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.es

La 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.