Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Redes de Acople.
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Circuitos de Adaptación L, Pi y T Arnold Alejandro Cruz, Gerardo Andrés López, Anderson Fajardo Londoño, Juan Sebastián Ferrer {arnold.91, galogeing, anderskater15, jusefe11}@hotmail.com Universidad del Quindío Resumen — En En
el presente laboratorio se realiza el diseño correspondiente a cada red de acople propuesta para la práctica, en donde se llevan a cabo los análisis adecuados sobre el ancho de banda y factor de calidad a una frecuencia de operación mayor a los 300KHz de manera teórica, práctica y simulada.
Palabras clave — Red Red
de acople, máxima transferencia de potencia, frecuencia, factor de calidad.
Abstract — In — In
this laboratory design is performed for each coupling network proposal to practice, in which the analysis carried out on the appropriate bandwidth and quality factor at a higher operating frequency at 300KHz theoretically, practice and simulated.
Key words — Coupling
network, maximum transfer of power, frequency, quality factor.
III. REDES DE ACOPLE En electrónica adaptar o emparejar las impedancias, consiste en hacer que la impedancia de salida de un origen de señal, como puede ser una fuente de alimentación o un amplificador, sea igual a la impedancia de entrada de la carga a la cual que se conecta. Esto con el fin de conseguir la máxima transferencia de potencia y aminorar las pérdidas de potencia por reflexiones desde la carga [2]. Algunos de los circuitos más simples de dos elementos LC pueden usarse en la adaptación de impedancias o bien circuitos complejos de siete o más elementos, esto por supuesto dependerá de la aplicación específica que se desea utilizar. A. Red L
I. OBJETIVOS Diseñar redes de acople que permitan la máxima transferencia de potencia. Analizar el comportamiento de cada red de acople con respecto a la frecuencia de forma teórica, simulada y práctica.
II. INTRODUCCIÓN En el diseño de todo amplificador y en especial en circuitos de radio frecuencia se hace necesario optimizar la performance del amplificador, por lo tanto se debe realizar la adaptación de impedancia, tanto de entrada como de salida del elemento activo para obtener la máxima transferencia de potencia. Este requerimiento se hace realmente más importante cuando se trata de la entrada de un receptor, donde la adaptación de la antena a la primera etapa amplificadora es un parámetro que influye directamente en la sensibilidad del receptor. Por esta razón se debe poner un cuidado especial en el cálculo y ajuste de una red de acoplamiento, a la entrada, para obtener el óptimo acoplamiento a la carga, sin dejar de considerar el balance de la relación señal a ruido a la entrada del amplificador [1].
Una de las formas más simples de una red de acoplamiento de impedancias es la red L , la cual consta de un inductor y un capacitor conectados en varias configuraciones en forma de L. Mediante el diseño adecuado de la red de acoplamiento L, la impedancia de carga puede acoplarse a la impedancia de la fuente [3].
Fig. 1 Red de acople L. B. Red Pi
Aun cuando las redes L se usan con frecuencia para el acoplamiento de impedancias, no son flexibles en cuanto a su selectividad. Cuando se diseñan redes L, hay muy poco control sobre el Q del circuito. Este valor está definido por las impedancias interna y de carga. Se obtiene, desde luego, un valor de Q, pero
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quizá no siempre sea el necesario para lograr la selectividad deseada [4].
2
L1 R1
V1
57.62
178u
1Vac
C1
R2
0Vdc
1.54n
2k
0
Fig. 4 Red de adaptación L. Fig. 2 Red de acople Pi.
Este tipo de configuración, también se la denomina “back to back” que quiere decir acoplar dos redes L en configuración invertida una con la otra, tal que se consigue adaptar a las resistencias de carga y de fuente a una cierta impedancia o resistencia virtual entre ellas [5].
B. Red Pi
Se procede a implementar el circuito de acople tipo Pi diseñado para trabajar a una frecuencia aproximada a los 300KHz y que permita acoplar una fuente cuya resistencia interna es de 50 ohmios. El siguiente diagrama circuital corresponde a la red implementada: L
R1
C. Red T
Para este tipo de configuración se sigue la misma forma de diseño que para la configuración π, con la excepción que la adaptación de impedancias entre la entrada y la salida se hace con dos redes L a través de una unión virtual de alta impedancia, es decir, se adapta a través de una resistencia virtual Rv que debe ser mayor que las impedancias Rs y RL. Por lo tanto, esto significa que las dos redes de tipo L se conectarán en paralelo por la rama que conecta a tierra tal como se observa en la Fig. 3 [6].
V1
C1
C2
R2
0Vdc
21.22n
1.67n
6k
0
Fig. 5 Red de adaptación Pi. C. Red T
Finalmente se realiza el montaje de la red de acople T observado en la Fig. 6, para luego realizar las mediciones pertinentes (ancho de banda y factor de calidad) a una frecuencia aproximada de 300KHz como en los circuitos anteriores.
1Vac 0Vdc
Fig. 3 Red de acople T.
R1
L
50
178u
C2
1.13n C1 0.465n
R2 100
0
Fig. 6 Red de adaptación T.
IV. PROCEDIMIENTO Se implementa el circuito de la Fig. 4 correspondiente a la red de adaptación L, se realizan las mediciones con su adecuado análisis del factor de calidad y del ancho de banda para una frecuencia de operación mayor a los 300Khz.
178u
1Vac
V1
A. Red L
50
V. RESULTADOS Y ANÁLISIS A continuación se presenta los resultados obtenidos a través de la herramienta de simulación, como también los datos medidos mediante el osciloscopio en la práctica de laboratorio. A. Red L
Realizando el análisis en frecuencia a través de la herramienta de simulación Orcad se obtiene el
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siguiente resultado:
Fig. 8 Análisis en frecuencia de la red Fig. 7 Análisis en frecuencia de la red L.
Se observa que a frecuencias menores a la de corte inferior no existe alteración alguna en amplitud de la señal de entrada (ganancia de voltaje unitaria), pero presenta el fenómeno, característico de esta red de acople, de amplificar la señal hasta la frecuencia de resonancia. A partir de esta frecuencia (la de resonancia) el circuito empieza a atenuar la señal hasta tal punto que las frecuencias altas no pasan, comportándose de esta manera como un filtro pasabajas. La siguiente tabla enseña los valores obtenidos en la teoría, simulación y práctica respecto al ancho de banda y factor de calidad con su respectivo cálculo de error teórico práctico: Tabla 1.
Resultados de la red L. Símbolo
Teórico
Simulado
Práctico
Error
Se analiza que existen diferencias no muy significantes entre cada dato observado con respecto a la teoría, simulación y práctica. Involucrando de esta manera una adecuada comprensión del acople de impedancias a través de una red de adaptación tipo L. B. Red Pi
Para realizar el análisis frecuencial de la red de acople Pi se procede a realizar la siguiente simulación (Fig. 8), complementando así las observaciones con la teoría y la práctica:
Pi.
La gráfica enseña un comportamiento similar a la red de adaptación anterior, en donde se observa una mayor amplificación de la señal de entrada cuando la red trabaja a la frecuencia de resonancia. Se analiza de igual manera un comportamiento similar a los filtros pasabajos que proporcionan una atenuación máxima de las armónicas. A diferencia de la red anterior, la red de acople Pi permite establecer más control sobre la elección de un factor de calidad adecuado según la aplicación que lo requiera. Se analiza finalmente que la causa del por qué dicha red de acople tiende a atenuar las frecuencias altas y no las bajas, es por la elección del factor de calidad Q. Esto resulta porque esta red es analizada separadamente desde la malla de entrada y de salida, cada una con su propio factor de calidad, en donde generalmente y según el diseño realizado para la práctica de laboratorio el factor Q de la entrada es menor que el de la malla de salida, haciendo que las frecuencias bajas no sufran atenuación alguna y las altas sufran una alta atenuación debido al factor Q alto de la malla de salida. La siguiente tabla muestra las mediciones realizadas: Tabla 2.
Resultados de la red Pi. Símbolo
Teórico
Simulado
Práctico
Error
En este caso se observan errores considerables causados por la resistencia del inductor utilizado. Para corregir este problema se debe tener en cuenta dicha resistencia en la realización de los cálculos.
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obtenidos de forma simulada para el caso
C. Red T
Se procede a realizar la simulación correspondiente a la red de acople T, en donde se obtiene los siguientes resultados:
anterior. A continuación se presenta la gráfica obtenida de realizar el segundo caso con los valores obtenidos del ancho de banda:
Fig. 9 Análisis en frecuencia de la red T.
En este tipo de red, se observa una alta atenuación para las frecuencias bajas y altas comportándose de esta manera como un filtro pasabanda. Se observa una ligera atenuación cuando se trabaja a la frecuencia de resonancia, pero presenta la característica de elegir con cierta libertad un factor Q según la aplicación que lo requiera para un adecuado acople entre etapas para máxima transferencia de potencia. Los datos obtenidos de la teoría, simulación y práctica se presentan en la siguiente tabla: Tabla 3.
Resultados de la red T. Símbolo
Teórico
Simulado
Práctico
Error
Al analizar los datos anteriores se observa que posiblemente existe alguna inconsistencia en la base teórica extraída de la referencia [6], puesto que se realizaron diferentes modificaciones a la red implementada con la asesoría del profesional a cargo (el ingeniero Hernán Darío Vargas Cardona) y se observaban los siguientes dos casos: cuando se trabaja con la configuración mostrada en la Fig. 6 se obtiene un ancho de banda simulado de , mientras que práctico de . El segundo caso corresponde a intercambiar el capacitor por el capacitor de la misma red (Fig. 6), en donde se observa una disminución del ancho de banda simulado a los , mientras que práctico aumentaba aproximadamente a los
Fig. 10 Análisis en frecuencia de la red T,
segundo caso.
Tabla 4.
Resultados de la red T. Símbolo
Simulado
VI. CONCLUSIONES Se concluye que la utilización de elementos pasivos para la construcción de filtros presenta una fuerte aplicación en la adaptación de impedancias en circuitos que requieran una máxima transferencia de potencia como por ejemplo el acople de una antena a un amplificador. Al involucrar elementos almacenadores de energía como los capacitores e inductores en el diseño de redes de acople, inevitablemente habrá una ganancia de voltaje; ganancia que dependerá de cada red diseñada, para algunos casos amplificará la señal y para otros la mantendrá intacta. El factor Q de las redes de acople Pi y T tiene una relación directa con el inductor utilizado, en donde existe más facilidad de elección del factor Q para la ejecución de alguna aplicación específica que lo requiera. Se hace evidente que dicha característica existe, a través de los análisis realizados en donde estas dos redes son las que mayor factor de calidad presentan. Finalmente se concluye que la máxima transferencia de potencia a la carga ocurrirá cuando se trabaje en la frecuencia de resonancia según la red adaptación que se emplee; si se requiere algún valor del factor
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red de acople L, puesto que dicha red no ofrece esa facilidad, si lo que se pretende es solamente acoplar impedancias cualquier red de adaptación puede ser utilizada. REFERENCIAS [1]Adaptación de impedancia, circuitos de RF utilizando la carta de Smith, Ing. Néstor Hugo Mata, Universidad Tecnológica Nacional, pág. 1. [2]http://es.wikipedia.org/wiki/Adaptaci%C3%B3n _de_impedancias [3]http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap11Adaptacion deimpedancias2008.pdf, pág. 8 [4]http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap11Adaptacion deimpedancias2008.pdf, pág. 10 [5]Adaptación de impedancia, circuitos de RF utilizando la carta de Smith, Ing. Néstor Hugo Mata, Universidad Tecnológica Nacional, pág. 10. [6]http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap11Adaptacion deimpedancias2008.pdf, pág. 13
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ANEXOS
Fig. 7 Análisis en frecuencia de la red L.
Fig. 8 Análisis en frecuencia de la red
Pi.
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Fig. 9 Análisis en frecuencia de la red T.
Fig. 10 Análisis en frecuencia de la red T,
segundo caso.
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