Carrera: Ingenieria de Telecomunicaciones. Asignatura: Instrumentación de las Co municaciones
Caracas, octubre de 2011
COMPONENTES DE CIRCUITOS EN RADIOFRECUENCIA (RF) En un sistema de transmisión, es imprescindible la existencia de un equipo transmisor, un canal de comunicación y un dispositivo receptor. Las características del transmisor y del receptor deben ajustarse a las características del canal.
En los sistemas de radio, el canal es conformado por el aire y la manera de lograr que una señal se propague en el espacio, es mediante ondas electromagnéticas, comúnmente
denominadas
ondas
de
radio.
Estas
ondas,
para
transportar
informaciones necesitan ser modificadas en alguno de sus parámetros en función de la información. Los componentes, son piezas que componen una radio frecuencia (RF) del circuito. Cuando estos componentes (resistencia, inductor y condensador) están diseñados en circuitos con frecuencia variable, las cosas no suelen ser como parecen. Los condensadores en ciertas frecuencias dejan de ser condensadores en absoluto, sino se comporta como un inductor, mientras que los inductores pueden parecerse a los condensadores, resistencias y puede tender a ser un poco de ambos.
Resistores Sede
nomina resistor al componente
electrónico diseñado
para
introducir
una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. En el propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos simplemente como resistencias. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., se emplean resistencias para producir calor aprovechando el efecto Joule. Es un material formado por carbón y otros elementos resistivos para disminuir la corriente que pasa. Se opone al paso de la corriente. La corriente máxima en un resistor viene condicionada por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta
potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W. Existen resistencias de valor variable, que reciben el nombre de potenciómetros.
Efecto Pelicular En corriente continua, la densidad de corriente es similar en todo el conductor, pero en corriente alterna se observa que hay una mayor densidad de corriente en la superficie que en el centro. Este fenómeno se conoce como efecto pelicular o efecto Kelvin. Este fenómeno hace que la resistencia efectiva o de corriente alterna sea mayor que la resistencia óhmica-arochiana o de corriente elevada. Este efecto es el causante de la variación de la resistencia eléctrica, en corriente alterna, de un conductor debido a la variación de la frecuencia de la corriente eléctrica que circula por éste.
El efecto pelicular se debe a que la variación del campo magnético (
) es mayor
en el centro, lo que da lugar a una reactancia inductiva mayor, y, debido a ello, a una intensidad menor en el centro del conductor y mayor en la periferia. Este efecto es apreciable en conductores de grandes secciones, especialmente si son macizos. Aumenta con la frecuencia, en aquellos conductores con cubierta metálica o si están arrollados en un núcleo ferromagnético. En frecuencias altas los electrones tienden a circular por la zona más externa del conductor, en forma de corona, en vez de hacerlo por toda su sección, con lo que, de hecho, disminuye la sección efectiva por la que circulan estos electrones aumentando la resistencia del conductor. Este fenómeno es muy perjudicial en las líneas de transmisión que conectan dispositivos de alta frecuencia (por ejemplo un transmisor de radio con su antena). Si
la potencia es elevada se producirá una gran pérdida en la línea debido a la disipación de energía en la resistencia de la misma. También es muy negativo en el comportamiento de bobinas y transformadores para altas frecuencias, debido a que perjudica al factor Q de los circuitos resonantes al aumentar la resistencia respecto a la reactancia. Una forma de mitigar este efecto es el empleo en las líneas y en los inductores del denominado hilo de Litz, consistente en un cable formado por muchos conductores de pequeña sección aislados unos de otros y unidos solo en los extremos. De esta forma se consigue un aumento de la zona de conducción efectiva.
Inductores Los inductores o bobinas son elementos lineales y pasivos que pueden almacenar y liberar energía basándose en fenómenos relacionados con campos magnéticos. Una aplicación de los inductores, consistente en bloquear (“choke” en inglés) las señales de AC de alta frecuencia en circuitos de radio, dio origen a que con dicho término (choque) se haga referencia a los inductores que se emplean en aplicaciones donde su valor no es crítico y que por lo tanto admiten grandes tolerancias. Básicamente, todo inductor consiste en un arrollamiento de hilo conductor. La inductancia resultante es directamente proporcional al número y diámetro de las espiras y a la permeabilidad del interior del arrollamiento, y es inversamente proporcional a la longitud de la bobina.
Frecuencia de Resonancia El fenómeno de resonancia se manifiesta cuando una oscilación excita a un sistema cuya frecuencia propia es igual o un múltiplo entero de la frecuencia de la oscilación.
Al referirme a oscilación me refiero a una onda (mecánica o eléctrica) Cuando
digo
excita,
me
refiero
a
que
impulsa
al
sistema.
Cuando hablo de sistema me refiero a un sistema mecánico o eléctrico cuyo comportamiento es susceptible a ese tipo de oscilación. La frecuencia propia del sistema es la frecuencia fundamental en alguno de sus modos de vibración.
Voy
a
darte
un
par
de
ejemplos
así
te
queda
claro:
El más simple, un columpio (o hamaca) con un niño sentado en ella. Si vos consideras el sistema como un péndulo, sabrás que tiene una frecuencia propia dada por el peso del niño, sin importar la amplitud de la oscilación (es decir sin importar la altura que está alcanzando el niño al hamacarse). Una persona parada en el piso empuja al niño en la hamaca, cada vez que pasa por su posición. Obviamente la persona ejerce su fuerza una vez por ciclo de la hamacada, por lo tanto la frecuencia de esa fuerza impulsora es igual a la frecuencia propia del sistema niño hamaca, la amplitud de oscilación aumenta (fuerza y movimiento están en fase, están en resonancia). Esto lo hacemos intuitivamente, no es necesario saber de física o de resonancia para llevar a nuestros hijos al parque a que se suban a un columpio. Pero imagínate por un segundo que queremos hacer la prueba de que pasa si cambiamos la frecuencia de la fuerza impulsora... en algún momento estarás ayudando al movimiento del columpio, y en otros momentos estarás ejerciendo fuerza contra el movimiento del columpio, lo que hará que se frene, obviamente la respuesta del columpio no será como en el caso de la resonancia, va a mostrar un movimiento raro, acelerándose y frenándose dependiendo de la fuerza. Acá decimos que fuerza y movimiento no están en fase, y no hay resonancia. Obviamente en resonancia la amplitud (la altura a la que llega el niño) es la máxima, y será menor para las demás frecuencias.
Otro ejemplo es una cuerda de guitarra. Dada su masa, longitud y tensión, tiene bien definidos sus modos de vibración y frecuencias fundamentales. Si de alguna forma generamos un sonido (por ejemplo con el diapasón), que le imponga una fuerza a la cuerda de igual frecuencia que la propia, entonces la vas a ver vibrar, ya que entro en resonancia.
Los sistemas de segundo orden (mecánicos o eléctricos) son aquellos donde su comportamiento está definido por ecuaciones diferenciales de segundo orden. Ejemplos, una masa unida a un resorte y un amortiguador (sistema de suspensión del auto), o un circuito con resistencias capacitores e inductores. Estos sistemas tienen una frecuencia a la cual las energías que están en juego se aprovechan al máximo: esa es la frecuencia de resonancia. Un ejemplo eléctrico es el sintonizador del radio. Variando los valores de capacidad (o inductancia) se modifica la frecuencia propia del sistema. Al entrar un grupo de señales de distintas frecuencias, aquella que es la de resonancia prevalece sobre las demás que encuentran una gran resistencia a ser tomadas. La de resonancia se aprovecha al máximo, y es lo que hace que este en "sintonía". Ahí corriente (movimiento de electrones) y tensión (fuerza que los impulsa) están en fase, como en el caso del columpio, y también la amplitud es máxima. Como ejemplo mecánico, aparte del de la suspensión del automóvil, es muy famoso el del puente Tacoma Narrows, donde la frecuencia del viento se igualo con la frecuencia de vibración propia del puente, lo que genero que toda la energía se expresara como movimiento del puente, haciendo que se destruyera. Otro ejemplo mecánico son las tropas que marchan en fila. Alguna vez esta marcha igualo la frecuencia propia de un puente haciendo que las vibraciones lo destruyeran. Desde ahí se suelen romper filas antes de cruzar un puente. Entonces la frecuencia de resonancia de un sistema no es más que su frecuencia propia de vibración.
Capacitancia Distribuida Por definición, la capacitancia entre dos conductores cualesquiera o elementos de conductores es la razón de la magnitud de cualquiera de las cargas iguales y opuestas en ellos a la diferencia de potencial asociada con las cargas. Entonces, si capacitancia entre los conductores de una línea coaxial para la longitud =
/(Vb – Va), y la capacitancia distribuida de la línea es C =
/
es la , =(
/
)/ (Vb – Va). Reemplazando en la ecuación obtenemos:
micromicrofaradios/metro Donde ke’ es la constante del dieléctrico real del material sin pérdidas, que llena el espacio interconductor,
tenemos que
= 8,85 x 10 – 12 faradios/metro
es la permitividad del espacio libre. También se expresa así:
La capacitancia distribuida de una línea de transmisión coaxial está generalmente en el rango de cerca de 25 a 200 micromicrofaradios/metro y valores entre 50 y 100 micromicrofaradios /metro son más comunes.
Inductancia de Alambre
Inductancias son simplemente llamadas bobinas de alambre. Esto por su apariencia, comúnmente solo se les llama bobinas. Las inductancias agregan inercia a los circuitos eléctricos y electrónicos. Este efecto es descrito más adelante, por ahora, es suficiente conocer que agregando una bobina a un circuito es algo similar a que agregáramos peso a un sistema mecánico.
Toroides Un toroide, simplemente es un anillo o un material magnético con forma de rosquilla que es ampliamente utilizado para devanar inductores de RF y transformadores. Toroides se hacen generalmente de hierro o ferrita. Cuando se utiliza como núcleos los inductores, por lo general pueden producir Qs muy elevado. Son auto-blindaje, compacto y lo mejor de todo fácil de usar. La Q de un inductor toroidal es generalmente elevada debido a que el toroide se puede hacer con una permeabilidad muy alta. Como antes mencionado, los núcleos de alta permeabilidad permiten al diseñador para construir un inductor con una inductancia determinada con menos vueltas que es posible con un diseño núcleo-aire.
Ferritas La ferrita (o hierro alfa) es, en metalurgia una de las estructuras moleculares del hierro. Cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y tiene propiedades magnéticas. Se emplea en la fabricación de: imanes permanentes aleados con cobalto y bario;
en
núcleos
de
inductancias
y
transformadores
con níquel, zinc o manganeso, ya que en ellos quedan eliminadas prácticamente las Corrientes de Foucault. Las ferritas son materiales cerámicos ferromagnéticos (sólo la alfa), compuestos por hierro, boro y bario, estroncio o molibdeno.
Las ferritas tienen una alta permeabilidad
magnética, lo cual les permite
almacenar campos magnéticos con más fuerza que el hierro. Las ferritas se producen a menudo en forma de polvo, con el cual se pueden producir piezas de gran resistencia y dureza, previamente moldeadas por presión y luego calentadas, sin llegar a la temperatura de fusión, dentro de un proceso conocido como sinterización. Mediante
este
procedimiento
se
fabrican
núcleos
para transformadores,
inductores/bobinas y otros elementos eléctricos o electrónicos. Los primeros ordenadores estaban dotados de memorias que almacenaban sus datos en forma de campo magnético en núcleos de ferrita, los cuales estaban ensamblados en conjuntos de núcleos de memoria. El polvo de ferrita se usa también en la fabricación de cintas para grabación; en este caso, el material es trióxido de hierro. Otra utilización común son los núcleos de ferrita, usados popularmente en multitud de cables electrónicos para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI). Se disponen en alojamientos de plástico que agarran el cable mediante un sistema de cierre. Al pasar el cable por el interior del núcleo aumenta la impedancia de la señal sin atenuar las frecuencias más bajas. A mayor número de vueltas dentro del núcleo mayor aumento, por eso algunos fabricantes presentan cables con bucles en los núcleos de ferrita. Este polvo de ferrita es utilizado también como tóner magnético de impresoras láser, pigmento de algunas clases de pintura, polvo de inspección magnético (usado en soldadura), tinta magnética para imprimir cheques y códigos de barras y, a su vez, con dicho polvo y la adición de un fluido portador (agua, aceite vegetal o mineral o de coche) y un surfactante o tensoactivo (ácido oleico, ácido cítrico, lecitina de soja) es posible fabricar ferrofluido casero.
Capacitores
Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios. En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las -
+
placas cargada negativamente (Q ) y la otra positivamente (Q ) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q. Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cual podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como un cortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Es por esta propiedad lo convierte en dispositivos muy útiles cuando se debe impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico, pero si queremos que pase la alterna. Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia. Además son utilizados en: Ventiladores, motores de Aire Acondicionado, en Iluminación, Refrigeración, Compresores, Bombas de Agua y Motores de Corriente Alterna, por la propiedad antes explicada. Los capacitores se fabrican en gran variedad de formas y se pueden mandar a hacer de acuerdo a las necesidades de cada uno. El aire, la mica, la cerámica, el papel, el aceite y el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad que se pretenda dar al dispositivo. Pueden estar encapsulados en baquelita con válvula de seguridad,
sellados, resistentes a la humedad, polvo, aceite; con terminales para conector hembra y/o soldadura. También existen los capacitores de Marcha o Mantenimiento los cuales están encapsulados en metal. Generalmente, todos los Capacitores son secos, esto quiere decir que son fabricados con cintas de plástico metalizado, auto regenerativos, encapsulados en plástico para mejor aislamiento eléctrico, de alta estabilidad térmica y resistente a la humedad. El primer capacitor es la botella de Leyden, el cual es un capacitor simple en el que las dos placas conductoras son finos revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de la botella, que a su vez es el dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un capacitor es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.
Frecuencia de Resonancia El componente más fundamental de todos los transmisores y receptores de radio es el circuito resonante condensador/bobina paralelo. Este circuito básico consiste en una bobina de hilo en paralelo con un conden sador. Estos son llamados “circuitos LC” donde “L” es la letra usada cuando se calcula la inductancia y “C” por supuesto es para el condensador. Si la tensión de una onda senoidal de alta frecuencia se aplica a través del circuito paralelo LC, hay una frecuencia específica a la que el circuito LC resuena y aparenta ser un circuito abierto. Para resto de frecuencias el circuito LC se muestra como una carga o cortocircuito. El circuito LC atenúa o elimina la onda senoidal en todas las frecuencias excepto una. De esta forma una señal de radio puede ser “sintonizada” preferentemente sobre otra.
