Interfaz avanzada de configuración y energía ( ACPI ) proporciona un estándar abierto que los sistemas operativos pueden usar para descubrir y configurar componentes de hardware de la computadora , para realizar la administración de energía (por ejemplo) poniendo los componentes no utilizados en suspensión y para realizar un monitoreo de estado . Lanzado por primera vez en diciembre de 1996, ACPI tiene como objetivo reemplazar la Administración avanzada de energía (APM), la Especificación de multiprocesador y la Especificación de BIOS Plug and Play (PnP). [1]ACPI pone la administración de energía bajo el control del sistema operativo, a diferencia del sistema anterior centrado en el BIOS que dependía del firmware específico de la plataforma para determinar la administración de energía y las políticas de configuración. [2] La especificación es fundamental para la configuración dirigida por el sistema operativo y el sistema de administración de energía ( OSPM ), una implementación para ACPI que elimina las responsabilidades de administración de dispositivos de las interfaces de firmware heredadas a través de una interfaz de usuario.
Internamente, ACPI anuncia los componentes disponibles y sus funciones al núcleo del sistema operativo utilizando listas de instrucciones ("métodos") proporcionadas a través del firmware del sistema ( Interfaz de firmware extensible unificada (UEFI) o BIOS ), que analiza el núcleo. A continuación, ACPI ejecuta las operaciones deseadas escritas en lenguaje de máquina ACPI (como la inicialización de componentes de hardware) utilizando una máquina virtual mínima integrada .
Intel , Microsoft y Toshiba desarrollaron originalmente el estándar, mientras que HP , Huawei y Phoenix también participaron más tarde. En octubre de 2013, ACPI Special Interest Group (ACPI SIG), los desarrolladores originales del estándar ACPI, acordaron transferir todos los activos al Foro UEFI , en el que se llevará a cabo todo el desarrollo futuro. [3]
El Foro UEFI publicó la última versión de la norma, "Revisión 6.3", a finales de enero de 2019.
Arquitectura [ editar ]
El ACPI a nivel de firmware tiene tres componentes principales: las tablas ACPI, el BIOS ACPI y los registros ACPI. A diferencia de sus predecesores, como el BIOS APM o PnP, el ACPI implementa poca de su funcionalidad en el código del BIOS ACPI, cuya función principal es cargar las tablas ACPI en la memoria del sistema. En cambio, la mayor parte de la funcionalidad ACPI firmware se proporciona en el código de bytes de ACPI Machine Language (AML), un Turing completo , específico de dominio lenguaje de bajo nivel , almacenada en las tablas ACPI. [5] Para hacer uso de estas tablas, el sistema operativo debe tener un intérpretepara el código de bytes AML. La arquitectura de componentes de ACPI (ACPICA) proporciona una implementación de intérprete de AML de referencia. En el momento del desarrollo del BIOS, el código de bytes AML se compila a partir del código ASL (lenguaje fuente ACPI). [6] [7]
Como ACPI también reemplaza al BIOS PnP, también proporciona un enumerador de hardware, implementado principalmente en la tabla ACPI de la Tabla de descripción del sistema diferenciada (DSDT). La ventaja de un enfoque bytecode es que a diferencia de código PnP BIOS (que era de 16 bits), el código de bytes ACPI se puede utilizar en cualquier sistema operativo, incluso en 64 bits modo de largo . [7]
La decisión general de diseño no estuvo exenta de críticas. En noviembre de 2003, Linus Torvalds, autor del kernel de Linux, describió a ACPI como "un desastre de diseño completo en todos los sentidos". [8] [9] En 2001, otros desarrolladores senior de software de Linux como Alan Cox expresaron su preocupación por los requisitos de que el código de bytes de una fuente externa debe ser ejecutado por el núcleo con todos los privilegios, así como la complejidad general de la especificación ACPI. [10] En 2014, Mark Shuttleworth , fundador de la distribución Ubuntu Linux , comparó ACPI con caballos de Troya . [11]
Arquitectura de componentes ACPI (ACPICA) [ editar ]
La arquitectura de componentes ACPI ( ACPICA ), escrita principalmente por los ingenieros de Intel, proporciona una implementación de referencia de código abierto independiente de la plataforma del código ACPI relacionado con el sistema operativo. [12] El código ACPICA es utilizado por Linux, Haiku y FreeBSD, [6] que lo complementan con su código específico del sistema operativo.
Historia [ editar ]
La primera revisión de la especificación ACPI se lanzó en diciembre de 1996, admitiendo espacios de direccionamiento de 16 y 32 bits . No fue sino hasta agosto de 2000 que ACPI recibió soporte de direcciones de 64 bits , así como soporte para estaciones de trabajo multiprocesador y servidores con revisión 2.0.
En septiembre de 2004, se lanzó la revisión 3.0, que brinda soporte a la especificación ACPI para controladores SATA , bus PCI Express , soporte multiprocesador para más de 256 procesadores, sensores de luz ambiental y dispositivos de presencia del usuario, además de extender el modelo térmico más allá del anterior Soporte centrado en el procesador.
Lanzado en junio de 2009, la revisión 4.0 de la especificación ACPI agregó varias características nuevas al diseño; Los más notables son el soporte USB 3.0 , el soporte de inactividad del procesador lógico y el soporte x2APIC .
La revisión 5.0 de la especificación ACPI se lanzó en diciembre de 2011, [13] seguida de la revisión 5.1 que se lanzó en julio de 2014. [14]
La última revisión de la especificación es 6.3, que se lanzó a fines de enero de 2019. [4]
Sistemas operativos [ editar ]
Windows 98 de Microsoft fue el primer sistema operativo en implementar ACPI, [15] [16] pero su implementación fue algo defectuosa o incompleta, [17] [18] aunque algunos de los problemas asociados con él fueron causados por el hardware ACPI de primera generación . [19] La primera edición de Windows 98 deshabilitó ACPI por defecto, excepto en una lista blanca de sistemas. Otros sistemas operativos, incluidas versiones posteriores de Windows , eComStation , FreeBSD , NetBSD , OpenBSD , HP-UX , OpenVMS , Linux y versiones para PC deSolaris , tiene al menos algo de soporte para ACPI. [20] Algunos sistemas operativos más nuevos, como Windows Vista , requieren un BIOS compatible con ACPI para poder funcionar. [21] Sin embargo, Windows Vista a veces no funciona con el ACPI de una placa base.
La serie 2.4 del kernel de Linux solo tenía un soporte mínimo para ACPI, con un mejor soporte implementado (y habilitado por defecto) desde la versión del kernel 2.6.0 en adelante. [23] Las implementaciones antiguas de BIOS ACPI tienden a ser bastante defectuosas y, en consecuencia, no son compatibles con sistemas operativos posteriores. Por ejemplo, Windows 2000 , Windows XP y Windows Server 2003 solo usan ACPI si la fecha del BIOS es posterior al 1 de enero de 1999, y para Windows 98 Segunda edición, esta fecha es el 1 de diciembre de 1999. [24] Del mismo modo, el kernel 2.6 de Linux está en la lista negra cualquier BIOS ACPI anterior al 1 de enero de 2001. [23]
Los sistemas operativos basados en Linux pueden proporcionar acceso a eventos acpi a través de acpid. [25]
Responsabilidades de OSPM [ editar ]
Una vez que un sistema operativo compatible con OSPM activa ACPI, toma el control exclusivo de todos los aspectos de la administración de energía y la configuración del dispositivo. La implementación de OSPM debe exponer un entorno compatible con ACPI a los controladores de dispositivo, que expone ciertos estados del sistema, dispositivo y procesador.
Estados de potencia [ editar ]
Estados globales [ editar ]
La especificación ACPI define los siguientes cuatro estados globales "Gx" y seis estados "Sx" de suspensión para un sistema informático compatible con ACPI: [26] [27]
| Gx | Nombre | Sx | Descripción |
|---|---|---|---|
| G0 | Trabajando | S0 | La computadora está funcionando y la CPU ejecuta las instrucciones. "Awaymode" es un subconjunto de S0, donde el monitor está apagado pero las tareas en segundo plano se están ejecutando |
| G1 | Dormido | S1 | Power on Suspend (POS): las memorias caché del procesador se vacían y la CPU deja de ejecutar las instrucciones. Se mantiene la potencia de la CPU y la RAM. Los dispositivos que no indican que deben permanecer encendidos pueden estar apagados |
| S2 | CPU apagada. La caché sucia se vacía en la RAM | ||
| S3 | comúnmente conocido como En espera , Suspender o Suspender a RAM (STR) : la RAM permanece encendida | ||
| S4 | Hibernación o suspensión en disco: todo el contenido de la memoria principal se guarda en la memoria no volátil , como un disco duro , y el sistema se apaga | ||
| G2 | Soft Off | S5 | G2 / S5 es casi lo mismo que G3 Mechanical Off , excepto que la unidad de fuente de alimentación (PSU) todavía suministra energía, como mínimo, al botón de encendido para permitir el retorno a S0. Se requiere un reinicio completo. No se retiene contenido anterior. Otros componentes pueden permanecer encendidos para que la computadora pueda "activarse" en la entrada del teclado, reloj, módem , LAN o dispositivo USB |
| G3 | Mecánico desactivado | La energía de la computadora se ha eliminado por completo a través de un interruptor mecánico (como en la parte posterior de una fuente de alimentación). El cable de alimentación se puede quitar y el sistema es seguro para el desmontaje (por lo general, solo el reloj en tiempo real continúa funcionando con su propia batería pequeña) |
La especificación también define un estado heredado : el estado en un sistema operativo que no admite ACPI. En este estado, el hardware y la energía no se administran a través de ACPI, lo que deshabilita efectivamente ACPI.
Estados del dispositivo [ editar ]
Los estados del dispositivo D0 - D3 dependen del dispositivo:
- D0 o Totalmente encendido es el estado operativo.
- D1 y D2 son estados de potencia intermedios cuya definición varía según el dispositivo.
- D3 : el estado D3 se divide además en D3 Caliente (tiene alimentación auxiliar) y D3 Frío (no se proporciona alimentación):
- Caliente : un dispositivo puede hacer valer las solicitudes de administración de energía para pasar a estados de mayor potencia.
- Cold or Off tiene el dispositivo apagado y no responde a su bus.
Estados del procesador [ editar ]
Los estados de potencia de la CPU C0 - C3 se definen de la siguiente manera:
- C0 es el estado operativo.
- C1 (a menudo conocido como Halt ) es un estado en el que el procesador no está ejecutando instrucciones, pero puede volver a un estado de ejecución esencialmente instantáneamente. Todos los procesadores compatibles con ACPI deben admitir este estado de energía. Algunos procesadores, como el Pentium 4 , también admiten un estado C1 mejorado ( C1E o estado de detención mejorado) para un menor consumo de energía. [28]
- C2 (a menudo conocido como Stop-Clock ) es un estado en el que el procesador mantiene todo el estado visible del software, pero puede tardar más en activarse. Este estado del procesador es opcional.
- C3 (a menudo conocido como suspensión ) es un estado en el que el procesador no necesita mantener coherente su caché , sino que mantiene otro estado. Algunos procesadores tienen variaciones en el estado C3 (Deep Sleep, Deeper Sleep, etc.) que difieren en cuánto tiempo lleva despertar el procesador. Este estado del procesador es opcional.
- Los fabricantes definen estados adicionales para algunos procesadores. Por ejemplo, la plataforma Haswell de Intel tiene estados hasta C10 , donde distingue estados centrales y estados de paquetes . [29]
Estado de rendimiento [ editar ]
Mientras un dispositivo o procesador funciona (D0 y C0, respectivamente), puede estar en uno de varios estados de rendimiento de potencia . Estos estados dependen de la implementación. Sin embargo, P0 es siempre el estado de mayor rendimiento; con P1 a P n siendo sucesivamente estados de menor rendimiento, hasta un límite específico de implementación de n no mayor que 16. [30]
Los estados P se conocen como SpeedStep en los procesadores Intel , como PowerNow! o Cool'n'Quiet en procesadores AMD , y como PowerSaver en procesadores VIA .
- P0 potencia y frecuencia máximas
- P1 menor que P0 , voltaje y frecuencia escalados
- P2 menor que P1 , voltaje y frecuencia escalados
- Pn menor que P (n – 1) , voltaje y frecuencia escalados
Interfaz de hardware [ editar ]
Los sistemas compatibles con ACPI interactúan con el hardware a través de una "Interfaz de hardware de función fija (FFH)" o de un modelo de programación de hardware independiente de la plataforma que se basa en el lenguaje de máquina ACPI (AML) específico de la plataforma proporcionado por el fabricante del equipo original (OEM).
Las interfaces de hardware de función fija son características específicas de la plataforma, proporcionadas por los fabricantes de la plataforma a los fines del rendimiento y la recuperación de fallas. Las PC estándar basadas en Intel tienen una interfaz de función fija definida por Intel, [31] que proporciona un conjunto de funciones centrales que reduce la necesidad de un sistema compatible con ACPI de pilas de controladores completas para proporcionar funcionalidad básica durante el tiempo de arranque o en el caso de un sistema principal fracaso.
La interfaz de error de plataforma ACPI (APEI) es una especificación para informar de errores de hardware, por ejemplo, del conjunto de chips, al sistema operativo.
Interfaz de firmware [ editar ]
ACPI define muchas tablas que proporcionan la interfaz entre un sistema operativo compatible con ACPI y el firmware del sistema. Esto incluye la Tabla de descripción del sistema diferenciada (DSDT), la Tabla de descripción del sistema secundario (SSDT) y la Tabla de afinidad de recursos estáticos (SRAT), por ejemplo. [32]
Las tablas permiten la descripción del hardware del sistema de manera independiente de la plataforma y se presentan como estructuras de datos con formato fijo o en AML. La tabla principal de AML es la DSDT (tabla de descripción del sistema diferenciada).
El puntero de descripción del sistema raíz se encuentra de forma dependiente de la plataforma y describe el resto de las tablas.
Riesgos de seguridad [ editar ]
El fundador de Ubuntu , Mark Shuttleworth, ha comparado a ACPI con los caballos de Troya . [33] Él describió el firmware propietario (relacionado con ACPI o cualquier otro firmware) como un riesgo de seguridad, diciendo que "el firmware en su dispositivo es el mejor amigo de la NSA " y llamando al firmware (ACPI o no ACPI) "un troyano caballo de proporciones monumentales ". Ha señalado que el firmware de fuente cerrada de baja calidad es una amenaza importante para la seguridad del sistema: [8] "Su mayor error es asumir que la NSA es la única institución que abusa de esta posición de confianza; de hecho, es razonable suponer que todo el firmware es un pozo negro de inseguridad, cortesía de la incompetencia del más alto grado de los fabricantes y competencia del más alto grado de una amplia gama de tales agencias. ".
Como solución a este problema, ha pedido firmware declarativo (ACPI o no ACPI). [8] El firmware debe ser de código abierto para que el código pueda ser verificado y verificado. El firmware debe ser declarativo, lo que significa que debe describir "enlaces de hardware y dependencias" y no debe incluir código ejecutable .
Para ver una lista actual de vulnerabilidades y exposiciones comunes, utilice un motor de búsqueda para proporcionar eso.
La corriente alterna ( CA ) es una corriente eléctrica que invierte periódicamente la dirección, en contraste con la corriente continua (CC) que fluye solo en una dirección. La corriente alterna es la forma en que la energía eléctrica se entrega a las empresas y residencias, y es la forma de energía eléctrica que los consumidores suelen usar cuando enchufan electrodomésticos , televisores, ventiladores y lámparas eléctricas en una toma de corriente . Una fuente común de energía de CC es una celda de batería en una linterna . Las abreviaturas AC y DC a menudo se usan para significar simplementealterna y directa , como cuando modifican corriente o voltaje . [1] [2]
La forma de onda habitual de la corriente alterna en la mayoría de los circuitos de energía eléctrica es una onda sinusoidal , cuyo medio período positivo corresponde con la dirección positiva de la corriente y viceversa. En ciertas aplicaciones, como los amplificadores de guitarra , se utilizan diferentes formas de onda, como las ondas triangulares o cuadradas . Las señales de audio y radio transmitidas por cables eléctricos también son ejemplos de corriente alterna. Estos tipos de corriente alterna transportan información como sonido (audio) o imágenes (video) a veces transportadas por la modulación de una señal portadora de CA. Estas corrientes generalmente se alternan a frecuencias más altas que las utilizadas en la transmisión de potencia.
Transmisión, distribución y suministro de energía doméstica [ editar ]
La energía eléctrica se distribuye como corriente alterna porque el voltaje de CA puede aumentarse o disminuirse con un transformador . Esto permite que la energía se transmita a través de líneas eléctricas de manera eficiente a alto voltaje, lo que reduce la energía perdida como calor debido a la resistencia del cable y se transforma en un voltaje más bajo y más seguro para su uso. El uso de un voltaje más alto conduce a una transmisión de potencia significativamente más eficiente. Las pérdidas de potencia () en el cable son un producto del cuadrado de la corriente (I) y la resistencia (R) del cable, descrito por la fórmula:
Esto significa que cuando se transmite una potencia fija en un cable dado, si la corriente se reduce a la mitad (es decir, el voltaje se duplica), la pérdida de potencia debida a la resistencia del cable se reducirá a un cuarto.
La potencia transmitida es igual al producto de la corriente y el voltaje (suponiendo que no haya diferencia de fase); es decir,
En consecuencia, la potencia transmitida a un voltaje más alto requiere menos corriente que produzca pérdidas que para la misma potencia a un voltaje más bajo. La potencia a menudo se transmite a cientos de kilovoltios y se transforma a 100 V - 240 V para uso doméstico.
Los altos voltajes tienen desventajas, como el aumento del aislamiento requerido y, en general, una mayor dificultad en su manejo seguro. En una planta de energía, la energía se genera a un voltaje conveniente para el diseño de un generador , y luego se eleva a un alto voltaje para la transmisión. Cerca de las cargas, el voltaje de transmisión se reduce a los voltajes utilizados por los equipos. Los voltajes de consumo varían un poco según el país y el tamaño de la carga, pero generalmente los motores y la iluminación están diseñados para usar hasta unos pocos cientos de voltios entre fases. El voltaje entregado a los equipos, como la iluminación y las cargas del motor, está estandarizado, con un rango de voltaje permisible sobre el cual se espera que opere el equipo. Los voltajes de utilización de energía estándar y el porcentaje de tolerancia varían en los diferentessistemas de alimentación de red que se encuentran en el mundo. Los sistemas de transmisión de energía eléctrica de corriente continua de alto voltaje (HVDC) se han vuelto más viables ya que la tecnología ha proporcionado medios eficientes para cambiar el voltaje de la energía de CC. La transmisión con corriente continua de alto voltaje no era factible en los primeros días de la transmisión de energía eléctrica , ya que entonces no había una forma económicamente viable de reducir el voltaje de CC para aplicaciones de usuario final, como encender bombillas incandescentes.
La generación eléctrica trifásica es muy común. La forma más simple es usar tres bobinas separadas en el estator del generador , físicamente desplazadas por un ángulo de 120 ° (un tercio de una fase completa de 360 °) entre sí. Se producen tres formas de onda actuales que son iguales en magnitud y 120 ° fuera de faseel uno al otro. Si se agregan bobinas opuestas a estas (espaciado de 60 °), generan las mismas fases con polaridad inversa y, por lo tanto, simplemente pueden conectarse entre sí. En la práctica, comúnmente se usan "órdenes de caña" más altas. Por ejemplo, una máquina de 12 polos tendría 36 bobinas (espacio de 10 °). La ventaja es que se pueden usar velocidades de rotación más bajas para generar la misma frecuencia. Por ejemplo, una máquina de 2 polos que funciona a 3600 rpm y una máquina de 12 polos que funciona a 600 rpm producen la misma frecuencia; La velocidad más baja es preferible para máquinas más grandes. Si la carga en un sistema trifásico se equilibra por igual entre las fases, no fluye corriente a través del punto neutro. Incluso en la peor carga desbalanceada (lineal), la corriente neutra no excederá la más alta de las corrientes de fase. Las cargas no lineales (p. Ej., Las fuentes de alimentación conmutadas ampliamente utilizadas) pueden requerir un bus neutro sobredimensionado y un conductor neutro en el panel de distribución aguas arriba para manejar los armónicos . Los armónicos pueden causar que los niveles de corriente del conductor neutro excedan el de uno o todos los conductores de fase.
Para trifásicos a voltajes de utilización, a menudo se usa un sistema de cuatro hilos. Al descender trifásico, a menudo se usa un transformador con un primario Delta (3 hilos) y un secundario Estrella (4 hilos, con conexión a tierra central), por lo que no es necesario un neutro en el lado de la fuente de alimentación. Para los clientes más pequeños (el tamaño varía según el país y la edad de la instalación) solo una fase y neutral, o dos fases y neutral, se llevan a la propiedad. Para instalaciones más grandes, las tres fases y el neutro se llevan al panel de distribución principal. Desde el panel principal trifásico, los circuitos monofásicos y trifásicos pueden iniciar. Trifásico monofásicoLos sistemas, con un único transformador de derivación central que proporciona dos conductores activos, es un esquema de distribución común para edificios residenciales y pequeños edificios comerciales en América del Norte. Esta disposición a veces se denomina incorrectamente "dos fases". Un método similar se utiliza por una razón diferente en los sitios de construcción en el Reino Unido. Se supone que las pequeñas herramientas eléctricas y la iluminación deben ser alimentadas por un transformador de derivación central local con un voltaje de 55 V entre cada conductor de energía y tierra. Esto reduce significativamente el riesgo de descarga eléctrica en el caso de que uno de los conductores con corriente se exponga a través de una falla en el equipo, al tiempo que permite un voltaje razonable de 110 V entre los dos conductores para hacer funcionar las herramientas.
Un tercer cable , llamado cable de enlace (o tierra), a menudo está conectado entre recintos metálicos que no transportan corriente y tierra. Este conductor proporciona protección contra descargas eléctricas debido al contacto accidental de los conductores del circuito con el chasis metálico de los aparatos y herramientas portátiles. La unión de todas las partes metálicas que no transportan corriente en un sistema completo garantiza que siempre haya una ruta de baja impedancia eléctrica a tierra suficiente para transportar cualquier fallaactual durante el tiempo que el sistema necesite para borrar la falla. Esta ruta de baja impedancia permite la máxima cantidad de corriente de falla, haciendo que el dispositivo de protección contra sobrecorriente (disyuntores, fusibles) se dispare o se queme lo más rápido posible, llevando el sistema eléctrico a un estado seguro. Todos los cables de enlace están unidos a tierra en el panel de servicio principal, al igual que el conductor neutral / identificado si está presente.
Frecuencias de la fuente de alimentación de CA [ editar ]
La frecuencia del sistema eléctrico varía según el país y, a veces, dentro de un país; La mayor parte de la energía eléctrica se genera a 50 o 60 hercios . Algunos países tienen una mezcla de suministros de 50 Hz y 60 Hz, especialmente la transmisión de energía eléctrica en Japón . Una baja frecuencia facilita el diseño de motores eléctricos, particularmente para aplicaciones de elevación, trituración y laminación, y motores de tracción de tipo conmutador para aplicaciones como ferrocarriles . Sin embargo, la baja frecuencia también causa un parpadeo notable en las lámparas de arco y las bombillas incandescentes.. El uso de frecuencias más bajas también proporcionó la ventaja de pérdidas de impedancia más bajas, que son proporcionales a la frecuencia. Los generadores originales de las Cataratas del Niágara fueron construidos para producir una potencia de 25 Hz, como un compromiso entre la baja frecuencia para motores de tracción y de inducción pesados, al tiempo que permiten que funcione la iluminación incandescente (aunque con un parpadeo notable). La mayoría de los clientes residenciales y comerciales de 25 Hz para la energía de las Cataratas del Niágara se convirtieron a 60 Hz a fines de la década de 1950, aunque algunos [ ¿cuáles? ] Los clientes industriales de 25 Hz todavía existían a principios del siglo XXI. La potencia de 16,7 Hz (anteriormente 16 2/3 Hz) todavía se usa en algunos sistemas ferroviarios europeos, como en Austria , Alemania , Noruega ,Suecia y Suiza . Las aplicaciones off-shore, militares, de la industria textil, marinas, de aeronaves y de naves espaciales a veces usan 400 Hz, para obtener beneficios de peso reducido del aparato o velocidades de motor más altas. Los sistemas de computadora central a menudo funcionaban con 400 Hz o 415 Hz para obtener beneficios de la reducción de ondulación mientras se usaban unidades de conversión de CA a CC internas más pequeñas. [3] En cualquier caso, la entrada al conjunto MG es el voltaje y la frecuencia habituales locales, variadamente 200 V (Japón), 208 V, 240 V (Norteamérica), 380 V, 400 V o 415 V (Europa), y variadamente 50 Hz o 60 Hz.
Efectos a altas frecuencias [ editar ]
Una corriente continua fluye uniformemente a través de la sección transversal de un cable uniforme. Una corriente alterna de cualquier frecuencia se aleja del centro del cable, hacia su superficie externa. Esto se debe a que la aceleración de una carga eléctrica en una corriente alterna produce ondas de radiación electromagnética que cancelan la propagación de electricidad hacia el centro de materiales con alta conductividad . Este fenómeno se llama efecto de la piel . A frecuencias muy altas, la corriente ya no fluye en el cable, sino que efectivamente fluye en la superficie del cable, dentro de un grosor de algunas profundidades de la piel.. La profundidad de la piel es el grosor en el que la densidad de corriente se reduce en un 63%. Incluso a frecuencias relativamente bajas utilizadas para la transmisión de potencia (50 Hz - 60 Hz), la distribución no uniforme de corriente todavía ocurre en conductores suficientemente gruesos . Por ejemplo, la profundidad de la piel de un conductor de cobre es de aproximadamente 8,57 mm a 60 Hz, por lo que los conductores de alta corriente suelen ser huecos para reducir su masa y costo. Dado que la corriente tiende a fluir en la periferia de los conductores, se reduce la sección transversal efectiva del conductor. Esto aumenta la resistencia de CA efectiva del conductor, ya que la resistencia es inversamente proporcional al área de la sección transversal. La resistencia de CA a menudo es muchas veces mayor que la resistencia de CC, lo que provoca una pérdida de energía mucho mayor debido acalentamiento óhmico (también llamado pérdida I 2 R).
Técnicas para reducir la resistencia de CA [ editar ]
Para frecuencias bajas a medias, los conductores se pueden dividir en cables trenzados, cada uno aislado entre sí, con las posiciones relativas de los hilos individuales dispuestos especialmente dentro del haz de conductores. El alambre construido usando esta técnica se llama alambre Litz . Esta medida ayuda a mitigar parcialmente el efecto de la piel al forzar una corriente más igual en toda la sección transversal total de los conductores trenzados. El alambre Litz se usa para fabricar inductores de alta Q , reduciendo las pérdidas en conductores flexibles que transportan corrientes muy altas a frecuencias más bajas, y en los devanados de dispositivos que transportan corriente de radiofrecuencia más alta (hasta cientos de kilohercios), como fuentes de alimentación en modo conmutado y radiofrecuencia transformadores .
Técnicas para reducir la pérdida de radiación [ editar ]
Como se escribió anteriormente, una corriente alterna está hecha de carga eléctrica bajo aceleración periódica , lo que causa la radiación de ondas electromagnéticas . La energía que se irradia se pierde. Dependiendo de la frecuencia, se utilizan diferentes técnicas para minimizar la pérdida debido a la radiación.
Par trenzado [ editar ]
A frecuencias de hasta aproximadamente 1 GHz, los pares de cables se entrelazan en un cable, formando un par trenzado . Esto reduce las pérdidas por radiación electromagnética y acoplamiento inductivo . Se debe utilizar un par trenzado con un sistema de señalización equilibrado, de modo que los dos cables transporten corrientes iguales pero opuestas. Cada cable en un par trenzado irradia una señal, pero es efectivamente cancelado por la radiación del otro cable, lo que casi no produce pérdida de radiación.
Cables coaxiales [ editar ]
Los cables coaxiales se usan comúnmente en frecuencias de audio y superiores para mayor comodidad. Un cable coaxial tiene un cable conductor dentro de un tubo conductor, separado por una capa dieléctrica . La corriente que fluye en la superficie del conductor interno es igual y opuesta a la corriente que fluye en la superficie interna del tubo externo. El campo electromagnético está por lo tanto completamente contenido dentro del tubo, y (idealmente) no se pierde energía por la radiación o el acoplamiento fuera del tubo. Los cables coaxiales tienen pérdidas aceptablemente pequeñas para frecuencias de hasta aproximadamente 5 GHz. Para frecuencias de microondas superiores a 5 GHz, las pérdidas (debido principalmente a la resistencia eléctrica del conductor central) se vuelven demasiado grandes, lo que hace que las guías de ondaUn medio más eficiente para transmitir energía. Se prefieren cables coaxiales con un dieléctrico de aire en lugar de sólido, ya que transmiten potencia con una pérdida menor.
Guías de onda [ editar ]
Las guías de onda son similares a los cables coaxiales, ya que ambos consisten en tubos, con la mayor diferencia de que la guía de onda no tiene conductor interno. Las guías de onda pueden tener cualquier sección transversal arbitraria, pero las secciones transversales rectangulares son las más comunes. Debido a que las guías de onda no tienen un conductor interno para transportar una corriente de retorno, las guías de onda no pueden suministrar energía por medio de una corriente eléctrica , sino más bien por medio de un campo electromagnético guiado . Aunque corrientes superficialesfluyen en las paredes internas de las guías de ondas, esas corrientes superficiales no transportan energía. La energía es transportada por los campos electromagnéticos guiados. Las corrientes superficiales son configuradas por los campos electromagnéticos guiados y tienen el efecto de mantener los campos dentro de la guía de ondas y evitar la fuga de los campos al espacio fuera de la guía de ondas. Las guías de onda tienen dimensiones comparables a la longitud de onda de la corriente alterna a transmitir, por lo que solo son factibles a frecuencias de microondas. Además de esta viabilidad mecánica, la resistencia eléctrica de los metales no ideales que forman las paredes de la guía de ondas causa la disipación de energía (corrientes superficiales que fluyen en conductores con pérdidasdisipar el poder). A frecuencias más altas, la potencia perdida por esta disipación se vuelve inaceptablemente grande.
Fibra óptica [ editar ]
A frecuencias superiores a 200 GHz, las dimensiones de la guía de onda se vuelven prácticamente pequeñas, y las pérdidas óhmicas en las paredes de la guía de onda se hacen grandes. En cambio, se puede usar fibra óptica , que es una forma de guías de onda dieléctricas. Para tales frecuencias, los conceptos de voltajes y corrientes ya no se utilizan.
Matemáticas de los voltajes de CA [ editar ]
Las corrientes alternas van acompañadas (o causadas) por tensiones alternas. La siguiente ecuación puede describir matemáticamente un voltaje de CA v como una función del tiempo:
- ,
dónde
- es el voltaje pico (unidad: voltio ),
- es la frecuencia angular (unidad: radianes por segundo ).La frecuencia angular está relacionada con la frecuencia física, (unidad: hertz ), que representa el número de ciclos por segundo, por la ecuación.
- es el tiempo (unidad: segundo ).
El valor pico a pico de un voltaje de CA se define como la diferencia entre su pico positivo y su pico negativo. Desde el valor máximo de es +1 y el valor mínimo es −1, un voltaje de CA oscila entre y . El voltaje pico a pico, generalmente escrito como o , es, por lo tanto .
Poder [ editar ]
La relación entre el voltaje y la potencia entregada es:
dónde representa una resistencia de carga.
En lugar de usar potencia instantánea, , es más práctico utilizar una potencia promediada en el tiempo (donde el promedio se realiza sobre cualquier número entero de ciclos). Por lo tanto, el voltaje de CA a menudo se expresa como un valor cuadrático medio (RMS), escrito como, porque
- Oscilación de potencia
Tensión cuadrada media cuadrática[ editar ]
El voltaje RMS es la raíz cuadrada de la media durante un ciclo del cuadrado del voltaje instantáneo.
- Para una forma de onda periódica arbitraria de periodo :
- Para un voltaje sinusoidal:
- donde la identidad trigonométrica ha sido utilizado y el factor se llama factor de cresta , que varía para diferentes formas de onda.
- Para una forma de onda triangular centrada en cero
- Para una forma de onda cuadrada centrada en cero
![{\ displaystyle V _ {\ text {rms}} = {\ sqrt {{\ frac {1} {T}} \ int _ {0} ^ {T} {[v (t)] ^ {2} dt}} }.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ef708d0af8135ef76f3d2398403e698f8e7b98ba)
![{\ displaystyle {\ begin {alineado} V _ {\ text {rms}} & = {\ sqrt {{\ frac {1} {T}} \ int _ {0} ^ {T} [{V_ {pk} \ sin (\ omega t + \ phi)] ^ {2} dt}}} \\ & = V _ {\ text {pk}} {\ sqrt {{\ frac {1} {2T}} \ int _ {0} ^ {T} [{1- \ cos (2 \ omega t + 2 \ phi)] dt}}} \\ & = V _ {\ text {pk}} {\ sqrt {{\ frac {1} {2T}} \ int _ {0} ^ {T} {dt}}} \\ & = {\ frac {V _ {\ text {pk}}} {\ sqrt {2}}} \ end {alineado}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ad19da998be2d86690916d029a246b6a1f74f663)
Ejemplo [ editar ]
Para ilustrar estos conceptos, considere una fuente de alimentación de 230 V CA utilizada en muchos países del mundo. Se le llama así porque su valor cuadrático medio es 230 V. Esto significa que la potencia entregada promediada en el tiempo es equivalente a la potencia entregada por un voltaje de CC de 230 V. Para determinar el voltaje máximo (amplitud), podemos reorganizar el ecuación anterior a:
Para 230 V CA, el voltaje pico es, por lo tanto , que es de aproximadamente 325 V. Durante el transcurso de un ciclo, el voltaje aumenta de cero a 325 V, cae de cero a −325 V y vuelve a cero.
Transmisión de información [ editar ]
La corriente alterna se utiliza para transmitir información , como en los casos de teléfono y televisión por cable . Las señales de información se transportan en una amplia gama de frecuencias de CA. Las señales telefónicas POTS tienen una frecuencia de aproximadamente 3 kHz, cercana a la frecuencia de audio de banda base . La televisión por cable y otras corrientes de información transmitidas por cable pueden alternar a frecuencias de decenas a miles de megahercios. Estas frecuencias son similares a las frecuencias de ondas electromagnéticas que a menudo se utilizan para transmitir los mismos tipos de información por el aire .
Historia [ editar ]
El primer alternador que produjo corriente alterna fue un generador de dinamo eléctrico basado en los principios de Michael Faraday construido por el fabricante francés de instrumentos Hippolyte Pixii en 1832. [4] Pixii luego agregó un conmutador a su dispositivo para producir el (entonces) más comúnmente utilizado corriente continua. La primera aplicación práctica registrada de corriente alterna es Guillaume Duchenne , inventor y desarrollador de electroterapia . En 1855, anunció que la CA era superior a la corriente continua para la activación electroterapéutica de las contracciones musculares. [5]La tecnología actual alterna fue desarrollada por la empresa húngara Ganz Works (1870) y en la década de 1880: Sebastian Ziani de Ferranti , Lucien Gaulard y Galileo Ferraris .
En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación donde se instalaron conjuntos de bobinas de inducción a lo largo de una línea de CA de alto voltaje. En lugar de cambiar el voltaje, los devanados primarios transfirieron energía a los devanados secundarios que estaban conectados a una o varias 'velas eléctricas' (lámparas de arco) de su propio diseño, [6] [7] utilizadas para evitar que la falla de una lámpara se desactive Todo el circuito. [6] En 1878, la fábrica de Ganz , Budapest, Hungría, comenzó a fabricar equipos para iluminación eléctrica y, en 1883, había instalado más de cincuenta sistemas en Austria-Hungría. Sus sistemas de CA usaban lámparas de arco e incandescentes, generadores y otros equipos. [8]
Transformadores [ editar ]
Los sistemas de corriente alterna pueden usar transformadores para cambiar el voltaje de bajo a alto nivel y viceversa, lo que permite la generación y el consumo a bajos voltajes, pero la transmisión, posiblemente a grandes distancias, a alto voltaje, con ahorros en el costo de los conductores y pérdidas de energía. Un transformador de potencia bipolar de núcleo abierto desarrollado por Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs se demostró en Londres en 1881 y atrajo el interés de Westinghouse . También exhibieron la invención en Turín en 1884. Sin embargo, estas primeras bobinas de inducción con circuitos magnéticos abiertos son ineficientes para transferir potencia a las cargas.. Hasta aproximadamente 1880, el paradigma para la transmisión de energía de CA de un suministro de alto voltaje a una carga de bajo voltaje era un circuito en serie. Los transformadores de núcleo abierto con una relación cercana a 1: 1 se conectaron con sus primarios en serie para permitir el uso de un alto voltaje para la transmisión mientras se presentaba un bajo voltaje a las lámparas. La falla inherente en este método fue que apagar una sola lámpara (u otro dispositivo eléctrico) afectaba el voltaje suministrado a todos los demás en el mismo circuito. Se introdujeron muchos diseños de transformadores ajustables para compensar esta característica problemática del circuito en serie, incluidos los que emplean métodos para ajustar el núcleo o evitar el flujo magnético alrededor de parte de una bobina. [9] Los sistemas de corriente continua no tenían estos inconvenientes, lo que le daba ventajas significativas sobre los primeros sistemas de CA.
Pioneros [ editar ]
En el otoño de 1884, Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy y Miksa Déri (ZBD), tres ingenieros asociados con la fábrica de Ganz, determinaron que los dispositivos de núcleo abierto no eran prácticos, ya que eran incapaces de regular el voltaje de manera confiable. [10] En sus solicitudes de patente conjuntas de 1885 para transformadores novedosos (más tarde llamados transformadores ZBD), describieron dos diseños con circuitos magnéticos cerrados donde los devanados de cobre se enrollaban alrededor de un núcleo anular de alambres de hierro o se rodeaban por un núcleo de alambres de hierro. [9] En ambos diseños, el flujo magnético que une los devanados primario y secundario viajó casi por completo dentro de los confines del núcleo de hierro, sin trayectoria intencional a través del aire (vernúcleos toroidales ). Los nuevos transformadores fueron 3.4 veces más eficientes que los dispositivos bipolares de núcleo abierto de Gaulard y Gibbs. [11] La fábrica de Ganz en 1884 envió los primeros cinco transformadores de CA de alta eficiencia del mundo. [12] Esta primera unidad se fabricó con las siguientes especificaciones: 1,400 W, 40 Hz, 120: 72 V, 11.6: 19.4 A, relación 1.67: 1, monofásica, forma de carcasa. [12]
Las patentes de ZBD incluían otras dos innovaciones importantes interrelacionadas: una sobre el uso de cargas de utilización conectadas en paralelo, en lugar de en serie, y la otra sobre la capacidad de tener transformadores de alta relación de vueltas de modo que el voltaje de la red de suministro pudiera ser mucho más alto (inicialmente 1400 V a 2000 V) que el voltaje de las cargas de utilización (se prefieren inicialmente 100 V). [13] [14] Cuando se emplearon en sistemas de distribución eléctrica conectados en paralelo, los transformadores de núcleo cerrado finalmente hicieron posible técnica y económicamente proporcionar energía eléctrica para la iluminación de hogares, empresas y espacios públicos. [15] [16] El otro hito esencial fue la introducción de 'sistemas de fuente de voltaje, voltaje intensivo' (VSVI) ' [17]por la invención de los generadores de tensión constante en 1885. [18] Ottó Bláthy también inventaron la primera AC contador de electricidad . [19] [20] [21] [22]
Los sistemas de alimentación de CA se desarrollaron y adoptaron rápidamente después de 1886 debido a su capacidad de distribuir electricidad eficientemente a largas distancias, superando las limitaciones del sistema de corriente continua . En 1886, los ingenieros de ZBD diseñaron la primera estación de energía del mundo que usó generadores de CA para alimentar una red eléctrica común conectada en paralelo, la planta de energía de Roma-Cerchi a vapor. [23] La fiabilidad de la tecnología AC recibió impulso después de que Ganz Works electrificara una gran metrópolis europea: Roma en 1886. [23]
En el Reino Unido, Sebastian de Ferranti , que había estado desarrollando generadores y transformadores de CA en Londres desde 1882, rediseñó el sistema de CA en la estación de energía Grosvenor Gallery en 1886 para la London Electric Supply Corporation (LESCo), incluidos alternadores de su propio diseño y transformador. diseños similares a Gaulard y Gibbs. [24] En 1890 diseñó su estación de energía en Deptford [25] y convirtió la estación Grosvenor Gallery a través del Támesis en una subestación eléctrica , mostrando la forma de integrar plantas más antiguas en un sistema universal de suministro de CA. [26]
En los Estados Unidos, William Stanley, Jr. diseñó uno de los primeros dispositivos prácticos para transferir energía de CA de manera eficiente entre circuitos aislados. Usando pares de bobinas enrolladas en un núcleo de hierro común, su diseño, llamado bobina de inducción , fue un transformador temprano . Stanley también trabajó en ingeniería y adaptación de diseños europeos como el transformador Gaulard y Gibbs para el empresario estadounidense George Westinghouse, que comenzó a construir sistemas de CA en 1886. La expansión de Westinghouse y otros sistemas de CA provocó un retroceso a fines de 1887 por Edison (un defensor de corriente continua) que intentó desacreditar la corriente alterna como demasiado peligrosa en una campaña pública llamada " Guerra de las Corrientes"". En 1888, los sistemas de corriente alterna ganaron más viabilidad con la introducción de un motor de CA funcional , algo que estos sistemas habían faltado hasta entonces. El diseño, un motor de inducción , fue inventado independientemente por Galileo Ferraris y Nikola Tesla (con el diseño de Tesla autorizado por Westinghouse en los EE. UU.). Este diseño fue desarrollado más a fondo en la forma trifásica práctica moderna por Mikhail Dolivo-Dobrovolsky y Charles Eugene Lancelot Brown . [27]
La central hidroeléctrica de Ames y la central eléctrica original de Niagara Falls Adams estuvieron entre las primeras centrales hidroeléctricas de corriente alterna. La primera transmisión a larga distancia de electricidad monofásica fue desde una planta generadora hidroeléctrica en Oregon en Willamette Falls que en 1890 envió energía a catorce millas río abajo al centro de Portland para el alumbrado público. [28] En 1891, se instaló un segundo sistema de transmisión en Telluride Colorado. [29] El San Antonio Canyon Generator fue la tercera planta de energía hidroeléctrica de CA monofásica comercial en los Estados Unidos en proporcionar electricidad a larga distancia. Fue completado el 31 de diciembre de 1892 por el almariano William Deckerpara proporcionar energía a la ciudad de Pomona, California , que estaba a 14 millas de distancia. En 1893, diseñó la primera central eléctrica trifásica comercial en los Estados Unidos utilizando corriente alterna: la central hidroeléctrica número 1 de Mill Creek, cerca de Redlands, California . El diseño de Decker incorporó una transmisión trifásica de 10 kV y estableció los estándares para el sistema completo de generación, transmisión y motores utilizados hoy en día. La central hidroeléctrica Jaruga en Croacia se puso en funcionamiento el 28 de agosto de 1895. Los dos generadores (42 Hz, 550 kW cada uno) y los transformadores fueron producidos e instalados por la empresa húngara Ganz. La línea de transmisión de la central eléctrica a la ciudad de Šibenik tenía 11,5 kilómetros (7,1 millas) de largo en torres de madera, y la red de distribución municipal de 3000 V / 110 V incluía seis estaciones de transformación. La teoría del circuito de corriente alterna se desarrolló rápidamente en la última parte del siglo XIX y principios del XX. Los contribuyentes notables a la base teórica de los cálculos de corriente alterna incluyen Charles Steinmetz , Oliver Heaviside y muchos otros. [30] [31] Los cálculos en sistemas trifásicos desequilibrados se simplificaron mediante los métodos de componentes simétricos discutidos por Charles Legeyt Fortescue en 1918.
No hay comentarios:
Publicar un comentario