Crónica #16 Fin de la história

Día 25 de abril de 2013

Calma! Fin de la história, sí, pero estamos en abril y aún queda mucho por ver.

Tras haber visto los componentes que revolucionaron el mundo de la electricidad a principios del siglo XX. (los transformadores), la sesión de hoy ha sido dedicada parcialmente a la síntesis de lo explicado en las 2 anteriores. Hemos resumido su utilidad a la hora de diseñar en las siguientes ideas:


     1. Para cambiar la tensión (V) y/o la intensidad (I).

Hemos visto que esto puede ser útil en cuanto al transporte de electricidad, dónde si logramos aumentar la tensión a valores muy elevados y a su vez reducir la intensidad, podemos hacer que la distribución de electricidad sea viable, así como el negocio. (De ahí la revolución de la que hablabamos antes)

     2. Con tal de cambiar la impedancia de salida (Z)

Hecho por el cual conectamos la história de las líneas de transmisión con los transformadores.

     3. Proporcionar aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario

Irrelevante para nuestras necesidades actuales.

Sin embargo, antes hemos resumido como podíamos resolver el problema de la aparición de la inductáncia, para ello podemos recurrir a: el uso de frecuencias muy grandes, colocar en paralelo a la inductancia un cierto condensador para cierta frecuencia o el uso de materiales con alta permeabilidad magnética.

Respecto al caso del condensador (el más habitual ya que trabajaremos a una f determinada) cabe destacar que como mayoritariamente se tratarán de capacidades muy pequeñas podemos colocarlo en el secundario, y vale la pena hacer referencia a las fórmulas que nos indicarán la capacidad a poner:

 

Para finalizar, decir que hemos tratado también el tema del Teorema de la máxima potencia.

Crónica #15 Transformadores, idealidad vs realidad

Día 22 de abril de 2013

Contínuamos con los transformadores, sin embargo, hoy toca dejar a un lado la teoría que aprendimos  la sesión anterior y analizar que leyes físicas rigen en estos componenentes, en otras palabras, cómo funcionan y cómo se comportan en la realidad.

Para ello cabe destacar que el modelo de transformador que habíamos tratado hasta ahora era el transformador ideal, un componente electrónico algebráico independiente de la forma de señal.  Éste último no presentaba problemas, no obstante el mundo no es perfecto y menos cuando se trata de la realidad. Por lo tanto, es hora de hacer una segunda aproximación, el transformador perfecto.

A través de la física y especialmente, el electromagnetismo (ley de Ampère), se puede demostrar que debanar un material con cierta permeabilidad magnética (núcleo) de la siguiente forma:

y al hacer circular corriente por el primer debanado (primario), se induce un corriente en el secundario. Este proceso sin embargo no es perfecto y provoca que aparezca una inductancia, de tal forma que el equivalente circuital seria:

el cuál está compuesto de una bobina y un transformador ideal. Al aparecernos la bobina, el funcionamiento del transformador dependerá de la frecuencia, de tal forma que su uso no aplicará cuando la f = 0 Hz (en contínua). Por otro lado para frecuencias muy grandes, podremos despreciar la bobina y seguir trabajando con el transformador como si éste fuese ideal.

Finalmente después de hacer una série de ejemplos con este nuevo modelo, el profesor ha dado especial importancia a los materiales que deben conformar el núcleo (gran permeabilidad magnética y poco conductores, ferrita) así como, las aplicaciones que estos dispositivivos tienen hoy en día (transformador en etiqueta antirrobo, buscador de metales...).

 

Crónica #14 Más sobre líneas de transmisión e introducción a los transformadores

Día 18 de abril de 2013

Seguimos con el complejo tema de líneas de transmisión, con una diferencia: hoy hemos puesto en práctica los conocimientos adquiridos en la clase anterior.

Tras la realización de 2 ejercicios, se ha conseguido hacer un resumen de cada aspecto de las líneas de transmisión, que a su vez a servido para introducir sus inconvenientes. Como podemos echar mano de ellas cuando queremos conectar algo que esta muy lejos? Y si ese algo tiene una resistencia diferente de 50 a 75 ohmios? Nos gastaremos un dineral para que nos hagan un cable a medida o tiraremos del inegenio?

Recordemos que una implicación a la hora de utilizar cables coaxiales es que la imepedancia característica (Zo) debe ser igual a la R del extremo.

Transformadores, esa es la respuesta. No olvidemos que el objetivo final de todo esto es, subministrar una cierta potencia a un elemento. Para ello podemos echar mano de estos magníficos elementos.

Puesto que primero nos hemos dedicado a entender como funcionan, me es imposible continuar hablando y relacionándolos con las líneas de transmisión, aspecto que supongo que trataremos en la siguiente sesión.

A pesar de lo dicho anteriormente, esto solo acaba de empezar. Hoy nos hemos enfocado más en su aplicación y utilidad, que no en su funcionamiento interno. Para ello lo hemos tratado como si fuese una caja negra, dónde solo nos importaba lo que entraba y lo que salía.

El uso del transformador o C.P.I (Conversor positivo de impedancias) implica que apezcan las siguientes ecuaciones:

Nota: decir N1 y Np, al igual que N2 y Ns es lo mismo

A través de estas 3 últimas fórmulas hemos demostrado como serían las impedancias equivalentes si quitásemos el transformador. De esta forma hemos dejado colgando el tema para volverlo a conectar con las líneas de transmisión y nuestros problemas de diseño.

Crónica #13 Circuitos lineales, nivel experto

Día 15 de abril de 2013

La clase de hoy ha sido un poco diferente a las anteriores. Podríamos decir que ha sido una especie de resumen sobre lo que hemos tratado desde Semana Santa, especialmente haciendo incapié en el tema de potencia. A pesar del alto nivel de complejidad, a mi parecer, la clase se ha podido seguir bastante bien.

El tema tratado hoy han sido el de línias de transmisión, entendiendo estas como el medio que se utiliza para transmitir energía en forma de ondas electromágneticas con tal de recibir una señal/información. Para ello es indispensable tratar de conseguir la transmisión de (por ejemplo) el máximo número de bytes en el menor tiempo posible, lo que significa conseguir la máxima frecuencia posible. Sin embargo ante esta necesidad comienzan aparcer consecuencias no deseadas como las tratadas en la primera clase del curso, que pasa con aquellos circuitos con cierta frecuencia y dimensión que hacen que Kirchhoff no opere (circuitos no cerrados)?

Este tipo de casos apareceran cuando se supere la siguiente condición:

Podemos encontrar alguna solución mediante los conocimientos que tenemos hasta ahora? Podemos de alguna forma hacer que Kirchhoff sea viable? La respuesta es si, mediante líneas coaxiales.

 

Sin entrar demasiado en detalle (ya que incluso el profesor ha reconocido que es un tema muy complejo), mediante el uso de la conexión múltiple del siguiente circuito clave, podemos solucionar este el inconveniente tratado hasta ahora:

Se puede demostrar que si R tiene un cierto valor y poniendo un cierto número de circuitos LC (mirar fórmulas siguientes) el circuito queda cerrado y por tanto se cumple Kirchhoff.

Sabiendo esto ahora, la formula que nos indicará cuanto tiene que valer R y cuantos de ellos tenemos que conectar es:

Donde n es num de circuitos LC a conectar

  

Sin embargo esto es algo que a la práctica no se hace, ya que hay un cable que realiza la misma función: cable coaxial. Hoy apelando a nuestros conocimientos que tenemos sobre el electromagnetismo, se nos ha demostrado su funcionamiento y los parámetros y unidades que este incluye.

• Impedancia característica de línea (Zo)   

*Debe ser igual a la R del extremo dónde se quiere subministrar energía

• Capacidad distibuida [F/m] 
• Inductancia distribuida [L/m]
• Pérdidas de la línea debido al efecto pelicular [dB]  

A mayor frecuencia, los electones se van concentrando mayormente en el exterior de la circumferencia, formando una corona que reduce la superfície y aumenta a su vez la R del conductor. (Resistencia eléctrica)

 

Crónica #12 Potencia, más casos y nuevas unidades

Día 13 de abril de 2013.

 Una vez contrastados mis apuntes con las "notas de clase" colgadas por el profesosr en su blog (algo que sinceramente recomiendo), me dispongo a hacer  un breve resumen de todo lo que se ha hecho sobre potencia en la clase anterior y en la clase de hoy con tal de clarificar el concepto:

1. Valores medios y eficaces
2. Potencia
3. Análisis de circuitos y determinación de potencias
4. Ejemplificación de diferentes casos (generadores en cuadratura, a diferentes frecuencias, con excitación arbitrária...)
5. Potencias en decibelios (dB) y dBm.

Hecho una vez este pequeño resumen, es hora de que pasemos a explicar lo que hemos hecho hoy.

Hoy, partiendo de todos los conceptos aprendidos en la clase anterior, hemos seguido tratando diferentes casos. 2 en total:

• Potencia en circuitos con excitación arbitrária. (Para cacular la potencia, antes calcular los valores eficaces de V y de I)
• Potencia en circuitos con generadores a diferente excitación. (En este caso se puede utilizar superposición) 

Recordemos que en caso que los generadores estén con la misma excitación, desfasados o no, no se puede aplicar superposición. 

Finalmente hemos acabado con la introducción de una nueva forma de trabajar con la potencia a través de un cambio en sus unidades, los dB y los dBm.

 

Por ahora la única aplicación que hemos visto mediante un ejemplo es:

 Pin (dBm) = Pout (dBm) + G (dB)

 Donde G es la ganancia y Pin (potencia de entrada) y Pout (potencia de salida).

Crónica #11 Potencia

Día 8 de abril de 2013

Hasta ahora nos habíamos centrado en el análisis puro de circuitos, encontrar Vx, la función de red, etc... Pero, quién ha dicho que se haya acabado? Aún queda mucha información que sacar de un circuito, como por ejemplo la potencia.

Sin embargo, llegados a este punto, que sentido tiene aplicar la fórmula de toda la vida de P = I·V cuando V varia con el tiempo? Es por esto que hoy, antes de profundizar en el tema, se nos ha explicado diferentes formas de expresar una tensión alterna: voltaje medio o voltaje cuadrático medio (V RMS, "Root Mean Square" ). Para calcularlos:

Voltaje medio

Voltaje cuadrático medio

A pesar de esto, cada uno presenta sus desventajas. En el caso del voltaje medio falla con señales bipolares mientras que el voltaje cuadrático medio no es lineal, por tanto trabajar con él en el diseño de circuitos puede ser muy difícil.

Para finalizar me gustaría hacer referencia a otros temas que se han tratado en la clase de hoy: la motivación durante la carrera, el nuevo programa de simulacion que utilizaremos (PSPICE), la necesidad en confiar en los métodos de enseñar del profesor, etc... y... Fourier, como futura herramienta que utilizaremos para convertir señales en sinusoides! (Ha sido solo un simple mención)

       

Crónica #10! Más y más sobre amplificadores

Día 4 de abril de 2013.

Como dijimos en la entrada anterior, hoy se nos ha introducido el fenómeno de realimentación positiva. Para exlicarlo haremos un breve recordatorio:

Hasta ahora habíamos trabajado con realimentación negativa:

Al hacer esto estabamos trazando un recta con pendiente negativa que cortaba con la siguiente función, dando una única solución (Vo):

Sin embargo cuando se produce la realimentación positiva, se traza una recta con pendiente positiva que corta en 3 sitios con la función del amplificador. Puesto que el punto que corta en la zona lineal es inestable y difícil de estudiar, nosotros estudiaremos aquellos que se encuentran en la región de saturación.

Para ello echaremos mano a la función sign viene definida por:

Vo = Vsat · sign(V+ - V-)

A pesar de esto, hay que decir que esto es una pequeña pinzelada sobre la realimentación positiva ya que en la clase de hoy hemos hecho numerosos ejemplos y demostraciones imposibles de plasmar en este blog.

Para finalizar, decir que hoy se nos ha entregado el examen, se han hecho sus correspondientes comentarios y se han resuelto las dudas. Pero como una de esas dudas afectaba al tema que tratábamos hoy (cómo alimentar un amplificador con una sola batería) el profe ha dedicado una parte de la clase a responderla. Tenemos el nivel justo, pero lo suficiente como para comenzar a ver más allá y tratar de entender el por qué.

Imágenes extraídas de "Analysis and Design of Linear Circuits" de Roland E. Thomas, Albert J. Rosa, y Gregory T. Toussaint

Crónica #9 Expertos en diseño con A.O's.

Día 2 de abril de 2013.

Obviamente el título de esta entrada no es nada más que una exageración, pero aún así, este resume el utópico objetivo de nuestro profesor de Circuitos Lineales.

En consonancia con la entrada anterior (Crónica #8 Amplificadores y tipos), en la sesión de hoy nos hemos dedicado a repasar los diferentes tipos de amplificadores operacionales que trabajan en zona lineal con re-alimentación negativa estudiados hasta el momento. Es por esto que creo conveniente pasar una série de imágenes con tal de "dedicar una neurona de las miles que tenemos" para irnos familiarizandonos y a ser posible, memorizarlos:

Nuestra nueva "biblioteca"

A través de los diferentes tipos de amplificadores que ahora tenemos, podremos diseñar cualquier tipo de circuito en el que nos pidan una cierta función de red. Para ello accederemos a nuestra biblioteca, conectaremos los amplificaodres operacionales necesarios con tal de cumplir con el objetivo y se acabó. Es por esto que podemos considerarnos expertos!

Es broma, ahí no se acaba el temario, es más acabamos de entrar de pleno en lo que verdaderamente es el diseño de circuitos, dando paso a temas como el siguiente: amplificadores en su zona no-lineal (no re-alimentación negativa, función sign x...) y muchos otros.

Cabe destacar que en la clase de hoy se han hecho un montón de ejmplos donde hemos trabajado individualmente y colectivamente los diferentes tipos de amplificadores operacionales (cuando estos estan en zona lineal y con re-alimentación negativa).

Imágenes extraídas de "Analysis and Design of Linear Circuits" de Roland E. Thomas, Albert J. Rosa, y Gregory T. Toussaint