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Electrónica de alta frecuencia
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ACOPLE DE IMPEDANCIAS Jayro Michael Arias Tandazo michaels520@hotmail.es
Ingeniera en Electrnica y Telecomunicaciones, Universidad Nacional de Loja.
Loja, Ecuador.
Summary. - This article is aimed at the description of the
types of couplers, and applicable in the area of
telecommunications.
Keywords. - Couplers, impedances, transformers, RF
circuits.
Resumen. - El presente artculo est orientado a la
descripcin de los tipos de acopladores existentes, y
aplicables en el rea de las telecomunicaciones.
Palabras clave.- Acopladores, Impedancias,
transformadores, Circuitos RF.
I. Introduccin
En los sistemas de comunicacin es frecuente
necesitar interconectar distintas etapas para
constituir un circuito con cierta funcionalidad,
como podra ser el caso de los transmisores o
receptores de radiofrecuencia, por ejemplo.
Con objeto de contribuir a la mxima
transmisin de potencia o tensin, existe la
necesidad de adaptar las impedancias de estos
subsistemas; caso de la transmisin de
potencia de los transmisores a las antenas de
radiacin, por ejemplo.
Existen, por tanto, dos tipos de adaptacin de
impedancias principalmente, aquellas que
persiguen optimizar la mxima transferencia
de potencia y las que tienen por objeto
optimizar la mxima transferencia de tensin.
La adaptacin de impedancias consistir en
intercalar una red de acoplamiento entre los
dos subsistemas tal que se consiga dicha
adaptacin de impedancia.
Fig.1. Esquema de una red de acoplamiento de impedancias.
II. Impedancia
Si bien podernos afirmar, con cierta
generalidad, que el concepto de resistencia
elctrica es ms conocido, quiz convenga
aclarar el trmino impedancia, el cual adquiere
una especial importancia en los sistemas de
comunicacin.
La resistencia elctrica podra ser definida
corno el valor de la oposicin al paso de la
corriente, bien sea de corriente continua o de
corriente alterna, que presenta un resistor o
una resistencia.
Por otra parte, se define la reactancia como el
valor de la oposicin al paso de corriente
alterna que tienen los condensadores y las
bobinas (o inductancias).
Cuando en un mismo circuito coexisten
resistencias, condensadores y/o bobinas y
trabajamos en el dominio de la frecuencia
(circula corriente alterna), el valor de la
oposicin al paso de la corriente alterna es lo
que denominamos impedancia.
mailto:michaels520@hotmail.esLa impedancia, por tanto, tendr la misma
magnitud que la resistencia elctrica, ohmios, y
estar formada por una componente resistiva,
debida a las resistencias, y una componente
reactiva, que tiene su origen en los
condensadores y las bobinas presentes en el
circuito. Queda expresada habitualmente
como un nmero complejo:
Fig.2. Representacin grfica de la impedancia.
La impedancia, al igual que otras magnitudes
elctricas, suele expresarse en forma fasorial.
A. Transferencia de potencia
Si entre la fuente y la carga se coloca una etapa
de adaptacin de impedancia, se consigue que
se transmita la mxima potencia posible a la
carga dentro de un ancho de banda
determinado , como se muestra en la
Figura 3.
Cuando la red de adaptacin est formada por
elementos reactivos exclusivamente, se dice
que e no disipati cuando incluye
resistencias se dice qu disipativa .
La implementacin de los adaptadores de
impedancia puede llevarse a cabo de distintas
maneras, en funcin de la frecuencia y la
potencia de funcionamiento, siendo las
configuraciones ms empleadas tres: la
geometra L, T y .
Normalmente no se desea que el acoplador
disipe potencia, motivo por el cual se
implementa con componentes puramente
reactivos, tales corno bobinas y
condensadores, pudiendo emplear distintas
configuraciones como la geometra L, T y.
Si bien es cierto que la funcin principal de las
redes de acoplamiento de impedancias es la de
propiciar la mxima transferencia de potencia
a la carga, otra importante funcin de las
mismas es la de proporcionar filtrado y
selectividad, es decir, que permitan que dicha
transferencia de potencia se produzca en un
determinado margen de frecuencias, caso de
los amplificadores RF, donde debe restringirse
la potencia entregada a la siguiente etapa. Por
ejemplo, los amplificadores de clase C generan
un elevado nmero de armnicos indeseables
que no deben ser transferidos a la siguiente
etapa, por lo que la red de adaptacin de
impedancias debe seleccionar la frecuencia
que se debe amplificar y filtrar aquellos
armnicos no deseados.
B. Factor de calidad
Se define el factor de calidad o Q corno un
parmetro que caracteriza el ancho de banda
relativo de un oscilador respecto a su
frecuencia de resonancia, siendo una medida
de la selectividad del mismo.
III. Acoplador en L o redes L
El acoplador en L o redes L es una de las
configuraciones ms sencillas que existen para
Fig.3. Ejemplo de funcin de transferencia de potencia
con adaptacin de impedancias.
adaptar impedancias, y consta de dos
reactancias (normalmente un inductor o
bobina y un capacitor o condensador),
pudiendo adquirir varias configuraciones, todas
en forma de L, lo que da nombre a estas.
Fig.4. Cuatro posibles acopladores en L.
En funcin del valor de la impedancia de la
fuente respecto de la carga se emplea una
configuracin u otra. Si La impedancia de la
fuente es menor que la de la carga, se
emplearn las configuraciones b) y d); en caso
contrario se utilizarn las configuraciones a) y
c). Adems, las configuraciones a) y b) se
comportan a su vez como filtros paso baja y las
configuraciones e) y d) como filtros paso alta.
Al depender ele la frecuencia Ja impedancia
tanto del condensador como de la bobina, la
adaptacin de impedancias tendr lugar a una
frecuencia de trabajo, conocida como
frecuencia de resonancia. Mediante la
adecuada eleccin de la red de acoplamiento
es posible adaptar la impedancia de la carga a
la de la fuente a una frecuencia dada.
Si suponemos que tanto Z5 como ZL son
resistivas puras, algo que en la realidad
raramente sucede, pueden obtenerse las
ecuaciones de diseo para una red de
acoplamiento donde
En el caso de disponer de una red de
acoplamiento como la de la Figura 5 donde
, podra demostrarse que las
ecuaciones de diseo (valores de L y C) vienen
dadas por:
Fig.5. Ejemplo de red de acoplamiento con .
Del mismo modo, si disponemos de una
configuracin como la que se muestra en la
Figura 6, donde Z5 < ZL, podra demostrarse
que las ecuaciones de diseo (valores de L y C)
vienen dadas por:
Fig.6. Ejemplo de red de acoplamiento con .
IV. Acopladores en T y
Si bien es cierto que los acopladores en L son
ampliamente utilizados en la adaptacin de
impedancias, estos presentan el inconveniente
de no ser flexibles en cuanto a su selectividad,
habiendo poco margen de control sobre la Q
de la red de acoplamiento, que viene dada por
las impedancias interna y de carga; lo que
supone que en ocasiones no se consiga la
selectividad deseada.
Una posible solucin al problema anterior es la
incorporacin de una nueva reactancia a la red
de acoplamiento (emplear tres reactancias en
lugar de dos).
Fig.7. Esquema de un acoplador en T con tres reactancias.
En la Figura 8 se muestran algunas
configuraciones tpicas de redes de
acoplamiento con tres reactancias. La primera
se conoce como red en n, dada su similitud
geomtrica con dicha letra, y la ltima es una
red en T.
Fig.8. Ejemplos de circuitos con redes de acoplamiento en
T y Pi
Del mismo modo que en las redes L, las redes T
y pi permiten aumentar o disminuir la
impedancia, segn se precise.
Algunos de los esquemas ms utilizados en la
red en T son los que se muestran en la Figura 9,
los cuales reciben tambin el nombre de red
LCC, siendo ampliamente utilizados cuando se
precisa adaptar la baja impedancia de salida de
un amplificador a la alta impedancia de
entrada de otra etapa de amplificacin o una
antena, por ejemplo.
Fig.9. Ejemplo de redes en T con configuracin LCC.
Suponiendo que disponemos de una
configuracin como la que se muestra en la
Figura 10, con una red LCC, donde se han
simplificado las impedancias de fuente y carga
a impedancias puramente resistivas, con
, las ecuaciones y procedimiento de
diseo son como siguen:
x Seleccionamos la Q que deseamos para el circuito.
x Calcularemos el valor de la reactancia de la bobina mediante la siguiente ecuacin de
diseo:
x Calcularemos el valor de la reactancia del condensador en serie con la carga
mediante la siguiente ecuacin de diseo:
x Calcularemos el valor de la reactancia del otro condensador mediante la siguiente
ecuacin de diseo:
x Por ltimo, calcularamos los valores de L, C1 y C2 empleando las frmulas:
Fig.10. Esquema de adaptacin con red LCC
V. Acoplador de impedancias por
transformador
Otro dispositivo ampliamente utilizado en el
acoplamiento de impedancias es el
transformador con ncleo de hierro.
Mediante el ajuste adecuado de la relacin de
vueltas de las espiras del devanado del mismo
puede lograrse la impedancia de carga
deseada.
Si suponemos que disponemos de un esquema
como el de la figura 11, la relacin entre el
nmero de vueltas de las espiras del primario
y del secundario del transformador
de ncleo de hierro y la impedancia de entrada
y la salida viene dada por:
La ecuacin antes descrita es nicamente
valida cuando se emplean transformadores de
ncleo de hierro. Si utilizamos transformadores
con ncleo de aire, la relacin de impedancias
no responde a dicha frmula. La utilizacin de
este tipo de transformadores, si bien esta
generalizada en aplicaciones RF para la
adaptacin de impedancias, es menos eficiente
que el uso de transformadores con ncleo de
hierro, ya que estos ltimos propician que el
campo magntico que se produce en el
devanado primario quede confinado casi al
Fig.11. Esquema de acoplamiento de impedancias
mediante el empleo de un transformador con
ncleo de hierro.
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