Circuitos combinacionales. Álgebra de Boole

Los valores de las magnitudes físicas que se manejan en los distintos sistemas de regulación y de control industriales, que son los que hemos de procesar para alcanzar unos determinados objetivos en cada proceso, varían con el tiempo. En función de cómo sean esas variaciones distinguimos dos tipos de señales: la señal analógica, que es aquella capaz de tomar valores continuos en el tiempo esto es, todos los valores posibles dentro de un determinado intervalo; y la señal digital, discontinua, capaz únicamente de tomar unos determinados valores, discretos, dentro del rango posible.

En general todas las magnitudes físicas responden a señales analógicas. Por ejemplo la tensión de alimentación de la red doméstica, nuestra altura y peso, la presión, la temperatura, la velocidad de un móvil, etc. Sin embargo la mayoría de los sistemas de control utilizan para su funcionamiento señales digitales, a su vez basadas en códigos binarios. Un sistema digital es un conjunto de dispositivos destinados a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales.

Dentro de los sistemas digitales podemos diferenciar dos grandes grupos:

1. Los sistemas digitales combinacionales. En ellos la salida del sistema depende únicamente de la combinación de valores que presentan las entradas lógicas. No precisa de módulos de memoria, ya que el valor de la salida no depende de situaciones anteriores.
2. Los sistemas digitales secuenciales: En ellos la salida depende de la combinación de las entradas del momento y de la secuencia de combinaciones de las entradas previas, por lo que necesitan módulos de memoria que acumulen la información de lo ocurrido anteriormente en el sistema.

Para el análisis y la síntesis de sistemas digitales binarios se utiliza como herramienta el álgebra de Boole, y para la implementación de dichos circuitos se utilizan puertas lógicas (las principales son las AND, OR y NOT, aunque existen otras como las XOR y también las NAND y las NOR, también conocidas como puertas universales puesto que con ellas pueden elaborarse todas las demás), construidas generalmente a partir de transistores (lógica TTL) y cuyo comportamiento se corresponde con algunas de las funciones del booleanas (principalmente la multiplicación, la suma y la complementación o negación). En este mismo blog hemos dedicado unas cuantas entradas relacionadas con estos asuntos:

1. Sistema de numeración binario
2. Puertas lógicas
3. Mapas de Karnaugh
4. Simuladores eléctricos

También pueden sernos útiles una serie de apuntes que han desarrollado otros compañeros de otros institutos, así por ejemplo, los elaborados por el IESVirgen del Espino, los confeccionados por rlopez33, los  del IESVillalba Hervás, otros propios de la Universidadde Salamanca, y también los muy completos de Salvador Marcos.

El resumen del tema del libro nos lo proporciona la propia editorial McGrawHill:

Energías renovables (II). Energía mareomotriz

La energía mareomotriz se debe a las fuerzas de atracción gravitatoria entre la Luna, la Tierra y el Sol que, son las que gobiernan las mareas de océanos y mares. Las mareas tienen como consecuencia una variación de la altura media del agua marina en función de la posición relativa de la Tierra y la Luna, y que resulta de la atracción gravitatoria de esta última y del Sol sobre las masas de agua de los mares.  

Esta diferencia de alturas puede aprovecharse interponiendo partes móviles al movimiento natural de ascenso o descenso de las aguas, junto con mecanismos de canalización y depósito, para obtener movimiento en un eje o turbina que, convenientemente acoplado a un alternador, puede utilizarse para la generación de electricidad, transformando así la energía de las mareas en energía eléctrica. 

La energía mareomotriz tiene la cualidad de ser renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es limpia, ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental, esto es, el rendimiento de este tipo de instalaciones ha impedido un desarrollo más amplio de este tipo de energía.

Existen tres métodos principales para el aprovechamiento de la energía de las mareas: 

1. Las presas de marea hacen uso de la energía potencial que existe en la diferencia de altura entre las mareas altas y bajas. Las presas son esencialmente los diques en todo el ancho de un estuario, y tienen como inconvenientes para su construcción los altos costes de la infraestructura civil, la escasez mundial de sitios viables y también aspectos medioambientales. En esta infografía de Eroski Consumer se nos habla de la formación de las mareas, su distribución e importancia distintas partes del mundo, los emplazamientos idóneos para este tipo de centrales, el funcionamiento de sus turbinas y las ventajas y desventajas de este tipo de energía.
   
   


2. Los generadores de corriente de marea (ETG) hacen un uso de la energía cinética del agua en movimiento similar al que hacen del viento las turbinas eólicas. Este método está ganando popularidad debido a costos más bajos y a un menor impacto ecológico en comparación con las presas de marea. La infografía de Eroski Consumer nos ilustra sobre las corrientes marinas y los diferentes sistemas de aprovechamiento de la energía de las corrientes marinas.
   
   

   
   
   
3. La energía mareomotriz dinámica (DTP) es una tecnología de generación que se encuentra aún en fase teórica que pretende explotar la combinación de las energías cinética y potencial en las corrientes de marea. El método propone la construcción de de grandes diques (de entre 30 y 50 km) perpendiculares a la costa con forma de "T", de forma que no se encierren parcelas del mar u océano. Intenta así aprovechar el hecho de que en algunos lugares, cerca del litoral poco profundo, las corrientes circulan paralelas a la costa y mediante este tipo de construcciones podría aprovecharse tanto la velocidad de estas corrientes, y, redireccionando el flujo marino, ampliar la diferencia entre los niveles máximos y mínimos del agua, consiguiéndose por tanto rendimientos mayores, que, según cálculos teóricos, se estiman en la posibilidad de construir proyectos con una energía instalada de entre 6 y 17 GW por dique.

Podemos listar las ventajas que presenta la utilización de este tipo de energías: es auto renovable, no contaminante, silenciosa, con bajo costo de la materia prima utilizada y está disponible en cualquier clima y época del año. Los mismo podemos hacer con sus inconvenientes: produce un impacto visual sobre el paisaje costero, se localiza en puntos muy concretos, depende de la amplitud de las mareas, es limitada, tiene un elevado coste de transporte de la energía a la costa y una repercusión negativa sobre el ecosistema en el que se implanta.

Si quieres escribir algo, aquí te espero.

Energías renovables (I)

Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.

Un concepto similar, aunque no idéntico es de de las energías alternativas. Se trata de una idea vinculada con el hecho de que este tipo de energías pueden sustituir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación. De acuerdo con esta definición, algunos autores incluyen la energía nuclear dentro de las energías alternativas, ya que generan muy pocos gases de efecto invernadero al no quemarse combustibles fósiles.

La utilización de renovables, tiene pros y contras. Entre las ventajas de su utilización, podemos enumerar:

1. Por definición son energías inagotables (renovables), pues el Sol, o el viento estarán ahí durante millones de años
2. Son mas respetuosas con el medio ambiente, con escaso riesgo de contaminación, y sin producir gases de efecto invernadero, ni mareas negras, ni residuos peligrosos (como los nucleares). Son fáciles de desmantelar y no requieren custodiar sus residuos durante millones de años (como las nucleares). Representan la alternativa energética más limpia y sostenible hasta el momento.
3. Hace que la región sea mas autónoma, ya que desarrolla en la misma región donde se instala, la industria y la económica. Se consigue, por tanto, cierta independencia energética y una mayor autonomía de desarrollo.
4. Genera muchísimos puestos de trabajo, muchos más, cuando menos que lo que se generan en relación con el uso de energías no renovables. Además se prevé un aumento en el número de puestos de trabajo generados si continua aumentando la demanda de la implementación de este tipo de instalaciones.Energías autóctonas, que se utilizan cerca de donde se producen, por lo que nos hace independientes del exterior, y generan más empleo local. Reducir la dependencia energética del exterior es algo positivo por la autonomía frente a conflictos geopolíticos, o con las grandes empresas petroleras.
5. Se trata de energías seguras, pues no es comparable el riesgo de una central nuclear con el riesgo de que falle un generador eólico o una placa solar.
6. Son energías diversas, pues incluyen la solar (usando distintas tecnologías), eólica, pequeña hidráulica, biomasa, geotérmica, marina… lo que asegura su generación en distintos escenarios.
7. Son energías personalizables, porque no requieren grandes empresas ni grandes inversiones para producir un poco de electricidad. Cualquier ciudadano puede convertirse fácilmente en productor de electricidad renovable.
8. Son energías baratas. Claro, para entrar en esta valoración hay que pensar en que hasta ahora contaminar es gratis, pero ¿hasta cuándo?

Y entre los inconvenientes:

1. Requieren de una elevada inversión inicial, lo que dificulta la apreciación de us rentabilidad si no se tienen en cuenta que se trata de una inversión a medio-largo plazo y los beneficios mediambientales. 
2. Irregularidad y difícil almacenamiento: Dependiendo de la fuente, puede ser complicado garantizar su funcionamiento en un determinado momento. Ésto, unido al elevado coste de almacenar la energía producida, obliga a resolver el problema sobredimensionando las necesidades, es decir, instalando más energía sostenible de la necesaria en el momento de máximo consumo.
3. Algunos ponen como inconveniente que necesitan mucha superficie, y de aquí se deriva el debate sobre si se produce o no contaminación visual (inmensos parques de molinos éolicos) o acústica (derivada del ruido que el funcionamiento de los molinos ocasiona). Sin embargo, este inconveniente puede paliarse utilizando alternativas como puede ser el uso de las cubiertas de los edificios para la colocación de placas soares o la inversión en energía eólica marina, que evita ocupar el campo con estas instalaciones.
4. Problemas específicos por mal uso: Dependiendo de la instalación energética pueden darse problemas concretos que no son debidos a la técnica, sino al mal uso. No toda energía renovable es ecológica. Ejemplos de ésto son:
   ■ Daños al paisaje o a las aves en el caso de aerogeneradores mal instalados.
   ■ Abuso por agrocombustibles no ecológicos (el mal llamado biodiesel), que puede desviar valiosos recursos alimenticios para quemarlos como gasolina, y generar más CO₂ en su producción que lo que ahorran.
   ■ Construcción de grandes presas (pantanos) que cortan el flujo natural del río y anegan ecosistemas aledaños. Para que la energía hidroeléctrica sea ecológica debe provenir de pequeños saltos que sólo tomen parte del agua del río.

Energías no renovables (III). Energía nuclear

En un sentido amplio, la energía nuclear es la energía que se encuentra almacenada en el núcleo de los átomos, y que se desprende al desintegrarse dichos núcleos.

Una central nuclear es un tipo de central eléctrica en la que, en lugar de combustibles fósiles, se emplea uranio 235, un isótopo del uranio que se fisiona en núcleos de átomos más pequeños y libera una gran cantidad de energía de acuerdo con la ecuación de Einstein,  E = mc². La energía que se desprende en la rotura de estos núcleos atómicos se emplea para calentar agua que, convertida en vapor, accionará los álabes de unas turbinas que serán las encargadas de transmitir su movimiento giratorio a un generador que será el encargado de producir la electricidad.

Distinguimos dos tipos principales de energía nuclear, la de fisión y la de fusión nuclear:

La fisión nuclear consiste en la fragmentación de un núcleo "pesado" (con muchos protones y neutrones) en otros dos núcleos de, aproximadamente, la misma masa, al mismo tiempo que se liberan varios neutrones. Los neutrones que se desprenden en la fisión pueden romper otros núcleos y desencadenar nuevas fisiones en las que se liberan otros neutrones que vuelven a repetir el proceso y así sucesivamente, este proceso se llama reacción en cadena y en él se libera una gran cantidad de energía.

Para que esta reacción en cadena se produzca, es necesario usar sustancias que se desintegren fácilmente, es decir, sustancias radiactivas que, por su naturaleza, son peligrosas para el hombre si no se manejan con las precauciones adecuadas. La sustancia más usada es el uranio-235, aunque también se usan el uranio-233 y el plutonio-239. Como ya se ha apuntado, en estas reacciones una pequeña parte de masa se transforma en energía de acuerdo con la ecuación E = mc², por lo que se obtienen cantidades enormes de energá. Para que nos hagamos una idea: de 1 kg de carbón se obtienen 30 millones de julios, mientras que de 1 kg de uranio-235 se traduce en 8 trillones (doce ceros) de julios, es decir, unos dos millones de veces más energía. La utilización de la fisión nuclear, como todo, presenta ventajas e inconvenientes, estos son:
Ventajas: Con pequeñas cantidades de combustible producen mucha energía y las reservas de materiales nucleares son abundantes.
Inconvenientes: En las centrales nucleares se generan residuos de difícil eliminación (cementerios nucleares), además, el peligro de radiactividad exige la adopción de medidas de seguridad y control especiales que resultan muy costosas y, con todo, nunca, ni en este ni en otros aspectos se está libre al cien por cien del riesgo de sufrir un accidente nuclear.

La fusión nuclear consiste en la unión de varios núcleos "ligeros" (con pocos protones y neutrones) para formar otro más "pesado" y estable, con gran desprendimiento de energía, mayor incluso que la que se libera en la fisión. Para que los núcleos ligeros se unan, hay que vencer las fuerzas de repulsión que hay entre ellos y por eso, para iniciar este proceso, hay que suministrar una gran cantidad de energía ya que estos procesos en la naturaleza, (en las estrellas, por ejemplo) se suelen producir a temperaturas muy elevadas, de millones de grados centígrados.
La sustancia más adecuada para fusionarse es el hidrógeno (el átomo más sencillo) o alguno de sus isótopos para dar lugar a helio. La más adecuada es la fusión entre dos isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio.
La energía nuclear de fusión será, probablemente, la fuente de energía del futuro. Es la misma reacción que produce la energía en las estrellas, en nuestro Sol, el calor y la luz que nos llegan de él se producen en reacciones de fusión nuclear. Por otra parte, la fusión nuclear tiene sus propias ventajas e inconvenientes:
Ventajas: No produce residuos radiactivos y el hidrógeno es muy abundante en la naturaleza.
Inconvenientes: Para iniciar la reacción hace falta una temperatura de 100 millones de grados centígrados y conseguir esta temperatura es muy difícil, sólo se ha podido alcanzar durante breves instantes con potentes rayos láser. Por otra parte está la dificultad de controlar la reacción para evitar el efecto avalancha de la reacción en cadena y el peligro de accidente.

En la infografía de Eroski se nos habla del uranio y sus tipos, de la fisión nuclear, del funcionamiento de una central nuclear, de sus dispositivos de seguridad y de las ventajas e inconvenientes de este tipo de energía. Muy completa, como siempre.

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