Magnitudes físicas eléctricas -- Parte 1

 

Las señales eléctricas son magnitudes físicas que varían con el tiempo para transportar información desde un emisor hasta un receptor. En el ámbito de la electrónica y la ingeniería, estas magnitudes suelen manifestarse principalmente como voltaje o corriente.

Parámetros fundamentales de las señales eléctricas

Para describir y analizar cualquier señal, se utilizan los siguientes parámetros técnicos:

• Voltaje (Tensión): Es la magnitud más común para representar datos. Se define como el potencial eléctrico y, en señales digitales, se clasifica en niveles lógicos como "Alto" (HIGH) y "Bajo" (LOW).
• Corriente: Es el flujo de carga eléctrica. En la automatización industrial, es estándar el uso de lazos de corriente de 4 a 20 mA para transmitir mediciones de sensores debido a su alta inmunidad al ruido.
• Amplitud: Es el valor máximo que alcanza la señal (generalmente medido en voltios) e indica su intensidad o fuerza.
• Frecuencia (f): Es el número de ciclos completos que ocurren en un segundo, medido en Hertz (Hz). Determina la rapidez con la que cambia la señal.
• Periodo (T): Es el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo único.
• Resistencia: Aunque es una propiedad del material o componente, influye directamente en la señal. Por ejemplo, en sensores como los potenciómetros, la variación de la resistencia modifica el voltaje de salida.
• Potencia: Representa la energía entregada por la señal. En técnicas como la Modulación por Ancho de Pulso (PWM), se controla la potencia de salida variando el tiempo que la señal permanece en estado activo.
• Forma de onda: Es la representación gráfica del comportamiento de la señal en el tiempo. Las formas más comunes son la senoidal (suave, como el sonido), la cuadrada (típica en sistemas digitales) y la triangular.
• Tiempos de subida y bajada: Definen el tiempo que le toma a una señal digital pasar de un estado bajo a uno alto (subida) o viceversa (bajada), afectando la sincronización en circuitos rápidos.

Relaciones entre magnitudes eléctricas básicas

Las magnitudes mencionadas se relacionan matemáticamente de forma precisa:

1. Relación Frecuencia-Periodo: Son inversamente proporcionales. La frecuencia se calcula como $f=1/T$ y el periodo como $T=1/f$.
2. Ciclo de Trabajo (Duty Cycle): En señales cuadradas, es la relación entre el tiempo activo ($T_H$) y el periodo total ($T_W$), expresada como porcentaje: $D=100\times (T_H/T_W)$. Un Duty Cycle del 50% significa que la señal entrega la mitad de la potencia disponible.
3. Relación Potencia-Voltaje: Existe una relación cuadrática donde la potencia ($P$) es proporcional al cuadrado del voltaje ($V$) dividido por la resistencia ($R$): $P=V^2/R$. Esta es una de las razones por las cuales reducir el voltaje de operación (de 5V a 3.3V) permite una reducción significativa (aproximadamente del 56%) en el consumo de potencia.

Diferenciación por naturaleza de los valores

• Señales Analógicas: Poseen continuidad en el tiempo y pueden adoptar infinitos valores de amplitud dentro de un rango determinado. Representan fenómenos físicos suaves como la temperatura o la luz.
• Señales Digitales: Son discretas y solo pueden tomar un número finito de valores, generalmente representados mediante el sistema binario (0 y 1). Son ideales para el procesamiento computacional debido a su mayor resistencia al ruido y facilidad de almacenamiento