electronica y servicio 09--sintonizadores de canales de tv

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No.9, Noviembre de 1998

Ciencia y novedades tecnolgicas................. 5

Perfil tecnolgicoEl lser y los conceptos de la luz...............11Felipe Orozco y Leopoldo Parra

Leyes, dispositivos y circuitosDiodo zener.................................................. 19Oscar Montoya Figueroa

Qu es y cmo funcionaLa televisin digital (DTV)...........................25Carlos Garca Quiroz

Servicio tcnicoSistemas digitales en audio y video(tercera y ltima parte)................................ 39Alvaro Vzquez AlmaznSintonizadores de canales en televisoresmodernos..................................................... 45Leopoldo Parra y J. Luis Orozco CuautleFuentes conmutadas de televisores yvideograbadoras Sony(seguna y ltima parte)............................... 60Armando Paz Villagmez

Electrnica y computacinEl proceso de arranque de la PC................66Leopoldo Parra Reynada

Proyectos y laboratorioCircuito de control paranivel de agua...............................................74Oscar Montoya Figueroa

DiagramaDiagrama de estreo Aiwa NSX-S33

4 ELECTRONICA y servicio No.9

5ELECTRONICA y servicio No.9

CIENCIA Y NOVEDADES

TECNOLOGICAS

CIENCIA Y NOVEDADES

TECNOLOGICAS

Un laboratorio de electrnicacompleto en su PC

Todo estudiante de electrnica se habr enfren-tado con una limitacin al disear circuitos o tra-tar de probar su respuesta: para poder hacer lasmediciones que permitan conocer de forma pre-cisa el comportamiento del circuito, es necesa-rio contar con instrumental avanzado, que porlo general queda completamente fuera del alcan-ce de sus posibilidades.

Un laboratorio de investigacin electrnica,debe contar con diversos instrumentos de me-dicin y prueba, como seran multmetro digitalo analgico, osciloscopio, frecuencmetro, gene-radores de seal y analizador de espectros. Muypocos estudiantes -e incluso talleres de servi-cio- podran contar con todos esos equipos; sinembargo, ya existe en el mercado una alternati-va muy completa para satisfacer estas necesi-dades: el programa SilMon-LAB 2, producido porla compaa espaola SilMon Technologies.

Este es un programa para PC muy completoque puede simular una gran cantidad de instru-mentos, entre los que tenemos:

Ocho modelos distintos de osciloscopio. Tres modelos de voltmetro.

Cuatro modelos de generadores de funciones. Analizador de espectros. Frecuencmetro. Algunos otros de aplicacin especfica.

Como puede advertir, este programa es muycompleto, y como tal permite simular el com-portamiento de circuitos electrnicos en la com-putadora, con todas las ventajas que esto impli-ca. Y algo que resulta sorprendente es que sedistribuye de manera gratuita, bajo el conceptofreeware. No tenemos ya ningn pretexto parano probarlo.

Y los requerimientos mnimos del programaen verdad son muy accesibles: una mquina 486o superior, 10 MB de espacio libre en disco duroy Windows 3.11 o Windows 95. Si usted est in-teresado en probar este sofisticado programa,puede obtenerlo en la pgina de Internet de lacompaa: http://www.silmon.com. Tambinpuede comunicarse mediante la siguiente cuen-ta de correo electrnico: [email protected].

Y como complemento, el SilMon Scope!

Aunque el programa anterior puede hacer simu-laciones sin ninguna adicin a la computadora,


si desea introducir seales o hacer medicionesdirectamente sobre un protoboard o algn ele-mento similar, ser necesario adaptar al siste-ma una tarjeta de captura de seales que permi-ta la interaccin directa con todos los instrumen-tos presentados en la pantalla de la PC. Vea lafigura 1.

Para ello, la compaa SilMon Technologiesha diseado las tarjetas de captura de sealesSilMon-SCOPE y SilMon-GEN, de las cuales laprimera funciona como osciloscopio y la segun-da como generador de seales. Dependiendo dela versin de tarjeta que usted elija, puede con-vertir su computadora en un osciloscopio bsi-co de 20 KHz de ancho de banda con la tarjetaSilMon SCOPE 1 Lite; o lo puede transformar en

un poderoso instrumento de 20 MHz con la tar-jeta SilMon SCOPE 2 Standard. Pero, adems, conesta ltima tarjeta puede emular tambin unanalizador de espectros, un frecuencmetro, unvoltmetro y algunos otros instrumentos adicio-nales.

Prximamente, en esta revista daremos msdatos sobre el costo y dnde adquirir estas tar-jetas en nuestro pas.

Al fin! Una cmara de rayos X digital

Casi todos estamos familiarizados con el proce-dimiento que se sigue para obtener una placade rayos X: primero, el paciente entra en la c-

Figura 1

SilMon LAB2 se ofrecegratuitamente como FREEWAREa travs de internet.

SilMonSCOPE1 +SilMON LAB2

SilMon SCOPE2+ SilMON LAB2

SilMon GEN1+ SilMON LAB2


mara donde se imprime la placa; luego sta pasapor un proceso de revelado, hasta que, finalmen-te, tras varios minutos de espera, se obtiene laplaca que permite realizar el diagnstico mdi-co. Este mtodo tradicional, ha sufrido pocoscambios desde el descubrimiento de los rayos Xa finales del siglo pasado, y aunque resulta ade-cuado para la mayora de las aplicaciones no dejade tener sus lmites.

Supongamos que un especialista que se en-cuentra en otra ciudad desea revisar la placa quenos acaba de ser tomada. Lo normal es que lesea enviada por mensajera, y luego esperar unoo dos das para que la reciba y con base en ellapueda emitir su diagnstico; sin embargo, dadoque la prdida de uno o dos das puede ser fatalpara un paciente, hay que buscar una mejor al-ternativa.

Recientemente, la divisin de instrumentacinmdica de General Electric logr desarrollar una

nueva cmara de rayos X. En vez de imprimirplacas convencionales, este aparato recibe laradiacin en un panel semiconductor que latransforma en seal elctrica; luego sta es con-vertida en datos digitales, mismos que se intro-ducen en una computadora para finalmente pre-sentarse en la pantalla.

Este dispositivo de General Electric no sloevita el proceso de revelado de las radiografas(ya que stas se pueden observar de inmediato),sino que tambin permite almacenarlasdigitalmente en la computadora. En caso de ne-cesitarse un diagnstico externo, pueden serenviadas de inmediato, va mdem o por correoelectrnico, al mdico que lo solicite.

Esperemos que este avance pronto se encuen-tre a nuestra disposicin; as tendremos diag-nsticos ms rpidos y posiblemente realizadospor especialistas que se localicen a miles de ki-lmetros de distancia.

Figura 2

CD-RW Compact Disc de 74minutos regrabable

CD-R Compact Disc de 74minutos regrabable


Grabe sus CDs en casa

Desde hace varios aos los grabadores de CDestn disponibles para usuarios de computado-ras; sin embargo, esta tecnologa no haba lle-gado an al consumidor final. Precisamente, paraatender a tan importante segmento del merca-do, Philips ha lanzado una familia de aparatoscapaces de grabar CDs de audio con gran facili-dad (poseen botones similares a los de una gra-badora de audio convencional), de manera queel usuario no tenga que hacer uso de una com-putadora y tener que pasar por complicadas ins-talaciones o por software no siempre fcil demanejar. Vea la figura 2.

Una vez que ya se contaba con la tecnologapara la reproduccin de CDs, el paso para la gra-bacin no fue complicado: slo se requera gra-bar en la superficie reflejante del disco unas mar-cas que bloquearan el reflejo del haz lser cuan-do pasa sobre ellas; y esto se logr en los graba-dores modernos utilizando un material especialque, conforme se le aplica un haz lser de po-tencia considerable (3 4 veces la nominal deun recuperador ptico convencional), va siendoquemado, con lo que se forman unos pitsoscuros que bloquearn la luz al momento de lareproduccin del disco.

Por supuesto, los discos empleados para ha-cer estas grabaciones deben ser especiales (re-sulta imposible grabar un disco que se haya ad-quirido ya grabado), pero en la actualidad estosdiscos grabables son muy baratos: entre 1.5 y2 dlares la unidad.

Estas unidades de grabacin de CDs puedentener usos hasta ahora nada comunes; por ejem-plo, el uso ms obvio sera la copia ilegal de dis-cos. Sin embargo, tambin podran utilizarsepara que el usuario grabe discos con sus pro-pias selecciones musicales, combinando los te-mas de sus preferencias de varios lbumes enuno solo. E igualmente podran ser utilizadas porlos msicos que no tienen la posibilidad de sergrabados profesionalmente o toda aquella per-sona que posea un mini-estudio de grabacin.

Cabe sealar que este equipo utiliza un siste-ma de proteccin de derechos de autor, llamado

Serial Copy Management System, mejor conoci-do por sus siglas: SCMS. Dicho sistema slo per-mite copias individuales directas de fuentesdigitales, por lo que un copia no puede ser du-plicada con calidad digital.

Adems, en estos aparatos no slo es posiblereproducir los discos en la forma en que esta-mos acostumbrados, sino tambin grabar en dostipos de CDs: el CD-R, de color dorado, que pue-de grabarse una sola vez, y el CD-RW, de colorplateado, que puede regrabarse. Y las fuentes deaudio pueden ser analgicas (casetes o discosde acetato) o digitales (otro CD); incluso, hay unmodelo con grabadora de CD de doble deck.

Sin duda, Philips (inventor del CD junto conSony) sigue a la vanguardia con estos equiposde ltima generacin.

Operaciones quirrgicas a distancia?

Los servicios de los mdicos especialistas conprestigio, son solicitados por muchas personasy desde muchos sitios, por lo que es imposibleatender ms que a un nmero limitado de pa-cientes. Simplemente, si el mdico tiene quedesplazarse ya no digamos de ciudad en ciudad,sino de hospital en hospital, pierde un tiempoque podra aprovechar diagnosticando a algnpaciente o haciendo alguna compleja operacinquirrgica.

Afortunadamente, la tecnologa electrnicabrinda una opcin extraordinaria para estos ca-sos. Combinando las nuevas capacidades decomunicacin instantnea con los avances enrobtica de precisin, se ha podido construir unsistema por el cual un especialista puede efec-tuar una ciruga a distancia, monitoreando elavance de la operacin por medio de cmarasde video y de instrumentos de medicin que letransmiten de forma instantnea el estado delpaciente, al tiempo que l manipula los instru-mentos quirrgicos mediante unos brazosrobticos (figura 3).

Sin embargo, realizar una operacin mayoren un paciente por medios robticos plantea unaserie de retos que se estn resolviendo exito-samente. Por ejemplo, se coloca la suficiente


Por medio de este nuevo sistema, un especialista puedeexaminar e incluso operar a un paciente a distancia.El mdico, al frente de su computadora (1) envalas rdenes para la operacin a travs de un sistemade comunicaciones (2) el cual hace llegarestas rdenes a una computadora receptora (3)la cual las traduce y acciona a uno o ms brazosrobticos (4) mismos que finalmente llevana cabo la operacin fsica.

1

2

3

4

cantidad de sensores en el cuerpo del paciente,para que el cirujano conozca en todo momentosu estado y pueda reaccionar rpidamente si esque se presenta algn imprevisto; las cmarasde video que guan visualmente al especialistase complementan con una pantalla de rayos X y,en casos extremos, con un aparato de resonan-cia magntica en tiempo real, para conocer elestado interno del paciente y saber en todo mo-mento qu se est haciendo y con qu ndice deprecisin.

Por su parte, los mandos a distancia que serequieren para mover los brazos robticos de-ben ser capaces de reaccionar con una pronti-tud extrema, de preferencia con retardos del or-den de unos pocos milisegundos; por ejemplo,si el cirujano comprueba visualmente que hayque detener una hemorragia, el brazo debe res-ponder inmediatamente para evitar que el pa-ciente sufra un dao. Es as como en este tipode instrumentos se estn llevando a sus lmiteslos sistemas de mandos a distancia, de modo que

por medio de un enlace telefnico o similar sepueda controlar el movimiento del brazorobtico con rapidez y exactitud.

Si bien este sistema an se encuentra en laetapa de experimentacin, los primeros resulta-dos obtenidos son muy prometedores. De con-cretarse esta maravilla tecnolgica, no dude queen un futuro cercano una persona pueda seroperada en una ciudad ubicada a miles de kil-metros de donde se encuentra el cirujano.

Por ltimo, cabe mencionar que en este pro-yecto hay varias instituciones que estn traba-jando, entre las que destacan Hopkins School ofMedicine, Applied Physics Laboratory, Massa-chussets Institute of Technology, Carnegie MellonUniversity y Shadyside Hospital. Si usted deseams informacin al respecto, puede consultar lassiguientes direcciones en Internet:

http://www.mrcas.ri.cmu.eduhttp://www.cs.jhu.edu/labs/cis/about.htmlhttp://www.ai.mit.edu/proyects/vision-surgery

Figura 3


EL LASER Y LOS

CONCEPTOS DE

LA LUZ

EL LASER Y LOS

CONCEPTOS DE

LA LUZ

Felipe Orozco y Leopoldo Parra

La luz que producimos por medioselctricos no slo sirve para iluminarnos,

sino que tambin se le utiliza en otrasaplicaciones: en la transmisin de

informacin y datos mediante fibraspticas; en operaciones quirrgicas ycortes de planchas de acero mediante

potentes rayos lser; en la impresin dehologramas; en la grabacin y

recuperacin de informacin mediante elrayo lser; se le utiliza con fines de

espectculo, etc. En este artculo nosocuparemos de exponer brevemente las

principales explicaciones que se handado al fenmeno de la luz, como

antecedente para entender qu es ycmo trabaja el lser.

Introduccin

El lser es, hoy por hoy, uno de los tantos gran-des inventos que el hombre moderno ha puestoa su servicio. Sus aplicaciones son muy varia-das, y van desde el empleo del bistur lser en lamicrociruga, hasta su uso en el corte de plan-chas de acero, en las telecomunicaciones, laholografa, la fusin termonuclear, etc. Entreestas aplicaciones, destaca la que tiene en elmundo del sonido y del video, con los discoscompactos de audio digital, los CD-ROMs y elDVD, los cuales se basan en un sistema de lec-tura de la informacin por medio de un rayoemitido por un dispositivo lser.

"Lser" es una palabra compuesta por las si-glas de Light Amplification by Stimulated Emissionof Radiation, que se puede traducir al castellanocomo Amplificacin de la Luz por Emisin Esti-mulada de Radiacin. En pocas palabras, el l-ser es una fuente de radiacin o haz lumnico


(en forma de rayo o haz) constituido por trespartes fundamentales: un medio activo, un sis-tema de bombeo y una cavidad resonante. Suprincipio de operacin, tal como su nombre loindica, reside en un fenmeno de la fsica lla-mado "emisin estimulada".

La primera proposicin terica de lser, ya enforma definitiva, fue hecha en 1960 cuando seperfeccion la tcnica del lser. Y este inventodebe mucho a uno de los cientficos prominen-tes del siglo XX: Albert Einstein, cuya aportacinprincipal fue justamente el descubrimiento de laemisin estimulada.

Es importante dejar bien claro que la luz con-centrada que emiten los lseres que son muyvariados- es en forma de rayo, lo cual posibilitaque pueda ser dirigido hacia un determinadoobjetivo, a diferencia de la luz emitida por lasllamadas fuentes convencionales, por ejemploun foco, que se dispersa o difunde en distintasdirecciones (figura 1).

Antes de explicar con ms detalle qu es ellser, hablaremos de algunos antecedentes te-ricos.

La luz en la poca de las luces

La Europa que haba salido de un largo perodoque modernamente hemos llamado "Edad Me-dia", descubri la luz y sus propiedades, y pusosus esperanzas en la reflexin y en la observa-cin como mtodo de acercamiento a la "reali-dad". En esa poca no haba las barreras entre dis-ciplinas como las que ahora existen, de tal ma-nera que los artistas, los escritores y los cientfi-cos podan compartir sus intereses y pasiones.Lo mismo se interesaban por las matemticas ylos fsiles que por la mecnica y la botnica; porla metalurgia y la estadstica. La Europa que des-pertaba tena una gran vocacin de saber y deampliar sus conocimientos sobre la naturaleza.

En Holanda, a mediados del siglo XVII uno deestos espritus provocadores, ChristiaanHuygens, se refera a la posibilidad de que exis-tieran ms tierras habitadas, y hablaba del enor-me salto que implicara para el pensamientohumano el que pudisemos vislumbrar aunquefuera por un momento otros mundos y otras ci-

vilizaciones, contrastando semejanzas y diferen-cias. En otro extremo, en Inglaterra, Isaac Newtonse ganaba el prestigio de la comunidad cientfi-ca mundial al descubrir fenmenos tan conoci-dos (y poco comprendidos) como la gravedad ola ley de la accin y la reaccin, trabajo que nole impidi desarrollar un mtodo infalible parala resolucin de las ecuaciones de segundo gra-do que hasta la fecha se sigue utilizando.

Era pues la poca de los grandes descubri-mientos cientficos, de los viajes, de los primeros des-cubrimientos astronmicos serios; fue cuando elhombre por fin pudo reflexionar con mayor luci-dez sobre muchos dogmas (el modelo geocn-trico, el poder de los reyes, el papel de la Iglesia)que haban mantenido estticos a los pueblospor ms de 10 siglos. Es por eso que al siglo XVIIse le conoce como el de la Ilustracin Europea.

Precisamente en esos aos de grandes avan-ces cientficos, Christiaan Huygens e IsaacNewton abordaron independientemente el estu-dio de un fenmeno cotidiano, pero al cual na-die haba podido dar una explicacin coherentehasta ese momento: el de la luz.

Los planteamientos de Huygens

Huygens fue uno de los cientficos que en supoca analizaron los fenmenos pticos. Porentonces ya se conocan las propiedades de las

Luz emanada de unafuente convencional

Luz (rayo) emanadade un lser

Figura 1


lentes, con las cuales se fabricaban telescopiosy microscopios. Pero a pesar de que los artesa-nos podan fabricar lentes de muy alta precisin(para los estndares de la poca), prcticamen-te nadie trataba de explicarse por qu los rayosde luz se torcan al atravesar estos elementos.

Huygens realiz diversos experimentos y ob-servaciones, y lleg a la sorprendente conclu-sin de que la luz est formada por ondas dimi-nutas que se propagaban en todas direcciones.Esta naturaleza de los rayos lumnicos explica-ran su comportamiento al atravesar un prisma(fenmeno descubierto por Newton), y su des-viacin al atravesar medios de distinta densidad.Tan convincente y acertada fue la teora deHuygens que permaneci prcticamente sincambios por ms de dos siglos.

Los planteamientos de Newton

Por su parte, y con base en sus observacionesempricas, Newton descubri que cuando se tie-ne una fuente puntual de luz y se interpone unobjeto entre sta y cualquier otra superficie (porejemplo, el piso o una pared), la sombra del ob-jeto tiene bordes perfectamente definidos y nodifuminados, como se podra esperar si los ra-yos luminosos efectivamente fueran ondas comohaba propuesto Huygens.

Esto le llev a pensar que la luz no estabacompuesta por ondas, sino por partculas tanpequeas que no era posible verlas, pero que alchocar con los objetos, rebotar y llegar hastanuestros ojos, nos permitan apreciar todo nues-tro campo visual.

Por supuesto que una teora corpuscular dela luz no explicaba fenmenos como la difraccin

de los rayos lumnicos con las lentes (ni siquieraexplicaba el por qu de la descomposicin de laluz descubierta por el mismo Newton), as quepor muchos aos la teora corpuscular fue aban-donada por la comunidad cientfica, la cual seinclin favorablemente por la teora ondulatoriade Huygens. Habran de pasar ms de dos siglospara que se recuperaran los planteamientos te-ricos de Newton.

Einstein y el efecto fotoelctrico

A principios de este siglo, Albert Einstein, cien-tfico alemn ms conocido por la teora de larelatividad, descubri que cuando un rayo de luzgolpea un cuerpo metlico, la conductividad deste aumenta considerablemente. A este fen-meno se le llam efecto fotoelctrico, y la ex-plicacin que le dio Einstein lo remiti nueva-mente a la naturaleza corpuscular de la luz pro-puesta por Newton dos siglos antes (figura 2).

Segn el planteamiento de Einstein, la luzestara compuesta por una gran cantidad de mi-nsculas partculas a los que llam fotones, loscuales, cuando golpeaban a los tomos de la pla-ca metlica del experimento, liberaban electro-nes, incrementando as la conductividad delmaterial. Sin embargo, la teora de Einstein con-tena un elemento asombroso: planteaba que laluz efectivamente estaba compuesta por mins-culas partculas, pero que en ciertas condicio-nes tambin estaba formada por ondas. En otraspalabras, Einstein le daba la razn tanto aHuygens como a Newton.

Esto podra parecer un desatino; sin embar-go, los ms recientes experimentos siguen com-probando una y otra vez que la luz puede com-

Fuente luminosaEl efecto fotoelctrico fue interpretado por Einstein en 1905.Cuando la luz cae sobre la placa de metal, sta expele unalluvia de electrones. Este fenmeno no puede explicarse mediante la clsica teora ondulatoria de la luz. Einstein dedujo que la luz no es una corriente continua de energa,sino que est compuesta de partculas individuales o hacesde energa que llam fotones. Cuando un fton golpea un electrn la accin resultante es anloga a la del choque debolas de billar, como se muestra en figura simplificada.

Figura 2


portarse en determinadas condiciones comoondas y en otras como partculas, y esta duali-dad onda-partcula hace que los fenmenos p-ticos sean tan interesantes (un detalle poco co-nocido es que el Premio Nobel que se le conce-di a Einstein no fue por su teora de larelatividad, sino por su descubrimiento del efec-to fotoelctrico). Figura 3.

Partculas elementales de la materia

Seguramente ya hemos despertado su curiosi-dad sobre los fenmenos luminosos, pero antesde avanzar en el tema, tenemos que revisar al-gunos conceptos bsicos que nos permitirn unmejor entendimiento de las explicaciones pos-teriores. Comenzaremos con una explicacinbreve sobre las partculas elementales que com-ponen la materia.

Todo estudiante de electrnica sabe que lamateria, en cualquiera de sus estados (slido,lquido o gaseoso), se compone en un nivel muyelemental de partculas denominadas tomos. Eltomo es, a su vez, un sistema constituido porun ncleo y por electrones que giran en torno al, de manera parecida a como giran los plane-tas en el sistema solar (figura 4).

El ncleo tiene carga positiva y est formadopor dos partculas ms elementales, llamadasprotn y neutrn. En tanto, los electrones son gr-nulos de electricidad negativa que, en conjunto,neutralizan la carga del ncleo; si ambas fuer-

zas se cancelan recprocamente en su totalidad,se dice que el tomo que las contiene es neutro.

Los electrones son considerablemente mslivianos que el protn o el neutrn, por lo quepueden desprenderse fcilmente de la fuerza quelos une al ncleo, y con ello dar origen a fen-menos de flujos de carga elctrica, ms conoci-da como electricidad.

Cuando un tomo pierde electrones se con-vierte en ion positivo porque se ha descompensa-do, predominando una carga de esa clase (posi-tiva); el tomo en cuestin queda as en disposi-cin de atraer las partculas perdidas para man-tenerse equilibrado. Por el contrario, cuandogana electrones se convierte en ion negativo yqueda en disposicin de expeler los electronessobrantes que le producen una carga de esa cla-se (negativa). De hecho, podemos decir que todofenmeno elctrico puede explicarse en ltimainstancia como el "intento" de un grupo de to-mos por conservar un equilibrio elctrico entresus protones y sus electrones.

La doble "personalidad" de la luz

Los experimentos de dos rendijas han puesto de manifiesto la dualidad onda-partcula de la luz y otras formas de radiacinelectromgnetica. Un fotn aislado incide sobre la pantalla en un cierto lugar, como si fuese una partcula (izquierda) Al aumentar elnmero de fotones, empieza a aparacer una figura de interferencia (centro). Tal figura exige que cada fotn haya pasado a travs deambas rendijas, como si fuese una onda (derecha).

Figura 3

Atomo Electrn(carga -)

Ncleo o protn(carga +)

Figura 4


Absorcin y emisin

El tomo es un sistema que, adems, posee undeterminado nivel de energa. Si dicho sistemaes sometido a una radiacin es decir, a la ac-cin o golpeo de paquetes o cuantos de ener-ga- se produce entonces un aumento en el es-tado energtico que posee; en este caso, comolos electrones son las partculas que poseenmenos masa, saltan fcilmente de una rbitacercana al ncleo (de baja velocidad) a otra msalejada (de mayor velocidad); en ese momentopodemos decir que el tomo ha pasado a un es-tado de excitacin.

Y al contrario, cuando los electrones regre-san a una rbita ms cercana al ncleo es por-que el tomo ha cedido una cierta cantidad deenerga en forma de fotones, con lo que deci-mos que el tomo nuevamente est en su esta-do base. Para entender mejor esta idea recu-rramos a la figura 5.

En la parte A de la figura, partimos de unasituacin inicial en la que tenemos un tomo queposee cierta cantidad de energa; dicho tomocontiene un electrn que gira en una rbita in-termedia cualquiera; si el tomo emite un fotn,se producir un salto del electrn hacia una r-bita ms cercana al ncleo.

Ello sucede porque el fotn emitido representauna pequea prdida de energa del electrn, yesto, a su vez, significa que el ncleo lo puedeatraer con ms facilidad. (Recuerde que la ener-ga del ncleo atrae el electrn, pero la veloci-dad de giro de ste le permite cierta posibilidadescapatoria; de ah entonces que se desarrolletanto una fuerza centrfuga como una centrpe-ta al interior del tomo. Esta combinacin defuerzas contrarias es lo que determina la distan-cia a la que gira el electrn en torno al ncleo.) Aeste fenmeno se le llama "emisin", y es en prin-cipio el responsable del fenmeno de la luz, yaque cada fotn emitido es, de hecho, luz emitida.

En la parte B de la figura se presenta una si-tuacin inversa, en la que el tomo en lugar dever disminuida su energa por la emisin de luz(fotn), la ve aumentada por la llegada de unpaquete o cuanto de energa. Cuando esto suce-de, el fenmeno se conoce con el nombre deabsorcin, y a l se debe que disminuya la canti-dad inicial de luz; en este caso, el tomo en cues-tin pasa de su estado base a un estado excita-do, en el que ha ganado energa, permitiendoque el electrn se traslade a una rbita ms le-jana del ncleo.

Fuentes convencionales de luz

Con todo lo anterior, podemos deducir fcilmen-te cmo funcionan las fuentes tradicionales de luzque todos conocemos, y por qu es necesaria unafuente de energa para mantenerlas funcionando.

Las fuentes convencionales o clsicas de luzson, sencillamente, una vela, una lmpara in-candescente, el sol etc. Producen luz porque lostomos en su interior han sido excitados msall del lmite estable, por lo que de forma es-pontnea sus electrones estn brincando a r-bitas de baja energa, liberando durante este pro-ceso suficientes fotones para producir una luzapreciable.

Por ejemplo, la luz incandescente tiene comofuente energtica la corriente elctrica, que -comoya dijimos- no es ms que una enorme cantidadde electrones fluyendo de un punto a otro. Eneste flujo, estas partculas chocan contra los elec-trones del material incandescente del foco, obli-

Emisin

ElectrnSituacin inicial(Estado base)

Situacin inicial(Estado base)

Situacin final

Situacin final(Estado excitado)

Absorcin

Fotn

Fenmenos de emisin y absorcin de fotones

A

B

Figura 5


gndolos a pasar a una rbita superior de altaenerga. Como dicho estado no es muy estable,los electrones tarde o temprano caen a su rbitanormal, liberando en el proceso un fotn.

Ya estando en su rbita normal, existe la po-sibilidad de que llegue nuevamente un electrnviajero y choque con l regresndolo a una rbi-ta de alta energa, y el proceso se repite una yotra vez mientras haya flujo elctrico a travsdel material del foco. Lo mismo podemos decirde una vela, pero en este caso la fuente de ener-ga externa es la combustin del material.

Ahora bien, la luz que emana de estas fuen-tes se denomina "luz incoherente" porque surgecomo un conjunto de ondas que se refuerzan ocancelan entre ellas, segn su direccin. Ver lafigura 6.

Se dice que la incoherencia de este tipo deluz es espacial porque se trata de luz emitida alazar por tomos alejados entre s, y llega a unpunto por trayectorias pticas diferentes.

La incoherencia tambin es temporal porquela luz emitida es de diferentes frecuencias, lo que

la hace ser policromtica. En suma, la luz queemana de las fuentes convencionales es inco-herente espacial y temporalmente; en cambio,la luz que surge del lser segn veremos msadelante- es coherente espacial y temporalmen-te, lo cual le brinda caractersticas cruciales quela diferencian completamente de la luz surgidade fuentes convencionales. En otras palabras: laluz del lser emana en forma de rayo y es de unsolo color; la luz del otro tipo de fuentes se pro-paga en forma de radiaciones en diferentes di-recciones y es policromtica.

Emisin inducida o estimulada

En este caso tenemos un tomo en estado exci-tado que es golpeado por un fotn; en conse-cuencia, el tomo puede emitir dos fotones, conlo que retorna al nivel energtico correspondien-te al estado base, saltando el electrn no a unarbita superior, sino a una inferior (figura 7). A estefenmeno se le llama "emisin inducida o esti-mulada", y constituye el principio de operacindel lser; fue descubierto por Einstein en 1917.

En esencia, como puede deducir el lector, laemisin estimulada consiste en provocar el re-torno de un tomo excitado a su estado base,golpendole con un fotn incidente; ello produ-ce la emisin de dos fotones con las mismascaractersticas y direccin de propagacin, lascuales son determinadas por el fotn incidente.Segn este fenmeno, la luz puede ser amplifi-cada por medio de la emisin estimulada de ra-diaciones.

Estructura bsica del lser

Consideremos ahora un sistema formado por unconjunto de tomos, algunos en su estado base

Fotn

Fotn

Fotn

Emisin espontneaFigura 6

Fotnincidente

Fotones

Emisin inducida estimulada

Electrn

Figura 7


y otros en estado excitado. Si golpeamos a estesistema con un fotn, se verificar en su interiortanto el fenmeno de emisin inducida como elde absorcin de fotones.

El primero producir la expulsin de paque-tes de energa de algunos tomos, en tanto queel segundo tender a hacerlos desaparecer. Esdecir, por un lado se amplifica el efecto del fotnincidente, pero por otro tiende a nulificarse; elresultado final depender del nmero de tomosque se encuentran en estado excitado y del n-mero de ellos que se hallen en su estado base. Paraque se produzca al final una amplificacin delefecto, la cantidad de tomos en estado excitadodeber ser mayor al nmero de ellos en su estadobase. Ejemplifiquemos esto con la figura 8.

Las lneas horizontales superiores represen-tan al estado excitado de los tomos que com-ponen al sistema atmico en cuestin, y las l-neas inferiores representan al estado base. Algolpear a un tomo excitado con un fotn emi-te, a su vez, dos fotones y decae su nivel de ener-ga a su estado base; posteriormente, estos dosfotones resultantes golpean a otro tomo exci-tado, producindose el mismo fenmeno deamplificacin. Estos tres paquetes de energa seproyectan ahora contra un tomo que se encuen-tra en su estado base, por lo que ahora se emi-ten solamente dos fotones y el ltimo tomogolpeado absorbe energa, quedando al final enestado excitado.

Y as sucesivamente, tendremos un procesode emisin-absorcin de fotones. Para que al fi-nal prevalezca el efecto de amplificacin propiode la emisin inducida, es necesario que el n-mero de tomos en estado excitado sea cons-tantemente mayor al nmero de ellos en su es-tado base, lo cual requiere de un sistema de bom-

beo que brinde selectivamente a los tomos laenerga necesaria.

As pues, el sistema de bombeo es el encar-gado de proporcionar un elevado flujo de ener-ga (fotones) a un cierto conjunto de tomos enel que ocurren los procesos de absorcin y emi-sin inducida-, el cual recibe el nombre de "me-dio activo". Este puede encontrarse en cualquierade los estado de la materia: slido, lquido o ga-seoso; sin embargo, a pesar de que se ha logra-do que persista el efecto amplificador de la emi-sin inducida, al aplicarse al medio activo unsistema de bombeo, debido a la duracin de cadafotn en el citado medio activo es pequesimaya que los fotones viajan a la velocidad de laluz-, el proceso de la emisin estimulada es in-capaz de extraer toda la energa que el sistemade bombeo deposita en el medio activo.

Para resolver este problema debe hacerse usode un elemento denominado "cavidad resonan-te", que consiste en un par de espejos paraleloscolocados en los extremos del medio activo, talcomo podemos ver en la figura 9.

Cada fotn que se refleja en el espejo rebotay dirige nuevamente hacia el medio activo, per-

Fotones

Fotnincidente

Estado excitado de los tomos

Estado base de los tomos

Dos tomos en estado excitado(inicialmente)

Atomo en estadobase (inicialmente)

Principio de la amplificacin por lser

.............................

Figura 8

3

1

2

3

Fotones

Fotones

Rayolser

1 Medio activo2 Sistema de bombeo3 Cavidad resonante

Estructura bsica del lser

Figura 9


mitiendo as una expansin mayor de la emisinde fotones.

Sin embargo, advierta que slo uno de losespejos refleja todos los fotones incidentes en ly que el otro deja escapar una pequea cantidadde ellos. Este nmero pequeo de fotones queescapan de uno de los espejos de la cavidad re-sonante, es lo que viene a constituir el rayo deluz lser. Dicho haz de energa as emitido po-see las caractersticas de coherencia espacial ytemporal; en otras palabras, la luz que emite ellser surge a partir de un cierto punto y esmonocromtica, a diferencia de la luz incohe-rente que emiten las fuentes de luz convencio-nales.

Ya sabemos entonces que el lser es una fuen-te de radiacin integrada por un medio activo,un sistema de bombeo y una cavidad resonante;conviene ahora aclarar que la radiacin se ubi-ca en la regin visible, infrarroja o ultravioletadel espectro electromagntico, aunque ya sehabla de un lser que puede operar a las longi-tudes de onda de los rayos X.

Recordemos que, desde el punto de vista dela fsica moderna, la nica diferencia que existeentre la luz visible, los rayos X, infrarrojos yultravioleta, las ondas de radio, de televisin, etc.estriba en las distintas longitudes de onda deesas radiaciones. El espectro electromagnticocomprende una gran variedad de ondas electro-magnticas, que van desde rayos cuya longitudde onda es de una cienbillonsima fraccin decentmetro como los csmicos-, hasta ondas de

radio con longitudes infinitas. El hombre perci-be slo una diminuta fraccin de este espectro(figura 10).

Consideraciones finales

Para finalizar el presente artculo, insistimos enque el lser es una fuente de luz producida ysobre todo amplificada por la llamada emisininducida o estimulada, la cual es diferente a laemisin espontnea en que se basan las fuentesde luz convencionales. Las propiedades msimportantes del haz del lser son:

a) Gran intensidad y posibilidad de ser concen-trada en un objeto.

b) Gran coherencia espacial, lo que permite quela luz emane prcticamente de un punto biendefinido.

c) Gran coherencia temporal, lo cual significa quela luz del lser es casi monocromtica, o sea,tiene un solo color o longitud de onda.

d) Gran directividad, hecho que permite que elhaz del lser tenga una divergencia inapre-ciable en su anchura a lo largo de grandesdistancias.

Estas cuatro caractersticas, por supuesto, no lasposee la luz emitida por fuentes convenciona-les; de ah se deriva, entonces, la gran aplica-cin que tiene la luz del lser en la medicina, enla fusin termonuclear, en las telecomunicacio-nes, en la industria, etc.

Des

cono

cido

Ray

os

csm

icos

Ray

os

gam

ma

Ray

os

X

Ray

os

ultr

avio

leta

Infra

rro

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chisp

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Rad

ar

Tele

visi

nO

ndas

cor

tas

de ra

dio

Ond

as ra

dio

Ond

as ra

dio

side

rale

s

Regin de luz visible para el hombre

10-14 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-310-2 10-110 1 102 103 104 105 106 107 108 109

Longitud en centmetros(expresadas en potenciasdel nmero 10)

Regin en que se producela luz del lser

Viol

eta

Azul

Verd

e

Amar

illo

Nar

anja

Rojo

400mm 700mm

Espectro electromagntico

Figura 10


DIODO ZENERDIODO ZENER

Oscar Montoya Figueroa

El presente artculo est enfocado adescribir las caractersticas de

operacin del diodo zener, as comosus aplicaciones bsicas y algunos

criterios para comprobar su estado.Los diodos zener, son

semiconductores que se distinguenpor su capacidad de mantener un

voltaje constante en sus terminalescuando se encuentran polarizados

inversamente, y por ello se empleancomo elementos de control.Actualmente se encuentran

disponibles diodos zener conpotencias que van desde 1/2 watthasta 50 watts, para tensiones de

entre 2, 4 y 200 voltios.

Caractersticas de operacin

Recordemos que para los dispositivos electrni-cos, como los diodos y los transistores por ejem-plo, existe un conjunto de grficas llamadas cur-vas caractersticas, en las que se representansus distintos valores de corriente y voltaje se-gn sean las condiciones de polarizacin en quese encuentren.

Los diodos rectificadores operan en la zonade polarizacin directa, y nunca se polarizan enla zona de ruptura (valor de voltaje de polariza-cin inversa, en donde el diodo comienza a con-ducir de manera descontrolada). Esto es porquepodran sufrir daos en su interior.

Por su parte, el diodo zener est diseado paratrabajar en la zona de ruptura; es decir, presen-ta una resistencia muy elevada en polarizacininversa hasta un determinado valor de la ten-sin. En este punto comienza el efecto avalan-


cha, y la resistencia cae bruscamente a valoresmuy bajos. Mientras que la corriente crece muyrpido, la tensin entre los extremos del diodopermanece casi constante.

Los diodos zener se utilizan en circuitos re-guladores de voltaje, los cuales mantienen elvoltaje de salida constante sin importar el con-sumo de corriente en la carga o las variacionesde la lnea de alimentacin comercial. En la fi-gura 1 se muestra su smbolo.

Ruptura del zener

El dopado que se aplica en las regiones P y N deldiodo es muy fuerte, y produce un dispositivocon un gran campo elctrico interconectado, enel interior de su regin de agotamiento.

Bajo condiciones de polarizacin positiva, elcomportamiento fsico del zener es idntico alde un diodo rectificador. Sin embargo, bajo con-diciones de polarizacin inversa, el gran campointerconstruido del zener se incrementa an mspor el voltaje aplicado en ste. Cuando el voltajede polarizacin inversa llega al punto de ruptu-ra, el campo elctrico en la regin de agotamien-to se hace tan grande que los electrones de losenlaces son arrancados de los tomos estacio-narios. En algunos diodos, los electrones sonarrancados de sus tomos originales por la in-tensidad del campo elctrico. A este proceso sele conoce con el nombre de ruptura zener.

En otro tipo de diodos, los electrones son li-berados cuando los tomos originales sufren co-lisiones con los electrones libres que se han ace-lerado a causa del campo elctrico. A este pro-ceso se le conoce como ruptura en avalancha.

En cualquiera de los dos casos presentados,el proceso de ruptura genera un suministro deportadores que pueden soportar un flujo de co-rriente en direccin inversa.

Si la disipacin de energa en el zener no ex-cede algn valor mximo permitido (que se de-termina por el tamao, forma y capacidad dedisipacin de calor del propio diodo), el procesode ruptura inversa no daar la estructura fsicadel dispositivo; la razn es que en este tipo deelementos, tal hecho representa un procedimien-to comn.

La ruptura desde un punto de vista del circui-to, es parecida a la conduccin de corriente endireccin de polarizacin directa.

La principal diferencia entre el estado de po-larizacin directa y el estado de ruptura inversadel zener, es la rapidez con que ocurre la transi-cin a esta ltima.

Curvas caractersticas

Considerando que los diodos zener se constru-yen a partir de un diodo rectificador convencio-nal variando el nivel de dopado en el materialsemiconductor, el fabricante puede obtenerdiodos con tensiones de ruptura que van desde2 hasta 200 voltios. Adems, estos diodos pue-den funcionar en cualquiera de las tres zonas desu curva caracterstica: directa, inversa y de rup-tura (figura 2).

En la zona de polarizacin directa el diodo co-mienza a conducir a los 0.7 voltios, tal como su-cede con los diodos rectificadores convenciona-les. En la zona de polarizacin inversa (es decir,entre los 0 voltios y el punto de ruptura), circulauna pequea corriente inversa. En la grfica deldiodo zener, a partir del punto de ruptura, la co-rriente que atraviesa al dispositivo aumenta r-pidamente a pequeas variaciones de voltaje. Di-cho de otra manera, podemos sealar que elvoltaje se mantiene constante en un cierto ran-go de corriente en el punto de ruptura Vz. En lashojas tcnicas de datos, que proporcionan losfabricantes de diodos, encontraremos indicadoel valor de Vz para un valor especfico de co-rriente Izt.

Smbolo electrnico del diodo Zener

Diodo

Figura 1


Resistencia zener

Al igual que sucede con algunos otros elemen-tos semiconductores, este diodo presenta unacierta resistencia interna en las zonas P y N.Cuando circula corriente elctrica por el diodo,se produce una cada de tensin en sus termi-nales y adems aparece el voltaje de ruptura Vz.Esto significa que si un diodo zener est ope-rando en el voltaje de ruptura Vz, a un aumentoen la corriente corresponder slo un pequeoaumento en la cada de tensin (de apenas unascuantas dcimas de voltio). Es muy importanteconsiderar esta caracterstica para el diseo decircuitos.

Una aplicacin prcticaEl diodo zener recibe el nombre de diodo regu-lador, dada su caracterstica de mantener elvoltaje constante entre sus terminales, incluso

cuando la corriente del circuito vara. En condi-ciones normales, para su operacin se polarizaen forma inversa.

El voltaje de salida de la fuente de alimenta-cin que se utiliza debe ser mayor que la ten-sin de ruptura Vz. Esto es necesario, puesto quese emplea una resistencia Rs en serie con el dio-do; por lo tanto, entre estos dos elementos sedivide el voltaje de la fuente.

Si la resistencia no es colocada y tomando encuenta que cumple la importante funcin de li-mitar la corriente para el valor mximo permiti-do por el diodo, ste se quemara irremediable-mente por la disipacin excesiva de potencia.

En la figura 3, vemos un circuito en el que seindica la forma de colocar el diodo zener en lasalida de una fuente de alimentacin. Podemosconstatar que se encuentra colocado en serie conla resistencia Rs. El voltaje en sta es igual a ladiferencia entre el voltaje de salida de la fuentey la cada de tensin a travs del diodo; por esoes que la corriente que circula a travs de la re-sistencia se puede calcular mediante la frmulaIs = (Vs - Vz)/Rs.

El valor de la corriente que atraviesa la resis-tencia en este circuito, es igual al valor de lacorriente que circula por el diodo.

Para representar ms fielmente al diodozener, habra que considerarlo como una fuentede voltaje y una resistencia en serie. En tal caso,la fuente de voltaje equivaldra a Vz y la resis-tencia a Rz.

Lo que acaba de describirse es un circuito t-pico para la regulacin de voltaje en una fuentede alimentacin, siempre y cuando ste seamayor que el voltaje de salida.

-V Vz +V

0.7v

Iz1

Iz2

(Polarizacinnegativa) (Polarizacinpositiva)

Curva caracterstica para el diodo zener

Figura 2

+

-

Rs

Dz

T1D1 L1 RS

127V

C1 C2 Dz

(+)

(-)

Polarizacin del diodo zener Circuito en el que se utiliza al diodo zener para regular la salidade una fuente de alimentacin

Figura 3


Se le conoce como regulador de voltajezener, o simplemente regulador zener; unnombre ms apropiado sera el de estabiliza-dor zener, reservando el de regulador paraaplicaciones de mayor complejidad en las quese utilizan tcnicas de realimentacin.

En la figura 4 se muestra un diodo reguladorzener conectado con una carga de salida. Ahpodemos observar tambin el circuito equiva-lente, en donde se emplea una batera. Mientrasel diodo est polarizado en la zona de ruptura,Vz mantendr constante el voltaje de salida quese aplica a la carga (incluso cuando vare el vol-taje de entrada proveniente de la fuente o la re-sistencia de carga).

Efectos de la temperatura

Cuando el diodo zener se conecta a un circuito,puede ser afectado por el aumento en la tempe-ratura ambiente; como resultado, la tensinzener variar.

Normalmente, los fabricantes de diodos pro-porcionan hojas de datos en las que se indicanlos efectos de la temperatura sobre cada diodo

especfico. Con este propsito, se especifica queel coeficiente de temperatura es el cambio por-centual por cada grado de variacin de la tem-peratura.

Los diseadores de circuitos necesitan calcu-lar el cambio en la tensin zener para la tempe-ratura ambiente ms alta. Las personas dedica-das a la reparacin de circuitos, deben conside-rar tambin el efecto de la temperatura sobre eldiodo zener.

Para diodos zener con voltajes de rupturamenores a 5 voltios, el coeficiente de tempera-tura ser negativo; para diodos zener con ten-siones de ruptura mayores de 6 voltios, el coefi-ciente de temperatura ser positivo. En el rangocomprendido entre 5 y 6 voltios, el coeficientede temperatura pasa de negativo a positivo; poreso es posible encontrar un punto de operacinen el que el diodo zener tiene un coeficiente detemperatura igual a cero. Este dato es importantepara aquellas aplicaciones en que se necesita unvoltaje zener constante o para un rango ampliode temperaturas.

Aplicaciones de los diodos zener

En la mayora de las aplicaciones de circuitoselectrnicos, los diodos zener se utilizan comoelementos reguladores de voltaje; entonces, semantienen polarizados dentro de la zona de rup-tura zener.

Pero los diodos zener pueden utilizarse enmuchas otras aplicaciones. Un ejemplo de ellolo tenemos en la figura 5. Vemos un circuito for-mado por dos diodos zener en configuracin de

Circuito zener con una carga de salida

Rs

DzSalida de la fuente

(+)

(-)

Rc

Circuito equivalente en el que se utiliza una batera para producir Vz

Rs

Vz

(+)

(-)

Rc+

-

Figura 4

Rs

Circuito formador de una onda cuadrada

Seal de entrada

Seal de salida

Figura 5


formadores de onda; se han conectado de for-ma encontrada, es decir, en polarizacin opues-ta. En la entrada del circuito se ha colocado ungenerador que entrega una seal senoidal.

Durante el primer semiciclo positivo de la se-al senoidal, el diodo de la parte de arriba con-duce, en tanto que el diodo de la parte de abajose encuentra en la zona de operacin zener. Enla salida se obtiene un medio ciclo positivo deforma cuadrada.

La intensidad de la seal recortada es igual alvoltaje zener (diodos en zona de ruptura), ms0.7 voltios (del diodo en polarizacin directa).

En el semiciclo negativo, la operacin se in-vierte: mientras que el diodo de la parte de aba-jo conduce, el diodo superior pasa al estado dela zona de operacin zener. El efecto total es elde obtener en la salida una forma de onda casicuadrada. Conforme se incremente el valor deintensidad de la seal senoidal de entrada, msperfecta ser la seal cuadrada de salida.

Caractersticas de los diodoszener comerciales

Hasta este punto hemos tratado las caractersti-cas de los diodos zener de manera terica, peroes importante tener en cuenta las caractersti-cas tcnicas de los diodos comerciales, lo quepermitir realizar fcilmente la deteccin de fa-llas y la reparacin.

En la eleccin de los diodos zener el primerparmetro que debemos considerar es el voltajede zener Vz; de manera comercial encontramosdiodos para voltajes que van de 2.4 a 200 voltscomo valores tpicos. Recordemos que el voltajezener es el nivel de tensin que se mantendrconstante en los extremos del diodo.

El segundo parmetro que debemos conside-rar es la disipacin de potencia, que indica lacantidad mxima de energa que el diodo puededisipar; en otras palabras, indica el valor mxi-mo de corriente que puede conducir el diododurante el proceso de regulacin. A mayor can-tidad de corriente elctrica el diodo requiere deun encapsulado ms grande, para poder disiparel calor que se genera debido a la mayor con-duccin de corriente elctrica.

Entre los tipos de encapsulados tpicos tene-mos los que se indican en la figura 6. Observeque para potencias de + de watt los diodos seconstruyen en encapsulados de montaje super-ficial, y aunque dicho encapsulado tiene tres ter-minales slo dos de ellas se utilizan. Esto le per-mite al fabricante utilizar el mismo encapsuladopara diodos y transistores; simplemente se indi-ca la diferencia con la matrcula impresa sobreel cuerpo del dispositivo.

Los encapsulados para los diodos de + a 5watts, son del tipo cilndrico para montaje encircuito impreso tipo true-hole. Finalmente, losdiodos de 10 a 50 watts se construyen enencapsulados metlicos; el ctodo se encuentraconectado al cuerpo del dispositivo, y slo cuentacon una terminal conectada al nodo del diodo.

En la tabla 1 mostramos un listado de losdiodos zener para voltaje zener de 2.4 a 6.8 volts,y para potencias de + a 50 watts.

Comprobacin de los diodos zener

Cuando sospeche que est fallando un diodozener que se encuentra interconectado en unatablilla de circuito impreso, primero debe com-probar que las resistencias limitadoras asocia-das al diodo conserven su valor nominal indica-do en el cuerpo del dispositivo. En caso de queno correspondan al valor adecuado, proceda aremplazar dichas resistencias y contine con eldiagnstico del diodo zener.

Si las resistencias se encuentran bien, enton-ces encienda el aparato y compruebe con elmultmetro si el voltaje en los extremos del dio-do corresponde al voltaje zener que se requiereen ese punto. En caso contrario reemplace elelemento.

Finalmente, si la falla persiste, entonces des-conecte el aparato y desolde una de las termi-nales del diodo; enseguida, con el multmetro enla funcin de hmetro en el rango ms bajo, com-pruebe la conductividad del diodo en ambos sen-tidos: si conduce en un sentido y en el otro no,entonces se encuentra en buen estado; si con-duce en ambos sentidos entonces se encuentraen corto; y si no conduce en ningn sentido,entonces est abierto internamente.


.016 (.406)

.091(2.20)

.052(1.30)

.020 (.530).076 (1.91).117 (2.92)

.040 (1.00)

.021 (.52)

.004(.108)

.040 (1.00)

.007 (1.78)

Encapsulado de montajesuperficial para diodos zenerde 1/4 de watt y menos

0.34 (.86).210 (5.33)

Mx.

1.10(27.94)

Min.(2 leads)

.107 (2.72)

.040(1.02)TYP.

1.10(25.4)

Min. TYP.

.140(3.56)

Texto

DIA.

.350(8.89)Mx

.022 (.56)Mx.DIA

.090 (2.29)Mx. DIA

.200 (5.08)Mx.

1.000 (25.4)Min.

.437(11.10)

Mx

.405(10.29)

Mx

.800(20.32)Mx.

.438(11.13)

10-32 UNF-2A

.687 (17.45)Mx.

.450(11.43)

Mx

1.0(25.4)Mx.

.438(11.13)

1/4-28 UNF-2A

Diodos de montaje en circuito impreso convencional

La banda de color indica ctodo La banda de color indica ctodo

La banda de color indica ctodo

Figura 6


LA TELEVISION

DIGITAL (DTV)

LA TELEVISION

DIGITAL (DTV)

Carlos Garca Quiroz

En este artculo, haremos unrecuento de las principales tcnicas

que se utilizan en los formatos detelevisin digital que apenas se estn

implementando, una vez que losorganismos regulatorios de Estados

Unidos han aprobado las normasrespectivas. Definitivamente, hay

cambios sustanciales entre unformato analgico y uno digital, pues

ste ltimo incorpora el fruto de losavances en la tecnologa de

procesamiento de datos.

Qu es la televisin digital?

La televisin con tecnologa digital se basa en laconversin de una seal de TV convencional(que es 100% anloga) en una secuencia de bits,cuyos estados (0,1) son las unidades mnimasde informacin con que trabajan todas las com-putadoras y los sistemas lgicos (figura 1).

Esta conversin tiene diversos aspectos queconviene tomar en cuenta, entre los que desta-ca el siguiente: desde que comenzaron a utili-zarse las tcnicas digitales, los investigadoresadvirtieron que una conversin directa de la se-al de TV en formato digital requera un anchode banda realmente prohibitivo, que implicarala desaparicin de una gran cantidad de canales


de TV o el uso de bandas de frecuencias que anno hubieran sido explotadas (algo similar suce-di con el formato de alta definicin de la NHKde Japn, el cual necesitaba de un ancho de ban-da excesivo, razn por la que nunca logr nin-gn xito fuera de ese pas, y en la actualidad hasido completamente abandonado).

Debido a la gran cantidad de informacin queaparece en una imagen en movimiento, toda lasecuencia de bits obtenida en la conversin deanalgico a digital debe transformarse en unasecuencia ms pequea; es decir, tiene que sercomprimida y codificada para que puedatrasmitirse a los receptores, ya sea por va te-rrestre, satlite, cable o incluso por microondas.

Veamos ms de cerca cmo se hace estatransformacin: la imagen digital es un conjun-to de pequeos elementos unitarios, llamadospixeles o pels, ordenados en forma matricial ydonde cada uno tiene un valor numrico querepresenta su intensidad luminosa y su color.

Para representar de forma digital una imagen,se necesita una cantidad muy grande de bits quedescriban la conformacin de los casi 350,000pixeles o elementos que componen la imagen(figura 2).

Conversin analgico/digital

El primer paso que debe cumplir la televisindigital es la conversin de anlogo a digital (A/D), ya que -como sabemos- la seal de imagenque se obtiene de las cmaras de video esanalgica (los dispositivos captores de luz CCDconvierten la luz que les llega en un nivel devoltaje equivalente, lo que a final de cuentas setraduce en una seal anloga).

Este proceso consiste en convertir, bajo con-diciones controladas, los voltajes analgicos encdigos binarios expresndolos en forma de unescalonado discreto (figura 3). Dicha conversindebe regirse por ciertas normas muy estrictas

A/D

1

4

3

56

7

CodificadorMPEG-II

2

8

En forma resumida, podemos decirque la televisin digital comienza de

manera idntica a la televisinanloga: con una imagen

1 tomada por una cmara de video2 , que convierte la informacin

luminosa en seal de video anloga3 . Esta seal pasa por un

convertidor A/D 4 , de donde yasale como informacin digital 5 .Para evitar que en su transmisin

utilice un ancho de banda excesivo,se comprime bajo el estndar MPEG-II 6 , y finalmente se amplifica y

se enva hacia la antenatransmisora 7 , para que sea

recibida en los receptores deTV-digital hogareos 8 , donde se

invierte el proceso y se recupera laimagen original.

Figura 1


para que haya un mnimo de prdidas de infor-macin; a continuacin mencionaremos algunasde las ms importantes.

Teorema de muestreo de NyquistPara conseguir una conversin A/D adecuada,la teora de comunicacin se ha apoyado en lasmatemticas. Justamente, para determinar la fre-cuencia mnima con la cual se puede muestrear

una seal anloga, sin que se lleguen a perderporciones importantes de seal durante el pro-ceso de transformacin, se utiliza el teorema demuestreo de Nyquist, que dice: Si la frecuenciade muestreo (Fs) es al menos el doble de la fre-cuencia ms alta en la seal (Fmx), se puederecuperar la seal original de los datos discre-tos. Esto significa que si, por ejemplo, quere-mos hacer un muestreo de una seal de audioque abarca desde 20 a 20,000 Hz, tendramosque usar una frecuencia de muestreo mnima de40 KHz.

De esta manera se limita el ancho de bandade los circuitos de procesamiento, dando as mis-mo una aproximacin del ancho de banda re-querido. En la prctica, los valores de muestreode video digital estn arriba del mnimo y soncolocados en 2.5 veces la frecuencia ms altade la seal (en el caso del video, cuya frecuen-cia mxima en el formato NTSC llega hasta 4.25MHz, la frecuencia de muestreo mnima sera de9.5 MHz; y si es de ms, mejor).

Muestreo, cuantizacin y resolucinEn el proceso de conversin de una sealanalgica a digital, la amplitud de la primera esdividida en un cierto nmero de intervalos regu-

SensorCCD M/R

A/D

ControlDisparador

Sensor CCD (dispositivo de carga acoplada): Captura la informacin de luz y la convierte en voltaje.Muestreo/Retencin (M/R): Detiene el voltaje para que sea convertido. Convertidor A/D: Convierte el voltaje a cdigo binario.Control: Sincroniza la operacin durante el proceso.

Obtencin de una imagen digital

Analgica DigitalImagen anloga Imagen digital

Figura 2

Figura 3

Duplicando el nmero de lneas horizontales (de 625 a 1250),las imgenes televisivas adquieren una calidad casi fotogrfica;pero esto requiere una cantidad de bits muy grandes.


lares (que son los nicos valores que podr to-mar la seal en su formato digital), obtenindoseun valor numrico equivalente. En cada periodode muestra, cuya duracin depende del nmerode muestras tomadas o de la frecuencia demuestreo (Sampling Frequency), se captura unvalor numrico equivalente al valor anlogo dela seal original.

En la figura 4 se muestran dos aproximacio-nes de una onda seno, pero con dos frecuencias

de muestreo distintas: el valor de la alta frecuen-cia es el doble del valor de la baja frecuencia.Obviamente, puesto que los valores de muestreoms altos dan la mejor aproximacin, se pro-porciona una mejor resolucin.

En la figura 5 observamos dos ondas anlo-gas tipo tringulo con periodos de muestreoidnticos. La diferencia entre ambos es que losniveles de conversin vlidos del segundo casoduplican en nmero a los del primero (lo que

Ondas seno con diferentes frecuencias de muestreo

Frec. de muestreo baja

Fs

Frec. de muestreo alta

2Fs

Figura 4

Niveles de cuantizacin

3

2

1

-1

-2

-3

1

3

5

-1

-3

-5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Cuantizacin

6 niveles de cuantizacin

Nive

les

de c

uant

izaci

n

Periodos de muestreo Fs

12 niveles de cuantizacin

Figura 5


significa que en el segundo caso la sealanalgica se ha dividido en intervalos la mitadde pequeos que en el caso 1).

Combinando ambos fenmenos, podemosdecir que la resolucin de un proceso de con-versin de anlogo a digital est estrechamenterelacionado con el nmero de muestras por se-gundo y la cantidad de intervalos utilizados pararepresentar el voltaje anlogo original; y en am-bos aspectos, mientras ms elevado sea el va-lor, mejor se representar la seal original.

Codificacin A/DDespus de que la seal analgica es muestreaday se han obtenido una serie de valores numri-cos de su amplitud en los puntos de muestreo,este valor numrico deber convertirse en un n-mero binario, para su posterior manejo por me-dio de circuitos lgicos (lo que significa por ejem-plo que un valor de 23 unidades se representarcomo 10111).

El nmero de bits usado en este cdigo binariose relaciona exponencialmente con el nmerode niveles de cuantizacin utilizados. El proce-so de asignacin de un cdigo binario a cadanivel de cuantizacin es llamado codificacin.

Un cdigo N-BIT utilizara N bits, con lo cualse tendran 2N niveles de voltaje distintos. Entanto, un cdigo de 4 bits permitira 24 16 ni-veles, y un cdigo de 8 bits sirve para represen-tar 28 256 niveles. Un sistema completo de co-dificacin binaria, cuenta con un mtodo de me-dicin de una muestra analgica contra los ni-veles de referencia; adems, produce el cdigobinario apropiado para el nivel de unacuantizacin particular (figura 6).

Recomendaciones CCIR-601Debido al predominio de la televisin como me-dio de entretenimiento en nuestros das, y paratratar de estandarizar los formatos (evitando zo-nas en las que existen dos o ms sistemas detelevisin simultneamente, como en Europa yalgunas regiones de Sudamrica), se han dise-ado reglas mundiales que permitan la conver-sin a formato digital de cualquier seal de vi-deo, no importa que el original venga en forma-to NTSC, PAL, SECAM, etc.

Especficamente, la norma CCIR-601 fija losformatos de imagen, parmetros y procedimien-tos para la representacin digital de seales devideo analgico, y est basada en la idea de te-ner una frecuencia de muestreo comn para lasnormas de exploracin de 625/50 (formatos PALy SECAM) y 525/59.94 (formato NTSC). Esto serefiere al nmero de lneas horizontales y a lafrecuencia de barrido vertical de los sistemas eu-ropeo y americano, respectivamente. La inten-cin de esta unificacin es que cuando seinstaure la televisin digital, por fin se eliminenlas zonas geogrficas que usan distintas normasde TV, estableciendo un estndar mundial.

Para describir la familia de frecuencias demuestreo, fue introducida una anotacin espe-cial; en sta, la frecuencia de 3.375 MHz es utili-zada como unidad de medicin.

El video digital compuesto utiliza una frecuen-cia de muestreo que es de cuatro veces la fre-cuencia de la subportadora (4 Fsc), lo que signi-fica que su valor es de 14.32 MHz en NTSC, yesto facilita la estabilizacin de la fase de lasmuestras con respecto al Burst de color y la se-paracin Y/C (figura 7).

Las seales por componentes son mues-treadas de diferente manera que la seal com-puesta, ya que -como se dijo antes- la frecuen-

-11

-10

-01

Niv

eles

Seal

Codigo binario2-BIT

Muestra

Cdigo binario de una muestra escogida, el cual ser 10

Figura 6


cia base de muestreo es de alrededor de 3.375MHz; de ah que la frecuencia empleada paramuestrear la seal de luminancia (4Fs), sea de13.5 MHz (figura 8).

En sistemas por componentes, las seales dediferencia de color tienen menos ancho de ban-da (por lo general menos de la mitad de la sealde luminancia); o sea que se puede muestrear

con la mitad de la frecuencia (6.75 MHz); as, el4 representa 13.5 MHz, y el 2 representa 6.75MHz.

En el mbito de la difusin televisiva, la ma-yora de los equipos profesionales utilizan elmuestreo 4: 2: 2 (figura 9).

A pesar de dicha estandarizacin, an existeun problema muy serio cuando tratamos de

NTSC

Burst

Lnea activadigital

784 785 784 785

909 0 767

8- Bits 10- Bits25510 102310

80010

24010

1610

6010

410

20010PEAK WHITE

BLANKING

Nmero de muestras de NTSC digital.Observe los parmetros de la seal NTSC muestreada a 4 Fsc,y que corresponden a la norma SMPTE 244M.

Niveles de cuantizacin de 8 y 10 bits para NTSC.Observe cmo la seal NTSC analgica se adapta a losniveles de cuantizacin de 8 y 10 bits.

Figura 7

Lnea activa

Luminancia:720 muestras

Cr, Cb: 360 muestras122

858 ciclosde 13.5 MHz

50%del sinc. 16

8- Bits 10- Bits255(10) 1023(10)

940(10)

64(10)16(10)

0

235(10)

PEAK WHITE

BLANK

0

Relacin A/D de una lnea devideo en componentes con unafrecuencia de muestreo de 13.5 MHz.

Observe cmo la seal por componentesdigital se adapta a los niveles de cuantizacin

de 8 y 10 bits. La informacin de sincronadesaparece de la parte baja de la escala porque

slo se utiliza con lnea activa.

Seal por componentes

Figura 8


transmitir estas imgenes digitalizadas directa-mente, ya que el ancho de banda requerido ex-cedera con mucho el autorizado por los orga-nismos internacionales de regulacin del espec-tro electromagntico; por tal razn, a la digitali-zacin se le aade un proceso de compresinde datos, el cual se explicar brevemente a con-tinuacin.

Compresin digital

Actualmente, la compresin digital se ha con-vertido en un trmino familiar para quien est

relacionado con el medio televisivo o para quientrabaje cotidianamente con computadoras. Li-teralmente, comprimir significa reducir el tama-o, volumen, concentracin o densidad de unobjeto.

La compresin digital permite que varias se-ales de video de alta calidad sean llevadas enun espacio de frecuencia que ocupa un solo ca-nal analgico, con lo que se reducen significati-vamente los costos de transmisin sobre todoen los servicios de cable y satlite.

Reduccin de datosSi consideramos que la compresin de video re-duce la transferencia de datos, puede deducirseque se elimina informacin repetida o innece-saria en cuadros de imagen consecutivos. Lasimgenes de TV contienen redundancia tempo-ral y espacial; esto es, que gran cantidad de in-formacin visual en la pantalla permanece sincambio. Pongamos un ejemplo muy claro: en losnoticiarios tradicionales, el escenario detrs delcomentarista por lo general permanece invaria-ble, mientras que el nico objeto en movimientosuele ser esta misma persona y en ocasiones losinsertos de video que apoyan la nota que se estcomentando. En estos casos, se podra perfec-tamente enviar una sola vez la informacin delescenario, y de ah en adelante tan slo enviaraquellas porciones de imagen que efectivamen-te estn en movimiento, con lo que se puede re-ducir de forma muy considerable la cantidad deinformacin transmitida. Vea en la figura 10 otroejemplo de la compresin de datos.

Entonces, en el dominio del tiempo, el objeti-vo es transmitir slo los aspectos de la imagenque cambian. Por eso los cuadros de video sonsubdivididos en bloques y se codifican en dosetapas:

1) En la primera, se identifican los componentesde imagen que permanecen fijos por un lado,y por el otro aquellos que tienen movimiento;y en stos se localiza una direccin de des-plazamiento que relacione el contenido decada bloque con el contenido de las imge-nes anteriores o posteriores. O, lo que es lomismo, con base en el movimiento del objeto

X X X X X X X X X X X















a) 4:2:2

b) 4:1:1

c) 4:2:0

X=YX =Y,Cr Cb

a) Formato 4:2:2 en dos dimensiones. Slo la unidad de luminancia Y est representada en cada pixel; horizontalmente las seales de diferencia de color CR, Cb slo se especifican cada dos pixeles.

b) Formato 4:1:1. Corta el ancho de la banda de color horizontalmente; las diferencias de color estn representadas horizontalmente cada cuatro pixeles.

c) Formato 4:2:0 Combina el espacio horizontal; el espacio horizontal de las diferencias de color es el mismo que en el vertical.

Figura 9


en los cuadros anteriores se hace una pre-diccin de hacia dnde se desplazar en cua-dros futuros.

2) En la segunda etapa, se calcula si hay algunadiferencia entre el bloque de imagen actual yel pronosticado. Solamente las direcciones dedesplazamiento y las diferencias entre los blo-ques son transmitidas hacia el descodificador,el cual invierte todo el proceso.

Tipos de compresinCon todo lo anterior, podemos encontrar quebsicamente existen dos tipos de compresin,dependiendo de la fidelidad con que se transmi-ten los datos de la imagen original:

1) Sin prdida de datos: Son aquellas compre-siones en las que el proceso no introduce dis-torsin y la informacin se recupera ntegra-mente.Ventaja: No hay error de reconstruccin.Desventaja: No se logran altas tasas de com-presin.

2) Con prdida de datos: El proceso introducedistorsin, aunque sta resulta casi impercep-tible; entonces la seal reconstruida ser unaaproximacin a la original, puesto que losdatos se operan con una compresin fija yestn moldeados conforme a los sentidos hu-manos -por lo que son ms prcticos paratransmisin y grabacin- (figura 11).

La base de la compresin de video en el formato MPEG, consiste en no enviar la informacin redundante; por ejemplo, en esta escena,un auto pasa frente a una serie de edificios; al comprimirse la seal el fondo de la escena se enva una sola vez, y slo se vaactualizando la porcin en movimiento (el auto). Con este mtodo se logran razones de hasta 40 a 1, esto es, una informacin queantes necesitaba 40 unidades transmitidas ahora puede manejarse slo con una.

Figura 10

Imagen TransformacinT

Transformacininversa

T-1

CuantizacinQ

DecuantizacinQ-1

Codificacin

Canal decomunicacin

(parmetros)

DecodificacinImagenreconstruida

Esquema de compresin con prdidas Figura 11


Ventaja: Las tasas de compresin que se lo-gran son altas.Desventaja: La distorsin puede llegar a serconsiderable.

Transformacin

Por medio de un cambio en el formato de la se-al se busca eliminar redundancia entre pixeles,logrando as la compresin de las imgenes.Convencionalmente se emplea la transformacinde coseno discreta (DTC).

Transformacin de coseno discreta (DCT)Est basada en la teora de la transformacin deFourier, segn la cual cualquier forma de ondade CA puede ser analizada en su frecuencia fun-damental ms baja y sus componentes armni-cos.

La seal de video original es digitalizada y di-vidida en pequeos bloques de n x n pixeles;tpicamente, de 8 x 8 16 x 16 (figura 12).

Al tratarse de una transformacin espacio-fre-cuencia, obtenemos un espectro de frecuenciapara un determinado conjunto de datos.

DCT analiza los bloques an ms pequeos,y produce, en vez de una seal que vara en eltiempo, una seal en el dominio de la frecuen-

cia en forma de coeficientes. Estos son cuantifi-cados para eliminar la informacin menos im-portante, de tal manera que sea invisible al ojo.Si se pudiera interpretar para ser analizada enforma visual, la DCT se observara como en lafigura 13.

CuantizacinUna vez transformada la seal, el cuantificadorse encarga de descartar (selectivamente) loscomponentes cuya contribucin sea desprecia-

1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 8 8 2

1 1 1 1 8 8 2 8

1 1 1 1 8 8 2 8

1 1 1 8 8 2 8 1

1 1 11 11 8 8 2 8

1 1 11 11 8 8 8 2

1 1 11 11 1 1 1 1

DCT

Espectro de frecuencia

Matriz de pixeles

En un fragmento de imagenTransformacin de coseno discreta (DCT)

699 281- 542- 93- 41 54 08 8

312- 27- 251 531 61- 19- 03- 11-

99- 401 1- 17- 56- 88 02 41-

33 42 24- 42- 4 74 13- 01

161- 26 62 71- 83 7 65- 5

64 02- 01- 01 91 96- 94 61

11- 92 0 66- 86 96- 56 51-

22- 9 22- 72 11 33 18- 92

Figura 12

Bajas

Bajas

Medias

Medias

Altas

Altas

Bandas defrecuenciasaltas

fx

fy

Interpretacin de la DCT

Figura 13


ble. Por eso es que los coeficientes originalesDCT son divididos con base en una tabla decuantizacin fija. El valor pequeo es aplicado aD00, y los ms grandes son aplicados a Don yDn0 en la tabla de cuantizacin. Esto significaque la divisin est hecha con valores pequeosde coeficientes DCT para bajas frecuencias, y convalores grandes para altas frecuencias (figura 14).

CodificacinLa funcin de un codificador es minimizar lacantidad de bits necesarios para representar lasalida del cuantizador (Eliminacin de la Redun-dancia de Cdigo). Esto puede lograrse variandola longitud del cdigo en cada pel , en funcin desu estadstica de aparicin en una imagen dada.

Mtodo de codificacin HuffmanEn este mtodo, dependiendo de la probabilidadde aparicin de cada uno de los valores de sali-da del cuantizador, se asignan cdigos de longi-tud ms corta a valores frecuentes y cdigos delongitud ms larga a valores menos frecuentes.

Compresiones de audioEn comparacin con el video, para el audio sehan logrado mejores resultados al comprimir lasseales (figura 15). Pero para esto ha sido nece-sario utilizar el sistema de descomposicin ensub-bandas, el cual, a travs de un banco de fil-tro, divide la banda de inters en N partes igua-les (normalmente 32) para tratarlas por separado.

Otro sistema que tambin se utiliza es la Co-dificacin Perceptual, en la que se determinanlos valores de los umbrales de enmascaramien-to para ajustar los cuantizadores y discriminarla informacin no audible. Esto significa que cuan-do un sonido muy suave aparezca de forma si-multnea con uno fuerte, como el odo humanonormalmente no aprecia el dbil, no hay por quperder ancho de banda transmitindolo.

Normas internacionales detelevisin digital

Una norma internacional es una serie de regu-laciones necesarias para uniformar el uso y ex-

S00S10S20

Sn0 Snn

S01 S02 S0n

D00D10D20

Dn0 Dnn

D01 D02 D0n

S00S10S20

Sn0 Snn

S01 S02 S0n

(Divide)

Proceso de cuantizacin

Figura 14


plotacin de una tecnologa, con el fin de lograrla mayor expansin posible de la misma.

El objetivo de las normas es proporcionar loselementos bsicos del marco regulatorio aplica-ble a esta tecnologa.

Los principales organismos internacionalesencargados de la regulacin de los sistemas, sonla Organizacin Internacional de Estandariza-cin (ISO) y la Unin Internacional de Teleco-municaciones (ITU). Bajo los auspicios de la ISO,existe JPEG (Joint Pictures Experts Group) y MPEG(Motion Pictures Experts Group).

JPEGEs un sistema de compresin de datos paraimgenes fijas en B/N y en color. Est clasificadocomo un sistema con prdidas, porque el algorit-mo que usa toma en cuenta las limitaciones delsistema de visin -que no ve los detalles peque-os de color, tan bien como los de blanco y negro.

Dentro de este estndar existe una forma sinprdida que en la actualidad ya nadie utiliza; elmotivo es que la compresin obtenida es muypequea.

La base de este sistema es la DCT, y ofrececompresin de datos de 5 a 100 veces (confor-me aumenta el grado de compresin, aumentanlas prdidas hasta volverse intolerables inclusopara un espectador poco exigente).

MPEGEl sistema MPEG apareci en 1988. Es difcil de-finir a MPEG en pocas palabras, pues no se tratasimplemente de un esquema de compresin de

datos de imgenes en movimiento; en esencia,MPEG es un juego de normas o algoritmos defi-nidos que pueden combinarse en varias formaspara hacer real el equipo de compresin.

Este sistema no determina cmo elcodificador debe llevar al cabo la compresin,pero s define cmo el descodificador debe atri-buir el significado a una variedad de flujos debits comprimidos. Tampoco define cmo trans-mitir tales flujos, ya que esto depende de su apli-cacin.

El uso de la compresin de video va ms allde los requerimientos de la radiodifusin. Y esque el rango de aplicaciones va desde pequeasimgenes en movimiento en computadoras per-sonales, hasta grandes imgenes de alta defini-cin.

Perfiles y nivelesPor su amplio rango en rendimiento y compleji-dad, MPEG se divide en perfiles; a su vez, stos,se dividen en niveles.

Un perfil es una tcnica; un nivel es unarestriccin, tal como el tamao de imagen o lavelocidad de bits utilizados en la tcnica. Den-tro de la estructura del perfil, un nmero de ni-veles est disponible (tabla 1). Los niveles difie-ren entre s, en primer lugar, por la resolucin yla velocidad de datos requeridos. El nivel princi-pal es apropiado para la televisin de definicinestndar (SDTV).

La mayor parte de radiodifusin y produccinestn en el perfil y nivel principal (MPML, MainPerfil - Main Level subconjunto de MPEG).

Audio Bancos defiltros Q Codificador MUX Audio

comprimido

CodificadorPsicoacstico No. bits/banda

Clculo de losumbrales de

enmascaramiento

Codificacin de audio

FFT

Figura 15


El formato de video 4:2:0 se utiliza en la ma-yor parte de la jerarqua de MPEG, donde las di-ferencias de color son submuestreadas vertical-mente. Para propsitos de radiodifusin, es am-pliamente reconocido que el formato 4:2:2 es elque se utiliza.

MPEG-1Diseo enfocado en imgenes progresivas; des-cribe estndares para una baja velocidad de bitscodificados (hasta 1.5 Mbps), con una resolucinmxima de 352 x 288 pixeles y con un audio com-primido de hasta 192 Kbps para estreo.

Se emplea principalmente para video en CD-ROM. En radiodifusin, su uso es muy limitado,y est siendo eliminado tambin en aplicacio-nes computacionales.

MPEG-2A medida que evoluciona la tecnologa, se con-ciben nuevas posibilidades de aplicacin.

El MPEG-2 fue creado con el propsito de ofre-cer un marco para el procesamiento en tiemporeal, tanto en la codificacin como en ladescodificacin.

Originalmente, MPEG-2 est orientado a apli-caciones en tiempo real, como televisin digital,videoconferencia, captura de video, etc.

Como caracterstica principal, dispone de unmodo bsico compatible con el MPEG-1, ademsde diferentes perfiles y niveles de codificacinpara una mayor variedad de aplicaciones. Cuentatambin con la posibilidad de codificar mltiplesfuentes de video en una misma escena.

MPEG-2 ha sido diseado para cubrir un am-plio rango de requerimientos, desde calidad VHS

hasta televisin de alta definicin (a travs dealgoritmos -perfiles- y resolucin de imgenes -niveles), con velocidades de transferencia dedatos de entre 2 y 10 Mbps.

La codificacin del video es compleja, espe-cialmente cuando se requiere mantener, en unaforma simple y a bajo costo, la descodificacinen el extremo receptor.

MPEG-2 puede ofrecer mejor calidad de ima-gen en radios de compresin altos, pero concomplejidad en la descodificacin (figura 16).

Entre las caractersticas ms importantes deMPEG, estn el concepto de codificacinbidireccional (que se basa en la prediccin y com-pensacin de movimiento) y las imgenes P, (queson descodificadas utilizando la imagen anteriorcomo base, son desplazadas por vectores demovimiento, y son corregidas con datos de dife-rencia).

La figura 17 muestra un ejemplo de una ima-gen secuencial utilizada en MPEG. La secuenciaempieza con una imagen I como referencia. Lasimgenes posteriores hasta la siguiente imagenI, son llamadas grupo de imgenes (GOP). Den-tro de este grupo se consideran como:

I: Codificados Intra-Cuadro.P: Predichos (se predice tomando como referen-

cia a otros I o P).B: Predichos bidireccionalmente (se predice to-

mando a los I o P anteriores y posteriores).

El codificador cambia de modo de prediccin,conforme construye la secuencia. Se insertancuadros I en cada determinado intervalo, paracorregir desviaciones en la prediccin y compen-

Tabla 1

leviNlifreP

ojableviN883x253edabirra).xmBM4(selexip

oidemleviNselexip675x027edabirra

).xmBM51(

0441otlaleviN675x027edabirra).xmBM06(selexip

0291edabirraotlaleviNselexip2511x.)xmBM08(

elpmiS

oideM .L.M.P.M

elbalacseR.N.S

elbalacselaicapsE

otlA


sacin de movimientos, as como cambios en laluminancia.

El resultado de aplicar una compresin MPEGa una seal de video, es un nmero de diferen-tes tipos de datos:

1) El descodificador debe indicar el perfil, el ni-vel y el tamao de la imagen.

2) La secuencia de los cuadros I, P y B debeespecificarse de manera que el descodifica-dor sepa cmo interpretar y reordenar losdatos de la imagen transmitida.

3) El tiempo al cual va la imagen referida, se in-dica enviando una forma de cdigo de tiempo.

4) Los datos admiten tres tipos de imagen paraser descodificados.

Transmisin de TV progresiva yentrelazada

El nuevo sistema de DTV en los Estados Unidos,es un significativo avance tecnolgico con rela-cin a la televisin estndar en NTSC.

La norma en DTV utiliza la compresin digitaly la modulacin 8VSB, que proporcionan im-genes de alta calidad, audio con calidad CD y laprovisin para transmisiones de datos. Esta in-novacin permite difundir video en mltiplesformatos, lo que proporciona una gran flexibili-dad para las teledifusiones.

La mayora de estaciones elegirn 1080 lneasentrelazadas o 720 lneas progresivas como suprincipal formato de produccin. Solamente porel nmero, se pensara que el formato de 1080 I(entrelazado) proporciona la mejor resolucin;sin embargo, el formato de 720 P (progresivo)en realidad es comparable, en resolucin verti-cal, con el 1080.

Los formatos de 1080 x 1920 progresivo pro-porcionan la ms alta resolucin espacial, pero

VideoPre-procesador

Codificadorampliado

Inter-procesador

Codificadorbsico

(MPEG-1)

Mux

Post-procesador

Codificadorampliado

Inter-procesador

Codificadorbsico

(MPEG-1)

VideoMPEG-2

Video MPEG-1

Demux

Diagrama de codificador y decodificador del MPEG-2. El procesador, inter-procesador y codificador ampliado se encargan de codificar el video para ubicarlo en alguna de las nuevas combinaciones de nivel / perfil aceptadas.

Figura 16

Figura 17I1 B1 B2 P1 B3 B4 P2 B5 B6 P3 B7 B8 I2

I1 P1 B1 B2 P2 B3 B4 P3 B5 B6 I2 B7 B8

GOP

Codificacin bidireccionalOrden detransmisin


Cuando las lneas impares son exploradas 1 , las porciones de la imagen que caen en las lneas pares no son mostradas; de manerainversa sucede en la subsecuente exploracin; lneas pares 2 da como resultado que el ojo detecte un parpadeo.En exploracin progresiva 3 todas las lneas son exploradas en cada instante, as que no existe el parpadeo interlnea.

Entrelazado Progresivo

1

2

3

con una baja resolucin temporal. Por esta ra-zn, los diferentes formatos sern elegidos paradiferentes tipos de programacin.

Ahora bien, la exploracin entrelazada da lu-gar a un parpadeo (flicker) interlineal, cuando l-neas muy finas de una escena caen en lneas deexploracin individuales (figura 18).

Formatos mltiplesLa existencia de diferentes formatos, se debe aque las aplicaciones en televisin tienen distin-tos requerimientos y a que los propios formatospermiten un trueque especfico para cada tipode programa.

Cinco de los seis formatos de ATSC (Comitde Sistemas de Televisin Avanzada) y HDTV(Televisin de Alta Definicin) son progresivos;por lo tanto, de la transmisin inicial, la mayorparte de programacin digital de TV ser en ex-ploracin progresiva. Este escenario nos condu-ce a un futuro en el que los diferentes estndaresvan a coexistir y compartir receptores. A estoobedece el hecho de que las grandes cadenastelevisivas ya hayan realizado su eleccin.

Si bien es evidente que las imgenes de 720 Pson superiores a las de 480 P, y que 1080 I tienesus ventajas, el principal problema seguir sien-

do el costo. Pero lo que s es una realidad, esque el gobierno de los Estados Unidos, a travsde la FCC, ha asegurado que dentro de unos aoslos 1600 teledifusores que existen, gastarn cien-tos de millones de dlares en equipo para podertransmitir televisin digital. La penalizacin parael que no cumpla, ser la prdida de su licenciapara efectuar transmisiones.

Comentarios finales

Al romper con la rigidez de la televisin anal-gica, que slo permite transmitir una seal detelevisin por canal asignado, los teledifusorestendrn la opcin de reconfigurar su canal digitalen funcin de sus oportunidades de negocio tra-dicionales; en otras palabras, podrn ofrece

electronica y servicio 09--sintonizadores de canales de tv

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