Señales y Sistemas: Análisis, Instrumentación y Aplicaciones en Ingeniería Eléctrica

Señales y Sistemas en Ingeniería Eléctrica

Conceptos Básicos

Señal: Alteración que se introduce o aparece en el valor de una magnitud cualquiera y que sirve para transmitir información.

Ruido: Señales sin información o función útil que se producen en el propio canal o camino a través del cual se transmite la señal.

Señal eléctrica: Alteración en una magnitud eléctrica (tensión, corriente) utilizada para transmitir información.

Señal periódica: v(t) = v(t + KT); K ∈ Z; T ∈ R.

Valor medio (Vm): Vm = (1/T) * Integral₀^T v(t)dt

Valor eficaz (Vrms): Vrms = √((1/T) * Integral₀^T v²(t)dt)

Corriente alterna (AC): Vm = 0

Sistemas

Sistema: Grupo de componentes interrelacionados que trabajan juntos hacia un fin común, aceptando una entrada (E) y produciendo una salida (S) en un proceso de transformación organizado.

Análisis: Consiste en el desarrollo de procedimientos que permiten obtener la señal de salida para cualquier señal de entrada, siguiendo un método unificado.

Síntesis: Elección de un conjunto de valores de manera que el sistema muestre un determinado comportamiento.

Sistema causal: Su salida (S) en cualquier instante de tiempo (t) depende únicamente de los valores de la entrada (E) en el momento presente y en el pasado.

Sistema invariante en el tiempo: Si el comportamiento y características del mismo están fijados en el tiempo.

Sistema estable: En el que entradas pequeñas conducen a respuestas que no divergen.

Sistema lineal: Que posee la propiedad de superposición. (Si una entrada consiste en la suma ponderada de varias señales, entonces la salida es simplemente la superposición, suma ponderada, de las respuestas del sistema a cada una de las señales).

Instrumentación

Tipos de instrumentos

• Indicador (respuesta): Presenta la medición de una magnitud.
• Generador (fuente): Reproduce o suministra, de forma permanente durante su utilización, uno o más valores conocidos de una magnitud dada.

Tipos de presentación

• Analógica: La indicación es una función continua del valor de la magnitud medida.
• Digital: Se caracteriza por el número de cifras y su resolución es la unidad de la cifra menos significativa.

Medición (M): M = V (resultado medido: elemento medio del conjunto asignado) + U (incertidumbre de medida: caracteriza la dispersión de valores que podrían ser atribuidos).

Incertidumbre instrumental: La acción de medir con un instrumento implica una interacción inevitable con el sistema de medida.

Incertidumbre intrínseca: Dado que para describir el estado de un sistema durante la medida se necesitaría una cantidad ilimitada de información.

Conversión de energía eléctrica

• AC-AC: estabilizador, cicloconvertidor
• DC-AC: inversor, ondulador
• DC-DC: troceador
• AC-DC: rectificador, fuente de alimentación

Generadores de señales

Generador de señal: Fuente de señal cuyas características de forma de onda, frecuencia, voltaje, etc. se pueden establecer o controlar dentro de ciertos límites.

Generador de función: Equipos que producen señales que pueden describirse mediante fórmulas matemáticas simples.

Características de los multímetros

• Exactitud: Capacidad del instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al valor verdadero de la magnitud medida.
• Resolución: Incremento mínimo de la entrada para que haya un cambio en la salida.
• Fondo de escala: Diferencia entre los límites superior e inferior de medida.

Osciloscopios

Osciloscopio analógico: Se basa en un tubo de rayos catódicos con elementos de enfoque capaces de producir un haz estrecho de electrones, que se enfoca en una pantalla fosforescente y al que se le da un sistema dinámico para desviar el haz en direcciones verticales y horizontales.

Osciloscopio digital: Toma muestras de la señal que se desea estudiar, cuantifica su valor y almacena el resultado en una memoria digital hasta tener un número de puntos suficiente para representarla (la representación no es en tiempo real).

Control y Realimentación

Lazo abierto: Sentido unidireccional de la señal (la señal de salida no se compara con la señal de entrada), su exactitud depende de la calibración del sistema, la presencia de perturbaciones en la cadena provoca que no cumpla la función asignada.

Inconvenientes del lazo abierto: Si hay perturbaciones, no hay acción correctora; dificultad para parar un motor.

Realimentación (lazo cerrado): Relación entre la salida (S) y la entrada de referencia (E) en las que estas se comparan y se usa su diferencia como medio de control del proceso controlado.

Realimentación negativa: Cuando la señal realimentada reduce la diferencia entre el valor de referencia y los valores actuales. Aplicación: Regulación.

Transductores y Sensores

Transductor: Dispositivo que convierte una señal de una forma física en una señal de otra forma física diferente.

Ventajas de los sistemas de medida electrónicos:

• Cualquier variación de un parámetro viene acompañada de la variación de un parámetro eléctrico, debido a la estructura electrónica de la materia.
• Facilidad de amplificar electrónicamente, ya que al medir interesa extraer poca energía del sistema.
• Gran variedad de circuitos integrados que permiten procesar la señal y presentarla.
• Fácil transmisión de la señal.

Sensor: Dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal eléctrica.

Según el aporte de energía:

• Moduladores (necesitan una fuente de energía auxiliar)
• Generadores (la energía se suministra del proceso)

Según la señal de salida: Analógicos / Digitales.

Según el modo de operación:

• Deflexión (la magnitud medida produce un efecto en alguna característica de medida)
• Comparación (se intenta mantener a 0 la deflexión mediante la aplicación de un efecto conocido)

Acondicionadores de señal: Elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal de salida del sensor electrónico, una señal apta para ser presentada y registrada.

Actuador: Transductor de salida (salida mecánica para provocar una acción sobre el sistema).