Acople de Impedancias
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA
REA DE LA ENERGA, LAS INDUSTRIAS Y LOS RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES
CARRERA DE INGENIERA EN ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONES.
MDULO VII
ELECTRONICA DE ALTA FRECUENCIA
ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIAS
POR:
SANTIAGO RAMIREZ
Abril 2015
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1. INTRODUCCIN
Los sistemas de comunicaciones de radiofrecuencia estn compuestos por circuitos o redes
electrnicas que se interconectan.
La interconexin entre redes de circuitos requiere de mxima transferencia en potencia; cuando no
se cumple mxima transferencia se deben incluir un circuito intermedio denominado acoplador.
Acoplar consiste en emparejar impedancias de dos redes interconectadas y adems que el
acoplador sea resonante.
2. ACOPLE DE IMPEDANCIAS
Los acopladores de impedancia son elementos indispensables para conseguir la mxima
transferencia de potencia entre circuitos, ya sean amplificadores, osciladores, mezcladores, etc. Un
caso de aplicacin importante es en el acoplamiento de lneas de transmisin y antenas. La idea
bsica del acoplador se ilustra en la figura 1, en que un generador, de impedancia ZG = RG + jXG
suministra potencia a una carga de impedancia ZL = RL + jXL. Para que la transferencia de potencia
entre generador y carga sea mxima, es necesario que sus impedancias sean complejas conjugadas,
es decir ZG = ZL*, en que ZL* es el complejo conjugado de ZL, es decir RL jXL.
La funcin del acoplador es, por consecuencia, hacer que el generador vea en sus terminales una
impedancia compleja igual al conjugado de su impedancia interna, es decir, ZG* = RG - jXG y del lado
de la carga, la impedancia de salida del acoplador debe ser igual al complejo conjugado de la
impedancia de carga, ZL*. En estas condiciones, se dice que las impedancias estn acopladas, o
adaptadas. Esto puede realizarse con circuitos formados por reactancias puras y, en el caso ms
simple, mediante un transformador.
Fig. 1. Acoplador genrico de Impedancias
En general, es deseable que en el acoplador no se disipe potencia, por lo que es frecuente
implementarlos con elementos puramente reactivos (bobinas y condensadores), lo que da lugar a
varias geometras posibles: L invertida, T y . La teora de los acopladores de impedancia se basa,
principalmente, en la aplicacin de los teoremas de Thvenin y Norton.
En la prctica, la mayora de las antenas requieren de acopladores de impedancia entre la lnea de
transmisin y los elementos radiadores. La implementacin de estos acopladores puede hacerse
diversas formas, dependiendo de la frecuencia y potencia de funcionamiento.
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Las configuraciones ms utilizadas son por lo general tres: L, T y . Los acopladores que se muestran
son asimtricos o no balanceados, tal como se requiere en el caso de lneas coaxiales. En el caso de
acopladores simtricos o balanceados, la reactancia de la rama en serie debe dividirse por dos. Las
frmulas de diseo que se darn son vlidas cuando las impedancias del generador y la carga son
resistencias puras. Si estas impedancias son complejas la solucin se complica considerablemente
y, al momento de escribir esto, no se ha encontrado un tratamiento completo y adecuado del
problema, si bien se utilizan tambin mtodos grficos.
3. CONCEPTOS DE ACOPLE DE IMPEDANCIA
Acoplamiento de Impedancias: En electrnica adaptar o emparejar las impedancias, consiste en
hacer que la impedancia de salida de un origen de seal, como puede ser una fuente de
alimentacin o un amplificador, sea igual a la impedancia de entrada de la carga a la cual se conecta.
Esto con el fin de conseguir la mxima transferencia de potencia y aminorar las prdidas
de potencia por reflexiones desde la carga.
Frecuencia de resonancia f0: Es la frecuencia de un red L-C-R, en el cual la suma total de las
reactancias del circuito se hacen cero
Ancho de banda B: Son todas las componentes de amplitud en frecuencias que se encuentran
alrededor de la frecuencia de resonancia.
Factor de calidad Q: Es la razn entre la reactancia y la resistencia, , la razn entre la conductancia
y la suceptancia dependiendo de la configuracin de la red.
Selectividad: Es la capacidad que tiene una red de acoples para atenuar componentes de frecuencia
que estn por fuera del ancho de banda requerido. Es una consecuencia del factor Q.
4. REDES DE ADAPTACION DE IMPEDANCIAS (L, T, y )
4.1. Acoplador en L
Una de las formas ms 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 como se muestra
en la figura 2. Los circuitos a y b son filtros pasa bajos y los que se presenta en los circuitos c y d son
filtros pasa altos. Mediante el diseo adecuado de la red de acoplamiento L, la impedancia de carga
puede acoplarse a la impedancia de la fuente.
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Fig. 2. Cuatro redes de acoplamiento de impedancias tipo L
El inductor y el capacitor se eligen para que entren resonancia a la frecuencia del transmisor, cuando
el circuito entra en resonancia XL es igual a Xc. El valor real de la impedancia depende de los valores
de L y C, y del Q del circuito. Cuanto ms grande sea Q, ms alta ser la impedancia. El Q del circuito
est determinado bsicamente por el valor de la impedancia de la carga.
La figura 3 presentan dos tipos de acoplamiento de impedancias de tipo L con sus respectivas
ecuaciones de diseo. Se supone que la impedancia de la fuente interna y la de la carga son
resistivas, donde Zi = Ri y Z1 = R1. En la red de la figura 3-a se considera que Rl < Ri mientras que en
la red de la figura 3-b se supone que Ri < Rl.
= 2
=
1
=
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Fig. 3. Redes de acoplamiento de impedancias tipo L con sus respectivas ecuaciones
Ejemplo 1: Consideremos que se desea acoplar la impedancia de 5 de un amplificador de transistor
a una carga de antena de 50 a 120 MHz. En este caso, Ri < Rl,
Solucin:
a) El elemento en paralelo debe estar en el lado de la resistencia mayor (1000 ), esto la convierte
en la Rp del circuito de tal forma que:
=
1 =
50
5 1 = 3
= 2 = 5(50) 25 = 15
=
=
5(50)
15= 16.16
Xl = 2fL
=
2=
15
2 120=
=1
2=
1
2 12 16.67=
Aun cuando las redes L se usan con frecuencia para el acoplamiento de impedancias, no son flexibles
en cuanto a su selectividad. Cuando se disean redes L, hay muy poco control sobre el Q del circuito.
Este valor est definido por las impedancias interna y de carga. Se obtiene, desde luego, un valor de
Q, pero quiz no siempre sea el necesario para lograr la selectividad deseada.
Las redes pi y T que utilizan tres elementos reactivos pueden disearse para aumentar o reducir las
impedancias, segn sean los requerimientos del circuito. Los capacitores, por lo general, se hacen
variables para que el circuito pueda sintonizarse a la resonancia y ajustarse para la salida de potencia
mxima.
= 2
=
1
=
-
4.2. Acoplador en
Este acoplador puede considerarse como formado por dos acopladores en L. se trata de manejar un
conjunto de dos circuitos simples, relacionados por un valor comn de la resistencia intermedia
virtual R. cada uno de los dos circuitos tiene un coeficiente de sobretensin cargado Q1 y Q2
Fig. 4. Redes de acoplamiento de impedancias tipo con sus respectivas ecuaciones
4.3. Acoplador en T
En el caso de los circuitos en T se trata de idntica manera a la utilizada para los circuitos en . Este
tipo de acoplador en T, en la configuracin se usa tambin cuando las impedancias de carga y del
generador son puramente resistivas, puede considerarse como formado por dos acopladores en L
conectados espalda con espalda.
Fig. 5. Redes de acoplamiento de impedancias tipo con sus respectivas ecuaciones
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5. ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIAS POR TRANSFORMADOR
Uno de los mejores dispositivos para acoplamiento de impedancias es el transformador. Se usa
transformadores con ncleo de hierro a frecuencias bajas para igualar (acoplar) una impedancia a
otra. Es posible hacer que una impedancia aparezca como la impedancia de carga deseada si se
selecciona el valor correcto de la relacin de vueltas del transformador.
Fig. 6. Acoplamiento de impedancias con transformador con ncleo de hierro
El cociente de la impedancia de entrada, Zi y la impedancia de la carga, Zl es igual al cuadrado del
cociente del nmero de vueltas en el primario, Np, y el nmero de vueltas en el secundario, Ns.
Como ejemplo, para acoplar la impedancia de un generador de 5 ohm a una impedancia de carga
de 50 ohm, la razn o relacin de vueltas sera, 3.16 veces tantas vueltas en el devanado secundario
como en el primario. Esta relacin es vlida slo para transformadores con ncleo de hierro.
Se han creado tipos especiales de materiales para ncleos a fin de usarlos en frecuencias muy altas.
El material del ncleo es una ferrita o hierro pulverizado. Tanto el devanado primario como el
secundario se arrollan en un ncleo de este material.
El ncleo para transformadores de RF de uso ms comn es el de forma toroidal. Un toroide es, en
geometra, un cuerpo de seccin circular que tiene la forma de dona. El toroide metlico se fabrica,
en general, con un tipo especial de hierro pulverizado. En el toroide se arrolla alambre de cobre para
conformar los devanados primario y secundario. Una configuracin tpica es la que muestra la figura
Fig. 7. Transformador Toroidal
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Tambin se usan bobinados primarios con derivaciones para tener el llamado autotransformador,
que permite acoplar impedancias entre etapas de RF. La figura sigueinte describe las
configuraciones para aumentar y reducir la impedancia. Por lo comn se usan toroides.
Fig. 8. Acoplamiento de impedancias con auto-transformador
Los transformadores toroidales hacen que el campo magntico que produce el devanado primario
est por completo dentro del propio ncleo. Esto aporta varias ventajas importantes.
Primera, un toroide no radiar energa de RF. El toroide, por otra parte, confina el campo magntico
por completo y, por lo tanto, no requiere blindajes.
Otro beneficio es que la mayor parte del campo magntico que produce el devanado primario corta
las vueltas del devanado secundario. Por ello, las frmulas bsicas para relacin de vueltas, voltajes
de entrada-salida y las de impedancia para transformadores de baja frecuencia estndares tambin
se aplican a los transformadores de alta frecuencia toroidales.
En la mayora de los nuevos diseos de RF se usan transformadores con ncleo de toroide para
acoplar las impedancias de RF entre las etapas.
6. BALUNES PARA ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIAS
Un balun es un transformador de lnea de transmisin conectado para realizar el acoplamiento de
impedancias en un amplio intervalo de frecuencias. La figura 9 muestra una de las configuraciones
ms utilizada. Este transformador suele estar arrollado en un toroide, y los nmeros de vueltas de
los devanados primario y secundario son iguales, originando as una relacin de vueltas de 1:1 y una
relacin de acoplamiento de impedancias de 1:1. Los puntos indican la fase de los devanados.
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A un transformador conectado de este modo se le llama "balun", trmino que se deriva de las
primeras letras de las palabras en ingls BALanced y Unbalanced que corresponden a "balanceado
y "no balanceado", respectivamente ya que estos transformadores por lo comn se usan para
conectar una fuente balanceada con una carga no balanceada, o viceversa. En el circuito de la figura
9-a, un generador balanceado se conecta a una carga (conectada a tierra) no balanceada. En 9-b, un
generador (conectado a tierra) no balanceado puede conectarse a una carga balanceada.
Fig. 8. Transformador balun utilizados para conectar cargas o generadores balanceados y no
balanceados
7. CONCLUSIONES
La utilizacin de elementos pasivos para la construccin de filtros presentan una aplicacin
en el acoplamiento de impedancias en circuitos que requieran mxima transferencia de
potencia, como por ejemplo el acople de una antena entre la lnea de transmisin y los
elementos radiadores.
Una red de adaptacin por compleja que sea, puede ser tratada considerando que es el
resultado de poner en serie redes en L, T o , lo que permiten obtener soluciones exactas.
El factor Q de las redes en L, T y , tiene una relacin directa con el inductor utilizado.
La mxima transferencia de potencia a la carga ocurrir cuando se trabaje en la frecuencia
de resonancia segn la red de adaptacin que se emplee.
8. REFERENCIAS
[1]http://es.wikipedia.org/wiki/Adaptaci%C3%B3n_de_impedancias
[2]http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap11Ad
aptaciondeimpedancias2008.pdf, pg. 8
[3]http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap11Ad
aptaciondeimpedancias2008.pdf, pg. 10
[4]http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap11Ad
aptaciondeimpedancias2008.pdf, pg. 13