miércoles, 29 de mayo de 2013

Estabilidad del circuito

Como vimos en el post anterior, cada circuito se puede separar en uno de los dos grandes grupos que de momentos conocemos: estables o inestables.

Este concepto de estabilidad venía dado según si el circuito conseguía llegar al régimen permanente sinusoidal o, por el contrario, siempre estaba en un estado transitorio que le impedía alcanzarlo ya que era permanente.

Este factor de estabilidad también podíamos observarlo según donde caían los polos de su respuesta (según la antitransformación laplaciana). Si caen en el semiplano x negativo, es estable, si cae en el positivo inestable y si cae en el eje y será marginalmente estable.

Después de este estudio es importante saber la duración del régimen transitorio, ya que es lo que realmente nos importa. Esta duración viene medida, como ya vimos, por la constante de tiempo tau. Esta constante tau si es multipicada por 5, nos dará el tiempo en la que la respuesta propia empezará a ser tan pequeña que no afecte al circuito en sí. También hay otra forma de encontrar este valor, que es calculando el inverso del ancho de banda (BW). Este inverso aproximadamente también da el valor del tiempo que tardará en atenuarse de manera importante la respuesta propia.

martes, 28 de mayo de 2013

Respuestas de un circuito

Pero, realmente el análisis por Laplace, ¿cómo se lleva a cabo?.

Este análisis tiene una gran similitud con el ya hecho con fasores, ya que realmente se basa en la misma normal general: Vo(S) = H(S)*Vg(S) donde la H(S) es totalmente igual a la H(S) buscada por fasores, la única diferencia es que en fasores lo que hacíamos era cambiar S por jw (lo que nos daba la fase y el estudio frecuencial).

Como comprobamos lo que hace Laplace no es más que convertir un sistema de ecuaciones diferenciales dadas por inductores y capacitores a uno totalmente resistivo, haciendo unas transformaciones, para así volver el cálculo mucho más simple ya que todo nos quedará en forma algebraica.

La transformación por Laplace también tiene en cuenta las condiciones iniciales de cada elemento "diferencial", así que la transformación no será totalmente igual a la fasorial, aunque se parezcan mayormente. Por ejemplo una resistencia se transforma como su mismo valor, en cambio un inductor se transforma en un resistor cuya resistencia es LS pero, como hemos dicho que se tiene en cuenta las condiciones iniciales, por como funciona la bobina se le tendrá que añadir una fuente de voltaje en serie negativa de un valor L*i(0-) (o también nos serviría poner en paralelo una fuente de corriente negativa de valor i(0-)/S) donde 0- representa justamente el momento antes de que haya el cambio en el circuito. Un capacitor se modela de forma muy parecida: un resistor de resistencia 1/CS sumándole en serie una fuente de voltaje de valor V(0-)/S.

Por lo tanto, este tipo de transformación nos dará de forma muy buena qué hace el circuito desde que empieza a funcionar hasta que llega al RPS, ya que nos dará una respuesta completa del circuito.

Después de hacer unos cuantos ejemplos, pudimos observar que esta respuesta está caracterizada por 2 grandes bloques sumandos: la respuesta propia del circuito (que nunca cambia para el mismo circuito) y la respuesta forzada (que tiene la misma forma que la excitación del circuito). Con estos dos conceptos nuevos y, sobre todo, con el concepto de respuesta propia se puede empezar a hablar de estabilidad de un circuito o no estabilidad, cosa que puede llegar a ser un problema si no se sabe solventar.

Un circuito estable es aquel que su respuesta propia tiene a 0 en el tiempo, por lo que acabará desapareciendo solamente deformando la respuesta forzada. En cambio uno inestable es cuya respuesta propia no deja de crecer o se mantiene constante, cosa que hace que nunca desaparezca y no se consiga establecer el RPS en ese circuito.

Para acabar, en los circuitos estables, normalmente es de ayuda saber cuando el régimen transitorio durará (a efectos pragmáticos y con relevancia, ya que nunca dejará de estar ahí aunque con efectos prácticamente nulos a medida de que pase el tiempo). Este régimen transitorio durará hasta que (más o menos) se atenúe las señales de la respuesta propia hasta un nivel de 30/40dB. Esto pasa cuando pasan aproximadamente 5Tau segundos, donde Tau es la constante de tiempo del circuito (dada por la expresión, es lo que está dividiendo a la t en la exponencial).

Por lo cual si tenemos la antitransformada y tenemos esta forma exponencial, podremos saber la duración de este período solamente multiplicando su Tau por 5, así sabremos cuando tendremos el circuito funcionando en RPS.

domingo, 26 de mayo de 2013

Respuesta completa

Después de estar todo este tiempo mirando como funcionan los circuitos en régimen permanente sinusoidal y estudiar como les afectan los cambios frecuenciales, nos vamos a meter en el mundo temporal donde también tendremos en cuenta el régimen transitorio, un régimen donde pasan fenómenos diferentes.

Este análisis se puede hacer aplicando la idea de transformada de Laplace sobre la función del circuito y así, aplicando una serie de condiciones iniciales, podremos saber como actuará el circuito sobre cada excitación, dándonos la visión temporal y no la frecuencial. Esta visión temporal nos recalcará la parte transitoria del circuito, que es la que nos interesa al hacer este análisis.

Para poder transformar de una manera fácil cada función de red, primero estaría bien conseguir separar cada función de red en sus raíces (tanto en numerador que en denominador) respecto S. Al hacerlo, tendremos unas multiplicaciones de raíces de S que haciendo los cálculos oportunos nos darán la respuesta temporal del circuito.

Una cosa que nos puede ayudar en la antitransformación de estas funciones de red es el localizar en el plan dónde está cada raíz, ya que según donde estén podremos predecir la forma de la antitransformada. Por ejemplo si están en la zona real negativa, será una antitransformada cuya respuesta propia del circuito acabe tendiendo a desaparecer con el tiempo exponencialmente. Si está en el semiplano positivo, crecen exponencialmente consiguiendo así que un circuito no llegue nunca a su estabilidad así mismo sin conseguir nunca el régimen permanente sinusoidal. Y por último en el origen dan una respuesta propia continua, que no desaparece.

Así que podemos observar las ventajas que nos da este tipo de estudio temporal respecto el frecuencial, aunque sea algo más complicado respecto cálculos que el frecuencial.

martes, 14 de mayo de 2013

La relación señal/ruido

Después de toda la introducción al uso de Fourier y sus teoremas a los circuitos, podemos empezar a usarlos de manera más inteligente para poder conseguir señales senoidales o continuas a partir de cualquier tipo de señal con cualquier forma.

Como introducimos en la entrada anterior, las señales no son más que una suma de una componente continua con muchos generadores senoidales (cada vez con menos intensidad, a medida que la frecuencia armónica aumenta) con frecuencias las cuales son armónicas (siguen un patrón de n*fo). Así que siguiendo este patrón y sabiendo un poco en filtros, podemos llegar a la conclusión de que si ponemos un filtro paso-bajo para así conseguir atenuar las señales a partir de una frecuencia del tal manera que podamos acabar negligiéndolas.

Por ejemplo, si queremos una señal continua podríamos poner un filtro paso-bajo cuya frecuencia de corte sea mucho menor a la frecuencia del primer generador senoidal y si queremos una senoidal, primero podríamos poner un paso-bajo que deje pasar casi intacta la señal del primer armónico y consiga atenuar lo suficiente la del segundo y para eliminar la continua podríamos poner un condensador en serie cuyo valor no altere demasiado el valor de esta misma senoide.

Aquí se nos plantea una duda: ¿Cuando podremos empezar a decir que una señal es negligible respecto a otra?

Esto siempre lo podemos decir cuando la amplitud de las dos se diferencian en dos órdenes de magnitud. Pero claro, no todas las señales son igual de buenas, por mucho que lo sean y para eso se ha creado un concepto para así poder saber la calidad de esta señal.

Primero deberíamos hablar del concepto de ruido, que son todas las ondas que han sido atenuadas mucho pero que nunca desaparecen, solamente están ahí de una forma casi invisible. Estas señales se suman a la total aportando pequeñas variaciones, cosa que a veces puede provocar increíbles errores, por eso buscamos que el ruido siempre sea pequeño.

Después de saber lo que es el ruido se define la relación señal ruido (S/N), que lo único que hace es medir esta relación del ruido total respecto a la amplitud de la señal. Se calcula con 10log((Vrms señal)^2/(Vrms ruido)^2). Esta relación para que sea buena ha de ser mayor a 30/40dB (ya que como podemos observar, esto dará unidades de ganancia).

Así que después de esta clase podemos decir que hemos aprendido bastante sobre como tratar señales que no sean senoidales de manera eficiente y como conseguir diferentes tipos de señales a partir de otras de formas muy distintas entre sí.

domingo, 12 de mayo de 2013

Aplicación de Fourier

Desde principio de curso que estamos estudiando como actúan los circuitos cuando son excitados con una señal senoidal, cosa que hasta ahora, parecía una traba ya que no sabíamos como aplicar nuestros conocimientos (generalmente) a más tipos de forma de onda que no fueran senoidales.

Pero parece que siempre hay soluciones para todo, y para esto no será la excepción. Fourier, nuestro ya conocido matemático, tiene una teoría la cual dice que cualquier tipo de señal, sea lo complicado que sea, puede crearse como la suma de senoides de diferentes frecuencias.

Aplicando su fórmula a los circuitos, un generador independiente de un voltaje que varia en el tiempo arbitrario (Vg(t)) puede ser transformado en la suma de una constante (Co) continua y la suma de generadores independientes de diferentes amplitudes y a frecuencias armónicas una respecto otra (todas siguen un patrón marcado por la fórmula).

La gracia de este método es que podemos aproximar la señal inicial por la suma de tantos generadores como necesitemos para reducir el error, cosa que nos podría llevar a pensar que quizás necesitemos calcular muchos generadores para que así también el error sea bajo y podamos aplicarlo sin temor. Pero no, Fourier también nos afirma que los primeros generadores siempre tienen más relevancia que los siguientes, de tal manera que el primero sea el más relevante, luego el segundo, el tercero, etc.

Esto nos dará la ventaja de tener que calcular pocos generadores a la práctica (ya que hacer el cálculo de ellos puede llegar a ser bastante difícil) y así nos complicarnos la vida calculando demasiados.

Esta nueva visión de los circuitos también nos acaba llevando a otro tipo de gráfica para poder representar este hecho y la influencia de cada generador al circuito. Este modelo nuevo es el modelo espectral, que consta en hacer dos gráficas (una de amplitud y otra de desfase) cuyo eje x es el de frecuencias. En este eje de frecuencias pondremos las frecuencias armónicas para así poder representar con una línea vertical la amplitud y el desfase al cual le corresponde cada generador (ya que a cada generador de la suma de Fourier le corresponde una frecuencia armónica diferente).

Podemos decir que gracias a este método para transformar las señales en senoides, sea cual sea la dificultad de ella, podremos analizar una gran variedad de circuitos con una facilidad mayor a antes.

miércoles, 8 de mayo de 2013

Caracterizando los picos

Después de seguir haciendo algunos trazados de Bode donde aparecían picos de resonancia, empezamos a definir y calcular conceptos como el ancho de banda que tiene un pico de resonancia.

Este ancho de banda del pico, es la zona de frecuencia donde el pico no llega a atenuarse mucho (o sea que no baja del 0,707 de amplitud máxima). Haciendo unos cálculos y usando la fórmula de ganancia de Bode llegamos a la conclusión de que el ancho de banda del pico de resonancia se calcula gracias al factor rho (multiplicando rho por 2 y por la pulsación dada por la frecuencia).

Teniendo en cuenta este concepto de ancho de banda, podemos definir otro concepto que nos dará la relación de como evoluciona el pico y lo "bueno" que es. Este factor nos dirá si el pico trabaja bien y podemos fiarnos de él, se le llama factor de calidad y se consigue con la división entre la pulsación y el concepto de ancho de banda del pico. Este factor si da mayor a 5, nos estará diciendo que el pico es bueno y no habrá problemas con el circuito.

Después de esta introducción de conceptos, hicimos una puntualización para poder calcular y ver los picos de resonancia con PSpice. Para conseguirlos con total fidelidad deberíamos ir cambiando el número de puntos (subiéndolos) en los que querremos calcular el gráfico hasta que salgan 2 veces seguidas el pico en el mismo sitio, ya que si no podríamos tener un pico no real o incluso no ver el pico.

Por último vimos una manera nueva de ver la ganancia de un voltaje respecto a un microvoltio. Este cálculo se hace con la fórmula de Bode pero dividiendo el voltaje que queremos entre 10^-6, lo que nos acabará saliendo una nueva unidad, decibelios por microvoltio.

domingo, 5 de mayo de 2013

Picos de resonancia

Primeramente, calentamos con unos ejemplos de hacer diagramas de trazados de Bode y así recordar un poco dónde estábamos y para qué hacíamos todo este estudio, que al fin y al cabo no deja de ser muy interesante a la hora de saber cómo funciona el circuito solamente sabiendo su función de red.

En este tiempo, teóricamente pudimos entender lo que era realmente el ancho de banda, que es el rango de frecuencias donde el circuito funciona perfectamente y la salida es igual o mayor a 0,707 a la señal de entrada al mismo.

Después de esta intensiva hora buscando ganancias y desfases retomamos la teoría presentando un nuevo tipo de ecuación de red que no se nos había dado aún, una con una ecuación de segundo grado en el denominador, así teniendo que definir nuevos parámetros.

La forma que sabemos analizar de este tipo de funciones de red es aquella cuyo numerador tiene la frecuencia de corte al cuadrado (al igual que el elemento libre en el denominador) y los elementos que multiplican al factor de primer grado del denominador son un frecuencia de corte por un factor adimensional rho. Este factor será muy importante para saber cuantas soluciones tendrá esta función de red y como serán.

Todo y esto, la función ha de cumplir un requisito mínimo, sus coeficientes del denominador han de ser del mismo signo todos (sea positivos o negativos), ya que si no el circuito no será estable.

Después de hacer el análisis de una función de red que cumplía todo esto vimos que el diagrama de Bode fallaba, ya que en el punto donde estaba la frecuencia de corte, había un pico que se salía mucho del trazado habitual, en el cual había un gran pico de potencia. Este pico de potencia se le llama pico de resonancia, ya que hay una subida de voltaje y potencia increíble, muy útil para cualquier diseño.