Volviendo sobre las conclusiones que hemos anotado sobre las experiencias anteriores, podemos hacer una clasificación de las ondas.
a) Atendiendo a la relación entre las direcciones de propagación y la de las oscilaciones de un punto del medio.
Ya las hemos calificado como ondas transversales y ondas longitudinales.
b) Atendiendo al tipo de energía que transportan.
Ondas mecánicas, necesitan un centro emisor, llamado fuente o foco y un medio material en el cual se pueda modificar alguna propiedad.
1. Las propiedades que se modifican pueden ser:
- La posición de un punto del medio (cuerda, superficie de un líquido),
- Una variación de la presión en un punto, como es el caso de la propagación del sonido en un gas (por ejemplo el aire)
2. El medio ha de ser elástico. Una vez pasada la perturbación, cada partícula recupera su conformación inicial deformando las partículas vecinas.
Los agentes que permiten la propagación de la onda y que hacen que un punto del medio recupere su posición anterior al paso de la onda son: las interacciones moleculares y la acción de la gravedad en el caso de la cuerda y la perturbación sobre la superficie del agua; la fuerza recuperadora en el resorte.
3. No hay transporte de materia. Solo se transporta energía: mecánica en el caso de la cuerda, la superficie del agua, el resorte o el sonido.
Ondas electromagnéticas, necesitan una fuente o foco emisor, pero no necesariamente un medio material. La luz se propaga en el aire, en el agua o en el vidrio pero puede propagarse también en el vacío.
1. Las propiedad que se modifican es la variación de un campo eléctrico y de un campo magnético asociados a partículas aceleradas sin masa, fotones.
Maxwell descubrió que las partículas eléctricas aceleradas son fuente de ondas electromagnéticas.
2.Transportan energía radiante.
Conclusiones
a) Una deformación producida en un medio elástico se desplaza a través del medio. El pulso produce una modificación temporal de una o varias propiedades del medio, el tren de ondas una modificación continua.
b) El medio ha de ser elástico. Una vez pasada la perturbación, cada partícula recupera su conformación inicial deformando las partículas vecinas.
c) No hay transporte de materia. Solo se transporta energía: mecánica en el caso de la cuerda, la superficie del agua, el resorte o el sonido; radiante, en el caso de las ondas electromagnéticas.
d) En todos los casos hay una pérdida de energía en forma de calor lo cual provoca el amortiguamiento de la onda.
e) Ninguna perturbación se propaga instantáneamente, hay pues una velocidad de propagación.
Onda cuadrada
Se conoce por onda cuadrada a la onda de corriente alterna (CA) que alterna su valor entre dos valores extremos sin pasar por los valores intermedios (al contrario de lo que sucede con la onda senoidal y la onda triangular, etc.)
Se usa principalmente para la generación pulsos eléctricos que son usados como señales (1 y 0) que permiten ser manipuladas fácilmente, un circuito electrónico que genera ondas cuadradas se conoce como generador de pulsos, este tipo de circuitos es la base de la electrónica digital
El contenido espectral de una onda cuadrada se compone exclusivamente de armónicos impares (f, 3f, 5f, etc), extendiéndose a frecuencias más elevadas cuanto más abruptos sean sus flancos. Esto tiene dos consecuencias:
• La capacitancia y autoinductancia parásitas filtran la señal, eliminando las componentes de mayor frecuencia, con lo que la onda cuadrada se degrada, tomando un aspecto cada vez más redondeado.
• Por otro lado, señales muy abruptas producen radiación de alta frecuencia, dando problemas de compatibilidad electromagnética y acoplos (diafonía) entre pistas. Por ello ciertas familias lógicas como Q-mos (Quit-mos) controlan la pendiente de los flancos de la señal, evitando que sean demasiado abruptos.
GENERADOR DE ONDA CUADRADA
Continuamos brindando una serie de circuitos prácticos coleccionables pertenecientes a la colección: "Club Saber Electrónica". Cada circuito fue tomado de publicaciones anteriores, adaptándolos con la inclusión de componentes de fácil adquisición en el mercado de América Latina. Sin embargo, en muchos casos, es posible que no encuentre un componente específico, en ese caso, contáctenos por teléfono o por mail y veremos la forma para que Ud. tenga el componente que no consigue en su localidad. Si bien no se incluye el dibujo de la placa de circuito impreso, cada circuito es lo suficientemente sencillo para que Ud. realice su propio diseño.
El generador de audio también conocido como generador de funciones u oscilador de audio es un instrumento útil para el tallerista, especialmente para ser usado en tareas de calibrado de amplificadores de audio, verificación de la respuesta en frecuencia de un equipo, puesta en marcha de sistemas digitales y análisis de circuitos electrónicos en general.
Es importante que el técnico sepa manejar el instrumento, pero también debe conocer cómo funciona con el objeto de poder utilizarlo al máximo.
El amplificador operacional (A.O.), base de este proyecto, es un circuito de muy alta ganancia, impedancia de entrada elevada e impedancia de salida baja.
El amplificador operacional por medio de un circuito asociado determinado puede utilizarse como:
a) amplificador inversor,
b) amplificador no inversor;
c) sumador;
d) separador;
e) integrador,
f) diferenciador
g) oscilador, etc.
Nos interesa usar el A.O. como oscilador de onda cuadrada, para ello nos valemos del circuito de la figura 1, que entrega una señal de forma de onda cuadrada en la salida y una señal de forma de onda diente de sierra en al punto A.
Como la ganancia del A.O. es muy alta, una pequeña diferencia de tensión entre los puntos A y B lleva a la salida al nivel de Vcco-Vee; es decir, la salida tendrá un estado de "saturación".
Por ejemplo, si VA>VB, entonces VO = VEE; si V:
Luego, por ley de Ohm:
Es decir, en el primer instante de análisis, C está descargdo por lo cual: .
Basta entonces encontrar la relación (R3/R4) apropiada para que la amplitud de la onda triangular sea igual a la amplitud de la señal de onda cuadrada.
Para muchas aplicaciones, puede resultar útil tener una señal rectangular con ciclo de actividad variable, es decir, con tiempos de estado "alto y estado "bajo" distintos.
Utilizaremos otro operacional que compare la señal triangular con una tensión fijada por el técnico.
Cuando la señal triangular alcanza dicho valor, el A.O. satura debido a su elevada ganancia. Con P1 (figura 3), fijo una tensión Vd en la entrada no inversora del A.O. , luego, la salida está en estado alto mientras la onda triangular no alcance ese valor.
Cuando VC> VD (la señal triangular alcanzará el nivel VD) el A.O. "se da vuelta", es decir, variando P1, cambia la tensión VD y por lo tanto, también cambia el ciclo de actividad de la onda cuadrada.
Para obtener una señal de forma de onda senoidal se utiliza un CONFORMADOR que es una matriz formada por diodos y resistencias (R8 a R15 y D1 a D6 en la figura 3).
La matriz transforma la onda triangular en onda senoidad debido a que reduce la pendiente de la señal diente de sierra a medida que aumenta su amplitud. La señal así obtenida se aplica a un A.O. implementando como amplificador no inversor de corriente continua.
En realidad, la forma de onda resultante senoidad puede considerarse como una serie de ramos rectos que cambian de pendiente cada cuarto de ciclo. R19, P2, y R20 forman un divisor resistivo para que la señal triangular a conformar tenga la amplitud necesaria con el objeto de tener una onda senoidal con un contenido armónico inferior al 3%.
De esta manera tenemos un generador de onda cuadrada, rectangular y senoidal de amplitud constante aproximadamente igual a Vcc + VEE y frecuencia variable dependiente de la carga y descarga de C a través de R.
Es importante que antes de armar el generador de funciones se interiorice en el circuito a construir con el objeto de no cometer equivocaciones.
En la figura 4 se muestra la placa de circuito impreso y una vista de los componentes insertados en la plaqueta.
Es conveniente, en el montaje, colocar zócalos para los circuitos integrados con el objeto de poder reemplazarlos fácilmente en casos de deterioros.
C se cambia por medio de una llave selectora con el objeto de variar la frecuencia del generador por bandas.
Colocando valores de capacidad apropiados se pueden conseguir frecuencias desde algunos Hz hasta 50kHz aproximadamente.
Si se colocan circuitos integrados del tipo CA741 el generador entrega formas de onda aceptable hasta 5kHz. Para frecuencias superiores, la impedancia de entrada del operacional disminuye y el tiempo de respuesta del mismo se hace considerable, razón por la cual aparecen notables distorsiones en todas las formas de onda.
Para aumentar el rango de frecuencias se deben colocar A.O. con entrada FET del tipo LF356 en CI1 y CI2. CI3 y CI4 pueden seguir siendo CA741.
Para probar el instrumento una vez armado, conéctelo a una fuente de alimentación. Con un osciloscopio verifique las formas de onda cuadrada, rectangular, senoidal y triangular en los puntos 1, 2, 3 y 4 respectivamente, para ello calibre el pre -set P3 de modo de obtener una señal senoidal casi perfecta (con osciloscopio en punto 3). Si desea puede colocar una llave selectora con el objeto de seleccionar la forma de onda a utilizar.
Variando P2 verifique que cambia la frecuencia de la señal mostrada.
Con el osiloscopio en 2 varíe P1 verificando que cambie el ciclo de actividad de la señal rectangular. Es indispensable el uso de un osciloscopio para comprobar el correcto funcionamiento del generador, si Ud. no lo posee recurra a un service amigo o a algún laboratorio electrónico. Con un frecuencímetro podrá calibrar el recorrido de P2 en valores de frecuencia para las distintas bandas.
Una vez calibrado el instrumento no será necesario ni el osciloscopio ni el frecuencímetro pues tendrá la seguridad que su generador de funciones funciona correctamente.
Note que la amplitud de salida del oscilador es alta y constante. Para poder variar la amplitud a voluntad puede utilizar otro amplificador operacional como inversor (no figura en el circuito impreso).
De esta manera, con un reducido costo Ud. Puede construir un instrumento de múltiples aplicaciones, que, si bien no es de excelente calidad, puede competir con la mayoría de los generadores comerciales de taller, con la ventaja que Ud. sabe cómo funciona y puede armarlo con poco dinero. Dejo a su elección el gabinete sobre el cual montará el instrumento y el diseño del frente pero le aconsejo que siga las indicaciones que le he dado a lo largo de esta sección.
Como puntas de conexión exterior puede utilizar un cable mallado conectando en sus extremos pinzas de las denominadas "caimanes o cocodrilos".
Este proyecto no solo le permite montar un generador de buen desempeño sino que además lo “entrena” en el uso de los amplificadores operacionales. Relea el artículo y no arme el prototipo hasta no estar seguro de comprender perfectamente el funcionamiento del equipo propuesto. Si no ha tenido inconvenientes...
Ejercicio en el programa cocodrilo
De acuerdo con este esquema, podemos empezar a realizar el esquema en el programa cocodrilo así:
1.
Instalar el programa.
Después de instalar el programa empezamos a dibujar las resistencias, condensadores, osciloscopio y demás dispositivos mostrados en los diagramas anteriores.
Luego de tener estos elementos empezamos a organizarlos y a verificar si muestra la onda realmente cuadrada.
Y se observa que la onda es cuadrada. Después de graduar la amplitud y la frecuencia.
