Esta guía forma parte del temario explicado en Cómo es el examen de radioaficionado en España. Aquí se desarrolla el bloque de electricidad y radioelectricidad del programa HAREC con un criterio de estudio constante: qué es el concepto → qué representa físicamente → relación o fórmula → ejemplo o aplicación.
Electricidad básica y fuentes
Carga, corriente, tensión y resistencia
La carga eléctrica es una propiedad física de la materia y se mide en culombios (C). La corriente I indica cuánta carga atraviesa una sección por unidad de tiempo: I=Q/t. Un amperio equivale a un culombio por segundo.
La tensión V o diferencia de potencial representa energía por unidad de carga entre dos puntos. La resistencia R expresa cuánto se opone un elemento al paso de corriente y se mide en ohmios (Ω).
Ejemplo: si atraviesan 10 C por un conductor en 2 s, la corriente media es 5 A.
Conductores, aislantes y semiconductores
Un conductor permite el movimiento de carga con relativa facilidad; un aislante lo dificulta; un semiconductor presenta una conductividad controlable mediante dopado, campos eléctricos, temperatura o luz. Esta última propiedad permite fabricar diodos, transistores y circuitos integrados.
La resistencia de un conductor depende del material, longitud, sección y temperatura. Los dispositivos semiconductores se desarrollan en Componentes y circuitos.
Ley de Ohm
La ley de Ohm relaciona tensión, corriente y resistencia en un elemento aproximadamente óhmico. Para una resistencia fija, si aumenta la tensión aumenta proporcionalmente la corriente.
Fórmula: V=I·R; también I=V/R y R=V/I.
Ejemplo: 20 V aplicados a 50 Ω producen I=20/50=0,4 A.
Los despejes se amplían en Fórmulas y cálculos.
Potencia y energía
La potencia indica la rapidez con la que se transfiere o transforma energía y se mide en vatios (W). La energía expresa el trabajo acumulado durante un intervalo de tiempo.
Relaciones: P=V·I; P=I²R; P=V²/R; E=P·t.
Ejemplo: 20 V sobre 50 Ω producen 0,4 A y 8 W. Mantener 8 W durante una hora supone 8 Wh.
Ah y Wh
El amperio-hora (Ah) expresa cantidad de carga; el vatio-hora (Wh), energía. No son unidades equivalentes. Para estimar energía a partir de Ah hace falta conocer también la tensión.
Ejemplo: una batería nominal de 12 V y 20 Ah representa aproximadamente 240 Wh en un modelo ideal.
Leyes de Kirchhoff
Las leyes de Kirchhoff permiten analizar circuitos con varias ramas y mallas. La ley de corrientes expresa la conservación de la carga: en un nodo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes. La ley de tensiones expresa la conservación de la energía: en una malla cerrada, la suma algebraica de subidas y caídas de tensión es cero.
Ejemplo de nodo: entran 5 A; salen 2 A y 1,5 A por dos ramas. Por una tercera deben salir 1,5 A.
Ejemplo de malla: una fuente de 24 V alimenta dos caídas de 8 V y 10 V; la caída restante debe ser 6 V.
Más ejercicios en Fórmulas y cálculos.
FEM, resistencia interna y cortocircuito
La fuerza electromotriz (FEM) representa la tensión ideal de una fuente. Una fuente real presenta resistencia interna, por lo que su tensión de bornes disminuye al aumentar la corriente.
Modelo: Vbornes=E−I·r.
Ejemplo: E=13 V, r=0,1 Ω e I=10 A → Vbornes=12 V.
En el modelo simple, Icc≈E/r. Las fuentes reales además poseen limitaciones químicas, térmicas y electrónicas.
Campos y ondas electromagnéticas
Campo eléctrico y campo magnético
Un campo eléctrico E describe la acción que experimentaría una carga y suele expresarse en V/m. Un campo magnético aparece alrededor de corrientes y materiales magnetizados. En una onda de radio, ambos campos están relacionados y transportan energía por el espacio.
Onda electromagnética
Una onda electromagnética es una variación coordinada de los campos eléctrico y magnético que se propaga. En una onda plana ideal, E y H son perpendiculares entre sí y también a la dirección de propagación.
Frecuencia, velocidad y longitud de onda
La frecuencia f indica ciclos por segundo y la longitud de onda λ la distancia recorrida durante un ciclo. Se relacionan con la velocidad de propagación.
Relación: c=f·λ; en el vacío c≈3×10⁸ m/s.
Ejemplo: a 100 MHz, λ≈3 m.
Su aplicación física a antenas se desarrolla en Antenas y líneas.
Polarización
La polarización describe cómo se orienta y evoluciona el campo eléctrico. Puede ser lineal, circular o elíptica. Una diferencia importante de polarización entre antenas puede producir pérdidas en enlaces directos.
Véase Polarización en antenas.
Apantallamiento
El apantallamiento reduce determinados acoplamientos electromagnéticos. Su eficacia depende de frecuencia, material, continuidad de la pantalla, ranuras, juntas y cables que la atraviesan. El campo magnético de baja frecuencia suele resultar más difícil de atenuar.
Aplicación práctica en Medidas, interferencias y seguridad.
Señales, fase, espectro y ruido
Sinusoide: amplitud, Vp, Vpp y Vrms
Una sinusoide es una señal periódica fundamental. Vp es el valor máximo respecto de cero, Vpp la distancia entre el pico positivo y el negativo y Vrms el valor eficaz, equivalente en efecto térmico a una tensión continua sobre una resistencia.
Para una sinusoide: Vpp=2Vp y Vrms=Vp/√2.
Más ejemplos en Fórmulas y cálculos.
Periodo, frecuencia y fase
El periodo T es el tiempo de un ciclo; la frecuencia f, el número de ciclos por segundo. La fase expresa la posición de una señal dentro de su ciclo respecto de otra referencia.
Un ciclo equivale a 360° o 2π rad. La frecuencia angular cumple ω=2πf. La definición de radián se explica en Fórmulas y cálculos.
Armónicos, tiempo y frecuencia
Una señal periódica no sinusoidal puede descomponerse en una fundamental y componentes a múltiplos enteros llamados armónicos. El dominio temporal muestra cómo cambia la señal con el tiempo; el dominio frecuencial muestra qué frecuencias la componen.
Los cambios temporales muy bruscos suelen requerir más componentes de alta frecuencia para representarse.
Ruido térmico y densidad de ruido
El ruido térmico se debe al movimiento aleatorio de cargas. Limita la detección de señales débiles incluso cuando no existe ninguna interferencia externa.
Relación: Pn=k·T·B. Aumentar temperatura o ancho de banda aumenta la potencia de ruido integrada. La densidad espectral de ruido expresa potencia por unidad de ancho de banda.
Consecuencia: duplicar B duplica aproximadamente la potencia de ruido, es decir, +3 dB.
Relación señal/ruido
La SNR compara la potencia de señal útil con la de ruido dentro del mismo ancho de banda. Una señal puede ser muy débil y resultar legible si el ruido es aún menor.
Fórmula: SNR(dB)=10log10(PS/PN).
Ejemplo: señal diez veces más potente que el ruido → SNR=10 dB.
La relación con la figura de ruido se desarrolla en Receptores y transmisores.
Modulación analógica y digital
CW o A1A
En CW una portadora se conecta y desconecta siguiendo Morse. Los flancos de manipulación necesitan ancho de banda; flancos demasiado rápidos pueden generar clics y ensanchamiento espectral.
AM, DSB-SC y SSB
En AM la amplitud de la portadora varía con la moduladora. Con un tono aparecen portadora y dos bandas laterales. En DSB-SC se suprime la portadora y se conservan ambas bandas. En SSB solo se transmite una banda lateral, reduciendo ancho de banda y concentrando potencia en información útil.
En AM convencional, un índice de modulación superior al 100 % produce sobremodulación.
FM, PM, desviación e índice
En FM varía la frecuencia instantánea y en PM la fase instantánea. La desviación Δf indica cuánto se separa la frecuencia instantánea respecto de la portadora central. El índice FM β=Δf/fm compara esa desviación con la frecuencia moduladora.
La regla de Carson aproxima el ancho de banda: B≈2(Δf+fm,máx).
FSK, BPSK, QPSK y QAM
Una modulación digital representa símbolos mediante estados discretos. FSK utiliza frecuencias; BPSK, dos fases; QPSK, cuatro fases; QAM, combinaciones de amplitud y fase. Más estados permiten más bits por símbolo, a cambio normalmente de mayores exigencias de SNR y linealidad.
Bit/s y baud
La velocidad binaria Rb se mide en bits/s y la velocidad de símbolo Rs en símbolos/s o baud. No son necesariamente iguales.
Relación: Rb=n·Rs. Ejemplo: QPSK representa 2 bits por símbolo; 2400 baud corresponden a 4800 bit/s antes de codificación adicional.
CRC, ARQ y FEC
Un CRC permite detectar errores; ARQ solicita retransmisión; FEC añade redundancia para corregir determinados errores sin retransmitir. Detectar, repetir y corregir son funciones diferentes.
Ganancia, decibelios, adaptación y PEP
Decibelios y ganancias en cascada
El decibelio expresa una relación logarítmica. En una cadena de bloques, trabajar en dB permite sumar ganancias y restar pérdidas en vez de multiplicar factores lineales.
Para potencia: dB=10log10(P2/P1).
Ejemplo: un amplificador de +12 dB seguido de un filtro con 3 dB de pérdida y otro amplificador de +8 dB produce una ganancia neta de +17 dB.
Más detalle sobre dB y dBm en Fórmulas y cálculos.
Adaptación, máxima transferencia y rendimiento
Adaptar impedancias consiste en presentar a una fuente, línea o carga la impedancia adecuada al objetivo del circuito. En RF puede buscarse reducir reflexiones, transferir potencia o satisfacer la impedancia óptima de una etapa.
La máxima transferencia de potencia en un modelo resistivo simple no coincide con el máximo rendimiento. El rendimiento es η=Pútil/Pentrada.
Potencia media y PEP
La PEP es la potencia media de RF durante un ciclo en la cresta máxima de la envolvente. En una portadora continua coincide con la potencia media; en SSB de voz suele ser superior a la potencia media a largo plazo.
Muestreo, conversión y procesamiento digital
Muestreo y Nyquist
Un ADC toma muestras de una señal analógica a intervalos regulares. Para reconstruir idealmente una señal limitada a fmax sin ambigüedad debe cumplirse fs>2fmax. En la práctica se deja margen y se coloca un filtro antialias antes del ADC.
Aliasing
El aliasing es la aparición de frecuencias falsas cuando componentes demasiado altas se muestrean a una frecuencia insuficiente. Una vez plegadas dentro de la banda digital, un filtro DSP posterior no puede distinguirlas de una señal real.
ADC, DAC y cuantificación
El ADC convierte amplitudes analógicas en códigos digitales. La cuantificación asigna cada muestra a uno de un número finito de niveles; con n bits existen 2ⁿ códigos ideales. El DAC realiza el proceso inverso y normalmente necesita filtrado de reconstrucción.
Convolución, Fourier, DFT y FFT
La convolución describe la respuesta de un sistema lineal a una señal. La transformada de Fourier relaciona tiempo y frecuencia. La DFT aplica esa idea a muestras discretas y la FFT es una forma eficiente de calcularla.
Una ventana reduce determinados efectos de fuga espectral, aunque modifica la anchura y forma de los lóbulos. La resolución básica de una DFT es Δf=fs/N.
Filtros FIR e IIR
Un filtro FIR tiene una respuesta impulsional de duración finita y puede diseñarse con fase exactamente lineal. Un filtro IIR utiliza realimentación y consigue respuestas muy selectivas con menos coeficientes, aunque exige controlar estabilidad y fase.
Ambos son implementaciones digitales de filtrado y se relacionan con Filtros en Componentes.
DDS: síntesis digital directa
Un DDS genera una señal a partir de una referencia de reloj, un acumulador de fase, una representación digital de la forma de onda y un DAC. Cambiando la palabra de sintonía se modifica la velocidad con la que avanza la fase y, por tanto, la frecuencia de salida.
Ofrece resolución fina y cambios rápidos de frecuencia, pero el reloj, la cuantificación y el DAC pueden generar espurias. Su relación con PLL y VCO se explica en Componentes y circuitos.
Glosario de términos y unidades
| Término | Significado | Unidad | Relacionado |
|---|---|---|---|
| Q | Carga eléctrica | C | Electricidad |
| I | Corriente | A | Electricidad |
| V | Tensión | V | Electricidad |
| R | Resistencia | Ω | Resistencias |
| f | Frecuencia | Hz | Señales |
| λ | Longitud de onda | m | Onda |
| rad | Radián; 2π rad=360° | rad | Frecuencia angular |
| SNR | Relación señal/ruido | dB o factor | SNR |
| PEP | Potencia de pico de envolvente | W | PEP |
| ADC | Conversor analógico-digital | — | ADC/DAC |
| FIR | Filtro de respuesta impulsional finita | — | DSP |
| IIR | Filtro de respuesta impulsional infinita | — | DSP |
| DDS | Síntesis digital directa | — | DDS |
Repaso
- Kirchhoff expresa conservación de carga y energía.
- Un filtro más ancho integra más ruido.
- Bit/s y baud no son necesariamente iguales.
- CRC detecta, ARQ repite y FEC corrige ciertos errores.
- Las ganancias y pérdidas expresadas en dB se suman algebraicamente.
- FIR e IIR son familias de filtros digitales; DDS es un método de síntesis de frecuencia.
Para cálculos detallados consultad Fórmulas y cálculos. Para componentes concretos, Componentes y circuitos.
Fuentes y material de contraste
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