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Diseñando con la Carta de Smith 3D

La Carta de Smith es una herramienta habitual en el diseño de circuitos de RF. Desarrollada por Phillip Smith en 1939, se ha convertido en el método gráfico más popular para representar impedancias y resolver de forma sencilla operaciones con números complejos. Tradicionalmente la Carta de Smith se ha usado en su forma polar, para dos dimensiones, en un círculo de radio 1. Sin embargo, la carta en su formato 2D presenta algunas restricciones cuando se trata de representar impedancias activas de osciladores o círculos de estabilidad de amplificadores, ya que estas últimas representaciones suelen salirse de la carta. En los últimos años se ha popularizado el uso de la Carta de Smith tridimensional. Los avances en el software de representación 3D posibilitan su uso para el diseño. En esta entrada se va a tratar de conocer el manejo de la Carta de Smith tridimensional y su aplicación a un secillo amplificador de baja figura de ruido.

Cuando Phillip Smith estaba trabajando en los Laboratorios Bell, se encontró con la necesidad de tener que adaptar una antena y para ello buscó una forma de resolver el problema gráficamente. Mediante las expresiones matemáticas que rigen las impedancias en las líneas de transmisión, logró representar el plano complejo de impedancias mediante círculos de resistencia y reactancia constante. Estos círculos le facilitaban el poder representar cualquier impedancia en un espacio polar, con la máxima adaptación situada en el centro de la carta y el círculo exterior representando la reactancia pura. Tradicionalmente, la carta de Smith ha sido representada en forma polar tal y como se observa a continuación.

Fig. 1 – Carta de Smith tradicional

Las impedancias se representan normalizadas, esto es, se representa la relación entre la impedancia que se quiere representar y la impedancia de generador. El centro de la carta es la resistencia pura unidad (máxima adaptación) mientras que el círculo periférico que limita la carta es la reactancia pura. El extremo izquierdo de la carta representa el cortocircuito puro y el extremo derecho, el circuito abierto puro. La carta se hizo enseguida muy popular para poder realizar cálculos de adaptación de impedancias con líneas de transmisión usando el método gráfico. Sin embargo,las dificultades de diseño con la carta empezaron a producirse cuando se quería analizar dispositivos activos como amplificadores, para estudiar su estabilidad, y osciladores.

Obviamente, la carta limita a las impedancias de parte real positiva, pero la carta puede representar, mediante extensión del plano complejo a través de la transformación de Möbius, impedancias con parte real negativa [1]. Esta carta expandida al plano de parte real negativa se puede ver en la siguiente figura

Fig. 2-Carta de Smith expandida a parte real negativa

Esta carta, sin embargo, tiene dos inconvenientes: 1) aunque nos permite representar todas las impedancias, existe el problema del infinito complejo, por lo que sigue limitada y 2) la carta toma unas dimensiones grandes que la hacen difícil de manejar en un entorno gráfico, incluso tratándose de un entorno asistido por computador. Sin embargo, su ampliación es necesaria cuando se desean analizar los círculos de estabilidad en amplificadores, ya que en muchas ocasiones, los centros de estos círculos están situados fuera de la carta de impedancias pasivas.

En un entorno gráfico por computador, representar los círculos ya lo realiza el propio programa a través de sus cálculos, pudiendo limitar la carta a la carta pasiva y dibujando sólo una parte del círculo de estabilidad. Pero con osciladores se sigue teniendo el problema del infinito complejo, cosa que se resuelve a través de la esfera de Riemann.

ESFERA DE RIEMANN

La esfera de Riemann es la solución matemática para representar todo el plano complejo, incluido el infinito. Toda la superficie compleja se representa en una superficie esférica mediante una proyección estereográfica de dicho plano.

Fig. 3 – Proyección del plano complejo a una esfera

En esta representación el hemisferio sur de la esfera representa el origen, el hemisferio norte representa el infinito y el ecuador el círculo de radio unidad. La distribución de los valores complejos en la esfera se puede ver en la siguiente figura

Fig. 4 – Distribución de los valores complejos en la esfera

De este modo, es posible representar cualquier número del espacio complejo en una superficie manejable.

REPRESENTANDO LA CARTA DE SMITH EN UNA ESFERA DE RIEMANN

Como la Carta de Smith es una representación compleja, se puede proyectar del mismo modo a una esfera de Riemann [2], tal y como se muestra en la figura siguiente

Fig. 5 – Proyección de la Carta de Smith sobre una esfera de Riemann

En este caso, el hemisferio norte corresponde a la impedancias de parte resistiva positiva (impedancias pasivas), en el hemisferio sur se representan las impedancias con resistencia negativa (impedancias activas), en el hemisferio este se representan las impedancias inductivas y en el oeste las impedancias capacitivas. El meridiano principal se corresponde con la impedancia resistiva pura.

Así, se se desea representar una impedancia cualquiera, ya sea activa o pasiva, se puede representar en cualquier punto de la esfera, facilitando notablemente su representación. Del mismo modo, se pueden representar los círculos de estabilidad de cualquier amplificador sin tener que expandir la carta. Por ejemplo, si queremos representar los círculos de estabilidad de un transistor cuyos parámetros S a 3GHz son

S11=0,82/-69,5   S21=5,66/113,8   S12=0,03/48,8  S22=0,72/-37,6

el resultado en la carta de Smith convencional sería

Fig. 6 – Representación tradicional de los círculos de estabilidad

mientras que en la carta tridimensional sería

Fig. 7 – Círculos de estabilidad en la carta tridimensional

donde se pueden ver ubicados ambos círculos, parte en el hemisferio norte y parte en el sur. Como se puede ver, se ha facilitado enormemente su representación.

UNA APLICACIÓN PRÁCTICA: AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO

Vamos a ver una aplicación práctica de la carta tratando de conseguir que el amplificador de la sección anterior esté adaptado a la máxima ganancia estable y mínima figura de ruido, a 3GHz. Usando los métodos tradicionales, y conociendo los datos del transistor, que son

S11=0,82/-69,5   S21=5,66/113,8   S12=0,03/48,8  S22=0,72/-37,6

NFmin=0,62  Γopt=0,5/67,5 Rn=0,2

Representamos en la carta de Smith tridimensional esos parámetros S y dibujamos los círculos de estabilidad del transistor. Para una mejor representación usamos 3 frecuencias, con un ancho de banda de 500MHz.

Fig. 8 – Parámetros S y círculos de estabilidad del transistor (S11 S21 S12 S22 Círculo se estabilidad de entrada Círculo de estabilidad de salida)

y podemos ver los parámetros S, así como los círculos de estabilidad, tanto en el diagrama polar convencional como en la carta tridimensional. Como se puede observar, en el diagrama polar convencional los círculos se salen de la carta.

Para que un amplificador sea incondicionalmente estable, los círculos de estabilidad deberían estar situados en la zona externa de impedancia pasiva de la carta (en la carta tridimensional, en el hemisferio sur, que es la región expandida) bajo dos condiciones: si los círculos son externos a la carta pasiva y no la rodean, la zona inestable se encuentra en el interior del círculo. Si rodean a la carta, las cargas inestables se encuentran en el exterior del círculo.

Fig. 9 – Posibles situaciones de los círculos de estabilidad en la región activa

En nuestro caso, al entrar parte de los círculos a la región de impedancias pasivas, el amplificador es condicionalmente estable. Entonces las impedancias que podrían desestabilizar el amplificador son las que se encuentran en el interior de los círculos. Esto es algo que todavía no se puede ver con claridad en la carta tridimensional, no parece que lo calcule y sería interesante de incluir en posteriores versiones, porque facilitaría enormemente el diseño.

Vamos ahora a adaptar la entrada para obtener el mínimo ruido. Para ello hay que diseñar una red de adaptación que partiendo de 50Ω llegue al coeficiente de reflexión Γopt y que representa una impedancia normalizada Zopt=0,86+j⋅1,07. En la carta de Smith tridimensional abrimos el diseño y representamos esta impedancia

Fig. 10 – Representación de Γopt

Ahora usando la admitancia, nos desplazamos en la región de conductancia constante hasta que obtengamos que la parte real de la impedancia sea 1. Esto lo hacemos tanteando y obtenemos una subsceptancia de 0,5,. Como hemos tenido que incrementar 0,5–(-0,57)=1,07, esto equivale a una capacidad a tierra de 1,14pF.

Fig. 11 – Transformación hasta el círculo de impedancia con parte real unidad.

Ahora sólo queda colocar un componente que anule la parte imaginaria de la impedancia (reactancia), a resistencia constante. Como la reactancia obtenida es -1,09, hay que añadir 1,09, por lo que el valor de reactancia se anula. Esto equivale a una inducción serie de 2,9nH.

Fig. 12 – Impedancia de generador adaptada a Γopt

Ya tenemos la red de adaptación de entrada que nos consigue la mínima figura de ruido. Como el dispositivo es activo, al colocar esta red de adaptación nos cambian los parámetros S del transistor. Los nuevos parámetros son:

S11=0,54/-177   S21=8,3/61,1   S12=0,04/-3,9  S22=0,72/-48,6

que representamos en la carta de Smith para ver sus círculos de estabilidad.

Fig. 13 – Transistor con entrada adaptada a Γopt y sus círculos de estabilidad

Las regiones inestables son las internas, por lo que el amplificador sigue siendo estable.

Ahora hay que adaptar la salida para obtener la máxima ganancia, por lo que hay que cargar a S22=0,72/-48,6 un coeficiente de reflexión ΓL adaptación conjugada, pasando de 50Ω a un coeficiente de reflexión ΓL=0,72/48,6. Esta operación se realiza del mismo modo que operamos en la adaptación de la entrada. Haciendo esta operación y obteniendo los parámetros S del conjunto completo, con redes de adaptación en entrada y salida, obtenemos

S11=0,83/145   S21=12/-7.5   S12=0,06/-72,5  S22=0,005/162

La ganancia es 20·log(S21)=21,6dB, y la figura de ruido obtenida es 0,62dB, que corresponde a su NFmin. Ahora sólo queda representar en la carta de Smith tridimensional estos parámetros para observar sus círculos de estabilidad.

Fig. 14 – Amplificador de bajo ruido y sus círculos de estabilidad

En este caso, la región estable del círculo de estabilidad de entrada es la interior, mientras que en el círculo de estabilidad de salida es la exterior. Como ambos coeficientes de reflexión, S11 y S22 se encuentran en la región estable, el amplificador es entonces estable.

CONCLUSIONES

En esta entrada hemos tenido la primera toma de contacto con la Carta de Smith tridimensional. El objetivo de la entrada era estudiar su potencial respecto a una herramienta ya tradicional en la ingeniería de Microondas como es la Carta de Smith tradicional. Se observan novedosas ventajas sobre ésta en cuanto a que podemos representar los valores infinitos de la transformada de Möbius sobre una esfera de Riemann y de este modo tener una herramienta gráfica tridimensional donde se pueden representar prácticamente todas las impedancias, tanto pasivas como activas, y parámetros difíciles de representar en la carta tradicional como los círculos de estabilidad.

En su versión 1 la herramienta, que se puede encontrar en la página web 3D Smith Chart / A New Vision in Microwave Analysis and Design, presenta bastantes opciones de diseño y configuración, aunque se echa de menos algunas aplicaciones que, sin duda, irán incorporándose en futuras versiones. En este caso, una de las aplicaciones más ventajosas para la carta, al haber estudiado los círculos de estabilidad de un amplificador, es la ubicación de las regiones de estabilidad de forma gráfica. Aunque esto lo podemos resolver por cálculo, siempre es más ventajosa la imagen visual.

La aplicación tiene un manual de usuario con ejemplos explicados de forma sencilla, de modo que el diseñador se familiarice enseguida con ella. En mi opinión profesional, es una herramienta idónea para los que estamos acostumbrados a usar la carta de Smith para realizar nuestros cálculos de redes de adaptación.

REFERENCIAS

  1. Müller, Andrei; Dascalu, Dan C; Soto, Pablo; Boria, Vicente E.; ” The 3D Smith Chart and Its Practical Applications”; Microwave Journal, vol. 5, no. 7, pp. 64–74, Jul. 2012
  2. Zelley, Chris; “A spherical representation of the Smith Chart”; IEEE Microwave, vol. 8, pp. 60–66, July 2007
  3. Grebennikov, Andrei; Kumar, Narendra; Yarman, Binboga S.; “Broadband RF and Microwave Amplifiers”; Boca Raton: CRC Press, 2016; ISBN 978-1-1388-0020-5
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Ajustando filtros mediante el método de Dishal

filtroEn Telecomunicaciones es usual tener que usar filtros para poder eliminar frecuencias indeseadas. Estos filtros suelen ser de bandas muy estrechas y se suelen utilizar técnicas de líneas acopladas, por lo que en la mayor parte de los diseños se debe recurrir a la simulación electromagnética para verificar el diseño. La simulación electromagnética, aunque es una potente herramienta, suele ser lenta si se desea optimizar mediante algoritmos convencionales. Aunque estos algoritmos están incluidos en la mayor parte de los simuladores electromagnéticos, ya sea en 2D o en 3D, si la respuesta del filtro está muy alejada de la deseada, la optimización suele ser muy lenta, por lo que se requieren otros métodos que permitan ajustar previamente antes de realizar una optimización final. Uno de los métodos es el de Dishal, en el que se puede sintonizar un filtro de varias secciones a base de sintonizar cada una de ellas. En esta entrada, sintonizaremos un filtro microstrip de tipo HAIRPIN, de resonadores λ/2 acoplados, usando un simulador electromagnético como HPMomentum.

Los filtros son los dispositivos más comunes que se usan en Telecomunicaciones. Eliminan las frecuencias interferentes y el ruido, pudiendo procesar la señal recibida o transmitida de una forma más eficiente. Tienen bastante literatura para su diseño, y existen muchas combinaciones para obtener su respuesta. Sin embargo, es uno de los dispositivos en los que es más difícil obtener un óptimo resultado. Su sintonía física requiere habilidad y entrenamiento, y su sintonía en simulación paciencia y tiempo. Sin embargo, existen técnicas que permiten la optimización de un filtro a base de usar metodologías de ajuste que permita acercarse a los parámetros ideales del filtros. Una de metodología que permite sintonizar un filtro de forma sencilla es el método de Dishal y es el que vamos a usar para sintonizar un filtro paso banda HAIRPIN para la banda de subida de LTE-UHF.

Esta metodología permite realizar el ajuste de un filtro paso banda acoplado sintonizando tanto de los factores de calidad Qi y Qo que necesita el filtro para ser cargado, como de los factores de acoplamiento Mi,i+1 que acoplarán las diferentes etapas, de forma independiente. Estos parámetros son calculados a través de los parámetros del filtro prototipo, que se pueden obtener ya sea a través de las tablas presentes en cualquier libro de diseño de filtros como en programas de cálculo como MatLab. Las expresiones para calcular los parámetros fundamentales de un filtro paso banda acoplado son

formulas

donde fh y fl son las frecuencias de corte de la banda pasante, f0 es la frecuencia central y FBW el ancho de banda fraccional. Los valores g0..gn son los coeficientes del filtro prototipo normalizado. Con estos valores obtendremos los parámetros de acoplamiento de nuestro filtro.

FILTRO PASO BANDA HAIRPIN DE 5 SECCIONES

Vamos a desarrollar un filtro paso banda en tecnología microstrip, usando una configuración HAIRPIN de resonadores λ/2 acoplados. En este filtro, la línea resonante es una línea λ/2, que se acopla al siguiente resonador mediante la sección λ/4. O más concretamente, entre un 85 y un 95% de λ/4. Su denominación HAIRPIN es debida a que tiene forma física de peine. Nuestro filtro va a tener las siguientes características fundamentales:

  • Banda pasante : 791÷821MHz (banda de UHF para LTE de subida)
  • Número de secciones: 5
  • Tipo de filtro: Chebychev 1
  • Factor de rizado: 0,1dB
  • Impedancias de generador y carga: 50Ω

Con estos valores acudimos a las tablas para obtener los coeficientes g0..g6 del filtro prototipo y aplicando las expresiones anteriores obtenemos que

  • Qi=Qo=30,81
  • M12=M45=0,0297
  • M23=M34=0,0226

Con estos coeficientes se pueden calcular las impedancias Zoe y Zoo que definirán las líneas acopladas, así como la posición de los feeds de entrada y salida. En este último caso, esta posición se puede obtener a partir de

feed

Como soporte vamos a usar un substrato Rogers, el RO3006, que tiene una εr=6,15, usando un espesor de 0,76mm y 1oz de cobre (35μm). Con este substrato, el filtro obtenido es:

filter

y con estos valores, pasaremos a la simulación.

SIMULACIÓN DEL FILTRO PASO BANDA

Usando HPMomentum, el simulador electromagnético de ADS, vamos a poder simular la respuesta de este filtro, que se puede ver en la siguiente gráfica

Resultado de la simulación del filtro

Resultado de la simulación del filtro

que, la verdad sea dicha, no se nos parece ni por asomo a lo que pretendíamos realizar. El filtro está cerca de la frecuencia f0, tiene un ancho de banda de 30MHz, pero ni está centrado ni el rizado es, ni de lejos, 0,1dB. Por tanto, habrá que recurrir a una sintonía usando el método de Dishal y así llevar el filtro a la frecuencia deseada, con el acoplamiento deseado.

Buscando la posición del alimentador

Buscando la posición del alimentador

AJUSTANDO EL Q EXTERNO

En primer lugar vamos a ajustar los factores de calidad de los resonadores de generador y de carga, que tienen que ser de 30,81. Como ambos son iguales, la sintonía obtenida servirá para los dos. Para ajustar los Qi y Qo, tendremos que buscar la posición adecuada de la alimentación para que el valor sea el deseado.

Para calcular el Qext, se evalúa el coeficiente de reflexión del resonador y se obtiene su retardo de grupo. El factor de calidad será

qext Cuando hacemos la primera simulación y representamos Qext, obtenemos

qext2

donde se puede comprobar que ni el filtro está centrado ni su factor de calidad es el deseado. Para centrar el filtro, aumentamos la distancia entre las líneas en 1,1mm y recortamos las líneas resonantes en 0,34mm. De este modo, obtenemos

qext2_2

en el que ya están centradas las líneas, siendo el Qext de 37,28. Ahora aumentamos la distancia del feed al extremo de la pista en 0,54mm y obtenemos el Qext deseado.

qext2_3

Ya tenemos centrado el filtro y con el Qext requerido. Ahora tocaría ajustar los acoplamientos.

AJUSTE DE LOS ACOPLAMIENTOS

Para ajustar los acoplamientos, primero separamos el feed unos 0,2mm de la línea, y hacemos un espejo de la misma para que quede como sigue

coup_1

En este caso, para medir el acoplamiento usamos los picos que salen en la transmisión (S21), y aplicamos la expresión

coup_2

El resultado de la simulación, para el primer acoplo, es

coup_3

que como podemos comprobar está en el valor requerido.

En el caso del segundo acoplo

coup_4

que también está cerca de su valor requerido. Por tanto, con los cambios obtenidos, simulamos el filtro total y obtenemos

Filtro después de la primera sintonía

Filtro después de la primera sintonía

que ya se acerca al filtro deseado.

REITERANDO LA SINTONÍA

Si reiteramos sobre la sintonía, podremos llegar a mejorar el filtro hasta los valores que deseemos. Así, disminuyendo el Qext obtenemos

Disminución del Qext

Disminución del Qext

que supone ya una mejora importante. Jugando ahora con los acoplamientos, disminuyéndolos, llegamos a obtener

filt_3

Ajuste de los acoplamientos

que podemos dar por válido. Por tanto, el método de Dishal nos ha permitido, a partir de los parámetros calculados, ajustar el filtro hasta obtener las características deseadas.

CONCLUSIONES

Hemos analizado el método de Dishal como herramienta para el ajuste y sintonización de un filtro paso banda de 5 secciones, con óptimos resultados. La sencillez del método permite ajustar los principales parámetros de forma independiente, de manera que el ajuste final u optimización sean más sencillas, cosa de agradecer en simuladores electromagnéticos, que requieren de potencia de cálculo y tiempo de simulación. Vemos que el método, realizado paso a paso, nos permite ir ajustando las características hasta obtener el resultado deseado, por lo que podemos concluir que es un método muy útil en sintonización de filtros, tanto en discretos como en distribuidos, y que bien usado permite acercarse lo suficientemente al resultado final como para que la optimización electromagnética sea innecesaria.

REFERENCIAS

  1. Zverev, Anatol I., “Handbook of Filter Synthesys”, Hoboken, New Jersey : John Wiley & Sons Inc., 1967. ISBN 978-0-471-74942-4.

Análisis estadísticos usando el método de Monte Carlo (y III)

imagesCon esta entrada cerramos el capítulo dedicado al análisis de Monte Carlo. En las dos entradas anteriores vimos cómo se podía usar éste método para analizar los eventos que pueden ocurrir en un dispositivo electrónico, sino también lo que sucede cuando tenemos variables correladas y cuando sometemos al circuito a un ajuste posproducción. Estos análisis son estimables, puesto que nos permiten conocer previamente el funcionamiento de nuestro circuito y tomar decisiones acerca del diseño, elegir las topologías y componentes adecuados y realizar un primer diseño en el que se optimice al máximo el comportamiento del nuestro circuito. En esta entrada vamos a ver un ejemplo, incluyendo un factor que suele ser importante y que tampoco se suele tener en cuenta en las simulaciones, y que es el análisis térmico. En este caso, utilizaremos un amplificador de potencia diseñado para trabajar en conmutación, que alimenta a una carga. El objetivo es encontrar el componente más sensible en el amplificador y poder elegir la topología o componente adecuados para que el circuito siga funcionando en todas las condiciones definidas.

Hemos visto lo útil que puede llegar a ser el análisis de Monte Carlo para elegir topologías y componentes, e incluso para definir el ajuste que tenemos que hacer en el caso de que se produzca defectivo durante un proceso de fabricación. Este análisis reduce el tiempo de desarrollo físico, porque proporciona de antemano una información importante de cómo se va a comportar nuestro diseño, antes de montarlo y evaluarlo. No obstante, hay que llegar más allá, rizando el rizo, y añadiendo el comportamiento térmico.

Los dispositivos electrónicos están no sólo sometidos a variaciones de valores nominales, debidas a su estructura física, sino que también presentan variaciones térmicas en función de la temperatura a la que estén sometidos en su funcionamiento. Los dispositivos que más suelen sufrir estas variaciones térmicas suelen ser aquellos que disipan elevadas cantidades de potencia, como las fuentes de alimentación, los microprocesadores y los amplificadores. Las variaciones térmicas desgastan el componente y comprometen su vida útil, reduciendo su vida media cuando trabajan al límite. Si hacemos estos análisis previamente, podemos marcar las pautas para lograr el mejor funcionamiento posible y obtener un diseño que garantice una vida media suficiente.

Estudio sobre un amplificador de potencia

A continuación vamos a estudiar el efecto producido sobre un amplificador de potencia en clase E, como el de la figura.

Amplificador clase E con MOSFET

Amplificador clase E con MOSFET

Este amplificador proporciona a una carga de 6+j⋅40Ω, a 1,5MHz, una potencia de AC de 23W, con una eficiencia del 88% sobre la potencia DC entregada por la fuente de alimentación. El MOSFET, que es el elemento que más se calienta cuando está disipando la potencia de conmutación, que es del orden de 2,5W, es el elemento más crítico del sistema, ya que hay que garantizar una extracción del calor que haga que su unión no se rompa por superar la temperatura de unión. El valor máximo que puede alcanzar dicha temperatura es 175ºC, pero se establece una temperatura de seguridad de 150ºC. Por tanto, el diseño realizado debe de ser capaz de soportar cualquier variación de potencia AC que pueda superar la temperatura máxima, no sólo en condiciones normales (a temperatura ambiente de 25ºC), sino incluyendo las variaciones que se puedan producir en el consumo del dispositivo activo debido a las tolerancias de los componentes.

En este circuito, los componentes más críticos, aparte de la dispersión que presenta el propio MOSFET, son los componentes pasivos. Estos componentes forman parte de la red de adaptación, que transmite la máxima energía desde la alimentación a la carga y provocan una variación en la respuesta del drenador que influye en su consumo. Siendo potencias considerables, con valores superiores a 10W, la variación de carga provocará variaciones importantes en la potencia disipada en el MOSFET y su estudio nos mostrará las necesidades para la extracción del calor generado en el MOSFET por efecto Joule.

Análisis estadístico en condiciones normales

Lo primero que tenemos es que analizar el circuito en condiciones normales de laboratorio (25ºC, 760mmHg, 50-70% de humedad relativa) y ver las variaciones que presenta, sólo por tolerancias. Consideramos tolerancias gaussianas de ±5% en valores límite, y analizamos exclusivamente las tolerancias en estas condiciones, para un 500 eventos. De esta manera podemos ver cómo afectan los componentes a la respuesta del circuito a través de la siguiente gráfica

Potencia

Potencia de DC y potencia en la carga, frente a número de eventos

El histograma azul representa la potencia de DC suministrada por la carga, cuyo valor central máximo es de 26,4W, mientras que el histograma rojo es la potencia transferida a la carga, cuyo valor central máximo es de 23,2W. Esto representa un 87,9% de eficiencia en la entrega de potencia. La desviación estándar de la potencia de carga es ±1,6%, lo que significa una tolerancia de ±6,5% en los valores límite. Bajo estas condiciones, podemos representar la potencia disipada del MOSFET, que se puede ver en la siguiente gráfica

Potencia disipada en el MOSFET vs. número de eventos

Potencia disipada en el MOSFET, frente al número de eventos

donde obtenemos una potencia media de 2,9W y una desviación estándar de 1,2W. Esto significa que la potencia máxima puede llegar a ser del orden de 7,8W.

Si calculamos con estos valores la diferencia entre la temperatura de la unión y la ambiente, teniendo en cuenta que las resistencias térmicas Rth-JC=1,7K/W y Rth-CH=0,7K/W, y usando un disipador con una resistencia térmica en condiciones de ventilación no forzada de Rth-HA=10K/W, se puede obtener, para una Tamb=25ºC

temp

Por tanto, a 25ºC, con una refrigeración no forzada, la temperatura de la unión está a 118,95ºC en el valor límite de potencia consumida por el MOSFET, proporcionándonos un margen suficiente sobre los 150ºC máximos a los que la unión se rompe.

Análisis estadístico para tres temperaturas

El análisis anterior nos garantiza un correcto funcionamiento en condiciones normales, pero, ¿qué ocurre cuando subimos o bajamos la temperatura? Vamos a analizar bajo tres condiciones de temperatura: 0ºC, 25ºC y 50ºC, y para representarlo usaremos un histograma multidimensional, en el que agruparemos todos los eventos sin discernir temperaturas. De este modo obtenemos

Potencia de DC y potencia en la carga, frente a número de eventos y temperatura

Potencia de DC y potencia en la carga, frente a número de eventos y temperatura

donde la potencia media entregada a la carga, en todas las condiciones, es 22,6W, para todas las condiciones térmicas, y la eficiencia media es del 86,6%, cubriendo el rango de temperaturas entre 0ºC y 50ºC.

Analizando ahora la potencia disipada por el MOSFET, en las mismas condiciones

temp_mos_power

Potencia disipada en el MOSFET, frente al número de eventos y la temperatura

donde calculando el valor medio, se obtiene 2,9W, con un máximo de 7,8W. Estos valores, similares al calculado anteriormente, muestran que la máxima temperatura de la unión va a ser 143,95ºC, a 7ºC de la temperatura máxima de seguridad de 150ºC, y por tanto a 32ºC de la temperatura máxima de la unión.

Por tanto, podemos concluir del análisis que el circuito diseñado, bajo las condiciones de temperatura ambiente de 0ºC a 50ºC, y siempre con un disipador con una resistencia térmica en ventilación no forzada de Rth-HA=10K/W, presentará un funcionamiento óptimo para el rango de potencia de carga.

CONCLUSIÓN

Con esta entrada finalizamos el capítulo dedicado al análisis usando el método de Monte Carlo. Con los análisis realizados, hemos cubierto la optimización de características a través de diferentes topologías, el ajuste posproducción en un proceso de montaje industrial y el análisis térmico para comprobar los límites de seguridad en los que trabaja un circuito de potencia. No obstante, el método proporciona muchas más posibilidades que se pueden explorar a partir de estos sencillos experimentos.

REFERENCIAS

  1. Castillo Ron, Enrique, “Introducción a la Estadística Aplicada”, Santander, NORAY, 1978, ISBN 84-300-0021-6.
  2. Peña Sánchez de Rivera, Daniel, “Fundamentos de Estadística”, Madrid,  Alianza Editorial, 2001, ISBN 84-206-8696-4.
  3. Kroese, Dirk P., y otros, “Why the Monte Carlo method is so important today”, 2014, WIREs Comp Stat, Vol. 6, págs. 386-392, DOI: 10.1002/wics.1314.

Análisis estadísticos usando el método de Monte Carlo (II)

Art02_fig01En la anterior entrada mostramos con una serie de ejemplos simples cómo funciona el método de Monte Carlo para realizar análisis estadísticos. En esta entrada vamos a profundizar un poco más, haciendo un análisis estadístico más profundo sobre un sistema algo más complejo, analizando una serie de variables de salida y estudiando sus resultados desde una serie de ópticas que resultarán bastante útiles. La ventaja que tiene la simulación es que podemos realizar una generación aleatoria de variables, y además, podemos establecer una correlación de esas variables para conseguir distintos efectos al analizar el funcionamiento de un sistema. Así, cualquier sistema no sólo se puede analizar estadísticamente mediante una generación aleatoria de entradas, sino que podemos vincular esa generación aleatoria a análisis de lotes o fallos en la producción, así como su recuperación post-producción.

Los circuitos que vimos en la anterior entrada eran circuitos muy sencillos que permitían ver cómo funciona la asignación de variables aleatorias y el resultado obtenido cuando estas variables aleatorias forman parte de un sistema más complejo. Con este análisis, podíamos comprobar un funcionamiento y hasta proponer correcciones que, por sí solas, limitasen las variaciones estadísticas del sistema final.

En este caso, vamos a estudiar el efecto dispersivo que tienen las tolerancias sobre uno de los circuitos más difíciles de conseguir su funcionamiento de forma estable: el filtro electrónico. Partiremos de un filtro electrónico de tipo paso banda, sintonizado a una determinada frecuencia y con una anchura de banda de paso y rechazo determinadas, y realizaremos varios análisis estadísticos sobre el mismo, para comprobar su respuesta cuando se somete a las tolerancias de los componentes.

DISEÑO DEL FILTRO PASO BANDA

Vamos a plantear el diseño de un filtro paso banda, centrado a una frecuencia de 37,5MHz, con un ancho de banda de 7MHz para unas pérdidas de retorno mayores que 14dB, y un ancho de banda de rechazo de 19MHz, con atenuación mayor de 20dB. Calculando el filtro, se obtienen 3 secciones, con el siguiente esquema

Filtro paso banda de tres secciones

Filtro paso banda de tres secciones

Con los valores de componentes calculados, se buscan valores estándar que puedan hacer la función de transferencia de este filtro, cuya respuesta es

Respuesta en frecuencia del filtro paso banda

Respuesta en frecuencia del filtro paso banda

donde podemos ver que la frecuencia central es 37,5MHz, que las pérdidas de retorno están por debajo de 14dB en ±3,5MHz de la frecuencia central y que el ancho de banda de rechazo es de 18,8MHz, con 8,5MHz a la izquierda de la frecuencia central y 10,3MHz a la derecha de la frecuencia central.

Bien, ya tenemos diseñado nuestro filtro, y ahora vamos a hacer un primer análisis estadístico, considerando que las tolerancias de los condensadores son ±5%, y que las inducciones son ajustables. Además, no vamos a indicar correlación en ninguna variable, pudiendo tomar cada variable un valor aleatorio independiente de la otra.

ANÁLISIS ESTADÍSTICO DEL FILTRO SIN CORRELACIÓN ENTRE VARIABLES

Como vimos en la entrada anterior, cuando tenemos variables aleatorias vamos a tener dispersión en la salida, así que lo óptimo es poner unos límites según los cuales podremos considerar el filtro válido, y a partir de ahí analizar cuál es su respuesta. Para ello se recurre al análisis YIELD, que es un análisis que, usando el algoritmo de Monte Carlo, nos permite comprobar el rendimiento o efectividad de nuestro diseño. Para realizar este análisis hay que incluir las especificaciones según las cuales se puede dar el filtro por válido. Las especificaciones elegidas son unas pérdidas de retorno superiores a 13,5dB entre 35÷40MHz, con una reducción de 2MHz en la anchura de banda, y una atenuación mayor de 20dB por debajo de 29MHz y por encima de 48MHz. Haciendo el análisis estadístico obtenemos

Análisis estadístico del filtro. Variables sin correlación.

Análisis estadístico del filtro. Variables sin correlación.

que, sinceramente, es un desastre: sólo el 60% de los posibles filtros generados por variables con un ±5% de tolerancia podrían considerarse filtros válidos. El resto no serían considerados como válidos en un control de calidad, lo que significaría un 40% de material defectivo que se devolvería al proceso de producción.

De la gráfica se puede ver, además, que son las pérdidas de retorno las principales responsables de que exista tan bajo rendimiento. ¿Qué podemos hacer para mejorar este valor? En este caso, tenemos cuatro variables aleatorias. Sin embargo, dos de ellas son del mismo valor (15pF), que cuando son montadas en un proceso productivo, suelen pertenecer al mismo lote de fabricación. Si estas variables no presentan ninguna correlación, las variables pueden tomar valores completamente dispares. Cuando las variables no presentan correlación, tendremos la siguiente gráfica

Condensadores C1 y C3 sin correlación

Condensadores C1 y C3 sin correlación

Sin embargo, cuando se están montando componentes de un mismo lote de fabricación, las tolerancias que presentan los componentes varían siempre hacia el mismo sitio, por tanto hay correlación entre dichas variables.

ANÁLISIS ESTADÍSTICO DEL FILTRO CON CORRELACIÓN ENTRE VARIABLES

Cuando usamos la correlación entre variables, estamos reduciendo el entorno de variación. En este caso, lo que analizamos no es un proceso totalmente aleatorio, sino lotes de fabricación en los cuales se producen las variaciones. En este caso, hemos establecido la correlación entre las variables C1 y C3, que son del mismo valor nominal y que pertenecen la mismo lote de fabricación, por lo que ahora tendremos

Condensadores C1 y C3 con correlación

Condensadores C1 y C3 con correlación

donde podemos ver que la tendencia a la variación en cada lote es la misma. Estableciendo entonces la correlación entre ambas variables, estudiamos el rendimiento efectivo de nuestro filtro y obtenemos

Análisis estadístico con C1, C2 variables correladas

Análisis estadístico con C1, C2 variables correladas

que parece todavía más desastroso. Pero ¿es así? Tenemos que tener en cuenta que la correlación entre variables nos ha permitido analizar lotes completos de fabricación, mientras que en el análisis anterior no se podía discernir los lotes. Por tanto, lo que aquí hemos obtenido son 26 procesos de fabricación completos exitosos, frente al caso anterior que no permitía discernir nada. Por tanto, esto lo que nos muestra es que de 50 procesos completos de fabricación, obtendríamos que 26 procesos serían exitosos.

Sin embargo, 24 procesos completos tendrían que ser devueltos a la producción con todo el lote. Lo que sigue siendo, realmente, un desastre y el Director de Producción estaría echando humo. Pero vamos a darle una alegría y a justificar lo que ha intentado siempre que no exista: el ajuste post-producción.

ANÁLISIS ESTADÍSTICO CON AJUSTE POST-PRODUCCIÓN

Como ya he dicho, a estas alturas el Director de Producción está pensando en descuartizarte poco a poco, sin embargo, queda un as en la manga, recordando que las inducciones las hemos puesto de modo que sean ajustables. ¿Tendrá esto éxito? Para ello hacemos un nuevo análisis, dando valores variables en un entorno de ±10% sobre los valores nominales, y activamos el proceso de ajuste post-producción en el análisis y ¡voilà! Aun teniendo un defectivo antes del ajuste muy elevado, logramos recuperar el 96% de los filtros dentro de los valores que se habían elegido como válidos

Análisis estadístico con ajuste post-producción

Análisis estadístico con ajuste post-producción

Bueno, hemos ganado que el Director de Producción no nos corte en cachitos, ya que el proceso nos está indicando que podemos recuperar la práctica totalidad de los lotes, eso sí, con el ajuste, por lo que con este análisis podemos mostrar no sólo el defectivo sino la capacidad de recuperación del mismo.

Podemos representar cómo han variado las inducciones (en este caso las correspondientes a las resonancias en serie) para poder analizar cuál es la sensibilidad del circuito frente a las variaciones más críticas. Este análisis permite establecer un patrón de ajuste para reducir el tiempo en el que se debe de tener un filtro exitoso.

Análisis de los patrones de ajuste en las inducciones de las resonancias serie

Análisis de los patrones de ajuste en las inducciones de las resonancias serie

Así, con este tipo de análisis, realizado en el mismo momento del diseño, es posible tomar decisiones que fijen los patrones posteriores de la fabricación de los equipos y sistemas, pudiendo establecer patrones fijos de ajuste post-producción sencillos al conocer de antemano la respuesta estadística del filtro diseñado. Una cosa muy clara que he tenido siempre, es que cuando no he hecho este análisis, el resultado es tan desastroso como muestra la estadística, así que mi recomendación como diseñador es dedicarle tiempo a aprender cómo funciona y hacerle antes de que le digas a Producción que tu diseño está acabado.

CONCLUSIONES

En esta entrada hemos querido mostrar un paso más en las posibilidades del análisis estadístico usando Monte Carlo, avanzando en las posibilidades que muestra el método a la hora de hacer estudios estadísticos. El algoritmo nos proporciona resultados y nos permite fijar condicionantes para realizar diversos análisis y poder optimizar más si se puede cualquier sistema. Hemos acudido hasta a un ajuste post-producción, a fin de calmar la ira de nuestro Director de Producción, que ya estaba echando humo con el defectivo que le estábamos proporcionando. En la siguiente entrada, abundaremos un poco más en el método con otro ejemplo que nos permita ver más posibilidades en el algoritmo.

REFERENCIAS

  1. Castillo Ron, Enrique, “Introducción a la Estadística Aplicada”, Santander, NORAY, 1978, ISBN 84-300-0021-6.
  2. Peña Sánchez de Rivera, Daniel, “Fundamentos de Estadística”, Madrid,  Alianza Editorial, 2001, ISBN 84-206-8696-4.
  3. Kroese, Dirk P., y otros, “Why the Monte Carlo method is so important today”, 2014, WIREs Comp Stat, Vol. 6, págs. 386-392, DOI: 10.1002/wics.1314.

 

¡Feliz cumpleaños, Teoría Electromagnética!

maxwell-finHace 150 años, en 1865, el escocés James C. Maxwell publicó “A Dynamical Theory of the Electrodynamic Field”, una Teoría que marcó un hito en el naciente mundo de la Física Moderna, ya que estableció las bases para la unificación de dos campos que, hasta ese momento, se trataban de forma independiente: el Campo Eléctrico y el Campo Magnético. Con esta unificación, Maxwell puso las bases para comprender el comportamiento de los fenómenos electromagnéticos y su propagación, siendo la base hoy día del funcionamiento de nuestras comunicaciones. Desde esta entrada, queremos dar a conocer estas ecuaciones, su significado y su importancia, y rendir homenaje a uno de los científicos más importantes de los últimos tiempos.

No es una casualidad que este año los Físicos celebremos el Año Internacional de la Luz, puesto que fue hace 150 años cuando un físico escocés publicó las bases para la Teoría Electromagnética, marcando un antes y un después en el conocimiento de los fenómenos eléctricos y magnéticos y logrando la primera unificación en una sola Teoría de dos campos que, hasta ese momento, eran tratados de formas diferentes: el Campo Eléctrico y el Campo Magnético.

Hasta este momento, se conocían ciertas interrelaciones entre ambos fenómenos. Conocíamos, a través de la Electrostática, la Ley de Coulomb y el Teorema de Gauss, que el campo eléctrico era generado por cargas que interaccionaban entre ellas, y a través de la Ley de Biot-Savart y la Ley de Ampère, que los campos magnéticos eran generados por corrientes (cargas en movimiento) y que generaban interacciones entre ellos, a través de la fuerza de Lorenz. Sin embargo, todas las leyes y axiomas de los campos de los campos Eléctrico y Magnético se trataban como algo independiente, no había una unificación que mostrase de forma contundente las interrelaciones hasta que Maxwell las unificó.

Al principio se trataba de una veintena de ecuaciones integro-diferenciales, aunque en realidad se podían reducir a las ecuaciones actuales, debido a que Maxwell las escribió para cada eje de coordenadas. Usando el operador diferencial diferencial ∇ y las interrelaciones matemáticas entre las integrales y dicho operador, al final las ecuaciones quedaron descritas tal y como se conocen hoy, tanto en su forma integro-diferencial como en su más popular descripción diferencial vectorial.

Ecuaciones de Maxwell y sus leyes

Ecuaciones de Maxwell y sus leyes

Este conjunto de cuatro ecuaciones establecen la unificación de los campos Eléctrico y Magnético en una nueva Teoría que se llama la Teoría Electromagnética, la primera gran unificación de campos realizada en la Física y una de las más bellas descripciones que existen en la disciplina.

No vamos a ir desgranando una a una las ecuaciones, ya que en varias ocasiones lo hemos hecho en otras entradas, pero uno de los detalles más evidentes que se sacan de las ecuaciones, y que las hace interesantes, es su asimetría. Esta asimetría, debida precisamente a la diferencia entre el comportamiento de ambos campos, se hace patente dos a dos: en la Ley de Gauss de ambos campos, y entre la Ley de Faraday y la de Ampère.

Asimetría de la Ley de Gauss

La Ley de Gauss o Teorema de la Divergencia está relacionada con las fuentes y sumideros de las líneas de fuerza del campo, y muestra hacia dónde divergen estas líneas de interacción. En el caso del campo eléctrico, las líneas divergen hacia las cargas, que son las fuentes o sumideros de las líneas de campo. Gráficamente se puede expresar como

350px-LineasCampo

Divergencia de las líneas de capo eléctrico a las cargas

Por tanto, las líneas del campo eléctrico nacen y mueren en las cargas.

En el caso del campo magnético podemos observar que la divergencia es nula, esto es, no hay fuentes o sumideros a los cuales las líneas de campo magnético diverjan. Por tanto, no existen los monopolos magnéticos. El campo magnético rota sobre el origen del mismo, que lo establece la Ley de Ampère y que son las corrientes ocasionadas por cargas en movimiento. Y su expresión más gráfica es

Campo magnético rotando alrededor de una línea de corriente

Campo magnético rotando alrededor de una línea de corriente

Esta asimetría muestra que ambos campos son diferentes en su origen, lo que se muestra muy claramente cuando los campos son estáticos. No obstante, la no dependencia temporal de estas ecuaciones las hace válidas no sólo para los campos estáticos, sino también para los campos dinámicos. Es la otra asimetría, la de las leyes de Faraday y Ampère, la que introduce, además, el dominio temporal.

Asimetría de las Ley de Faraday y Ampère

Las leyes del campo están relacionadas con los campos dinámicos, aquellos que varían de forma temporal. La primera dice que la variación de un flujo magnético con el tiempo genera una fuerza electromotriz, o llanamente, que la variación de un campo magnético genera un campo eléctrico. Es el principio de las dinamos y los generadores eléctricos, en los que, al variar el flujo de un campo magnético mediante medios mecánicos, son capaces de generar un campo eléctrico.

En la Ley de Faraday también está presente la Ley de Lenz, que indica que ese campo eléctrico tiende a oponerse a la variación del campo magnético, y por eso el signo negativo en la expresión.

La segunda, la Ley de Ampère, parte de la ley de la magnetostática, que dice que la circulación de un campo magnético a través de una línea cerrada es proporcional a la corriente que encierra ese contorno. Esta Ley de la Magnetostática fue generalizada por Maxwell al introducir los campos eléctricos variables con el tiempo, mostrando un resultado que, en su forma diferencial, guarda similitud con la Ley de Faraday, salvo que introduce la densidad de corriente para que se mantenga coherente con la Ley de Ampère de la Magnetostática. La conclusión, por tanto, es que los campos eléctricos variables con el tiempo generan campos magnéticos y los campos magnéticos variables con el tiempo, eléctricos.

A pesar de la asimetría de las expresiones, que es la que genera, bajo mi punto de vista, la belleza de la descripción del escocés, de ellas se deduce una de las conclusiones más importantes de la Teoría Electromagnética, y es que los campos electromagnéticos son ondas que se propagan en cualquier medio material dieléctrico, no necesitando de soportes físicos, a diferencia de otros tipos de ondas como las acústicas, que presentan características similares en la formulación de los campos asociados. Esta conclusión es la que nos permite asociar fenómenos como la propagación luz, que presenta una dualidad partícula-onda ya que es un campo electromagnético formado por partículas llamadas fotones. Y al poder propagarse en el vacío, puede transmitir de un lugar a otro la información, que en el caso de la luz, es la visión de un fenómeno que haya ocurrido en el Universo a través de su observación.

Los campos electromagnéticos como ondas que se propagan en el espacio

De resolver las ecuaciones, se puede llegar a las ecuaciones de onda de Helmholz, tanto para el campos eléctrico como para el magnético.

Ecuaciones de onda para el campo eléctrico y magnético

Ecuaciones de onda para el campo eléctrico y magnético

En estas ecuaciones la asimetría que presentan las ecuaciones de Maxwell desaparece, y se pueden resolver como una onda propagándose por un medio material, incluido el vacío, en el que la velocidad de propagación es la velocidad de la luz, c, siendo ésta la máxima velocidad a la que se puede propagar la onda.

Resolviendo esta ecuación de onda, obtendremos la forma en la que se propaga un campo electromagnético en el medio, como una onda compuesta por un campo eléctrico y un campo magnético variables con el tiempo.

El campo electromagnético como onda de propagación

El campo electromagnético como onda de propagación

donde en azul tenemos el campo eléctrico, en rojo el campo magnético y en negro la dirección de propagación de la onda.

Influencia de la Teoría Electromagnética en nuestras vidas

Es evidente que la Teoría Electromagnética de Maxwell ha tenido una influencia notable en nuestras vidas, afectando en muchos aspectos, pero donde más influencia ha tenido es en la comunicación. Los seres humanos necesitamos comunicarnos, y la Teoría Electromagnética de Maxwell nos abre las puertas a un campo en el que las comunicaciones casi no tienen límites. Las comunicaciones modernas no se podrían entender sin esta notable contribución del escocés, y este año no celebraríamos el Año Internacional de la Luz si no hubiese existido todavía esta unificación de campos. Hoy día la Teoría Electromagnética forma parte habitual de nuestras vidas y costumbres, a través de las comunicaciones a larga distancia, ya sean inalámbricas, por cable o por fibra óptica. Recibimos imagen y sonido gracias a ella, así como podemos comunicarnos a larga distancia gracias a la transmisión por radio y enviar datos a cualquier parte del mundo. Es una de las cuatro interacciones de la naturaleza, junto a la gravedad y a las interacciones fuerte y débil del mundo atómico, y por tanto, por ese motivo podemos decir con orgullo ¡Feliz cumpleaños, Ecuaciones de Maxwell!

Referencias

  1. John R. Reitz, Frederick J. Milford, Robert W. Christy, “Foundations of Electromagnetic Theory”, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., Massachusetts (USA), 1979

Influencia de los campos electromagnéticos en la dinámica de los fluidos

la_caza_del_submarino_rusoAunque parezca lo contrario, en esta entrada no vamos a hablar de novelas de espías, pero sí vamos a usar un argumento de la trama de una conocida novela de espionaje para presentar la teoría magnetohidrodinámica. Ésta es una disciplina de la física, que forma parte de la teoría de campos y analiza el movimiento de fluidos con carga eléctrica en presencia de un campo electromagnético y sus posibles aplicaciones. Comprendiendo los principios de la dinámica de fluidos, llegaremos a las ecuaciones que constituyen la base de la teoría, sus conclusiones y su actual utilización.

Los que conozcan la trama de la novela de Tom Clancy “The hunt of Red October”, sabrán que trata sobre la deserción de un submarino soviético de la clase Typhoon, dotado de un sistema de propulsión silencioso y difícilmente detectable por el sonar. En la novela, se le describe como “propulsión magnetohidrodinámica” y consiste en generar flujo de corriente hidráulica a lo largo de la nave usando campos magnéticos. Este flujo permite su desplazamiento sin usar los motores convencionales, aprovechando las características conductivas del agua salada. Este sistema de propulsión silenciosa convertía a la nave en algo letal y peligroso de verdad, puesto que podría acercarse a la costa de los EE.UU. sin ser detectado y lanzar un ataque con cabezas nucleares sin que nadie lo pudiese evitar. Esta es la trama, pero, ¿cuánto hay de cierto en la misma? ¿Existe un método de propulsión o un sistema que provoque el movimiento de un fluido por la presencia de un campo electromagnético? ¿Y a la inversa? ¿Podemos generar un campo electromagnético sólo usando el movimiento de un fluido cargado?

Aunque pueda parecer que, al tratarse de una novela de espías y acostumbrados como estamos a la tendencia de la ficción a crear ciertas bases argumentales, a veces ilusorias, para dotar de cierto dramatismo a la trama, lo cierto es que la teoría magnetohidrodinámica es muy real. Tanto, que el primer efecto destacable de la misma lo podemos comprobar simplemente con la presencia del campo magnético terrestre. Este es fruto del movimiento del núcleo interno de la tierra, compuesto de una capa de hierro líquido (fluido) que envuelve a una gran masa de hierro sólido. Este núcleo , que se mueve acompasado por la rotación de la Tierra, tiene cargas en movimiento que generan una corriente eléctrica, y esa corriente eléctrica genera el campo magnético que protege a la Tierra de los embates de partículas de alta energía que proceden de nuestra estrella, el Sol.

El propio Sol, que es una nube de gas en estado de plasma, tiene poderosos campos magnéticos que determinan el movimiento de las partículas que constituyen el plasma en su interior. Por tanto, la teoría magnetohidrodinámica que usa Clancy en esa trama es muy real. Vamos entonces a desvelar sus bases.

DINÁMICA DE FLUIDOS: LAS ECUACIONES DE NAVIER–STOKES

Un fluido es un medio material continuo formado por moléculas donde sólo hay fuerzas de atracción débil, que se encuentra en uno de estos tres estados de la materia: líquido, gaseoso o plasma. La dinámica de fluidos es la parte de la física que se ocupa del estudio del movimiento de estos medios en cualquiera de estos estados, siendo la masa del fluido la parte que se desplaza de un punto a otro.

Del mismo modo que en campos electromagnéticos definíamos la corriente eléctrica como la variación de la carga con el tiempo, en los fluidos hablaremos de un flujo de corriente ψ que es la variación de la masa M del fluido respecto del tiempo.

Si tomamos una superficie donde hay ni partículas de masa mi que se mueven a una velocidad vi, podemos definir una densidad de flujo de corriente ℑ, que se expresa como

Flujo de corriente debida a partículas de masa m

Flujo de corriente debida a partículas de masa m

Vamos a considerar, como se muestra en la figura, que nuestro fluido es un medio material que tiene todas las partículas de la misma masa, por lo que el producto ni⋅mi se puede extraer del sumatorio, quedando entonces una velocidad v  que es la suma vectorial de todas las velocidades de las partículas del fluido.

La relación entre el flujo de corriente y la densidad de flujo de corriente es una integral a lo largo de una superficie S. Si integramos el flujo de corriente total en una superficie cerrada, por la conservación de la masa, tendremos que es igual  es la variación de la masa con respecto al tiempo, y siendo la densidad la masa por unidad de volumen, podemos escribir que

continuity1

Como este flujo de corriente se opone a la variación de la masa respecto del tiempo, y la masa es la integral de volumen de la densidad del fluido ρMy aplicando el teorema de la divergencia, podemos escribir esta expresión en su forma diferencial

continuity2

que es la ecuación de continuidad de un fluido y que representa la conservación de la masa neta dentro del fluido. Esta es una de las ecuaciones de Navier-Stokes, primordial para comprender el movimiento de las partículas del fluido.

Para la otra ecuación, debemos de recurrir a la derivada sustancial. Esta es una descripción que incluye no sólo la variación con respecto al tiempo de la magnitud física del fluido, sino que además incluye la variación de la misma respecto de la posición. La expresión de la derivada sustancial es

sustancial

donde v es la velocidad del fluido y  el operador diferencial que ya vimos en la entrada sobre radioenlaces. Como el momento lineal del fluido se conserva, cuando interviene la fuerza de la gravedad , actúa además una presión P en sentido contrario al movimiento en el fluido y contraponiéndose a las deformaciones una viscosidad μobtenemos que

Esta es la ecuación del movimiento de un fluido, y es no lineal debido a la derivada sustancial. Por tanto, en un fluido intervienen no sólo las fuerzas aplicadas en el fluido, sino también la presión de éste y su viscosidad. Si el fluido no presentase viscosidad, y aplicando la derivada sustancial  a la ecuación anterior, podemos obtener un caso particular

noviscoso

que nos define la ecuación del movimiento de un fluido no viscoso.

DINÁMICA DE FLUIDOS: MAGNETOHIDRODINÁMICA

Si el fluido presenta partículas cargadas y aplicamos un campo electromagnético, con componentes E y B, la fuerza que interviene en este caso no es la gravedad, sino la fuerza de Lorenz que aplica el campo magnético

florenz

donde J es la densidad de corriente eléctrica en el fluido y B el campo magnético aplicado. En la expresión desarrollada, obtenida a partir del desarrollo de la Ley de Ampere y una de las identidades del operador diferencial , obtenemos dos términos. El primero es una fuerza de tensión magnética mientras que el segundo término se asemeja a una presión magnética producida por la densidad de energía magnética del campo. Sustituyendo F en la expresión obtenida en el apartado anterior y considerando un fluido no viscoso, tendremos que

movimiento2

Teniendo en cuenta que, según las ecuaciones de Maxwell, la divergencia del campo magnético es nula, si consideramos un campo magnético unidireccional, las variaciones espaciales de la divergencia son perpendiculares al campo, por lo que la fuerza de tensión magnética se anula y la expresión anterior queda

movimiento3

Si el fluido está en estado de plasma, tenemos que la Ley de Ohm se puede escribir como

ohm

debido a que en este estado la conductividad tiende a ser infinita y para mantener el flujo de corriente, la fuerza aplicada debe ser lo más baja posile. De este modo, la Ley de Faraday queda como

faraday

CONCLUSIONES DE LAS ECUACIONES

Como hemos podido comprobar, la magnetohidrodinámica es, en realidad, una consecuencia de aplicar campos electromagnéticos a fluidos que poseen carga eléctrica, y en esto se basaba Clancy para “propulsar” su Octubre Rojo. No obstante, los intentos de generar un propulsor naval de estas características se han quedado en prototipos construidos en los años 60 puesto que las inducciones magnéticas que requerían eran elevadas (del orden de más de 5 Tesla) en compartimientos muy voluminosos (centenares de m3). Por tanto, el submarino de la clase Typhoon cumplía con las exigencias de proporcionar el debido dramatismo a la novela, sin despreciar por ello la base científica en la que se basaba, debido al tamaño de este tipo de naves, considerados por los EE.UU. como colosos de las profundidades debido al desplazamiento de toneladas que eran capaces de propulsar.

No quiere decir que la aplicación de la magnetohidrodinámica esté actualmente aparcada. Debido a ella, los astrofísicos han logrado generar modelos basados en estas ecuaciones para determinar las trayectorias de las partículas en el Sol y predecir erupciones solares. Y los geofísicos, comprender mejor la estructura de los núcleos de los planetas.

Además, estas técnicas son utilizadas desde hace años también en metalurgia: a medida que calentamos un metal transformándolo en un fluido, incrementamos notablemente su conductividad, de modo que se puede aplicar la Ley de Ohm para los plasmas. Esto evita, en los procesos de fundición y generación de aleaciones, que el metal entre en contacto con el crisol y adquiera escoria, mejorando notablemente la calidad de la aleación. Es el principio de los altos hornos eléctricos, que vinieron a sustituir a los antiguos que usaban carbón.

También se han encontrado aplicaciones para generar energía eléctrica a partir del movimiento de un gas en presencia de un ampo magnético, así como el confinamiento del estado de plasma para los reactores de energía nuclear de fusión. Por no hablar de los experimentos realizados en el LCH, en Suiza. No obstante, se sigue teniendo el problema de la gran inducción magnética generada y el volumen necesario para mantener los plasmas.

Sin embargo, es una pequeña parte de todo lo que se podría llegar a conseguir con mejor tecnología. A medida que se desarrolle ésta, la magnetohidrodinámica proporcionará mejores aplicaciones.

References

  1. J. R. Reitz, F. J. Milford, R. W. Christy, “Foundations of the Electromagnetic Theory”; Addison-Wesley Publishing Company, Inc, Massachusetts (U.S.A.), 1979
  2. H. Alfvén, “Existence of electromagnetic-hydrodynamic waves“. Nature 150: 405-406, 1942

 

 

Estudio del comportamiento de un material piezoeléctrico (II)

En la entrada anterior habíamos estudiado el fenómeno piezoeléctrico a partir de las ecuaciones constitutivas que relacionan los campos eléctricos y mecánicos generados en el material. Los materiales piezoeléctricos se utilizan, gracias a este comportamiento, como componentes electrónicos con muy alta calidad. Su uso en filtros SAW, en resonadores BAW, en cristales de Cuarzo, para zumbadores e incluso como cargadores en Energy Harvesting hacen necesario, cada vez más, tener un modelo de circuito equivalente que defina correctamente el componente y su respuesta electroacústica. En esta entrada vamos a presentar un modelo, extraído en los años 40-50 por W.P. Mason y que sintetiza con bastante precisión los fenómenos electroacústicos tanto en su modelo lineal como no lineal.

MODELO DE MASON: EXTRACCIÓN

piezoelectrico

Esquema de un piezoeléctrico

Hemos dicho que un piezoeléctrico es un material electromecánico en el que aparecen fuerzas mecánicas cuando se le aplican fuerzas eléctricas y, recíprocamente, eléctricas cuando se aplican fuerzas mecánicas. La figura muestra un esquema dimensional de un material piezoeléctrico.

En el piezoeléctrico aplicamos un potencial eléctrico E⋅δz, y en ambas superficies del piezoeléctrico aparecen sendas tensiones T1 y T2, en cada una de las superficies del material. Aparecen también las velocidades de desplazamiento v1 y v2, que están relacionadas con el desplazamiento u a través de

velci

Por último, aparece una corriente eléctrica I en los electrodos del potencial eléctrico. Por último, las magnitudes de A y d son la superficie en m2 y el espesor del dieléctrico en m.

En la entrada anterior estudiamos el comportamiento piezoeléctrico a partir de sus ecuaciones constitutivas. Recordando entonces cómo se escribían estas ecuaciones, teníamos

consti

Se tiene que cumplir, además, la conservación de la energía a través de la ecuación de Lipmann

condi_campo

Combinando adecuadamente estas ecuaciones, habíamos obtenido una ecuación de onda definida por

onda2que corresponde a una onda de propagación.

Utilizando la expresión que liga v con la variación temporal de u, podemos escribir la 2ª Ley de Newton como

second_newton

Recordando, además, que la deformación S derivaba del gradiente de u, calculamos la variación de S con respecto al tiempo y obtenemos su relación con el gradiente de v. Expresándolo para un sistema unidimensional en el eje z, obtenemos

deforma_time

y despejando S de las ecuaciones constitutivas, obtenemos

segunda

Escalamos ahora las ecuaciones, multiplicando por A  los términos de ambas ecuaciones, y agrupándolas, obtenemos

telegraph

Si comparamos este resultado con las ecuaciones del Telegrafista que define una línea de transmisión para las ondas electromagnéticas, podemos comprobar que son similares. La primera relaciona la variación espacial de la tensión -A·T con la variación temporal de la corriente A·v, y correspondería a una inducción por unidad de longitud similar a la de un elemento diferencial de una línea de transmisión.

En la segunda ecuación, que relaciona la variación espacial de la corriente A·v, con respecto a una variación temporal de una tensión, representa una capacidad por unidad de longitud similar a la de la línea de transmisión. Sin embargo, en el segundo término de la ecuación, tenemos una dependencia con la tensión -A·T, que sería una línea de transmisión convencional, y otra dependencia con el desplazamiento eléctrico D. Esa dependencia se representa mediante una línea de transmisión flotante como la que se muestra en la figura siguiente.

linea_t

Modelo acústico del piezoeléctrico, en línea de transmisión, a partir de las ecuaciones del Telegrafista

De este modo ya tenemos asemejada la parte acústica a una línea de transmisión definida por los campos que actúan en las ecuaciones constitutivas.

Sin embargo, esta línea no está del todo completa, ya que hay que incluir el efecto de los electrodos, aislando los campos acústicos de los campos eléctricos. El término que relaciona la variación espacial de A·v con el desplazamiento D puede ser acoplado a través de un transformador ideal N:1, como se muestra en la figura

Acoplamiento de la parte acústica y la eléctrica mediante un transformador N:1

Acoplamiento de la parte acústica y la eléctrica mediante un transformador N:1

y la relación de N se puede calcular por

trafo_ratio

Vamos ahora a estudiar la corriente I. Esta corriente se produce cuando se aplica una tensión E⋅δz en los electrodos del piezoeléctrico. Al aplicar esa tensión, generamos una polarización P, debido al carácter dieléctrico del material. Del mismo modo, sabemos que la corriente I es una variación de la carga Q, y que sólo se producía variación de la carga superficial σ del piezoeléctrico, y que ésta es debida a la polarización P, no variando la carga volumétrica, por lo que

current_in

y como a la polarización P se opone el desplazamiento eléctrico D para mantener el campo electrico E, obtenemos que

current_desplaza

Estudiamos ahora el potencial E⋅δz aplicado en los electrodos. Usando las ecuaciones constitutivas, obtenemos que el potencial es

in_pote

Derivando esta expresión con respecto al tiempo, obtenemos

in_pote3

Estudiemos ahora los términos en δV1 y  δV2. En el término en δV1 podemos obtener la expresión

current_cap

y es la corriente que fluye a través de un condensador de valor CO , en paralelo con la tensión aplicada. Mientras, el término en δV2 se puede relacionar con la corriente que circula en la parte acústica a través de transformador, siendo Iprim la corriente que circula por el devanado primario del transformador. Usando las relaciones del transformador, podemos encontrar la relación de dicha corriente con esta tensión a través de

current_prim

Tenemos que hacer la consideración de que el peso de la tensión δV1>>δV2 , ya que al calcular la relación de transformación en el transformador hemos supuesto que es E⋅δz=δV, por lo que δV1δVδV20. De este modo, la corriente del primario es una corriente que circula a través de una capacidad negativa de valor CO.

Usando estos parámetros, deducidos de las ecuaciones constitutivas, es posible hacer un modelo completo del circuito equivalente de un piezoeléctrico, que se puede ver en la figura siguiente

mason_model

Circuito equivalente de Mason de un piezoeléctrico

CONDICIONES DE CONTORNO

Cualquier medio material está dentro de otros medios materiales (aire, agua, substratos semiconductores, metales, etc), y todos los medios materiales propagan ondas acústicas. Por tanto, así como en electromagnetismo definimos una impedancia de carga eléctrica sobre la que se transfiere la energía entregada desde el generador eléctrico, podemos definir una resistencia de carga acústica, que es donde se transfiere la energía acústica de la deformación. Esta resistencia de carga acústica está relacionada con la impedancia acústica del medio, y se transforma en una resistencia eléctrica a través de la expresión

acustic_resis

Por ejemplo, el aire tiene una impedancia acústica de 471 Rayls, así que para un piezoeléctrico AlN, con una superficie de 10.000μm2, si ambas superficies estuviesen en contacto con el aire, las impedancias de carga a conectar en los puertos A·T1 y A·T2 serían iguales y valdrían 4,71μΩ, lo que vendría a ser como colocar un cortocircuito en ambos puertos.

En el caso de que uno de los medios fuese aire y el otro, silicio, el silicio tiene una impedancia acústica de 8,35·105 Rayls, en el puerto del silicio habría que poner 8,35mΩ.

Hay que notar que, aunque la impedancia obtenida sea baja. no es estrictamente un cortocircuito. De hecho, al aire, que es el que más baja impedancia presenta, es al que consideramos un cortocircuito, mientras que el resto de materiales presentan impedancias acústicas más elevadas.

También es posible que tengamos un material compuesto de varios espesores de materiales, siendo uno de ellos piezoeléctrico, mientras que los demás son conductores o aislantes. Cuando esto ocurre, cada material puede ser representado por una línea de transmisión de igual modo que el piezoeléctrico. Por ejemplo, si el piezoeléctrico está encapsulado entre dos materiales diferentes, como el wolframio (W) y el molibdeno (Mo), y el wolframio está en contacto con el aire y el molibdeno con silicio, habría que añadir sendas líneas de transmisión entre las cargas y el piezoeléctrico, como se muestra en la figura siguiente

piezo_total

 

NO LINEALIDAD EN LOS MATERIALES: EL MODELO NO LINEAL DE MASON

En las condiciones de trabajo habituales de los piezoeléctricos, el funcionamiento debe de ser lineal. Sin embargo, los materiales presentan limitaciones que hay que tener en cuenta a la hora de trabajar con tensiones elevadas. Estas no linealidades introducen frecuencias espurias que reducen la calidad de la señal. Si estamos usando estos materiales en filtros de recepción, las no linealidades pueden representar un problema cuando una señal interferente de valor elevado atraviesa el material.

El piezoeléctrico es un resonador de muy alto factor de calidad. Traducido a parámetros discretos, se comporta como el circuito de la figura

Resonador equivalente de un piezoeléctrico

Resonador equivalente de un piezoeléctrico

La impedancia del resonador se puede representar en función de la frecuencia, obteniendo una gráfica similar a

impedancia

Impedancia del resonador en función de la frecuencia

El modelo, para bajos potenciales eléctricos, responderá correctamente de forma lineal. Sin embargo, a medida que aumentamos el valor del potencial eléctrico aplicado, empiezan a aparecer condiciones no lineales que limitarán su uso. Estas condiciones no lineales afectan, sobre todo, a las distorsiones de 2º y 3er orden, que son las que pueden afectar en mayor medida sobre la señal útil.

Una forma muy efectiva de simular no linealidades en circuitos eléctricos es el uso de las series de Volterra, una variante de los polinomios de Taylor en el que la respuesta depende en todo momento de los valores de los parámetros de entrada, incluyendo efectos de “memoria”, mediante acumulación de energía, de las capacidades e inducciones.

Como en las series de Taylor, las series de Volterra pueden ser truncadas en aquellos ordenes que sean superiores al que se considera dominante, por lo que nuestro modelo, considerando dominantes sobre todo el 2º y 3er orden de distorsión, puede truncarse a partir del 4º orden .

La distorsión afectará tanto al campo eléctrico como a la tensión mecánica. Las ecuaciones constitutivas, incluyendo estos efectos no lineales, quedarán descritas como

constitu_nolineal

siendo ΔT un polinomio de 3er orden que se expresa mediante la suma de 2 términos ΔT2T3, donde el subíndice indica que el polinomio es de 2º o de 3er orden. El caso de ΔD es similar.

Los polinomios que ΔT2, ΔT3, ΔD2 yΔD3 se muestran a continuación:

polinom

y además, se sigue teniendo que cumplir la ecuación de Lipmann para la conservación de la energía.

Las series que definen el modelo no lineal se pueden introducir en el modelo lineal de Mason a través de fuentes de tensión dependientes, tanto en la zona eléctrica como en la zona acústica. A dichas fuentes las denominamos VC y TC y están situadas, dentro del modelo, en la entrada eléctrica (caso de VC) y en línea común de la corriente de secundario (caso de  TC), tal y como se muestra en la figura.

Modelo de Mason con las fuentes no lineales

Modelo de Mason con las fuentes no lineales

Estas fuentes se derivan de las ecuaciones constitutivas del mismo modo que hemos derivado el modelo lineal, y se obtienen sus expresiones, que son

ecuaciones_nolin

Con estas expresiones en el modelo de Mason, tenemos un modelo equivalente no lineal de un material piezoeléctrico, que incluye los efectos de 2º y 3er orden de distorsión, y podemos estudiar el comportamiento de un componente fabricado con este tipo de materiales en presencia de señales interferentes.

CONCLUSIÓN

En esta entrada hemos querido presentar un modelo eléctrico útil para representar un material piezoeléctrico, extraído a partir de las ecuaciones constitutivas. Esto nos ha permitido llegar al modelo que W.P. Mason obtuvo en los años 40, y entender cómo realizó la extracción de los parámetros del modelo.

No sólo hemos obtenido el modelo de Mason, sino que hemos parametrizado un modelo que pueda representar las variaciones no lineales a partir de las series de Volterra, que nos permitirán realizar un modelo no lineal que incluya los efectos de 2º y 3er orden de distorsión, y poder predecir la respuesta de un dispositivo de estas características en condiciones de señales interferentes.

En la próxima entrada vamos a proceder a estudiar el modelo en un simulador, mostrando cómo se realiza un modelo equivalente del piezoeléctrico incluyendo los parámetros no lineales, describiremos un método de medida para extraer los parámetros no lineales y mostraremos los resultados obtenidos mediante simulación.

REFERENCIAS

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