Amplificadores: Aprovechando Dispositivos Activos para Aumentar Potencia

Beneficio Práctico de Dispositivos Activos

El beneficio práctico de dispositivos activos es su habilidad amplificadora. Ya sea el dispositivo controlado por voltaje o corriente, la cantidad de potencia requerida de la señal de control es típicamente mucho menor que la potencia disponible en la corriente controlada. En otras palabras, un dispositivo activo no solo permite que la electricidad controle electricidad; permite que una pequeña cantidad de electricidad controle una grande cantidad de electricidad.

Debido a esta disparidad entre potencias controladora y controlada, los dispositivos activos pueden emplearse para gobernar gran cantidad de potencia (controlada) mediante la aplicación de una pequeña cantidad de potencia (controladora). Este comportamiento se conoce como amplificación.

Ley de Conservación de Energía en Máquinas

Es regla fundamental de física que la energía no puede crearse ni destruirse. Formalmente, esta regla se conoce como Ley de Conservación de Energía, y no se han descubierto excepciones. Si esta Ley es cierta —y una abrumadora masa de datos experimentales sugiere que lo es— entonces es imposible construir un dispositivo capaz de tomar poca energía y transformarla mágicamente en gran cantidad de energía. Todas las máquinas, circuitos eléctricos y electrónicos incluidos, tienen límite superior de eficiencia del 100 por ciento. En el mejor caso, potencia de salida iguala potencia de entrada como en la figura siguiente.

La potencia de salida de una máquina puede acercarse, pero nunca exceder, la potencia de entrada para 100% eficiencia como límite superior.

Usualmente, las máquinas fallan incluso en alcanzar este límite, perdiendo parte de su energía de entrada en forma de calor radiado al espacio circundante y por tanto no parte de la corriente de energía de salida. (Figura siguiente)

Una máquina realista a menudo pierde parte de su energía de entrada como calor al transformarla en la corriente de energía de salida.

Máquinas de Movimiento Perpetuo

Mucha gente ha intentado, sin éxito, diseñar y construir máquinas que emitan más potencia de la que reciben. No solo tal máquina de movimiento perpetuo probaría que la Ley de Conservación de Energía no era Ley, sino que traería revolución tecnológica como el mundo nunca ha visto, pues podría autoalimentarse en bucle circular y generar potencia excedente "gratis". (figura siguiente)

Hipotética "máquina de movimiento perpetuo" se autoalimenta?

A pesar de mucho esfuerzo y muchas afirmaciones sin escrúpulos de "energía libre" o máquinas over-unity, ninguna ha pasado nunca la simple prueba de autoalimentarse con su propia salida de energía y generar energía de sobra.

Amplificadores

Existe, sin embargo, una clase de máquinas conocidas como amplificadores, capaces de tomar señales de poca potencia y emitir señales de mucha mayor potencia. La clave para entender cómo amplificadores pueden existir sin violar la Ley de Conservación de Energía reside en el comportamiento de dispositivos activos.

Como los dispositivos activos tienen la habilidad de controlar gran cantidad de potencia eléctrica con poca potencia eléctrica, pueden arreglarse en circuito para duplicar la forma de la señal de potencia de entrada desde una mayor cantidad de potencia suministrada por fuente externa. El resultado es un dispositivo que parece magnificar mágicamente la potencia de una pequeña señal eléctrica (usualmente forma de onda AC de voltaje) en una forma de onda de misma forma pero mayor magnitud.

La Ley de Conservación de Energía no se viola porque la potencia adicional es suministrada por fuente externa, usualmente batería DC o equivalente. El amplificador ni crea ni destruye energía, solo la remodela en la forma de onda deseada como se muestra en la figura siguiente.

Mientras un amplificador puede escalar señal de entrada pequeña a salida grande, su fuente de energía es una fuente de alimentación externa.

En otras palabras, el comportamiento de control de corriente de dispositivos activos se emplea para dar forma a potencia DC de la fuente externa en la misma forma de onda que la señal de entrada, produciendo señal de salida de forma similar pero diferente (mayor) magnitud de potencia. El transistor u otro dispositivo activo dentro de un amplificador meramente forma una copia mayor de la forma de onda de señal de entrada a partir de la potencia DC "cruda" provista por batería u otra fuente.

Limitaciones de Amplificadores

Amplificadores, como todas las máquinas, están limitados en eficiencia a máximo 100 por ciento. Usualmente, amplificadores electrónicos son mucho menos eficientes que eso, disipando cantidades considerables de energía como calor residual. Porque la eficiencia de un amplificador es siempre 100 por ciento o menos, nunca puede funcionar como dispositivo de "movimiento perpetuo".

El requisito de fuente externa de potencia es común a todos los tipos de amplificadores, eléctricos y no eléctricos. Un ejemplo común de sistema de amplificación no eléctrico sería dirección asistida en automóvil, amplificando potencia de brazos del conductor al girar volante para mover ruedas delanteras. La fuente de potencia necesaria para la amplificación viene del motor. El dispositivo activo controlando la "señal de entrada" del conductor es válvula hidráulica derivando potencia de fluido de bomba acoplada al motor a pistón hidráulico asistiendo movimiento de rueda. Si el motor para, el sistema de amplificación falla en amplificar potencia de brazos del conductor y el auto se vuelve muy difícil de girar.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

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