas digitales, microcontroladores, Arduino, automatización y robótica.