Lección-9 Conocimientos Básicos.

En las lecciones anteriores hemos visto uno puntos muy básicos y en algunos casos incluso interesantes temas que espero hayan sido aclaratorios y que de todos ellos sacaran conocimientos y conceptos necesarios para sus propios desarrollos.

En esta ocasión no queremos entrar en profundos análisis y extensos formularios, para demostrar la teoría que sigue. El autor considera que existe abundante literatura técnica y en español que, trata debidamente y en profundidad este tema. Sin embargo, ya que que se utiliza en bastantes manuales y tratados que aquí se han editado, aportaremos nuestro punto de vista sobre el tema que deben reforzar siempre los puntos teóricos básicos. Pero vayamos por partes, en este tratado vamos a ver lo siguientes puntos:

Corriente eléctrica.
Constantes de tiempo.
El diferenciador.
El integrador.
La fase.
Los Armónicos.
Recortadores y Limitadores.
Tensión pico a pico y RMS.
Conversión A a D.

 Corriente eléctrica.

He de mencionar aquí que, esta es la definición que recuerdo desde que empecé mis estudios de electricidad y posteriormente electrónica, decía así:

– Cuando se mueven cargas eléctricas de un mismo signo, se establece una corriente eléctrica. La corriente eléctrica, es el flujo de electrones por los conductores eléctricos, por los cuales se mueven fácilmente, debido a la diferencia de potencial creada por un generador de corriente eléctrica.

Los generadores eléctricos son dispositivos en los que, a expensas del consumo de energía mecánica, calorífica o química, se efectúa el trabajo necesario para desplazar los electrones por un circuito cerrado y ponerlos en movimiento, venciendo la resistencia que el generador y conductores oponen a su paso.

La corriente eléctrica se definió por un flujo de electrones positivos y se fijo un sentido convencional de circulación de la corriente, desde el polo positivo al negativo, posteriormente se observó que, en los metales los portadores de cargas negativas son electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional. –

En el Sistema Internacional, la unidad de intensidad (I) de la corriente eléctrica es el amperio, representado por el símbolo A y es la intensidad de una corriente tal que hace fluir cada segundo un culombio. [Q = I x t]

Fuerza electromotriz.

Conocida como f. e. m. es el impulso que se desarrolla en los generadores eléctricos, absorbiendo los electrones de un polo (+) y acumulándolos al otro polo (-). La unidad de fuerza electromotriz es el voltio (V). Es la f. e. m. de un generador que establezca una corriente de un amperio en un circuito cuya resistencia total (interna del generador más la del circuito) (R) de un Ohmio, se puede calcular por la conocida Ley de Ohm: V = I x R.

Se pueden distinguir dos tipos de electricidad, la electricidad estática y la electricidad dinámica. La electricidad dinámica puede ser de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA).

Corriente Continua.

La Corriente Continua implica un flujo de carga que fluye siempre en una sola dirección. Los electrones en el circuito se mueven siempre en la misma dirección, del polo positivo al polo negativo. Si la corriente se mueve a impulsos, siempre que lo haga en una sola dirección es Corriente Continua.

Corriente Alterna.

La Corriente Alterna se comporta como su nombre indica. El flujo de electrones del circuito se desplazan primero en una dirección y luego en sentido opuesto, de forma alterna. Esto se consigue alternando la polaridad del voltaje del generador o alternador. La Corriente Alterna, se puede transmitir a grandes distancias mediante elevadas tensiones que reducen las pérdidas en los cables.

Constantes de tiempo.

En el diagrama de la derecha, cuando el interruptor se cierra, el terminalnegativo de la batería rechaza los electrones negativos y los empuja hacia la placa superior del condensador C. Asimismo, el terminal positivo atrae a distancia los electrones negativos a la placa inferior. Si se quita la batería ahora, el condensador C se mantiene cargado al mismo voltaje de batería. Esto puede ser peligroso, ya que los condensadores pueden permanecer cargados a altos voltajes, durante un largo tiempo.

En el diagrama de la izquierda, se ha colocado una resistencia R en serie con el condensador C. Cuando el interruptor se cierra, el condensador C se carga de la batería, como se ha descrito antes. La carga de corriente pasa por la R. Ya que la resistencia R limita la cantidad de corriente que puede fluir (ley de Ohm), para cargar C hasta el voltaje de batería, lleva un tiempo. A más grandes valores de C y R, más largo tiempo se necesita para cargar el condensador C. Compárelo con el llenado de un cubo de agua con una manguera. A un cubo (C) más grande y cuanto más de pie está sobre la manguera (R), vemos que esto significa más tiempo para llenar el cubo.

Si ahora, colocamos un destornillador entre los terminales del condensador, los electrones sobrantes (carga) de la placa superior ahora fluirán hacia la placa inferior por el destornillador y el condensador C se descargará. Hacer esto, también puede ser peligroso ¡¡Uauh, no veo!!. El destornillador tiene una baja resistencia y el Sr. Ohm dice «una resistencia baja significa una corriente alta». ¡¡Destornillador vaporizado!! Por lo tanto, condensadores grandes previamente cargados, deben ser descargados mediante una resistencia, para limitar la cantidad de corriente de descarga que puede llegar a fluir.

He de recordar a este respecto, que en mis tiempos de estudiante, en la asignatura de tecnología eléctrica, ‘la pregunta de siempre’ era: «¿Como deben manipularse los cables subterráneos?» E, invariablemente la respuesta debía ser descrita en mayúsculas y en rojo: «PERMANENTEMENTE CONECTADOS A TIERRA». Para evitar que se carguen con el tiempo y no causen con ello la muerte al que los manipula.

Si el condensador C es descargado, conectando una resistencia a través de él, entonces la d.d.p (diferencia de potencial) en el condensador después de RC segundos, será del 63 %. La constante tiempo, a menudo es usada donde se requiere un retardo de tiempo.

Repasemos, un condensador requiere una cierta cantidad de tiempo para cargarse al valor del voltaje aplicado (E). Dicho tiempo depende de la capacidad (C) y de la resistencia total (R) en el circuito de carga. El tiempo necesario para que la carga alcance el 63,2 % de su valor final (Ce) se llama constante de tiempo capacitiva y está dada por:

Constante de Tiempo capacitiva (CT) = R * C 

El valor de C en Faradios, multiplicado por el valor de R en ohmios, nos dará la CONSTANTE TIEMPO (RC), mesurado en segundos. Si C = 2 Faradios y R = 10 ohmios, entonces RC = 20 segundos. Esto significa que C empleará 20 segundos para cargar hasta el 63 % del voltaje de batería. Si esto es una batería de 100 voltios, entonces después de 20 segundos, el voltaje del condensador será 63 voltios. Si dibujamos un gráfico del aumento de voltaje del condensador frente al tiempo, entonces conseguiremos una curva que no es lineal (no es una línea directa), la curva es exponencial. Esto es que, aumenta rápidamente al principio y luego reduce la velocidad, pero esto sigue lentamente muy lentamente.

Fig. 3

El estudiante interesado en ampliar sus conocimientos debe consultar los libros del temario de tecnología eléctrica y ciertos enlaces en la red, donde puede encontrar lo que necesita.

El diferenciador.

Se trata de un circuito constituido por una capacidad C y una resistencia R (circuito RC), el cual actúa como un filtro pasivo para altas frecuencias, debido a que no intervienen elementos amplificadores, como transistores o circuitos integrados, este tipo de filtro atenúa las bajas frecuencias según la formula empírica de la derecha:

Fig. 5

Este circuito se utiliza para detectar flancos de subida y bajada en una señal, provocando una mayor diferenciación en los flancos de entrada y salida de la señal que, es donde la variación con el tiempo (t) se hace más notoria. Estas zonas de la señal son además las que corresponden a las altas frecuencias, mientras que las zonas planas están compuestas por frecuencias más bajas.

Este tipo de circuitos realmente son más conocidos como filtro RC pasivo pasa alto que, se utiliza para filtrar las frecuencias superiores al valor especificado por la fórmula anterior, se recomienda leer el tutorial sobre filtros, si está interesado en el tema. Desde otra perspectiva este circuito, separa la corriente continua entre circuitos ya que el condensador interrumpe el paso de la corriente continua, dejando pasar sólo el pulso correspondiente al flanco de entrada y el de salida. La señal derivada puede utilizarse para disparar algún otro componente de la cadena electrónica como puede ser un disparador (trigger).

Qué ocurre cuando se aplica un tren de impulsos a la entrada de este circuito. Cuando un pulso de tensión, se eleva de repente de cero al máximo, la corriente que carga el condensador C, de repente se eleva a un valor máximo también. En la medida que se carga C, la carga de corriente se cae exponencialmente a cero. Ya que esta corriente de carga pasa por la resistencia R, el voltaje a través de la R (que es el voltaje de salida) hace lo mismo.

Por consiguiente nosotros conseguimos la forma mostrada, con el voltaje de salida que sube de repente al máximo y a continuación caerse exponencialmente entonces a cero. Cuando el pulso se cae a cero, se produce la descarga del condensador C. La corriente de descarga es alta en la salida y entonces se cae exponencialmente a cero como la descarga del condensador C.

Sin embargo, dado que la corriente de descarga, está en oposición a la dirección de la carga actual, el voltaje por R se invertirá, con lo que la forma de onda se muestra ahora por debajo de la línea cero. Para cada pulso, la forma de onda de salida se repite, mostrando la forma siguiente.

Fig. 6

Observe la figura anterior, podemos apreciar el efecto que ejerce el condensador C al cargarse y la posterior descarga sobre la resistencia R, motivo por el cual la señal de salida presenta los picos del gráfico. La Ley Ohm dice que, la corriente es proporcional al voltaje y recíprocamente, el voltaje es proporcional a la corriente.

El pulso de salida es proporcional a la variación del pulso de entrada con el tiempo t. El circuito actúa como una derivada. El circuito sólo diferenciará el pulso de entrada si la constante de tiempo es pequeña comparada con la anchura de la señal. En caso contrario el pulso pasa sin grandes variaciones. Esto se hace patente cuando debido a malas terminaciones en los cables o a conexiones en mal estado se generan circuitos RC accidentales, apareciendo situaciones como las de la figura de la derecha.

La carga eléctrica (i) empieza a almacenarse en el condensador (C) cuando el voltaje se aplica a la entrada. La corriente eléctrica que fluye en el condensador, como la carga eléctrica se almacena en decrementos. La corriente eléctrica que fluye a través del condensador (C) y la resistencia (R) se calcula por lo siguiente fórmula:

i = (V/R)e^-(t/CR)

Fig. 8

Donde:
i : La corriente eléctrica (A) que cambia en el tiempo
V : El voltaje (V) aplicado
R : El valor de resistencia (W ohms)
C : El valor del condensador (F)
e : La base del logaritmo natural (2.71828)
t : El tiempo de retardo después del inicio (sec)
CR : La constante de tiempo del condensador ( C x R)

Los cambios de tensión que aparece a extremos de la resistencia (R) se deduce en la fórmula siguiente.

iR = V[e^-(t/CR)]

Es como se muestra en la fórmula que sigue sobre el gráfico.

Fig. 9

El cálculo exponencial puede calcularse mediante la operación Exp, con la aplicación que nos ofrece la calculadora electrónica de nuestro equipo (la función calculadora electrónica) en caso de Windows95 o mayor.

El integrador.

El integrador mas simple consta de una resistencia R y un condensador C, en este caso se trata de un filtro pasivo pasa bajos, como se muestra en la imagen siguiente.

Fig. 10

Que ocurre al aplicar un tren de impulsos. Cuando llega un pulso de entrada se eleva rápidamente al máximo cargando el  condensador C exponencialmente debido a la resistencia R, lo cual deforma el pulso de entrada como se muestra en la forma de onda inferior. Cuando el pulso de entrada se cae de repente a cero, se descarga exponencialmente el condensador C a cero a través de la resistencia R. El proceso se repite para cada pulso de entrada que, dará la forma de onda de salida mostrada.

Fig. 11

La fase.

El generador que produce una estación de potencia o de la red alterna para producir un ciclo, que gira 360 grados y viene asociado al parámetro tiempo con el que forma una onda senoidal que constituye el habitual suministro.

Fig. 12

En el siguiente diagrama presenta dos ondas senoidales A y B, las cuales se ven porque que están fuera de fase, ya que ambas no empiezan al mismo tiempo desde cero y una tercera C. Para estar en fase A yB deben empezar al mismo tiempo. La forma de onda A empieza antes que B y está adelantada en 90 grados. La forma de onda B está retrasada de A en 90 grados. Si A y B estuvieran en fase, solo veríamos una forma de onda y por lo tanto estaríamos ante una única forma de onda.

Por otra parte la forma de onda C también está desfasada 90 grados de A y 180 grados de la forma de onda B.

Fig. 13

Otra forma de mostrar esto se ve en el siguiente diagrama, conocido como un DIAGRAMA de FASE. En el cual, las fases están girando en sentido contrario a las agujas del reloj como indica la flecha del círculo. A se adelanta a B en 90 grados. La longitud de fase, es determinada por la amplitud de los voltajes A y B. Siempre que los voltajes son del mismo valor, los vectores de sus fases son de la misma longitud. Si el voltaje en A es la mitad el voltaje de B, entonces la longitud del vector de su fase sería la mitad de B.

Fig. 14

Los Armónicos.

Cuando se produce una frecuencia (no importa el medio), ésta lleva consigo unas características que la diferencia del resto de las frecuencias que existen a su alrededor, esas características se pueden dosificar y cuantificar, son las frecuencias y subfrecuencias que le acompañan, estas frecuencias que aparecen alrededor de la principal son las que definen el elemento que produjo la principal.

Cuando una misma nota (frecuencia), digamos el Do medio (C medio), suena en diferentes instrumentos, las notas musicales producen un sonido característico diferente. Esto se debe a que, así como produjeron la FRECUENCIA FUNDAMENTAL de Do medio, también produjeron los múltiplos y submúltiplos de esa frecuencia, llamados ARMÓNICOS. La principal es, una onda pura senoidal. Los armónicos los producen las propias características físicas del instrumento, el material del instrumento, el número y amplitud de los armónicos determinan el sonido característico del instrumento, ya que genera unas ondas de reverberación y sintonía característica de dicho material, que no tienen la misma energía que la fundamental, estas ondas múltiplo y submúltiplo adoptan esas características.

Fig. 15

El armónico qué es dos veces la frecuencia fundamental, como muestra el diagrama, se llama 2º armónico. La frecuencia que es tres veces la fundamental es el 3er armónico. Así pues, los 3, 5, 7 etc. se llaman armónicos IMPARES y los 2, 4, 6, 8 etc. se llaman armónicos PARES.

Por definición una onda cuadrada está formada por una onda senoidal de una frecuencia fundamental y un número infinito de armónicos impares. Una forma de onda en diente de sierra, consiste en una onda fundamental y un número infinito de armónicos iguales.

Fig. 16

Si una onda senoidal se inyecta en un amplificador la de onda de salida puede llegar a distorsionar, esto puede ser debido a los armónicos que se generan en el propio amplificador o por acoplamiento.

Recortadores y Limitadores.

Recortar y quitar parte de las crestas (positivo) y los valles (negativo) de una forma de onda, limita la amplitud y como consecuencia el voltaje. Véanse las imágenes siguientes y comprenderemos las descripciones.

Fig. 17

Mediante una resistencia R y un diodo D, se recorta el pico positivo, la forma de onda será.

Fig. 18

El circuito es semejante a un divisor de tensión, con el diodo que está ofreciendo alta resistencia para voltajes por debajo de 0.6 voltios y baja resistencia para tensiones por encima.

Para recortar el valle negativo, utilizaremos una resistencia R y un diodo D y la forma de onda será.

Fig. 19

Como se habrá imaginado el lector una combinación de ambos nos permitirá obtener una forma de onda recortada o limitada. Los diodos de silicio no conducen hasta que el voltaje aplicado excede aproximadamente 0.6 voltios y sólo cuando el ánodo es positivo con respecto al cátodo.

En la siguiente figura, el circuito muestra ambos picos recortados y a menudo este circuito es usado como un LIMITADOR donde la salida no debe exceder 1.2 voltios.

Fig. 20

Tensión pico a pico y RMS.

Si alguien mide el valor de tensión de una C.A. (corriente alterna) a la salida de un transformador, usando un osciloscopio y dice, ésta es una tensión de 20 voltios pico a pico y para confirmar esto usamos un voltímetro, encontraremos que el polímetro sólo lee 7.07 voltios.

Esto es debido a que, el osciloscopio mide la tensión pico a pico y el voltímetro mide valores de tensión RMS. En la figura el osciloscopio muestra el valor de pico. El voltaje pico a pico es dos veces esto. Por ejemplo, si el valor de pico es 10 voltios, entonces el valor pico a pico alcanza 20 voltios.

Fig. 21

Así pues, cuando usando un medidor para medir un mismo voltaje de C. A. (corriente alterna) el valor obtenido es diferente es porque, como se ha dicho, los voltímetros miden valores de RMS.

La Raíz Cuadrada Promedio (RMS) del voltaje, produce el mismo efecto calorífico que, una tensión de corriente continua del mismo valor. Aplicando dichas tensiones a dos resistencias del mismo valor, mostrará la misma temperatura en el termómetro, cuando las resistencias se calienten por la corriente que pasa en ambos casos. Los valores RMS puede ser convertidos a  valores pico a pico y viceversa.

El modo de convertir estos valores es el siguiente: la raíz cuadrada de 2 son 1’4142, éste es el factor a multiplicar por el valor de la tensión que nos muestra el voltímetro y obtendremos el valor pico a pico. En el ejemplo teníamos 7’07 voltios de pico que multiplicado por 1’4142 y por dos (dos picos), nos da 19’9967, es decir 20 voltios pico a pico. Y viceversa; 20 voltios dividido por 2 y dividido a su vez por 1’4142, nos entrega los 7’07 voltios de pico.

Conversión A a D.

Una señal analógica es similar a una onda senoidal y generalmente de amplitud inferiora 5V (5.000mV). Las señales de bajo nivel, generalmente se expresan en mV (milivoltios), para hacerlos reconocibles instantáneamente y facilitar hablar de ellos.

Esta señal puede ser tan baja como unos pocos milivoltios o cientos de milivoltios. En general este tipo de señal será demasiado pequeño para ser analizado por un sistema digital. El sistema digital necesita una señal mayor, sobre 3.500mV para que la forma de onda aparezca sobre la línea de entrada como un nivel ALTO (H), durante el pico de su excursión. Esto debería ser tan alto como sea posible, sobre 5.000mV para la detección fiable de la señal.

Fig. 23

La forma de la onda no tiene importancia, puede consistir en grandes o pequeñas excursiones como se muestra en la figura, ya que, sólo las grandes excursiones serán detectadas por el sistema digital, las demás pueden ser demasiado pequeños para ser detectadas. Para aumentar en lo posible la señal analógica cerca de 5.000mV, es necesario un amplificador, como se muestra en la figura siguiente.

Fig. 24

Un amplificador, de tal vez una o dos etapas, según la amplitud de la señal original. Cada etapa del amplificador aumentará el tamaño de la señal ciertas veces. Si tenemos mucha suerte, se puede conseguir una amplificación de por 100 (100 veces). Así, una señal de 5mV con una etapa amplificadora puede que produzca una señal de 350mV. Esto no es suficiente para ser detectada por el micro. Otra etapa, elevará fácilmente la señal a 5.000mV y el sistema digital si detectará su presencia.

Fig. 25

La segunda etapa sólo tiene que amplificar la señal aproximadamente entre 10 y 12 veces, será suficiente y la ganancia proporcionada por la etapa añadida, simplemente conlleva la forma de onda de «el fondo» y «el alto» como se muestra en la figura. Esto significa que la forma de onda estará «recortada» en el pico y el valle, convertida a una forma «ligeramente cuadrada». Normalmente se llamaría a esto distorsión pero, en términos digitales no nos preocupamos sobre este estado deformado y simplemente lo usaremos por sus propiedades «de disparo».

Supóngase que se tiene una forma de onda que es mayor de 5mV (es decir entre 30 y 50mV) y quiere saber si esto disparará la puerta digital después de una única etapa de amplificación. Conéctese el circuito de la figura 26 a la salida de la puerta y conecte un LED con la resistencia 470Ω en serie.

Fig. 26

Al final de la señal de una palabra o sonido, el LED puede quedar iluminado o extinguido. Esto depende de la forma de onda del último ciclo. El circuito se detiene con la salida a mitad de tensión aproximadamente y si en lugar de la puerta, hubiera un microprocesador no sabría si esto es un alto (H) o bajo (L), y tomaría la lectura por la dirección del último ciclo. Algunas entradas de los micros son disparadores Schmitt. Esto significa que para ser visto como un alto, un alto (H) tiene que ser del 85 % al 100 % de la línea de tensión y entre el 20 % y el 0 % para ser visto como un bajo (L). Las entradas sin disparador Schmitt ven un bajo (L) del 20 % al 0 % y un alto (H) por encima de 2V hasta 5’5V.

He querido dar un repaso muy superficial por cada uno de los apartados que se han descrito, evitando entrar en formulas empíricas y matizando las ideas, con sencillez. Con esto doy por concluido este manual, para el cual he extraído información de diferentes fuentes, tanto de libros como de documentos que he encontrado en la red.