Fundamentos de Señales y Conversión Electrónica

Señales Analógicas y Digitales

¿Qué es una Señal Analógica?

Es una señal continua que puede tomar infinitos valores dentro de un rango. Ejemplos: la voz humana, la luz, la temperatura, etc.

¿Qué es una Señal Digital?

Es una señal discreta que solo puede tomar ciertos valores definidos (generalmente binarios). Se representa mediante 0 y 1.

Conversión Análogo-Digital (ADC)

Definición

Proceso que transforma una señal analógica continua en una señal digital. Se utiliza para que los sistemas digitales puedan procesar señales del mundo real.

Pasos del Proceso ADC

1. Muestreo

   • Se toman muestras de la señal analógica a intervalos regulares.
   • La frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la máxima frecuencia de la señal (Teorema de Nyquist).
   • Cada muestra representa un instante de tiempo.

2. Cuantificación

   • Se asigna un valor numérico (nivel discreto) a cada muestra.
   • El número de niveles depende de la cantidad de bits utilizados.
   • Cuantos más bits, mayor resolución y menor error de cuantificación.

3. Codificación

   • Se representa cada valor cuantificado como una secuencia de bits (binario).
   • Esta información puede ser almacenada, procesada o transmitida digitalmente.

Conversión Digital-Análoga (DAC)

Definición

Proceso inverso al ADC. Convierte señales digitales (binarias) en señales analógicas continuas.

Pasos del Proceso DAC

1. Decodificación de Bits

   • Se interpreta cada secuencia de bits como un valor numérico.
   • Se convierte en niveles discretos de voltaje.

2. Interpolación

   • Se generan valores intermedios entre los puntos discretos.
   • Esto reconstruye una forma de onda continua a partir de valores digitales.
   • Técnica común: reconstrucción por retención de orden cero (ZOH) o por filtrado.

3. Filtrado

   • Se usa un filtro pasa-bajos para eliminar los saltos abruptos entre niveles.
   • El filtro suaviza la señal y recupera su forma analógica original.

Ejemplos Comunes de Conversión

Conversión de Audio

• ADC: Un micrófono convierte una voz (analógica) en señal digital para llamadas, grabaciones o procesamiento.
• DAC: Un reproductor de música convierte los datos digitales (MP3, WAV) en una señal analógica que mueve los altavoces.

Conversión de Video

• ADC: Cámaras o sensores convierten la luz captada en señales digitales.
• DAC: Un televisor convierte los datos digitales en imágenes analógicas visibles en pantalla.

Conceptos Clave en Conversión de Señales

• Teorema de Nyquist: Para evitar pérdida de información, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima presente en la señal original.
• Resolución: Número de bits usados en la cuantificación. A mayor resolución, mayor fidelidad de la señal digital respecto a la analógica.
• Error de Cuantificación: Diferencia entre el valor real de la señal y el valor cuantificado. Es inevitable, pero puede reducirse usando más bits.
• Filtros: En DAC, eliminan componentes de alta frecuencia (aliasing) no deseadas y suavizan la salida.

Dispositivos de Potencia en Electrónica

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Definición

Es un dispositivo híbrido que combina un MOSFET (control por tensión) con un transistor BJT (alta capacidad de corriente).

Características

• Alta eficiencia de conmutación.
• Se activa por tensión en la puerta (como el MOSFET).
• Soporta corrientes altas (como el BJT).
• No es un tiristor (no presenta enclavamiento o «latch«).

Funcionamiento

• Se activa aplicando una tensión positiva entre gate y emitter.
• Se utiliza en inversores, motores y fuentes conmutadas.

Ventaja

Alta velocidad de conmutación y buen manejo de potencia.

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Definición

Es un tiristor unidireccional que actúa como un interruptor controlado. Una vez activado, conduce corriente en una sola dirección hasta que la corriente cae por debajo de un umbral o se interrumpe la alimentación.

Características

• Se activa con un pulso en el gate.
• Conduce corriente solo en una dirección (como un diodo controlado).
• No puede apagarse por la señal de gate una vez encendido (requiere que la corriente anódica caiga por debajo de la corriente de mantenimiento, I_holding).

Aplicaciones

Control de rectificadores, regulación de potencia, dimmers, controladores de motores.

TRIAC (Triodo para Corriente Alterna)

Definición

Dispositivo bidireccional capaz de controlar corriente alterna en ambos semiciclos.

Características

• Funciona como dos SCR en antiparalelo.
• Se activa con una señal en el gate y conduce hasta que la corriente cae a cero.
• Ideal para controlar cargas resistivas (como lámparas o calentadores).

Funcionamiento

• Al aplicar una señal al gate, conduce en ambas direcciones.
• Se apaga automáticamente al pasar por cero la corriente de CA.

Aplicaciones

Dimmers de luz, control de velocidad de ventiladores, control de calefactores.

DIAC (Diodo para Corriente Alterna)

Definición

Dispositivo bidireccional de encendido que no es un interruptor, sino que actúa como un disparador para el TRIAC.

Características

• Totalmente simétrico, puede conducir en ambas direcciones.
• Se dispara cuando la tensión supera cierto umbral (≈30V).
• Una vez disparado, se comporta como un diodo conductor.
• Se apaga automáticamente cuando la corriente cae a cero.

Aplicaciones

• Disparo de TRIACs en controles de luz (dimmers), ventiladores, calefacción.
• Circuitos de circulación de corriente alterna controlada.

GTO (Gate Turn-Off Thyristor)

Definición

Tiristor que sí puede apagarse por la compuerta, a diferencia del SCR tradicional. Usado en altas potencias.

Características

• Muy robusto, ideal para aplicaciones industriales de potencia.
• Se enciende al aplicar una corriente positiva a la compuerta.
• Se apaga al aplicar una corriente negativa a la compuerta.
• Evita el problema del SCR, que no puede apagarse con señal de compuerta.

Ventaja Clave

Permite el control completo (encendido y apagado) desde la compuerta.

Aplicaciones

• Trenes eléctricos, inversores de potencia, sistemas industriales.
• Convertidores de alto voltaje y corriente continua.