Esta entrada está conformada por una introducción a los principios fundamentales de la electricidad. Forma parte de una sección que pronto tendrá su propia página-guía en el apartado tekhne. El objetivo de esta entrada es brindar información básica y fundamental para el entendimiento y manejo de estaciones de radio profesionales.
Electricidad
1.Voltaje, corriente, resistencia y potencia
La electricidad es una energía vinculada al movimiento o presencia de cargas eléctricas. Normalmente hablamos de electrones (e), los cuales tienen una carga negativa. Bajo condiciones normales y a través de determinados materiales, los electrones tienden a moverse desde un potencial negativo (exceso de carga) a otro positivo. Ese movimiento o flujo de electrones es lo que se llama corriente eléctrica. Dentro de un circuito, es la corriente la que garantiza que la energía se distribuya.
La corriente eléctrica (I), también denominada Intensidad, se puede definir como la cantidad de electrones que pasa por un determinado punto en un segundo. La corriente se expresa en amperios (A) y ésta se mide a través de un amperímetro. La carga (Q), se expresa mediante culombios [1].
La electricidad se mueve entre dos polos de diferente carga (de un polo negativo a un polo positivo). Ahora bien, esa diferencia de carga explica la fuerza o intensidad de esa corriente. El voltaje expresa esa diferencia de potencial y por tanto, la fuerza electromotriz de la corriente. El voltaje (V) se mide en voltios (V), los cuales pueden ser cuantificados mediante el uso de un voltímetro. El voltaje, también denominada tensión, es la presión que empuja a los electrones a través de los polos.
Para entender la corriente eléctrica y el voltaje, debemos entender otro término denominado Resistencia (R). La resistencia es la posición que existe al paso de la corriente, es decir, la resistencia frente al flujo de electrones. Se expresa en Ohmnios (Ω). Para medir el voltaje y la resistencia se puede utilizar un multímetro.
En términos físicos, podemos aludir a la ley de Ohm, ya que ésta establece una relación entre estas tres magnitudes. La fórmula, diseñada por Georg Simon Ohm, establece que el voltaje o tensión es igual a la corriente eléctrica por la resistencia. Esto significa que si en determinado circuito eléctrico, aumentamos el voltaje, aumenta la corriente; por otro lado, si aumentamos la resistencia, la corriente disminuye.
V = I • R Voltaje = Corriente • Resistencia
La resistencia depende de muchos factores. Normalmente viene dada por el material, por su conductividad. Por ejemplo, hay materiales denominados conductores (cobre, plata, aluminio, oro), semiconductores (silicio) o aislantes (cerámica, plástico, vidrio). No obstante, también influyen otras cualidades físicas del material (longitud, grosor) y otros factores físicos como la temperatura.
La potencia (P) es un término crucial para entender la electricidad. La potencia describe la velocidad a la que se usa la energía eléctrica. Puede usarse también para indicar la energía que se genera por segundo. Su unidad de medida es el vatio o watt (W) y la ley de potencia nos permite establecer una relación directa con el voltaje (V) y la corriente (I), ya que la potencia es el resultado de la multiplicación de estos dos.
P = I • V
Por ejemplo, si tenemos un aparato que tiene 12 voltios y una corriente de 2,5 amperios [P=12V•2,5A=30W]
Energía eléctrica (E). Este concepto alude a la cantidad total de trabajo (energía transferida o usada) que puede realizarse a través de la corriente eléctrica. En relación a la carga, podemos entenderla como el resultado de la tensión por la carga en culombios. No obstante, también se puede expresar como la relación entre Potencia y tiempo. Esto es así porque E=P•t , pero también sabemos que P=I•V. Por tanto, la primera fórmula E=P•t quedaría como E=(I•V)•t. Sabemos que Q=I•t, por tanto, la fórmula quedaría como E=V•Q. La energía eléctrica se expresa en julios (J) o bien en vatios-hora (Wh).
E = P • t E = V • Q
La capacidad de una batería (Ah) nos indica la carga que puede dar una batería durante una hora. Por tanto, también su autonomía. Se mide por tanto en amperios-hora (Ah). Si una batería tiene 2 Ah, significa que puede suministrar 1A durante 2 horas o bien 2A durante una hora. Para conocer la energía, debemos multiplicar la capacidad de la batería por el voltaje. Eso nos da la energía en Wh.
Leyes de Kirchhoff. Son dos reglas fundamentales para entender los circuitos eléctricos.
- Ley de corrientes (LCK). Conocida como ley de conservación de la carga. Lo que dice es que la suma algebraica de las corrientes que llegan a un nodo es cero, esto es, que las corrientes que entran son iguales a las corrientes salientes. Por tanto, la carga eléctrica no se pierde, sino que simplemente se distribuye entre los elementos del circuito.
- Ley de tensiones (LTK). La suma algebraica de las diferencias de potencial en cualquier malla cerrada de un circuito es cero. La suma de las fuentes de voltaje debe ser igual a la suma de las caídas de tensión. Esto significa que las subidas y caídas de voltaje se compensan.
3. Fuentes de alimentación
Una fuente de alimentación es cualquier dispositivo capaz de proporcionar energía eléctrica a un circuito. Ejemplos de ellos son las baterías, las pilas, las fuentes conmutadas y los transformadores con rectificador. Las fuentes de alimentación aluden a dos conceptos básicos que hay que tener en cuenta. El primero es la fuerza electromotriz (f.e.m.). Ésta es la tensión máxima que puede generar una fuente cuando no hay consumo (en vacío). El segundo es la resistencia interna (r). Es la resistencia presente en el propio circuito debido a los materiales y a la temperatura. La existencia de esta resistencia interna provoca que la tensión en los terminales sea menor que la fuerza electromotriz ya que una parte de la energía se pierde.
V terminal = E – I • r
Otro concepto importante es el conocido como corriente de cortocircuito. Es la corriente máxima que puede dar una fuente si se conecta directamente sin resistencia externa. Se denomina simplemente como cortocircuito y es peligroso porque puede provocar daños irreparable en los materiales del circuito y sus componentes.
4. Campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos
Campo eléctrico. Región del espacio en la que una carga eléctrica experimenta una fuerza generada por cargas eléctricas estáticas. Eso genera una fuerza de atracción/repulsión dependiendo del signo. El campo eléctrico se representa mediante líneas de fuerzan que indican la dirección y el sentido de la fuerza que actúa sobre la carga en cada punto determinado.
Es importante tener en cuenta la intensidad del campo eléctrico (E). Es la fuerza ejercida sobre una carga positiva (en newtons) dividida por el valor de esa carga. Puede expresarse como Newtons/culombios, pero también como voltios/metro.
Campo magnético. Región del espacio en la que la corriente eléctrica y ciertos materiales experimentan una fuerza. Tiene una forma circular y cuando hablamos del campo magnético que se genera en un conductor a través del cual pasa la corriente, se representa mediante líneas de campo que rodean el cable, lo que se conoce como regla de la mano derecha [2].
Campo electromagnético. Es una combinación de un campo eléctrico y un campo magnético. Cuando una carga se mueve, no sólo genera un campo eléctrico, sino también un campo magnético a su alrededor. Ambos campos se influyen recíprocamente. El electromagnetismo es importante en radio. Las ondas de radio no son simples vibraciones eléctricas, son ondas electromagnéticas que se propagan a través del espacio. El campo eléctrico oscila en una dirección (el de la corriente) y el campo magnético lo hace perpendicularmente al primero.
Las ondas tienen una longitud (λ) que guarda una estrecha relación con la velocidad y la frecuencia. En la siguiente fórmula podemos ver cómo se relacionan los tres términos. La velocidad de la luz es una constante (C=300.000.000 m/s aproximadamente). Como podemos ver, cuanto mayor es la frecuencia, menor será la longitud de la onda.
En cuanto al aislamiento. Los campos eléctricos se aislan o controlan mediante el blindaje electrostático, también conocido como apantallamiento electrónico. Esto es posible debido al uso de materiales conductores y aislantes. Los campos magnéticos son más difíciles de controlar y requieren el uso de materiales más específicos. Dos de ellos son el hierro dulce y el Mu-metal.
Otro concepto clave es la polarización. Es la dirección del campo eléctrico. Puede ser vertical, horizontal o circular. En radio es importante tener esto en cuenta ya permite escoger la mejor antena y orientarla de acuerdo a la polarización del transmisor.
5. Señales sinusoidales y no sinusoidales
Señales sinusoidales. Es una onda que varía en el tiempo. En las gráficas, representamos el eje horizontal como el tiempo y el vertical como la amplitud de onda o bien otra variable (corriente/tensión). Lo que vemos es una oscilación suave y repetitiva. En la siguiente fórmula, v(t) es el voltaje determinado en un tiempo concreto. Se expresa como el valor máximo del voltaje (su amplitud máxima) por el seno de 2πft + φ donde f es la frecuencia (ciclos por segundo), t (tiempo) y φ (fase, expresado como π/2). Las diferencias de fase nos indican si una señal se adelanta o se atrasa respecto a otro. Se miden en grados o radiantes. En radio es importante tener en cuenta estas diferencias de fase cuando se combinan señales (en modulación) o cuando hay interferencias.
v(t) = Vmáx • sin(2πft + φ)
Hay algunos conceptos importantes a tener en cuenta. En relación a los valores, debemos mencionar el valor instantáneo v(t) ya expresado en la anterior fórmula, al igual que el valor máximo (Vmáx) que nos indica el valor más alto (positivo o negativo) que alcanza en su ciclo. Por eso, también es llamado pico. También tenemos el valor medio, que es el promedio de valores durante un ciclo completo (si la onda es una onda simétrica, sería 0) y el valor eficaz (RMS) que es el valor que produciría esa misma corriente en una corriente continua. Esta última se expresa como el Vmáx/√2.
Un concepto importante es el período (T). Es el tiempo que tarda una señal en repetir un ciclo completo. Se mide en segundos (s). El otro es la frecuencia (f). Es el número de ciclos por segundos. Se mide en herzios (Hz). Ambos están relacionados de manera inversa. Si sabemos la frecuencia de una onda, podemos saber inmediatamente cuanto tiempo tarda en repetir el ciclo.
Señales no sinusoidales. Las señales eléctricas también pueden tener una forma irregular o presentar otro tipo de regularidad. En este apartado entran en juego las señales de audio, las ondas cuadradas y el ruido. Las señales de audio son señales analógicas, de frecuencia variable que combinan muchas frecuencias a la vez. Las ondas cuadradas se forman alternando entre dos niveles de forma abrupta. Muchas veces, contienen una frecuencia básica y un conjunto de armónicos que pueden analizarse mediante la serie de Fourier [3]. El ruido es cualquier señal no deseada que interfiere en la transmisión o medición. Puede ser natural o artificial. En electrónica y radio es importante tener en cuenta en ruido término, el cual se genera a través del movimiento de los electrones en las resistencias. Se expresa mediante la siguiente fórmula.
También hay un ruido denominado ruido de banda, que es el que afecta a un rango específico de frecuencias. Cuanto mayor es el ancho de banda, mayor será el ruido acumulado. En términos prácticos, el ruido dificulta recibir las señales con nitidez.
6. Señales moduladas
Señales moduladas. Permiten transmitir información (voz, datos…) mediante una señal portadora en la que previamente se han modificado alguna de sus propiedades. Son por tanto imprescindibles para la existencia de la radio. Entre esas propiedades que se alteran, están la amplitud, la frecuencia o la fase.
Modulación CW (Continuous Wave) o modulación por onda continua. Lo que se hace es encender y apagar una onda portadora. De esta manera se consiguen dos estímulos diferenciados, algo que permite la utilización del código Morse.
Modulación AM (Amplitude Modulation). Lo que se hace es modificar la amplitud de la portadora. Hay varios tipos.
- AM doble banda lateral (DSB). Se transmiten ambas bandas laterales (superior e inferior).
- AM con portadora reducida (RC). Se reduce la intensidad de la portadora.
- AM banda lateral única (SSB). Se transmite solo una banda lateral (USB o LSB). Es muy usada en estaciones de radioaficionado debido a su eficiencia.
Modulación FM (Frecuency Modulation). Lo que se hace es modificar la frecuencia. Es muy resistencia al ruido, pero por otra parte requiere más ancho de banda
Modulación PM (Phase Modulation) o modulación en fase. Se varía la fase de la portadora. Es parecida a la FM, pero la información afecta al ángulo de la fase. En lugar de un cambio en la frecuencia, lo que ocurre es que la fase de la portadora se desplaza.
Modulación digital. Hay diferentes tipos de modulaciones digitales. Estas se caracterizan porque usan estados discretos para representar bits.
- FSK (Frecuency Shift Keying). Usa dos frecuencias distintas para representar el binario 0-1.
- QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Combina fase y amplitud.
- 2PSK, 4PSK (Phase Shift Keying). Cambia la fase para codificar bits.
7. Potencia y energía
Potencia de las señales sinusoidales. Es importante conocerla para saber cuánto se puede emitir, cuánta señal llega al receptor y cómo se comporta el equipo. No solo hay que prestar atención a las cuestiones técnicas, sino también a las legales. La potencia instantánea (en un tiempo determinado), tiene la siguiente fórmula:
Decibelios (dB). Aunque la unidad es el belio (B), en muchas áreas técnicas se utiliza directamente este submúltiplo. El decibelio es una unidad logarítmica que permite comparar las potencias de una manera más sencilla.
En esta fórmula P1 es la potencia de entrada (potencia de referencia) y P2 la potencia de salida. Dentro de un circuito con elementos conectados, las diferentes ganancias o pérdidas de los diferentes componentes se van sumando algebraicamente, de tal manera que podemos saber con qué ganancia de potencia se conecta un aparato a otro.
Otro dato importante es el rendimiento (η). Refiere directamente a la eficiencia. La relación es muy sencilla, sólo hay que poner en relación la potencia de salida con la de entrada.
8. Procesado digital de señales (DSP)
El procesado digital de señales (DSP) o digital signal processing, es un proceso mediante el cual las señales analógicas se transforman en datos digitales, los cuales pueden ser transmitidos, filtrados, almacenados o analizados por equipos más sofisticados. Hay una serie de pasos en el DSP.
Señal analógica → muestreo → cuantificación → conversión A/D → procesamiento digital
- Muestreo. Se toman mediciones discretas de una señal analógica durante unos intervalos de tiempo (periodo de muestreo, T). La frecuencia en este punto nos indica cuantas muestran se han tomado en un segundo.
- Cuantificación. Cada muestra se convierte en un valor digital aproximado dentro de un conjunto preestablecido y finito de bits. Esa aproximación o redondeo produce una pérdida relativa de datos (error de cuantificación). Cuantos más bits se usen, mayor será la fidelidad. Aquí es importante tener en cuenta el teorema de Nyquist [4].
- Conversión A/D. Los datos obtenidos a través de los inputs y durante el proceso de cuantificación, quedan finalmente codificados en binario para su posterior manejo digital.
Durante el procesado, para evitar o minimizar la pérdida relevante de información se suelen usar filtrados. El filtrado antisolapamiento (anialiasing) se utiliza antes del muestreo. El filtrado de reconstrucción se aplica después de la conversión y sirve para eliminar picos o escalones. Posteriormente, también puede darse un proceso de reconversión (Conversión D/A) que decodifique la información binaria y la convierta en señal analógica.
[1] Culombio (C), en inglés coulomb, es la medida de la magnitud física de una carga eléctrica o cantidad de electricidad.
[2] Si se apunta con el pulgar extendido la dirección de la corriente, los otros dedos curvos representarían el campo magnético a su alrededor
[3] Es una herramienta que permite descomponer funciones periódicas en una suma de ondas sinusoidales, es decir, descomponer una señal compleja en una serie de señales simples.
[4] El teorema dice que para poder reconstruir una señal analógica a partir de sus muestras, la frecuencia de muestreo debe ser de al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal original.