De vuelta a la realidad.

Tras la explicación de un componente que parecía fantástico en cuanto a aplicaciones, el transformador ideal, en la clase de hoy al nos han demostrado que, como es evidente, en esta vida nada es ideal y este caso no iba a ser menos.

Tras esta vuelta a la realidad nos hemos planteado la pregunta que sigue: ¿Podemos modelar o crear algún componente el cual su funcionamiento sea parecido al de el transformador ideal?. La respuesta es si, y este segundo paso de aproximación es el transformador perfecto.

EL TRANSFORMADOR PERFECTO

Después de unas demostraciones matemáticas y con fundamentos de electromagnetismo tales como la Ley de Ampere y Faraday hemos descubierto que podemos conseguir un efecto parecido al de el transformador ideal mediante un par de devanados de cobre alrededor de un núcleo de ferrita (aunque puede ser otro material que tenga una buena permeabilidad magnética).

Con estas demostraciones hemos visto que siguiendo este sistema al hacer circular un corriente por un devanado, por inducción magnética aparecerá un corriente en el otro devanado o bobina. La relación entre este corriente de entrada y el de salida es, como en el caso del transformador ideal, una 'n' pero que en este caso no es arbitraria sino que viene dada por la relación entre los valores de los inductores primario y secundario.

Una vez sabido esto, hemos visto que el modelo circuital de el transformador perfecto acaba siendo muy parecido al de un transformador ideal, con la diferencia que en el primario aparece el valor de la inductancia como veremos en esta imagen:

También comentamos que este inductor se podía menospreciar en los casos en que esta misma tuviera un valor muy alto o que la frecuencia a la que se trabaje sea muy alta, y para acabar la clase estuvimos comentando desde que era la ferrita, porqué tenemos que usarla y porque no sirve un conductor cualquiera, hasta los diferentes usos en la vida real de estos transformadores.

De líneas de transmisión a transformadores

En la clase de hoy hemos pasado de el tema anterior (líneas de transmisión) a otro nuevo concepto de una forma muy a la que suele recurrir mucho nuestro profesor, planteando una pregunta sobre lo que ya teníamos y fue de esta manera: ¿Que hacemos cuando a la salida de la línea de transmisión (que como sabemos suelen ser de "impedancias" 75 o 50) tenemos una resistencia de un valor diferente a esos dos?

La respuesta a esta pregunta nos dejó al principio un poco perplejos ya que se nos planteó la posibilidad de engañar a la línea de transmisión haciéndole creer que a la salida hay la resistencia que necesaria para que todo lo explicado en la clase anterior funcione.

Tras esto el profesor nos ha dicho que analizaríamos un elemento que los teóricos de circuitos llaman transformadores ideales.

LOS TRANSFORMADORES IDEALES

Analizamos este componente sin saber realmente si hay alguna forma de hacerlo realidad, pero tal y como nos ha dicho nuestro profesor los teóricos de circuitos no se interesan en pisar un laboratorio ni en que lo que están estudiando tenga alguna utilidad práctica.

Este elemento se basa de cuatro terminales, de los cuales uno es de entrada y el otro de "salida" y entre sus tensiones y intensidades se crea una relación en base a un cierto parámetro "n".

Luego, antes de acabar la clase, hemos hecho un par de ejemplos usando este componente para ver como se comporta con resistores, bobinas y condensadores, aunque aún no sabemos si realmente hay algún componente que se comporte según lo estudiado.

Una classe de nivel avanzado.

Hoy, después de que repasáramos en clase los últimos conceptos de potencia dados en clase, el profesor nos ha dicho que hoy daríamos una serie de conceptos y trataríamos un tema de complejidad avanzada y que solo da cuando una clase responde bien durante el curso, y creo sin lugar a dudas que ha sido una de las clases de mas difícil seguimiento hasta el día de hoy. El tema a tratar ha sido: ¿Cómo podemos transmitir potencias a largas distancias con el menor numero de pérdidas? La respuesta a ello es usando las líneas de transmisión.

LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Las líneas de transmisión no son mas que la solución práctica a el primer método expuesto en esta clase para poder transmitir la potencia a largas distancias, que es usar muchos circuitos LC uno detrás del otro hasta que se llega al punto que se quiere alimentar.

El problema de este sistema es que aparte de poco práctico (ya que no podría ser manejable en curvas y cosas para el estilo, solo en línea recta), también es de construcción poco eficaz, ya que teniendo en cuenta que cada circuito LC es muy pequeño para distancias largas usaríamos miles de estos componentes.

La solución a todo esto la encontramos después de unas cuantas demostraciones matemáticas (de esto no se salva nadie) que un par de placas paralelas con un dieléctrico en medio se daban los efectos propios de la primera solución propuesta.

También vimos que para que esto funcionara como queremos debíamos hacer que la resistencia a la que se conecta coincidiera con la Ld y la Cd (distribuidas) de la siguiente manera:

Para acabar vimos que para este tipo de aplicaciones es mucho mas útil trabajar en decibelios que en watts ya que las líneas de transmisión no son perfectas y a lo largo de ellas se va produciendo una disminución exponencial de la potencia.

Seguimos hablando de potencias.

La clase de hoy ha sido de pocos en conceptos nuevos pero muy extensa en contenidos, esto es porque hemos dedicado la clase íntegramente (a excepción de el cotidiano repaso de la clase anterior al inicio y unos conceptos que luego explicaremos) a la resolución de diferentes problemas de potencias los cuales hemos acabado clasificando según el tipo de excitación de los circuitos a estudiar que son las siguientes:

1-  Excitaciones senosoidales a la misma frecuencia: Para estos casos nos encontramos que no podemos aplicar superposición y que para su resolución se necesitan bastantes expresiones.

2-  Excitaciones senosoidales a diferente frecuencia: Aquí si que se puede usar el método de superposición.

1-  Excitaciones diferentes: Son los circuitos excitados con cualquier tipo de excitación no senosoidal, para los cuales es necesario ir con cuidado calculando los Voltajes cuadráticos medios a las salidas (ya que si nos equivocamos las potencias calculadas serán erróneas).

Aparte de esto, al final de la clase hemos hablado sobre una nueva manera de expresar las potencias la cual  se nos ha presentado como una forma muy recurrente de presentar la potencia en las telecomunicaciones, los Decibelios(dB) o su expresión a la milésima, los dBm (cuando trabajamos en mW) y sus expresion es la siguiente:

    

                  

Hablemos de potencias.

La clase de hoy la empezamos comentando que muchas veces, mas que las tensiones de entrada/salida y nodales, muchas veces nos interesa mas conocer las potencias del circuito y pusimos como ejemplo un altavoz los cuales nos suelen decir que para una audición cómoda para el oído, necesitamos que le llegue una potencia media de 100mW.

Tras introducir el tema sobre el que trabajaríamos estos días, pasamos a dar definiciones y conceptos que necesitamos para poder trabajar con potencias de forma cómoda y sin confusiones.

El primer concepto introducido fue el Voltaje Medio (Vm), el cual básicamente trata de buscar una constante que resuma un voltaje que varia en el tiempo (o igualar sus integrales), e hicimos varias demostraciones y ejemplos tanto gráficos como matemáticos para que este concepto quedara mas claro. Luego pasamos a su relación con la potencia media.

-Fórmula del Voltaje medio

El segundo concepto introducido en la clase fue el de Voltaje cuadrático medio o Vrms (Root mean square), el cual no es más que una modificación de el anterior, con la diferencia de que es difícil de implementar si pretendemos hacerlo mediante un circuito electrónico. 

-Fórmula del voltaje cuadrático medio

También vimos que solo hay un tipo de elemento que disipe potencia, el cual son los pasivos tales como las resistencias y que sobre los activos como condensadores y bobinas no tiene efecto ninguno, y para acabar comentamos que para el caso de varias fuentes de alimentación el método de superposición no se puede aplicar para el cálculo de potencias.

Detalles en Amplificadores Operacionales

Esta ha sido la última clase que trata sobre los amplificadores operacionales, y para acabar hemos estado hablando sobre más especificidades y aspectos de los amplificadores operacionales las cuales aún no habíamos tratado.

El primer aspecto que tratamos fue la estabilidad de un A.O lo cual relaciona que, a pesar de la existencia de un cortocircuito virtual en las patas de entrada de el amplificador operacional, no es para nada lo mismo que la retroalimentación sea positiva (hacia la pata positiva) o negativa (hacia la pata negativa).

Realmente lo que vimos tras operar con las dos situaciones es que cuando el amplificador está en retroalimentación negativa la tensión de salida 'Vo' solo admite una sola solución, la cual cae en la zona de amplificación (y este es el motivo por el cual hasta ahora, sin saberlo, hemos estado trabajando en ejemplos en los que el A.O estaba conectado negativamente). En cambio, en el caso de que la retroalimentación sea positiva, vemos que la tensión de salida 'Vo' admite tres soluciones, de las cuales dos entran en la zona de saturación, y por eso no es como trabajar así (al menos para las aplicaciones i nivel que estamos dando nosotros).

El segundo y último aspecto que tratamos fue el caso en que quisiéramos hacer que el amplificador operacional trabajara alimentado desde un extremo (con una sola fuente), lo cual se llama alimentación unipolar.

Básicamente lo que vimos que sucede en este caso es que en el caso de que no hiciéramos ninguna modificación, lo que sucedería es que el señal se vería recortado en sus semiciclos negativos (como si se tratara de un rectificador de media onda).

Para evitar esto deberíamos sumarle a la tensión de entrada una tensión continua para que a la salida se mostrara toda la amplitud de la senosoide de entrada (solo que desplazada hacia arriba).

Una nueva forma de diseñar circuitos

En la clase de hoy se nos ha introducido un nuevo concepto, el cual ha venido con su anterior ya típico planteo de un problema o cuestión a resolver: ¿Qué podría hacer un diseñador de circuitos "vago", que no tenga ganas de romperse la cabeza con aspectos tanto teóricos como numéricos para diseñar circuitos con amplificadores operacionales?. La respuesta es una: el diseño modular.

EL DISEÑO MODULAR

El diseño modular se basa en la implementación de circuitos con "bloques" formados por amplificadores operacionales que realizan una cierta función o operación matemática. Para usar este diseño modular solo debemos conocer la función de red de los bloques que pretendemos usar y si se pueden interconectar entre ellos (por motivos de que unos afecten a los circuitos anteriores o posteriores), en este caso deberemos usar otros elementos presentados como el de la clase anterior: el seguidor de tensión.

Una vez presentado el diseño modular, nos hemos dedicado a la elabroación de un catálogo (que según el profesor es mas bien minimalista), en el cual introducimos los diferentes bloques de los cuales ya conocemos la función de red y su elaboración. Los elementos introducidos en este catálogo son los siguientes:

1- El divisor de tensión: Este es un elemento que ya reconocemos con toda facilidad pero lo diferente en 

    este caso es que después del divisor de tensión tal y como lo conocemos, para este bloque de diseño,

    lleva un seguidor de tensión.                     

    

2- El "amplificador": Este bloque esta compuesto por un amplificador no-inversor y su función será multi-

    plicar por una constante la tensión de entrada.

3- El inversor: Es básicamente un amplificador inversor que cambiará el signo de la tensión de entrada.

4- El restador: Este bloque está formado por un amplificador restador y como su nombre indica, resta las 

    tensiones de entrada.

5- El integrador: Compuesto por el amplificador integrador ya mostrado en la anterior entrada.

EL AMPLIFICADOR COMO COMPARADOR

En esta última parte de la clase hemos hablado sobre una característica de los amplificadores operacionales desconocida hasta entonces para nosotros: ¿Y si un amplificador operacional no está retroalimentado, cómo funciona?

La respuesta es que cuando no esta retroalimentado cualquier señal que entra se va a saturación muy fácilmente (casi seguro) y en función de la diferencia  entre V+ y V- habrá una cierta salida (saturación positiva o negativa).

Profundizando en las fuentes controladas.

En esta clase se continuó con lo empezada en la anterior: los amplificadores operacionales, y mas concreta mente dedicamos a ver si era posible reducir cualquier tipo de estructura hecha con amplificadores operacionales a los dos tipos estudiados en la clase anterior: el inversor y el no-inversor.

CASOS TRATADOS

En el primer caso estudiado podíamos reconvertir el circuito a estudiar mediante el uso de el equivalente de Thevenin, quedándonos así un circuito ya conocido, el no-inversor.

-Circuito no-inversor

En el segundo ejemplo pudimos observar como al tener un amplificador alimentado por dos tensiones diferentes (Vg1 y Vg2) podemos aplicar el principio de superposición para calcular  sus respectivas tensiones de salida Vo1 y Vo2, que al sumarlas dan el valor total de salida.

También vimos que el hecho de que en el circuito que estemos estudiando hayan elementos capacitivos no debía asustarnos, ya que aplicando el ya conocido circuito transformado fasorial (C.T.F) y asociando las impedancias que aparecen en el circuito podemos perfectamente analizarlo sin ningun tipo de problema.

Una vez concluidos estos ejemplos pasamos a un nuevo concepto que nos abrió un gran abanico de posibilidades, hablo de las conexiones en cascada.

LAS CONEXIONES EN CASCADA Y LAS "OPERACIONES"

Las conexiones en cascada no son mas que la conexión de distintos circuitos con amplificadores operacionales uno detrás de otro y así, hemos descubierto el porqué se les llaman además de amplificadores, "operacionales".

La razón es que con estas conexiones en cascada podemos obtener circuitos que realicen operaciones matemáticas, lo cual de entrada puede sonar incluso increíble. En la lista de operaciones que podemos realizar se encuentra desde la suma o la resta, pasando por la multiplicación por una constante y también la derivación y la integración, aunque cabe destacar que no todas ellas deben ser construidas usando las conexiones en cascada.

 

-Ejemplo de circuito restador

 

Para acabar la clase hemos hablado sobre mas montajes realizados con amplificadores operacionales de gran utilidad como por ejemplo, el poder construir una resistencia negativa o un elemento cuya aplicación nos resultara muy útil en este tema, el seguidor de tensión, el cual permite conectar diferentes circuitos entre sí sin el problema que tendríamos que unos modificaran a los otros haciendo perder la validez de nuestros cálculos.

-Seguidor de tensión