Redes de Acople
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Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Redes de Acople. 1 Resumen—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 de acople, máxima transferencia de potencia, frecuencia, factor de calidad. Abstract—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. 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]. 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 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 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
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Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Redes de Acople. 1
Resumen—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 de acople, máxima transferencia de
potencia, frecuencia, factor de calidad.
Abstract—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.
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].
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
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
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
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quizá no siempre sea el necesario para lograr la
selectividad deseada [4].
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].
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].
Fig. 3 Red de acople T.
IV. PROCEDIMIENTO
A. Red L
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.
Fig. 4 Red de adaptación L.
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:
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.
Fig. 6 Red de adaptación T.
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
V11Vac
0Vdc
R1
57.62
L1
178u
C1
1.54n
R2
2k
0
V11Vac
0Vdc
R1
50
L
178u
C2
1.67n
R2
6k
0
C1
21.22n
V11Vac
0Vdc
R1
50
L
178u
R2
100
0
C1
0.465n
C2
1.13n
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siguiente resultado:
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:
Fig. 8 Análisis en frecuencia de la red 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.
Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Redes de Acople. 4
C. Red T
Se procede a realizar la simulación correspondiente
a la red de acople T, en donde se obtiene los
siguientes resultados:
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
obtenidos de forma simulada para el caso
anterior.
A continuación se presenta la gráfica obtenida de
realizar el segundo caso con los valores obtenidos
del ancho de banda:
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
de calidad específico no es adecuado trabajar con la
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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.
